簡易過電壓保護(hù)裝置的研制及應(yīng)用

李宏力 周貴發(fā)

(貴州電網(wǎng)公司都勻供電局，貴州 都勻 558000）

0 前言

從2003年起，當(dāng)大量交流電弧爐涌入貴州電網(wǎng)后，由于這些交流電弧爐負(fù)荷沒有按照國家標(biāo)準(zhǔn)加裝相應(yīng)的濾波設(shè)備和配置相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置，導(dǎo)致電弧爐工作時(shí)產(chǎn)生的大量超標(biāo)諧波注入電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，經(jīng)常引發(fā)過電壓（該過電壓可能是相對地的，也可能是相間的），導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生短路或設(shè)備損壞事故。而現(xiàn)有的避雷器類似性質(zhì)的過電壓保護(hù)性能較差，不能滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。

督促諧波源用戶加裝濾波裝置是一種最有效的解決方案，但是在實(shí)際工作中，由于加裝濾波裝置需要上百萬元的投資，因此，出于經(jīng)濟(jì)利益考慮，用戶會使出各種手段來拒絕安裝濾波裝置。

本文針對上述存在的問題進(jìn)行研究，并提出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的簡易過電壓保護(hù)裝置，在用戶沒有安裝濾波裝置時(shí)保護(hù)電網(wǎng)中運(yùn)行的貴重設(shè)備。

1 某220kV變電站諧波源現(xiàn)狀

該站只有1臺主變壓器，220kV側(cè)為進(jìn)線側(cè)，110kV和35kV側(cè)為出線側(cè)。35kV側(cè)除了用于無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙萜鹘M外，只有1條電弧爐負(fù)荷。2013年07月26日21時(shí)46分發(fā)生了諧波諧振，導(dǎo)致35kV母線三相短路故障。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)用戶側(cè)存在如下問題：

（1）沒有找到完整的設(shè)計(jì)圖紙。電氣主接線圖與實(shí)際不符、電容器安裝圖為通用圖，與實(shí)際不符等；

（2）現(xiàn)場實(shí)際接線不規(guī)范：

圖1 廠家側(cè)實(shí)際接線示意圖

圖2 正規(guī)的接線示意圖

（3）用戶電弧爐容量為12800kW。故障時(shí)該公司正在加負(fù)荷，負(fù)荷變化如圖3所示。

圖3 故障時(shí)負(fù)荷變化曲線

從圖中可以看出，有功最大值Pmax=17.065MW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其標(biāo)稱功率12.8MW（12800kW），而且負(fù)荷變化很大。

（4）35kV電容器組接線不符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

未按照設(shè)計(jì)規(guī)范加裝串聯(lián)電抗器。其容量標(biāo)稱為7200kVar，但實(shí)際只有1800kVar，與供用電合同中簽訂的實(shí)際容量完全不符。

（5）無諧波治理裝置。

用戶未按照承諾書的內(nèi)容加裝諧波治理裝置。

2 解決問題的技術(shù)方案研究

2.1 采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)控制諧波

現(xiàn)有的成熟技術(shù)是在諧波源處，按照就近的原則加裝相應(yīng)的濾波裝置，將負(fù)荷工作時(shí)產(chǎn)生的各次諧波就地消耗掉，從而保證注入電網(wǎng)的諧波分量在 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993）的范圍內(nèi)。

但根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)際情況表明：用戶出于經(jīng)濟(jì)利益考慮，會使出各種手段來拒絕安裝濾波裝置。因此該技術(shù)無法在現(xiàn)場得到應(yīng)用。

2.2 簡易過電壓保護(hù)裝置研究

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于在諧波源負(fù)荷側(cè)沒有采取有效措施，所以超標(biāo)的諧波會沿著高壓線路入侵變電站。因此將這些諧波產(chǎn)生的諧振過電壓限制在一定范圍內(nèi)，就可以確保變電站內(nèi)貴重設(shè)備不受到損壞。基于這個(gè)思想，研究出一種簡易過電壓保護(hù)裝置，它能將電弧爐工作時(shí)產(chǎn)生的過電壓水平限制在設(shè)定的安全范圍之內(nèi)，確保電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖4 主視圖

圖5 府視圖

該裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的：簡易過電壓保護(hù)裝置，包括空氣間隙S1、保護(hù)間隙S2、熱鍍鋅圓鋼、支柱絕緣子、熱鍍鋅槽鋼及相間放電間隙S3。其特征在于：在熱鍍鋅槽鋼上面裝設(shè)支柱絕緣子，支柱絕緣子上裝設(shè)空氣間隙S1和保護(hù)間隙S2，空氣隙間S1的一端由熱鍍鋅扁鋼制作而成，直接與高壓系統(tǒng)連接；另一端設(shè)有保護(hù)間隙S2，其末端通過熱鍍鋅圓鋼與熱鍍鋅槽鋼連接，熱鍍鋅槽鋼通過熱鍍鋅扁鋼與變電站的接地網(wǎng)連接。

空氣間隙S1為水平布置，其形狀為角形，由熱鍍鋅槽鋼制作而成。空氣間隙S1的距離應(yīng)滿足《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620-1997）相應(yīng)的規(guī)定。

保護(hù)間隙S2為水平布置，其形狀可以為角形或棒形，由熱鍍鋅槽鋼制作而成。保護(hù)間隙S2的距離應(yīng)滿足《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620-1997）相應(yīng)的規(guī)定。

相間放電間隙S3為水平布置，其形狀為棒形，由熱鍍鋅槽鋼制作而成，包括AC、AB和BC相之間共3個(gè)。相間放電間隙S3的距離應(yīng)根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中的規(guī)定進(jìn)行校核。

簡易過電壓保護(hù)裝置用于三相（A、B、C相）交流系統(tǒng)，為三相結(jié)構(gòu)，每相有2只完全相同的支柱絕緣子。

該裝置可以安裝在變電站出線諧波源線路的首端（或末端），空氣隙間S1的一端直接與高壓系統(tǒng)的三相（A、B、C相）連接即可。

2.2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

以35kV電壓等級的簡易過電壓保護(hù)裝置為例，可以按照如下步驟進(jìn)行：

第1步：需要確定本發(fā)明接入系統(tǒng)的電壓等級。其支柱絕緣子的額定電壓應(yīng)與電弧爐電源側(cè)的電壓相同。本例中，電弧爐電源側(cè)的電壓為35kV，則本發(fā)明的支柱絕緣子應(yīng)選擇35kV戶外形（如安裝在戶內(nèi)時(shí)則選擇35kV戶內(nèi)形）。

第2步：按照《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中表5和表6設(shè)置對地放電的保護(hù)間隙和輔助間隙。查表得S1=210mm，S2=20mm。

為防止雨水或冰雪造成保護(hù)間隙和輔助間隙短路，可將保護(hù)間隙和輔助間隙設(shè)置為水平方式布置。

第3步：絕緣配合計(jì)算。

根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中10.1.10條的規(guī)定，其對地計(jì)算用最大操作過電壓水平為：3.2×35/1.732≈65kV

由于對地間隙的數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出，因此不需要進(jìn)一步進(jìn)行核驗(yàn)。其相間操作過電壓水平為：（1.3-1.4）×65≈85kV（取1.3倍相對地電壓進(jìn)行計(jì)算）

由于相間放電間隙的數(shù)值無標(biāo)準(zhǔn)，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行核驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，85kV電壓下的放電間隙距離為：200mm（相對溫度90%），為保險(xiǎn)起見，取250mm（相對溫度90%，擊穿電壓為96kV）。

第4步：將本發(fā)明府視圖中的A、B、C點(diǎn)分別與三相電力系統(tǒng)的A、B、C三相可靠連接（安裝于電弧爐用戶靠電網(wǎng)側(cè)的適當(dāng)位置）。

2.2.3 保護(hù)原理

當(dāng)電弧爐工作并產(chǎn)生過電壓（相間或?qū)Φ兀┫螂娋W(wǎng)側(cè)傳遞，并且該過電壓水平超過第3步設(shè)定的數(shù)值時(shí)，間隙被擊穿，將過電壓產(chǎn)生的能量泄放，使過電壓無法傳遞到電網(wǎng)側(cè)，從而達(dá)到保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備的目的。

3 采用新技術(shù)后注意事項(xiàng)

當(dāng)相間過電壓導(dǎo)致相間放電隙間S3被擊穿時(shí) （此時(shí)為相間短路），由安裝于電網(wǎng)側(cè)的高壓斷路器跳閘切除該負(fù)荷；當(dāng)相對地過電壓動(dòng)作導(dǎo)致空氣間隙S1被擊穿時(shí)，保護(hù)間隙S2同時(shí)必然被擊穿，過電壓產(chǎn)生的能量通過空氣間隙S1和保護(hù)間隙S2流入大地得以泄放（不中斷對電弧爐用戶的供電），當(dāng)過電壓結(jié)束后電弧自動(dòng)熄滅，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

在運(yùn)行中應(yīng)該注意的問題是：

（1）裝置接地應(yīng)良好，不得大于4Ω，建議在1Ω以下。

（2）裝置在運(yùn)行中，巡視人員距離裝置接地處保持安全距離（室內(nèi)大于4米，室外大于8米）。

（3）裝置相間保護(hù)動(dòng)作，電源側(cè)斷路器跳閘后，應(yīng)檢查裝置正確后方可送電；裝置正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)退出自動(dòng)重合閘。

4 結(jié)語

通過具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，簡易過電壓保護(hù)裝置能夠有效降低諧波諧振引起的過電壓對電網(wǎng)設(shè)備的損壞，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]DL620-1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].