3～66 kV电力系统过电压保护整体设置方案探讨

刘跟平，郭思君

3～66 kV电力系统过电压保护整体设置方案探讨

刘跟平1，郭思君2

（长春黄金设计院，吉林长春130012；2.芜湖科越电气有限公司，安徽芜湖241000）

中压供电系统由于过电压导致的企业停产、设备烧损事故多有发生，给企业带来直接、间接的经济损失，而国内延续多年的针对性单一保护产品无法防范各种过电压给供电系统带来的损害。通过对系统过电压的分析，提出一种整体保护理论，一种系统性的保护方案，从根本上改变现有的过电压保护方案设置，探讨从根本上解决现有保护方案的不足，以期提高供电网络保护的全面性、可靠性以及设备自身的安全性。

过电压；氧化锌；能量抑制；消弧

1 引言

我国3～66 kV中压电网中以6 kV、10 kV、35 kV三个电压等级应用较为普遍，其中中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流系统占绝大多数，小部分采用了中性点经小电阻接地或直接接地的大电流系统。近年来，随着供电网络的发展，真空断路器的大量使用，采用电缆线路的用户日益增加，电弧炉、变频器、高压可控硅等电力设备的使用也日趋增多，导致电网电压的波动十分频繁，因为供电网络电压波动而引起系统故障的现象越来越频繁，造成输变电设备的损坏、影响企业的生产，给企业带来直接或间接的经济损失，特别是工矿企业大多采用电缆供电，使得系统单相接地电容电流大大增加，系统由于发生单相间歇性弧光接地而造成用电设备损坏的事故多有发生。

导致这种问题的发生，主要在于供电网络电压突变的防范措施不当，或者为了节省很小的投资而忽略了保护设置，特别是整体电压突变的保护设置。

因此，研究中压供电系统过电压的产生，以及整体的防护方案设置，就显得尤为重要。

2 系统过电压及采用的保护方案分析

2.1 传统的控制方案

为了解决电网发展过程中产生的过电压危害问题，针对电网过电压的保护控制设备也在随之发展。（1）传统的避雷器仅仅能够防止雷击产生的相对地过电压，无法解决系统相间过电压的问题。（2）近年来国内开发生产的组合式过电压保护器能够同时限制相对地、相间过电压，但吸收能量十分有限，过电压承受能力只有几个毫秒，所以，只能够对瞬时性过电压吸收限制，对于谐振、单相接地等产生的长时间过电压无法承受，甚至导致保护器的爆炸。（3）中性点经消弧线圈接地的保护方式主要是针对系统对地电容电流较大，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，而间歇性弧光接地常常是高频振荡过电压，对此消弧线圈无能为力，所以，消弧线圈能够可靠消除弧光接地是一种误区，消弧线圈的补偿式保护方案仅仅能够减少弧光接地发生的几率，无法杜绝间歇性弧光接地的发生。（4）采用中性点经小电阻接地方式，其主要原理是利用发生单相接地时人为地增加故障点的接地电流，利用零序过电流保护使断路器瞬间切断故障线路。这种原理美国应用较多，国内厂家很少采用。其原因主要在于使得供电连续性大大下降，因为供电系统一旦发生接地故障，无论是金属接地还是弧光接地，小电流接地系统都会作用于跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。

为了提高对电网电压保护的可靠性，特别是为了解决系统单相接地产生弧光过电压的问题，2000年以后，国内提出了单相接地消弧理论和电压突变能量抑制理论，目前应用较广，针对这两种保护理论，单独分析如下。

2.2 消弧柜

消弧柜的原理是在2000年前后提出的，基本原理如图1所示，是将发生弧光接地的故障相直接金属接地，这种保护方案原理简单，一次系统原理可靠。技术的关键在于二次控制部分的可靠性和准确性。

图1 消弧柜基本原理图

目前国内厂家生产的消弧柜绝大多数采用这种理论。

通过市场运行检验，最大的问题在于误动频繁，主要原因在于：

（1）单相接地消弧的原理，要求装置动作迅速，那么就需要控制器快速作出判断，判断时间越短，准确性越差，误动的可能性越大。

（2）单相接地消弧没有考虑弧光接地持续的时间，对于持续时间不长，能够自恢复的偶发性过电压故障，甚至是电压波动，消弧柜都会动作，事后用户又无法确定故障原因，也是一种误动。

（3）抗扰度能力差，造成对故障的误判。

（4）为了快速动作，采用自制的永磁接触器，该类型接触器本身就容易误动。

（5）由于消弧装置动作频繁，导致系统缺相运行，将事故扩大化。这种故障在近几年的运行中经常发生，给用户造成许多麻烦，并使自身形成了一个故障隐患。

2.3 抑制柜

这类产品的基本原理如图2所示，是利用高能氧化锌非线性电阻对系统产生的过电压产生的能量进行限制吸收。

图2 抑制柜基本原理图

目前国内厂家的聚优柜、抑制柜、专家柜等全部是采用这种理论。

（1）主要优点：

这种保护方案采用纯物理特性的高能氧化锌材料对供电网络的电压突变进行吸收抑制，不会造成系统的单相接地，动作时间迅速，不会造成误动、拒动，可靠性高。

（2）该理论存在的问题：

能量抑制的理论根本点是必须有一个装置能够将系统电压突变的能量消耗掉，也就是必须考虑氧化锌非线性电阻的能量与电压突变的能量相配合，按照10 kV系统、30 A电容电流、带故障运行2 h计算，需要480路高能氧化锌电阻并联运行。成本超过100万；480路动作一致，工艺上很复杂。

所以，采用这种理论高能氧化锌阀片的设计承受能力、也就是承受时间不能太长，所以，能量抑制的理论只适合抑制短时间过电压，对于长时间的弧光接地故障等电压突变无法保护，一旦发生，该装置会击穿。

2.4 总体分析

目前中压电力系统采用的保护方案是“头疼医头、脚疼医脚”，针对某一种故障原因采用单一的防护措施。避雷器是为了防止雷电侵入波过电压，组合式过电压保护器是为了防止相间过电压和雷电侵入波过电压，二者设计的宗旨都只是为了防止瞬时性过电压。为了防止弧光接地，安装消弧线圈或消弧柜。但是，忽略了整个中压供电系统是一个等电位，各种过电压保护装置如果没有参数的配合，保护的设置也不能形成一个整体的防护体系，其结果是导致有些保护设备形同虚设，甚至有些保护设备自身反而形成一个故障点，给用户增添了麻烦。比如消弧柜，如果没有前一级的保护配合，一般采用快动的方案，那么，一旦电压变化，即使是瞬时性的，消弧装置就会动作接地，事后技术人员又无法确定故障原因，也就是所谓的假误动。而单独的抑制柜或者聚优柜如果没有前一级和后一级的配合，就很容易发生冲击损害或者能量超标而击穿。有些用户系统消弧柜一年动作多达数十次，最后只能退出不用，而抑制柜则多有击穿烧损事故，都是因为保护方案没有形成一个整体。

供电网络的电压控制与电流保护不同，电流保护一般以支路为单位进行实施，以综合保护配合断路器即可实现，而电压保护在整个10 kV供电系统是一个等电位，处理起来相对困难，一旦发生故障往往会“火烧连营”，所以对系统电压的控制尤其显得重要。

3 整体保护方案探讨

电压保护的目的：保护用电设备、保障供电的连续性；导致破坏的原因：电压突变造成的能量冲击。从这个角度考虑，供电系统电压控制的根本就是限制电压突变的峰值，抑制电压突变的能量。所以，针对一般企业的供电系统，建议以下两种保护方案：

（1）三级保护方案

限压装置+能量抑制装置+能量泄放单元，基本原理如图3所示。

限压装置：包括每个开关柜内的避雷器或过电压保护器，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必须一致，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。但其承受的能量很小。

能量抑制单元：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避雷器或过电压保护器的承受能量，就会导致避雷器或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。能量抑制单元的作用是在避雷器或过电压保护器能量承受不住时，用来吸收系统电压突变的能量，主要针对短时间过电压。

能量泄放单元：当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。主要针对长时间过电压。

PT、限压装置、能量抑制装置、能量泄放单元共同构成PT综合控制装置，安装在母线上、替换常规的PT柜。基本原理如图3中的4所示。

（2）四级保护方案

消弧线圈补偿+限压装置+能量抑制装置+单相接地消弧

消弧线圈是通过电感电流补偿电容电流的原理来消除弧光接地，工频电流可以通过补偿解决，高频震荡就无法补偿。所以，消弧线圈能够减少系统发生弧光接地的几率，但不能杜绝，所以，四级保护方案的优点是通过消弧线圈可以减少系统弧光接地的发生，一旦消弧线圈没有达到效果，再通过其他三级保护来处理。

整个方案设置的目的是处理系统的电压突变，尽量使故障消于无形，不要造成电气技术人员的忙乱、增加其工作量。

所以增加消弧线圈可以加强这个目的，但缺点是成本会增加较多，需要用户决策。

（3）基本工作原理

如图3所示，通过补偿单元3对系统存在的对地杂散电容进行补偿，减少系统发生间歇性弧光接地的几率，避免系统产生长时间的弧光过电压；通过补偿单元3中的消谐装置消除系统可能产生的谐振过电压，在此基础上，对于系统产生的过电压分别采用限压、吸收、泄放三级保护，利用限压单元1对系统产生的过电压进行限制，保证电网电压不超过用电设备的绝缘承受能力，由于其吸收能量有限，在系统中承受过电压的时间设置在20 ms以内，限压单元1主要针对用电设备进行保护，可以限制吸收瞬时性过电压如雷电过电压、操作过电压等。当系统过电压能量超出限压单元1的设计承受能力时，吸收单元2起动对过电压能量进行再吸收，同时保证系统电压不超过安全值。由于系统能量为被保护的电网输送能量，与时间成比例关系，所以，能量吸收单元2的承受时间不是无穷的，可以根据该电网产生过电压的状况以及系统保护需要进行设置，综合衡量工艺要求、成本等因素，能量吸收单元2的设计承受时间不宜超过10 min。通过限压单元1、吸收单元2的两级限制与吸收，能够保证电网电压在规定的范围以内，同时可以消除98%的过电压故障。为了实现对电网电压的极端保护，设置有能量泄放单元，当电网在补偿工况下，还是发生了长时间过电压，通过限压单元1、吸收单元2的作用，过电压仍然存在，则通过本发明技术方案中的泄放单元4将过电压的能量直接对地泄放，保证电网电压不对系统的用电设备、输变电设备造成危害。

4 结语

（1）工矿企业的中压供电系统过电压防护应该作为一个整体进行保护，应该考虑保护的全面性、设备的可靠性、保护体系的安全性三个方面。

（2）孤立地选择一个产品而不考虑整体配合，无法形成一个完整的保护体系，忽略了保护的全面性，可靠性、安全性也会大打折扣。

（3）整体防护体系的各个保护层之间应该就过电压的动作参数、能量承受等方面进行配合。

[1]张作琴.电力系统弧光接地保护的研究[J].电力科学与工程，2002（4）.

[2]郭思君.3～66 kV电力系统过电压保护器的应用与发展[J].高电压技术，2004（8）.

[3]李学斌.化工企业供电系统的过电压及其防范措施[J].化工安全与环境，2003（26）.

[4]许颖.对消弧线圈消除弧光接地的疑义[J].电力设备，2001（4）.

A Discussion on the Overall Setup of Over-voltage Protection of 3～66 kV Power System

LIU Genping1，GUO Sijun2
(1.Changchun Gold Designing Institute,Changchun,Jilin 130012;2.Wuhu Keyue Electric Co.,Ltd.,Wuhu, Anhui 241000,China)

Due to over voltage,medium voltage power supply systems caused equipment burnouts and shutdowns in enterprises time and again,resulting in direct and indirect economic losses,while the specific single protection product domestically used for years could not prevent various damages to power supply system by over voltage.Through analysis of over voltage in power supply system,we put forward an overall protection theory or a systematic protection program,which fundamentally changes the existing over-voltage protection setup. Complete solution of the shortcomings of existing protection system was discussed,to improve the comprehensiveness,reliability and equipment safety of power supply system protection.

over-voltage;zinc oxide;energy suppression;arc extinction

TM86

B

1006-6764(2015)09-0003-03

2015－06－09

刘跟平（1982－），男，硕士研究生学历，电气工程师，现从事冶金企业电气设计研究工作。