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    3~66kV電力系統過電壓保護整體設置方案的探討

    發布時間:2021-05-18   

    1、引言我國3~66kV中壓電網中以6kV、10kV、35kV三個電壓等級應用較為普遍,其中中性點不接地或經消弧線圈接地的小電流系統占絕大多數,小部分采用了中性點經小電阻接地或直接接地的大電流系統。近年來,隨著供電網...

      1、引言

      我國3~66kV中壓電網中以6kV、10kV、35kV三個電壓等級應用較為普遍,其中中性點不接地或經消弧線圈接地的小電流系統占絕大多數,小部分采用了中性點經小電阻接地或直接接地的大電流系統。近年來,隨著供電網絡的發展,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備的使用也日趨增多,導致電網電壓的波動十分頻繁,因為供電網絡電壓波動而引起系統故障的現象越來越頻繁,造成輸變電設備的損壞、影響企業的生產,給企業帶來直接或間接的經濟損失,特別是工礦企業大多采用電纜供電,使得系統單相接地電容電流大大增加,系統由于發生單相間歇性弧光接地而造成用電設備損壞的事故多有發生。

      導致這種問題的發生,主要在于供電網絡電壓突變的防范措施不當,或者為了節省很小的投資而忽略了保護設置,特別是整體電壓突變的保護設置。

      因此,研究中壓供電系統過電壓的產生,以及整體的防護方案設置,就顯得尤為重要。

      2、系統過電壓及采用的保護方案分析

      2.1 傳統的控制方案

      為了解決電網發展過程中產生的過電壓危害問題,針對電網過電壓的保護控制設備也在隨之發展。1)傳統的避雷器僅僅能夠防止雷擊產生的相對地過電壓,無法解決系統相間過電壓的問題。2)近年來國內開發生產的組合式過電壓保護器能夠同時限制相對地、相間過電壓,但吸收能量十分有限,過電壓承受能力只有幾個毫秒,所以,只能夠對瞬時性過電壓吸收限制,對于諧振、單相接地等產生的長時間過電壓無法承受,甚至導致保護器的爆炸。3)中性點經消弧線圈接地的保護方式主要是針對系統對地電容電流較大,可能導致間歇性弧光接地過電壓的問題,主要原理是利用電感電流與電容電流在相位上差180°的原理對系統的電容電流進行補償,但這種補償只是針對工頻過電壓,而間歇性弧光接地常常是高頻振蕩過電壓,對此消弧線圈無能為力,所以,消弧線圈能夠可靠消除弧光接地是一種誤區,消弧線圈的補償式保護方案僅僅能夠減少弧光接地發生的幾率,無法杜絕間歇性弧光接地的發生。4)采用中性點經小電阻接地方式,其主要原理是利用發生單相接地時人為地增加故障點的接地電流,利用零序過電流保護使斷路器瞬間切斷故障線路。這種原理美國應用較多,國內廠家很少采用。其原因主要在于使得供電連續性大大下降,因為供電系統一旦發生接地故障,無論是金屬接地還是弧光接地,小電流接地系統都會作用于跳閘,使線路的跳閘次數大大增加,嚴重影響了用戶的正常供電,使其供電的可靠性下降。

      為了提高對電網電壓保護的可靠性,特別是為了解決系統單相接地產生弧光過電壓的問題,2000年以后,國內提出了單相接地消弧理論和電壓突變能量抑制理論,目前應用較廣,針對這兩種保護理論,單獨分析如下。

      


      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,是將發生弧光接地的故障相直接金屬接地,這種保護方案原理簡單,一次系統原理可靠。技術的關鍵在于二次控制部分的可靠性和準確性。

      目前國內廠家生產的消弧柜絕大多數采用這種理論。

      通過市場運行檢驗,最大的問題在于誤動頻繁,主要原因在于:

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

      2) 單相接地消弧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,也是一種誤動。

      3) 抗擾度能力差,造成對故障的誤判。

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

      5) 由于消弧裝置動作頻繁,導致系統缺相運行,將事故擴大化。這種故障在近幾年的運行中經常發生,給用戶造成許多麻煩,并使自身形成了一個故障隱患。

      2.3 抑制柜

      這類產品的基本原理如圖2所示,是利用高能氧化鋅非線性電阻對系統產生的過電壓產生的能量進行限制吸收。

      目前國內廠家的聚優柜、抑制柜、專家柜等全部是采用這種理論。

      1)

      


      主要優點:

      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。

      2) 該理論存在的問題:

      能量抑制的理論根本點是必須有一個裝置能夠將系統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、30A電容電流、帶故障運行2小時計算,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,工藝上很復雜。

      所以,采用這種理論高能氧化鋅閥片的設計承受能力、也就是承受時間不能太長,所以,能量抑制的理論只適合抑制短時間過電壓,對于長時間的弧光接地故障等電壓突變無法保護,一旦發生,該裝置會擊穿。

      2.4 總體分析

      目前中壓電力系統采用的保護方案是“頭疼醫頭、腳疼醫腳”,針對某一種故障原因采用單一的防護措施。避雷器是為了防止雷電侵入波過電壓,組合式過電壓保護器是為了防止相間過電壓和雷電侵入波過電壓,二者設計的宗旨都只是為了防止瞬時性過電壓。為了防止弧光接地,安裝消弧線圈或消弧柜。但是,忽略了整個中壓供電系統是一個等電位,各種過電壓保護裝置如果沒有參數的配合,保護的設置也不能形成一個整體的防護體系,其結果是導致有些保護設備形同虛設,甚至有些保護設備自身反而形成一個故障點,給用戶增添了麻煩。比如消弧柜,如果沒有前一級的保護配合,一般采用快動的方案,那么,一旦電壓變化,即使是瞬時性的,消弧裝置就會動作接地,事后技術人員又無法確定故障原因,也就是所謂的假誤動。而單獨的抑制柜或者聚優柜如果沒有前一級和后一級的配合,就很容易發生沖擊損害或者能量超標而擊穿。有些用戶系統消弧柜一年動作多達數十次,最后只能退出不用,而抑制柜則多有擊穿燒損事故,都是因為保護方案沒有形成一個整體。

      供電網絡的電壓控制與電流保護不同,電流保護一般以支路為單位進行實施,以綜合保護配合斷路器即可實現,而電壓保護在整個10kV供電系統是一個等電位,處理起來相對困難,一旦發生故障往往會“火燒連營”,所以對系統電壓的控制尤其顯得重要。

      3、整體保護方案探討

      電壓保護的目的:保護用電設備、保障供電的連續性;導致破壞的原因:電壓突變造成的能量沖擊。從這個角度考慮,供電系統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,針對一般企業的供電系統,建議以下兩種保護方案:

      1)三級保護方案

      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:包括每個開關柜內的避雷器或過電壓保護器,另外在PT綜控柜內再設置專門的限壓裝置。每個保護單元的動作參數必須一致,主要作用是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。

      限壓裝置抗沖擊能力較強、可以緩和過電壓波頭的的陡度,限制過電壓的峰值。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電壓可能造成的過電壓能量,限壓裝置主要是針對瞬時性過電壓而設置的,電壓突變的能量一旦超出避雷器或過電壓保護器的承受能量,就會導致避雷器或過電壓保護器的擊穿、形成熱積累、進而熱崩潰,就是通常所說的爆炸。能量抑制單元的作用是在避雷器或過電壓保護器能量承受不住時,用來吸收系統電壓突變的能量,主要針對短時間過電壓。

      能量泄放單元:當電壓突變的能量通過限壓裝置、能量抑制裝置的控制還無法消除時,則通過泄放單元實現電壓突變能量的對地泄放。主要針對長時間過電壓。

      PT、限壓裝置、能量抑制裝置、能量泄放單元共同構成PT綜合控制裝置,安裝在母線上、替換常規的PT柜?;驹砣鐖D3中的4所示。

      2)四級保護方案

      消弧線圈補償+限壓裝置+能量抑制裝置+單相接地消弧

      消弧線圈是通過電感電流補償電容電流的原理來消除弧光接地,工頻電流可以通過補償解決,高頻震蕩就無法補償。所以,消弧線圈能夠減少系統發生弧光接地的幾率,但不能杜絕,所以,四級保護方案的優點是通過消弧線圈可以減少系統弧光接地的發生,一旦消弧線圈沒有達到效果,再通過其他三級保護來處理。

      整個方案設置的目的是處理系統的電壓突變,盡量使故障消于無形,不要造成電氣技術人員的忙亂、增加其工作量。所以增加消弧線圈可以加強這個目的,但缺點是成本會增加較多,需要用戶決策。

      3)基本工作原理

      如圖3所示,通過補償單元3對系統存在的對地雜散電容進行補償,減少系統發生間歇性弧光接地的幾率,避免系統產生長時間的弧光過電壓;通過補償單元3中的消諧裝置消除系統可能產生的諧振過電壓,在此基礎上,對于系統產生的過電壓分別采用限壓、吸收、泄放三級保護,利用限壓單元1對系統產生的過電壓進行限制,保證電網電壓不超過用電設備的絕緣承受能力,由于其吸收能量有限,在系統中承受過電壓的時間設置在20ms以內,限壓單元1主要針對用電設備進行保護,可以限制吸收瞬時性過電壓如雷電過電壓、操作過電壓等。當系統過電壓能量超出限壓單元1的設計承受能力時,吸收單元2起動對過電壓能量進行再吸收,同時保證系統電壓不超過安全值。由于系統能量為被保護的電網輸送能量,與時間成比例關系,所以,能量吸收單元2的承受時間不是無窮的,可以根據該電網產生過電壓的狀況以及系統保護需要進行設置,綜合衡量工藝要求、成本等因素,能量吸收單元2的設計承受時間不宜超過10分鐘。通過限壓單元1、吸收單元2的兩級限制與吸收,能夠保證電網電壓在規定的范圍以內,同時可以消除98%的過電壓故障。為了實現對電網電壓的極端保護,設置有能量泄放單元,當電網在補償工況下,還是發生了長時間過電壓,通過限壓單元1、吸收單元2的作用,過電壓仍然存在,則通過本發明技術方案中的泄放單元4將過電壓的能量直接對地泄放,保證電網電壓不對系統的用電設備、輸變電設備造成危害。

      4、結語

      1)工礦企業的中壓供電系統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。

      2)孤立地選擇一個產品而不考慮整體配合,無法形成一個完整的保護體系,忽略了保護的全面性,可靠性、安全性也會大打折扣。

      3)整體防護體系的各個保護層之間應該就過電壓的動作參數、能量承受等方面進行配合。

      參考文獻

      1. 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

      2. 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

      3. 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

      4. 許穎:對消弧線圈消除弧光接地的疑義,電力設備,2001年第4期


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