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    化工企業供電系統的過電壓及其防范措施

    發布時間:2021-05-18   

    前言化工企業電力系統主要是由變壓器、電動機、斷路器及電纜等設備組成。由于各種因素的影響,電氣設備隨時可能受到外部和內部過電壓的侵襲,過電壓出現的時間雖然短暫,但由于其峰值高、波形陡,對電氣設備威脅很大...

      前言

      化工企業電力系統主要是由變壓器、電動機、斷路器及電纜等設備組成。由于各種因素的影響,電氣設備隨時可能受到外部和內部過電壓的侵襲,過電壓出現的時間雖然短暫,但由于其峰值高、波形陡,對電氣設備威脅很大。偶爾一次過電壓可能不至于將電氣設備損壞,但已使設備絕緣受到不可逆的損害,多次過電壓的積累作用使設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都會將絕緣擊穿。舉例說明, 2003年3月,山東一化肥廠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真空開關柜燒損,造成開關柜的報廢性損失。兩次事故嚴重影響企業的安全生產和經濟效益。

      因此,研究過電壓產生的機理、量值范圍,從而恰當地進行保護設備的選擇與設計,是保證電氣設備安全運行的一項重要工作。以往,冶金、石化企業常常不是將供電系統作為一個整體予以重視,以至于電氣設備絕緣因為過電壓而損壞的現象時有發生。

      系統過電壓分析

      電氣設備在運行中承受的過電壓有來自外部的雷電過電壓和由于系統參數發生變化時電磁能產生振蕩,積聚而引起的內部過電壓兩種類型。按其產生的原因雷電過電壓又分為直擊雷過電壓、感應雷過電壓及雷電侵入波過電壓;內部過電壓主要分為暫時過電壓及操作過電壓。在操作過電壓中又分為操作電容負荷過電壓、操作電感負荷過電壓以及間歇性電弧接地過電壓。

      在化工企業,由于真空斷路器的廣泛采用,以及電網規模不斷擴大,電纜的使用越來越多,使開斷空載變壓器及高壓電動機等電感負荷產生的操作過電壓和單相接地時電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過電壓越來越嚴重,成為電網及設備安全運行的主要威脅,是化工企業不容忽視的問題。究其原因主要是由于:

      1)真空斷路器分斷速度快、滅弧能力強,在開斷電感負荷時有可能不是在電流經過工頻零點時熄弧,而是在電流瞬時值尚為i時,被迫在極短的時間內下降到零,從而產生截流過電壓和三相同時截流過電壓,另外開斷后還會產生高頻振蕩,使斷路器發生多次重燃過電壓。無論是截流過電壓、三相同時截流過電壓還是重燃過電壓,主要表現為相間過電壓,幅值最高可以超過3.5倍Uф,而相地過電壓數值僅為相間過電壓的二分之一左右。

      2)化工企業6~10kV系統均采用中性點不接地運行方式。隨著電網規模不斷擴大,電纜的使用越來越多,使系統對地電容電流大幅度上升,在單相接地的故障點電弧不能自動熄弧,從而發生電弧周期性的熄滅與重燃,出現間歇電弧,引起電網產生高頻振蕩,形成過電壓。這種間歇性弧光接地過電壓幅值可能超過3.5UФ,甚至達到6 UФ,而且過電壓持續的時間可以達到數十分鐘或更長,波及范圍廣,對電氣設備危害嚴重。

      山東化肥廠的兩起事故正是由于上述兩種過電壓所致。事故發生后,該廠技術人員邀請相關專家及設計部門對系統情況以及發生故障前后的系統運行工況進行分析認為,電機匝間絕緣擊穿是由于操作過電壓造成電機絕緣積累性損傷,最終導致高壓電機的絕緣擊穿;而真空開關柜發生爆炸是由于間歇性弧光接地引起的。

      

    目前化工企業對過電壓的防護一般只采用安裝避雷器(以下簡稱MOA)的方法,其接線采用三星型接法如圖1所示,執行國標GB11032-89,如10kV的MOA的操作沖擊電流殘壓U殘≥25kV,那么,該種保護可以將相對地過電壓UAD、UBD、UCD最低限制到25kV左右。而對相間過電壓UAB、UAC、UBC的保護是由兩只MOA疊加完成的,其殘壓為U殘=2×25KV=50kV。而運行中的高壓電動機相對地及相間絕緣所能承受的過電壓數值可用下式計算:


      UR=

    (2 Ue+1)×0.75×K


      式中:Ue-----電動機額定電壓

      K-----沖擊系數,我國一般取1.15~1.25

      當電動機額定電壓Ue=10kV,沖擊系數K取1.15時,可以得出電動機的絕緣耐受能力:UR=25.6kV,對照MOA的保護水平U相地=25kV、UA相間=2×25KV=50kV可以看出,該保護方式對系統中的相對地過電壓可以起到一定的保護作用,而對相間過電壓根本無法保護。每次過電壓必然對電氣設備造成沖擊,形成積累性損傷,使絕緣下降。當絕緣下降到一定程度時,將會加速其老化。如果電動機絕緣耐受電壓低于避雷器的設計保護值,即使在正常運行電壓下電動機也會發生絕緣損傷而形成匝間短路。

      對間歇性弧光接地過電壓,多數化工企業沒有針對性的防護措施。當系統發生單相接地時,系統因有接地電容電流的存在而形成間歇性弧光接地過電壓,其幅值高,持續時間較長,致使MOA無法承受而爆炸。MOA的爆炸又引起相間或相地短路起火,導致開關柜的燒毀,事故進一步擴大,往往“火燒連營”,一次故障造成多處設備的損壞。

      過電壓的防范措施

      3.1防范的基本原則

      為了實現對過電壓的可靠防護,保障電氣設備以及保護器自身的安全運行,必須針對過電壓產生的原因、持續時間、量值范圍等采取針對性防護措施。一套完備的保護必須具備以下三個要素,缺一不可。1)保護的全面性:保護要考慮系統各種可能的過電壓,而不是針對某一種工況。如MOA只能限制系統相對地過電壓,而對相間過電壓則無能為力。2)絕緣配合的可靠性:對過電壓防護的目的是為了保護設備絕緣的安全,所以保護裝置的參數設計必須與設備的絕緣耐受能力進行合理匹配。3)保護裝置自身的安全性:在對電氣設備能夠可靠保護的前提下,保護裝置自身必須能夠安全運行,否則,不僅保護不了設備絕緣,反而造成系統中的事故隱患。

      3.2 外部過電壓的防護

      對于直擊雷及感應雷過電壓,目前國內較多的采用避雷網、避雷針進行防護;對于雷電侵入波過電壓,由于其表現形式主要為相對地過電壓,一般采用MOA加以防護。對這類保護措施,國內應用很多,技術比較成熟,這里不再祥述。

      3.3 瞬時內部操作過電壓的防護

      如前所述,內部過電壓主要表現為相間過電壓,三星型接法的MOA對相間過電壓基本沒有防護作用,在這種情況下,安裝組合式避雷器是一種可行的保護方案。

      

    相對于老式的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四個保護單元兩兩組合成六只完整的避雷器,分別保護三相對地過電壓和相間過電壓,使保護的全面性大大提高,兩種電機型避雷器的電氣特性對比見表1。


      表1 10kV MOA和組合式避雷器電氣特性比較表 kV

      產品類型電壓等級直流1mA參考電壓操作沖擊殘壓雷電沖擊殘壓

      MOA10相對地18.92531

      相間37.85062

      KY組合式避雷器10相對地16.523.124.8

      相間16.523.124.8

      由表1可見, MOA保護動作后的瞬時殘壓值偏高,對雷電產生的相對地過電壓保護作用比較勉強,對相間過電壓完全沒有保護作用。而KY組合式避雷器對相地過電壓和相間過電壓具有同等的保護作用,相對地過電壓的保護性能優于避雷器,而相間過電壓更是下降了60%-70%,保護的全面性以及與電動機絕緣水平(25kV)配合的可靠性都大大提高。

      3.4 間歇性弧光接地過電壓的防護

      耐受過電壓和限制過電壓是兩個不同的概念,耐受過電壓是指避雷器在一定幅值、一定時間的過電壓作用下,不會發生異常和爆炸。避雷器必須能夠耐受瞬時的內部操作過電壓,否則自身安全無法保障。但是,對于間歇性弧光接地過電壓,由于其作用時間的不確定性,要求避雷器完全能夠耐受顯然是不經濟、不合理的。對這類過電壓,一般采用中性點經消弧線圈的運行方式,或者安裝XHB消弧限壓裝置。

      中性點經消弧線圈接地的保護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,用電感電流補償對地電容電流。但現行所有以消弧線圈設計的自動跟蹤補償或自動調諧是在電網工頻(50Hz )下完成的。電網在單相間歇性電弧接地時刻,在健康相(非故障相上)發生的弧光過電壓和通過電弧接地故障點的總電流是幅值較大的高頻電流,而電網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償或調諧具有一定的難度。即使消弧線圈的感性電流能完全補償容性電流,中性點位移電壓Uo將很高。過補償方式可減小中性點位移電壓,但失諧度大,將使線路接地電流太大,電弧不易熄滅,那么弧光過電壓仍然存在。所以,消弧線圈自動跟蹤或自動調諧可以對電容電流進行一定程度上的補償,減少弧光接地發生的幾率,但是不可能像一些雜志所報道的能“消除弧光接地過電壓”,甚至在某些情況下可使過電壓值更大。

      

    XHB消弧限壓裝置是在不改變系統運行方式的情況下,采用計算機集中監測,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通過對信號轉換器ST以及ZnO輸送的信號進行計算處理,判斷故障相別及屬性,根據過電壓性質以及接地屬性分別做出處理。


      對于瞬時的雷電過電壓或操作過電壓等,由ZnO對過電壓進行限制并吸收其能量,過電壓消除后,系統自動恢復正常工作。如果接地故障是穩定的金屬性接地,則ZK僅發出故障相別的指示信號,由微機選線裝置查找接地故障點,并警報值班人員進行排除。如果接地故障是間歇性弧光接地,首先由ZnO將過電壓限制在一個較低的水平,并提供信號給綜合控制器ZK,ZK通過對信號轉換器以及ZnO提供的信號進行計算處理,判別出接地故障發生的相別及接地性質,發出指令將對應相的快速電子開關KD閉合,使滅弧電阻投入,系統由不穩定的弧光接地轉變為穩定的電阻接地,將弧光消除,把過電壓控制在規程允許的范圍以內,同時進行故障的查找及排除。

      XHB保護方式,可以快速地抑制作用時間長、對系統及設備安全威脅最大的弧光接地過電壓,消除諧振過電壓。同時,系統中的各類過電壓均被限制到較低電壓水平,其限制過電壓的功能將比裝設消弧線圈更可靠、更完善;整套裝置限制過電壓的機理與電網對地電容電流的大小無關,因而其保護性能不隨電網運行方式的改變而變化,電網的擴大也無影響。該裝置特別適用于環境比較惡劣但又必須保證供電連續性的冶金、化工等企業。

      為了進一步加強系統的可靠性,也可以將消弧線圈與XHB同時使用。當系統發生間歇性弧光接地時,通過消弧線圈進行補償,如果補償后接地電流較小,電弧可自行熄滅,XHB不動作;否則,XHB可以準確動作,有效限制系統弧光接地過電壓。

      4、結束語

      冶金、化工企業中的電氣設備經常會受到系統中各種過電壓的威脅,研究過電壓產生的原因從而有效地采取防范措施對于保障企業的安全運行具有重要的意義。

      對于不同的過電壓應采取針對性的防范措施,應該考慮保護的全面性,絕緣配合的可靠性和保護器自身的安全性。

      MOA只能夠對雷電產生的相對地過電壓起到一定的限制作用,而內部過電壓更多地表現為相間過電壓,可以采用組合式避雷器進行保護。

      對于系統中存在時間較長、威脅最大的間歇性弧光接地過電壓、諧振過電壓可以采取安裝XHB消弧及過電壓保護裝置進行防護。


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