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        中壓電網不同接地方式下過電壓保護方案的探討

        發布時間:2021-07-19   

        1、引言我國3~35kV中壓供電網絡中以6kV、10kV、35kV三個電壓等級應用較為普遍,目前采用的供電方式主要有中性點不接地、中性點經消弧線圈接地、中性點經小電阻接地三種方式。這三種接地方式針對系統過電壓的防護比...

          1、引言

          我國3~35kV中壓供電網絡中以6kV、10kV、35kV三個電壓等級應用較為普遍,目前采用的供電方式主要有中性點不接地、中性點經消弧線圈接地、中性點經小電阻接地三種方式。這三種接地方式針對系統過電壓的防護比較通用的方式是開關柜出線側安裝避雷器,在母線上設置電壓互感器及避雷器柜。這種傳統的保護方式是在以架空線路為主,少油開關作為開斷裝置的小供電系統的技術背景下產生的,九十年代中后期開始,隨著中國經濟的快速發展,企業供電網絡不斷擴大,供電方式也發生根本性的變化,企業電網多以電纜輸電,開斷裝置以真空斷路器為主,而現代化企業對供電質量的要求也在不斷提高,在此背景下,僅僅安裝避雷器的過電壓保護方式顯然不能滿足現代化企業對供電質量的要求。

          在此背景下,九十年代后期開始,國內過電壓保護產品也在不斷地發展與提高,陸續出現了組合式過電壓保護器、消弧柜、抑制柜等產品,但是,在使用的過程中,效果并不明顯,甚至形成新的故障點,究其原因,主要在于上述產品在設計以及選用時都是“頭疼醫頭、腳痛醫腳”,針對某一種故障原因,孤立地選用產品,沒有形成整體的參數配合,也沒有考慮技術方案的適用性,導致產品無法達到設計效果,甚至產品自身引起供電系統大的故障,給企業生產帶來直接或間接的經濟損失。

          中壓供電系統的過電壓保護不同于電流保護,其電壓通常是等電位,所以,過電壓保護的設置不僅僅要考慮縱向的配合,還需要考慮橫向的參數配合,必須針對企業中壓供電網絡制定一個整體的保護方案,在整體保護方案的基礎上,選用合適的產品,通過參數的配合形成一個完整的防護體系。本文針對企業供電系統常用的三種接地方式,提出相應的整體保護方案,并對其技術原理進行分析探討,以期找到一種有效的防范措施,全面提高企業的供電質量。

          2、中性點不接地系統

          針對工礦企業3~35kV中性點不接地供電系統,以及供電、用電的特性,結合國內現有技術水平,可以形成一個三級保護的整體防護體系,如圖1所示,落實到產品設置,包括以下設置:

          限壓裝置1+能量抑制裝置2+單項接地裝置3

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          2.1限壓裝置:

          避雷器的設計目的是為了防止雷電產生的相對地過電壓,現在的企業供電網絡主要以電纜輸電為主,操作開關以真空斷路器為主,這種供電工況下,系統過電壓的主要威脅來自于內部過電壓,包括操作過電壓、諧振過電壓、間歇性弧光接地過電壓、單相金屬接地等等,表現形式既有相對地過電壓,更多的是相間過電壓,采用避雷器已經無法滿足要求。所以,九十年代中后期,工礦企業開始大量采用組合式過電壓保護器,組合式過電壓保護器采用六通道設置,對相地、相間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;保護器的2ms方波通流量遠遠大于避雷器,由150A提高到最大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,不建議采用。

          所以,該方案中的限壓裝置由開關柜內的無間隙組合式過電壓保護器和PT柜內的限壓裝置共同構成。包括每個開關柜內設置組合式過電壓保護器,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配合一致,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,作為電壓突變的第1級保護。

          2.2能量抑制裝置

          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過電壓保護器的設計承受能量,就會導致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。能量抑制裝置的作用是在過電壓保護器能量承受不住時,用來吸收系統電壓突變產生的能量,主要針對短時間過電壓。能量抑制裝置是整個過電壓防護體系的第2級防護。

          2.3單相接地裝置

          如果供電系統發生長時間間歇性弧光接地故障,產生長時間間歇性弧光接地過電壓,而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。主要針對長時間的間歇性弧光接地過電壓,可以作為供電系統過電壓防護的第3級保護。

          2.4多級保護的工作原理

          傳統的PT柜只是對電網電壓進行測量并提供100V電壓供儀表或計量使用,眾所周知,電網質量的控制應包括測量、分析、處理三個層面,所以,該方案將每段母線的PT柜升級為PT綜合控制柜。

          PT綜合控制柜由PT裝置、電網異常監測裝置KYZK、限壓裝置KYX、能量抑制裝置KYD、單相接地裝置共同構成,安裝在母線上、替換常規的PT柜。

          設置電壓互感器:包含傳統PT柜的功能,主要是測量顯示功能。設置電網異常監測儀: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在故障發生的瞬時,過電壓達到動作值時,高壓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,母線PT綜控柜內的能量抑制裝置投入運行,高能氧化鋅非線性電阻導通,進一步限制過電壓,并吸收電壓突變產生的能量。

          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綜控柜內的接地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,系統在保證用配電設備安全的前提下帶故障運行。

          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、中性點經消弧線圈接地系統

          針對工礦企業3~35kV中性點經消弧線圈接地的供電系統,以及消弧線圈的特性、消弧線圈與其他保護單元的配合能力,可以形成一個四級保護的整體防護體系,如圖2所示,落實到產品設置,包括以下設置:

          消弧線圈接地補償裝置0+限壓裝置1+能量抑制裝置2+能量泄放裝置3

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          3.1消弧線圈

          消弧線圈作為一種保護措施,主要是針對系統對地雜散電容電流較大,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相差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,而間歇性弧光接地故障常常是高頻振蕩過電壓,消弧線圈無能為力。

          另外,消弧線圈對其他原因引起的電網電壓突變沒有保護作用。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等。按照過電壓持續時間劃分,有瞬時性的脈沖過電壓,短時間過電壓,長時間過電壓等。

          所以,安裝消弧線圈不能夠替代電網過電壓的整體防護設置,但可以減少系統弧光接地發生的幾率,可以作為一種整個防護體系的0級保護,在消弧線圈以外,系統的整體過電壓保護體系如前所述按照三級保護設置,消弧線圈作為零級保護設置,共同形成四級的防護體系。

          3.2工作原理

          消弧線圈是預調式,沒有延時,系統如果發生間歇性弧光接地過電壓,消弧線圈快速進行系統雜散電容電流的補償,如果補償殘流小于一定值時,弧光消除,則過電壓控制過程結束。針對消弧線圈補償過程中的過電壓,或者其他原因引起的系統過電壓,對系統過電壓的控制按照前述1到3級的動作原理,對系統實施保護。

          特別說明的是,1級保護限壓裝置是利用非線性電阻的物理特性,與系統的接地方式沒有關系,是針對任何原因引起的達到一定值的過電壓。而2級保護能量抑制裝置、3級保護單相接地裝置的動作與消弧線圈在時間上形成配合,消弧線圈的動作是瞬時的,單相接地裝置的動作一般延時5秒,如果消弧線圈達到補償效果,弧光過電壓消除,則3級保護單相接地裝置不會動作,否則,在延時5秒后,單項接地裝置動作將發生間歇性弧光接地的故障相直接金屬接地,強制性消除弧光。在延時5秒的過程中,系統過電壓的抑制由能量抑制裝置承擔,那么,能量抑制裝置的設計承受能量必須超過5秒。也即在整個過電壓發生到消除的過程中,保證系統過電壓不能超過用配電設備的絕緣耐受能力。

          4、中性點經小電阻接地系統

          針對工礦企業3~35kV中壓供電系統,如果采用小電阻接地的供電方式,考慮小電阻接地的工作特性,可以形成三級保護的整體防護體系,如圖3所示,落實到產品設置,包括以下設置:限壓裝置1+能量抑制裝置2+中性點接地電阻3

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          4.1中性點接地電阻柜

          中性點小電阻接地裝置主要針對單相接地故障,包括金屬接地、間歇性弧光接地。中性點通過小電阻接地,主要目的是針對持續時間較長的單相接地故障通過故障線路的跳閘實現供電系統的保護,并不是針對所有的系統電壓突變。

          無論是什么原因導致的系統過電壓,對系統的破壞都是電壓突變的幅值和波頭陡度,以及過電壓持續的時間,也就是電壓突變的能量。所以,小電阻接地系統是整體保護系統的一個環節,不能代替整體保護體系。

          4.2工作原理

          針對中性點小電阻接地系統,整體電壓保護方案采用KYG-I型PT綜合控制柜。

          KYG-I型PT綜合控制柜由PT裝置、電網異常監測裝置、限壓裝置、能量抑制裝置共同構成,安裝在母線上、替換常規的PT柜。KYG-I型PT綜合控制柜不設置泄放單元,其保護功能由中性點小電阻接地柜承擔。其它功能與上述相同。

          中性點采用小電阻接地的供電方式,整體保護體系的基本原理如下:

          電網異常監測儀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。

          如果系統發生非接地原因導致的短時間過電壓,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投入運行,進一步限制過電壓,并吸收電壓突變的能量。

          如果系統發生接地故障,包括金屬接地和間歇性弧光接地,由中性點接地電阻柜與故障線路形成大電流實現故障切除保護。而在故障切除之前與故障切除過程中形成的過電壓,由上述的兩級保護承擔,這樣可以確保整個過程中用電設備的安全。

          5、結語

          1)工礦企業3~35kV供電系統,如果只是針對某一種故障原因孤立地選擇過電壓保護的產品,在實際運行中往往達不到預期效果,甚至保護裝置自身形成一個新的故障點。

          2)根據供電方式的不同,應該制定一個電網電壓的整體控制方案,按照該方案配置系統過電壓的保護產品。

          3)過電壓的限制應該根據過電壓能量的大小,形成一個多級的保護層,各保護層的參數相互配合。

          4)多級保護方案中個保護層之間的參數配合保證供電系統的過電壓不會超過用配電設備的絕緣承受能力,保障供電系統安全有效的運行。

          參考文獻

          1. 劉跟平,郭思君: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,李敬兆: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. 李錦鵬,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


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