發(fā)布時(shí)間：2021-05-18　　　

　　前言

　　化工企業(yè)電力系統(tǒng)主要是由變壓器、電動(dòng)機(jī)、斷路器及電纜等設(shè)備組成。由于各種因素的影響，電氣設(shè)備隨時(shí)可能受到外部和內(nèi)部過(guò)電壓的侵襲，過(guò)電壓出現(xiàn)的時(shí)間雖然短暫，但由于其峰值高、波形陡，對(duì)電氣設(shè)備威脅很大。偶爾一次過(guò)電壓可能不至于將電氣設(shè)備損壞，但已使設(shè)備絕緣受到不可逆的損害，多次過(guò)電壓的積累作用使設(shè)備的絕緣耐受能力逐步下降，以至于最后一次并不大的電壓波動(dòng)都會(huì)將絕緣擊穿。舉例說(shuō)明， 2003年3月，山東一化肥廠10kV高壓電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中突然冒煙短路，經(jīng)檢查該電機(jī)定子線圈匝間絕緣擊穿。事隔不久，該廠一面10kV真空開(kāi)關(guān)柜燒損，造成開(kāi)關(guān)柜的報(bào)廢性損失。兩次事故嚴(yán)重影響企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

　　因此，研究過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理、量值范圍，從而恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行保護(hù)設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì)，是保證電氣設(shè)備安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。以往，冶金、石化企業(yè)常常不是將供電系統(tǒng)作為一個(gè)整體予以重視，以至于電氣設(shè)備絕緣因?yàn)檫^(guò)電壓而損壞的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

　　系統(tǒng)過(guò)電壓分析

　　電氣設(shè)備在運(yùn)行中承受的過(guò)電壓有來(lái)自外部的雷電過(guò)電壓和由于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)電磁能產(chǎn)生振蕩，積聚而引起的內(nèi)部過(guò)電壓兩種類型。按其產(chǎn)生的原因雷電過(guò)電壓又分為直擊雷過(guò)電壓、感應(yīng)雷過(guò)電壓及雷電侵入波過(guò)電壓；內(nèi)部過(guò)電壓主要分為暫時(shí)過(guò)電壓及操作過(guò)電壓。在操作過(guò)電壓中又分為操作電容負(fù)荷過(guò)電壓、操作電感負(fù)荷過(guò)電壓以及間歇性電弧接地過(guò)電壓。

　　在化工企業(yè)，由于真空斷路器的廣泛采用，以及電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電纜的使用越來(lái)越多，使開(kāi)斷空載變壓器及高壓電動(dòng)機(jī)等電感負(fù)荷產(chǎn)生的操作過(guò)電壓和單相接地時(shí)電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過(guò)電壓越來(lái)越嚴(yán)重，成為電網(wǎng)及設(shè)備安全運(yùn)行的主要威脅，是化工企業(yè)不容忽視的問(wèn)題。究其原因主要是由于：

　　1）真空斷路器分?jǐn)嗨俣瓤臁缁∧芰?qiáng)，在開(kāi)斷電感負(fù)荷時(shí)有可能不是在電流經(jīng)過(guò)工頻零點(diǎn)時(shí)熄弧，而是在電流瞬時(shí)值尚為i時(shí)，被迫在極短的時(shí)間內(nèi)下降到零，從而產(chǎn)生截流過(guò)電壓和三相同時(shí)截流過(guò)電壓，另外開(kāi)斷后還會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，使斷路器發(fā)生多次重燃過(guò)電壓。無(wú)論是截流過(guò)電壓、三相同時(shí)截流過(guò)電壓還是重燃過(guò)電壓，主要表現(xiàn)為相間過(guò)電壓，幅值最高可以超過(guò)3.5倍Uф，而相地過(guò)電壓數(shù)值僅為相間過(guò)電壓的二分之一左右。

　　2）化工企業(yè)6～10kV系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電纜的使用越來(lái)越多，使系統(tǒng)對(duì)地電容電流大幅度上升，在單相接地的故障點(diǎn)電弧不能自動(dòng)熄弧，從而發(fā)生電弧周期性的熄滅與重燃，出現(xiàn)間歇電弧，引起電網(wǎng)產(chǎn)生高頻振蕩，形成過(guò)電壓。這種間歇性弧光接地過(guò)電壓幅值可能超過(guò)3.5UФ，甚至達(dá)到6 UФ，而且過(guò)電壓持續(xù)的時(shí)間可以達(dá)到數(shù)十分鐘或更長(zhǎng)，波及范圍廣，對(duì)電氣設(shè)備危害嚴(yán)重。

　　山東化肥廠的兩起事故正是由于上述兩種過(guò)電壓所致。事故發(fā)生后，該廠技術(shù)人員邀請(qǐng)相關(guān)專家及設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)系統(tǒng)情況以及發(fā)生故障前后的系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行分析認(rèn)為，電機(jī)匝間絕緣擊穿是由于操作過(guò)電壓造成電機(jī)絕緣積累性損傷，最終導(dǎo)致高壓電機(jī)的絕緣擊穿；而真空開(kāi)關(guān)柜發(fā)生爆炸是由于間歇性弧光接地引起的。

目前化工企業(yè)對(duì)過(guò)電壓的防護(hù)一般只采用安裝避雷器（以下簡(jiǎn)稱MOA）的方法，其接線采用三星型接法如圖1所示，執(zhí)行國(guó)標(biāo)GB11032-89，如10kV的MOA的操作沖擊電流殘壓U殘≥25kV，那么，該種保護(hù)可以將相對(duì)地過(guò)電壓UAD、UBD、UCD最低限制到25kV左右。而對(duì)相間過(guò)電壓UAB、UAC、UBC的保護(hù)是由兩只MOA疊加完成的，其殘壓為U殘=2×25KV=50kV。而運(yùn)行中的高壓電動(dòng)機(jī)相對(duì)地及相間絕緣所能承受的過(guò)電壓數(shù)值可用下式計(jì)算：

　　UR=

（2 Ue+1）×0.75×K

　　式中：Ue-----電動(dòng)機(jī)額定電壓

　　K-----沖擊系數(shù)，我國(guó)一般取1.15～1.25

　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue=10kV，沖擊系數(shù)K取1.15時(shí)，可以得出電動(dòng)機(jī)的絕緣耐受能力：UR=25.6kV，對(duì)照MOA的保護(hù)水平U相地=25kV、UA相間=2×25KV=50kV可以看出，該保護(hù)方式對(duì)系統(tǒng)中的相對(duì)地過(guò)電壓可以起到一定的保護(hù)作用，而對(duì)相間過(guò)電壓根本無(wú)法保護(hù)。每次過(guò)電壓必然對(duì)電氣設(shè)備造成沖擊，形成積累性損傷，使絕緣下降。當(dāng)絕緣下降到一定程度時(shí)，將會(huì)加速其老化。如果電動(dòng)機(jī)絕緣耐受電壓低于避雷器的設(shè)計(jì)保護(hù)值，即使在正常運(yùn)行電壓下電動(dòng)機(jī)也會(huì)發(fā)生絕緣損傷而形成匝間短路。

　　對(duì)間歇性弧光接地過(guò)電壓，多數(shù)化工企業(yè)沒(méi)有針對(duì)性的防護(hù)措施。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，系統(tǒng)因有接地電容電流的存在而形成間歇性弧光接地過(guò)電壓，其幅值高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，致使MOA無(wú)法承受而爆炸。MOA的爆炸又引起相間或相地短路起火，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜的燒毀，事故進(jìn)一步擴(kuò)大，往往“火燒連營(yíng)”，一次故障造成多處設(shè)備的損壞。

　　過(guò)電壓的防范措施

　　3.1防范的基本原則

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)電壓的可靠防護(hù)，保障電氣設(shè)備以及保護(hù)器自身的安全運(yùn)行，必須針對(duì)過(guò)電壓產(chǎn)生的原因、持續(xù)時(shí)間、量值范圍等采取針對(duì)性防護(hù)措施。一套完備的保護(hù)必須具備以下三個(gè)要素，缺一不可。1）保護(hù)的全面性：保護(hù)要考慮系統(tǒng)各種可能的過(guò)電壓，而不是針對(duì)某一種工況。如MOA只能限制系統(tǒng)相對(duì)地過(guò)電壓，而對(duì)相間過(guò)電壓則無(wú)能為力。2）絕緣配合的可靠性：對(duì)過(guò)電壓防護(hù)的目的是為了保護(hù)設(shè)備絕緣的安全，所以保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)必須與設(shè)備的絕緣耐受能力進(jìn)行合理匹配。3）保護(hù)裝置自身的安全性：在對(duì)電氣設(shè)備能夠可靠保護(hù)的前提下，保護(hù)裝置自身必須能夠安全運(yùn)行，否則，不僅保護(hù)不了設(shè)備絕緣，反而造成系統(tǒng)中的事故隱患。

　　3.2 外部過(guò)電壓的防護(hù)

　　對(duì)于直擊雷及感應(yīng)雷過(guò)電壓，目前國(guó)內(nèi)較多的采用避雷網(wǎng)、避雷針進(jìn)行防護(hù)；對(duì)于雷電侵入波過(guò)電壓，由于其表現(xiàn)形式主要為相對(duì)地過(guò)電壓，一般采用MOA加以防護(hù)。對(duì)這類保護(hù)措施，國(guó)內(nèi)應(yīng)用很多，技術(shù)比較成熟，這里不再祥述。

　　3.3 瞬時(shí)內(nèi)部操作過(guò)電壓的防護(hù)

　　如前所述，內(nèi)部過(guò)電壓主要表現(xiàn)為相間過(guò)電壓，三星型接法的MOA對(duì)相間過(guò)電壓基本沒(méi)有防護(hù)作用，在這種情況下，安裝組合式避雷器是一種可行的保護(hù)方案。

相對(duì)于老式的MOA，組合式避雷器一般采用四星型接法，如圖2所示，由A、B、C、D四個(gè)保護(hù)單元兩兩組合成六只完整的避雷器，分別保護(hù)三相對(duì)地過(guò)電壓和相間過(guò)電壓，使保護(hù)的全面性大大提高，兩種電機(jī)型避雷器的電氣特性對(duì)比見(jiàn)表1。

　　表1 10kV MOA和組合式避雷器電氣特性比較表 kV

　　產(chǎn)品類型電壓等級(jí)直流1mA參考電壓操作沖擊殘壓雷電沖擊殘壓

　　MOA10相對(duì)地18.92531

　　相間37.85062

　　KY組合式避雷器10相對(duì)地16.523.124.8

　　相間16.523.124.8

　　由表1可見(jiàn)， MOA保護(hù)動(dòng)作后的瞬時(shí)殘壓值偏高，對(duì)雷電產(chǎn)生的相對(duì)地過(guò)電壓保護(hù)作用比較勉強(qiáng)，對(duì)相間過(guò)電壓完全沒(méi)有保護(hù)作用。而KY組合式避雷器對(duì)相地過(guò)電壓和相間過(guò)電壓具有同等的保護(hù)作用，相對(duì)地過(guò)電壓的保護(hù)性能優(yōu)于避雷器，而相間過(guò)電壓更是下降了60%-70%，保護(hù)的全面性以及與電動(dòng)機(jī)絕緣水平（25kV）配合的可靠性都大大提高。

　　3.4 間歇性弧光接地過(guò)電壓的防護(hù)

　　耐受過(guò)電壓和限制過(guò)電壓是兩個(gè)不同的概念，耐受過(guò)電壓是指避雷器在一定幅值、一定時(shí)間的過(guò)電壓作用下，不會(huì)發(fā)生異常和爆炸。避雷器必須能夠耐受瞬時(shí)的內(nèi)部操作過(guò)電壓，否則自身安全無(wú)法保障。但是，對(duì)于間歇性弧光接地過(guò)電壓，由于其作用時(shí)間的不確定性，要求避雷器完全能夠耐受顯然是不經(jīng)濟(jì)、不合理的。對(duì)這類過(guò)電壓，一般采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的運(yùn)行方式，或者安裝XHB消弧限壓裝置。

　　中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的保護(hù)方式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，用電感電流補(bǔ)償對(duì)地電容電流。但現(xiàn)行所有以消弧線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償或自動(dòng)調(diào)諧是在電網(wǎng)工頻（50Hz ）下完成的。電網(wǎng)在單相間歇性電弧接地時(shí)刻，在健康相（非故障相上）發(fā)生的弧光過(guò)電壓和通過(guò)電弧接地故障點(diǎn)的總電流是幅值較大的高頻電流，而電網(wǎng)電容和消弧線圈電感在高頻下，兩者頻率特性是完全不同的，兩者在高頻下互相補(bǔ)償或調(diào)諧具有一定的難度。即使消弧線圈的感性電流能完全補(bǔ)償容性電流，中性點(diǎn)位移電壓Uo將很高。過(guò)補(bǔ)償方式可減小中性點(diǎn)位移電壓，但失諧度大，將使線路接地電流太大，電弧不易熄滅，那么弧光過(guò)電壓仍然存在。所以，消弧線圈自動(dòng)跟蹤或自動(dòng)調(diào)諧可以對(duì)電容電流進(jìn)行一定程度上的補(bǔ)償，減少弧光接地發(fā)生的幾率，但是不可能像一些雜志所報(bào)道的能“消除弧光接地過(guò)電壓”，甚至在某些情況下可使過(guò)電壓值更大。

XHB消弧限壓裝置是在不改變系統(tǒng)運(yùn)行方式的情況下，采用計(jì)算機(jī)集中監(jiān)測(cè)，利用氧化鋅非線性電阻(ZnO)元件與消弧電阻組合限壓消弧，基本原理如圖3所示。綜合控制器ZK通過(guò)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器ST以及ZnO輸送的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，判斷故障相別及屬性，根據(jù)過(guò)電壓性質(zhì)以及接地屬性分別做出處理。

　　對(duì)于瞬時(shí)的雷電過(guò)電壓或操作過(guò)電壓等，由ZnO對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行限制并吸收其能量，過(guò)電壓消除后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常工作。如果接地故障是穩(wěn)定的金屬性接地，則ZK僅發(fā)出故障相別的指示信號(hào)，由微機(jī)選線裝置查找接地故障點(diǎn)，并警報(bào)值班人員進(jìn)行排除。如果接地故障是間歇性弧光接地，首先由ZnO將過(guò)電壓限制在一個(gè)較低的水平，并提供信號(hào)給綜合控制器ZK，ZK通過(guò)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及ZnO提供的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，判別出接地故障發(fā)生的相別及接地性質(zhì)，發(fā)出指令將對(duì)應(yīng)相的快速電子開(kāi)關(guān)KD閉合，使滅弧電阻投入，系統(tǒng)由不穩(wěn)定的弧光接地轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電阻接地，將弧光消除，把過(guò)電壓控制在規(guī)程允許的范圍以內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行故障的查找及排除。

　　XHB保護(hù)方式，可以快速地抑制作用時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備安全威脅最大的弧光接地過(guò)電壓，消除諧振過(guò)電壓。同時(shí)，系統(tǒng)中的各類過(guò)電壓均被限制到較低電壓水平，其限制過(guò)電壓的功能將比裝設(shè)消弧線圈更可靠、更完善；整套裝置限制過(guò)電壓的機(jī)理與電網(wǎng)對(duì)地電容電流的大小無(wú)關(guān)，因而其保護(hù)性能不隨電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變而變化，電網(wǎng)的擴(kuò)大也無(wú)影響。該裝置特別適用于環(huán)境比較惡劣但又必須保證供電連續(xù)性的冶金、化工等企業(yè)。

　　為了進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，也可以將消弧線圈與XHB同時(shí)使用。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光接地時(shí)，通過(guò)消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償，如果補(bǔ)償后接地電流較小，電弧可自行熄滅，XHB不動(dòng)作；否則，XHB可以準(zhǔn)確動(dòng)作，有效限制系統(tǒng)弧光接地過(guò)電壓。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　冶金、化工企業(yè)中的電氣設(shè)備經(jīng)常會(huì)受到系統(tǒng)中各種過(guò)電壓的威脅，研究過(guò)電壓產(chǎn)生的原因從而有效地采取防范措施對(duì)于保障企業(yè)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

　　對(duì)于不同的過(guò)電壓應(yīng)采取針對(duì)性的防范措施，應(yīng)該考慮保護(hù)的全面性，絕緣配合的可靠性和保護(hù)器自身的安全性。

　　MOA只能夠?qū)纂姰a(chǎn)生的相對(duì)地過(guò)電壓起到一定的限制作用，而內(nèi)部過(guò)電壓更多地表現(xiàn)為相間過(guò)電壓，可以采用組合式避雷器進(jìn)行保護(hù)。

　　對(duì)于系統(tǒng)中存在時(shí)間較長(zhǎng)、威脅最大的間歇性弧光接地過(guò)電壓、諧振過(guò)電壓可以采取安裝XHB消弧及過(guò)電壓保護(hù)裝置進(jìn)行防護(hù)。