弧光接地過電壓及限制措施在石化企業的應用

師萍，張靜波

(1.蘭州石化公司儀表廠，甘肅 蘭州 730060;2.蘭州石化公司電儀事業部，甘肅 蘭州730060)

1 前言

隨著城網改造的進行，架空線路逐步被電纜線路取代，中等電壓等級的電網中固體絕緣的設備逐年增多，以及現有電纜線路隨著運行時間的加長絕緣逐漸老化。近幾年來弧光接地過電壓的問題越來越突出，以至于電纜放炮等絕緣事故成為影響企業內部電網和供電電網安全運行的主要因素。因此對于如何正確認識電網的過電壓現狀，對過電壓采取何種有效的防范措施，以確保電網電力系統的安全、可靠和穩定運行就顯得尤為重要和急迫。

弧光接地過電壓又稱間歇性弧光接地電壓。當中性點非直接接地系統發生單相間歇性弧光接地(以下簡稱“弧光接地”)故障時，不穩定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會引起高頻振蕩過電壓，非故障相的過電壓幅值一般可達3.15～3.5倍相電壓。這種過電壓是由于系統對地電容上電荷多次不斷的積累和重新再分配形成的，是斷續的瞬間發生的且幅值較高的過電壓，對電力系統的設備危害極大。當系統發生單相弧光接地時，在3.5倍過電壓的持續作用下，造成電氣設備絕緣的積累損傷，當過電壓超過避雷器所能隨的400A 2ms能量時，就會造成避雷器的爆炸事故。

我國3-35(66)kV電壓等級的電力系統，多為中性點非直接接地。該系統發生單相接地故障時，由于故障電流較小，根據現有規程，允許系統繼續運行兩小時。可是，如果單相接地故障為弧光接地，則其過電壓的最高值可達3.5倍正常運行相電壓的峰值，此過電壓長時間作用于系統，將造成電氣設備內絕緣的積累性損傷，對健全相的外絕緣薄弱點造成對地擊穿進而引發相間短路故障。國內普遍采用自動跟蹤補償式消弧線圈接地方式來解決這類電網弧光接地產生過電壓的問題。但是，由于弧光接地點的隨機性，采用消弧線圈要對電容電流進行有效補償效果并不理想，用正弦波的電感電流去抵消非正弦波的電弧電流時，高頻分量部分依舊無法抵消。

在中性點非直接接地系統中，發生單相金屬性接地時，非故障相產生倍的過電壓，系統中的設備可以在這個電壓安全運行。當發生間歇性弧光接地時，非故障相上將產生3.15～3.5倍的過電壓，若接地電流在高頻過零點熄弧或在電壓接近最大值時發生擊穿，這一過電壓將會更高。間歇性弧光接地引起的過電壓，才是設備絕緣的主要威脅之一。隨著電網的擴大，系統對地電容不斷增加，故障點的電弧已不能自行熄滅，消弧線圈補償對于目前以電纜線路為主的供電網絡已不能繼續發揮作用，而小電阻接地方式難免會犧牲對用戶供電的可靠性。多年以來人們一直為尋求適合我國國情的能有效抑制弧光接地過電壓的措施，以便提高中性點非直接接地系統的供電可靠性。我們換一種方式思考，如果將弧光接地迅速轉化為金屬性接地，并將非直接接地電網相對地及相與相之間的過電壓(無論何種類型的過電壓)限制到略大于正常運行線電壓的水平，使這種類型的過電壓限制到盡可能低的水平，徹底解決了各種過電壓對設備及運行安全的威脅，提高這類電網供電的可靠性。

2 弧光接地過電壓限制措施的思想

為了能有效抑制或進而消除6kV中性點非直接接地系統弧光接地給電氣設備帶來的危害，解決消弧線圈在正常運行中帶來的問題，在6kV母線上加裝消弧及過電壓裝置(以下簡稱XHG裝置)，將原來的中性點經消弧線圈接地系統改進完善為中性點不直接接地系統。當系統發生單相金屬性接地時，非故障健全相上的過電壓只有倍的相電壓而且非常穩定，不會造成設備絕緣的積累性損傷，如果將弧光接地迅速轉化為金屬性接地，就可以將弧光接地過電壓的能量降低到過電壓保護器(TBP)允許的400A 2ms能量指標以內，從而保證供電系統還可以安全運行2h。該裝置采用非補償方式，利用配套的微機小電流接地選線裝置，在發生單相接地故障時，流過故障點電容電流是系統對地最大的電流，采用最大增量法的算法，可提高小電流接地選線裝置的靈敏性、可靠性及選線準確性。

3 XHG裝置的原理及元器件構成

裝置原理圖如圖1所示。

圖1 XHG裝置基本原理圖

XHG裝置主要由三相組合式過電保護器TBP，可分相控制的高壓真空接觸器JZ，微機控制器ZK，高壓限流熔斷器組件FUR及帶有輔助二次繞組的電壓互感器PT等組成，一旦系統發生單相間隙性弧光接地過電壓微機控制器ZK立即判別故障類型與相別并向故障相的真空接觸器JZ發出動作指令，真空接觸器JZ在30ms內完成合閘動作，間隙性弧光接地隨之被轉化為金屬性接地，迫使故障點的電壓為零，流經故障點的電容電流轉移到消弧裝置的接地點，使故障點的電容電流為零，當然電弧自燃就會熄滅，從而消除間歇性弧光接地故障。使健全相電壓穩定限制在倍相電壓范圍內，符合小電流系統單相接地故障運行2h以上的電力運行要求。保證了弧光接地過電壓消失，真空接觸器動作之前的過電壓由三相組合式過電壓保護器TBP限制在較低的數值，由于時間短，能量不超過TBP允許的400A 2ms的能量指標，仍可保證TBP的安全。

3.2 綜合控制器ZK的控制過程

當系統發生單相接地時，電壓互感器PT的二次輔助繞組信號將由低電平變成高電平，ZK檢測到變化的高電平信號后啟動中斷，ZK對三相信號經過計算處理，判斷接地相別及接地屬性，ZK根據接地屬性做出處理:

(1)當接地故障是穩定的金屬性直接接地，ZK僅發出故障相別的指示信號。ZK與微機選線保護聯絡，由微機選線保護處理解決。

(2)當接地故障是不穩定的間隙性弧光接地，先判定接地的相別，同時發出指令使JZ中對應的一相接地。使系統由不穩定的、過電壓很高的弧光接地轉變成穩定的金屬性直接接地，故障相的對地電壓降為零，原來接地故障點的弧光消失，其他兩相的對地電壓升高至線電壓。這種狀態是現行運行規程所允許的。

(3)JZ第一次閉合5s后自動分閘，若JZ斷開后再無弧光接地故障現象，說明這一接地故障是暫時的，系統恢復正常運行，ZK退回原始狀態。若JZ斷開后再次出現弧光接地故障，則ZK認定這一故障為永久性的弧光接地，此時再次指令相應的JZ閉合，ZK將按照預先設定的程序發出警告信號，告知值班人員故障發生的相別。ZK與微機選線保護聯絡，選線保護進行處理。在JZ斷開接地點的過程中出現暫時的過電壓，由TBP進行限制。

(4)JZ第二次(連續的同一相)閉合接地后不再分開，只有故障線路自動或者由人工切除后，由中控室或當地給ZK發送復位指令，ZK受到復位指令后，讓JZ斷開，系統恢復正常。

該裝置還加裝了高壓限流熔斷器，以防止誤操作或接地后其他相的異地接地引起的二相異地對地短路事故。

4 XHG裝置一次設備的選擇

4.1 系統參數及短路電流計算

110kV橡膠變電站一次系統接線如圖2所示。消弧及過電壓保護裝置安裝在廠6kV系統的I～IV段，每段一臺，正常情況下，每臺主變下方投運一臺消弧裝置。

圖2 110kV橡膠變電站一次系統圖

(1)系統參數

系統額定電壓:Ue=6.3kV;系統阻抗:大方式:0.08466

基準容量:S1=100MVA

根據我公司的系統技術參數可得知，1#、2#主變的電抗標幺值歸算到基準值為:

1#、4#電抗標幺值歸算到基準值為:

(2)短路電流計算

若在下圖d1與d2點發生短路時:在d1點發生短路時:

在d2點(消弧裝置安裝處)發生短路時(串入電抗器計算):

圖3

在消弧裝置安裝處發生短路時，由于距離很近，按照串入電抗器時的三相短路電流(d2點短路電流)來選擇設備。根據實際測量，橡膠廠110變6kV供電系統電容電流為65.4A，考慮到橡膠廠后續的改擴建可能產生的系統擴容，選擇裝置電流le=110A為宜。

5 應用效果

XHG裝置2004年12月安裝完成并在110kV橡膠變電站投入運行，截止目前供電系統共發生了8次單相接地故障，消弧裝置準確動作了4次，并準確地判斷出接地相別和接地故障類型。有效地杜絕了弧光過電壓對設備的損壞，沒有因為過電壓造成電纜絕緣擊穿而引起的供電系統電壓波動，提高了供電系統的穩定性，達到了預期的目的，驗證了采用該項新技術的可行性。

6 結論

本文根據對6kV系統中限制弧光接地過電壓措施在實際運行存在中的問題的分析，得到了以下下結論:

(1)消弧線圈并不能抑制弧光過電壓，有時反而可能過電壓的幅值。發生短路故障時，消弧線圈只降低了故障點的電容電流，這一電流在過零點熄弧，電容上的電荷發生積累和再分配，因此并不能抑制弧光接地過電壓。

(2)消弧及過電壓裝置將線路中的弧光接地轉化為金屬性接地，能夠有效地消除弧光產生的過電壓。裝置內的過電壓保護器能夠把母線中的操作過電壓限制在較低的水平，從而有效地保護設備的絕緣，保證供電系統安全穩定運行。

［1］何仰贊.電力系統分析［J］.華中科技大學出版社.

［2］許穎.對消弧線圈“消除弧光接地過電壓”的異議［J］.電力設備.

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