師萍，張靜波

(1.蘭州石化公司儀表廠，甘肅 蘭州 730060;2.蘭州石化公司電儀事業(yè)部，甘肅 蘭州730060)

1 前言

隨著城網(wǎng)改造的進(jìn)行，架空線路逐步被電纜線路取代，中等電壓等級(jí)的電網(wǎng)中固體絕緣的設(shè)備逐年增多，以及現(xiàn)有電纜線路隨著運(yùn)行時(shí)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(yè)內(nèi)部電網(wǎng)和供電電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素。因此對(duì)于如何正確認(rèn)識(shí)電網(wǎng)的過電壓現(xiàn)狀，對(duì)過電壓采取何種有效的防范措施，以確保電網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行就顯得尤為重要和急迫。

弧光接地過電壓又稱間歇性弧光接地電壓。當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性弧光接地(以下簡稱“弧光接地”)故障時(shí)，不穩(wěn)定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會(huì)引起高頻振蕩過電壓，非故障相的過電壓幅值一般可達(dá)3.15～3.5倍相電壓。這種過電壓是由于系統(tǒng)對(duì)地電容上電荷多次不斷的積累和重新再分配形成的，是斷續(xù)的瞬間發(fā)生的且幅值較高的過電壓，對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備危害極大。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時(shí)，在3.5倍過電壓的持續(xù)作用下，造成電氣設(shè)備絕緣的積累損傷，當(dāng)過電壓超過避雷器所能隨的400A 2ms能量時(shí)，就會(huì)造成避雷器的爆炸事故。

我國3-35(66)kV電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)，多為中性點(diǎn)非直接接地。該系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于故障電流較小，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)程，允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行兩小時(shí)?？墒?，如果單相接地故障為弧光接地，則其過電壓的最高值可達(dá)3.5倍正常運(yùn)行相電壓的峰值，此過電壓長時(shí)間作用于系統(tǒng)，將造成電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的積累性損傷，對(duì)健全相的外絕緣薄弱點(diǎn)造成對(duì)地?fù)舸┻M(jìn)而引發(fā)相間短路故障。國內(nèi)普遍采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償式消弧線圈接地方式來解決這類電網(wǎng)弧光接地產(chǎn)生過電壓的問題。但是，由于弧光接地點(diǎn)的隨機(jī)性，采用消弧線圈要對(duì)電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償效果并不理想，用正弦波的電感電流去抵消非正弦波的電弧電流時(shí)，高頻分量部分依舊無法抵消。

在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，非故障相產(chǎn)生倍的過電壓，系統(tǒng)中的設(shè)備可以在這個(gè)電壓安全運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生間歇性弧光接地時(shí)，非故障相上將產(chǎn)生3.15～3.5倍的過電壓，若接地電流在高頻過零點(diǎn)熄弧或在電壓接近最大值時(shí)發(fā)生擊穿，這一過電壓將會(huì)更高。間歇性弧光接地引起的過電壓，才是設(shè)備絕緣的主要威脅之一。隨著電網(wǎng)的擴(kuò)大，系統(tǒng)對(duì)地電容不斷增加，故障點(diǎn)的電弧已不能自行熄滅，消弧線圈補(bǔ)償對(duì)于目前以電纜線路為主的供電網(wǎng)絡(luò)已不能繼續(xù)發(fā)揮作用，而小電阻接地方式難免會(huì)犧牲對(duì)用戶供電的可靠性。多年以來人們一直為尋求適合我國國情的能有效抑制弧光接地過電壓的措施，以便提高中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)的供電可靠性。我們換一種方式思考，如果將弧光接地迅速轉(zhuǎn)化為金屬性接地，并將非直接接地電網(wǎng)相對(duì)地及相與相之間的過電壓(無論何種類型的過電壓)限制到略大于正常運(yùn)行線電壓的水平，使這種類型的過電壓限制到盡可能低的水平，徹底解決了各種過電壓對(duì)設(shè)備及運(yùn)行安全的威脅，提高這類電網(wǎng)供電的可靠性。

2 弧光接地過電壓限制措施的思想

為了能有效抑制或進(jìn)而消除6kV中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電氣設(shè)備帶來的危害，解決消弧線圈在正常運(yùn)行中帶來的問題，在6kV母線上加裝消弧及過電壓裝置(以下簡稱XHG裝置)，將原來的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)改進(jìn)完善為中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，非故障健全相上的過電壓只有倍的相電壓而且非常穩(wěn)定，不會(huì)造成設(shè)備絕緣的積累性損傷，如果將弧光接地迅速轉(zhuǎn)化為金屬性接地，就可以將弧光接地過電壓的能量降低到過電壓保護(hù)器(TBP)允許的400A 2ms能量指標(biāo)以內(nèi)，從而保證供電系統(tǒng)還可以安全運(yùn)行2h。該裝置采用非補(bǔ)償方式，利用配套的微機(jī)小電流接地選線裝置，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過故障點(diǎn)電容電流是系統(tǒng)對(duì)地最大的電流，采用最大增量法的算法，可提高小電流接地選線裝置的靈敏性、可靠性及選線準(zhǔn)確性。

3 XHG裝置的原理及元器件構(gòu)成

裝置原理圖如圖1所示。

圖1 XHG裝置基本原理圖

XHG裝置主要由三相組合式過電保護(hù)器TBP，可分相控制的高壓真空接觸器JZ，微機(jī)控制器ZK，高壓限流熔斷器組件FUR及帶有輔助二次繞組的電壓互感器PT等組成，一旦系統(tǒng)發(fā)生單相間隙性弧光接地過電壓微機(jī)控制器ZK立即判別故障類型與相別并向故障相的真空接觸器JZ發(fā)出動(dòng)作指令，真空接觸器JZ在30ms內(nèi)完成合閘動(dòng)作，間隙性弧光接地隨之被轉(zhuǎn)化為金屬性接地，迫使故障點(diǎn)的電壓為零，流經(jīng)故障點(diǎn)的電容電流轉(zhuǎn)移到消弧裝置的接地點(diǎn)，使故障點(diǎn)的電容電流為零，當(dāng)然電弧自燃就會(huì)熄滅，從而消除間歇性弧光接地故障。使健全相電壓穩(wěn)定限制在倍相電壓范圍內(nèi)，符合小電流系統(tǒng)單相接地故障運(yùn)行2h以上的電力運(yùn)行要求。保證了弧光接地過電壓消失，真空接觸器動(dòng)作之前的過電壓由三相組合式過電壓保護(hù)器TBP限制在較低的數(shù)值，由于時(shí)間短，能量不超過TBP允許的400A 2ms的能量指標(biāo)，仍可保證TBP的安全。

3.2 綜合控制器ZK的控制過程

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，電壓互感器PT的二次輔助繞組信號(hào)將由低電平變成高電平，ZK檢測到變化的高電平信號(hào)后啟動(dòng)中斷，ZK對(duì)三相信號(hào)經(jīng)過計(jì)算處理，判斷接地相別及接地屬性，ZK根據(jù)接地屬性做出處理:

(1)當(dāng)接地故障是穩(wěn)定的金屬性直接接地，ZK僅發(fā)出故障相別的指示信號(hào)。ZK與微機(jī)選線保護(hù)聯(lián)絡(luò)，由微機(jī)選線保護(hù)處理解決。

(2)當(dāng)接地故障是不穩(wěn)定的間隙性弧光接地，先判定接地的相別，同時(shí)發(fā)出指令使JZ中對(duì)應(yīng)的一相接地。使系統(tǒng)由不穩(wěn)定的、過電壓很高的弧光接地轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的金屬性直接接地，故障相的對(duì)地電壓降為零，原來接地故障點(diǎn)的弧光消失，其他兩相的對(duì)地電壓升高至線電壓。這種狀態(tài)是現(xiàn)行運(yùn)行規(guī)程所允許的。

(3)JZ第一次閉合5s后自動(dòng)分閘，若JZ斷開后再無弧光接地故障現(xiàn)象，說明這一接地故障是暫時(shí)的，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，ZK退回原始狀態(tài)。若JZ斷開后再次出現(xiàn)弧光接地故障，則ZK認(rèn)定這一故障為永久性的弧光接地，此時(shí)再次指令相應(yīng)的JZ閉合，ZK將按照預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出警告信號(hào)，告知值班人員故障發(fā)生的相別。ZK與微機(jī)選線保護(hù)聯(lián)絡(luò)，選線保護(hù)進(jìn)行處理。在JZ斷開接地點(diǎn)的過程中出現(xiàn)暫時(shí)的過電壓，由TBP進(jìn)行限制。

(4)JZ第二次(連續(xù)的同一相)閉合接地后不再分開，只有故障線路自動(dòng)或者由人工切除后，由中控室或當(dāng)?shù)亟oZK發(fā)送復(fù)位指令，ZK受到復(fù)位指令后，讓JZ斷開，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

該裝置還加裝了高壓限流熔斷器，以防止誤操作或接地后其他相的異地接地引起的二相異地對(duì)地短路事故。

4 XHG裝置一次設(shè)備的選擇

4.1 系統(tǒng)參數(shù)及短路電流計(jì)算

110kV橡膠變電站一次系統(tǒng)接線如圖2所示。消弧及過電壓保護(hù)裝置安裝在廠6kV系統(tǒng)的I～I(xiàn)V段，每段一臺(tái)，正常情況下，每臺(tái)主變下方投運(yùn)一臺(tái)消弧裝置。

圖2 110kV橡膠變電站一次系統(tǒng)圖

(1)系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)額定電壓:Ue=6.3kV;系統(tǒng)阻抗:大方式:0.08466

基準(zhǔn)容量:S1=100MVA

根據(jù)我公司的系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)可得知，1#、2#主變的電抗標(biāo)幺值歸算到基準(zhǔn)值為:

1#、4#電抗標(biāo)幺值歸算到基準(zhǔn)值為:

(2)短路電流計(jì)算

若在下圖d1與d2點(diǎn)發(fā)生短路時(shí):在d1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí):

在d2點(diǎn)(消弧裝置安裝處)發(fā)生短路時(shí)(串入電抗器計(jì)算):

圖3

在消弧裝置安裝處發(fā)生短路時(shí)，由于距離很近，按照串入電抗器時(shí)的三相短路電流(d2點(diǎn)短路電流)來選擇設(shè)備。根據(jù)實(shí)際測量，橡膠廠110變6kV供電系統(tǒng)電容電流為65.4A，考慮到橡膠廠后續(xù)的改擴(kuò)建可能產(chǎn)生的系統(tǒng)擴(kuò)容，選擇裝置電流le=110A為宜。

5 應(yīng)用效果

XHG裝置2004年12月安裝完成并在110kV橡膠變電站投入運(yùn)行，截止目前供電系統(tǒng)共發(fā)生了8次單相接地故障，消弧裝置準(zhǔn)確動(dòng)作了4次，并準(zhǔn)確地判斷出接地相別和接地故障類型。有效地杜絕了弧光過電壓對(duì)設(shè)備的損壞，沒有因?yàn)檫^電壓造成電纜絕緣擊穿而引起的供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)，提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期的目的，驗(yàn)證了采用該項(xiàng)新技術(shù)的可行性。

6 結(jié)論

本文根據(jù)對(duì)6kV系統(tǒng)中限制弧光接地過電壓措施在實(shí)際運(yùn)行存在中的問題的分析，得到了以下下結(jié)論:

(1)消弧線圈并不能抑制弧光過電壓，有時(shí)反而可能過電壓的幅值。發(fā)生短路故障時(shí)，消弧線圈只降低了故障點(diǎn)的電容電流，這一電流在過零點(diǎn)熄弧，電容上的電荷發(fā)生積累和再分配，因此并不能抑制弧光接地過電壓。

(2)消弧及過電壓裝置將線路中的弧光接地轉(zhuǎn)化為金屬性接地，能夠有效地消除弧光產(chǎn)生的過電壓。裝置內(nèi)的過電壓保護(hù)器能夠把母線中的操作過電壓限制在較低的水平，從而有效地保護(hù)設(shè)備的絕緣，保證供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］何仰贊.電力系統(tǒng)分析［J］.華中科技大學(xué)出版社.

［2］許穎.對(duì)消弧線圈“消除弧光接地過電壓”的異議［J］.電力設(shè)備.

［3］XHG消弧及過電壓保護(hù)裝置說明書［Z］.安徽凱立科技股份有限公司.

［4］國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)規(guī)定匯編［M］.2版.中國電力出版，2000.

［5］李佑光，林東.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理及新技術(shù)［M］.科學(xué)出版社，2003.

［6］支元彥.限制弧光接地過電壓及提高小電流接地選線率的新技術(shù)［J］.電氣開關(guān).