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3~35KV中低压电网过电压探讨与防治措施

发布日期:2016-04-07 14:27 浏览次数:
关键词:雷电过电压、操作过电压、铁磁谐振过电压、弧光接地过电压
 3~35KV电力供电系统上,过电压现象十分普遍。如果没有防范措施,随时都可能发生,也随时都可以发现。过电压将对电气或电子装置,其中的电路,元器件,造成直接破坏,这种破坏,依据其严重程度,大体可分为以下四种情况:  ①使设备、装置短时间工作错乱;  ②造成潜故障,即使得电路和器件的性能下降,寿命缩短,提前失效;
    ③造成电路或器件的****性损坏;  ④导致起火,触电等安全事故。
 异常过电压可能是外来的,也可能是设备,装置内部自生的。外侵过电压的侵入途径,可以通过导线、电路传导进入,也可以通过静电感应,电磁感应侵入。过电压的出现可能是有规律的周期性的,但更多则是随机的。因此在大多数情况下,很难准确的把握它。异常过电压,依据其成因的不同,可以分为雷电过电压、操作过电压、铁磁谐振过电压及弧光接地过电压。
 
雷电及操作过电压
一、雷电过电压形成及分类
 雷电过电压,是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压,因其能量来自系统外部,故又称为外部过电压。 
 雷电过电压有两种基本形式:直击雷过电压和感应雷过电压。 
1.直击雷过电压 
 直击雷(direct lightning)过电压是指雷云直接对电气设备或建筑物放电而引起的过电压。强大的雷电流通过这些物体导入大地,从而产生破坏性极大的热效应和机械效应,造成设备损坏,建筑物破坏。 
                
 图1.1 直击雷的放电                                            图1.2 雷电流波形
 
 2.感应雷过电压 
 所谓感应雷过电压,是指当架空线附近出现对地雷击时,在输电线路上感应的雷电过电压。感应雷过电压的形成过程可以用图9.1.3来表示,在雷云放电的起始阶段,雷云及其雷电先导通道中的电荷所形成的电场对线路发生静电感应,逐渐在线路上感应出大量异号的束缚电荷Q。由于线路导线和大地之间有对地电容C存在,从而在线路上建立一个雷电感应电压U=Q/C。当雷云对地放电后,线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷,向线路两端冲击流动。这就是感应雷过电压冲击波。
 
 
 
图1.3感应雷过电压的形成过程
 高压线路上的感应过电压,可高达几十万伏,低压线路上的感应过电压,也可达几万伏。如果这个雷电冲击波沿着架空线路侵入变电站或厂房内部,对电气设备的危害很大。
二、操作过电压的产生及分类
 操作过电压操作过电压是指电路中的断路器、隔离开关、继电器、可控硅开关等通断转接时,在系统电路中、电路对地以及开关两端所产生的过电压。产生操作过电压的原因是由于线路及其中的元器件都带有电感和电容,储存在电感中磁能和储存在电容中的静电场能量,在电路状态突变时产生能量转换,过度的振荡过程,由振荡而出现过电压。操作过电压的持续时间比雷击过电压长,比暂态过电压短,在数百微妙到100mS之间,并且衰减很快。
 常见的真空断路器操作过电压又可以分为截流过电压、多次重燃过电压、三相开断过电压。
 1. 截流过电压。由于真空断路器有良好的灭弧性能,当开断小电流时,电弧在过零前就会熄灭,由于电流被突然切断,其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组的杂散电容充电,转变为电场能量。对于电机和变压器,特别是空载或容量较小时,则相当于一个大的电感,且回路电容量较小,因此会产生高的过电压,特别是开断空载变压器时更危险。从理论上讲可以产生很高的过电压,但由于触头和回路中有一定的电阻产生损耗以及发生击穿,对过电压值有相当的抑制作用,但这种抑制作用是有限的,不能消除在切断小电流时出现的过电压。因此特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时,应加装过电压保护设备。
 2.多次重燃过电压。多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃,电源多次向电机电容进行充电而产生的。在真空断路器切断电流的过程中,触头的一侧为工频电源,另一侧为LC回路充放电的振荡电源,如果触头间的开距不够大,两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿,断路器的恢复电压就会升高。如果触头开距不够大,就会发生第二次重燃,再灭弧、再重燃以致发生多次重燃现象,多次的充放电振荡,触头间的恢复电压逐级升高,负载端的电压也不断升高,致使产生多次重燃过电压,损坏电气设备。 
 3.三相开断过电压。三相开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙产生重燃时,流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零,致使未开断相随之被切断,在其他两相弧隙中产生类似较大水平的截流现象,从而产生更高的操作过电压,所产生的过电压是加在相与相之间的绝缘上。在开断中小容量电机或轻负载情况下容易出现三相开断过电压。 
三、雷电及操作过电压防治
 以上可以看出,雷电过电压和操作过电压产生是随机的而且每次过电压的波形(频率、幅值)都有所不同。目前国内采取的措施有:
 1 、装设金属氧化物避雷器(MOA), 此保护器保护值高,对限制雷电压有保护作用,但对电动机这样绝缘弱的设备起不到保护作用。
 2、装设三相组合式过电压保护器,此保护器主要材料也是氧化锌,其保护设定值较低不仅可以保护相对地过电压还可保护相间过电压。但氧化锌响应速度慢,对高幅值,高陡度的过电压限制效果不理想。
 3、阻容吸收装置(RC) 响应速度快,能够缓和过电压波形的陡度,对设备匝间绝缘有好处,缺点是没有固定的残压值及吸收过电压能量太小。
 通过实践我们认为,复合式过电压保护器是将阻容吸收器和避雷器有机的结合在一起,具有了阻容吸收器和避雷器的双重功能:阻容吸收有效地降低了振荡频率和过电压波头的上升陡度,保护了设备的匝间绝缘,解决了MOA对高频过电压信号响应速度较慢而起不到保护作用的问题,电阻的接入有效阻尼和衰减了过电压振荡;金属氧化物避雷器则发挥通流量大的优点,解决了阻容吸收器不能随较大能量的冲击而损坏的缺陷。
 
铁磁谐振过电压
 一、铁磁谐振过电压产生条件、特点和危害
电力系统中许多元件是属于电感性的或电容性的,如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件,补偿用的并或串联电容器组、高压设备的寄生电容为电容元件,而线路各导线地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容,这些元件组成复杂的LC震荡回路,在一定的能源作用下,特定参数配合的回路就会出现谐振现象.
 下列几种激发条件可以造成铁磁谐振;
 a.电压互感器的突然投入;
 b.线路发生单相接地;
 c.系统运行方式的突然改变或电气设备的投切;
 d.系统负荷发生较大的波动;
 e.电网频率的波动;
 f.负荷的不平衡变化等。
 在我国6~35KV配电网内,发生电压互感器引起的谐振过电压情况甚为频繁,但在某些切换操作如断路器合闸或接地故障消失后,由于三相互感器在扰动后电感饱和程度不一样而形成对地电阻不平衡,它与线路对地电容形成谐振回路,可能激发起铁磁谐振过电压。电压互感器铁心饱和引起的铁磁最常见和造成事故最多的一种内部过电压。在实际运行设备中,由于中性点不接地电网中设备绝缘低,单相接地故障相对频繁,一般说来,单相接地故障是铁磁谐振最常见的一种激发方式。
 二、解决措施
 在电力系统中,由于电压互感器的非线性电感与线路对地电容的匹配而引起铁磁谐振过电压,直接威胁电力系统的运行,严重时会引起电压互感器(PT)的爆炸,造成事故。电压互感器的铁磁谐振必须由工频电源供给能量才能维持下去,如果抑制或消耗这部分能量,铁磁谐振就可以抑制或消除。通常解决的办法是在开口三角绕组中并一个电阻,从理论上讲对频率越低的铁磁谐振应取的阻值越小,但太小的电阻并在PT开口三角上会影响其正常运行,严重时会造成PT烧毁。因为铁磁谐振的频率往往不是单一的,所以这种方法就难于消除所有的谐振。在实际设计中,我们采用下列方法来解决:
 1〉.采用激磁特性好的PT,并使PT组中3台PT激磁特性相近,限制同一系统中PT并联台数,或选用容性PT(如在220 kV及以上系统中用电容式电压互感器)。
 2〉.消耗谐振能量,阻尼抑制或消除谐振发生。在多台并联运行PT中性点加装阻尼电阻R0,只要满足R0≥6%XL即可消除谐振LXQ(D3)-10型消谐电阻器阻值大于6%压变额定励磁电抗,爬电距离满足适用场合电压等级要求,能够有效限制、消除一般谐振能量。
 3〉.在以上基础上,还应在PT开口三角侧加装用于限制高次谐波谐振装置的微机消谐器,能够连续、有效消除谐振过电压。
 
弧光接地过电压的限制措施
    一、弧光接地过电压的产生及危害
  中心点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接的(以下简称“弧光接地” )原因主要有:a、随着我国电网的发展具有固体绝缘的电缆线路逐渐取代架空线路,由于固体绝缘击穿的累积效应,局部放电会造成绝缘的累积性损伤。b、真空断路器的大量采用使操作过电压的概率大大提高,且得不到有效限制使绝缘寿命降低。按照国标GS311.1的规定,220KV以下的系统以雷电过电压作为防护重点,对于3~35KV的中压系统中大多场合还在采用传统避雷器来限制过电压。避雷器接在相对地的,且放电电压为相电压的4倍以上,对相间操作过电压起不到限制作用。在操作过电压长期持续作用下,固体绝缘设备的运行寿命降低,容易形成绝缘的薄弱环节。
   弧光接地故障发生时,由于不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重燃,在非故障相的电感—电容回路上引起高频振荡过电压,过电压幅值一般可达3.1~3.5倍相电压,以电缆线路为主的供电电网,绝缘击穿或电弧重燃时过渡过程中的高频电流可达数百甚至上千安培。电缆线路弧光接地时非故障相的过电压可达4~70倍。其在电力系统危害主要表现在:
 1>、在高幅值的弧光接地过电压持续作用下,加剧了电缆等固体绝缘的累积损伤,在非故障相的绝缘的薄弱环容易造成对地击穿进而发展成为相间短路。
 2>、普通的电压互感器饱和点一般为1.6 ~1.8倍,在弧光接地过电压作用下,使电压互感器严重饱和,激磁电流剧烈增加。电压互感器饱和也很容易激发铁磁谐振,导致电压互感器烧毁或高压保险熔断。
 3>、弧光接地过电压的能量由电源提供,持续时间较长,能量很大,当过电压能量超过避雷器所能承受的400A2mS的能量时,就会造成避雷器的爆炸事故。
    二、消弧线圈的使用
消弧线圈对架空线路的供电可靠性起了很大作用。
 在3~35KV中性点非直接接地系统中发生单相接地时,三相电压是对称的,仍然可以继续供电,由于消弧线圈的电感电流补偿了电容电流,使得故障点的电弧能够自行熄灭,一旦电弧自行熄灭后,架空线路的绝缘又可以完全恢复。
消弧线圈对以电缆为主的供电电网已不能发挥积极作用。
正因为消弧线圈对架空线路的积极作用,几十年来人们误认为消弧线圈能够限制弧光接地过电压,其实不然,消弧线圈不仅不能抑制弧光接地过电压,有时反而加大了过电压的幅值。 随着我国城网改造的进行,架空线路逐步被电缆线路取代,中压电网固体绝缘的设备逐年增多,以及现有电缆线路随着运行时间的加长绝缘逐渐老化,近几年来弧光接地过电压的问题越来越突出,以至于电缆放炮等绝缘事故成为影响企业内部电网和供电电网安全运行的主要因素,从弧光接地过电压产生的过程来看,与系统对地电容电流的大小并无关系。电缆线路发生单相电弧接地时,电弧电流以高频电流为主,而消弧线圈只能补偿工频电流的90~95%,对于高频电流根本起不到补偿作用,消弧线圈无法减轻电缆线路中高频电流对故障点的破坏。大量的事故表明,电缆线路发生单相接地警报之后,少则几秒钟多则几分钟最多十几分钟就发展成为相间短路事故。
消弧线圈在实际运行中还存如下弊端:
正常时消弧线圈的电感和电容运行在串联谐振点附近,会使电网中性点不平衡电压放大,产生虚幻接地或串联谐振过电压。
消弧线圈的补偿作用,使故障点的电流减小,相位发生变化,选线的灵敏度降低甚至无法选线。
在某些情况下不能有效地消除弧光接地过电压。
      三、新型消弧装置的使用
    为能有效抑制弧光接地过电压,防止电缆事故的发生,避免企业因被迫停电带来的经济损失,经过到用户和相关厂家的实地认真考察比较,我们设计中经常微机型消弧装置,当发生单相弧光接地时该装置能快动作速转化为金属性接地,能达到如下效果:
 
 1)尽快熄灭电弧,防止故障进一步发展;
 2)尽快将过电压限制在安全水平,避免固体绝缘累积性破坏;
 3)允许用户在完成转移负荷的倒闸操作之后再处理故障线路,避免被迫停电。
    新型消弧装置应用于中性点非直接接系统中,发生单相弧光接地时装置动作,快速转化为金属性接地,具有如下功能:
由于故障相直接与地网连接,对地电压等于零,工频电弧和高频电弧都将立即熄灭。
金属性接地后,非故障相上的过电压立即稳定在线电压,系统中的设备可以在这个电压下安全运行。
由于电弧被熄灭,过电压被限制在安全水平,故障不会再继续发展,为用户倒闸操作赢得了时间,可以避免造成被迫停电。
由于弧光接地的持续时间大大缩短,过电压的能量降低到过电压保护器允许的400A 2ms能量指标以内,避免了避雷器、过电压保护器的爆炸事故。
由于母线过电压被限制在较低水平,可避免激发铁磁谐振过电压。
 消弧装置中的电压互感器可以向计量仪表和继电保护提供电压信号,可取代常规PT柜,并配置RS485接口,可按照用户提供的通讯规约进行数据远传。若有特殊要求也可以设置后台控制终端。
 实践运行经验和试验证明,尽管企业供电电网总降上加装了自动跟踪消弧线圈来限制弧光接地过电压,但系统弧光接地过电压仍时有发生,对企业电网安全运行产生危害,而通过在电网6KV、10KV母线上架装微机型消弧装置后,系统发生单相接地时新型消弧装置能准确动作,电气设备特别是电缆绝缘不会由于持续过电压造成绝缘累积损伤,导致的相间短路事故的发生。
 
小结    由以上我们可以看出,每种过电压产生的机理不同,有着不同的特点,应采用不同防范措施,才能保证企业电网的安全运行。