發(fā)布時(shí)間：2021-05-18　　　

　　1、引言

　　我國(guó)3～66kV中壓電網(wǎng)中以6kV、10kV、35kV三個(gè)電壓等級(jí)應(yīng)用較為普遍，其中中性點(diǎn)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(diǎn)經(jīng)小電阻接地或直接接地的大電流系統(tǒng)。近年來(lái)，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(dòng)十分頻繁，因?yàn)楣╇娋W(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)而引起系統(tǒng)故障的現(xiàn)象越來(lái)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(lái)直接或間接的經(jīng)濟(jì)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(wèn)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(hù)設(shè)置，特別是整體電壓突變的保護(hù)設(shè)置。

　　因此，研究中壓供電系統(tǒng)過(guò)電壓的產(chǎn)生，以及整體的防護(hù)方案設(shè)置，就顯得尤為重要。

　　2、系統(tǒng)過(guò)電壓及采用的保護(hù)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(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓危害問(wèn)題，針對(duì)電網(wǎng)過(guò)電壓的保護(hù)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(duì)地過(guò)電壓，無(wú)法解決系統(tǒng)相間過(guò)電壓的問(wèn)題。2）近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的組合式過(guò)電壓保護(hù)器能夠同時(shí)限制相對(duì)地、相間過(guò)電壓，但吸收能量十分有限，過(guò)電壓承受能力只有幾個(gè)毫秒，所以，只能夠?qū)λ矔r(shí)性過(guò)電壓吸收限制，對(duì)于諧振、單相接地等產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓無(wú)法承受，甚至導(dǎo)致保護(hù)器的爆炸。3）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的保護(hù)方式主要是針對(duì)系統(tǒng)對(duì)地電容電流較大，可能導(dǎo)致間歇性弧光接地過(guò)電壓的問(wèn)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(duì)系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，但這種補(bǔ)償只是針對(duì)工頻過(guò)電壓，而間歇性弧光接地常常是高頻振蕩過(guò)電壓，對(duì)此消弧線圈無(wú)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(bǔ)償式保護(hù)方案僅僅能夠減少弧光接地發(fā)生的幾率，無(wú)法杜絕間歇性弧光接地的發(fā)生。4）采用中性點(diǎn)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(shí)人為地增加故障點(diǎn)的接地電流，利用零序過(guò)電流保護(hù)使斷路器瞬間切斷故障線路。這種原理美國(guó)應(yīng)用較多，國(guó)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?yàn)楣╇娤到y(tǒng)一旦發(fā)生接地故障，無(wú)論是金屬接地還是弧光接地，小電流接地系統(tǒng)都會(huì)作用于跳閘，使線路的跳閘次數(shù)大大增加，嚴(yán)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(duì)電網(wǎng)電壓保護(hù)的可靠性，特別是為了解決系統(tǒng)單相接地產(chǎn)生弧光過(guò)電壓的問(wèn)題，2000年以后，國(guó)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(duì)這兩種保護(hù)理論，單獨(dú)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(hù)方案原理簡(jiǎn)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。

　　目前國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的消弧柜絕大多數(shù)采用這種理論。

　　通過(guò)市場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)，最大的問(wèn)題在于誤動(dòng)頻繁，主要原因在于：

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

　　2） 單相接地消弧沒(méi)有考慮弧光接地持續(xù)的時(shí)間，對(duì)于持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，能夠自恢復(fù)的偶發(fā)性過(guò)電壓故障，甚至是電壓波動(dòng)，消弧柜都會(huì)動(dòng)作，事后用戶又無(wú)法確定故障原因，也是一種誤動(dòng)。

　　3） 抗擾度能力差，造成對(duì)故障的誤判。

　　4） 為了快速動(dòng)作，采用自制的永磁接觸器，該類(lèi)型接觸器本身就容易誤動(dòng)。

　　5） 由于消弧裝置動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致系統(tǒng)缺相運(yùn)行，將事故擴(kuò)大化。這種故障在近幾年的運(yùn)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(gè)故障隱患。

　　2.3 抑制柜

　　這類(lèi)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)電壓產(chǎn)生的能量進(jìn)行限制吸收。

　　目前國(guó)內(nèi)廠家的聚優(yōu)柜、抑制柜、專(zhuān)家柜等全部是采用這種理論。

　　1）

　　主要優(yōu)點(diǎn)：

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

　　2） 該理論存在的問(wèn)題：

　　能量抑制的理論根本點(diǎn)是必須有一個(gè)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10kV系統(tǒng)、30A電容電流、帶故障運(yùn)行2小時(shí)計(jì)算，需要480路高能氧化鋅電阻并聯(lián)運(yùn)行。成本超過(guò)100萬(wàn)；480路動(dòng)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(jì)承受能力、也就是承受時(shí)間不能太長(zhǎng)，所以，能量抑制的理論只適合抑制短時(shí)間過(guò)電壓，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的弧光接地故障等電壓突變無(wú)法保護(hù)，一旦發(fā)生，該裝置會(huì)擊穿。

　　2.4 總體分析

　　目前中壓電力系統(tǒng)采用的保護(hù)方案是“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”，針對(duì)某一種故障原因采用單一的防護(hù)措施。避雷器是為了防止雷電侵入波過(guò)電壓，組合式過(guò)電壓保護(hù)器是為了防止相間過(guò)電壓和雷電侵入波過(guò)電壓，二者設(shè)計(jì)的宗旨都只是為了防止瞬時(shí)性過(guò)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(gè)中壓供電系統(tǒng)是一個(gè)等電位，各種過(guò)電壓保護(hù)裝置如果沒(méi)有參數(shù)的配合，保護(hù)的設(shè)置也不能形成一個(gè)整體的防護(hù)體系，其結(jié)果是導(dǎo)致有些保護(hù)設(shè)備形同虛設(shè)，甚至有些保護(hù)設(shè)備自身反而形成一個(gè)故障點(diǎn)，給用戶增添了麻煩。比如消弧柜，如果沒(méi)有前一級(jí)的保護(hù)配合，一般采用快動(dòng)的方案，那么，一旦電壓變化，即使是瞬時(shí)性的，消弧裝置就會(huì)動(dòng)作接地，事后技術(shù)人員又無(wú)法確定故障原因，也就是所謂的假誤動(dòng)。而單獨(dú)的抑制柜或者聚優(yōu)柜如果沒(méi)有前一級(jí)和后一級(jí)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(dòng)作多達(dá)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?yàn)楸Ｗo(hù)方案沒(méi)有形成一個(gè)整體。

　　供電網(wǎng)絡(luò)的電壓控制與電流保護(hù)不同，電流保護(hù)一般以支路為單位進(jìn)行實(shí)施，以綜合保護(hù)配合斷路器即可實(shí)現(xiàn)，而電壓保護(hù)在整個(gè)10kV供電系統(tǒng)是一個(gè)等電位，處理起來(lái)相對(duì)困難，一旦發(fā)生故障往往會(huì)“火燒連營(yíng)”，所以對(duì)系統(tǒng)電壓的控制尤其顯得重要。

　　3、整體保護(hù)方案探討

　　電壓保護(hù)的目的：保護(hù)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?cè)斐傻哪芰繘_擊。從這個(gè)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(duì)一般企業(yè)的供電系統(tǒng)，建議以下兩種保護(hù)方案：

　　1）三級(jí)保護(hù)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(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的避雷器或過(guò)電壓保護(hù)器，另外在PT綜控柜內(nèi)再設(shè)置專(zhuān)門(mén)的限壓裝置。每個(gè)保護(hù)單元的動(dòng)作參數(shù)必須一致，主要作用是限制斷路器關(guān)合過(guò)程中斷路器出線側(cè)產(chǎn)生的操作過(guò)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(shí)性過(guò)電壓。

　　限壓裝置抗沖擊能力較強(qiáng)、可以緩和過(guò)電壓波頭的的陡度，限制過(guò)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(guò)電壓可能造成的過(guò)電壓能量，限壓裝置主要是針對(duì)瞬時(shí)性過(guò)電壓而設(shè)置的，電壓突變的能量一旦超出避雷器或過(guò)電壓保護(hù)器的承受能量，就會(huì)導(dǎo)致避雷器或過(guò)電壓保護(hù)器的擊穿、形成熱積累、進(jìn)而熱崩潰，就是通常所說(shuō)的爆炸。能量抑制單元的作用是在避雷器或過(guò)電壓保護(hù)器能量承受不住時(shí)，用來(lái)吸收系統(tǒng)電壓突變的能量，主要針對(duì)短時(shí)間過(guò)電壓。

　　能量泄放單元：當(dāng)電壓突變的能量通過(guò)限壓裝置、能量抑制裝置的控制還無(wú)法消除時(shí)，則通過(guò)泄放單元實(shí)現(xiàn)電壓突變能量的對(duì)地泄放。主要針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)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(jí)保護(hù)方案

　　消弧線圈補(bǔ)償+限壓裝置+能量抑制裝置+單相接地消弧

　　消弧線圈是通過(guò)電感電流補(bǔ)償電容電流的原理來(lái)消除弧光接地，工頻電流可以通過(guò)補(bǔ)償解決，高頻震蕩就無(wú)法補(bǔ)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(jí)保護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)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(méi)有達(dá)到效果，再通過(guò)其他三級(jí)保護(hù)來(lái)處理。

　　整個(gè)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(wú)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(qiáng)這個(gè)目的，但缺點(diǎn)是成本會(huì)增加較多，需要用戶決策。

　　3）基本工作原理

　　如圖3所示，通過(guò)補(bǔ)償單元3對(duì)系統(tǒng)存在的對(duì)地雜散電容進(jìn)行補(bǔ)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(zhǎng)時(shí)間的弧光過(guò)電壓；通過(guò)補(bǔ)償單元3中的消諧裝置消除系統(tǒng)可能產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓，在此基礎(chǔ)上，對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)電壓分別采用限壓、吸收、泄放三級(jí)保護(hù)，利用限壓?jiǎn)卧?對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)電壓進(jìn)行限制，保證電網(wǎng)電壓不超過(guò)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(guò)電壓的時(shí)間設(shè)置在20ms以內(nèi)，限壓?jiǎn)卧?主要針對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，可以限制吸收瞬時(shí)性過(guò)電壓如雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓等。當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓能量超出限壓?jiǎn)卧?的設(shè)計(jì)承受能力時(shí)，吸收單元2起動(dòng)對(duì)過(guò)電壓能量進(jìn)行再吸收，同時(shí)保證系統(tǒng)電壓不超過(guò)安全值。由于系統(tǒng)能量為被保護(hù)的電網(wǎng)輸送能量，與時(shí)間成比例關(guān)系，所以，能量吸收單元2的承受時(shí)間不是無(wú)窮的，可以根據(jù)該電網(wǎng)產(chǎn)生過(guò)電壓的狀況以及系統(tǒng)保護(hù)需要進(jìn)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(jì)承受時(shí)間不宜超過(guò)10分鐘。通過(guò)限壓?jiǎn)卧?、吸收單元2的兩級(jí)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(shí)可以消除98%的過(guò)電壓故障。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的極端保護(hù)，設(shè)置有能量泄放單元，當(dāng)電網(wǎng)在補(bǔ)償工況下，還是發(fā)生了長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓，通過(guò)限壓?jiǎn)卧?、吸收單元2的作用，過(guò)電壓仍然存在，則通過(guò)本發(fā)明技術(shù)方案中的泄放單元4將過(guò)電壓的能量直接對(duì)地泄放，保證電網(wǎng)電壓不對(duì)系統(tǒng)的用電設(shè)備、輸變電設(shè)備造成危害。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　1）工礦企業(yè)的中壓供電系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)應(yīng)該作為一個(gè)整體進(jìn)行保護(hù)，應(yīng)該考慮保護(hù)的全面性、設(shè)備的可靠性、保護(hù)體系的安全性三個(gè)方面。

　　2）孤立地選擇一個(gè)產(chǎn)品而不考慮整體配合，無(wú)法形成一個(gè)完整的保護(hù)體系，忽略了保護(hù)的全面性，可靠性、安全性也會(huì)大打折扣。

　　3）整體防護(hù)體系的各個(gè)保護(hù)層之間應(yīng)該就過(guò)電壓的動(dòng)作參數(shù)、能量承受等方面進(jìn)行配合。

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