3～66 kV電力系統(tǒng)過電壓保護整體設(shè)置方案探討

劉跟平，郭思君

3～66 kV電力系統(tǒng)過電壓保護整體設(shè)置方案探討

劉跟平1，郭思君2

（長春黃金設(shè)計院，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)濟損失，而國內(nèi)延續(xù)多年的針對性單一保護產(chǎn)品無法防范各種過電壓給供電系統(tǒng)帶來的損害。通過對系統(tǒng)過電壓的分析，提出一種整體保護理論，一種系統(tǒng)性的保護方案，從根本上改變現(xiàn)有的過電壓保護方案設(shè)置，探討從根本上解決現(xiàn)有保護方案的不足，以期提高供電網(wǎng)絡(luò)保護的全面性、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三個電壓等級應(yīng)用較為普遍，其中中性點不接地或經(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)電壓的波動十分頻繁，因為供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動而引起系統(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設(shè)置，特別是整體電壓突變的保護設(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，針對電網(wǎng)過電壓的保護控制設(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器能夠同時限制相對地、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毫秒，所以，只能夠?qū)λ矔r性過電壓吸收限制，對于諧振、單相接地等產(chǎn)生的長時間過電壓無法承受，甚至導(dǎo)致保護器的爆炸。（3）中性點經(jīng)消弧線圈接地的保護方式主要是針對系統(tǒng)對地電容電流較大，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°的原理對系統(tǒng)的電容電流進行補償，但這種補償只是針對工頻過電壓，而間歇性弧光接地常常是高頻振蕩過電壓，對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)，消弧線圈的補償式保護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)生單相接地時人為地增加故障點的接地電流，利用零序過電流保護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，因為供電系統(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)都會作用于跳閘，使線路的跳閘次數(shù)大大增加，嚴重影響了用戶的正常供電，使其供電的可靠性下降。

為了提高對電網(wǎng)電壓保護的可靠性，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，針對這兩種保護理論，單獨分析如下。

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。

通過市場運行檢驗，最大的問題在于誤動頻繁，主要原因在于：

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

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

（3）抗擾度能力差，造成對故障的誤判。

（4）為了快速動作，采用自制的永磁接觸器，該類型接觸器本身就容易誤動。

（5）由于消弧裝置動作頻繁，導(dǎo)致系統(tǒng)缺相運行，將事故擴大化。這種故障在近幾年的運行中經(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系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓產(chǎn)生的能量進行限制吸收。

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：

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

（2）該理論存在的問題：

能量抑制的理論根本點是必須有一個裝置能夠?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、帶故障運行2 h計算，需要480路高能氧化鋅電阻并聯(lián)運行。成本超過100萬；480路動作一致，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)計承受能力、也就是承受時間不能太長，所以，能量抑制的理論只適合抑制短時間過電壓，對于長時間的弧光接地故障等電壓突變無法保護，一旦發(fā)生，該裝置會擊穿。

2.4 總體分析

目前中壓電力系統(tǒng)采用的保護方案是“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”，針對某一種故障原因采用單一的防護措施。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)計的宗旨都只是為了防止瞬時性過電壓。為了防止弧光接地，安裝消弧線圈或消弧柜。但是，忽略了整個中壓供電系統(tǒng)是一個等電位，各種過電壓保護裝置如果沒有參數(shù)的配合，保護的設(shè)置也不能形成一個整體的防護體系，其結(jié)果是導(dǎo)致有些保護設(shè)備形同虛設(shè)，甚至有些保護設(shè)備自身反而形成一個故障點，給用戶增添了麻煩。比如消弧柜，如果沒有前一級的保護配合，一般采用快動的方案，那么，一旦電壓變化，即使是瞬時性的，消弧裝置就會動作接地，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。而單獨的抑制柜或者聚優(yōu)柜如果沒有前一級和后一級的配合，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)消弧柜一年動作多達數(shù)十次，最后只能退出不用，而抑制柜則多有擊穿燒損事故，都是因為保護方案沒有形成一個整體。

供電網(wǎng)絡(luò)的電壓控制與電流保護不同，電流保護一般以支路為單位進行實施，以綜合保護配合斷路器即可實現(xiàn)，而電壓保護在整個10 kV供電系統(tǒng)是一個等電位，處理起來相對困難，一旦發(fā)生故障往往會“火燒連營”，所以對系統(tǒng)電壓的控制尤其顯得重要。

3 整體保護方案探討

電壓保護的目的：保護用電設(shè)備、保障供電的連續(xù)性；導(dǎo)致破壞的原因：電壓突變造成的能量沖擊。從這個角度考慮，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，針對一般企業(yè)的供電系統(tǒng)，建議以下兩種保護方案：

（1）三級保護方案

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：包括每個開關(guān)柜內(nèi)的避雷器或過電壓保護器，另外在PT綜控柜內(nèi)再設(shè)置專門的限壓裝置。每個保護單元的動作參數(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)生的瞬時性過電壓。

限壓裝置抗沖擊能力較強、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瞬時性過電壓而設(shè)置的，電壓突變的能量一旦超出避雷器或過電壓保護器的承受能量，就會導(dǎo)致避雷器或過電壓保護器的擊穿、形成熱積累、進而熱崩潰，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器能量承受不住時，用來吸收系統(tǒng)電壓突變的能量，主要針對短時間過電壓。

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，則通過泄放單元實現(xiàn)電壓突變能量的對地泄放。主要針對長時間過電壓。

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）四級保護方案

消弧線圈補償+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償電容電流的原理來消除弧光接地，工頻電流可以通過補償解決，高頻震蕩就無法補償。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，四級保護方案的優(yōu)點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到效果，再通過其他三級保護來處理。

整個方案設(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這個目的，但缺點是成本會增加較多，需要用戶決策。

（3）基本工作原理

如圖3所示，通過補償單元3對系統(tǒng)存在的對地雜散電容進行補償，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)生長時間的弧光過電壓；通過補償單元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，對于系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓分別采用限壓、吸收、泄放三級保護，利用限壓單元1對系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓進行限制，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)中承受過電壓的時間設(shè)置在20 ms以內(nèi)，限壓單元1主要針對用電設(shè)備進行保護，可以限制吸收瞬時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)計承受能力時，吸收單元2起動對過電壓能量進行再吸收，同時保證系統(tǒng)電壓不超過安全值。由于系統(tǒng)能量為被保護的電網(wǎng)輸送能量，與時間成比例關(guān)系，所以，能量吸收單元2的承受時間不是無窮的，可以根據(jù)該電網(wǎng)產(chǎn)生過電壓的狀況以及系統(tǒng)保護需要進行設(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)計承受時間不宜超過10 min。通過限壓單元1、吸收單元2的兩級限制與吸收，能夠保證電網(wǎng)電壓在規(guī)定的范圍以內(nèi)，同時可以消除98%的過電壓故障。為了實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的極端保護，設(shè)置有能量泄放單元，當(dāng)電網(wǎng)在補償工況下，還是發(fā)生了長時間過電壓，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地泄放，保證電網(wǎng)電壓不對系統(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)過電壓防護應(yīng)該作為一個整體進行保護，應(yīng)該考慮保護的全面性、設(shè)備的可靠性、保護體系的安全性三個方面。

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

（3）整體防護體系的各個保護層之間應(yīng)該就過電壓的動作參數(shù)、能量承受等方面進行配合。

[1]張作琴.電力系統(tǒng)弧光接地保護的研究[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)計研究工作。