礦山供電網(wǎng)絡(luò)操作過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及抑制措施

王紅帆,孫耀明

(銅陵有色金屬集團(tuán)公司安慶銅礦, 安徽銅陵市 246131)

礦山供電網(wǎng)絡(luò)操作過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及抑制措施

王紅帆,孫耀明

(銅陵有色金屬集團(tuán)公司安慶銅礦, 安徽銅陵市 246131)

分析了礦山供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生操作過(guò)電壓的原因,探討了抑制過(guò)電壓的技術(shù)措施,介紹了安慶銅礦解決操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}所采用的技術(shù)方法和實(shí)際應(yīng)用效果。

供電網(wǎng)絡(luò);操作過(guò)電壓;抑制措施

0 前 言

在供電網(wǎng)絡(luò)中,由于各種原因,如雷擊、操作不當(dāng)或參數(shù)不匹配等,都有可能造成供電網(wǎng)絡(luò)中某些部分的電壓突然升高,甚至大大超過(guò)正常值,造成供電設(shè)備損壞。

安慶銅礦為銅陵有色集團(tuán)公司屬下的一個(gè)大型礦山,年處理礦石115萬(wàn)t,其供電方式采用110kV雙回路供電。在投產(chǎn)初期,經(jīng)常出現(xiàn)在投入和切除空載時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓現(xiàn)象,其中最為嚴(yán)重的一次是投運(yùn)主變壓器時(shí)產(chǎn)生線路過(guò)電壓,導(dǎo)致一路高壓電纜過(guò)電壓擊穿,一臺(tái)高壓柜燒壞。由于供電不正常,生產(chǎn)處于半停產(chǎn)狀態(tài)。本次事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失十幾萬(wàn)元,間接經(jīng)濟(jì)損失上百萬(wàn)元。

通過(guò)專家會(huì)診分析,確認(rèn)造成故障的主要原因不是容量不足或變壓器問(wèn)題,而是“操作過(guò)電壓”。在分合閘過(guò)程中,供電網(wǎng)絡(luò)非常容易產(chǎn)生操作過(guò)電壓,對(duì)于絕緣性能不好的電器設(shè)備極易產(chǎn)生擊穿、燒毀現(xiàn)象。

為配合供電網(wǎng)絡(luò)的改造,有效防止此類事故的再次發(fā)生,本文對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)操作過(guò)電壓發(fā)生的物理過(guò)程、抑制措施、應(yīng)對(duì)辦法等進(jìn)行了初步的分析與探討。

1 操作過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及應(yīng)對(duì)措施

操作過(guò)電壓是電力系統(tǒng)中由于開(kāi)關(guān)操作或事故狀態(tài)而引起的瞬間過(guò)電壓。在開(kāi)關(guān)操作或事故過(guò)程中,系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變(操作前后)將引起系統(tǒng)中電容和電感的電磁場(chǎng)能量相互轉(zhuǎn)換,在這一過(guò)程中,電網(wǎng)局部線路可能產(chǎn)生短時(shí)間高電壓。常見(jiàn)的操作過(guò)電壓主要在切除空載線路時(shí)和空載線路合閘時(shí)產(chǎn)生。

1.1 切除空載線路引起的過(guò)電壓

切除空載線路是電網(wǎng)中最常見(jiàn)的操作過(guò)程之一。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明開(kāi)關(guān)滅弧能力愈差,開(kāi)關(guān)中電弧重燃的概率愈大,過(guò)電壓可能性愈高,事故也就愈大,所以重燃是產(chǎn)生過(guò)電壓的根本原因。據(jù)有關(guān)資料介紹,切除空載線路過(guò)電壓,不僅幅值高,而且線路側(cè)持續(xù)時(shí)間可達(dá)0.5～1個(gè)工頻周期以上(即0.01 s以上)[1]。

1.1.1 產(chǎn)生過(guò)電壓的物理過(guò)程[1]

空載線路用等值T形電路代替,如圖1所示,簡(jiǎn)化后的等值計(jì)算電路如圖2所示。

圖1 等值電路

圖2 簡(jiǎn)化后的等值計(jì)算電路

LT為線路電感,CT為線路對(duì)地電容,L為發(fā)電機(jī)、變壓器的漏感之和,e(t)為電源電勢(shì),LS=L+1/2LT,UAB為觸頭A、B間的恢復(fù)電壓。在等值計(jì)算電路中:e(t)=EMcosωt,則電流·cos(ωt+90°),Xc和Xs分別為電容和電感的容抗和感抗。

忽略線路電容效應(yīng)的影響,在開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)之前認(rèn)為線路電壓u(t)(即電容CT上的電壓)等于電源電壓,設(shè)開(kāi)關(guān)在t1時(shí)刻動(dòng)作(見(jiàn)圖3),電容CT上的電壓為-EM,此瞬間流過(guò)開(kāi)關(guān)的工頻電流恰好為零,開(kāi)關(guān)中發(fā)生第1次斷弧,實(shí)際上開(kāi)關(guān)在此之前的工頻半周以內(nèi)的任何一個(gè)時(shí)刻動(dòng)作,只要不發(fā)生切斷電流現(xiàn)象,開(kāi)關(guān)中電弧總要到t1時(shí)刻才會(huì)熄滅,開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后線路電容CT上的電荷將保持下來(lái),使線路保持這個(gè)殘余電壓-EM,但開(kāi)關(guān)電源側(cè)觸頭上(A)點(diǎn)的電壓仍按電源余弦電勢(shì)變化(圖中虛線所示),于是開(kāi)關(guān)觸頭上出現(xiàn)愈來(lái)愈高的恢復(fù)電壓UAB(圖中陰影部分),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:UAB=e(t)-(-EM)=EM(1+cosωt)。

圖3 電壓波形

如果開(kāi)關(guān)觸頭間去游離能力很強(qiáng),電弧從此熄滅,線路被斷開(kāi),無(wú)論為在線側(cè)或線路側(cè)都不會(huì)產(chǎn)生任何過(guò)電壓,但若開(kāi)關(guān)性能不良,而觸頭上的恢復(fù)電壓UAB經(jīng)0.01s后可達(dá)2EM,在這段時(shí)間內(nèi)就有可能發(fā)生重燃。

為研究最危險(xiǎn)的過(guò)電壓情況,假定重燃發(fā)生在UAB最大時(shí)刻t2,如圖4所示,此時(shí)UAB=2EM,e(t2)=EM,在電弧重燃瞬時(shí),電源電壓EM加在電感LS和具有初始值-EM的電容CT組成的振蕩電路上,回路的固有振蕩角頻率為由于固有振蕩頻率比工頻50周大得多,可以認(rèn)為在高頻振蕩瞬間電源電勢(shì)EM保持不變,即電源通過(guò)電感LS對(duì)電容CT充電的過(guò)程中,CT上電壓所達(dá)到的最高值,即線路上的過(guò)電壓的數(shù)值,忽略回路損耗所引起的電壓衰減可按下式計(jì)算:

圖4 電弧重燃時(shí)的振蕩波形

過(guò)電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值+(穩(wěn)態(tài)值-初始值)

當(dāng)線路CT上電壓振蕩達(dá)到最大值3EM瞬間t3時(shí),開(kāi)關(guān)中流過(guò)的高頻振蕩電流恰好為零,這時(shí)因?yàn)榛芈分辛鬟^(guò)的是電容電流,因此在t3時(shí)刻電弧又將熄滅,而電弧熄滅后線路上就保持3EM的殘余電壓值,假如在t3時(shí)刻電弧不能熄滅,那就要等到高頻電流振蕩衰減后的t4時(shí)刻工頻電流過(guò)零時(shí)才會(huì)熄滅.此后觸頭之間的距離愈來(lái)愈長(zhǎng),則恢復(fù)電壓也愈來(lái)愈高,到t4時(shí)刻恢復(fù)電壓UAB可達(dá)4EM,如在此時(shí)再次發(fā)生重燃,CT上的初始值為3EM,穩(wěn)態(tài)值為-EM,故

過(guò)電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值+(穩(wěn)態(tài)值-初始值)

假如繼續(xù)每隔半個(gè)工頻周期就重燃1次和重熄弧1次,則過(guò)電壓將按3EM、-5EM、7EM…愈來(lái)愈高。

上面的分析,已經(jīng)說(shuō)明了過(guò)電壓發(fā)展過(guò)程的本質(zhì),實(shí)際情況還要受到下列因素的影響。

(1)重燃的次數(shù),它與開(kāi)關(guān)的性能有關(guān)。次數(shù)越多,發(fā)生高幅值過(guò)電壓的概率越大,通常油開(kāi)關(guān)的重燃次數(shù)較多,有時(shí)可達(dá)4～6次,壓縮空氣開(kāi)關(guān)重燃次數(shù)較小或不重燃。

(2)重燃發(fā)生的時(shí)間,如果電弧重燃發(fā)生在1/4工頻半周t0時(shí)刻之前,則基本上沒(méi)有過(guò)電壓發(fā)生。

(3)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式,對(duì)切除空載線路過(guò)電壓有很大影響。在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中,各相有自己的獨(dú)立回路,相間電容影響不大,切空載線路過(guò)程與上面討論的情況相同,但中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地時(shí),三相開(kāi)關(guān)分閘的不同期性,會(huì)形成瞬間的不對(duì)稱電路,中性點(diǎn)將發(fā)生偏移,三相之間互相牽連影響,使分閘時(shí)開(kāi)關(guān)中電弧燃燒和熄滅的過(guò)程變得很復(fù)雜,在不利的條件下,使過(guò)電壓顯著提高,遠(yuǎn)高出中性點(diǎn)接地時(shí)的過(guò)電壓。

1.1.2 抑制措施

切除空載過(guò)電壓是選擇線路絕緣水平和確定電氣設(shè)備試驗(yàn)要求的重要依據(jù),采取措施消除或限制這種過(guò)電壓,對(duì)于保證系統(tǒng)安全運(yùn)行和進(jìn)一步降低電網(wǎng)絕緣水平具有現(xiàn)實(shí)意義。因此,為有效抑制這種過(guò)電壓,除選用滅弧能力強(qiáng)的快速開(kāi)關(guān)外,還常采用以下措施。

(1)并聯(lián)電阻。如圖5所示,在開(kāi)關(guān)主觸頭K1上并聯(lián)一定大小(約3000Ω)的電阻R和輔助觸頭K2,以實(shí)現(xiàn)線路的逐級(jí)開(kāi)斷。在拉閘時(shí),主觸頭K1先斷開(kāi),此時(shí)并聯(lián)電阻R1就被串聯(lián)在回路中,抑制回路中的震蕩,這時(shí)K1觸頭兩端的恢復(fù)電壓只是電阻R兩端的壓降,主觸頭K1上的電弧不易重燃,同時(shí)電阻R將消耗掉線路電容中一部分能量,經(jīng)1～2個(gè)工頻周期,在觸頭K2分閘時(shí),由于前一階段回路中的振蕩受到了抑制,線路殘余電壓又較低,過(guò)電壓也就顯著下降。

圖5 帶并聯(lián)電阻的開(kāi)關(guān)

(2)線路側(cè)接電磁式電壓互感器。由于電壓升高,引起磁路飽和后,阻抗降低的泄流作用,將降低線路上的殘余電壓,從而使這種過(guò)電壓具有較低的數(shù)值。我國(guó)在220kV線路上試驗(yàn)結(jié)果表明,線路側(cè)的電磁式互感器可使最大重燃過(guò)電壓降低約30%左右[2]。同樣道理,在直流接地系統(tǒng)中,當(dāng)變壓器低壓側(cè)連同變壓器切除空載線路時(shí),變壓器鐵芯的飽和對(duì)降低這種過(guò)電壓也起到一定的作用。

(3)并聯(lián)電抗器也可以減少電弧重燃的機(jī)會(huì)。

1.2 空載線路的合閘過(guò)電壓

1.2.1 產(chǎn)生過(guò)電壓的物理過(guò)程

等值電路同圖2所示的切除空載線路。在合閘后的穩(wěn)態(tài)過(guò)程中,線路上的電壓由于電容效應(yīng)自首端到線路末端將按正弦規(guī)律逐漸增高,在合閘初瞬間的暫態(tài)過(guò)程中,電源電壓通過(guò)電感LS對(duì)電容CT充電,回路中將發(fā)生高頻振蕩過(guò)程,由于振蕩頻率很高可以認(rèn)為在振蕩初期電源電壓為恒定值,故按等值電路來(lái)計(jì)算:E=Lsdi/dt+1/CT∫idt,E為合閘瞬間電源電壓瞬時(shí)值,由此得出:E=LsCTd2Uc/dt2+Uc,它是線路電容CT上的電壓UC對(duì)時(shí)間的微分方程,其解為:Uc=Asinω0t+Bcoωs0t+E,其中, ,A、B為積分常數(shù)。

由起始條件t0=0時(shí),Uc=0,i=CTdUc/dt=0,故Uc=E(1-cosωt);當(dāng)t=π/ω0時(shí),coωs0t=-1,即合閘后π/ω0時(shí)刻Uc達(dá)到最大值Ucmax=2E。

1.2.2 抑制措施

(1)采用帶并聯(lián)電阻的開(kāi)關(guān),如圖5所示,帶并聯(lián)電阻開(kāi)關(guān)合閘時(shí)動(dòng)作順序與分閘相反,輔助觸頭K2先接通,電阻R對(duì)回路中的振蕩過(guò)程起阻尼作用,使過(guò)渡過(guò)程中的過(guò)電壓降低,電阻越大,阻尼作用越強(qiáng),過(guò)電壓也就越低,經(jīng)1～2個(gè)工頻周期以后,主觸頭K1閉合,將合閘電阻短接,完成了合閘操作。

(2)降低殘余電壓。采用接在線路側(cè)的電磁式電壓互感器在開(kāi)關(guān)初合后幾個(gè)工頻周期內(nèi),就能把全部殘余電荷泄放掉。

此外,據(jù)資料介紹,同步合閘也在研究中,即通過(guò)專門(mén)裝置控制,使開(kāi)關(guān)恰好在觸頭電位差為零時(shí)完成操作,就能基本上消除暫態(tài)過(guò)程,合閘過(guò)電壓就大大降低。

2 應(yīng)用情況

根據(jù)上面的分析,結(jié)合專家組的建議,安慶銅礦在后期的供電網(wǎng)絡(luò)改造中,主要采用了在主開(kāi)關(guān)并接電阻和在線路側(cè)接電磁式電壓互感器的方法,有效地解決了前期因操作過(guò)電壓造成的供、用電設(shè)備損害問(wèn)題,改造后未發(fā)生過(guò)因過(guò)電壓而導(dǎo)致設(shè)備損壞的事故,保證了生產(chǎn)、生活正常供電,取得了明顯的效果。

[1]蘇文成.工廠供電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[2]熊開(kāi)偉.交直流輸變電技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,1979.

2009-10-12)