消弧柜的應(yīng)用

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　摘要：消弧及過電壓保護(hù)裝置（簡(jiǎn)稱KWX），是為了迅速消除中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電器設(shè)備帶來的危害而研制的最新專利技術(shù)產(chǎn)品。裝置主要由三相組合式過電壓保護(hù)器DCB、可分相控制的高壓真空接觸器JZ、微機(jī)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(guān)鍵詞：消弧 過電壓 KWX 限制措施

　　1、中性點(diǎn)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(chǎn)生

　　①固體絕緣設(shè)備的增多降低了系統(tǒng)承受過電壓的能力

　　隨著我國(guó)電網(wǎng)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(yīng)，在3～4倍的內(nèi)部過電壓作用下，局部放電會(huì)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(qiáng)的滅弧能力，在電弧過零點(diǎn)之前被強(qiáng)行截?cái)唷＝亓骱箅姼兄械拇拍茉谙螂s散電容充放電的振蕩過程中，產(chǎn)生過電壓。這種過電壓，主要產(chǎn)生在相間，一般為額定相電壓的3～4倍。

　　③內(nèi)部過電壓得不到有效限制使絕緣壽命大大降低

　　按照國(guó)標(biāo)GB311.1的規(guī)定，220kV及以下的系統(tǒng)以雷電過電壓作為防護(hù)重點(diǎn)。對(duì)于3～35kV的中壓系統(tǒng)，大多數(shù)場(chǎng)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(nèi)部過電壓設(shè)計(jì)。而且避雷器接在相對(duì)地之間，對(duì)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(nèi)部過電壓的長(zhǎng)期持續(xù)作用下，聚乙烯交聯(lián)電纜等固體絕緣設(shè)備的運(yùn)行壽命大大降低，形成絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致對(duì)地?fù)舸?/p>

　　④雷擊、鳥害、斷線、樹枝等外力破壞以及閥式避雷器放電等，是產(chǎn)生弧光接地的外部原因。

　　1.2弧光接地過電壓的產(chǎn)生

　　形成弧光接地過電壓的基礎(chǔ)是間歇性電弧。當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性弧光接地（以下簡(jiǎn)稱“弧光接地”）故障時(shí)，由于電弧多次不斷的熄滅和重燃，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)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(duì)于架空線路，過電壓幅值一般可達(dá)3.1～3.5倍相電壓。

　　以電纜線路為主的供電電網(wǎng)， 絕緣擊穿或電弧重燃時(shí)過渡過程中的高頻電流，可達(dá)數(shù)百安培甚至上千安培。高頻電流過零點(diǎn)電弧熄滅的可能性大大提高，電纜線路弧光接地時(shí)，非故障相的過電壓可達(dá)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(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程籠統(tǒng)地規(guī)定允許帶單相接地故障運(yùn)行2小時(shí)，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(duì)地?fù)舸?，進(jìn)而發(fā)展成為相間短路事故。

　?、诨」饨拥剡^電壓導(dǎo)致燒PT或保險(xiǎn)熔斷

　　普通的電壓互感器飽和點(diǎn)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(yán)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(dǎo)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(xiǎn)熔斷。

　?、?弧光接地過電壓導(dǎo)致避雷器爆炸

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

　　2、弧光接地時(shí)電弧對(duì)故障點(diǎn)的破壞

　　2.1 弧光接地時(shí)流過故障點(diǎn)的電弧電流

　　弧光接地或電弧重燃的瞬間，已充電的相對(duì)地電容將要向故障點(diǎn)放電，相當(dāng)于RLC放電過程。放電電流為：

　　過渡過程結(jié)束后，流過故障點(diǎn)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(shí)值為：

　　流過故障點(diǎn)的綜合電弧電流為：

　　2.2 不同電網(wǎng)單相接地時(shí)的電弧電流

　　不難證明以電纜線路為主的電網(wǎng)和以架空線路為主的電網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生單相電弧接地時(shí)，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 ；

　　③ 架空線路的接地電弧較長(zhǎng)，高頻電弧電流衰減較快。

　　2.3 單相接地電弧電流對(duì)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(shí)，電弧電流對(duì)故障點(diǎn)的破壞程度，主要取決于穩(wěn)態(tài)的工頻電容電流。正因?yàn)檫@樣，幾十年來，人們一直把工頻電容電流當(dāng)作單相接地時(shí)的電弧電流。

　　單相接地時(shí)的電弧電流對(duì)故障點(diǎn)的破壞，主要表現(xiàn)在：

　　① 燃弧點(diǎn)的溫度高達(dá)5000K以上，將會(huì)燒傷導(dǎo)線，甚至導(dǎo)致斷線事故。

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

　　2.4 單相接地電弧電流對(duì)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(duì)故障點(diǎn)的破壞程度遠(yuǎn)比架空線路嚴(yán)重得多；

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

　　3、我國(guó)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(jīng)對(duì)提高3～35kV架空線路供電可靠性起到了積極的作用

　　中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，三相電壓是對(duì)稱的，仍然可以繼續(xù)供電。由于消弧線圈的電感電流補(bǔ)償了電容電流，使得故障點(diǎn)的電弧能夠自行熄滅，這就大大減小了因受風(fēng)吹、電動(dòng)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(fù)。

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

　　隨著城網(wǎng)改造的進(jìn)行，架空線路逐步被電纜線路取代，中壓電網(wǎng)中固體絕緣的設(shè)備逐年增多，以及現(xiàn)有電纜線路隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)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(nèi)部電網(wǎng)和供電電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素。

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

　　從弧光接地過電壓產(chǎn)生的整個(gè)過程來看，與系統(tǒng)對(duì)地電容電流的大小并無關(guān)系。有人曾經(jīng)在系統(tǒng)對(duì)地電容電流為1.1～4.5A的情況下做過上千次試驗(yàn)，結(jié)果每次都有弧光接地過電壓產(chǎn)生①。消弧線圈無法將故障點(diǎn)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(guó)現(xiàn)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(diǎn)的電流，加快了故障點(diǎn)絕緣的恢復(fù)，使得在電壓接近最大值的時(shí)候發(fā)生擊穿的可能性以及在高頻電流過零點(diǎn)擊穿的可能性大大增加。這都會(huì)導(dǎo)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(shí)，電弧電流以高頻電流為主。而消弧線圈只能補(bǔ)償工頻電流的90～95%，對(duì)于高頻電流根本起不到補(bǔ)償作用。消弧線圈無法減輕高頻電弧電流對(duì)故障點(diǎn)的破壞。

　　與架空線路不同的是，電纜線路等固體絕緣設(shè)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(fù)，而且故障的發(fā)展非常迅速，這類設(shè)備對(duì)弧光接地過電壓的承受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(bào)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(yùn)行時(shí)給系統(tǒng)帶來的問題

　　a.消弧線圈與系統(tǒng)對(duì)地電容串聯(lián)諧振，產(chǎn)生虛幻接地或串聯(lián)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(diǎn)產(chǎn)生位移電壓U0：

　　　U0=Ubp　

　　正是這一位移電壓，才導(dǎo)致接地保護(hù)誤動(dòng)作發(fā)出接地警報(bào)，造成虛幻接地現(xiàn)象或者串聯(lián)諧振過電壓。

　　b.消弧線圈與系統(tǒng)對(duì)地電容并聯(lián)諧振，產(chǎn)生傳遞過電壓③

　　變壓器高壓側(cè)的對(duì)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(cè)，使低壓側(cè)產(chǎn)生過電壓U02.這一過電壓取決于變壓器低壓側(cè)對(duì)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(shù)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(gòu)成，Z20由消弧線圈的電感L及系統(tǒng)對(duì)地電容C構(gòu)成。

　　U02=KU01

　　K=Z20/（Z20+Z12）

　　由于正常時(shí)LC運(yùn)行在諧振點(diǎn)附近，變壓器對(duì)地阻抗Z20很大，使得傳遞系數(shù)接近于1，產(chǎn)生傳遞過電壓。

　　c.選線靈敏度降低甚至無法選線。

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

　　3.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地

　　正因?yàn)橄【€圈不但不能避免電纜事故，在正常運(yùn)行時(shí)還存在上述諸多問題，我國(guó)北京、上海、廣州等地區(qū)已逐步將中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地改為經(jīng)小電阻接地方式，我國(guó)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(diǎn)經(jīng)小電阻接地，從根本上解決了消弧線圈正常運(yùn)行中帶來的問題，緩解了弧光接地時(shí)的過電壓，但擴(kuò)大了單相接地時(shí)的故障電流，加劇了故障點(diǎn)的燒傷，犧牲了對(duì)用戶供電的可靠性。對(duì)于用電企業(yè)，被迫停電將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　3.3 將電弧接地快速地轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)損失，當(dāng)發(fā)生單相電弧接地時(shí)，應(yīng)當(dāng)在以下方面采取措施：

　?、俦M快熄滅電弧，防止故障進(jìn)一步發(fā)展；

　?、诒M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(zhuǎn)移負(fù)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(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相電弧接地時(shí)，若能快速地轉(zhuǎn)化為金屬接地，則可收到如下效果：

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

　?、?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(shè)備可以在這個(gè)電壓下安全運(yùn)行；

　　③ 由于電弧被熄滅，過電壓被限制在安全水平，故障不會(huì)再繼續(xù)發(fā)展，為用戶倒閘操作贏得了時(shí)間，避免造成被迫停電。

　　④ 由于弧光接地的持續(xù)時(shí)間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護(hù)器允許的400A 2mS能量指標(biāo)以內(nèi)，避免了過電壓保護(hù)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(jīng)氧化鋅非線性電阻接地

　?、?由于氧化鋅非線性電阻導(dǎo)通電壓不為零，裝置動(dòng)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(shè)計(jì)，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(jié)論

　　近幾年來，經(jīng)過冶金、煤炭、石油、化工及供電等企業(yè)的數(shù)百臺(tái)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，將單相電弧接地快速地轉(zhuǎn)化為金屬接地的辦法，在提高供電電網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)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(rèn)可。

　　消弧及過電壓保護(hù)裝置（簡(jiǎn)稱KWX），是為了迅速消除中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)弧光接地給電器設(shè)備帶來的危害而研制的最新專利技術(shù)產(chǎn)品。裝置主要由三相組合式過電壓保護(hù)器DCB、可分相控制的高壓真空接觸器JZ、微機(jī)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(jī)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(dòng)作指令，真空接觸器JZ在30mS左右完成合閘動(dòng)作，間歇性弧光接地隨之被轉(zhuǎn)化為金屬性接地。真空接觸器動(dòng)作之前的過電壓由三相組合式過電壓保護(hù)器DCB限制在較低的數(shù)值。當(dāng)由于裝置故障、檢修調(diào)試人員誤接線等原因造成裝置誤判斷，導(dǎo)致相間弧光短路時(shí)，F(xiàn)U組件可以在2mS之內(nèi)快速熔斷，短路電流遠(yuǎn)沒有達(dá)到最大值，不會(huì)造成任何后果，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行沒有影響。