中壓電網(wǎng)過電壓防護(hù)技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)分析

劉 鵬，劉 海，郭思君

（1.十堰巨能電力集團(tuán)，湖北十堰 442000；2.蕪湖科越電氣有限公司，安徽蕪湖 241009）

引言

3～66 kV 中壓電網(wǎng)作為企業(yè)主要的供配電方式，電網(wǎng)的質(zhì)量與安全直接關(guān)系到企業(yè)供用電設(shè)備的安全以及供電的連續(xù)性，而供電質(zhì)量最直接的表現(xiàn)形式是保證供電系統(tǒng)的電壓、電流在一個合理的范圍內(nèi)。針對供電系統(tǒng)過電壓的防護(hù)從90 年代初的避雷器發(fā)展到如今，技術(shù)龐雜、產(chǎn)品眾多，而企業(yè)技術(shù)人員對過電壓防護(hù)技術(shù)缺乏深入的了解，很難做出針對性的、合理的選擇。產(chǎn)品選擇不當(dāng)，過電壓的防護(hù)達(dá)不到預(yù)期的效果，甚至部分產(chǎn)品本身形成了新的故障點(diǎn)。而等電位的存在，過電壓防護(hù)不當(dāng)往往“火燒連營”，導(dǎo)致多臺設(shè)備的燒損和大面積停電事故偶有發(fā)生，過電壓防護(hù)產(chǎn)品本身的事故也會導(dǎo)致故障的擴(kuò)大化，給企業(yè)造成直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失。所以，根據(jù)企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)的特性制定合理的保護(hù)方案，并選擇針對性的產(chǎn)品，是十分必要的。

1 過電壓防護(hù)技術(shù)的發(fā)展階段

從上世紀(jì)80年代開始，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定地發(fā)展，電力消費(fèi)保持了高速增長的態(tài)勢，國家電網(wǎng)以及企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)快速擴(kuò)大，對供電安全的要求也越來越高，隨之，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的產(chǎn)品技術(shù)通過國外引進(jìn)以及自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)快速提升，其中，針對3～66 kV 中壓電網(wǎng)的過電壓防護(hù)技術(shù)也開始快速地更新?lián)Q代，本文按照時(shí)間順序和產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新程度將其分為三個發(fā)展階段。

第一階段——傳統(tǒng)技術(shù)階段：1995 年之前，國內(nèi)供電網(wǎng)絡(luò)以架空線路為主，運(yùn)用少油開關(guān)進(jìn)行開斷，適用于這種供電網(wǎng)絡(luò)，對過電壓的防護(hù)多是采用避雷器。

第二階段——獨(dú)立產(chǎn)品多元化發(fā)展階段：1995年至2005 年的十年，過電壓防護(hù)技術(shù)爆發(fā)式發(fā)展，避雷器發(fā)展到組合式過電壓保護(hù)器并逐步完善；PT柜發(fā)展到消弧柜、抑制柜并逐步普及。這一階段的產(chǎn)品都是針對某一種故障而采取單一的防范措施，孤立運(yùn)行，所以稱之為“獨(dú)立產(chǎn)品”。

第三階段——整體控制理論的提出與發(fā)展階段：2005 年國內(nèi)首次提出等電位下的過電壓整體控制技術(shù)，過電壓防護(hù)技術(shù)上升到基于等電位下的整體控制階段。

2 傳統(tǒng)技術(shù)階段

2.1 技術(shù)來源

避雷器最早出現(xiàn)于19世紀(jì)末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞供用電設(shè)備而導(dǎo)致供電中斷。20 世紀(jì)20 年代，出現(xiàn)了鋁避雷器、氧化膜避雷器和丸式避雷器；30 年代出現(xiàn)了管式避雷器；50 年代出現(xiàn)了碳化硅避雷器；70 年代以后，隨著氧化鋅材料的應(yīng)用，開始采用金屬氧化物避雷器，并沿用至今。

2.2 技術(shù)原理

金屬氧化物避雷器是利用ZnO 電阻的非線性限制雷電波產(chǎn)生的侵入過電壓，采用單柱式結(jié)構(gòu)，連接在A、B、C 三相與地之間，早期的電網(wǎng)規(guī)模較小且多為架空線路，開關(guān)的開斷速度較慢，所以，過電壓的表現(xiàn)形只有雷擊產(chǎn)生的相對地過電壓，在此背景下，避雷器簡單實(shí)用。

2.3 性能分析

90 年代后期，隨著企業(yè)用電的大幅度增長，電網(wǎng)越來越大、電纜輸電增多、真空斷路器普及等，電網(wǎng)需要承受的不僅是外部的雷電過電壓，更多的是內(nèi)部過電壓，包括操作過電壓、諧振過電壓、間歇性弧光接地過電壓等。因此過電壓防護(hù)，不僅需要限制電力系統(tǒng)中因雷電引起的過電壓，更需要限制系統(tǒng)內(nèi)部過電壓。在此背景下，避雷器的應(yīng)用范圍變窄，只適用于戶外架空線路。

3 獨(dú)立產(chǎn)品多元化發(fā)展階段

1995 年至2005 年，國內(nèi)工礦企業(yè)快速發(fā)展，電網(wǎng)迅速擴(kuò)大，國外技術(shù)大量進(jìn)入中國，各種因素導(dǎo)致國內(nèi)的過電壓防護(hù)技術(shù)爆炸式發(fā)展，過電壓防護(hù)出現(xiàn)了很多新的理論，這一階段的產(chǎn)品技術(shù)歸納如下。

3.1 串間隙組合式過電壓保護(hù)器

3.1.1 技術(shù)來源

該技術(shù)是在80年代模仿前蘇聯(lián)的產(chǎn)品樣本，由國內(nèi)技術(shù)人員仿造的，1995年以后逐步推廣。

3.1.2 技術(shù)原理

對過電壓防護(hù)全面性的要求，需要保護(hù)裝置具有相對地、相間同等的保護(hù)功能，如圖1 所示，對A、B、C、D（地電位）四個電位的六個電位差通過中性點(diǎn)M 設(shè)置AB、AC、BC、AD、BD、CD 六個放電通道，每個放電通道由氧化鋅電阻和放電間隙串聯(lián)構(gòu)成，通過調(diào)整放電間隙和氧化鋅電阻的閾值，使得六個放電通道具有相對地、相間同等的過電壓限制作用。

圖1 串聯(lián)間隙過壓保護(hù)器

3.1.3 性能分析

串聯(lián)間隙的目的是利用間隙隔離電網(wǎng)電壓，減少ZnO電阻的泄漏電流，延緩ZnO電阻的老化，增加ZnO 電阻的使用壽命。但是，實(shí)際運(yùn)行中擊穿爆炸的事故率很高，主要原因在于：①間隙放電對ZnO電阻沖擊導(dǎo)致?lián)舸虎陂g隙的放電一致性差，導(dǎo)致ZnO 電阻擊穿；③間隙分壓，ZnO 電阻減少40%左右，熱容量不夠?qū)е碌膿舸?。④間隙的隔離，ZnO電阻無法緩和過電壓波頭的陡度、降低振蕩頻率，波頭陡度過大，將會使ZnO 電阻或設(shè)備的匝間絕緣擊穿。

3.2 無間隙組合式過電壓保護(hù)器

3.2.1 技術(shù)來源

2000 年前后，ZnO 電阻技術(shù)得到了很大的提升，泄漏電流可以做到＜5 μA，因?yàn)樾孤╇娏鲗?dǎo)致的ZnO 電阻老化問題得到解決，串聯(lián)間隙已不具備必要性。在此背景下，出現(xiàn)了無間隙組合式過電壓保護(hù)器。該技術(shù)最早見于2004 年第8 期《高電壓技術(shù)》的“3～66 kV 電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)器的應(yīng)用與發(fā)展”一文。

3.2.2 技術(shù)原理

無間隙組合式過電壓保護(hù)器原理如圖2 所示，延續(xù)了串間隙保護(hù)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但是，每個放電通道不再設(shè)置放電間隙，利用ZnO 電阻的物理特性實(shí)現(xiàn)對過電壓的限制。伏安特性如圖3 所示，在過電壓未達(dá)到U1mA之前，ZnO 電阻呈高阻狀態(tài)，ZnO 電阻的電容性及阻尼性可以緩和過電壓的波頭陡度并減緩振蕩頻率。當(dāng)過電壓超過U1mA時(shí)，ZnO 電阻呈低阻狀態(tài)，利用其非線性對系統(tǒng)過電壓實(shí)現(xiàn)限制。

圖2 無間隙過電壓保護(hù)器

圖3 ZnO電阻的伏安特性曲線

3.2.3 性能分析

無間隙結(jié)構(gòu)是一種不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展方向，問題的關(guān)鍵在于取消放電間隙后，能否保證ZnO 電阻長期安全地運(yùn)行。

ZnO 電阻的殘壓比為：K1=U殘/U1mA；荷電率：K2=Ue/U1mA。如果 K1取值 1.3，K2取值 0.75，Ue為 ZnO 電阻的工作電壓。根據(jù)圖2～3，以10 kV為例，可得Ue=

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 kV 保護(hù)器，殘壓不大于25 kV，根據(jù)上述計(jì)算，在K1=1.3，K2=0.75，已經(jīng)保留足夠安全系數(shù)的前提下，相間殘壓可以做到22.8 kV，所以，無間隙結(jié)構(gòu)是安全的。該技術(shù)產(chǎn)品2001 年投入市場，經(jīng)過20 年的運(yùn)行檢驗(yàn)，事故率不僅低于串聯(lián)間隙保護(hù)器，也低于傳統(tǒng)避雷器。

3.3 消弧柜

3.3.1 技術(shù)來源

2002 年中國電科院許穎在《電網(wǎng)技術(shù)》上發(fā)表“對消弧線圈‘消除弧光接地過電壓’的異議”一文，明確提出消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)償裝置不可能"消除弧光接地過電壓"。在此背景下，《電力科學(xué)與工程》2002 年第4 期發(fā)表論文“電力系統(tǒng)弧光接地保護(hù)的研究”，這是首次公開的消弧柜理論。

3.3.2 技術(shù)原理

消弧柜原理如圖4，采用將弧光接地故障相直接金屬接地的原理，通過可分相控制的高壓斷路器JZ 與系統(tǒng)連接，正常工況下，JZ 觸頭全部斷開，系統(tǒng)按照中性點(diǎn)不接地的方式正常運(yùn)行。發(fā)生單相間歇性弧光接地過電壓時(shí)，零序電壓上升，故障相電壓下降，健全相電壓震蕩上升。此時(shí)，斷路器JZ 將故障相的觸頭閉合，系統(tǒng)由間歇性弧光接地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俳拥?，?qiáng)制性將弧光消除，把過電壓限制在1.73UФ以下。

圖4 消弧柜基本原理圖

3.3.3 性能分析

消弧柜的原理簡單可靠，但是會導(dǎo)致系統(tǒng)缺相運(yùn)行，甚至供電中斷。實(shí)際運(yùn)行中消弧柜誤動頻繁，原因在于沒有考慮弧光接地的持續(xù)時(shí)間，對于持續(xù)時(shí)間不長，能夠自恢復(fù)的偶發(fā)性過電壓故障，消弧柜動作，又無法確定故障原因，形成一種“假誤動”，將事故擴(kuò)大化。所以，消弧柜僅適用于對設(shè)備或人身安全保護(hù)要求較高，供電連續(xù)性要求不高的場所，比如金加工、農(nóng)網(wǎng)等，而必須保證供電連續(xù)性的冶金、化工等大型工礦企業(yè)，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

3.4 能量抑制柜

3.4.1 技術(shù)來源

由于消弧柜的缺相運(yùn)行以及“假誤動”問題，2002 年出現(xiàn)了“高能ZnO 電阻用于發(fā)電機(jī)滅磁”的理論，應(yīng)用于對電網(wǎng)過電壓能量的吸收，提出過電壓抑制柜的原理。

3.4.2 技術(shù)原理

原理如圖5、曲線配合如圖6 所示，利用高壓氧化鋅電阻（ZnO1）的限壓功能與高能氧化鋅電阻（ZnO2）的能量抑制功能，通過曲線的配合，實(shí)現(xiàn)過電壓峰值限制與能量吸收的組合保護(hù)，解決過電壓持續(xù)時(shí)間較長引起的保護(hù)器擊穿和消弧柜誤動等問題。

圖5 抑制柜原理圖

圖6 ZnO曲線配合

3.4.3 性能分析

抑制柜是通過ZnO 電阻的物理特性實(shí)現(xiàn)保護(hù)，可靠性高。關(guān)鍵在于ZnO 電阻的承受能量必須大于過電壓的能量，而過電壓的能量與過電壓峰值、電流、持續(xù)時(shí)間有關(guān)，假設(shè)10 kV 系統(tǒng)的電容電流為30 A，若要帶故障運(yùn)行2 h，則需要480 路高能ZnO電阻并聯(lián)運(yùn)行，成本太高，工藝復(fù)雜。因此，抑制柜的設(shè)計(jì)承受時(shí)間不能太長，根據(jù)運(yùn)行測算，抑制柜只適合抑制持續(xù)時(shí)間不超過5 s 的過電壓，否則，會造成ZnO電阻的擊穿。

4 基于等電位下的整體控制技術(shù)

4.1 技術(shù)來源

前述的過電壓防范技術(shù)都是針對某一種過電壓或某個參數(shù)實(shí)施的單一保護(hù)措施，而等電位下的所有設(shè)備承擔(dān)的是同等的過電壓沖擊，獨(dú)立產(chǎn)品由于缺少參數(shù)的配合，導(dǎo)致動作值低的產(chǎn)品事故率偏高，動作值高的產(chǎn)品不能發(fā)揮作用，使保護(hù)的可靠性大大降低。

在此背景下，2005 年國內(nèi)首次提出“等電位下的電網(wǎng)電壓整體控制技術(shù)”，經(jīng)過10 年的完善與發(fā)展，《冶金動力》2015年第9期發(fā)表了“3～66 kV過電壓保護(hù)整體設(shè)置方案的探討”，自此，等電位下的過電壓整體控制技術(shù)開始廣泛的使用。

4.2 技術(shù)原理

過電壓對電網(wǎng)和設(shè)備的危害主要決定于過電壓峰值、波頭陡度和過電壓能量。因此，過電壓防護(hù)的基本原則就是限制峰值、緩和波頭陡度、抑制電壓突變的能量。

基本原理如圖7，按照等電位原則分布式設(shè)置無間隙過電壓保護(hù)器1，在過電壓發(fā)生的初始階段，利用ZnO 電阻緩和過電壓波頭的陡度；過電壓達(dá)到U1mA值時(shí)，ZnO 電阻導(dǎo)通限制過電壓的峰值；以母線段為單位設(shè)置能量抑制裝置2，用來抑制電壓突變的能量；每個等電位系統(tǒng)設(shè)置能量泄放單元3，當(dāng)電壓突變的能量超過抑制裝置的的設(shè)計(jì)承受能力時(shí)，將故障相金屬接地，實(shí)現(xiàn)過電壓能量的對地泄放。

圖7 基于等電位下的整體控制系統(tǒng)

4.3 性能分析

基于等電位的過電壓整體控制系統(tǒng)，引致于同一個電位的所有保護(hù)器參數(shù)配合一致，觸發(fā)條件按照系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣耐受能力統(tǒng)一設(shè)置，動作一致，以同樣的阻抗處于并聯(lián)狀態(tài)，大大增加過電壓保護(hù)的通流能力和對過電壓能量的抑制能力。

每段母線設(shè)置的能量抑制裝置實(shí)現(xiàn)對過電壓能量的抑制，該等電位系統(tǒng)所有的能量抑制裝置處于并聯(lián)狀態(tài)，參數(shù)一致。

每個等電位系統(tǒng)設(shè)置一個能量泄放裝置，在長時(shí)間、大能量過電壓發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)過電壓能量的對地泄放。

有益效果是：多級保護(hù)設(shè)置，逐級實(shí)施，各保護(hù)單元參數(shù)配合，相互保護(hù)。同時(shí)，每級保護(hù)單元處于并聯(lián)狀態(tài)，參數(shù)一致，增加了保護(hù)的可靠性?？梢源蟠鬁p少過電壓對用電設(shè)備和保護(hù)設(shè)備的沖擊，避免形成積累性損傷和即時(shí)性擊穿，形成整體的一體化的保護(hù)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

（1）過電壓防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，并不表示在先技術(shù)的過時(shí)，可能適用范圍變窄，但針對性更好。

（2）技術(shù)的更新、產(chǎn)品的增多，使得產(chǎn)品選擇更加細(xì)化，對供電網(wǎng)絡(luò)及用電設(shè)備的保護(hù)是有利的，需要企業(yè)技術(shù)人員根據(jù)供電網(wǎng)絡(luò)的特性和需求，做出正確的選擇。

（3）基于等電位下的整體控制系統(tǒng)能夠大大增加保護(hù)的可靠性，需要企業(yè)技術(shù)人員制定出完善的技術(shù)方案，做好產(chǎn)品的匹配。