6kV供電系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓問題的防治手段分析

沈煤集團供電部 王 建

6kV供電系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓問題的防治手段分析

沈煤集團供電部 王 建

文中針對因電感負荷產(chǎn)生的操作過電壓和單相接地產(chǎn)生的接地過電壓，采取在電壓互感器上加裝一、二次消諧裝置，在6kV母線上加裝智能型接地補償裝置，在電動機和變壓器側(cè)加裝過電壓保護器的措施，是較好的消除過電壓對供電系統(tǒng)威脅的有效方法。

6kV 供電系統(tǒng) 過電壓

一、過電壓分析

在中性點不接地運行方式的6kV供電系統(tǒng)中，內(nèi)部過電壓是普遍關(guān)心的問題。由于真空斷路器的廣泛采用，以及電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電壓互感器柜的增多，電纜的使用越來越多，使因開斷空載變壓器及高壓電動機等電感負荷產(chǎn)生的操作過電壓和單相接地時電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過電壓越來越嚴重，成為電網(wǎng)及設(shè)備安全運行的主要威脅。

1. 弧光接地過電壓

采用中性點不接地運行方式的6kV供電系統(tǒng)中，當發(fā)生單相接地故障時，由于故障點電弧不能自動熄弧，從而發(fā)生電弧周期性的熄滅與重燃，出現(xiàn)間歇電弧，引起電網(wǎng)產(chǎn)生高頻振蕩，形成過電壓。而且過電壓持續(xù)的時間可以達到數(shù)十分鐘或更長，波及范圍廣，對電氣設(shè)備危害嚴重。另外，由于電網(wǎng)中存在大量星形接線的電壓互感器，其一次繞組直接接地，成為電網(wǎng)對地電容電流、高次諧波電流的充放電途徑。當線路接地時，電壓互感器的鐵心線圈相當于與非故障線路對接電容并聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，由于相對地電壓升高，有可能使得電壓互感器的鐵心出現(xiàn)飽和或接近飽和，阻抗變小，電路中出現(xiàn)容抗和阻抗相等的情況，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，此時互感器一次側(cè)的電流最大，這樣有可能使電壓互感器的高壓側(cè)熔斷件熔斷，或者燒壞電壓互感器，以及電纜和避雷器爆炸等事故。以鐵磁諧振過電壓為例說明這種過電壓的產(chǎn)生。

電壓互感器為星形接線，這種接線與電力線路對地的分布電容CO構(gòu)成的諧振回路完全符合LC并聯(lián)電路條件。因為在正常情況下，電網(wǎng)的三相對稱運行，電壓互感器的中性點的位移電壓為零；而當電網(wǎng)發(fā)生沖擊時，原本穩(wěn)定的運行狀態(tài)被打破，這時可能使電網(wǎng)一相或二相的電壓升高，從而導致電壓互感器的中性點產(chǎn)生位移電壓。這時互感器鐵心的激磁電流將迅速增大并使之飽和，從而引起電流電壓波形畸變，產(chǎn)生諧波。當線路較長時CO很大，或互感器的電感很大時，會使諧振回路的自振頻率很低，這種情況下產(chǎn)生的諧振過電壓多屬于分次諧波諧振過電壓。

運行實踐證明，鐵磁諧振過電壓對電力設(shè)備的危害并不僅僅局限于互感器本身，它除了波及到相鄰的開關(guān)柜之外，更多的事故則是發(fā)生在備用的或處于斷開狀態(tài)的高壓開關(guān)設(shè)備上。因為諧振發(fā)生時具有電壓幅值高、變化速度快且極易在斷口處出現(xiàn)反擊等特點。這種反擊電壓往往會超出額定電壓很多倍，這么高的沖擊電壓，大大超過了高壓開關(guān)設(shè)備的實際承受能力，特別是那些具有某些缺陷或絕緣環(huán)節(jié)不夠完善的高壓開關(guān)就會發(fā)生爆炸事故。這就是引起電氣設(shè)備爆炸事故的主要原因。

2. 電感負荷產(chǎn)生的操作過電壓

由于真空斷路器分斷速度快、滅弧能力強，在開斷電感負荷時有可能不是在電流經(jīng)過工頻零點時熄弧，而是在電流瞬時值為i時，被迫在極短的時間內(nèi)下降到零，從而產(chǎn)生截流過電壓和三相同時截流過電壓，另外開斷后還會產(chǎn)生高頻振蕩，使斷路器發(fā)生多次重燃過電壓，主要表現(xiàn)為相間過電壓，幅值最高可以達到3.5倍正常運行電壓的相電壓的峰值，而相對地過電壓數(shù)值僅為相間過電壓的1/2左右。

二、過電壓防范措施

1. 加裝二次微機消諧器和一次消諧裝置

微機消諧裝置將微機技術(shù)用于電網(wǎng)消諧，利用計算機快速、準確的數(shù)據(jù)處理能力，通過對PT開口三角電壓的采集，對電網(wǎng)諧振時的各種頻率實現(xiàn)快速傅里葉成份分析，準確地辨別出：單相接地、過渡過程和電網(wǎng)諧振。如果是諧振，計算機發(fā)出指令使消諧電路投入，實現(xiàn)快速消諧。微電腦諧振消除裝置的核心部件是單片微機，即中央處理器。由中央處理器來控制并聯(lián)在電壓互感器二次側(cè)開口三角繞組上的可控硅的運行狀態(tài)。

正常運行情況下，電壓互感器開口三角繞組的零序電壓為零，或接近于零，這時可控硅處于阻斷狀態(tài)，對于電力系統(tǒng)不會造成任何影響。但是當該電壓不為零時說明電網(wǎng)發(fā)生了故障或處于不對稱運行狀態(tài)，這時中央處理器則會根據(jù)它采集到的零序電壓的大小和頻率的高低，進行計算分析和判斷。如果是單相接地故障，那么消諧裝置便會給出接地故障報警并顯示；如果是系統(tǒng)諧振的話，則裝置在發(fā)出聲光信號的同時，啟動執(zhí)行元件可控硅，使之瞬間短路進行強阻尼，而諧振便會在這一強烈的阻尼下迅速消失。在6 kV電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)中，母線上電壓互感器星形接線的PT一次繞組將成為該電網(wǎng)對地唯一金屬性通道。單相接地或消失時，電網(wǎng)對地電容通過PT一次繞組有一個充放電的過渡過程。安裝了一、二次消諧裝置可有效地解決以下4個問題：消除或阻尼PT非線性勵磁特性而引起的鐵磁諧振過電壓，這種諧振過電壓會導致系統(tǒng)相電壓不穩(wěn)定；能有效地抑制間隙性弧光接地時流過PT繞組的過電流，防止PT的燒毀；限制系統(tǒng)單相接地消失時在PT一次繞組回路中產(chǎn)生的涌流，這種涌流會損壞PT或使PT熔絲熔斷；當系統(tǒng)發(fā)生單相接地后可較長時間保護PT免受損壞。

2. 加裝智能型接地補償裝置

在中性點不接地的6 kV母線上加裝了智能型接地補償裝置，這種方法是利用微機技術(shù)，自動控制電動式消弧線圈，當電網(wǎng)對地電容發(fā)生變化時，自動調(diào)節(jié)消弧線圈的分頭，使之處于最佳值，當電網(wǎng)發(fā)生單項接地時，流過消弧電抗器的電流與對地電容電流相互抵消，使故障點的殘流限制在安全值以下，電弧熄滅。

3. 加裝過電壓保護器

對容量較大主變壓器側(cè)和高壓電動機側(cè)加裝四星形接法的過電壓保護器。這種接線方式可將相間過電壓大大降低，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)測量與常規(guī)避雷器相比，相間過電壓下降了60%～70%，可靠地保護了設(shè)備。

三、結(jié)語

在中性點不接地6 kV供電系統(tǒng)中，內(nèi)部過電壓問題是工廠普遍關(guān)心的問題。其中因開斷空載變壓器及高壓電動機等電感負荷產(chǎn)生的操作過電壓和單相接地時電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過電壓越來越嚴重，這兩種過電壓是6kV供電系統(tǒng)電氣設(shè)備的主要威脅。

[1]DL/T 620—1997.交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S]

[2]劉志清.電網(wǎng)諧振過電壓的防治[J].農(nóng)村電氣化，2005(5)

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