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    葛洲壩水泥中壓供電系統電壓綜合控制技術分析

    發布時間: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,已經發展到18家子分公司,在企業發展的過程中,針對各個企業供電的安全性也在逐步提高,特別是針對中壓供電系統各種過電壓的防范措施,根據國內過...

      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,已經發展到18家子分公司,在企業發展的過程中,針對各個企業供電的安全性也在逐步提高,特別是針對中壓供電系統各種過電壓的防范措施,根據國內過電壓防護技術的發展,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。

      針對中壓供電系統過電壓的防范,在設計時一般不是按照整體控制進行考慮,大多只是按照設計規程或經驗針對某些故障原因而配置一些產品,這樣就導致針對中壓供電系統的保護方案只是針對某一種故障原因而設置的單一保護措施,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,根據時間的發展順序,本文作一匯總分析,為以后中壓供電網絡的安全運行探索一種可行的保護方案。

      2、PT避雷器柜

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      1)PT柜安裝避雷器

      早期的中壓供電網絡通常是在開關柜和電壓互感器柜(PT柜)內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準,10kV系統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,這種過電壓的表現形式一般是相對地過電壓,那么,對于主要表現為相間過電壓的內部過電壓,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用電設備的絕緣耐受能力是42kV,其結果必然導致用電設備的燒損。

      舉例說明, 2014年3月,某水泥廠10kV高壓電動機在正常運轉中突然冒煙短路,經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,公司組織相關專家探討分析,認定事故原因為相間過電壓造成的設備絕緣積累性損傷,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,都可能導致設備的相間短路以致設備燒損。

      其次,避雷器的設計目標是針對瞬時性的過電壓,按照國家標準GB11032規定,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,對于連續的脈沖沖擊,避雷器無法承受過電壓產生的能量,其結果必然導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、開關柜采用少油開關的小型供配電網絡,以及戶外架空線路;對于大電網特別是以電纜輸電為主,真空斷路器作為操作開關的現代供電網絡,避雷器已經無法滿足要求。

      2)PT柜安裝組合式過電壓保護器

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      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,實現了全面性的保護,使供用電設備的安全性大大提高,可以限制斷路器關合過程中斷路器出線側產生的操作過電壓,和系統外部(雷電侵入波)、內部(操作、諧振、接地等)產生的瞬時性過電壓;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間隙組合式過電壓保護器,由于串聯間隙的分散度大、以及間隙放電沖擊的影響,串聯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柜內,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,一旦過電壓產生的能量超過保護器的設計承受能力,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配電室發生過電壓保護器的擊穿,共導致4臺保護器的燒損,廠區停電超過48小時。經多方現場勘察,查明事故原因如下:10kV進線是由架空線路輸送至配電室外,然后轉為電纜進入室內,在架空線路與電纜的接頭處,發生對地放電,產生間歇性弧光接地過電壓,因為弧光接地過電壓持續時間較長,超出過電壓保護器的設計承受能力,導致過電壓保護器的擊穿爆炸。

      3、消弧柜過電壓產生的能量決定于電壓、電流以及過電壓持續的時間,在一個固定的系統內,其過電壓能量主要決定于過電壓持續的時間,而持續時間長、過電壓幅值高的典型故障是間歇性弧光接地,這類故障發生的概率雖然不大,破壞力很大,往往火燒連營,給企業帶來很大的直接或間接經濟損失。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”。

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      消弧柜的一次系統如圖3所示,基本原理是將發生弧光接地的故障相直接金屬接地,將產生振蕩型高電壓的間歇性弧光接地故障轉變為金屬接地,這種保護方案原理簡單,缺點是系統需要缺相運行。

      在使用的過程中,發生消弧柜動作但是無法查到故障原因,了解國內其他使用消弧柜的企業,這種現象多有發生,有些企業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,沒有與供電系統其他的過電壓保護設備進行參數的配合,判斷依據簡單,特別是沒有考慮弧光接地持續的時間,對于持續時間不長,能夠自恢復的偶發性過電壓故障,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。由于消弧柜的誤動,導致系統缺相運行,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供電系統誤動比較頻繁的消弧柜進行了跟蹤統計,因為該消弧柜之前已經多次發生誤動,為了防止誤動對系統造成無謂的沖擊,所以在跟蹤統計時間段內,將一次系統的接地斷路器進行了閉鎖,即使發生誤動不會造成系統單相接地或兩相短路,只是二次系統采樣分析報警,統計結果如下:

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      根據上述統計結果,該消弧柜誤動頻率達到15次/年,當然,不能以該結果否定所有的消弧柜產品,不同的生產廠家,不同的運行環境,結果會有差異,但是,結合上述消弧柜的設計原理,這個統計結果應該能夠作為消弧柜產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,公司通過技術調研,在實際應用中采用了過電壓抑制柜,也稱聚優柜,其工作原理如圖4所示。

      

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      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絡的電壓突變進行吸收抑制,不會造成系統的單相接地,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、消弧柜使用的經驗教訓,對于過電壓抑制柜的使用,采用了謹慎的態度,一是小范圍試用,二是對使用效果進行調研。

      通過和其他采用該裝置的企業進行技術探討,發現該裝置在使用過程中,多次發生燒毀事故,原因在于抑制柜技術理論的根本點是其能量抑制裝置必須能夠將弧光過電壓的能量消耗掉,也就是必須考慮氧化鋅非線性電阻的能量與電網弧光過電壓的能量相配合,按照10kV系統、30A電容電流、帶故障運行2小時計算(國家規程要求),需要480路高能氧化鋅電阻并聯運行,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,如果過電壓持續時間超過設計承受值,該裝置則會擊穿甚至爆炸?;谏鲜鲈?,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,以及與行業技術人員的探討,總結得出,中壓供電系統的過電壓保護,首先應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置上應該與過電壓的持續時間相配合,也就是選擇一種綜合控制技術。

      綜合控制技術說穿了就是一種整體控制技術,是將整個供電系統的PT功能、電壓監控、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:將整個系統的電網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,使系統電網處于全過程、全自動監控與保護狀態,保障電網的安全可靠運行。

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

      要實現一個供電網絡電壓突變的整體防護體系,必須做到兩點:1)供電網絡要確定一個整體的、合理的、可行的保護方案;2)系統的初期建設和后期的擴容、改造等必須按照這個保護方案進行產品的配置。

      KYG綜合控制系統基本原理如圖5所示,基本原理如下:

      

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      設置電網異常監測儀KYZK,實時監測供電網絡各個參數的變化,對電網發生的異常變化進行分析,判斷供電網絡發生異常的原因,并進行針對性的處理。

      對于供電系統產生的過電壓,不論什么原因引起的,過電壓保護器和PT綜控柜內的限壓裝置KYX在故障發生的瞬時,過電壓達到動作值時,氧化鋅非線性電阻導通,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,過電壓防護過程結束。

      如果系統發生短時間過電壓,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的電壓突變不會超過用電設備的絕緣承受能力。

      如果要確保系統的安全運行,在系統發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綜控柜內的泄放單元將發生間歇性弧光接地的故障相直接金屬接地,強制消弧,系統帶故障運行。

      整個過程,系統應該是安全的,電氣人員根據故障屬性以及生產的需要,安排停電維修。

      3、結語

      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置的單一保護裝置。

      中壓供電系統的過電壓防護應該作為一個整體進行保護,應該考慮保護的全面性、設備的可靠性、保護體系的安全性三個方面。

      KYG電網電壓綜合控制系統是一種全面性的保護方案,橫向是將供電網絡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電力系統過電壓保護整體設置方案的探討,冶金動力,2015年第9期

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

      3. 郭思君:3~66kV電力系統過電壓保護器的應用與發展,高電壓技術,2004年第8期

      4. 李學斌:化工企業供電系統的過電壓及其防范措施,化工安全與環境,2003年第26期


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