弧光接地过电压及限制措施在石化企业的应用

师萍，张静波

(1.兰州石化公司仪表厂，甘肃 兰州 730060;2.兰州石化公司电仪事业部，甘肃 兰州730060)

1 前言

随着城网改造的进行，架空线路逐步被电缆线路取代，中等电压等级的电网中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。因此对于如何正确认识电网的过电压现状，对过电压采取何种有效的防范措施，以确保电网电力系统的安全、可靠和稳定运行就显得尤为重要和急迫。

弧光接地过电压又称间歇性弧光接地电压。当中性点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接地(以下简称“弧光接地”)故障时，不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起高频振荡过电压，非故障相的过电压幅值一般可达3.15～3.5倍相电压。这种过电压是由于系统对地电容上电荷多次不断的积累和重新再分配形成的，是断续的瞬间发生的且幅值较高的过电压，对电力系统的设备危害极大。当系统发生单相弧光接地时，在3.5倍过电压的持续作用下，造成电气设备绝缘的积累损伤，当过电压超过避雷器所能随的400A 2ms能量时，就会造成避雷器的爆炸事故。

我国3-35(66)kV电压等级的电力系统，多为中性点非直接接地。该系统发生单相接地故障时，由于故障电流较小，根据现有规程，允许系统继续运行两小时。可是，如果单相接地故障为弧光接地，则其过电压的最高值可达3.5倍正常运行相电压的峰值，此过电压长时间作用于系统，将造成电气设备内绝缘的积累性损伤，对健全相的外绝缘薄弱点造成对地击穿进而引发相间短路故障。国内普遍采用自动跟踪补偿式消弧线圈接地方式来解决这类电网弧光接地产生过电压的问题。但是，由于弧光接地点的随机性，采用消弧线圈要对电容电流进行有效补偿效果并不理想，用正弦波的电感电流去抵消非正弦波的电弧电流时，高频分量部分依旧无法抵消。

在中性点非直接接地系统中，发生单相金属性接地时，非故障相产生倍的过电压，系统中的设备可以在这个电压安全运行。当发生间歇性弧光接地时，非故障相上将产生3.15～3.5倍的过电压，若接地电流在高频过零点熄弧或在电压接近最大值时发生击穿，这一过电压将会更高。间歇性弧光接地引起的过电压，才是设备绝缘的主要威胁之一。随着电网的扩大，系统对地电容不断增加，故障点的电弧已不能自行熄灭，消弧线圈补偿对于目前以电缆线路为主的供电网络已不能继续发挥作用，而小电阻接地方式难免会牺牲对用户供电的可靠性。多年以来人们一直为寻求适合我国国情的能有效抑制弧光接地过电压的措施，以便提高中性点非直接接地系统的供电可靠性。我们换一种方式思考，如果将弧光接地迅速转化为金属性接地，并将非直接接地电网相对地及相与相之间的过电压(无论何种类型的过电压)限制到略大于正常运行线电压的水平，使这种类型的过电压限制到尽可能低的水平，彻底解决了各种过电压对设备及运行安全的威胁，提高这类电网供电的可靠性。

2 弧光接地过电压限制措施的思想

为了能有效抑制或进而消除6kV中性点非直接接地系统弧光接地给电气设备带来的危害，解决消弧线圈在正常运行中带来的问题，在6kV母线上加装消弧及过电压装置(以下简称XHG装置)，将原来的中性点经消弧线圈接地系统改进完善为中性点不直接接地系统。当系统发生单相金属性接地时，非故障健全相上的过电压只有倍的相电压而且非常稳定，不会造成设备绝缘的积累性损伤，如果将弧光接地迅速转化为金属性接地，就可以将弧光接地过电压的能量降低到过电压保护器(TBP)允许的400A 2ms能量指标以内，从而保证供电系统还可以安全运行2h。该装置采用非补偿方式，利用配套的微机小电流接地选线装置，在发生单相接地故障时，流过故障点电容电流是系统对地最大的电流，采用最大增量法的算法，可提高小电流接地选线装置的灵敏性、可靠性及选线准确性。

3 XHG装置的原理及元器件构成

装置原理图如图1所示。

图1 XHG装置基本原理图

XHG装置主要由三相组合式过电保护器TBP，可分相控制的高压真空接触器JZ，微机控制器ZK，高压限流熔断器组件FUR及带有辅助二次绕组的电压互感器PT等组成，一旦系统发生单相间隙性弧光接地过电压微机控制器ZK立即判别故障类型与相别并向故障相的真空接触器JZ发出动作指令，真空接触器JZ在30ms内完成合闸动作，间隙性弧光接地随之被转化为金属性接地，迫使故障点的电压为零，流经故障点的电容电流转移到消弧装置的接地点，使故障点的电容电流为零，当然电弧自燃就会熄灭，从而消除间歇性弧光接地故障。使健全相电压稳定限制在倍相电压范围内，符合小电流系统单相接地故障运行2h以上的电力运行要求。保证了弧光接地过电压消失，真空接触器动作之前的过电压由三相组合式过电压保护器TBP限制在较低的数值，由于时间短，能量不超过TBP允许的400A 2ms的能量指标，仍可保证TBP的安全。

3.2 综合控制器ZK的控制过程

当系统发生单相接地时，电压互感器PT的二次辅助绕组信号将由低电平变成高电平，ZK检测到变化的高电平信号后启动中断，ZK对三相信号经过计算处理，判断接地相别及接地属性，ZK根据接地属性做出处理:

(1)当接地故障是稳定的金属性直接接地，ZK仅发出故障相别的指示信号。ZK与微机选线保护联络，由微机选线保护处理解决。

(2)当接地故障是不稳定的间隙性弧光接地，先判定接地的相别，同时发出指令使JZ中对应的一相接地。使系统由不稳定的、过电压很高的弧光接地转变成稳定的金属性直接接地，故障相的对地电压降为零，原来接地故障点的弧光消失，其他两相的对地电压升高至线电压。这种状态是现行运行规程所允许的。

(3)JZ第一次闭合5s后自动分闸，若JZ断开后再无弧光接地故障现象，说明这一接地故障是暂时的，系统恢复正常运行，ZK退回原始状态。若JZ断开后再次出现弧光接地故障，则ZK认定这一故障为永久性的弧光接地，此时再次指令相应的JZ闭合，ZK将按照预先设定的程序发出警告信号，告知值班人员故障发生的相别。ZK与微机选线保护联络，选线保护进行处理。在JZ断开接地点的过程中出现暂时的过电压，由TBP进行限制。

(4)JZ第二次(连续的同一相)闭合接地后不再分开，只有故障线路自动或者由人工切除后，由中控室或当地给ZK发送复位指令，ZK受到复位指令后，让JZ断开，系统恢复正常。

该装置还加装了高压限流熔断器，以防止误操作或接地后其他相的异地接地引起的二相异地对地短路事故。

4 XHG装置一次设备的选择

4.1 系统参数及短路电流计算

110kV橡胶变电站一次系统接线如图2所示。消弧及过电压保护装置安装在厂6kV系统的I～IV段，每段一台，正常情况下，每台主变下方投运一台消弧装置。

图2 110kV橡胶变电站一次系统图

(1)系统参数

系统额定电压:Ue=6.3kV;系统阻抗:大方式:0.08466

基准容量:S1=100MVA

根据我公司的系统技术参数可得知，1#、2#主变的电抗标幺值归算到基准值为:

1#、4#电抗标幺值归算到基准值为:

(2)短路电流计算

若在下图d1与d2点发生短路时:在d1点发生短路时:

在d2点(消弧装置安装处)发生短路时(串入电抗器计算):

图3

在消弧装置安装处发生短路时，由于距离很近，按照串入电抗器时的三相短路电流(d2点短路电流)来选择设备。根据实际测量，橡胶厂110变6kV供电系统电容电流为65.4A，考虑到橡胶厂后续的改扩建可能产生的系统扩容，选择装置电流le=110A为宜。

5 应用效果

XHG装置2004年12月安装完成并在110kV橡胶变电站投入运行，截止目前供电系统共发生了8次单相接地故障，消弧装置准确动作了4次，并准确地判断出接地相别和接地故障类型。有效地杜绝了弧光过电压对设备的损坏，没有因为过电压造成电缆绝缘击穿而引起的供电系统电压波动，提高了供电系统的稳定性，达到了预期的目的，验证了采用该项新技术的可行性。

6 结论

本文根据对6kV系统中限制弧光接地过电压措施在实际运行存在中的问题的分析，得到了以下下结论:

(1)消弧线圈并不能抑制弧光过电压，有时反而可能过电压的幅值。发生短路故障时，消弧线圈只降低了故障点的电容电流，这一电流在过零点熄弧，电容上的电荷发生积累和再分配，因此并不能抑制弧光接地过电压。

(2)消弧及过电压装置将线路中的弧光接地转化为金属性接地，能够有效地消除弧光产生的过电压。装置内的过电压保护器能够把母线中的操作过电压限制在较低的水平，从而有效地保护设备的绝缘，保证供电系统安全稳定运行。

［1］何仰赞.电力系统分析［J］.华中科技大学出版社.

［2］许颖.对消弧线圈“消除弧光接地过电压”的异议［J］.电力设备.

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