新型自脫離過電壓保護器在電網中的運用

(連云港堿業有限公司，江蘇 連云港 222042)

1 過電壓防護問題

建國初期我國工礦企業電網主要由架空線路和油電纜構成，空氣絕緣與油絕緣具有可恢復性，3～4倍的內部過電壓對絕緣構不成威脅，所以當時的工礦企業電網只需要對高幅值的雷電過電壓采取限制措施，不需要考慮內部過電壓的防護問題。采取的具體措施是在相與地之間各安裝一只普通的閥式避雷器，用于防護雷電造成的高幅值的相對地過電壓。

到了上世紀90年代以后，我國工礦企業電網大量采用真空斷路器取代了原有的少油斷路器。真空斷路器相比少油斷路器的優勢為免維護、壽命長、運行可靠。但由于真空滅弧室的超強的滅弧能力，往往在電弧過零點之前就被強行截斷。真空斷路器截流時電感儲存的磁能與雜散電容儲存的電能之間相互轉換的振蕩過程，使得操作過電壓頻繁發生。

工礦企業配電網越來越多的由電纜線路取代了架空線路，與架空線路的可恢復性絕緣不同，交聯聚乙烯電纜的固體化絕緣是不可恢復的，絕緣擊穿具有累積效應。3～5倍的內部過電壓會在絕緣介質內部產生局部放電，產生細微的破壞，反復多次的內部過電壓就會造成絕緣的累積破壞，導致固體絕緣的運行壽命會明顯縮短。

連云港堿業有限公司前身連云港堿廠，是80年代建成投產的純堿化工企業，在企業電網不斷升級改造的過程中，也一直面臨著以上問題。為了盡量減少過電壓對電網系統的危害，我公司也在不斷嘗試各種過電壓防護措施。

2 各種過電壓保護器比較分析

2.1 普通避雷器不能限制內部過電壓

電網的內部過電壓一般在相電壓的3～4倍之間，多數在3.5倍左右。過去采用的閥式避雷器是按照躲過電網內部過電壓設計的，例如：

按照這樣原則設計的參數，普通避雷器在電網內部過電壓下是不放電的。另一方面，包括操作過電壓、弧光接地過電壓在內的電網內部過電壓是發生在相與相之間的，而普通避雷器是接在相與地之間的。所以，普通避雷器不能限制電網的內部過電壓。

在電纜線路與真空斷路器大量使用的大背景下，我國中壓配電線路的絕緣越來越多的受到系統內部過電壓的威脅，過去的閥式避雷器和普通的氧化鋅避雷器已無法滿足系統內部過電壓與雷電過電壓的雙重防護要求。由于過電壓不能有效限制，導致交聯聚乙烯電纜一般在投運5～8年后事故率明顯上升。

2.2 無間隙氧化鋅避雷器分析

單只無間隙氧化鋅避雷器其核心器件是氧化鋅非線性電阻，或者叫氧化鋅閥片。單只結構，安裝于相與地之間，僅用于架空線路防控雷電過電壓。考慮到當系統發生單相接地故障時能夠持續運行至少2 h，無間隙氧化鋅避雷器的參數必須按線電壓設計：設計初衷是針對不需要。

按照這樣設計的無間隙氧化鋅避雷器，再考慮1.5～1.7的殘壓比(過流100 A電流時施加在避雷器兩端的電壓與參考電壓之比)，避雷器動作以后的殘壓已經遠遠超出了設備的操作沖擊絕緣水平。只有按照相電壓設計避雷器參數，才能夠有效的限制相間和相對地過電壓，保護設備的絕緣免受電網內部過電壓的積累性破壞，但是在系統發生單相接地故障時荷電率(正常工作電壓峰值與參考電壓之比)遠遠超過了允許值，極易發生“爆炸”事故。電力部安生司在1993年12月30日曾為此類事故專門發過第17號安全通報。

2.3 第一代三相組合式過電壓保護器

與普通避雷器不同的是，第一代三相組合式過電壓保護器采用四個完全相同的保護單元按照“四星型”組合而成。可以把相對地和相與相之間的各種過電壓限制到較低的水平。與普通氧化鋅避雷器的共性問題是，當系統發生單相弧光接地或鐵磁諧振過電壓時，由于能量過大都有可能導致氧化鋅閥片燒毀并引發相間短路事故。

圖1 第一代三相組合式過電壓保護器

過電壓保護器的軟連接電纜，如果截面、長度設計合理，線間距離處理得當，在一定程度上可以避免一些事故的發生。但往往現場對過電壓保護器電纜引線的長度與進線間距離處理不當，事故還時常發生。尤其是絕大多數生產廠家并不掌握電纜引線的設計技巧，更增加了事故率。

3 改造前企業現狀及存在問題

通過不斷升級改造，連云港堿業公司電網采用第一代三相組合式過電壓保護器(TBP類)，根據多年運行經驗總結，第一代過電壓保護器主要存在以下問題：

1)過電壓保護器在掛網運行后，是否損壞，不能判定，只能通過每年檢修試驗時才能檢測。

2)在系統大能量過電壓沖擊下，保護器自身會發生損壞，因保護器無自我保護功能，導致在極端情況下可能會發生爆炸事故。給企業帶來不安全隱患。

3)部分帶計數器TBP通過自帶CT檢測放電計數，因為保護器自身大小的限制，CT與一次采用固體絕緣，帶電安全距離小，導致一二次不能絕對隔離。

4 改造方案及改造后狀況

4.1 過電壓防控采用SHK-BOD自脫離過電壓保護器的優勢

作為第一代三相組合式過電壓保護器(TBP類)升級換代產品，SHK-BOD自脫離、免維護過電壓保護器分為過電壓保護功能部分、內部短路故障脫離功能部分、脫離器工作狀態監測和放電計數功能部分等三部分功能組合而成的過電壓保護器。在傳統保護器的基礎上在三相的保護單元上串聯了專利技術產品“脫離器”，同時通過光纖將“脫離器”的工作狀態等信息傳遞到“BOD狀態監測儀”，再通過通訊接口與后臺連接。

圖2 SHK-BOD結構示意圖

4.1.1 主要技術特點

1)內置專利熔斷器，脫離速度快，脫離能力強： 300 A·60 ms到103 kA·0.07 ms的電流，脫離裝置皆可實現可靠脫離，尤其在大短路電流下，能快速脫離，遠遠低于開關速跳保護動作時間，避免燒毀閥片后相間短路，不會造成系統跳閘停電。

2)可靠的脫離能力：在相間短路時，一個脫離器可實現可靠脫離。

3)采用有感阻性放電間隙，大大降低沖擊系數，對沖擊過電壓防護更可靠。

4)按線電壓設計保護參數，可實現相對較低的過電壓保護參數，既保護相對地過電壓又保護相間過電壓，使設備得到真正的保護，設備運行安全系數高。

5)放電計數功能，避免保護器超壽命運行。

6)采用光電耦合技術，解決了高低壓系統的絕對隔離，對裝置運行狀態實時監視，能實時監控保護器是否投運，并能記錄動作次數，并可與現場通信總線接口。

4.1.2 主要功能

1)能把發生在相間和相對地的各種過電壓限制在較低的水平。

2)具有可靠的自脫離功能，避免因大能量過電壓的沖擊導致爆炸事故。

3)具有狀態監測和網絡通訊功能。自身保護功能狀態一目了然。

4.2 SHK-BOD自脫離過電壓保護器安裝方案

2015年以來，利用系統停車機會，公司逐步對主6 kV變電所、廠6 kV變電所、生產變電所、輔助變電所的進線、變壓器、高壓電動機共計60多臺開關柜進行了電壓保護器改造，全部采用SHK-BOD自脫離過電壓保護器。

經過改造后兩年時間的運行狀況及檢測狀況來看，SHK-BOD自脫離過電壓保護器實現了相對較低的過電壓保護參數，既保護相對地過電壓又保護相間過電壓，使設備得到真正的保護，設備運行安全系數高，尤其在大短路電流下，能快速脫離，遠遠低于開關速跳保護動作時間，避免燒毀閥片后相間短路，不會造成系統跳閘停電。

圖3 6 kV母線柜過電壓保護器改造示意圖

5 結 語

通過換代升級改造，我公司電網解決過電壓保護器無自我保護功能的問題，當系統發生單相弧光接地或鐵磁諧振過電壓時，在系統大能量過電壓沖擊下，SHK-BOD自脫離過電壓保護器可將發生在相間和相對地的各種過電壓限制在較低的水平，并實現可靠的自脫離功能，避免因大能量過電壓的沖擊導致爆炸事故，確保電力系統安全穩定運行，消除我公司生產過程中的過電壓不安全隱患，為企業避免了不必要的經濟損失。

[1] 解廣潤.電力系統過電壓[M].北京：北京水利出版社，1991