3～66 kV電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)整體設(shè)置方案探討

劉跟平，郭思君

3～66 kV電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)整體設(shè)置方案探討

劉跟平1，郭思君2

（長春黃金設(shè)計(jì)院，吉林長春130012；2.蕪湖科越電氣有限公司，安徽蕪湖241000）

中壓供電系統(tǒng)由于過電壓導(dǎo)致的企業(yè)停產(chǎn)、設(shè)備燒損事故多有發(fā)生，給企業(yè)帶來直接、間接的經(jīng)濟(jì)損失，而國內(nèi)延續(xù)多年的針對(duì)性單一保護(hù)產(chǎn)品無法防范各種過電壓給供電系統(tǒng)帶來的損害。通過對(duì)系統(tǒng)過電壓的分析，提出一種整體保護(hù)理論，一種系統(tǒng)性的保護(hù)方案，從根本上改變現(xiàn)有的過電壓保護(hù)方案設(shè)置，探討從根本上解決現(xiàn)有保護(hù)方案的不足，以期提高供電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的全面性、可靠性以及設(shè)備自身的安全性。

過電壓；氧化鋅；能量抑制；消弧

1 引言

我國3～66 kV中壓電網(wǎng)中以6 kV、10 kV、35 kV三個(gè)電壓等級(jí)應(yīng)用較為普遍，其中中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的小電流系統(tǒng)占絕大多數(shù)，小部分采用了中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地或直接接地的大電流系統(tǒng)。近年來，隨著供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，真空斷路器的大量使用，采用電纜線路的用戶日益增加，電弧爐、變頻器、高壓可控硅等電力設(shè)備的使用也日趨增多，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動(dòng)十分頻繁，因?yàn)楣╇娋W(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)而引起系統(tǒng)故障的現(xiàn)象越來越頻繁，造成輸變電設(shè)備的損壞、影響企業(yè)的生產(chǎn)，給企業(yè)帶來直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失，特別是工礦企業(yè)大多采用電纜供電，使得系統(tǒng)單相接地電容電流大大增加，系統(tǒng)由于發(fā)生單相間歇性弧光接地而造成用電設(shè)備損壞的事故多有發(fā)生。

導(dǎo)致這種問題的發(fā)生，主要在于供電網(wǎng)絡(luò)電壓突變的防范措施不當(dāng)，或者為了節(jié)省很小的投資而忽略了保護(hù)設(shè)置，特別是整體電壓突變的保護(hù)設(shè)置。

因此，研究中壓供電系統(tǒng)過電壓的產(chǎn)生，以及整體的防護(hù)方案設(shè)置，就顯得尤為重要。

2 系統(tǒng)過電壓及采用的保護(hù)方案分析

2.1 傳統(tǒng)的控制方案

為了解決電網(wǎng)發(fā)展過程中產(chǎn)生的過電壓危害問題，針對(duì)電網(wǎng)過電壓的保護(hù)控制設(shè)備也在隨之發(fā)展。（1）傳統(tǒng)的避雷器僅僅能夠防止雷擊產(chǎn)生的相對(duì)地過電壓，無法解決系統(tǒng)相間過電壓的問題。（2）近年來國內(nèi)開發(fā)生產(chǎn)的組合式過電壓保護(hù)器能夠同時(shí)限制相對(duì)地、相間過電壓，但吸收能量十分有限，過電壓承受能力只有幾個(gè)毫秒，所以，只能夠?qū)λ矔r(shí)性過電壓吸收限制，對(duì)于諧振、單相接地等產(chǎn)生的長時(shí)間過電壓無法承受，甚至導(dǎo)致保護(hù)器的爆炸。（3）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的保護(hù)方式主要是針對(duì)系統(tǒng)對(duì)地電容電流較大，可能導(dǎo)致間歇性弧光接地過電壓的問題，主要原理是利用電感電流與電容電流在相位上差180°的原理對(duì)系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，但這種補(bǔ)償只是針對(duì)工頻過電壓，而間歇性弧光接地常常是高頻振蕩過電壓，對(duì)此消弧線圈無能為力，所以，消弧線圈能夠可靠消除弧光接地是一種誤區(qū)，消弧線圈的補(bǔ)償式保護(hù)方案僅僅能夠減少弧光接地發(fā)生的幾率，無法杜絕間歇性弧光接地的發(fā)生。（4）采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，其主要原理是利用發(fā)生單相接地時(shí)人為地增加故障點(diǎn)的接地電流，利用零序過電流保護(hù)使斷路器瞬間切斷故障線路。這種原理美國應(yīng)用較多，國內(nèi)廠家很少采用。其原因主要在于使得供電連續(xù)性大大下降，因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)一旦發(fā)生接地故障，無論是金屬接地還是弧光接地，小電流接地系統(tǒng)都會(huì)作用于跳閘，使線路的跳閘次數(shù)大大增加，嚴(yán)重影響了用戶的正常供電，使其供電的可靠性下降。

為了提高對(duì)電網(wǎng)電壓保護(hù)的可靠性，特別是為了解決系統(tǒng)單相接地產(chǎn)生弧光過電壓的問題，2000年以后，國內(nèi)提出了單相接地消弧理論和電壓突變能量抑制理論，目前應(yīng)用較廣，針對(duì)這兩種保護(hù)理論，單獨(dú)分析如下。

2.2 消弧柜

消弧柜的原理是在2000年前后提出的，基本原理如圖1所示，是將發(fā)生弧光接地的故障相直接金屬接地，這種保護(hù)方案原理簡單，一次系統(tǒng)原理可靠。技術(shù)的關(guān)鍵在于二次控制部分的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖1 消弧柜基本原理圖

目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的消弧柜絕大多數(shù)采用這種理論。

通過市場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)，最大的問題在于誤動(dòng)頻繁，主要原因在于：

（1）單相接地消弧的原理，要求裝置動(dòng)作迅速，那么就需要控制器快速作出判斷，判斷時(shí)間越短，準(zhǔn)確性越差，誤動(dòng)的可能性越大。

（2）單相接地消弧沒有考慮弧光接地持續(xù)的時(shí)間，對(duì)于持續(xù)時(shí)間不長，能夠自恢復(fù)的偶發(fā)性過電壓故障，甚至是電壓波動(dòng)，消弧柜都會(huì)動(dòng)作，事后用戶又無法確定故障原因，也是一種誤動(dòng)。

（3）抗擾度能力差，造成對(duì)故障的誤判。

（4）為了快速動(dòng)作，采用自制的永磁接觸器，該類型接觸器本身就容易誤動(dòng)。

（5）由于消弧裝置動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致系統(tǒng)缺相運(yùn)行，將事故擴(kuò)大化。這種故障在近幾年的運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生，給用戶造成許多麻煩，并使自身形成了一個(gè)故障隱患。

2.3 抑制柜

這類產(chǎn)品的基本原理如圖2所示，是利用高能氧化鋅非線性電阻對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓產(chǎn)生的能量進(jìn)行限制吸收。

圖2 抑制柜基本原理圖

目前國內(nèi)廠家的聚優(yōu)柜、抑制柜、專家柜等全部是采用這種理論。

（1）主要優(yōu)點(diǎn)：

這種保護(hù)方案采用純物理特性的高能氧化鋅材料對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的電壓突變進(jìn)行吸收抑制，不會(huì)造成系統(tǒng)的單相接地，動(dòng)作時(shí)間迅速，不會(huì)造成誤動(dòng)、拒動(dòng)，可靠性高。

（2）該理論存在的問題：

能量抑制的理論根本點(diǎn)是必須有一個(gè)裝置能夠?qū)⑾到y(tǒng)電壓突變的能量消耗掉，也就是必須考慮氧化鋅非線性電阻的能量與電壓突變的能量相配合，按照10 kV系統(tǒng)、30 A電容電流、帶故障運(yùn)行2 h計(jì)算，需要480路高能氧化鋅電阻并聯(lián)運(yùn)行。成本超過100萬；480路動(dòng)作一致，工藝上很復(fù)雜。

所以，采用這種理論高能氧化鋅閥片的設(shè)計(jì)承受能力、也就是承受時(shí)間不能太長，所以，能量抑制的理論只適合抑制短時(shí)間過電壓，對(duì)于長時(shí)間的弧光接地故障等電壓突變無法保護(hù)，一旦發(fā)生，該裝置會(huì)擊穿。

2.4 總體分析

目前中壓電力系統(tǒng)采用的保護(hù)方案是“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”，針對(duì)某一種故障原因采用單一的防護(hù)措施。避雷器是為了防止雷電侵入波過電壓，組合式過電壓保護(hù)器是為了防止相間過電壓和雷電侵入波過電壓，二者設(shè)計(jì)的宗旨都只是為了防止瞬時(shí)性過電壓。為了防止弧光接地，安裝消弧線圈或消弧柜。但是，忽略了整個(gè)中壓供電系統(tǒng)是一個(gè)等電位，各種過電壓保護(hù)裝置如果沒有參數(shù)的配合，保護(hù)的設(shè)置也不能形成一個(gè)整體的防護(hù)體系，其結(jié)果是導(dǎo)致有些保護(hù)設(shè)備形同虛設(shè)，甚至有些保護(hù)設(shè)備自身反而形成一個(gè)故障點(diǎn)，給用戶增添了麻煩。比如消弧柜，如果沒有前一級(jí)的保護(hù)配合，一般采用快動(dòng)的方案，那么，一旦電壓變化，即使是瞬時(shí)性的，消弧裝置就會(huì)動(dòng)作接地，事后技術(shù)人員又無法確定故障原因，也就是所謂的假誤動(dòng)。而單獨(dú)的抑制柜或者聚優(yōu)柜如果沒有前一級(jí)和后一級(jí)的配合，就很容易發(fā)生沖擊損害或者能量超標(biāo)而擊穿。有些用戶系統(tǒng)消弧柜一年動(dòng)作多達(dá)數(shù)十次，最后只能退出不用，而抑制柜則多有擊穿燒損事故，都是因?yàn)楸Ｗo(hù)方案沒有形成一個(gè)整體。

供電網(wǎng)絡(luò)的電壓控制與電流保護(hù)不同，電流保護(hù)一般以支路為單位進(jìn)行實(shí)施，以綜合保護(hù)配合斷路器即可實(shí)現(xiàn)，而電壓保護(hù)在整個(gè)10 kV供電系統(tǒng)是一個(gè)等電位，處理起來相對(duì)困難，一旦發(fā)生故障往往會(huì)“火燒連營”，所以對(duì)系統(tǒng)電壓的控制尤其顯得重要。

3 整體保護(hù)方案探討

電壓保護(hù)的目的：保護(hù)用電設(shè)備、保障供電的連續(xù)性；導(dǎo)致破壞的原因：電壓突變?cè)斐傻哪芰繘_擊。從這個(gè)角度考慮，供電系統(tǒng)電壓控制的根本就是限制電壓突變的峰值，抑制電壓突變的能量。所以，針對(duì)一般企業(yè)的供電系統(tǒng)，建議以下兩種保護(hù)方案：

（1）三級(jí)保護(hù)方案

限壓裝置+能量抑制裝置+能量泄放單元，基本原理如圖3所示。

限壓裝置：包括每個(gè)開關(guān)柜內(nèi)的避雷器或過電壓保護(hù)器，另外在PT綜控柜內(nèi)再設(shè)置專門的限壓裝置。每個(gè)保護(hù)單元的動(dòng)作參數(shù)必須一致，主要作用是限制斷路器關(guān)合過程中斷路器出線側(cè)產(chǎn)生的操作過電壓，和系統(tǒng)外部（雷電侵入波）、內(nèi)部（操作、諧振、接地等）產(chǎn)生的瞬時(shí)性過電壓。

限壓裝置抗沖擊能力較強(qiáng)、可以緩和過電壓波頭的的陡度，限制過電壓的峰值。但其承受的能量很小。

能量抑制單元：電壓突變導(dǎo)致的破壞大小決定于電壓突變的能量大小，所以要充分考慮各種過電壓可能造成的過電壓能量，限壓裝置主要是針對(duì)瞬時(shí)性過電壓而設(shè)置的，電壓突變的能量一旦超出避雷器或過電壓保護(hù)器的承受能量，就會(huì)導(dǎo)致避雷器或過電壓保護(hù)器的擊穿、形成熱積累、進(jìn)而熱崩潰，就是通常所說的爆炸。能量抑制單元的作用是在避雷器或過電壓保護(hù)器能量承受不住時(shí)，用來吸收系統(tǒng)電壓突變的能量，主要針對(duì)短時(shí)間過電壓。

能量泄放單元：當(dāng)電壓突變的能量通過限壓裝置、能量抑制裝置的控制還無法消除時(shí)，則通過泄放單元實(shí)現(xiàn)電壓突變能量的對(duì)地泄放。主要針對(duì)長時(shí)間過電壓。

PT、限壓裝置、能量抑制裝置、能量泄放單元共同構(gòu)成PT綜合控制裝置，安裝在母線上、替換常規(guī)的PT柜?；驹砣鐖D3中的4所示。

（2）四級(jí)保護(hù)方案

消弧線圈補(bǔ)償+限壓裝置+能量抑制裝置+單相接地消弧

消弧線圈是通過電感電流補(bǔ)償電容電流的原理來消除弧光接地，工頻電流可以通過補(bǔ)償解決，高頻震蕩就無法補(bǔ)償。所以，消弧線圈能夠減少系統(tǒng)發(fā)生弧光接地的幾率，但不能杜絕，所以，四級(jí)保護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)是通過消弧線圈可以減少系統(tǒng)弧光接地的發(fā)生，一旦消弧線圈沒有達(dá)到效果，再通過其他三級(jí)保護(hù)來處理。

整個(gè)方案設(shè)置的目的是處理系統(tǒng)的電壓突變，盡量使故障消于無形，不要造成電氣技術(shù)人員的忙亂、增加其工作量。

所以增加消弧線圈可以加強(qiáng)這個(gè)目的，但缺點(diǎn)是成本會(huì)增加較多，需要用戶決策。

（3）基本工作原理

如圖3所示，通過補(bǔ)償單元3對(duì)系統(tǒng)存在的對(duì)地雜散電容進(jìn)行補(bǔ)償，減少系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光接地的幾率，避免系統(tǒng)產(chǎn)生長時(shí)間的弧光過電壓；通過補(bǔ)償單元3中的消諧裝置消除系統(tǒng)可能產(chǎn)生的諧振過電壓，在此基礎(chǔ)上，對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓分別采用限壓、吸收、泄放三級(jí)保護(hù)，利用限壓單元1對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行限制，保證電網(wǎng)電壓不超過用電設(shè)備的絕緣承受能力，由于其吸收能量有限，在系統(tǒng)中承受過電壓的時(shí)間設(shè)置在20 ms以內(nèi)，限壓單元1主要針對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，可以限制吸收瞬時(shí)性過電壓如雷電過電壓、操作過電壓等。當(dāng)系統(tǒng)過電壓能量超出限壓單元1的設(shè)計(jì)承受能力時(shí)，吸收單元2起動(dòng)對(duì)過電壓能量進(jìn)行再吸收，同時(shí)保證系統(tǒng)電壓不超過安全值。由于系統(tǒng)能量為被保護(hù)的電網(wǎng)輸送能量，與時(shí)間成比例關(guān)系，所以，能量吸收單元2的承受時(shí)間不是無窮的，可以根據(jù)該電網(wǎng)產(chǎn)生過電壓的狀況以及系統(tǒng)保護(hù)需要進(jìn)行設(shè)置，綜合衡量工藝要求、成本等因素，能量吸收單元2的設(shè)計(jì)承受時(shí)間不宜超過10 min。通過限壓單元1、吸收單元2的兩級(jí)限制與吸收，能夠保證電網(wǎng)電壓在規(guī)定的范圍以內(nèi)，同時(shí)可以消除98%的過電壓故障。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的極端保護(hù)，設(shè)置有能量泄放單元，當(dāng)電網(wǎng)在補(bǔ)償工況下，還是發(fā)生了長時(shí)間過電壓，通過限壓單元1、吸收單元2的作用，過電壓仍然存在，則通過本發(fā)明技術(shù)方案中的泄放單元4將過電壓的能量直接對(duì)地泄放，保證電網(wǎng)電壓不對(duì)系統(tǒng)的用電設(shè)備、輸變電設(shè)備造成危害。

4 結(jié)語

（1）工礦企業(yè)的中壓供電系統(tǒng)過電壓防護(hù)應(yīng)該作為一個(gè)整體進(jìn)行保護(hù)，應(yīng)該考慮保護(hù)的全面性、設(shè)備的可靠性、保護(hù)體系的安全性三個(gè)方面。

（2）孤立地選擇一個(gè)產(chǎn)品而不考慮整體配合，無法形成一個(gè)完整的保護(hù)體系，忽略了保護(hù)的全面性，可靠性、安全性也會(huì)大打折扣。

（3）整體防護(hù)體系的各個(gè)保護(hù)層之間應(yīng)該就過電壓的動(dòng)作參數(shù)、能量承受等方面進(jìn)行配合。

[1]張作琴.電力系統(tǒng)弧光接地保護(hù)的研究[J].電力科學(xué)與工程，2002（4）.

[2]郭思君.3～66 kV電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)器的應(yīng)用與發(fā)展[J].高電壓技術(shù)，2004（8）.

[3]李學(xué)斌.化工企業(yè)供電系統(tǒng)的過電壓及其防范措施[J].化工安全與環(huán)境，2003（26）.

[4]許穎.對(duì)消弧線圈消除弧光接地的疑義[J].電力設(shè)備，2001（4）.

A Discussion on the Overall Setup of Over-voltage Protection of 3～66 kV Power System

LIU Genping1，GUO Sijun2
(1.Changchun Gold Designing Institute,Changchun,Jilin 130012;2.Wuhu Keyue Electric Co.,Ltd.,Wuhu, Anhui 241000,China)

Due to over voltage,medium voltage power supply systems caused equipment burnouts and shutdowns in enterprises time and again,resulting in direct and indirect economic losses,while the specific single protection product domestically used for years could not prevent various damages to power supply system by over voltage.Through analysis of over voltage in power supply system,we put forward an overall protection theory or a systematic protection program,which fundamentally changes the existing over-voltage protection setup. Complete solution of the shortcomings of existing protection system was discussed,to improve the comprehensiveness,reliability and equipment safety of power supply system protection.

over-voltage;zinc oxide;energy suppression;arc extinction

TM86

B

1006-6764(2015)09-0003-03

2015－06－09

劉跟平（1982－），男，碩士研究生學(xué)歷，電氣工程師，現(xiàn)從事冶金企業(yè)電氣設(shè)計(jì)研究工作。