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中压电网不同接地方式下过电压保护方案的探讨

发布时间:2021-07-19   

1、引言我国3~35kV中压供电网络中以6kV、10kV、35kV三个电压等级应用较为普遍,目前采用的供电方式主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经小电阻接地三种方式。这三种接地方式针对系统过电压的防护比...

  1、引言

  我国3~35kV中压供电网络中以6kV、10kV、35kV三个电压等级应用较为普遍,目前采用的供电方式主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经小电阻接地三种方式。这三种接地方式针对系统过电压的防护比较通用的方式是开关柜出线侧安装避雷器,在母线上设置电压互感器及避雷器柜。这种传统的保护方式是在以架空线路为主,少油开关作为开断装置的小供电系统的技术背景下产生的,九十年代中后期开始,随着中国经济的快速发展,企业供电网络不断扩大,供电方式也发生根本性的变化,企业电网多以电缆输电,开断装置以真空断路器为主,而现代化企业对供电质量的要求也在不断提高,在此背景下,仅仅安装避雷器的过电压保护方式显然不能满足现代化企业对供电质量的要求。

  在此背景下,九十年代后期开始,国内过电压保护产品也在不断地发展与提高,陆续出现了组合式过电压保护器、消弧柜、抑制柜等产品,但是,在使用的过程中,效果并不明显,甚至形成新的故障点,究其原因,主要在于上述产品在设计以及选用时都是“头疼医头、脚痛医脚”,针对某一种故障原因,孤立地选用产品,没有形成整体的参数配合,也没有考虑技术方案的适用性,导致产品无法达到设计效果,甚至产品自身引起供电系统大的故障,给企业生产带来直接或间接的经济损失。

  中压供电系统的过电压保护不同于电流保护,其电压通常是等电位,所以,过电压保护的设置不仅仅要考虑纵向的配合,还需要考虑横向的参数配合,必须针对企业中压供电网络制定一个整体的保护方案,在整体保护方案的基础上,选用合适的产品,通过参数的配合形成一个完整的防护体系。本文针对企业供电系统常用的三种接地方式,提出相应的整体保护方案,并对其技术原理进行分析探讨,以期找到一种有效的防范措施,全面提高企业的供电质量。

  2、中性点不接地系统

  针对工矿企业3~35kV中性点不接地供电系统,以及供电、用电的特性,结合国内现有技术水平,可以形成一个三级保护的整体防护体系,如图1所示,落实到产品设置,包括以下设置:

  限压装置1+能量抑制装置2+单项接地装置3

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  2.1限压装置:

  避雷器的设计目的是为了防止雷电产生的相对地过电压,现在的企业供电网络主要以电缆输电为主,操作开关以真空断路器为主,这种供电工况下,系统过电压的主要威胁来自于内部过电压,包括操作过电压、谐振过电压、间歇性弧光接地过电压、单相金属接地等等,表现形式既有相对地过电压,更多的是相间过电压,采用避雷器已经无法满足要求。所以,九十年代中后期,工矿企业开始大量采用组合式过电压保护器,组合式过电压保护器采用六通道设置,对相地、相间具有同等的保护作用,实现了全面性的保护,使供用电设备的安全性大大提高;保护器的2ms方波通流量远远大于避雷器,由150A提高到最大800A,也使得过电压保护器的自身安全性大大提高。

  组合式过电压保护器包括无间隙组合式过电压保护器和串联间隙组合式过电压保护器,由于串联间隙的分散度大、以及间隙放电冲击的影响,串联间隙组合式过电压保护器事故率太高,不建议采用。

  所以,该方案中的限压装置由开关柜内的无间隙组合式过电压保护器和PT柜内的限压装置共同构成。包括每个开关柜内设置组合式过电压保护器,另外在PT综控柜内再设置专门的限压装置。每个保护单元的动作参数配合一致,主要作用是限制断路器关合过程中断路器出线侧产生的操作过电压,和系统外部(雷电侵入波)、内部(操作、谐振、接地等)产生的瞬时性过电压。限压装置抗冲击能力较强、可以缓和过电压波头的的陡度,限制过电压的峰值,作为电压突变的第1级保护。

  2.2能量抑制装置

  电压突变导致的破坏大小决定于电压突变的能量大小,所以要充分考虑各种过电压可能造成的过电压能量,限压装置主要是针对瞬时性过电压而设置的,电压突变的能量一旦超出过电压保护器的设计承受能量,就会导致过电压保护器的击穿、形成热积累、进而热崩溃,就是通常所说的爆炸。能量抑制装置的作用是在过电压保护器能量承受不住时,用来吸收系统电压突变产生的能量,主要针对短时间过电压。能量抑制装置是整个过电压防护体系的第2级防护。

  2.3单相接地装置

  如果供电系统发生长时间间歇性弧光接地故障,产生长时间间歇性弧光接地过电压,而电压突变的能量通过限压装置、能量抑制装置的控制还无法消除时,则通过泄放单元实现电压突变能量的对地泄放。主要针对长时间的间歇性弧光接地过电压,可以作为供电系统过电压防护的第3级保护。

  2.4多级保护的工作原理

  传统的PT柜只是对电网电压进行测量并提供100V电压供仪表或计量使用,众所周知,电网质量的控制应包括测量、分析、处理三个层面,所以,该方案将每段母线的PT柜升级为PT综合控制柜。

  PT综合控制柜由PT装置、电网异常监测装置KYZK、限压装置KYX、能量抑制装置KYD、单相接地装置共同构成,安装在母线上、替换常规的PT柜。

  设置电压互感器:包含传统PT柜的功能,主要是测量显示功能。设置电网异常监测仪:实时监测供电网络各个参数的变化,对电网发生的异常变化进行分析,判断供电网络发生异常的原因,并进行针对性的处理。

  对于供电系统产生的过电压,不论什么原因引起的,过电压保护器和PT综控柜内的限压装置在故障发生的瞬时,过电压达到动作值时,高压氧化锌非线性电阻导通,缓和过电压波头陡度,限制过电压峰值。如果过电压是瞬时性的,其他保护单元不需要投入,过电压防护过程结束。

  如果系统发生短时间过电压,电压突变的能量超出过电压保护器和限压装置的能量承受能力,母线PT综控柜内的能量抑制装置投入运行,高能氧化锌非线性电阻导通,进一步限制过电压,并吸收电压突变产生的能量。

  一般情况下,上述的二级防范措施就可以保证系统的电压突变不会超过用电设备的绝缘承受能力。如果要确保系统的安全运行,在系统发生长时间间歇性弧光接地,通过限压、能量抑制两级防护,间歇性弧光接地过电压依然存在,PT综控柜内的接地单元将发生间歇性弧光接地的故障相直接金属接地,强制消弧,系统在保证用配电设备安全的前提下带故障运行。

  整个过程,系统应该是安全的,电气人员根据故障属性以及生产的需要,安排停电维修。

  3、中性点经消弧线圈接地系统

  针对工矿企业3~35kV中性点经消弧线圈接地的供电系统,以及消弧线圈的特性、消弧线圈与其他保护单元的配合能力,可以形成一个四级保护的整体防护体系,如图2所示,落实到产品设置,包括以下设置:

  消弧线圈接地补偿装置0+限压装置1+能量抑制装置2+能量泄放装置3

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  3.1消弧线圈

  消弧线圈作为一种保护措施,主要是针对系统对地杂散电容电流较大,可能导致间歇性弧光接地过电压的问题,主要原理是利用电感电流与电容电流在相位上相差180°的原理对系统的电容电流进行补偿,但这种补偿只是针对工频过电压,而间歇性弧光接地故障常常是高频振荡过电压,消弧线圈无能为力。

  另外,消弧线圈对其他原因引起的电网电压突变没有保护作用。电气设备在运行中承受的过电压有来自外部的雷电过电压和由于系统参数发生变化时电磁能产生振荡,积聚而引起的内部过电压两种类型。按其产生的原因雷电过电压又分为直击雷过电压、感应雷过电压及雷电侵入波过电压;内部过电压主要分为暂时过电压及操作过电压。在操作过电压中又分为操作电容负荷过电压、操作电感负荷过电压以及间歇性电弧接地过电压等。按照过电压持续时间划分,有瞬时性的脉冲过电压,短时间过电压,长时间过电压等。

  所以,安装消弧线圈不能够替代电网过电压的整体防护设置,但可以减少系统弧光接地发生的几率,可以作为一种整个防护体系的0级保护,在消弧线圈以外,系统的整体过电压保护体系如前所述按照三级保护设置,消弧线圈作为零级保护设置,共同形成四级的防护体系。

  3.2工作原理

  消弧线圈是预调式,没有延时,系统如果发生间歇性弧光接地过电压,消弧线圈快速进行系统杂散电容电流的补偿,如果补偿残流小于一定值时,弧光消除,则过电压控制过程结束。针对消弧线圈补偿过程中的过电压,或者其他原因引起的系统过电压,对系统过电压的控制按照前述1到3级的动作原理,对系统实施保护。

  特别说明的是,1级保护限压装置是利用非线性电阻的物理特性,与系统的接地方式没有关系,是针对任何原因引起的达到一定值的过电压。而2级保护能量抑制装置、3级保护单相接地装置的动作与消弧线圈在时间上形成配合,消弧线圈的动作是瞬时的,单相接地装置的动作一般延时5秒,如果消弧线圈达到补偿效果,弧光过电压消除,则3级保护单相接地装置不会动作,否则,在延时5秒后,单项接地装置动作将发生间歇性弧光接地的故障相直接金属接地,强制性消除弧光。在延时5秒的过程中,系统过电压的抑制由能量抑制装置承担,那么,能量抑制装置的设计承受能量必须超过5秒。也即在整个过电压发生到消除的过程中,保证系统过电压不能超过用配电设备的绝缘耐受能力。

  4、中性点经小电阻接地系统

  针对工矿企业3~35kV中压供电系统,如果采用小电阻接地的供电方式,考虑小电阻接地的工作特性,可以形成三级保护的整体防护体系,如图3所示,落实到产品设置,包括以下设置:限压装置1+能量抑制装置2+中性点接地电阻3

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  4.1中性点接地电阻柜

  中性点小电阻接地装置主要针对单相接地故障,包括金属接地、间歇性弧光接地。中性点通过小电阻接地,主要目的是针对持续时间较长的单相接地故障通过故障线路的跳闸实现供电系统的保护,并不是针对所有的系统电压突变。

  无论是什么原因导致的系统过电压,对系统的破坏都是电压突变的幅值和波头陡度,以及过电压持续的时间,也就是电压突变的能量。所以,小电阻接地系统是整体保护系统的一个环节,不能代替整体保护体系。

  4.2工作原理

  针对中性点小电阻接地系统,整体电压保护方案采用KYG-I型PT综合控制柜。

  KYG-I型PT综合控制柜由PT装置、电网异常监测装置、限压装置、能量抑制装置共同构成,安装在母线上、替换常规的PT柜。KYG-I型PT综合控制柜不设置泄放单元,其保护功能由中性点小电阻接地柜承担。其它功能与上述相同。

  中性点采用小电阻接地的供电方式,整体保护体系的基本原理如下:

  电网异常监测仪实时监测供电网络各个参数的变化,对电网发生的异常变化进行分析,判断供电网络发生异常的原因,并进行针对性的处理。

  对于供电系统产生的过电压,不论什么原因引起的,过电压保护器和PT综控柜内的限压装置在故障发生的瞬时,过电压达到动作值时,氧化锌非线性电阻导通,缓和过电压波头陡度,限制过电压峰值。如果过电压是瞬时性的,其他保护单元不需要投入,过电压防护过程结束。

  如果系统发生非接地原因导致的短时间过电压,电压突变的能量超出过电压保护器和限压装置的能量承受能力,PT综控柜内的能量抑制装置投入运行,进一步限制过电压,并吸收电压突变的能量。

  如果系统发生接地故障,包括金属接地和间歇性弧光接地,由中性点接地电阻柜与故障线路形成大电流实现故障切除保护。而在故障切除之前与故障切除过程中形成的过电压,由上述的两级保护承担,这样可以确保整个过程中用电设备的安全。

  5、结语

  1)工矿企业3~35kV供电系统,如果只是针对某一种故障原因孤立地选择过电压保护的产品,在实际运行中往往达不到预期效果,甚至保护装置自身形成一个新的故障点。

  2)根据供电方式的不同,应该制定一个电网电压的整体控制方案,按照该方案配置系统过电压的保护产品。

  3)过电压的限制应该根据过电压能量的大小,形成一个多级的保护层,各保护层的参数相互配合。

  4)多级保护方案中个保护层之间的参数配合保证供电系统的过电压不会超过用配电设备的绝缘承受能力,保障供电系统安全有效的运行。

  参考文献

  1. 刘跟平,郭思君:3~66kV电力系统过电压保护整体设置方案的探讨,冶金动力,2015年第9期

  2. 张作琴,李敬兆:电力系统弧光接地保护的研究,电力科学与工程,2002年第4期

  3. 李锦鹏,郭思君:3~66kV电力系统过电压保护器的应用与发展,高电压技术,2004年第8期


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