10 kV變/配電所消弧保護(hù)方式的改進(jìn)

王永香

（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蚌埠卷煙廠，安徽蚌埠233010）

經(jīng)驗(yàn)交流

10 kV變/配電所消弧保護(hù)方式的改進(jìn)

王永香

（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蚌埠卷煙廠，安徽蚌埠233010）

雷電或弧光接地過電壓往往造成高壓配電柜內(nèi)元器件損壞、甚至爆炸，是變/配電所設(shè)備損壞的主要原因，一旦故障發(fā)生，會(huì)造成大面積和長(zhǎng)時(shí)間停電。通過故障消弧柜的故障原因查找和消弧保護(hù)原理分析，對(duì)現(xiàn)有消弧保護(hù)方式和避雷措施進(jìn)行改進(jìn)。在變/配電所進(jìn)線電纜處安裝零序電流互感器，發(fā)生單相弧光接地時(shí)，根據(jù)零序電流方向判斷弧光接地發(fā)生在所外還是所內(nèi)，對(duì)所內(nèi)弧光接地過電壓采取消弧控制，所外弧光接地過電壓時(shí)僅報(bào)警，從而減少不必要的消弧控制和因消弧控制而導(dǎo)致系統(tǒng)金屬性接地的次數(shù)。

雷電波；單相弧光接地；弧光過電壓；消弧控制；零序電流

0 引言

長(zhǎng)期以來，我國(guó)6～35 kV電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，此類變/配電所常常發(fā)生單相弧光接地并因此遭受弧光過電壓危害[1]。輸電線路也易遭受雷擊，雷電波沿線路侵入變/配電所，產(chǎn)生很高的雷電感應(yīng)過電壓，有可能引起避雷器或過電壓保護(hù)器放電而形成弧光接地，造成線路或變/配電所內(nèi)設(shè)備燒毀及跳閘停電等事故，影響電力系統(tǒng)正常供電[2-3]。目前許多新建變/配電所的高壓進(jìn)線逐步由架空線路改為高壓電纜線路，系統(tǒng)電容電流大幅度增加，發(fā)生單相弧光接地時(shí)，弧光不容易自熄，形成間歇性弧光接地過電壓的幾率和跳閘次數(shù)大大增加[4]。從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式對(duì)以電纜線路為主的供電網(wǎng)絡(luò)無法起到應(yīng)有的保護(hù)作用，因此越來越多地使用消弧控制器以防止弧光接地過電壓，其原理是將監(jiān)測(cè)到的故障相弧光接地快速轉(zhuǎn)化成金屬性接地，使接地相電壓變?yōu)榱悖瑥亩」饨拥剡^電壓[5]。但消弧控制器不加區(qū)分地對(duì)所有檢測(cè)到的單相弧光接地過電壓都加以控制，常常將對(duì)系統(tǒng)影響不大的單相弧光接地轉(zhuǎn)變成金屬性接地，使消弧控制動(dòng)作頻繁，造成了不必要的事故隱患，消弧控制得不到合理有效的利用。本文在對(duì)10 kV變/配電所內(nèi)消弧控制柜二次故障原因查找的基礎(chǔ)上，分析了雷電和弧光接地過電壓對(duì)10 kV進(jìn)線線路及變/配電所內(nèi)設(shè)備的影響，對(duì)降低雷電過電壓的影響和消弧控制的保護(hù)方式進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化和完善了消弧控制在用戶級(jí)的變/配電所消弧保護(hù)方面的應(yīng)用。

1 故障現(xiàn)象

2013年7月3日夜間和2013年9月12日夜間，安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司雪茄煙生產(chǎn)廠10 kV變/配電所高壓配電室內(nèi)消弧柜發(fā)生2次故障，都造成了上一級(jí)變電所跳閘。

第一次故障是消弧柜內(nèi)三相過電壓保護(hù)器有1相燒毀，電壓互感器的1相保險(xiǎn)熔斷，保險(xiǎn)固定卡套燒毀，電壓互感器另外2相保險(xiǎn)外觀有電弧放電過程中產(chǎn)生的灼傷痕跡。某相高壓限流熔斷器熔斷，另外2相高壓限流熔斷器外觀有電弧灼傷痕跡；消弧控制器有A相弧光接地故障報(bào)警、動(dòng)作以及高壓限流熔絲熔斷報(bào)文。

第二次故障是消弧柜內(nèi)有2相高壓限流熔斷器熔斷，柜內(nèi)其它元器件未發(fā)現(xiàn)損壞，也沒有電弧放電留下的灼傷痕跡，消弧控制器有B相弧光接地故障報(bào)警、動(dòng)作以及熔絲熔斷報(bào)文。

2 故障原因分析

2.1 10kV變/配電所組成和消弧原理

發(fā)生故障的10 kV變/配電所采用雙回路進(jìn)線，主進(jìn)線引自當(dāng)?shù)毓╇姴块T110 kV變電所，全程采用電纜線路，提供全廠全部負(fù)荷用電；備用線路引自當(dāng)?shù)毓╇姴块T另一個(gè)110 kV變電所，線路采用架空線與電纜串聯(lián)方式。10 kV變/配電所有2臺(tái)計(jì)量柜、2臺(tái)高壓進(jìn)線柜、1臺(tái)消弧柜、1臺(tái)所用變柜和4臺(tái)10 kV出線柜，整個(gè)10 kV系統(tǒng)采用消弧柜消除由弧光接地和雷電等原因產(chǎn)生的過電壓，對(duì)線路和配電柜進(jìn)行保護(hù)。

圖1所示為10 kV變/配電所消弧控制柜消弧及過電壓保護(hù)一次方案，由消弧控制器TXK、高壓隔離開關(guān)BD、高壓限流熔斷器FU、電壓互感器TV、三相過電壓保護(hù)器TGB、分相控制的高壓真空接觸器JZ、高頻阻尼器FZ等部分組成，具有消弧和過電壓保護(hù)功能，消弧控制器通過檢測(cè)電壓互感器的電壓信號(hào)來判定故障的類型和相別，并根據(jù)殘壓判斷是金屬性接地還是弧光接地[6]。

圖1 消弧控制柜消弧及過電壓保護(hù)一次方案

2.2 第一次故障原因分析

第一次故障發(fā)生時(shí)有雷電發(fā)生，雷電波通過進(jìn)線線路引入變/配電所形成雷電感應(yīng)過電壓。整個(gè)過程中，計(jì)量柜、高壓進(jìn)線柜、高壓出線柜中的過電壓保護(hù)器（型號(hào)與消弧柜中的過電壓保護(hù)器一樣，均為TGB-12.7 kV）都未被擊穿，消弧柜中的過電壓保護(hù)器可能由于制造缺陷或受潮等因素的影響，成為高壓配電系統(tǒng)中耐受過電壓的薄弱點(diǎn)。在雷電感應(yīng)過電壓的作用下，三相過電壓保護(hù)器的其中1相對(duì)地放電形成弧光接地，產(chǎn)生弧光過電壓，最終過電壓保護(hù)器被擊穿。由圖1分析，在過電壓保護(hù)器的其中1相對(duì)地放電至被擊穿的過程中，所形成的弧光過電壓和大電流使某1相高壓熔斷器熔斷、電壓互感器的熔絲熔斷?；」夥烹娨鹣嚅g短路，造成本變/配電所進(jìn)線斷路器和上一級(jí)變電所開關(guān)跳閘，弧光放電也對(duì)柜內(nèi)其它元器件造成灼傷。

2.3 第二次故障原因分析

2.3.1 所內(nèi)與所外系統(tǒng)的劃分

10 kV變/配電所內(nèi)高壓配電柜、10 kV高壓母線、變壓器的10 kV進(jìn)線及變壓器高壓側(cè)構(gòu)成了10 kV變/配電所所內(nèi)高壓系統(tǒng)；10 kV變/配電所高壓進(jìn)線、當(dāng)?shù)毓╇姴块T110 kV變電所的變壓器、10 kV高壓配電柜、高壓母線、高壓出線柜所有出線及其所連其它用戶的10 kV變/配電所構(gòu)成了本10 kV變/配電所的所外高壓系統(tǒng)；所內(nèi)高壓系統(tǒng)和所外高壓系統(tǒng)構(gòu)成了10 kV高壓電網(wǎng)系統(tǒng)。圖2為10 kV變/配電所所內(nèi)、所外系統(tǒng)劃分示意圖，實(shí)線框內(nèi)為所內(nèi)系統(tǒng)，虛線框內(nèi)為所外系統(tǒng)。根據(jù)上述判別弧光接地的原理，消弧控制器能檢測(cè)到所內(nèi)或所外發(fā)生單相弧光接地，一旦單相弧光接地發(fā)生，就會(huì)向故障相高壓真空接觸器發(fā)出指令，使故障相由弧光接地轉(zhuǎn)化為金屬性接地。如果消弧控制器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)連續(xù)檢測(cè)到單相弧光接地，故障相高壓真空接觸器將不再斷開，由操作人員處理后復(fù)位消弧控制器使其斷開。真空接觸器具備防誤合閉鎖功能，當(dāng)故障相合閘未返回時(shí)，另外2相無法合閘。

圖2 10 kV變/配電所所內(nèi)、所外系統(tǒng)劃分

2.3.2 故障原因判斷

第二次故障后，現(xiàn)場(chǎng)用5 kV搖表（兆歐表）對(duì)10 kV變/配電所進(jìn)線電纜、配電柜、配電柜出線電纜及變壓器進(jìn)行絕緣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)絕緣情況良好，不存在電纜短路、某相接地或有絕緣薄弱隱患的情況[7]。因此可以判定，在B相長(zhǎng)時(shí)間單相金屬性接地過程中，所外系統(tǒng)A相由于某種原因引起單相接地（不一定是單相弧光接地），在10 kV高壓系統(tǒng)內(nèi)形成A相和B相的相間短路，因此造成消弧柜內(nèi)A相和B相高壓熔斷器熔斷，10 kV變/配電所斷路器和上一級(jí)變電所開關(guān)跳閘。由于B相弧光接地故障點(diǎn)發(fā)生在所外系統(tǒng)，在變/配電所內(nèi)沒有形成弧光放電和較高的弧光過電壓，因此對(duì)所內(nèi)設(shè)備沒有造成影響。而A相的單相接地可能是瞬時(shí)接地，沒有形成單相弧光接地過電壓，這就是消弧控制器沒有A相弧光報(bào)警的原因。

3 改進(jìn)措施

3.1 預(yù)防雷電過電壓的改進(jìn)措施

10 kV變/配電所主進(jìn)線是全程電纜進(jìn)線且距離較遠(yuǎn)，進(jìn)線線路受直擊雷沖擊的可能性很小，受到雷電感應(yīng)過電壓的影響較大。進(jìn)線以架空線或短電纜為主的過電壓保護(hù)中，應(yīng)盡可能將避雷器或過電壓保護(hù)器安裝在離保護(hù)設(shè)備最近的地方，而在長(zhǎng)電纜的情況下，其長(zhǎng)度影響較為復(fù)雜，長(zhǎng)電纜線路有可能延遲進(jìn)線電纜處避雷器或過電壓保護(hù)器的動(dòng)作，削弱其限壓作用，因此避雷器的安裝位置和配置數(shù)量應(yīng)從工程實(shí)際考慮[8]。

此次發(fā)生消弧柜故障的變/配電所僅在所內(nèi)高壓配電柜中安裝了過電壓保護(hù)器，進(jìn)線電纜沒有避雷器保護(hù)。采取的改進(jìn)措施為：在進(jìn)線線路中間增加1個(gè)10 kV室外高壓環(huán)網(wǎng)柜，環(huán)網(wǎng)柜位于廠區(qū)內(nèi)，從廠區(qū)室外環(huán)網(wǎng)柜到10 kV變/配電所線路長(zhǎng)度約700 m，在環(huán)網(wǎng)柜斷路器上端頭的進(jìn)線電纜上加裝避雷器作為二級(jí)防護(hù)，通過增加線路上避雷器的安裝密度，降低雷擊引起的線路感應(yīng)過電壓，以便逐級(jí)泄放雷電能量，達(dá)到逐步降低所鉗制的雷電壓值[9]。

3.2 消弧保護(hù)方式的改進(jìn)措施

3.2.1 區(qū)分所內(nèi)和所外弧光接地的必要性

所內(nèi)系統(tǒng)某點(diǎn)發(fā)生弧光接地，如果不進(jìn)行消弧，弧光放電和過電壓可能會(huì)造成所內(nèi)設(shè)備損壞。所外系統(tǒng)的高壓線路多，架空和電纜線路并存，情況較為復(fù)雜，單相弧光接地發(fā)生的幾率高，而且很多所外系統(tǒng)發(fā)生的單相接地屬于可自行熄滅的輕微弧光接地，對(duì)線路和所內(nèi)設(shè)備影響很小。如果對(duì)所內(nèi)、所外系統(tǒng)的弧光接地不加區(qū)分，全部進(jìn)行消弧控制，勢(shì)必使消弧控制器動(dòng)作頻繁，雖然消弧控制形成單相金屬性接地后，系統(tǒng)還可短時(shí)運(yùn)行，但當(dāng)系統(tǒng)的某1相接地時(shí)，另2相對(duì)地電壓均升高為線電壓，對(duì)線路設(shè)備絕緣構(gòu)成威脅，而且長(zhǎng)時(shí)間的單相接地運(yùn)行，電網(wǎng)系統(tǒng)（包括所內(nèi)和所外）可能會(huì)出現(xiàn)第二點(diǎn)接地，極易引起相間短路[10]。前文已分析9月12日夜晚發(fā)生的消弧柜內(nèi)A相和B相高壓限流熔斷器熔斷就屬于這種情況。

3.2.2 TA區(qū)分所內(nèi)和所外弧光接地的原理

在10 kV進(jìn)線柜進(jìn)線電纜處安裝零序電流互感器，電纜穿過零序電流互感器的鐵心為一次繞組，正常運(yùn)行或三相對(duì)稱短路時(shí)，沒有零序電流；系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障時(shí)，有接地電容電流通過鐵心，在二次側(cè)感應(yīng)出零序電流。

當(dāng)單相弧光接地發(fā)生在所外時(shí)，流過鐵心的零序電流流向接地故障點(diǎn)P，方向是經(jīng)過零序電流互感器指向所外；當(dāng)單相弧光接地發(fā)生在所內(nèi)時(shí)，流過鐵心的零序電流流向接地故障點(diǎn)Q，方向經(jīng)過零序電流互感器指向所內(nèi)（如圖3所示）。

圖3 所內(nèi)或所外系統(tǒng)單相接地時(shí)流過零序電流互感器的電容電流方向

當(dāng)通過零序電流互感器一次繞組的電流方向發(fā)生變化時(shí)，零序電流互感器二次側(cè)感應(yīng)的零序電流方向也發(fā)生相應(yīng)的變化。圖4為消弧控制器與零序電流流向接線示意圖，假設(shè)單相弧光接地發(fā)生在所內(nèi)，P1→P2代表一次電流流向，表示流過零序電流互感器鐵心的一次繞組零序電流方向指向所內(nèi)，零序電流互感器二次電流流向?yàn)镾1→S2，零序電流互感器二次側(cè)與消弧控制器按圖4所示接線。消弧控制器根據(jù)檢測(cè)到的零序電流方向，進(jìn)一步判斷零序功率方向是否滿足設(shè)定要求，來確定單相弧光接地發(fā)生在所內(nèi)還是所外。

圖4 消弧控制器與零序電流流向接線

3.2.3 改進(jìn)消弧保護(hù)方式的意義

若消弧控制器檢測(cè)到單相弧光接地發(fā)生在所內(nèi)，發(fā)出消弧控制指令，將故障相弧光接地轉(zhuǎn)化成金屬性接地，進(jìn)行消弧處理；如果檢測(cè)到弧光接地發(fā)生在所外，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。消弧保護(hù)方式由原先檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)任何地方發(fā)生弧光接地都進(jìn)行消弧控制，改變?yōu)樗鶅?nèi)弧光接地進(jìn)行消弧控制而所外弧光接地只報(bào)警，不進(jìn)行消弧控制。由于所外系統(tǒng)單弧光接地發(fā)生幾率較高，對(duì)變/配電所內(nèi)設(shè)備影響較小，且多數(shù)屬于可自行熄滅的輕微弧光接地，因此把所外系統(tǒng)單相弧光接地的消弧保護(hù)方式改為報(bào)警，大大減少了消弧控制器不必要的消弧動(dòng)作和所內(nèi)系統(tǒng)金屬性接地的次數(shù)，消除了因頻繁單相接地對(duì)設(shè)備絕緣的威脅，降低了形成兩相接地短路的可能性。

消弧保護(hù)方式改進(jìn)后，加強(qiáng)了對(duì)變/配電所內(nèi)高壓線路和設(shè)備的保護(hù)，提高了用戶級(jí)變/配電所供電的可靠性。如果單相弧光接地過電壓發(fā)生在所外高壓進(jìn)線電纜上，消弧控制器只報(bào)警而不進(jìn)行消弧控制，雖然對(duì)變/配電所內(nèi)設(shè)備不會(huì)造成影響，但可能引起所外高壓進(jìn)線電纜損壞和停電的事故。通常高壓進(jìn)線電纜埋在地下，發(fā)生單相弧光接地的幾率很小，通過電纜的常規(guī)絕緣檢測(cè)以及發(fā)生報(bào)警后的非常規(guī)絕緣檢測(cè)，可提高電纜的絕緣可靠性，減少或杜絕因電纜絕緣發(fā)生弧光接地的可能。另外，用戶級(jí)變/配電所的進(jìn)線即為上一級(jí)變電所的出線，也可通過上一級(jí)變電所的消弧控制對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)。

4 結(jié)語

通過對(duì)10 kV變/配電所消弧柜的故障分析可以看出，發(fā)生在所內(nèi)的故障是由雷電過電壓引起消弧柜內(nèi)過電壓保護(hù)器弧光放電，形成單相弧光接地，造成部分元器件的電弧灼傷和損毀；如果不進(jìn)行消弧處理，過電壓保護(hù)器弧光放電和單相弧光接地過電壓可能會(huì)造成更大的損壞、甚至引起配電柜爆炸。另一次是消弧控制器檢測(cè)到本變/配電所所外系統(tǒng)發(fā)生弧光接地，消弧控制使變/配電所內(nèi)故障相長(zhǎng)時(shí)間單相金屬性接地，最終造成兩相接地短路；由于單相弧光接地故障點(diǎn)在所外，距離較遠(yuǎn)，不會(huì)在所內(nèi)形成弧光放電和很高的單相弧光接地過電壓，對(duì)所內(nèi)設(shè)備不構(gòu)成威脅；如果按改進(jìn)后的消弧保護(hù)方式，不進(jìn)行消弧控制，只進(jìn)行弧光接地報(bào)警，就不會(huì)引起兩相接地短路以及熔斷器熔斷和跳閘停電。因此將用戶級(jí)的變/配電所消弧保護(hù)區(qū)分為所內(nèi)和所外系統(tǒng)，改進(jìn)消弧保護(hù)方式是非常必要的，對(duì)所內(nèi)設(shè)備和線路加強(qiáng)消弧保護(hù)，同時(shí)所外屬于本變/配電所的進(jìn)線線路也可通過消弧控制器的報(bào)警進(jìn)行監(jiān)測(cè)保護(hù)。

[1]王接旭，侯建軍，丁曉峰．弧光接地過電壓引起設(shè)備燒毀事故原因分析[J]．電氣技術(shù)，2011（1）∶79-81．

[2]曾海濤，王勇，黃少先．高要10kV高崗線防雷保護(hù)的研究[J]．電氣應(yīng)用，2009（21）：50-53．

[3]王希，王順超，何金良，等．10 kV配電線路的雷電感應(yīng)過電壓特性[J]．高電壓技術(shù)，2011（3）∶599-605．

[4]王恒山．中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地變?yōu)榈妥杞拥毓收戏治鯷J]．電氣應(yīng)用，2008（17）∶53-55．

[5]毛衛(wèi)華．弧光接地過電壓的危害及消弧措施[J]．電氣應(yīng)用，2008（10）∶49-51．

[6]鄔自健，陳式獻(xiàn)，楊華，等．XHG消弧裝置機(jī)理及保護(hù)分析[J]．冶金動(dòng)力，2011（S1）∶4-6．

[7]周理，沈倪勇．高壓電纜絕緣電阻的測(cè)試與探討[J]．鐵合金，2006（5）∶27-30．

[8]江日洪，羅曉宇，曹世勛，等．長(zhǎng)電纜線路雷電沖擊過電壓計(jì)算及絕緣配合[J]．供用電，2002（2）∶12-16．

[9]王希，王順超，何金良，等．安裝避雷器后10 kV配電線路的雷電感應(yīng)過電壓特性[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2012（7）∶149-154．

[10]陳輝．采用零序電流互感器檢測(cè)10 kV線路接地故障的探討[J]．浙江電力，2001（4）∶52-53．

（本文編輯：徐晗）

日本開發(fā)出可在微弱光線下發(fā)電的光伏電池

據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，日本理光開發(fā)出了即使在光線不夠充足的環(huán)境下也能高效發(fā)電的光伏電池。這款光伏電池使用了由有機(jī)材料制成的半導(dǎo)體以取代現(xiàn)在作為主流材料的硅。理光計(jì)劃將該電池用于幫助人們監(jiān)測(cè)健康狀況的可穿戴型設(shè)備的超小傳感器等，力爭(zhēng)2～3年后推向?qū)嵱谩?/p>

理光開發(fā)的是被稱為“染料敏化型”的光伏電池，采用了像植物的葉子一樣吸收光亮釋放電力的構(gòu)造。通過將有機(jī)半導(dǎo)體嵌入布滿細(xì)小空隙的材料中，實(shí)現(xiàn)了即使在微弱光線下也能產(chǎn)生電力的性能。

據(jù)稱在普通辦公室環(huán)境一半左右的光線（200 lx）下，該光伏電池每平方厘米可產(chǎn)生13.6 μW的電量。據(jù)稱，這相當(dāng)于電子計(jì)算器等所使用的非晶硅型電池的2倍左右。

此前，染料敏化光伏電池的發(fā)電部分使用了液體材料，因此有必要防止液體滲漏和蒸發(fā)。由于新技術(shù)采用的是固體材料，所以不需要擔(dān)心上述問題，可以將電池做得更小。

來源：中國(guó)青年網(wǎng)

Improvement of Protection Mode of Arc Suppression in 10 kV Substation

WANG Yongxiang
（Bengbu Cigarette Factory of China Tobacco Anhui Industrial Limited Liability Company，Bengbu Anhui 233010，China）

Lightning or arc grounding overvoltage often cause damage on components in high voltage power distribution cabinet or even explosion，which is the main cause of equipment damage in substation.Once the failure occurs，it will result in widespread and long-time blackout.Current protection modes of arc suppression and lightning protection measures are improved by searching for failure reason of arc suppression cabinet and analyzing the principle of arc suppression.After installing zero-sequence current transformer on substation incoming cable，it can be determined whether arc grounding happens inside or outside the substation depending on the direction of zero-sequence current in case of single-phase arc grounding.For arc grounding overvoltage inside the substation，arc suppression controls are adopted；for that outside the substation，alarming measures are employed.Thus，the unnecessary arc suppression control as well as the metal grounding times of system caused by arc suppression control can be reduced.

lightning wave；single-phase arc grounding；arc-overvoltage；arc suppression control；zero-sequence current signal

TM864

：B

：1007-1881（2014）08-0060-05

2014-05-30

作者簡(jiǎn)歷：王永香（1969-），男，安徽鳳陽人，工程師，從事工業(yè)電氣自動(dòng)化及煙草工藝設(shè)備的技術(shù)改造工作。