工廠供電網(wǎng)絡(luò)高低壓側(cè)過電壓保護系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用研究

龐勇偉

摘 ? 要：雷擊產(chǎn)生的過電壓和過電流超過工廠用電設(shè)備耐壓值時，會對用電設(shè)備造成損害，甚至引發(fā)電氣事故，這需要運用避雷器進行過電壓保護，將過電流引流至大地，為電子元器件與高低壓電氣設(shè)備提供安全保障。本文通過分析氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化，研究金屬氧化物避雷器的安裝，以及MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，為工廠供電網(wǎng)絡(luò)提供保護。結(jié)果顯示，金屬氧化物避雷器在工廠供電網(wǎng)絡(luò)過電壓保護中能夠發(fā)揮重要作用，提高避雷器監(jiān)測效果，有效地保護了工廠供電網(wǎng)絡(luò)的高低壓電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：工廠供電 ?過電壓保護 ?避雷器 ?在線監(jiān)測

中圖分類號：TM862 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0019-02

隨著我國電力技術(shù)的不斷提高，電壓等級不斷提升，一旦供電系統(tǒng)遭受雷擊，將嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，進而影響工廠的正常生活活動。工廠電氣設(shè)備隨著技術(shù)的提升，元器件性能大幅提升，尺寸則大大下降，進而帶來耐過電壓能力弱等問題，因此對工廠電器設(shè)備進行必要的過電壓保護十分必要。由于雷電高電壓、大電流、瞬態(tài)性等特點，需要在供電網(wǎng)絡(luò)安裝避雷器進行保護。在工廠供電網(wǎng)絡(luò)中，常用避雷器為氧化鋅避雷器，但其容易受到外界環(huán)境的影響，長時間不維護容易產(chǎn)生老化、受潮、損壞等問題，因此需要對避雷器的運行情況進行在線監(jiān)測，并對系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)母脑靸?yōu)化，進而維護工廠供電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

1 ?氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測

1.1 金屬氧化物避雷器運行故障機理

實踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，氧化鋅避雷器在正常運行中，由于受潮而產(chǎn)的損壞占比過半，比外避雷器老化、閥片溫度系數(shù)過大等也是造成避雷器故障的重要原因。研究表明，避雷器受潮導(dǎo)致其內(nèi)部氧化物閥片老化，進而降低避雷器非線性特征。整體來看，造成金屬氧化物避雷器運行故障的主要原因有老化現(xiàn)象、熱擊穿現(xiàn)象、受潮現(xiàn)象、受氣候影響、避雷器外套表面的污穢狀況等。金屬氧化物避雷器運行故障的原因能夠通過高次諧波測量來確定，因此對MOA在線監(jiān)測，對降低金屬氧化物避雷器運行故障十分必要。

1.2 MOA在線監(jiān)測因素與監(jiān)測方法

試驗表明，MOA氧化鋅避雷器在線監(jiān)測的穩(wěn)定性、實時性與準(zhǔn)確性受到多因素影響，從MOA的伏安特性來看，在限壓與恢復(fù)兩個階段，其伏安特性曲線呈現(xiàn)兩種形態(tài)。在小電流區(qū)域，電壓與電流接近線性關(guān)系，進入中電流區(qū)域后阻性電流增加，避雷器內(nèi)部電阻片的電壓電流為非線性關(guān)系，當(dāng)進入高電流區(qū)域后，電流電壓迅速升高。當(dāng)避雷器中阻性電流的增加導(dǎo)致熱損耗增加時，避雷器容易引發(fā)熱崩潰，進而造成故障。由此可知，氧化鋅避雷器在線監(jiān)測的方法可選擇紅外線測試法、POW法、數(shù)值計算法、零序電流法、基波監(jiān)測法等。

1.3 外界環(huán)境對MOA在線監(jiān)測的影響

從外界環(huán)境的主要影響因素來看，溫度和污穢容易引起避雷器泄露電流，改變避雷器絕緣參數(shù)，給其在線監(jiān)測帶來影響。信息傳輸誤差是信號受到強電干擾而在傳輸過程產(chǎn)生的失真現(xiàn)象。二次負(fù)荷變化引起角差變化，造成TV相移，是測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。兩種電網(wǎng)諧波電流疊加產(chǎn)生復(fù)雜關(guān)系，使泄露電流里存在容性諧波電流，需在監(jiān)測中考慮榮幸諧波分量，否則會出現(xiàn)誤判。

2 ?金屬氧化物避雷器及在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝

2.1 安裝問題及安裝方式

電器工程實踐發(fā)現(xiàn)，氧化鋅避雷器安裝中常出現(xiàn)的問題主要有：安裝位置不當(dāng)致使失去保護作用;避雷器數(shù)量不匹配影響保護效果，比如數(shù)量過多則造成經(jīng)濟上的浪費，數(shù)量不足則達不到保護要求;在選擇避雷器連接用導(dǎo)線時，橫截面積不準(zhǔn)確也會導(dǎo)致保護效果不佳。

在氧化鋅避雷器的安裝中，需要結(jié)合工廠供電系統(tǒng)的實際情況，選擇合理的額定電壓避雷器。即額定電壓需接近線路對地電壓，過高則避雷器在過電壓發(fā)生時無動作，過小則避雷器易損壞。在變壓器側(cè)，為對變壓器實施保護，可選擇近變壓器端，與變壓器并聯(lián)，一端接于保護線路上，另一端接地。避雷器接地線遵循左進右出原則，而避雷器檢測裝置原則上加裝在正后方或下方。

在低壓電網(wǎng)中，氧化鋅避雷器安裝在TT系統(tǒng)中的負(fù)載側(cè)，中性線、相線、地之間分別安裝氧化鋅避雷器，實現(xiàn)電網(wǎng)縱向保護。氧化鋅避雷器安裝在TT系統(tǒng)的電源側(cè)，采取“3+1”模式，且中性線與接地線間選擇開關(guān)型氧化鋅避雷器，提高耐受力。在TN系統(tǒng)中的避雷器，中性線、保護線與地短接，在相線與保護線間安裝避雷器，實現(xiàn)供電網(wǎng)過電壓保護。

在不同保護等級的供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，設(shè)備對過電壓的耐受性不同，對絕緣造成的破壞亦不同。因此針對不通過保護等級的供電設(shè)備，氧化鋅避雷器也應(yīng)選擇不同的型號。電氣裝置進線處裝置的耐沖擊過電壓額定值為6kV，配電回路和末端回路耐沖擊過電壓額定值為4kV，一般用電設(shè)備沖擊過電壓額定值為2.5kV，需特殊保護的設(shè)備沖擊過電壓額定值為1.5kV。由此，針對不同耐壓等級的設(shè)備，需要選擇與之匹配的氧化鋅避雷器型號和安裝方式。

2.2 MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)傳輸三部分。數(shù)據(jù)采集是最初環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)信號調(diào)制、轉(zhuǎn)化以及設(shè)定數(shù)據(jù)的采樣;數(shù)據(jù)處理是對采集到的數(shù)據(jù)進行必要的計算分析，并實時顯示與服務(wù)器顯示裝置;數(shù)據(jù)傳輸則負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)在客戶端與服務(wù)器端的傳輸。在線監(jiān)測的結(jié)構(gòu)為：集控站狀態(tài)監(jiān)測后臺—保護室一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)屏—交換機—智能匯控柜—避雷器信號處理單元。

氧化鋅避雷器MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)部模塊設(shè)計中，為了滿足所測數(shù)據(jù)能夠真實反映參考電壓與實際泄露電流，共包括五個功能模塊，即電流信號采樣模塊、電壓信號采樣模塊、雷擊模塊、通信模塊、A/D模塊。

在工廠供電網(wǎng)絡(luò)過電壓保護中，氧化鋅避雷器MOA在線監(jiān)測的故障診斷，可采用的方法主要是灰關(guān)聯(lián)分析法和數(shù)學(xué)形態(tài)法。在灰關(guān)聯(lián)分析法中，先確定比較序列因子為相對濕度、溫度、熱冷鋒面、降雨降雪、系統(tǒng)電壓等，然后通過計算得到各因子間的關(guān)聯(lián)度系數(shù)，對避雷器運行狀態(tài)進行判斷。在數(shù)學(xué)形態(tài)法中，當(dāng)現(xiàn)場測得避雷器泄露電流信號受外界環(huán)境干擾較大時，需要對信號進行降噪處理，以便得出較為準(zhǔn)確的曲線。在信號降噪過程中，采用形態(tài)濾波器能夠更有效的抑制干擾。實驗結(jié)果證明，數(shù)學(xué)形態(tài)法能夠相對準(zhǔn)確的診斷氧化鋅避雷器絕緣性能，進而實現(xiàn)對避雷器運行的在線監(jiān)測。

3 ?供電網(wǎng)絡(luò)過電壓保護系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

將優(yōu)化改造后的氧化鋅避雷器與在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于工廠供電網(wǎng)絡(luò)過電壓保護實踐中發(fā)現(xiàn)，這種優(yōu)化改造方法不用拆卸避雷器即可實現(xiàn)在線監(jiān)測，并能夠準(zhǔn)確的按照核定的電壓參數(shù)進行信息反饋，超出范圍則發(fā)送信息顯示不合格。此外，結(jié)合工廠供電實際需求，過電壓保護參數(shù)的合格范圍能夠自定義。經(jīng)過實踐運用，改造優(yōu)化后的氧化鋅避雷器保護系統(tǒng)，在MOA在線監(jiān)測下，能夠獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果，且過電壓保護系統(tǒng)運行可靠，極大限度的消除了因過電壓引起的設(shè)備故障，而且在實時監(jiān)測的支持下，還能夠?qū)收献龅綄嵤┚S修，具有良好的效果。

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