葛洲坝水泥中压供电系统电压综合控制技术分析
付金强，周训海
（中国葛洲坝集团水泥有限公司，湖北 武汉 430073）
【摘 要】葛洲坝水泥中压供电系统针对系统电压突变的防护由初期的避雷器，到组合式过电压保护器，再到消弧柜，发展到近年来采用的KYG电网电压综合控制系统。本文通过对各种保护方案在实际应用中的效果分析，探讨水泥企业中压供电系统过电压产生的原因及机理，分析各种保护方案的技术可行性与经济性，以期找到一种有效的防范措施，提高供电网络保护的全面性、可靠性以及设备自身的安全性。
【关键词】过电压 避雷器 组合式保护器 消弧柜 综控柜
1、引言
中国葛洲坝集团水泥有限公司自1971年建立葛洲坝水泥厂以来，已经发展到18家子分公司，在企业发展的过程中，针对各个企业供电的安全性也在逐步提高，特别是针对中压供电系统各种过电压的防范措施，根据国内过电压防护技术的发展，先后采用过PT避雷器柜；消弧线圈；组合式过电压保护器；消弧柜；抑制柜；综控柜等技术。
针对中压供电系统过电压的防范，在设计时一般不是按照整体控制进行考虑，大多只是按照设计规程或经验针对某些故障原因而配置一些产品，这样就导致针对中压供电系统的保护方案只是针对某一种故障原因而设置的单一保护措施，缺乏保护的整体性。
围绕葛洲坝水泥各厂采用的各种过电压防范措施，根据时间的发展顺序，本文作一汇总分析，为以后中压供电网络的安全运行探索一种可行的保护方案。
2、
PT避雷器柜
1）PT柜安装避雷器
早期的中压供电网络通常是在开关柜和电压互感器柜（PT柜）内安装用于防雷的避雷器，顾名思义，避雷器是为了防止雷电侵入波过电压，其工作原理如图1所示，在A、B、C三相电与地之间设置一个非线性电阻的放电通道，按照GB11032交流无间隙金属氧化物避雷器国家标准，10kV系统电站型避雷器的直流1mA电压值不小于24kV，操作冲击电流残压为38.3kV，这种保护方式主要缺点有两个：
首先，避雷器的设计目的是为了防止瞬时性的雷电侵入波过电压，这种过电压的表现形式一般是相对地过电压，那么，对于主要表现为相间过电压的内部过电压，比如操作过电压，保护的动作值是两个避雷器的叠加，也就是直流1mA参考电压不小于48kV,操作冲击电流为2×38.3=76.6kV，而10kV用电设备的绝缘耐受能力是42kV，其结果必然导致用电设备的烧损。
举例说明， 2014年3月，某水泥厂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变压器进线端相间短路，造成变压器的报废性损伤。针对以上事故，公司组织相关专家探讨分析，认定事故原因为相间过电压造成的设备绝缘积累性损伤，损伤达到一定程度后，即使并不严重的过电压甚至是正常运行电压，都可能导致设备的相间短路以致设备烧损。
其次，避雷器的设计目标是针对瞬时性的过电压，按照国家标准GB11032规定，其2ms方波通流量为150A，这就决定了避雷器只能够承受瞬时性的脉冲过电压，对于连续的脉冲冲击，避雷器无法承受过电压产生的能量，其结果必然导致避雷器的击穿甚至爆炸。
所以，避雷器适用于架空线路为主、开关柜采用少油开关的小型供配电网络，以及户外架空线路；对于大电网特别是以电缆输电为主，真空断路器作为操作开关的现代供电网络，避雷器已经无法满足要求。
2）
PT柜安装组合式过电压保护器
组合式过电压保护器包括无间隙组合式过电压保护器和串联间隙组合式过电压保护器，由于串联间隙的分散度大、以及间隙放电冲击的影响，串联间隙组合式过电压保护器事故率太高，尽量不再采用。
组合式过电压保护器解决了用电设备保护的全面性问题，保护器的抗冲击能力也得到大大提高，但是保护器采用的是分布式保护，也就是安装在每面开关柜内，从材料成本以及自身体积的角度考虑，保护器的承受能量不可能做的很大，主要目的还是为了解决瞬时性过电压的问题。虽然相对于避雷器，其抗冲击能量及使用寿命都得到了提高，但是，一旦过电压产生的能量超过保护器的设计承受能力，还是会造成保护器的击穿甚至爆炸。
2015年7月28日，一水泥厂10kV配电室发生过电压保护器的击穿，共导致4台保护器的烧损，厂区停电超过48小时。经多方现场勘察，查明事故原因如下：10kV进线是由架空线路输送至配电室外，然后转为电缆进入室内，在架空线路与电缆的接头处，发生对地放电，产生间歇性弧光接地过电压，因为弧光接地过电压持续时间较长，超出过电压保护器的设计承受能力，导致过电压保护器的击穿爆炸。
3、消弧柜
过电压产生的能量决定于电压、电流以及过电压持续的时间，在一个固定的系统内，其过电压能量主要决定于过电压持续的时间，而持续时间长、过电压幅值高的典型故障是间歇性弧光接地，这类故障发生的概率虽然不大，破坏力很大，往往火烧连营，给企业带来很大的直接或间接经济损失。在此背景下，公司开始采用消弧及过电压保护装置，俗称“消弧柜”。
消弧柜的一次系统如图3所示，基本原理是将发生弧光接地的故障相直接金属接地，将产生振荡型高电压的间歇性弧光接地故障转变为金属接地，这种保护方案原理简单，缺点是系统需要缺相运行。
在使用的过程中，发生消弧柜动作但是无法查到故障原因，了解国内其他使用消弧柜的企业，这种现象多有发生，有些企业甚至一年动作几十次，最后只有切除不用。
究其原因，消弧柜仅仅是一个孤立的针对间歇性弧光接地的单一保护装置，没有与供电系统其他的过电压保护设备进行参数的配合，判断依据简单，特别是没有考虑弧光接地持续的时间，对于持续时间不长，能够自恢复的偶发性过电压故障，甚至是电压波动，消弧柜都会动作，事后用户又无法确定故障原因，从而使得消弧柜误动频发。由于消弧柜的误动，导致系统缺相运行，将事故扩大化，给用户造成许多麻烦，并使自身形成了一个故障隐患。
2016年3月至2016年7月，针对某10kV供电系统误动比较频繁的消弧柜进行了跟踪统计，因为该消弧柜之前已经多次发生误动，为了防止误动对系统造成无谓的冲击，所以在跟踪统计时间段内，将一次系统的接地断路器进行了闭锁，即使发生误动不会造成系统单相接地或两相短路，只是二次系统采样分析报警，统计结果如下：
|
序号 |
动作时间 |
故障记录 |
处理方式 |
事故分析结论 |
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1 |
2016年3月18日18点52分 |
A相弧光接地 |
检查正常，直接复位 |
误动 |
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2 |
2016年3月30日10点08分 |
A相弧光接地 |
检查正常，直接复位 |
误动 |
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3 |
2016年4月10日9点43分 |
B相金属接地 |
检查正常，直接复位 |
误报 |
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4 |
2016年5月23日14点55分 |
C相弧光接地 |
检查正常，直接复位 |
误动 |
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5 |
2016年7月18日17点35分 |
A相弧光接地 |
检查正常，直接复位 |
误动 |
根据上述统计结果，该消弧柜误动频率达到15次/年，当然，不能以该结果否定所有的消弧柜产品，不同的生产厂家，不同的运行环境，结果会有差异，但是，结合上述消弧柜的设计原理，这个统计结果应该能够作为消弧柜产品运行效果的一个重要参考。
4、抑制柜
为了解决消弧柜的误动问题，以及解决弧光接地时造成的缺相运行问题，公司通过技术调研，在实际应用中采用了过电压抑制柜，也称聚优柜，其工作原理如图4所示。
这种保护方案采用纯物理特性的高能氧化锌材料对供电网络的电压突变进行吸收抑制，不会造成系统的单相接地，动作时间迅速，不会造成误动、拒动，可靠性高。
吸取过电压保护器、消弧柜使用的经验教训，对于过电压抑制柜的使用，采用了谨慎的态度，一是小范围试用，二是对使用效果进行调研。
通过和其他采用该装置的企业进行技术探讨，发现该装置在使用过程中，多次发生烧毁事故，原因在于抑制柜技术理论的根本点是其能量抑制装置必须能够将弧光过电压的能量消耗掉，也就是必须考虑氧化锌非线性电阻的能量与电网弧光过电压的能量相配合，按照10kV系统、30A电容电流、带故障运行2小时计算（国家规程要求），需要480路高能氧化锌电阻并联运行，成本超过100万；480路动作一致，工艺上几乎不可能。所以，这种理论适合抑制短时间过电压，如果过电压持续时间超过设计承受值，该装置则会击穿甚至爆炸。基于上述原因，抑制柜在葛洲坝水泥没有大量采用。
5、KYG综控柜
通过对前述的几种保护方案运行效果分析，以及与行业技术人员的探讨，总结得出，中压供电系统的过电压保护，首先应该考虑保护的整体性，制定一个整体性的保护方案，各种保护装置的选择应该和这个保护方案相一致；其次，各种保护装置在能量承受设置上应该与过电压的持续时间相配合，也就是选择一种综合控制技术。
综合控制技术说穿了就是一种整体控制技术，是将整个供电系统的PT功能、电压监控、自动跟踪补偿、过压保护、电压突变的能量抑制、智能消弧、电子消谐、故障选线、通讯等各种电压突变保护措施通过参数的配合形成一个整体的防护体系。立体式保护，横向：将整个系统的电网电压作为一个整体进行控制考虑，纵向：集检测、分析、处理于一体，使系统电网处于全过程、全自动监控与保护状态，保障电网的安全可靠运行。
要实现一个供电网络电压突变的整体防护体系，必须做到两点：1）供电网络要确定一个整体的、合理的、可行的保护方案；2）系统的初期建设和后期的扩容、改造等必须按照这个保护方案进行产品的配置。
KYG综合控制系统基本原理如图5所示，基本原理如下：
设置电网异常监测仪KYZK，实时监测供电网络各个参数的变化，对电网发生的异常变化进行分析，判断供电网络发生异常的原因，并进行针对性的处理。
对于供电系统产生的过电压，不论什么原因引起的，过电压保护器和PT综控柜内的限压装置KYX在故障发生的瞬时，过电压达到动作值时，氧化锌非线性电阻导通，缓和过电压波头陡度，限制过电压峰值。如果过电压是瞬时性的，其他保护单元不需要投入，过电压防护过程结束。
如果系统发生短时间过电压，电压突变的能量超出过电压保护器和限压装置的能量承受能力，PT综控柜内的能量抑制装置KYD投入运行，进一步限制过电压，并吸收电压突变的能量。
一般情况下，上述的二级防范措施就可以保证系统的电压突变不会超过用电设备的绝缘承受能力。
如果要确保系统的安全运行，在系统发生长时间间歇性弧光接地，通过限压、能量抑制两级防护，间歇性弧光接地过电压依然存在，PT综控柜内的泄放单元将发生间歇性弧光接地的故障相直接金属接地，强制消弧，系统带故障运行。
整个过程，系统应该是安全的，电气人员根据故障属性以及生产的需要，安排停电维修。
6、结语
避雷器、过电压保护器、消弧柜、抑制柜等过电压保护装置都是针对某一种过电压而设置的单一保护装置。
中压供电系统的过电压防护应该作为一个整体进行保护，应该考虑保护的全面性、设备的可靠性、保护体系的安全性三个方面。
KYG电网电压综合控制系统是一种全面性的保护方案，横向是将供电网络作为一个整体予以考虑；纵向上是按照保护装置的能量承受能力实现过电压保护各级的配合，是目前比较完善的一种保护方案。
参考文献
1．刘跟平：3～66kV电力系统过电压保护整体设置方案的探讨，冶金动力，2015年第9期
2．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
3．郭思君：3～66kV电力系统过电压保护器的应用与发展，高电压技术，2004年第8期
4．李学斌：化工企业供电系统的过电压及其防范措施，化工安全与环境，2003年第26期
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