消弧消諧裝置在礦山供電系統(tǒng)的應(yīng)用

王偉利 安平平 王麗

摘要：簡要分析弧光接地過電壓的危害，介紹消弧消諧裝置的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及過電壓保護裝置的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：礦山；供電系統(tǒng)；中性的不接地；弧光接地；過電壓；消弧；消諧

目前我國6～35KV供電系統(tǒng)大多采用中性點不接地的運行方式。中性點接地供電方式是指將變壓器的中性點通過金屬接地體與大地相連接，中性點與大地絕緣則稱中性點不接地方式。當(dāng)電網(wǎng)一相接地時，中性點不接地系統(tǒng)只要保持較高的對地絕緣電阻，接地電流就比較小。在中性點不接地供電系統(tǒng)中，若人體觸及一相帶電體，通過人身體的電流時從電網(wǎng)的一相經(jīng)過人身流入大地，再經(jīng)過其它兩相對地絕緣電阻和對地電容回到電網(wǎng)其它兩相，由于該條件下對地絕緣電阻較高，所以限制住過大的電流，對人體的觸電危害就大大減小。而中性點接地供電系統(tǒng)中，當(dāng)人觸及一相帶電體時，人體跨接電網(wǎng)的相電壓，流過人體的電流遠遠大于極限安全電流，對人體造成極大的傷害，危及生命。根據(jù)《礦山電力設(shè)計規(guī)范》GB500070-2009要求礦山井下供配電系統(tǒng)和露天采礦場內(nèi)采用中性點不接地供電方式。

中性點不接地供電方式存在以下問題：

（1）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，相電壓升至線電壓。

（2）普通無間隙三相避雷器不能滿足相間過電壓保護的要求。

（3）經(jīng)消弧線圈接地的接地方式無法消除永久性單相接地故障。

（4）間歇性弧光過電壓的能量難以確定，避雷器難以承受不斷積累的能量。

（5）難以確定發(fā)生單相接地故障的支路。

（6）單相接地故障沒消除時，PT過電流。

針對以上問題，消弧消諧裝置能迅速消除中性點非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電氣設(shè)備帶來的危害，解決了小電流接地系統(tǒng)間歇性弧光接地過電壓的危害問題。

一、間歇性弧光接地過電壓的危害問題

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，三相電壓是對稱的，系統(tǒng)的線電壓保持不變，，所以國家標準規(guī)定這類電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障后允許短時間內(nèi)帶故障運行，提高了該類電網(wǎng)的供電可靠性。發(fā)生單相接地故障的性質(zhì)不同，其后果也不一樣。如果單相接地故障為金屬性接地，則故障相的電壓降為零，其余兩健全相對地電壓升高至線電壓，這類電網(wǎng)的電氣設(shè)備在正常情況下都應(yīng)能承受這種過電壓而不損壞。如果單相接地故障為弧光接地，則會在系統(tǒng)中產(chǎn)生最高值達3.5倍線電壓的相電壓，這種過電壓是由于系統(tǒng)對地電容上的電荷多次不斷地積累和重新再分配形成的，是斷續(xù)、瞬間發(fā)生且幅值較高的過電壓，對電力系統(tǒng)中的設(shè)備危害極大，主要表現(xiàn)在一下幾個方面：

（1）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時，在3.5倍過電壓的持續(xù)作用下，由于固體絕緣擊穿的積累效應(yīng)，造成電氣設(shè)備絕緣的積累性損傷，在非故障相的絕緣薄弱環(huán)節(jié)造成對地擊穿，進而發(fā)展成為相間短路事故。

（2）弧光接地過電壓使電壓互感器飽和，容易激發(fā)鐵磁諧振，導(dǎo)致過電壓或電壓互感器爆炸事故發(fā)生。

（3）弧光接地過電壓的能量由電源提供，持續(xù)時間長，當(dāng)過電壓超過避雷器所能承受的額定能量時，就會造成避雷器的爆炸事故。

二、消弧消諧裝置的作用

由于架空線路逐步被電纜線路取代，中等電壓等級的電網(wǎng)中固體絕緣的設(shè)備逐年增多，隨著運行時間的增加，現(xiàn)有架空線路、電纜線路、電氣設(shè)備設(shè)施逐漸老化。因此，近年來，弧光接地過電壓的問題越來越突出。消弧消諧裝置能迅速消除中性點非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電氣設(shè)備帶來的危害，解決了小電流接地系統(tǒng)間歇性弧光接地過電壓的危害問題。

消弧消諧裝置的組成與基本功能：該裝置由過電壓保護器、微機控制技術(shù)及單相真空接觸器構(gòu)成一套自動控制系統(tǒng)。其主要有以下七個部件組成：

（1）ZnO非線性元件組成過電壓保護器，以限制大氣過電壓和操作過電壓。

（2）在系統(tǒng)正常時，分相真空接觸器均處于斷開狀態(tài)，不會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響。系統(tǒng)非正常運行時，分相真空接觸器根據(jù)微機控制器的指令，損時合上，完成對系統(tǒng)過電壓限制。

（3）高壓限壓器。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光接地時，真空接觸器立即將高能限壓器投入到故障相，有限壓器將故障相的最高電壓限制在相電壓的70%左右，使弧道的恢復(fù)電壓上升到該值時就不再上升，保證電弧的可靠熄滅。

（4）微機控制器。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地或諧振時，微機控制器根據(jù)電壓互感器傳來的電壓信號進行以下處理：

如果接地故障是穩(wěn)定的金屬性接地，微機控制器進入小電流接地選線處理系統(tǒng)，迅速查找故障線路，同時發(fā)出報警信號提醒運行人員注意。

如果接地故障是弧光接地，則微機控制器判斷接地的相別，并發(fā)出指令，使故障相的真空接觸器閉合高能限壓器，限制故障相的弧道的恢復(fù)電壓，使弧道的介質(zhì)恢復(fù)抗點強度大于弧道的恢復(fù)電壓，從而達到消弧的目的，過數(shù)秒鐘分開故障相接觸器；微機控制器將檢測線路是否還有弧光接地，如果還有弧光接地則判斷為永久性接地，并發(fā)出指令使故障相的真空接觸器閉合使故障相永久直接接地；如果系統(tǒng)發(fā)生諧振時，微機控制器快速接入消諧功能元件，進行微機二次消諧，消除諧振。

（5）高壓限流熔斷器是整個裝置的后背保護器件，用來防止兩相短路事故。

（6）電壓互感器用于對系統(tǒng)電壓的檢測及采樣。

（7）高壓隔離開關(guān)用于消弧消諧及過電壓保護裝置安裝維護時的投切。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地或發(fā)生PT單相斷相時，PT的輔助二次輸出信號U△將有低電平變成高電平，微機綜合控制器啟動，對PT二次輸出信號Ua、Ub、Uc進行處理，判斷故障類型和相別，并作出如下處理：

（1）如果是間歇性弧光接地，則微機控制器在20ms之內(nèi)向故障相真空接觸器發(fā)出合閘命令，將故障相與接地網(wǎng)直接連接，消弧消諧裝置及過電壓保護裝置在40ms之內(nèi)將弧光接地快速轉(zhuǎn)化為金屬性接地，弧光接地過電壓消失。系統(tǒng)可以在單相接地穩(wěn)態(tài)下運行2h。

（2）使用消弧消諧裝置可以收到如下效果：

①將中性點非有效地網(wǎng)的相間過電壓限制在電網(wǎng)安全運行的范圍之內(nèi)，使這類電網(wǎng)既保持了中性點非有效接地的優(yōu)點，又將各種類型過電壓限制到盡可能低的水平，解決了各種過電壓對設(shè)備及電網(wǎng)安全的威脅，更有效的保護設(shè)備的絕緣，提高了電網(wǎng)供電可靠性；

②由于母線過電壓被限制在較低的水平，使引發(fā)鐵磁諧振過電壓的可能性大大減少；

③由于限制過電壓的機理與電網(wǎng)對地電容電流的大小無關(guān)，因而保護功能不受電網(wǎng)大小和運行方式的影響；

④裝置結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的性能價格比，安裝調(diào)試方便。

在選用消弧消諧過電壓裝置需注意如下幾點：

（1）消弧消諧過電壓保護裝置不能用于電容電流大于30A的系統(tǒng)。

（2）不能用于有樹障的架空線路，假如樹枝接觸A相而消弧消諧裝置動作將A相接地，當(dāng)風(fēng)再一吹樹枝接觸B相就會發(fā)生相間短路，消弧消諧柜不僅不能消弧還會造成停電。

三、結(jié)束語

消弧消諧裝置已在煉金石化煤炭及供電等企業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，它能迅速消除中性點非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電氣設(shè)備帶來的危害，解決了小電流接地系統(tǒng)間歇性弧光接地過電壓的危害問題，對于提高供電的可靠性發(fā)揮了重要作用。

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作者簡介：

王偉利：（1969）山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦 助理工程師 主要研究：礦山電氣自動化