發(fā)布時間：2021-07-19　　　

　　1、引言

　　中國葛洲壩集團水泥有限公司自1971年建立葛洲壩水泥廠以來，已經(jīng)發(fā)展到18家子分公司，在企業(yè)發(fā)展的過程中，針對各個企業(yè)供電的安全性也在逐步提高，特別是針對中壓供電系統(tǒng)各種過電壓的防范措施，根據(jù)國內(nèi)過電壓防護技術(shù)的發(fā)展，先后采用過PT避雷器柜；消弧線圈；組合式過電壓保護器；消弧柜；抑制柜；綜控柜等技術(shù)。

　　針對中壓供電系統(tǒng)過電壓的防范，在設(shè)計時一般不是按照整體控制進行考慮，大多只是按照設(shè)計規(guī)程或經(jīng)驗針對某些故障原因而配置一些產(chǎn)品，這樣就導(dǎo)致針對中壓供電系統(tǒng)的保護方案只是針對某一種故障原因而設(shè)置的單一保護措施，缺乏保護的整體性。

　　圍繞葛洲壩水泥各廠采用的各種過電壓防范措施，根據(jù)時間的發(fā)展順序，本文作一匯總分析，為以后中壓供電網(wǎng)絡(luò)的安全運行探索一種可行的保護方案。

　　2、PT避雷器柜

　　1）PT柜安裝避雷器

　　早期的中壓供電網(wǎng)絡(luò)通常是在開關(guān)柜和電壓互感器柜（PT柜）內(nèi)安裝用于防雷的避雷器，顧名思義，避雷器是為了防止雷電侵入波過電壓，其工作原理如圖1所示，在A、B、C三相電與地之間設(shè)置一個非線性電阻的放電通道，按照GB11032交流無間隙金屬氧化物避雷器國家標(biāo)準(zhǔn)，10kV系統(tǒng)電站型避雷器的直流1mA電壓值不小于24kV，操作沖擊電流殘壓為38.3kV，這種保護方式主要缺點有兩個：

　　首先，避雷器的設(shè)計目的是為了防止瞬時性的雷電侵入波過電壓，這種過電壓的表現(xiàn)形式一般是相對地過電壓，那么，對于主要表現(xiàn)為相間過電壓的內(nèi)部過電壓，比如操作過電壓，保護的動作值是兩個避雷器的疊加，也就是直流1mA參考電壓不小于48kV,操作沖擊電流為2×38.3=76.6kV，而10kV用電設(shè)備的絕緣耐受能力是42kV，其結(jié)果必然導(dǎo)致用電設(shè)備的燒損。

　　舉例說明， 2014年3月，某水泥廠10kV高壓電動機在正常運轉(zhuǎn)中突然冒煙短路，經(jīng)檢查該電機定子線圈匝間絕緣擊穿。事隔不久，該廠一面10kV變壓器進線端相間短路，造成變壓器的報廢性損傷。針對以上事故，公司組織相關(guān)專家探討分析，認定事故原因為相間過電壓造成的設(shè)備絕緣積累性損傷，損傷達到一定程度后，即使并不嚴重的過電壓甚至是正常運行電壓，都可能導(dǎo)致設(shè)備的相間短路以致設(shè)備燒損。

　　其次，避雷器的設(shè)計目標(biāo)是針對瞬時性的過電壓，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB11032規(guī)定，其2ms方波通流量為150A，這就決定了避雷器只能夠承受瞬時性的脈沖過電壓，對于連續(xù)的脈沖沖擊，避雷器無法承受過電壓產(chǎn)生的能量，其結(jié)果必然導(dǎo)致避雷器的擊穿甚至爆炸。

　　所以，避雷器適用于架空線路為主、開關(guān)柜采用少油開關(guān)的小型供配電網(wǎng)絡(luò)，以及戶外架空線路；對于大電網(wǎng)特別是以電纜輸電為主，真空斷路器作為操作開關(guān)的現(xiàn)代供電網(wǎng)絡(luò)，避雷器已經(jīng)無法滿足要求。

　　2）PT柜安裝組合式過電壓保護器

　　為了解決避雷器存在的問題，二〇〇〇年以后，葛洲壩水泥開始陸續(xù)采用組合式過電壓保護器替代避雷器，組合式過電壓保護器對相地、相間過電壓具有同等的保護作用，實現(xiàn)了全面性的保護，使供用電設(shè)備的安全性大大提高，可以限制斷路器關(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；保護器的2ms方波通流量遠遠大于避雷器，由150A提高到400A~800A，也使得過電壓保護器的自身安全性大大提高。

　　組合式過電壓保護器包括無間隙組合式過電壓保護器和串聯(lián)間隙組合式過電壓保護器，由于串聯(lián)間隙的分散度大、以及間隙放電沖擊的影響，串聯(lián)間隙組合式過電壓保護器事故率太高，盡量不再采用。

　　組合式過電壓保護器解決了用電設(shè)備保護的全面性問題，保護器的抗沖擊能力也得到大大提高，但是保護器采用的是分布式保護，也就是安裝在每面開關(guān)柜內(nèi)，從材料成本以及自身體積的角度考慮，保護器的承受能量不可能做的很大，主要目的還是為了解決瞬時性過電壓的問題。雖然相對于避雷器，其抗沖擊能量及使用壽命都得到了提高，但是，一旦過電壓產(chǎn)生的能量超過保護器的設(shè)計承受能力，還是會造成保護器的擊穿甚至爆炸。

　　2015年7月28日，一水泥廠10kV配電室發(fā)生過電壓保護器的擊穿，共導(dǎo)致4臺保護器的燒損，廠區(qū)停電超過48小時。經(jīng)多方現(xiàn)場勘察，查明事故原因如下：10kV進線是由架空線路輸送至配電室外，然后轉(zhuǎn)為電纜進入室內(nèi)，在架空線路與電纜的接頭處，發(fā)生對地放電，產(chǎn)生間歇性弧光接地過電壓，因為弧光接地過電壓持續(xù)時間較長，超出過電壓保護器的設(shè)計承受能力，導(dǎo)致過電壓保護器的擊穿爆炸。

　　3、消弧柜過電壓產(chǎn)生的能量決定于電壓、電流以及過電壓持續(xù)的時間，在一個固定的系統(tǒng)內(nèi)，其過電壓能量主要決定于過電壓持續(xù)的時間，而持續(xù)時間長、過電壓幅值高的典型故障是間歇性弧光接地，這類故障發(fā)生的概率雖然不大，破壞力很大，往往火燒連營，給企業(yè)帶來很大的直接或間接經(jīng)濟損失。在此背景下，公司開始采用消弧及過電壓保護裝置，俗稱“消弧柜”。

　　消弧柜的一次系統(tǒng)如圖3所示，基本原理是將發(fā)生弧光接地的故障相直接金屬接地，將產(chǎn)生振蕩型高電壓的間歇性弧光接地故障轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俳拥?，這種保護方案原理簡單，缺點是系統(tǒng)需要缺相運行。

　　在使用的過程中，發(fā)生消弧柜動作但是無法查到故障原因，了解國內(nèi)其他使用消弧柜的企業(yè)，這種現(xiàn)象多有發(fā)生，有些企業(yè)甚至一年動作幾十次，最后只有切除不用。

　　究其原因，消弧柜僅僅是一個孤立的針對間歇性弧光接地的單一保護裝置，沒有與供電系統(tǒng)其他的過電壓保護設(shè)備進行參數(shù)的配合，判斷依據(jù)簡單，特別是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，從而使得消弧柜誤動頻發(fā)。由于消弧柜的誤動，導(dǎo)致系統(tǒng)缺相運行，將事故擴大化，給用戶造成許多麻煩，并使自身形成了一個故障隱患。

　　2016年3月至2016年7月，針對某10kV供電系統(tǒng)誤動比較頻繁的消弧柜進行了跟蹤統(tǒng)計，因為該消弧柜之前已經(jīng)多次發(fā)生誤動，為了防止誤動對系統(tǒng)造成無謂的沖擊，所以在跟蹤統(tǒng)計時間段內(nèi)，將一次系統(tǒng)的接地斷路器進行了閉鎖，即使發(fā)生誤動不會造成系統(tǒng)單相接地或兩相短路，只是二次系統(tǒng)采樣分析報警，統(tǒng)計結(jié)果如下：

　　根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果，該消弧柜誤動頻率達到15次/年，當(dāng)然，不能以該結(jié)果否定所有的消弧柜產(chǎn)品，不同的生產(chǎn)廠家，不同的運行環(huán)境，結(jié)果會有差異，但是，結(jié)合上述消弧柜的設(shè)計原理，這個統(tǒng)計結(jié)果應(yīng)該能夠作為消弧柜產(chǎn)品運行效果的一個重要參考。

　　1、抑制柜

　　為了解決消弧柜的誤動問題，以及解決弧光接地時造成的缺相運行問題，公司通過技術(shù)調(diào)研，在實際應(yīng)用中采用了過電壓抑制柜，也稱聚優(yōu)柜，其工作原理如圖4所示。

　　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。

　　吸取過電壓保護器、消弧柜使用的經(jīng)驗教訓(xùn)，對于過電壓抑制柜的使用，采用了謹慎的態(tài)度，一是小范圍試用，二是對使用效果進行調(diào)研。

　　通過和其他采用該裝置的企業(yè)進行技術(shù)探討，發(fā)現(xiàn)該裝置在使用過程中，多次發(fā)生燒毀事故，原因在于抑制柜技術(shù)理論的根本點是其能量抑制裝置必須能夠?qū)⒒」膺^電壓的能量消耗掉，也就是必須考慮氧化鋅非線性電阻的能量與電網(wǎng)弧光過電壓的能量相配合，按照10kV系統(tǒng)、30A電容電流、帶故障運行2小時計算（國家規(guī)程要求），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，工藝上幾乎不可能。所以，這種理論適合抑制短時間過電壓，如果過電壓持續(xù)時間超過設(shè)計承受值，該裝置則會擊穿甚至爆炸。基于上述原因，抑制柜在葛洲壩水泥沒有大量采用。

　　2、KYG綜控柜

　　通過對前述的幾種保護方案運行效果分析，以及與行業(yè)技術(shù)人員的探討，總結(jié)得出，中壓供電系統(tǒng)的過電壓保護，首先應(yīng)該考慮保護的整體性，制定一個整體性的保護方案，各種保護裝置的選擇應(yīng)該和這個保護方案相一致；其次，各種保護裝置在能量承受設(shè)置上應(yīng)該與過電壓的持續(xù)時間相配合，也就是選擇一種綜合控制技術(shù)。

　　綜合控制技術(shù)說穿了就是一種整體控制技術(shù)，是將整個供電系統(tǒng)的PT功能、電壓監(jiān)控、自動跟蹤補償、過壓保護、電壓突變的能量抑制、智能消弧、電子消諧、故障選線、通訊等各種電壓突變保護措施通過參數(shù)的配合形成一個整體的防護體系。立體式保護，橫向：將整個系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓作為一個整體進行控制考慮，縱向：集檢測、分析、處理于一體，使系統(tǒng)電網(wǎng)處于全過程、全自動監(jiān)控與保護狀態(tài)，保障電網(wǎng)的安全可靠運行。

　　電網(wǎng)電壓綜合控制系統(tǒng)應(yīng)該是一種集補償、限壓、吸能、泄放于一體的整體保護方案，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的綜合監(jiān)控與保護，改變過去電網(wǎng)電壓的分散監(jiān)控、保護方案，達到一體化保護。使電網(wǎng)質(zhì)量控制的概念在廣度和深度上得到極大的延伸，進一步拓展監(jiān)控保護的針對性和適用性，全面提升電網(wǎng)質(zhì)量自動監(jiān)控保護的綜合管理水平。

　　要實現(xiàn)一個供電網(wǎng)絡(luò)電壓突變的整體防護體系，必須做到兩點：1）供電網(wǎng)絡(luò)要確定一個整體的、合理的、可行的保護方案；2）系統(tǒng)的初期建設(shè)和后期的擴容、改造等必須按照這個保護方案進行產(chǎn)品的配置。

　　KYG綜合控制系統(tǒng)基本原理如圖5所示，基本原理如下：

　　設(shè)置電網(wǎng)異常監(jiān)測儀KYZK，實時監(jiān)測供電網(wǎng)絡(luò)各個參數(shù)的變化，對電網(wǎng)發(fā)生的異常變化進行分析，判斷供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常的原因，并進行針對性的處理。

　　對于供電系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓，不論什么原因引起的，過電壓保護器和PT綜控柜內(nèi)的限壓裝置KYX在故障發(fā)生的瞬時，過電壓達到動作值時，氧化鋅非線性電阻導(dǎo)通，緩和過電壓波頭陡度，限制過電壓峰值。如果過電壓是瞬時性的，其他保護單元不需要投入，過電壓防護過程結(jié)束。

　　如果系統(tǒng)發(fā)生短時間過電壓，電壓突變的能量超出過電壓保護器和限壓裝置的能量承受能力，PT綜控柜內(nèi)的能量抑制裝置KYD投入運行，進一步限制過電壓，并吸收電壓突變的能量。

　　一般情況下，上述的二級防范措施就可以保證系統(tǒng)的電壓突變不會超過用電設(shè)備的絕緣承受能力。

　　如果要確保系統(tǒng)的安全運行，在系統(tǒng)發(fā)生長時間間歇性弧光接地，通過限壓、能量抑制兩級防護，間歇性弧光接地過電壓依然存在，PT綜控柜內(nèi)的泄放單元將發(fā)生間歇性弧光接地的故障相直接金屬接地，強制消弧，系統(tǒng)帶故障運行。

　　整個過程，系統(tǒng)應(yīng)該是安全的，電氣人員根據(jù)故障屬性以及生產(chǎn)的需要，安排停電維修。

　　3、結(jié)語

　　避雷器、過電壓保護器、消弧柜、抑制柜等過電壓保護裝置都是針對某一種過電壓而設(shè)置的單一保護裝置。

　　中壓供電系統(tǒng)的過電壓防護應(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。

　　KYG電網(wǎng)電壓綜合控制系統(tǒng)是一種全面性的保護方案，橫向是將供電網(wǎng)絡(luò)作為一個整體予以考慮；縱向上是按照保護裝置的能量承受能力實現(xiàn)過電壓保護各級的配合，是目前比較完善的一種保護方案。

　　參考文獻

　　1． 劉跟平：3～66kV電力系統(tǒng)過電壓保護整體設(shè)置方案的探討，冶金動力，2015年第9期

　　2． 張作琴：電力系統(tǒng)弧光接地保護的研究，電力科學(xué)與工程，2002年第4期

　　3． 郭思君：3～66kV電力系統(tǒng)過電壓保護器的應(yīng)用與發(fā)展，高電壓技術(shù)，2004年第8期

　　4． 李學(xué)斌：化工企業(yè)供電系統(tǒng)的過電壓及其防范措施，化工安全與環(huán)境，2003年第26期