3～66kV电力系统过电压保护整体设置方案探讨.pdf

冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 9 期 总 第 187 期 366 kV 电力系统过电压保护整体设置方案探讨 刘跟平 1，郭思君2 （长春黄金设计院， 吉林长春130012；2.芜湖科越电气有限公司， 安徽芜湖241000） 【摘要】中压供电系统由于过电压导致的企业停产、 设备烧损事故多有发生， 给企业带来直接、 间接的经 济损失， 而国内延续多年的针对性单一保护产品无法防范各种过电压给供电系统带来的损害。 通过对系统过电 压的分析， 提出一种整体保护理论， 一种系统性的保护方案， 从根本上改变现有的过电压保护方案设置， 探讨从 根本上解决现有保护方案的不足， 以期提高供电网络保护的全面性、 可靠性以及设备自身的安全性。 【关键词】过电压； 氧化锌； 能量抑制； 消弧 【中图分类号】TM86【文献标识码】B【文章编号】1006-6764(2015)09-0003-03 A Discussion on the Overall Setup of Over-voltage Protection of 366 kV Power System LIU Genping1，GUO Sijun2 (1. Changchun Gold Designing Institute, Changchun, Jilin 130012; 2. Wuhu Keyue Electric Co., Ltd., Wuhu, Anhui 241000, China) 【Abstract】Due to over voltage, medium voltage power supply systems caused equipment burnouts and shutdowns in enterprises time and again, resulting in direct and indirect eco- nomic losses, while the specific single protection product domestically used for years could not prevent various damages to power supply system by over voltage. Through analysis of over voltage in power supply system, we put forward an overall protection theory or a systematic protection program, which fundamentally changes the existing over-voltage protection setup. Complete solution of the shortcomings of existing protection system was discussed, to improve the comprehensiveness, reliability and equipment safety of power supply system protection. 【Keywords】over-voltage; zinc oxide; energy suppression; arc extinction 1引言 我国 366 kV 中压电网中以 6 kV、 10 kV、 35 kV 三个电压等级应用较为普遍， 其中中性点不接地 或经消弧线圈接地的小电流系统占绝大多数，小部 分采用了中性点经小电阻接地或直接接地的大电流 系统。近年来， 随着供电网络的发展， 真空断路器的 大量使用， 采用电缆线路的用户日益增加， 电弧炉、 变频器、 高压可控硅等电力设备的使用也日趋增多， 导致电网电压的波动十分频繁，因为供电网络电压 波动而引起系统故障的现象越来越频繁，造成输变 电设备的损坏、 影响企业的生产， 给企业带来直接或 间接的经济损失，特别是工矿企业大多采用电缆供 电， 使得系统单相接地电容电流大大增加， 系统由于 发生单相间歇性弧光接地而造成用电设备损坏的事 故多有发生。 导致这种问题的发生，主要在于供电网络电压 突变的防范措施不当，或者为了节省很小的投资而 忽略了保护设置， 特别是整体电压突变的保护设置。 因此， 研究中压供电系统过电压的产生， 以及整 体的防护方案设置， 就显得尤为重要。 2系统过电压及采用的保护方案分析 2.1传统的控制方案 为了解决电网发展过程中产生的过电压危害问 题， 针对电网过电压的保护控制设备也在随之发展。 （1）传统的避雷器仅仅能够防止雷击产生的相对地 过电压， 无法解决系统相间过电压的问题。 （2） 近年 来国内开发生产的组合式过电压保护器能够同时限 制相对地、 相间过电压， 但吸收能量十分有限， 过电 压承受能力只有几个毫秒， 所以， 只能够对瞬时性过 电压吸收限制， 对于谐振、 单相接地等产生的长时间 3 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 9 期 总 第 187 期 过电压无法承受， 甚至导致保护器的爆炸。 （3） 中性 点经消弧线圈接地的保护方式主要是针对系统对地 电容电流较大，可能导致间歇性弧光接地过电压的 问题，主要原理是利用电感电流与电容电流在相位 上差 180的原理对系统的电容电流进行补偿， 但 这种补偿只是针对工频过电压，而间歇性弧光接地 常常是高频振荡过电压， 对此消弧线圈无能为力， 所 以， 消弧线圈能够可靠消除弧光接地是一种误区， 消 弧线圈的补偿式保护方案仅仅能够减少弧光接地发 生的几率， 无法杜绝间歇性弧光接地的发生。 （4） 采 用中性点经小电阻接地方式，其主要原理是利用发 生单相接地时人为地增加故障点的接地电流，利用 零序过电流保护使断路器瞬间切断故障线路。这种 原理美国应用较多， 国内厂家很少采用。 其原因主要 在于使得供电连续性大大下降，因为供电系统一旦 发生接地故障， 无论是金属接地还是弧光接地， 小电 流接地系统都会作用于跳闸，使线路的跳闸次数大 大增加， 严重影响了用户的正常供电， 使其供电的可 靠性下降。 为了提高对电网电压保护的可靠性，特别是为 了解决系统单相接地产生弧光过电压的问题， 2000 年以后，国内提出了单相接地消弧理论和电压突变 能量抑制理论，目前应用较广，针对这两种保护理 论， 单独分析如下。 2.2消弧柜 消弧柜的原理是在 2000 年前后提出的， 基本原 理如图 1 所示，是将发生弧光接地的故障相直接金 属接地，这种保护方案原理简单，一次系统原理可 靠。技术的关键在于二次控制部分的可靠性和准确 性。 图 1消弧柜基本原理图 目前国内厂家生产的消弧柜绝大多数采用这种 理论。 通过市场运行检验， 最大的问题在于误动频繁， 主要原因在于： （1） 单相接地消弧的原理， 要求装置动作迅速， 那么就需要控制器快速作出判断， 判断时间越短， 准 确性越差， 误动的可能性越大。 （2）单相接地消弧没有考虑弧光接地持续的时 间， 对于持续时间不长， 能够自恢复的偶发性过电压 故障， 甚至是电压波动， 消弧柜都会动作， 事后用户 又无法确定故障原因， 也是一种误动。 （3） 抗扰度能力差， 造成对故障的误判。 （4） 为了快速动作， 采用自制的永磁接触器， 该 类型接触器本身就容易误动。 （5）由于消弧装置动作频繁，导致系统缺相运 行， 将事故扩大化。 这种故障在近几年的运行中经常 发生， 给用户造成许多麻烦， 并使自身形成了一个故 障隐患。 2.3抑制柜 这类产品的基本原理如图 2 所示，是利用高能 氧化锌非线性电阻对系统产生的过电压产生的能量 进行限制吸收。 图 2抑制柜基本原理图 目前国内厂家的聚优柜、 抑制柜、 专家柜等全部 是采用这种理论。 （1） 主要优点： 这种保护方案采用纯物理特性的高能氧化锌材 料对供电网络的电压突变进行吸收抑制，不会造成 系统的单相接地， 动作时间迅速， 不会造成误动、 拒 动， 可靠性高。 （2） 该理论存在的问题： 能量抑制的理论根本点是必须有一个装置能够 将系统电压突变的能量消耗掉，也就是必须考虑氧 化锌非线性电阻的能量与电压突变的能量相配合， 按照 10 kV 系统、 30 A 电容电流、带故障运行 2 h 计算， 需要 480 路高能氧化锌电阻并联运行。 成本超 过 100 万； 480 路动作一致， 工艺上很复杂。 所以，采用这种理论高能氧化锌阀片的设计承 受能力、 也就是承受时间不能太长， 所以， 能量抑制 的理论只适合抑制短时间过电压，对于长时间的弧 光接地故障等电压突变无法保护， 一旦发生， 该装置 会击穿。 2.4总体分析 目前中压电力系统采用的保护方案是“头疼医 4 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 9 期 总 第 187 期 头、 脚疼医脚” ， 针对某一种故障原因采用单一的防 护措施。 避雷器是为了防止雷电侵入波过电压， 组合 式过电压保护器是为了防止相间过电压和雷电侵入 波过电压，二者设计的宗旨都只是为了防止瞬时性 过电压。为了防止弧光接地，安装消弧线圈或消弧 柜。但是， 忽略了整个中压供电系统是一个等电位， 各种过电压保护装置如果没有参数的配合，保护的 设置也不能形成一个整体的防护体系，其结果是导 致有些保护设备形同虚设，甚至有些保护设备自身 反而形成一个故障点， 给用户增添了麻烦。 比如消弧 柜， 如果没有前一级的保护配合， 一般采用快动的方 案， 那么， 一旦电压变化， 即使是瞬时性的， 消弧装置 就会动作接地， 事后技术人员又无法确定故障原因， 也就是所谓的假误动。而单独的抑制柜或者聚优柜 如果没有前一级和后一级的配合，就很容易发生冲 击损害或者能量超标而击穿。有些用户系统消弧柜 一年动作多达数十次， 最后只能退出不用， 而抑制柜 则多有击穿烧损事故，都是因为保护方案没有形成 一个整体。 供电网络的电压控制与电流保护不同，电流保 护一般以支路为单位进行实施，以综合保护配合断 路器即可实现， 而电压保护在整个 10 kV 供电系统 是一个等电位， 处理起来相对困难， 一旦发生故障往 往会 “火烧连营” ， 所以对系统电压的控制尤其显得 重要。 3整体保护方案探讨 电压保护的目的： 保护用电设备、 保障供电的连 续性； 导致破坏的原因： 电压突变造成的能量冲击。 从这个角度考虑，供电系统电压控制的根本就是限 制电压突变的峰值， 抑制电压突变的能量。所以， 针 对一般企业的供电系统， 建议以下两种保护方案： （1） 三级保护方案 限压装置 + 能量抑制装置 + 能量泄放单元， 基 本原理如图 3 所示。 限压装置：包括每个开关柜内的避雷器或过电 压保护器，另外在 PT 综控柜内再设置专门的限压 装置。 每个保护单元的动作参数必须一致， 主要作用 是限制断路器关合过程中断路器出线侧产生的操作 过电压， 和系统外部 （雷电侵入波） 、 内部 （操作、 谐 振、 接地等） 产生的瞬时性过电压。 限压装置抗冲击能力较强、可以缓和过电压波 头的的陡度， 限制过电压的峰值。 但其承受的能量很 小。 能量抑制单元：电压突变导致的破坏大小决定 于电压突变的能量大小，所以要充分考虑各种过电 压可能造成的过电压能量，限压装置主要是针对瞬 时性过电压而设置的，电压突变的能量一旦超出避 雷器或过电压保护器的承受能量，就会导致避雷器 或过电压保护器的击穿、 形成热积累、 进而热崩溃， 就是通常所说的爆炸。能量抑制单元的作用是在避 雷器或过电压保护器能量承受不住时，用来吸收系 统电压突变的能量， 主要针对短时间过电压。 能量泄放单元：当电压突变的能量通过限压装 置、 能量抑制装置的控制还无法消除时， 则通过泄放 单元实现电压突变能量的对地泄放。主要针对长时 间过电压。 PT、 限压装置、 能量抑制装置、 能量泄放单元共 同构成 PT 综合控制装置， 安装在母线上、 替换常规 的 PT 柜。基本原理如图 3 中的 4 所示。 图 3整体防护设置基本原理图 （2） 四级保护方案 消弧线圈补偿 + 限压装置 + 能量抑制装置 + 单相接地消弧 消弧线圈是通过电感电流补偿电容电流的原理 来消除弧光接地， 工频电流可以通过补偿解决， 高频 震荡就无法补偿。 所以， 消弧线圈能够减少系统发生 弧光接地的几率， 但不能杜绝， 所以， 四级保护方案 的优点是通过消弧线圈可以减少系统弧光接地的发 生， 一旦消弧线圈没有达到效果， 再通过其他三级保 护来处理。 整个方案设置的目的是处理系统的电压突变， 尽量使故障消于无形，不要造成电气技术人员的忙 乱、 增加其工作量。（下转第 10 页） 5 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 9 期 总 第 187 期 （上接第 5 页）所以增加消弧线圈可以加强这个目 的， 但缺点是成本会增加较多， 需要用户决策。 （3） 基本工作原理 如图 3 所示，通过补偿单元 3 对系统存在的对 地杂散电容进行补偿，减少系统发生间歇性弧光接 地的几率， 避免系统产生长时间的弧光过电压； 通过 补偿单元 3 中的消谐装置消除系统可能产生的谐振 过电压， 在此基础上， 对于系统产生的过电压分别采 用限压、 吸收、 泄放三级保护， 利用限压单元 1 对系 统产生的过电压进行限制，保证电网电压不超过用 电设备的绝缘承受能力， 由于其吸收能量有限， 在系 统中承受过电压的时间设置在 20 ms 以内， 限压单 元 1 主要针对用电设备进行保护，可以限制吸收瞬 时性过电压如雷电过电压、 操作过电压等。 当系统过 电压能量超出限压单元 1 的设计承受能力时，吸收 单元 2 起动对过电压能量进行再吸收，同时保证系 统电压不超过安全值。由于系统能量为被保护的电 网输送能量， 与时间成比例关系， 所以， 能量吸收单 元 2 的承受时间不是无穷的，可以根据该电网产生 过电压的状况以及系统保护需要进行设置，综合衡 量工艺要求、 成本等因素， 能量吸收单元 2 的设计承 受时间不宜超过 10 min。 通过限压单元 1、 吸收单元 2 的两级限制与吸收，能够保证电网电压在规定的 范围以内， 同时可以消除 98%的过电压故障。为了 实现对电网电压的极端保护， 设置有能量泄放单元， 当电网在补偿工况下， 还是发生了长时间过电压， 通 过限压单元 1、吸收单元 2 的作用，过电压仍然存 在，则通过本发明技术方案中的泄放单元 4 将过电 压的能量直接对地泄放，保证电网电压不对系统的 用电设备、 输变电设备造成危害。 4结语 （1）工矿企业的中压供电系统过电压防护应该 作为一个整体进行保护， 应该考虑保护的全面性、 设 备的可靠性、 保护体系的安全性三个方面。 （2） 孤立地选择一个产品而不考虑整体配合， 无 法形成一个完整的保护体系， 忽略了保护的全面性， 可靠性、 安全性也会大打折扣。 （3）整体防护体系的各个保护层之间应该就过 电压的动作参数、 能量承受等方面进行配合。 参 考 文 献 1 张作琴. 电力系统弧光接地保护的研究J. 电力科学与工程， 2002 （4） . 2 郭思君. 366 kV 电力系统过电压保护器的应用与发展J. 高 电压技术， 2004 （8） . 3 李学斌. 化工企业供电系统的过电压及其防范措施J. 化工安全 与环境， 2003 （26） . 4 许颖. 对消弧线圈消除弧光接地的疑义J. 电力设备， 2001 （4） . 收稿日期： 20150609 作者简介：刘跟平 （1982） ， 男， 硕士研究生学历， 电气工程师， 现从 事冶金企业电气设计研究工作。 题。在 4#机组继电保护安装调试时， 保护整定值清 单由电厂提供， 但是调试由制造厂和调试方负责， 所 以本次装置设定错误是由制造厂和调试方引起。由 于本保护时间设定错误， 对机组的正常运行无影响， 而且在电气常规的开路、 短路试验时， 也无法进行验 证， 所以较难发现问题。 根据电力标准 DL/T 995-2006 继电保护和电 网安全自动装置检验规程 规定， 新安装的继电保护 装置投运一年内， 必须进行第一次全部检验。 4#机组 在 2010 年 2 月时实施了首次 B 级检修，在设备的 检修项目书中也安排了发变组保护的检验项目， 但 是检修单位未按要求实施检修， 在检修文件包的 “检 修异常信息备忘”中明确反馈“本次检修因时间关 系， 新宝变保护 E 柜未涉及” ， 由此错过了一次改正 错误的机会。 6防范措施 （1） 应对 4#机组所有的继电保护装置检修情况 进行全面梳理， 核查保护整定值清单和实际设定值， 对存在的问题及时整改。 （2）设备管理方应严格执行继电保护有关技术 规程， 切不可有侥幸心理， 特别是对新建项目或改造 项目， 投运一年内， 必须进行第一次全部检验。 （3） 3#机组公用母线供电的两台控制气泵在故 障中均跳闸，建议将其中一台控制气泵电源改接至 机组厂高变供电的厂用电源母线，避免 110 kV 系 统故障时引起两台控制气泵同时跳闸，给机组安全 运行带来威胁。 收稿日期： 20150512 作者简介：沈杰 （1966） ， 男， 1990 年毕业于清华大学， 在职工程硕 士， 高级工程师， 电气主任工程师， 现从事发电厂电气专业工作。 10