1 引言
为了抑制系统过电压,提高电网运行的安全可靠性,消弧柜广泛应用于电力、钢铁、煤矿、水泥、石油和化工等行业。当系统出现弧光接地故障时,消弧柜通过快速接触器在故障相投入专用限压器,限制弧道恢复电压,破坏电弧滋生条件,使接地电弧在电流过零时不再重燃,从而得到抑制弧光过电压的目的。但随着企业内电网及城市电缆网络的发展与变化,系统本身的复杂性对过电压也产生越来越重要的影响,难以孤立使用一种装置来抑制系统过电压。针对目前中低压系统过电压防治现状,近年来出现的以弥补系统中过电压保护元件及装置不足,提升系统过电压保护水平的过电压抑制柜也得到了很大的应用。
本文就以上两种过电压保护装置的原理、基本功能及技术特点做一简要介绍和比较、分析。
2 装置原理及基本功能
2.1 消弧柜
2.1.1 装置原理
如下图(图1)所示:装置通过由微机控制器WZK和PT组成的检测系统对系统的运行状态进行监测,当出现弧光过电压时,WZK立即发出指令,令故障相快速接触器ZK迅速合闸,将专用限压器RV投入到故障相上,限制弧道恢复电压,使弧道在接地电流过零后不再重燃,同时泄放接地电弧能量,消除弧光。当系统有操作过电压或大气过电压时,由组合式过电压保护器JPB将过电压限制在系统绝缘允许的范围内。
图1 消弧柜一次原理图
2.1.2 基本功能
① 消弧功能:在系统发生弧光接地故障时,尽快熄灭电弧,防止故障进一步发展,避免固体绝缘设备的累积性破坏;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;
② 消谐功能:一次和二次相结合的消谐功能,快速抑制系统非线性谐振;
③ 单相接地选线功能:采用“群体比幅比相”的方法,迅速判断故障线路;
④ 替代PT柜的的功能。
2.2 过电压抑制柜
2.2.1 装置原理
如下图(图2)所示,装置采用专用过电压尖峰吸收器JSE-G,该装置采用动态电阻氧化锌阀片,能够很大程度降低残压值。当系统发生过电压时,过电压尖峰吸收器JSE-G瞬时抑制过电压尖峰,并吸收系统过电压时所产生的大量能量,消除系统过电压保护盲区。
同时装置电压互感器PT高压侧中性点经过以大能量氧化锌压敏电阻为主要元件的JXQ型消谐器接地(图2),限制了系统在一相接地或弧光接地时流过PT高压绕组的过电流,从而防止和消除电磁式PT铁芯饱和引起的非线性谐振(铁磁谐振),保护PT和高压熔断器RD免予受损。
装置的智能测控单元ZK,实时监测系统运行状态,将系统中的过电压、低电压、接地、谐振、断线等事故进行准确的判断处理与预警。
图2 过电压抑制柜一次原理图
2.1.2 基本功能
① 消弧功能:在系统发生弧光接地故障时,尽快熄灭电弧,防止故障进一步发展,避免固体绝缘设备的累积性破坏;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;
② 消谐功能:一次和二次相结合的消谐功能,快速抑制系统非线性谐振;
③ 单相接地选线功能:采用“群体比幅比相”的方法,迅速判断故障线路;
④ 替代PT柜的的功能。
2.2 过电压抑制柜
2.2.1 装置原理
如下图(图2)所示,装置采用专用过电压尖峰吸收器JSE-G,该装置采用动态电阻氧化锌阀片,能够很大程度降低残压值。当系统发生过电压时,过电压尖峰吸收器JSE-G瞬时抑制过电压尖峰,并吸收系统过电压时所产生的大量能量,消除系统过电压保护盲区。
同时装置电压互感器PT高压侧中性点经过以大能量氧化锌压敏电阻为主要元件的JXQ型消谐器接地(图2),限制了系统在一相接地或弧光接地时流过PT高压绕组的过电流,从而防止和消除电磁式PT铁芯饱和引起的非线性谐振(铁磁谐振),保护PT和高压熔断器RD免予受损。
装置的智能测控单元ZK,实时监测系统运行状态,将系统中的过电压、低电压、接地、谐振、断线等事故进行准确的判断处理与预警。
2.2.2 基本功能
① 全面的过电压保护功能,消除系统过电压保护盲区;
② 吸收系统过电压能量大;
③ 系统单相接地故障消除时,可以有效地限制通过PT的冲击电流、保护PT和熔断器不被烧毁;
④ 消谐功能,消谐元件出口功率大、无触点;
⑤ 实时监测系统运行状况功能,具有过电压、欠压、PT断线、接地、谐振等判断处理和预警功能;
⑥ 取代PT柜、避雷器柜功能。
3 两种装置的比较
3.1 消弧柜的特点及局限
3.1.1 其特点
① 将弧光接地过电压限制在电网安全运行的范围之内,同时转移故障点,弥补了消弧线圈限制弧光接地过电压的不足,提高了电网的供电可靠性;
② 限制过电压的机理与电网对地电容电流的大小无关,保护性能不随电网运行方式的改变而变化;
③装置的结构简单,动作可靠,体积小,安装、检修方便适用于各种电力系统的运行;
④ 装置具有较高的性价比,可取代消弧线圈、接地变压器及其控制屏,对于新建工程还可省掉PT柜。
3.1.2 其局限是:
在同一母线上,配置一台消弧柜,能够顺利完成消弧任务;
但随着电网系统的扩大,当在系统总降变电所及下级开闭所同一段母线上配置多台消弧装置,容易造成装置之间的“振荡”消弧,此起彼伏,系统无法正常运行。
3.2 过电压抑制柜特点
3.2.1 其特点
① 可根据不同的系统参数进行设计;
② 消除系统中出现的各种过电压,吸收过电压能量大,消除过电压保护盲区区,弥补其他过电压保护装置的不足;
③ 纯阻性技术抑制系统过电压,动作时对系统无冲击,不产生暂态危害;
④ 系统接地故障消除时,可有效限制通过PT的冲击电流,避免了系统保护、测量事故的发生;
⑤ 装置智能化程度高,运行和维护极为方便;
⑥ 应用广泛,投运方便。
4 工程设计应用实例分析
4.1 某电厂
1#机组55MW汽轮发电机组,于2005年6月投运,发电机出口电压为6.3kV。机组高压厂用电源的接线方式为6 kV单母线不分段。电源一路由发电机出口经电抗器引入,另一路由电厂110 kV母线经高备变(110/6kV)引入6 kV备用段,经备用段接入。随着机组的长期运行,因检修工艺、维护不到位及震动、发热等运行状况影响引起绝缘损伤、老化等,都会造成设备绝缘水平的下降,容易造成6 kV厂用电系统接地事故。并分别于2010和2011年出现了两次6kV厂用电系统单相弧光接地,后发展为相间短路,TV高压侧保险烧断,严重威胁电厂的安全生产。
4.1.1 事故发生经过及分析
2010年8月,1#给水泵电机运行中跳闸,主控室6 kV母线电压指示消失,发电机出口电压指示小时,出现“TV断线”光字牌。经检查发现,1#给水泵电机的接线盒处,因B相接线鼻压接处发热,绝缘受热老化,在里接线鼻约20cm处绝缘击穿,引起弧光接地,后发展为B、C相间短路,电流速断保护动作跳闸,同时引起6 kV母线TV高压侧三相保险烧断。
2011年6月,2#给水泵运行,运行人员准备切换到1#给水泵运行,启动1#给水泵后,运行人员检查1#泵运转情况时,听到电机接线盒“砰”的一声,立即按下事故停机按钮,检查发现A相弧光接地,6kV母线TV高压侧保险烧断。
检查分析两次事故的原因都是因为电机的电缆接线鼻和电缆的芯线压接工艺不够标准,运行当中发热引起绝缘老化,最终导致故障相对电机外壳击穿放电,形成故障相弧光接地,因防范措施缺少,后发展为相间短路或因弧光接地形成过电压或铁磁谐振过电压造成TV高压侧保险烧断。
4.1.2 采取措施及效果
2011年7月,JWSX消弧装置安装在电厂6kV厂用电l段原有的TV柜的位置, 并且代替原有的TV柜功能,投入后,运行一切正常。2012年4月,1#循环水泵运行中电机电源电缆(地埋敷设)被铲车推破保护层和绝缘层,JWSX消弧装置判断及时,准确动作,避免了先单相接地后两相短路跳机事故,同时发出接地告警信号。
4.2 某地大型净水厂工程
变电站10kV系统主要组成是:电源进线2回(一主一备),接线方式为单母线分段接线,每段母线配10kV PT柜一台;运行方式为使用主电源进线回路,两段母线并列运行。其中10kV PT柜的主要配置是:电磁式电压互感器JDZX-10、高压熔断器XRNP-10/0.5A、一次消谐器RXQ-10及隔离手车等其他辅件组成。
4.2.1 事故经过及原因分析
变电站10kV系统在2008年投运后,两段母线PT柜均在无任何先兆的情况下,先后分别于2011年3月9日凌晨、2011年11月21日凌晨发生电压互感器及熔断器烧毁、爆炸事故。通过事后查询相关记录,均显示事故前均有过电压侵扰。
4.2.2 采取措施及效果
2012年1月,JSE-WGY过电压抑制柜安装在该厂10 kV系统每段原有的TV柜的位置, 并且代替原有的TV柜功能,投入后,运行一切正常。期间谐振、过电压,该装置均准确动作,及时报警。
5 结束语
综上分析可知,这两种过电压保护装置在功能上各有特点、且可以相为补充使用的。
在以电缆用户为主的用户中,如果线路长度不长且下级分站不复杂,可以只装设消弧柜。如果线路较长且下级分支较多,则需要使用过电压抑制柜,过电压抑制柜更利于远景规划。
最后,只有正确地配置了过电压保护装置,才能有效地全面抑制系统过电压,保证电网的安全运行及供电可靠性,同时又能节省设备投资。
参考文献:
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[4] 解广润．电力系统过电压[M]．武汉:水利电力出版社,1985．