简易过电压保护装置的研制及应用

李宏力 周贵发

(贵州电网公司都匀供电局，贵州 都匀 558000）

0 前言

从2003年起，当大量交流电弧炉涌入贵州电网后，由于这些交流电弧炉负荷没有按照国家标准加装相应的滤波设备和配置相应的无功补偿装置，导致电弧炉工作时产生的大量超标谐波注入电网，对电网造成严重污染，经常引发过电压（该过电压可能是相对地的，也可能是相间的），导致电网发生短路或设备损坏事故。而现有的避雷器类似性质的过电压保护性能较差，不能满足现场实际需要。

督促谐波源用户加装滤波装置是一种最有效的解决方案，但是在实际工作中，由于加装滤波装置需要上百万元的投资，因此，出于经济利益考虑，用户会使出各种手段来拒绝安装滤波装置。

本文针对上述存在的问题进行研究，并提出具有完全自主知识产权的简易过电压保护装置，在用户没有安装滤波装置时保护电网中运行的贵重设备。

1 某220kV变电站谐波源现状

该站只有1台主变压器，220kV侧为进线侧，110kV和35kV侧为出线侧。35kV侧除了用于无功补偿的电力电容器组外，只有1条电弧炉负荷。2013年07月26日21时46分发生了谐波谐振，导致35kV母线三相短路故障。

经过现场调查，发现用户侧存在如下问题：

（1）没有找到完整的设计图纸。电气主接线图与实际不符、电容器安装图为通用图，与实际不符等；

（2）现场实际接线不规范：

图1 厂家侧实际接线示意图

图2 正规的接线示意图

（3）用户电弧炉容量为12800kW。故障时该公司正在加负荷，负荷变化如图3所示。

图3 故障时负荷变化曲线

从图中可以看出，有功最大值Pmax=17.065MW，远远超过其标称功率12.8MW（12800kW），而且负荷变化很大。

（4）35kV电容器组接线不符合设计规范。

未按照设计规范加装串联电抗器。其容量标称为7200kVar，但实际只有1800kVar，与供用电合同中签订的实际容量完全不符。

（5）无谐波治理装置。

用户未按照承诺书的内容加装谐波治理装置。

2 解决问题的技术方案研究

2.1 采用现有的成熟技术控制谐波

现有的成熟技术是在谐波源处，按照就近的原则加装相应的滤波装置，将负荷工作时产生的各次谐波就地消耗掉，从而保证注入电网的谐波分量在 《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）的范围内。

但根据现场调查和实际情况表明：用户出于经济利益考虑，会使出各种手段来拒绝安装滤波装置。因此该技术无法在现场得到应用。

2.2 简易过电压保护装置研究

2.2.1 结构设计

由于在谐波源负荷侧没有采取有效措施，所以超标的谐波会沿着高压线路入侵变电站。因此将这些谐波产生的谐振过电压限制在一定范围内，就可以确保变电站内贵重设备不受到损坏。基于这个思想，研究出一种简易过电压保护装置，它能将电弧炉工作时产生的过电压水平限制在设定的安全范围之内，确保电网设备的安全运行。其结构示意图如下：

图4 主视图

图5 府视图

该装置是这样实现的：简易过电压保护装置，包括空气间隙S1、保护间隙S2、热镀锌圆钢、支柱绝缘子、热镀锌槽钢及相间放电间隙S3。其特征在于：在热镀锌槽钢上面装设支柱绝缘子，支柱绝缘子上装设空气间隙S1和保护间隙S2，空气隙间S1的一端由热镀锌扁钢制作而成，直接与高压系统连接；另一端设有保护间隙S2，其末端通过热镀锌圆钢与热镀锌槽钢连接，热镀锌槽钢通过热镀锌扁钢与变电站的接地网连接。

空气间隙S1为水平布置，其形状为角形，由热镀锌槽钢制作而成。空气间隙S1的距离应满足《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）相应的规定。

保护间隙S2为水平布置，其形状可以为角形或棒形，由热镀锌槽钢制作而成。保护间隙S2的距离应满足《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）相应的规定。

相间放电间隙S3为水平布置，其形状为棒形，由热镀锌槽钢制作而成，包括AC、AB和BC相之间共3个。相间放电间隙S3的距离应根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的规定进行校核。

简易过电压保护装置用于三相（A、B、C相）交流系统，为三相结构，每相有2只完全相同的支柱绝缘子。

该装置可以安装在变电站出线谐波源线路的首端（或末端），空气隙间S1的一端直接与高压系统的三相（A、B、C相）连接即可。

2.2.2 参数设计

以35kV电压等级的简易过电压保护装置为例，可以按照如下步骤进行：

第1步：需要确定本发明接入系统的电压等级。其支柱绝缘子的额定电压应与电弧炉电源侧的电压相同。本例中，电弧炉电源侧的电压为35kV，则本发明的支柱绝缘子应选择35kV户外形（如安装在户内时则选择35kV户内形）。

第2步：按照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中表5和表6设置对地放电的保护间隙和辅助间隙。查表得S1=210mm，S2=20mm。

为防止雨水或冰雪造成保护间隙和辅助间隙短路，可将保护间隙和辅助间隙设置为水平方式布置。

第3步：绝缘配合计算。

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中10.1.10条的规定，其对地计算用最大操作过电压水平为：3.2×35/1.732≈65kV

由于对地间隙的数值在标准已经给出，因此不需要进一步进行核验。其相间操作过电压水平为：（1.3-1.4）×65≈85kV（取1.3倍相对地电压进行计算）

由于相间放电间隙的数值无标准，因此需要进一步进行核验。根据试验结果，85kV电压下的放电间隙距离为：200mm（相对温度90%），为保险起见，取250mm（相对温度90%，击穿电压为96kV）。

第4步：将本发明府视图中的A、B、C点分别与三相电力系统的A、B、C三相可靠连接（安装于电弧炉用户靠电网侧的适当位置）。

2.2.3 保护原理

当电弧炉工作并产生过电压（相间或对地）向电网侧传递，并且该过电压水平超过第3步设定的数值时，间隙被击穿，将过电压产生的能量泄放，使过电压无法传递到电网侧，从而达到保护电网设备的目的。

3 采用新技术后注意事项

当相间过电压导致相间放电隙间S3被击穿时 （此时为相间短路），由安装于电网侧的高压断路器跳闸切除该负荷；当相对地过电压动作导致空气间隙S1被击穿时，保护间隙S2同时必然被击穿，过电压产生的能量通过空气间隙S1和保护间隙S2流入大地得以泄放（不中断对电弧炉用户的供电），当过电压结束后电弧自动熄灭，系统恢复正常运行。

在运行中应该注意的问题是：

（1）装置接地应良好，不得大于4Ω，建议在1Ω以下。

（2）装置在运行中，巡视人员距离装置接地处保持安全距离（室内大于4米，室外大于8米）。

（3）装置相间保护动作，电源侧断路器跳闸后，应检查装置正确后方可送电；装置正常运行时，应退出自动重合闸。

4 结语

通过具有完全自主知识产权的创新技术应用，简易过电压保护装置能够有效降低谐波谐振引起的过电压对电网设备的损坏，保证电网安全稳定运行。

[1]DL620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].