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3~35KV中低壓電網過電壓探討與防治措施

發布日期:2016-04-07 14:27 瀏覽次數:
關鍵詞:雷電過電壓、操作過電壓、鐵磁諧振過電壓、弧光接地過電壓
 3~35KV電力供電系統上,過電壓現象十分普遍。如果沒有防范措施,隨時都可能發生,也隨時都可以發現。過電壓將對電氣或電子裝置,其中的電路,元器件,造成直接破壞,這種破壞,依據其嚴重程度,大體可分為以下四種情況: 、偈乖O備、裝置短時間工作錯亂; 、谠斐蓾摴收,即使得電路和器件的性能下降,壽命縮短,提前失效;
    ③造成電路或器件的永久性損壞; 、軐е缕鸹,觸電等安全事故。
 異常過電壓可能是外來的,也可能是設備,裝置內部自生的。外侵過電壓的侵入途徑,可以通過導線、電路傳導進入,也可以通過靜電感應,電磁感應侵入。過電壓的出現可能是有規律的周期性的,但更多則是隨機的。因此在大多數情況下,很難準確的把握它。異常過電壓,依據其成因的不同,可以分為雷電過電壓、操作過電壓、鐵磁諧振過電壓及弧光接地過電壓。
 
雷電及操作過電壓
一、雷電過電壓形成及分類
 雷電過電壓,是由于電力系統的設備或建(構)筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應而引起的過電壓,因其能量來自系統外部,故又稱為外部過電壓。 
 雷電過電壓有兩種基本形式:直擊雷過電壓和感應雷過電壓。 
1.直擊雷過電壓 
 直擊雷(direct lightning)過電壓是指雷云直接對電氣設備或建筑物放電而引起的過電壓。強大的雷電流通過這些物體導入大地,從而產生破壞性極大的熱效應和機械效應,造成設備損壞,建筑物破壞。 
                
 圖1.1 直擊雷的放電                                            圖1.2 雷電流波形
 
 2.感應雷過電壓 
 所謂感應雷過電壓,是指當架空線附近出現對地雷擊時,在輸電線路上感應的雷電過電壓。感應雷過電壓的形成過程可以用圖9.1.3來表示,在雷云放電的起始階段,雷云及其雷電先導通道中的電荷所形成的電場對線路發生靜電感應,逐漸在線路上感應出大量異號的束縛電荷Q。由于線路導線和大地之間有對地電容C存在,從而在線路上建立一個雷電感應電壓U=Q/C。當雷云對地放電后,線路上的束縛電荷被釋放而形成自由電荷,向線路兩端沖擊流動。這就是感應雷過電壓沖擊波。
 
 
 
圖1.3感應雷過電壓的形成過程
 高壓線路上的感應過電壓,可高達幾十萬伏,低壓線路上的感應過電壓,也可達幾萬伏。如果這個雷電沖擊波沿著架空線路侵入變電站或廠房內部,對電氣設備的危害很大。
二、操作過電壓的產生及分類
 操作過電壓操作過電壓是指電路中的斷路器、隔離開關、繼電器、可控硅開關等通斷轉接時,在系統電路中、電路對地以及開關兩端所產生的過電壓。產生操作過電壓的原因是由于線路及其中的元器件都帶有電感和電容,儲存在電感中磁能和儲存在電容中的靜電場能量,在電路狀態突變時產生能量轉換,過度的振蕩過程,由振蕩而出現過電壓。操作過電壓的持續時間比雷擊過電壓長,比暫態過電壓短,在數百微妙到100mS之間,并且衰減很快。
 常見的真空斷路器操作過電壓又可以分為截流過電壓、多次重燃過電壓、三相開斷過電壓。
 1. 截流過電壓。由于真空斷路器有良好的滅弧性能,當開斷小電流時,電弧在過零前就會熄滅,由于電流被突然切斷,其滯留于電機等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電,轉變為電場能量。對于電機和變壓器,特別是空載或容量較小時,則相當于一個大的電感,且回路電容量較小,因此會產生高的過電壓,特別是開斷空載變壓器時更危險。從理論上講可以產生很高的過電壓,但由于觸頭和回路中有一定的電阻產生損耗以及發生擊穿,對過電壓值有相當的抑制作用,但這種抑制作用是有限的,不能消除在切斷小電流時出現的過電壓。因此特別對感應負載在采用真空斷路器作為操作元件時,應加裝過電壓保護設備。
 2.多次重燃過電壓。多次重燃過電壓是由于弧隙發生多次重燃,電源多次向電機電容進行充電而產生的。在真空斷路器切斷電流的過程中,觸頭的一側為工頻電源,另一側為LC回路充放電的振蕩電源,如果觸頭間的開距不夠大,兩個電壓疊加后就會使弧隙之間發生擊穿,斷路器的恢復電壓就會升高。如果觸頭開距不夠大,就會發生第二次重燃,再滅弧、再重燃以致發生多次重燃現象,多次的充放電振蕩,觸頭間的恢復電壓逐級升高,負載端的電壓也不斷升高,致使產生多次重燃過電壓,損壞電氣設備。 
 3.三相開斷過電壓。三相開斷過電壓是由于斷路器首先開斷相弧隙產生重燃時,流過該相弧隙的高頻電流引起其余兩相弧隙中的工頻電流迅速過零,致使未開斷相隨之被切斷,在其他兩相弧隙中產生類似較大水平的截流現象,從而產生更高的操作過電壓,所產生的過電壓是加在相與相之間的絕緣上。在開斷中小容量電機或輕負載情況下容易出現三相開斷過電壓。 
三、雷電及操作過電壓防治
 以上可以看出,雷電過電壓和操作過電壓產生是隨機的而且每次過電壓的波形(頻率、幅值)都有所不同。目前國內采取的措施有:
 1 、裝設金屬氧化物避雷器(MOA), 此保護器保護值高,對限制雷電壓有保護作用,但對電動機這樣絕緣弱的設備起不到保護作用。
 2、裝設三相組合式過電壓保護器,此保護器主要材料也是氧化鋅,其保護設定值較低不僅可以保護相對地過電壓還可保護相間過電壓。但氧化鋅響應速度慢,對高幅值,高陡度的過電壓限制效果不理想。
 3、阻容吸收裝置(RC) 響應速度快,能夠緩和過電壓波形的陡度,對設備匝間絕緣有好處,缺點是沒有固定的殘壓值及吸收過電壓能量太小。
 通過實踐我們認為,復合式過電壓保護器是將阻容吸收器和避雷器有機的結合在一起,具有了阻容吸收器和避雷器的雙重功能:阻容吸收有效地降低了振蕩頻率和過電壓波頭的上升陡度,保護了設備的匝間絕緣,解決了MOA對高頻過電壓信號響應速度較慢而起不到保護作用的問題,電阻的接入有效阻尼和衰減了過電壓振蕩;金屬氧化物避雷器則發揮通流量大的優點,解決了阻容吸收器不能隨較大能量的沖擊而損壞的缺陷。
 
鐵磁諧振過電壓
 一、鐵磁諧振過電壓產生條件、特點和危害
電力系統中許多元件是屬于電感性的或電容性的,如電力變壓器、互感器、發電機、消弧線圈為電感元件,補償用的并或串聯電容器組、高壓設備的寄生電容為電容元件,而線路各導線地和導線間既存在縱向電感又存在橫向電容,這些元件組成復雜的LC震蕩回路,在一定的能源作用下,特定參數配合的回路就會出現諧振現象.
 下列幾種激發條件可以造成鐵磁諧振;
 a.電壓互感器的突然投入;
 b.線路發生單相接地;
 c.系統運行方式的突然改變或電氣設備的投切;
 d.系統負荷發生較大的波動;
 e.電網頻率的波動;
 f.負荷的不平衡變化等。
 在我國6~35KV配電網內,發生電壓互感器引起的諧振過電壓情況甚為頻繁,但在某些切換操作如斷路器合閘或接地故障消失后,由于三相互感器在擾動后電感飽和程度不一樣而形成對地電阻不平衡,它與線路對地電容形成諧振回路,可能激發起鐵磁諧振過電壓。電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁最常見和造成事故最多的一種內部過電壓。在實際運行設備中,由于中性點不接地電網中設備絕緣低,單相接地故障相對頻繁,一般說來,單相接地故障是鐵磁諧振最常見的一種激發方式。
 二、解決措施
 在電力系統中,由于電壓互感器的非線性電感與線路對地電容的匹配而引起鐵磁諧振過電壓,直接威脅電力系統的運行,嚴重時會引起電壓互感器(PT)的爆炸,造成事故。電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去,如果抑制或消耗這部分能量,鐵磁諧振就可以抑制或消除。通常解決的辦法是在開口三角繞組中并一個電阻,從理論上講對頻率越低的鐵磁諧振應取的阻值越小,但太小的電阻并在PT開口三角上會影響其正常運行,嚴重時會造成PT燒毀。因為鐵磁諧振的頻率往往不是單一的,所以這種方法就難于消除所有的諧振。在實際設計中,我們采用下列方法來解決:
 1〉.采用激磁特性好的PT,并使PT組中3臺PT激磁特性相近,限制同一系統中PT并聯臺數,或選用容性PT(如在220 kV及以上系統中用電容式電壓互感器)。
 2〉.消耗諧振能量,阻尼抑制或消除諧振發生。在多臺并聯運行PT中性點加裝阻尼電阻R0,只要滿足R0≥6%XL即可消除諧振LXQ(D3)-10型消諧電阻器阻值大于6%壓變額定勵磁電抗,爬電距離滿足適用場合電壓等級要求,能夠有效限制、消除一般諧振能量。
 3〉.在以上基礎上,還應在PT開口三角側加裝用于限制高次諧波諧振裝置的微機消諧器,能夠連續、有效消除諧振過電壓。
 
弧光接地過電壓的限制措施
    一、弧光接地過電壓的產生及危害
  中心點非直接接地系統發生單相間歇性弧光接的(以下簡稱“弧光接地” )原因主要有:a、隨著我國電網的發展具有固體絕緣的電纜線路逐漸取代架空線路,由于固體絕緣擊穿的累積效應,局部放電會造成絕緣的累積性損傷。b、真空斷路器的大量采用使操作過電壓的概率大大提高,且得不到有效限制使絕緣壽命降低。按照國標GS311.1的規定,220KV以下的系統以雷電過電壓作為防護重點,對于3~35KV的中壓系統中大多場合還在采用傳統避雷器來限制過電壓。避雷器接在相對地的,且放電電壓為相電壓的4倍以上,對相間操作過電壓起不到限制作用。在操作過電壓長期持續作用下,固體絕緣設備的運行壽命降低,容易形成絕緣的薄弱環節。
   弧光接地故障發生時,由于不穩定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃,在非故障相的電感—電容回路上引起高頻振蕩過電壓,過電壓幅值一般可達3.1~3.5倍相電壓,以電纜線路為主的供電電網,絕緣擊穿或電弧重燃時過渡過程中的高頻電流可達數百甚至上千安培。電纜線路弧光接地時非故障相的過電壓可達4~70倍。其在電力系統危害主要表現在:
 1>、在高幅值的弧光接地過電壓持續作用下,加劇了電纜等固體絕緣的累積損傷,在非故障相的絕緣的薄弱環容易造成對地擊穿進而發展成為相間短路。
 2>、普通的電壓互感器飽和點一般為1.6 ~1.8倍,在弧光接地過電壓作用下,使電壓互感器嚴重飽和,激磁電流劇烈增加。電壓互感器飽和也很容易激發鐵磁諧振,導致電壓互感器燒毀或高壓保險熔斷。
 3>、弧光接地過電壓的能量由電源提供,持續時間較長,能量很大,當過電壓能量超過避雷器所能承受的400A2mS的能量時,就會造成避雷器的爆炸事故。
    二、消弧線圈的使用
消弧線圈對架空線路的供電可靠性起了很大作用。
 在3~35KV中性點非直接接地系統中發生單相接地時,三相電壓是對稱的,仍然可以繼續供電,由于消弧線圈的電感電流補償了電容電流,使得故障點的電弧能夠自行熄滅,一旦電弧自行熄滅后,架空線路的絕緣又可以完全恢復。
消弧線圈對以電纜為主的供電電網已不能發揮積極作用。
正因為消弧線圈對架空線路的積極作用,幾十年來人們誤認為消弧線圈能夠限制弧光接地過電壓,其實不然,消弧線圈不僅不能抑制弧光接地過電壓,有時反而加大了過電壓的幅值。 隨著我國城網改造的進行,架空線路逐步被電纜線路取代,中壓電網固體絕緣的設備逐年增多,以及現有電纜線路隨著運行時間的加長絕緣逐漸老化,近幾年來弧光接地過電壓的問題越來越突出,以至于電纜放炮等絕緣事故成為影響企業內部電網和供電電網安全運行的主要因素,從弧光接地過電壓產生的過程來看,與系統對地電容電流的大小并無關系。電纜線路發生單相電弧接地時,電弧電流以高頻電流為主,而消弧線圈只能補償工頻電流的90~95%,對于高頻電流根本起不到補償作用,消弧線圈無法減輕電纜線路中高頻電流對故障點的破壞。大量的事故表明,電纜線路發生單相接地警報之后,少則幾秒鐘多則幾分鐘最多十幾分鐘就發展成為相間短路事故。
消弧線圈在實際運行中還存如下弊端:
正常時消弧線圈的電感和電容運行在串聯諧振點附近,會使電網中性點不平衡電壓放大,產生虛幻接地或串聯諧振過電壓。
消弧線圈的補償作用,使故障點的電流減小,相位發生變化,選線的靈敏度降低甚至無法選線。
在某些情況下不能有效地消除弧光接地過電壓。
      三、新型消弧裝置的使用
    為能有效抑制弧光接地過電壓,防止電纜事故的發生,避免企業因被迫停電帶來的經濟損失,經過到用戶和相關廠家的實地認真考察比較,我們設計中經常微機型消弧裝置,當發生單相弧光接地時該裝置能快動作速轉化為金屬性接地,能達到如下效果:
 
 1)盡快熄滅電弧,防止故障進一步發展;
 2)盡快將過電壓限制在安全水平,避免固體絕緣累積性破壞;
 3)允許用戶在完成轉移負荷的倒閘操作之后再處理故障線路,避免被迫停電。
    新型消弧裝置應用于中性點非直接接系統中,發生單相弧光接地時裝置動作,快速轉化為金屬性接地,具有如下功能:
由于故障相直接與地網連接,對地電壓等于零,工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅。
金屬性接地后,非故障相上的過電壓立即穩定在線電壓,系統中的設備可以在這個電壓下安全運行。
由于電弧被熄滅,過電壓被限制在安全水平,故障不會再繼續發展,為用戶倒閘操作贏得了時間,可以避免造成被迫停電。
由于弧光接地的持續時間大大縮短,過電壓的能量降低到過電壓保護器允許的400A 2ms能量指標以內,避免了避雷器、過電壓保護器的爆炸事故。
由于母線過電壓被限制在較低水平,可避免激發鐵磁諧振過電壓。
 消弧裝置中的電壓互感器可以向計量儀表和繼電保護提供電壓信號,可取代常規PT柜,并配置RS485接口,可按照用戶提供的通訊規約進行數據遠傳。若有特殊要求也可以設置后臺控制終端。
 實踐運行經驗和試驗證明,盡管企業供電電網總降上加裝了自動跟蹤消弧線圈來限制弧光接地過電壓,但系統弧光接地過電壓仍時有發生,對企業電網安全運行產生危害,而通過在電網6KV、10KV母線上架裝微機型消弧裝置后,系統發生單相接地時新型消弧裝置能準確動作,電氣設備特別是電纜絕緣不會由于持續過電壓造成絕緣累積損傷,導致的相間短路事故的發生。
 
小結    由以上我們可以看出,每種過電壓產生的機理不同,有著不同的特點,應采用不同防范措施,才能保證企業電網的安全運行。
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