发表于《化工安全与环境》03年26期：
化工企业供电系统的过电压及其防范措施
李学斌1 郭思君2
（1. 山东明水化肥厂，山东 济南 250200；2.芜湖科越电气有限公司，安徽 芜湖 241009）
【摘 要】通过对化肥厂最近两起事故的分析，探讨化工企业供电系统过电压产生的原因及机理，论述组合式过电压保护器和XHB消弧及过电压保护装置在化工企业应用的可行性与经济性，以期找到一种有效的防范措施。
【关键词】过电压 避雷器 氧化锌 间隙
1、 前言
化工企业电力系统主要是由变压器、电动机、断路器及电缆等设备组成。由于各种因素的影响，电气设备随时可能受到外部和内部过电压的侵袭，过电压出现的时间虽然短暂，但由于其峰值高、波形陡，对电气设备威胁很大。偶尔一次过电压可能不至于将电气设备损坏，但已使设备绝缘受到不可逆的损害，多次过电压的积累作用使设备的绝缘耐受能力逐步下降，以至于最后一次并不大的电压波动都会将绝缘击穿。举例说明， 2003年3月，山东一化肥厂10kV高压电动机在正常运转中突然冒烟短路，经检查该电机定子线圈匝间绝缘击穿。事隔不久，该厂一面10kV真空开关柜烧损，造成开关柜的报废性损失。两次事故严重影响企业的安全生产和经济效益。
因此，研究过电压产生的机理、量值范围，从而恰当地进行保护设备的选择与设计，是保证电气设备安全运行的一项重要工作。以往，冶金、石化企业常常不是将供电系统作为一个整体予以重视，以至于电气设备绝缘因为过电压而损坏的现象时有发生。
2、 系统过电压分析
电气设备在运行中承受的过电压有来自外部的雷电过电压和由于系统参数发生变化时电磁能产生振荡，积聚而引起的内部过电压两种类型。按其产生的原因雷电过电压又分为直击雷过电压、感应雷过电压及雷电侵入波过电压；内部过电压主要分为暂时过电压及操作过电压。在操作过电压中又分为操作电容负荷过电压、操作电感负荷过电压以及间歇性电弧接地过电压。
在化工企业，由于真空断路器的广泛采用，以及电网规模不断扩大，电缆的使用越来越多，使开断空载变压器及高压电动机等电感负荷产生的操作过电压和单相接地时电弧不能自熄形成的间歇性弧光接地过电压越来越严重，成为电网及设备安全运行的主要威胁，是化工企业不容忽视的问题。究其原因主要是由于：
1）真空断路器分断速度快、灭弧能力强，在开断电感负荷时有可能不是在电流经过工频零点时熄弧，而是在电流瞬时值尚为i时，被迫在极短的时间内下降到零，从而产生截流过电压和三相同时截流过电压，另外开断后还会产生高频振荡，使断路器发生多次重燃过电压。无论是截流过电压、三相同时截流过电压还是重燃过电压，主要表现为相间过电压，幅值最高可以超过3.5倍Uф，而相地过电压数值仅为相间过电压的二分之一左右。
2）化工企业6～10kV系统均采用中性点不接地运行方式。随着电网规模不断扩大，电缆的使用越来越多，使系统对地电容电流大幅度上升，在单相接地的故障点电弧不能自动熄弧，从而发生电弧周期性的熄灭与重燃，出现间歇电弧，引起电网产生高频振荡，形成过电压。这种间歇性弧光接地过电压幅值可能超过3.5UФ，甚至达到6 UФ，而且过电压持续的时间可以达到数十分钟或更长，波及范围广，对电气设备危害严重。
山东化肥厂的两起事故正是由于上述两种过电压所致。事故发生后，该厂技术人员邀请相关专家及设计部门对系统情况以及发生故障前后的系统运行工况进行分析认为，电机匝间绝缘击穿是由于操作过电压造成电机绝缘积累性损伤，最终导致高压电机的绝缘击穿；而真空开关柜发生爆炸是由于间歇性弧光接地引起的。
目前化工企业对过电压的防护一般只采用安装避雷器（以下简称MOA）的方法，其接线采用三星型接法如图1所示，执行国标GB11032-89，如10kV的MOA的操作冲击电流残压U
残≥25kV，那么，该种保护可以将相对地过电压U
AD、U
BD、U
CD最低限制到25kV左右。而对相间过电压U
AB、U
AC、U
BC的保护是由两只MOA叠加完成的，其残压为U
残=2×25KV=50kV。而运行中的高压电动机相对地及相间绝缘所能承受的过电压数值可用下式计算：
UR= （2 Ue+1）×0.75×K
式中：Ue-----电动机额定电压
K-----冲击系数，我国一般取1.15～1.25
当电动机额定电压Ue=10kV，冲击系数K取1.15时，可以得出电动机的绝缘耐受能力：UR=25.6kV，对照MOA的保护水平U相地=25kV、UA相间=2×25KV=50kV可以看出，该保护方式对系统中的相对地过电压可以起到一定的保护作用，而对相间过电压根本无法保护。每次过电压必然对电气设备造成冲击，形成积累性损伤，使绝缘下降。当绝缘下降到一定程度时，将会加速其老化。如果电动机绝缘耐受电压低于避雷器的设计保护值，即使在正常运行电压下电动机也会发生绝缘损伤而形成匝间短路。
对间歇性弧光接地过电压，多数化工企业没有针对性的防护措施。当系统发生单相接地时，系统因有接地电容电流的存在而形成间歇性弧光接地过电压，其幅值高，持续时间较长，致使MOA无法承受而爆炸。MOA的爆炸又引起相间或相地短路起火，导致开关柜的烧毁，事故进一步扩大，往往“火烧连营”，一次故障造成多处设备的损坏。
3、 过电压的防范措施
3.1防范的基本原则
为了实现对过电压的可靠防护，保障电气设备以及保护器自身的安全运行，必须针对过电压产生的原因、持续时间、量值范围等采取针对性防护措施。一套完备的保护必须具备以下三个要素，缺一不可。1）保护的全面性：保护要考虑系统各种可能的过电压，而不是针对某一种工况。如MOA只能限制系统相对地过电压，而对相间过电压则无能为力。2）绝缘配合的可靠性：对过电压防护的目的是为了保护设备绝缘的安全，所以保护装置的参数设计必须与设备的绝缘耐受能力进行合理匹配。3）保护装置自身的安全性：在对电气设备能够可靠保护的前提下，保护装置自身必须能够安全运行，否则，不仅保护不了设备绝缘，反而造成系统中的事故隐患。
3.2 外部过电压的防护
对于直击雷及感应雷过电压，目前国内较多的采用避雷网、避雷针进行防护；对于雷电侵入波过电压，由于其表现形式主要为相对地过电压，一般采用MOA加以防护。对这类保护措施，国内应用很多，技术比较成熟，这里不再祥述。
3.3 瞬时内部操作过电压的防护
如前所述，内部过电压主要表现为相间过电压，三星型接法的MOA对相间过电压基本没有防护作用，在这种情况下，安装组合式避雷器是一种可行的保护方案。
相对于老式的MOA，组合式避雷器一般采用四星型接法，如图2所示，由A、B、C、D四个保护单元两两组合成六只完整的避雷器，分别保护三相对地过电压和相间过电压，使保护的全面性大大提高，两种电机型避雷器的电气特性对比见表1。
表1 10kV MOA和组合式避雷器电气特性比较表 kV
|
产品类型 |
电压等级
|
|
直流1mA参考电压 |
操作冲击残压 |
雷电冲击残压 |
|
MOA |
10 |
相对地 |
18.9 |
25 |
31 |
|
相间 |
37.8 |
50 |
62 |
|
KY组合式避雷器 |
10 |
相对地 |
16.5 |
23.1 |
24.8 |
|
相间 |
16.5 |
23.1 |
24.8 |
由表1可见， MOA保护动作后的瞬时残压值偏高，对雷电产生的相对地过电压保护作用比较勉强，对相间过电压完全没有保护作用。而KY组合式避雷器对相地过电压和相间过电压具有同等的保护作用，相对地过电压的保护性能优于避雷器，而相间过电压更是下降了60%-70%，保护的全面性以及与电动机绝缘水平（25kV）配合的可靠性都大大提高。
3.4 间歇性弧光接地过电压的防护
耐受过电压和限制过电压是两个不同的概念，耐受过电压是指避雷器在一定幅值、一定时间的过电压作用下，不会发生异常和爆炸。避雷器必须能够耐受瞬时的内部操作过电压，否则自身安全无法保障。但是，对于间歇性弧光接地过电压，由于其作用时间的不确定性，要求避雷器完全能够耐受显然是不经济、不合理的。对这类过电压，一般采用中性点经消弧线圈的运行方式，或者安装XHB消弧限压装置。
中性点经消弧线圈接地的保护方式主要原理是利用电感电流与电容电流在相位上差180°的原理，用电感电流补偿对地电容电流。但现行所有以消弧线圈设计的自动跟踪补偿或自动调谐是在电网工频（50Hz ）下完成的。电网在单相间歇性电弧接地时刻，在健康相（非故障相上）发生的弧光过电压和通过电弧接地故障点的总电流是幅值较大的高频电流，而电网电容和消弧线圈电感在高频下，两者频率特性是完全不同的，两者在高频下互相补偿或调谐具有一定的难度。即使消弧线圈的感性电流能完全补偿容性电流，中性点位移电压Uo将很高。过补偿方式可减小中性点位移电压，但失谐度大，将使线路接地电流太大，电弧不易熄灭，那么弧光过电压仍然存在。所以，消弧线圈自动跟踪或自动调谐可以对电容电流进行一定程度上的补偿，减少弧光接地发生的几率，但是不可能像一些杂志所报道的能“消除弧光接地过电压”，甚至在某些情况下可使过电压值更大。
XHB消弧限压装置是在不改变系统运行方式的情况下，采用计算机集中监测，利用氧化锌非线性电阻(ZnO)元件与消弧电阻组合限压消弧，基本原理如图3所示。综合控制器ZK通过对信号转换器ST以及ZnO输送的信号进行计算处理，判断故障相别及属性，根据过电压性质以及接地属性分别做出处理。
对于瞬时的雷电过电压或操作过电压等，由ZnO对过电压进行限制并吸收其能量，过电压消除后，系统自动恢复正常工作。如果接地故障是稳定的金属性接地，则ZK仅发出故障相别的指示信号，由微机选线装置查找接地故障点，并警报值班人员进行排除。如果接地故障是间歇性弧光接地，首先由ZnO将过电压限制在一个较低的水平，并提供信号给综合控制器ZK，ZK通过对信号转换器以及ZnO提供的信号进行计算处理，判别出接地故障发生的相别及接地性质，发出指令将对应相的快速电子开关KD闭合，使灭弧电阻投入，系统由不稳定的弧光接地转变为稳定的电阻接地，将弧光消除，把过电压控制在规程允许的范围以内，同时进行故障的查找及排除。
XHB保护方式，可以快速地抑制作用时间长、对系统及设备安全威胁最大的弧光接地过电压，消除谐振过电压。同时，系统中的各类过电压均被限制到较低电压水平，其限制过电压的功能将比装设消弧线圈更可靠、更完善；整套装置限制过电压的机理与电网对地电容电流的大小无关，因而其保护性能不随电网运行方式的改变而变化，电网的扩大也无影响。该装置特别适用于环境比较恶劣但又必须保证供电连续性的冶金、化工等企业。
为了进一步加强系统的可靠性，也可以将消弧线圈与XHB同时使用。当系统发生间歇性弧光接地时，通过消弧线圈进行补偿，如果补偿后接地电流较小，电弧可自行熄灭，XHB不动作；否则，XHB可以准确动作，有效限制系统弧光接地过电压。
4、结束语
1) 冶金、化工企业中的电气设备经常会受到系统中各种过电压的威胁，研究过电压产生的原因从而有效地采取防范措施对于保障企业的安全运行具有重要的意义。
2) 对于不同的过电压应采取针对性的防范措施，应该考虑保护的全面性，绝缘配合的可靠性和保护器自身的安全性。
3) MOA只能够对雷电产生的相对地过电压起到一定的限制作用，而内部过电压更多地表现为相间过电压，可以采用组合式避雷器进行保护。
4) 对于系统中存在时间较长、威胁最大的间歇性弧光接地过电压、谐振过电压可以采取安装XHB消弧及过电压保护装置进行防护。
参考文献
1．张作琴：电力系统弧光接地保护的研究，电力科学与工程，2002年第4期
2．刘光同：石化企业电动机的过电压及防护，石油化工安全技术，1998年第3期
3．许颖：对消弧线圈消除弧光接地的疑义，电力设备，2001年第4期
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