氯堿企業(yè)10 kV供電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的分析及其防護措施

耿慶魯（德州實華化工有限公司，山東 德州 253007）

氯堿企業(yè)10 kV供電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的分析及其防護措施

耿慶魯
（德州實華化工有限公司，山東 德州 253007）

針對操作過電壓和諧振過電壓，采取在電壓互感器PT上加裝二次微機消諧裝置，在10 kV母線上加裝智能型接地補償裝置以及在電動機、變壓器側(cè)加裝過電壓保護器等辦法，可以很好防護過電壓對10 kV供電系統(tǒng)的威脅。

過電壓；消諧器；接地補償

1 產(chǎn)生過電壓原因分析

在中性點不接地運行方式的10 kV供電系統(tǒng)中，造成設(shè)備故障或損壞的過電壓形式主要有：諧振過電壓、直擊雷過電壓、雷電反擊過電壓、操作過電壓等，不同的過電壓形式對設(shè)備的損壞程度不同。

（1）諧振過電壓

10 kV電壓互感器經(jīng)常因為諧振過電壓造成髙壓側(cè)熔斷器熔斷的故障。變電站10 kV系統(tǒng)屬中性點不接地系統(tǒng)，當發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)相電壓升高，加在線圈兩端的電壓升高，鐵芯磁飽和，感抗變化。PT的感抗和線路的對地容抗匹配時即會產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，電壓升高，電流變大，使高壓側(cè)熔斷器熔斷。

當發(fā)生單相接地故障時，對地電容電流較大，產(chǎn)生電弧不能自熄滅，出現(xiàn)弧光過電壓，鐵芯更易發(fā)生磁飽和，引起諧振過電壓，使PT高壓側(cè)熔斷器熔斷，甚至引起母線短路或接地故障，造成大面積停電。諧振過電壓分為以下3種。

a.線性諧振過電壓諧振由無鐵芯電感元件和系統(tǒng)中的電容元件所組成。

b.鐵磁諧振過電壓諧振由帶鐵芯的電感元件和系統(tǒng)的電容元件組成。

c.參數(shù)諧振過電壓由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件和系統(tǒng)電容元件組成，當參數(shù)配合時，形成參數(shù)諧振過電壓。

針對諧振過電壓的種類，對諧振過電壓的抑制措施如下。

a.提高開關(guān)動作的同期性。

b.在并聯(lián)高壓電抗器中性點加裝小電抗。

c.禁止發(fā)電機自勵磁運行，防止參數(shù)諧振過電壓。

（2）接地不良引起雷電反擊過電壓

當強大的雷電流通過避雷針、避雷線的引下線或構(gòu)架等接地體向地網(wǎng)泄放時，因接地阻較大，殘壓過高而通過避雷器進行反擊，以致破壞避雷器。比如主變10 kV側(cè)出線避雷器過電壓燒毀現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是接地電阻偏大 （標準要求小于等于0.5 Ω）。

（3）雷電流感應(yīng)引起的過電壓

10 kV架空線或配電線因雷擊而引起雷電流入侵，入侵的進行波遇到阻抗突變的結(jié)點時會因反射而使電壓升髙，來回反射并擴散的高電壓碰到絕緣相對薄弱處便可能擊穿造成事故。

（4）操作過電壓

操作過電壓是由電氣操作，導(dǎo)致系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突然變化而引起的過電壓。

真空斷路器在操作時，可能由于截流、重燃或三相同時開斷等原因而產(chǎn)生操作過電壓。操作過電壓主要表現(xiàn)為相間過電壓，最髙可以達到3.5倍Ue，電流波形最寬處不超過5 ms；而相對地過電壓一般較低，不會對設(shè)備的對地絕緣造成危害。操作過電壓主要有：a.切除空載線路引起的過電壓；b.空載線路合閘時引起的過電壓；c.切除空載變壓器時引起的過電壓；f.電弧接地過電壓；e.系統(tǒng)解列過電壓。

限制操作過電壓的措施：a.選用滅弧能力強的高壓開關(guān)；b.提高開關(guān)動作的同期性；c.開關(guān)斷口加裝并聯(lián)電阻；d.采用性能良好的避雷器，如氧化鋅避雷器；e.讓電網(wǎng)的中性點直接接地運行。

2 防止過電壓的基本原則和措施

（1）防止過電壓的基本原則

為了實現(xiàn)對過電壓的可靠防護，保障電氣設(shè)備以及保護器自身的安全運行，應(yīng)采取針對性防護措施。

a.保護的全面性。保護要考慮系統(tǒng)各種可能的過電壓；b.絕緣配合的可靠性。保護裝置的參數(shù)設(shè)計必須與設(shè)備的絕緣耐受能力進行合理匹配；c.保護裝置自身的安全性。既保護電氣設(shè)備，自身也能安全運行。

（2）防止過電壓的措施

a.諧振過電壓的防護。對于諧振過電壓，由于其作用時間的不確定性，要求避雷器完全能夠耐受顯然是不經(jīng)濟、不合理的。諧振過電壓的防護，可以采用中性點經(jīng)消弧線圈的運行方式，或者安裝XHB消弧限壓裝置。

b.雷電過電壓的防護。對于直擊雷過電壓，較多的采用避雷網(wǎng)、避雷針進行防護；對于雷電侵人波過電壓，由于其表現(xiàn)形式主要為相對地過電壓，一般采用氧化鋅避雷器加以防護。

（3）操作過電壓的防護。隨著真空斷路器的大量使用，供電電纜的增多以及電網(wǎng)規(guī)模的擴大，內(nèi)部過電壓的危害也越嚴重。內(nèi)部過電壓更多地表現(xiàn)為相間過電壓，三星型接法的氧化鋅避雷器對相間過電壓基本沒有防護作用，在電動機、變壓器負荷側(cè)安裝組合式避雷器（TBP）是一種可行的保護方案。

3 10 kV供電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓分析

雷擊過電壓通過避雷網(wǎng)、避雷針、以及氧化鋅避雷器可以有效預(yù)防。但是，在中性點不接地運行方式的10 kV供電系統(tǒng)中，內(nèi)部過電壓出現(xiàn)的情況較多。由于真空斷路器的廣泛采用，以及電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電壓互感器柜的增多，電纜的使用越來越多，因開斷空載變壓器及高壓電動機等操作過電壓和單相接地時電弧不能自熄形成的諧振過電壓越來越嚴重，成為電網(wǎng)及設(shè)備安全運行的主要威脅。

（1）操作過電壓

由于真空斷路器分斷速度快、滅弧能力強，從而產(chǎn)生截流過電壓和三相同時截流過電壓，另外開斷后還會產(chǎn)生高頻振蕩，使斷路器發(fā)生多次重燃過電壓，主要表現(xiàn)為相間過電壓，幅值最高可以達到3.5倍Ue，而相地過電壓數(shù)值僅為1.75倍Ue。

（2）諧振過電壓

由于10 kV母線上有大量星形接線的電壓互感器，其一次繞組中性點直接接地，成為電網(wǎng)對地電容電流、高次諧波電流的充放電途徑。當出現(xiàn)接地時，電壓互感器的電感相當于與非故障線路對接電容并聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，條件合適時，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓。此時互感器一次側(cè)的電流最大，可使電壓互感器的高壓側(cè)熔斷件熔斷，或者燒壞電壓互感器、電纜或造成避雷器爆炸等事故。

鐵磁諧振過電壓除了危害互感器，波及到相鄰的開關(guān)柜，更多的事故則是發(fā)生在備用的或處于斷開狀態(tài)的高壓開關(guān)設(shè)備上。因為諧振發(fā)生時具有電壓幅值高、變化速度快且極易在斷口處出現(xiàn)反擊等特點。極高的反擊電壓對那些具有某些缺陷或絕緣環(huán)節(jié)不夠完善的高壓開關(guān)將會造成擊穿爆炸事故。

4 10 kV供電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓防護措施

（1）在電壓互感器上加裝二次微機消諧器和一次消諧裝置

微機消諧裝置是利用計算機快速、準確的數(shù)據(jù)處理能力，通過對電壓互感器開口三角電壓的采集，對電網(wǎng)諧振時的各種頻率和電壓實現(xiàn)相應(yīng)的快速分析，準確地辨別出：a.單相接地；b.過渡過程；c.電網(wǎng)諧振。如果是諧振，計算機投入消諧電路。諧振消除后，裝置作出相應(yīng)的記錄和指示。消諧裝置完成后，繼續(xù)循環(huán)監(jiān)測。如此循環(huán)往復(fù)，進行“測量—分析—判斷—故障—消諧—測量”等循環(huán)過程。

微機消諧裝置結(jié)構(gòu)框圖如下

圖1 微機消諧裝置結(jié)構(gòu)框圖

（2）10 kV母線加裝智能型接地補償裝置

在中性點不接地的10 kV母線上加裝了智能型接地補償裝置，這種方法是利用微機技術(shù)，自動控制電動式消弧線圈，當電網(wǎng)對地電容發(fā)生變化時，自動調(diào)節(jié)消弧線圈的分頭，使之處于最佳值，當電網(wǎng)發(fā)生單項接地時，流過消弧電抗器的電流與對地電容電流相互抵消，使故障點的殘流限制在安全值以下（如5 A），電弧熄滅。

a.對電網(wǎng)電容電流的自動跟蹤補償。智能型接地補償裝置由接地變壓器、可調(diào)電抗器，控制阻尼柜和計算機控制系統(tǒng)4部分組成。

檢測中性點位移電壓VN的變化，當變化量△VN超過設(shè)定值，計算機系統(tǒng)就啟動測量調(diào)感程序，對電網(wǎng)電容電流進行測量，并自動調(diào)整補償電流，使殘流小于控制值，來實現(xiàn)對電網(wǎng)電容電流的自動跟蹤補償。

b.對鐵磁諧振過電壓的抑制。沒有接地補償裝置時，當發(fā)生單相接地，出現(xiàn)諧振過電壓時，電弧間歇型放電，線路對地電容充電，當電弧接地電流過零點熄滅的瞬間，電容電流又向PT放電，這樣會造成保險熔斷，PT燒毀。但當配有接地補償裝置時，電容電流通過接地補償裝置放電，這樣流過PT的電流很小，從而不會使保險熔斷和PT燒毀。

c.對諧振過電壓的抑制。智能接地補償裝置可在全補償（或靠近諧振點）狀態(tài)下運行，使接地點的故障殘流為零或很小，諧振過電壓無法產(chǎn)生；另一方面，中性點接入了阻尼電阻R，能有效將諧振過電壓限制在1.8倍相電壓之內(nèi)，使裝置具有小電阻接地和消弧線圈接地的雙重優(yōu)點。

（3）在電動機、變壓器側(cè)加裝過電壓保護器（TBP）

對容量較大主變壓器側(cè)和高壓電動機側(cè)加裝四星形接法的過電壓保護器（TBP）。電動機過電壓保護接線圖見圖2。

圖2 電動機過電壓保護接線圖

這種接線方式可將相間過電壓大大降低，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)測量與常規(guī)避雷器相比，相間過電壓峰值下降了60%～70%，可靠地保護了設(shè)備。

5 TBP過電壓保護器的優(yōu)點

對高壓電機和變壓器負載在開斷時截波過電壓和三相同步開斷時，過電壓的產(chǎn)生主要體現(xiàn)在負荷側(cè)，直接對設(shè)備產(chǎn)生危害。因此，除了在母線上安裝三星形氧化鋅避雷器外，應(yīng)在開關(guān)主變壓器側(cè)和高壓電動機側(cè)加裝TBP過電壓保護器，更加可靠地對設(shè)備給予直接的保護，TBP過電壓保護器其優(yōu)點如下。

（1）TBP過電壓保護器采用了間隙和氧化鋅閥片組成，兩者互為保護

這種接線方式可將相間過電壓峰值大大降低，下降60%～70%。

（2）采用了性能良好的氧化鋅閥片

間隙動作后，立即熄弧，無續(xù)流、無截波，通流量減小壽命長。

（3）相對地、相對相保護電壓值降低，在單相接地，間隙性諧振和諧振過電壓下可長期安全運行。

6 結(jié)論

在中性點不接地10 kV供電系統(tǒng)中，操作過電壓和諧振過電壓是10 kV供電系統(tǒng)電氣設(shè)備的主要威脅。針對這2種過電壓，提出在電壓互感器PT上加裝二次微機消諧器和一次消諧裝置、在10 kV供電系統(tǒng)母線加裝智能型接地補償裝置以及在電動機、變壓器側(cè)加裝過電壓保護器是有效的解決方法。

［1］楊成德．智能接地補償裝置的發(fā)展及應(yīng)用．湖南電力，2001（6）．

［2］劉志清．電網(wǎng)諧振過電壓的防治．農(nóng)村電氣化，2005（5）．

Internal over-voltage analysis and protection measures of chlor alkali enterprises 10 kV power supply system

GENG Qing-lu
（Dezhou Shihua Chemical Co.,Ltd.,Dezhou 253007，China）

Aimed at operating over-voltage and resonance over-voltage，install two microcomputer harmonic elimination device on voltage transformer PT，install Intelligent earthing compensation device in 10 kV bus and install voltage protector on transformer side，could be very good to prevent over-voltage damage to the power supply system.

over-voltage；harmonic eliminator；grounding compensation

TM715

B

1009－1785(2017)01-0004-03

2016-08-22