消弧柜的應用

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　摘要：消弧及過電壓保護裝置（簡稱KWX），是為了迅速消除中性點非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電器設備帶來的危害而研制的最新專利技術產品。裝置主要由三相組合式過電壓保護器DCB、可分相控制的高壓真空接觸器JZ、微機控制器、高壓限流熔斷器組件FU及帶有輔助二次繞組的電壓互感器PT等組成。

　　關鍵詞：消弧 過電壓 KWX 限制措施

　　1、中性點非直接接地系統(tǒng)弧光接地過電壓的危害

　　1.1弧光接地的產生

　?、俟腆w絕緣設備的增多降低了系統(tǒng)承受過電壓的能力

　　隨著我國電網的發(fā)展，具有固體絕緣的電纜線路逐漸取代架空線路。由于固體絕緣擊穿的積累效應，在3～4倍的內部過電壓作用下，局部放電會造成絕緣的積累性損傷。

　?、谡婵諗嗦菲鞯拇罅坎捎檬共僮鬟^電壓的概率大大提高

　　由于真空斷路器很強的滅弧能力，在電弧過零點之前被強行截斷。截流后電感中的磁能在向雜散電容充放電的振蕩過程中，產生過電壓。這種過電壓，主要產生在相間，一般為額定相電壓的3～4倍。

　?、蹆炔窟^電壓得不到有效限制使絕緣壽命大大降低

　　按照國標GB311.1的規(guī)定，220kV及以下的系統(tǒng)以雷電過電壓作為防護重點。對于3～35kV的中壓系統(tǒng)，大多數場合還在采用傳統(tǒng)的避雷器來限制過電壓。避雷器的放電電壓為相電壓的4倍以上，按躲過內部過電壓設計。而且避雷器接在相對地之間，對發(fā)生在相與相之間的操作過電壓，根本起不到限制作用。

　　在內部過電壓的長期持續(xù)作用下，聚乙烯交聯電纜等固體絕緣設備的運行壽命大大降低，形成絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，導致對地擊穿。

　?、芾讚簟ⅧB害、斷線、樹枝等外力破壞以及閥式避雷器放電等，是產生弧光接地的外部原因。

　　1.2弧光接地過電壓的產生

　　形成弧光接地過電壓的基礎是間歇性電弧。當中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性弧光接地（以下簡稱“弧光接地”）故障時，由于電弧多次不斷的熄滅和重燃，導致系統(tǒng)對地電容上的電荷多次不斷的積累和重新再分配，在非故障相的電感—電容回路上引起高頻振蕩過電壓。對于架空線路，過電壓幅值一般可達3.1～3.5倍相電壓。

　　以電纜線路為主的供電電網， 絕緣擊穿或電弧重燃時過渡過程中的高頻電流，可達數百安培甚至上千安培。高頻電流過零點電弧熄滅的可能性大大提高，電纜線路弧光接地時，非故障相的過電壓可達4～71倍。

　　1.3弧光接地過電壓的危害

　?、俑叻档倪^電壓加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞

　　對于中性點非直接接地系統(tǒng)，我國現行規(guī)程籠統(tǒng)地規(guī)定允許帶單相接地故障運行2小時，并未區(qū)分是架空線路還是電纜線路，也沒有明確是弧光接地還是金屬接地。在高幅值的弧光接地過電壓的持續(xù)作用下，加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞。最終在非故障相的絕緣薄弱環(huán)節(jié)造成對地擊穿，進而發(fā)展成為相間短路事故。

　?、诨」饨拥剡^電壓導致燒PT或保險熔斷

　　普通的電壓互感器飽和點一般為1.6～1.8倍，在弧光接地過電壓作用下，使電壓互感器嚴重飽和，激磁電流劇烈增加。另一方面，電壓互感器飽和，也很容易激發(fā)鐵磁諧振，導致電壓互感器過載。上述兩種情況，都將造成電壓互感器燒毀或高壓保險熔斷。

　?、?弧光接地過電壓導致避雷器爆炸

　　弧光接地時，過電壓的能量由電源提供，持續(xù)時間較長，能量很大。當過電壓的能量超過避雷器所能承受的400A 2mS的能量指標時，就會造成避雷器的爆炸事故。

　　2、弧光接地時電弧對故障點的破壞

　　2.1 弧光接地時流過故障點的電弧電流

　　弧光接地或電弧重燃的瞬間，已充電的相對地電容將要向故障點放電，相當于RLC放電過程。放電電流為：

　　過渡過程結束后，流過故障點的電弧電流只剩下穩(wěn)態(tài)的工頻電容電流，其有效值為：

　　I=3Uω0C

　　瞬時值為：

　　流過故障點的綜合電弧電流為：

　　2.2 不同電網單相接地時的電弧電流

　　不難證明以電纜線路為主的電網和以架空線路為主的電網，當發(fā)生單相電弧接地時，電弧電流具有如下特征：

　?、?電纜線路的穩(wěn)態(tài)工頻電弧電流是架空線路的25～50倍；

　　② 電纜線路的高頻電弧電流是架空線路的十倍以上 ；

　?、?架空線路的接地電弧較長，高頻電弧電流衰減較快。

　　2.3 單相接地電弧電流對架空線路的破壞

　　由于高頻電流較小，且衰減較快，發(fā)生單相接地時，電弧電流對故障點的破壞程度，主要取決于穩(wěn)態(tài)的工頻電容電流。正因為這樣，幾十年來，人們一直把工頻電容電流當作單相接地時的電弧電流。

　　單相接地時的電弧電流對故障點的破壞，主要表現在：

　?、?燃弧點的溫度高達5000K以上，將會燒傷導線，甚至導致斷線事故。

　?、?若電弧不能很快熄滅，則在風吹、電動力、熱氣流等因素的影響下，將會發(fā)展成為相間弧光短路事故。

　　2.4 單相接地電弧電流對電纜線路的破壞

　?、?由于電纜線路的穩(wěn)態(tài)工頻電容電流比架空線路大很多，而過渡過程中的高頻電流更大，電弧電流對故障點的破壞程度遠比架空線路嚴重得多；

　　② 電纜線路的相間距離很短，電弧燃燒時將直接破壞相間絕緣，以致于在幾分鐘之內就會形成相間短路事故。

　　3、我國限制弧光接地過電壓的措施分析

　　3.1消弧線圈的作用

　?、?消弧線圈曾經對提高3～35kV架空線路供電可靠性起到了積極的作用

　　中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，三相電壓是對稱的，仍然可以繼續(xù)供電。由于消弧線圈的電感電流補償了電容電流，使得故障點的電弧能夠自行熄滅，這就大大減小了因受風吹、電動力等影響而引起直接的相間弧光短路的可能性。一旦電弧自行熄滅后，架空線路的絕緣又可以完全恢復。

　?、谙【€圈對于以電纜線路為主的供電網絡已不能繼續(xù)發(fā)揮作用

　　隨著城網改造的進行，架空線路逐步被電纜線路取代，中壓電網中固體絕緣的設備逐年增多，以及現有電纜線路隨著運行時間的加長絕緣逐漸老化。近幾年來弧光接地過電壓的問題越來越突出，以至于電纜放炮等絕緣事故成為影響企業(yè)內部電網和供電電網安全運行的主要因素。

　　幾十年來人們誤認為消弧線圈能夠限制弧光接地過電壓。其實不然，消弧線圈不僅不能抑制弧光接地過電壓，有時反而加大了過電壓的幅值①。

　　從弧光接地過電壓產生的整個過程來看，與系統(tǒng)對地電容電流的大小并無關系。有人曾經在系統(tǒng)對地電容電流為1.1～4.5A的情況下做過上千次試驗，結果每次都有弧光接地過電壓產生①。消弧線圈無法將故障點的電弧電流降低到1.1A以下，因此并不能抑制弧光接地過電壓。所以，我國現行規(guī)程并不建議采用消弧線圈來抑制弧光接地過電壓①。

　　正是由于消弧線圈的投入，減少了故障點的電流，加快了故障點絕緣的恢復，使得在電壓接近最大值的時候發(fā)生擊穿的可能性以及在高頻電流過零點擊穿的可能性大大增加。這都會導致過電壓幅值的增加。

　　如前所述，電纜線路發(fā)生單相電弧接地時，電弧電流以高頻電流為主。而消弧線圈只能補償工頻電流的90～95%，對于高頻電流根本起不到補償作用。消弧線圈無法減輕高頻電弧電流對故障點的破壞。

　　與架空線路不同的是，電纜線路等固體絕緣設備的絕緣水平低于架空線路，一旦發(fā)生擊穿其絕緣很難恢復，而且故障的發(fā)展非常迅速，這類設備對弧光接地過電壓的承受能力遠遠低于架空線路。大量的事故表明，電路線路發(fā)生單相接地警報之后，少則幾秒鐘多則十幾分鐘就已發(fā)展成為相間短路事故。

　?、巯【€圈正常運行時給系統(tǒng)帶來的問題

　　a.消弧線圈與系統(tǒng)對地電容串聯諧振，產生虛幻接地或串聯諧振過電壓

　　可以證明，是消弧線圈的投入，放大了系統(tǒng)的不平衡電壓Ubp，使系統(tǒng)中性點產生位移電壓U0：

　　　U0=Ubp　

　　正是這一位移電壓，才導致接地保護誤動作發(fā)出接地警報，造成虛幻接地現象或者串聯諧振過電壓。

　　b.消弧線圈與系統(tǒng)對地電容并聯諧振，產生傳遞過電壓③

　　變壓器高壓側的對地過電壓U01通過高低壓繞組之間的耦合電容C12傳遞到低壓側，使低壓側產生過電壓U02.這一過電壓取決于變壓器低壓側對地阻抗Z20與高低壓繞組間耦合阻抗Z12之間的分壓比，即傳遞系數K.等效電路如下圖所示：

　　其中，Z12由高低壓繞組之間的耦合電容C12構成，Z20由消弧線圈的電感L及系統(tǒng)對地電容C構成。

　　U02=KU01

　　K=Z20/（Z20+Z12）

　　由于正常時LC運行在諧振點附近，變壓器對地阻抗Z20很大，使得傳遞系數接近于1，產生傳遞過電壓。

　　c.選線靈敏度降低甚至無法選線。

　　中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，應盡快選出故障線路，以便檢查處理。由于消弧線圈的補償作用，使故障點的電流減少，相位發(fā)生變化，必然會降低選線的靈敏度，甚至使選線工作根本無法進行。

　　3.2 中性點經小電阻接地

　　正因為消弧線圈不但不能避免電纜事故，在正常運行時還存在上述諸多問題，我國北京、上海、廣州等地區(qū)已逐步將中性點經消弧線圈接地改為經小電阻接地方式，我國石油化工系統(tǒng)也提出了采用小電阻接地方式的建議④。

　　中性點經小電阻接地，從根本上解決了消弧線圈正常運行中帶來的問題，緩解了弧光接地時的過電壓，但擴大了單相接地時的故障電流，加劇了故障點的燒傷，犧牲了對用戶供電的可靠性。對于用電企業(yè)，被迫停電將會造成巨大的經濟損失。

　　3.3 將電弧接地快速地轉化為金屬接地

　　為能有效抑制弧光接地過電壓，防止電纜事故的發(fā)生，避免企業(yè)因被迫停電所帶來的經濟損失，當發(fā)生單相電弧接地時，應當在以下方面采取措施：

　　①盡快熄滅電弧，防止故障進一步發(fā)展；

　　②盡快將過電壓限制在安全水平，避免固體絕緣的積累性破壞；

　?、墼试S用戶在完成轉移負荷的倒閘操作之后再處理故障線路，避免被迫停電。

　　在中性點非直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相電弧接地時，若能快速地轉化為金屬接地，則可收到如下效果：

　?、?由于故障相直接與地網連接，對地電壓等于零，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅；

　　② 金屬性接地后，非故障相上的過電壓立即穩(wěn)定在倍，系統(tǒng)中的設備可以在這個電壓下安全運行；

　?、?由于電弧被熄滅，過電壓被限制在安全水平，故障不會再繼續(xù)發(fā)展，為用戶倒閘操作贏得了時間，避免造成被迫停電。

　　④ 由于弧光接地的持續(xù)時間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護器允許的400A 2mS能量指標以內，避免了過電壓保護器爆炸事故；

　?、?由于母線過電壓被限制在較低的水平，可避免激發(fā)鐵磁諧振過電壓。

　　3.4將故障相經氧化鋅非線性電阻接地

　?、?由于氧化鋅非線性電阻導通電壓不為零，裝置動作后不能保證立即熄滅電弧，電弧熄滅后也不能保證不重燃；

　?、?電弧一旦熄滅并不再重燃，則系統(tǒng)電容電流將全部流過氧化鋅非線性電阻，若能容量按照1MJ設計，氧化鋅非線性電阻也只能維持5秒鐘，仍不能避免被迫停電。

　　4、結論

　　近幾年來，經過冶金、煤炭、石油、化工及供電等企業(yè)的數百臺運行經驗表明，將單相電弧接地快速地轉化為金屬接地的辦法，在提高供電電網和企業(yè)內部電網的供電可靠性方面，收到了較理想的效果，受到用戶的歡迎和認可。

　　消弧及過電壓保護裝置（簡稱KWX），是為了迅速消除中性點非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電器設備帶來的危害而研制的最新專利技術產品。裝置主要由三相組合式過電壓保護器DCB、可分相控制的高壓真空接觸器JZ、微機控制器、高壓限流熔斷器組件FU及帶有輔助二次繞組的電壓互感器PT等組成。一旦系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地，微機控制器立即判別故障類型和相別并向故障相的真空接觸器JZ發(fā)出動作指令，真空接觸器JZ在30mS左右完成合閘動作，間歇性弧光接地隨之被轉化為金屬性接地。真空接觸器動作之前的過電壓由三相組合式過電壓保護器DCB限制在較低的數值。當由于裝置故障、檢修調試人員誤接線等原因造成裝置誤判斷，導致相間弧光短路時，FU組件可以在2mS之內快速熔斷，短路電流遠沒有達到最大值，不會造成任何后果，對系統(tǒng)的運行沒有影響。