国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司 222004
摘要：近年来，部分企业开始采用中性点经小电阻接地。针对企业供电系统各种不同的接地方式提出三种整体保护方案，并对其原理及优缺点进行分析，探讨中压供电系统过电压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，全面提高企业的供电质量。
关键词：过电压；避雷器；保护器；消弧线圈；电阻柜；多级保护
0引言
随着现代企业对供电质量的要求提高，传统的过电压保护方式显然不能满足现代企业对供电质量的要求。中压供电系统的过电压保护不同于电流保护，其电压通常是等电位，所以，过电压保护的设置不仅仅要考虑纵向的配合，还需要考虑横向的参数配合，必须针对企业中压供电网络制定一个整体的保护方案，在整体保护方案的基础上，选用合适的产品，通过参数的配合形成一个完整的防护体系。本文针对企业供电系统常用的三种接地方式，提出相应的整体保护方案，并对其技术原理进行分析探讨，以期找到一种有效的防范措施，全面提高企业的供电质量。
1中性点不接地系统
针对企业3~35kV中性点不接地供电系统，以及供电、用电的特性，结合国内现有技术水平，可以设置一个三级保护的整体防护体系，如图1所示，包括以下设置：过电压保护器1+能量抑制装置2+单相接地消弧装置3。
图1中性点不接地系统过电压保护设置图
1.1过电压保护器
避雷器的设计目的是为了防止雷电产生的相对地过电压，现在的企业供电网络主要以电缆输电线路为主，操作开关以真空断路器为主。这种供电工况下，系统过电压的主要威胁来自于内部过电压，包括操作过电压、谐振过电压、间歇性弧光接地过电压、单相金属接地过电压等等。该方案中采用无间隙组合式过电压保护器，在每个开关柜内和PT柜内设置。主要作用是限制断路器关合过程中断路器出线侧产生的操作过电压和系统外部（雷电侵入波）、内部（操作、谐振、接地等）产生的瞬时性过电压。限压装置抗冲击能力较强、可以缓和过电压波头的的陡度，限制过电压的峰值。作为系统过电压防护的第1级保护设置。
1.2能量抑制装置
过电压导致的破坏大小决定于过电压的能量，所以要充分考虑各种过电压可能造成的过电压能量，过电压保护器主要是针对瞬时性过电压而设置的，过电压的能量一旦超出过电压保护器的设计承受能量，就会导致过电压保护器的击穿、形成热积累、进而热崩溃，就是通常所说的爆炸。能量抑制装置的作用是在过电压保护器能量承受不住时，用来吸收系统过电压产生的能量，能量抑制装置与过电压保护器的配合曲线图见图2。
图2过电压保护器与能量抑制装置的曲线配合图
图2中曲线1是过电压保护器的非线性特性曲线，曲线2是能量抑制装置的非线性特性曲线。第一阶段，当过电压的峰值低于过电压保护器的直流1mA电压参考值U1mA时，过电压保护器和能量抑制装置都处于高阻状态；第二阶段，当过电压的峰值高于过电压保护器的直流1mA电压参考值U1mA但低于能量抑制装置的直流1mA电压参考值U1mA时，过电压保护器动作导通，能量抑制装置仍处于高阻状态；过电压保护器限制过电压的峰值，缓和过电压波头的陡度，承受瞬时性过电压的能量，将过电压峰值限制在用电设备绝缘承受能力范围以内；第三阶段，随着过电压峰值的升高，当过电压峰值高于U1mA但低于UI0时，能量抑制装置导通，此时，过电压保护器与能量抑制装置都处于导通状态，过电压保护器中通过的电流大于能量抑制装置中通过的电流；第四阶段，当过电压峰值升高到UI0时，达到保护单元（1）伏安特性曲线与保护单元（2）伏安特性曲线的交叉点，保护单元（1）与保护单元（2）通过的电流都为I0；随着过电压的进一步升高，保护单元（2）通过的电流快速增大，而保护单元（1）通过的电流增大缓慢，保护单元（2）通过的电流远远大于保护单元（1）通过的电流，将过电压产生的突变能量通过保护单元（2）进行吸收抑制。
如此设置，将限制过电压峰值与抑制过电压能量分别由伏安特性曲线不同的两个保护单元分别承担，利用两个保护单元中不同的氧化锌非线性电阻，由高压氧化锌非线性电阻单元进行过电压峰值的限制和过电压波头陡度的缓和，由高能氧化锌非线性电阻单元进行过电压能量的吸收与抑制。两个保护单元利用其物理特性，在伏安特性曲线达到I0时，实现物理性交接，避免已知的过电压保护装置造成的过电压能量超出保护装置的设计承受能力而发生的击穿崩溃和爆炸，对用电设备的保护性能大大提高。
1.3单相接地消弧装置
如果供电系统发生长时间间歇性弧光接地故障，产生长时间间歇性弧光接地过电压，而电压突变的能量通过过电压保护器、能量抑制装置的控制还无法消除时，则通过单相接地消弧装置直接金属接地，强制性消除弧光接地过电压，作为供电系统过电压防护的第3级保护设置。
2中性点经消弧线圈接地系统的设置方案
针对企业3~35kV中性点经消弧线圈接地的供电系统，以及消弧线圈的特性、消弧线圈与其他保护单元的配合能力，可以形成一个四级保护的整体防护体系，如图3所示，包括以下设置：消弧线圈接地补偿装置0+过电压保护器1+能量抑制装置2+单相接地消弧装置3。
图3消弧线圈接地系统保护原理图
2.1消弧线圈
消弧线圈作为一种保护措施，主要是针对系统对地杂散电容电流较大，可能导致间歇性弧光接地过电压的问题，主要原理是利用电感电流与电容电流在相位上相差180°的原理对系统的电容电流进行补偿，但这种补偿只是针对工频过电压，而间歇性弧光接地故障常常是高频振荡过电压，消弧线圈无能为力。另外，消弧线圈对其他原因引起的电网电压突变没有保护作用。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等。按照过电压持续时间划分，有瞬时性的脉冲过电压，短时间过电压，长时间过电压等。所以，安装消弧线圈不能够替代电网过电压的整体防护设置，但可以减少系统弧光接地发生的几率，可以作为一种整个防护体系的0级保护，在消弧线圈以外，系统的整体过电压保护体系如前所述按照三级保护设置，消弧线圈作为零级保护设置，共同形成四级的防护体系。
2.2工作原理
消弧线圈是预调式，没有延时，系统如果发生间歇性弧光接地过电压，消弧线圈快速进行系统杂散电容电流的补偿，如果补偿残流小于一定值时，弧光消除，则过电压控制过程结束。针对消弧线圈补偿过程中的过电压，或者其他原因引起的系统过电压，对系统过电压的控制按照前述1到3级的动作原理，对系统实施保护。特别说明的是，1级保护限压装置是利用非线性电阻的物理特性，与系统的接地方式没有关系，是针对任何原因引起的达到一定值的过电压。而2级保护能量抑制装置、3级保护单相接地装置的动作与消弧线圈在时间上形成配合，消弧线圈的动作是瞬时的，单相接地装置的动作一般延时5s，如果消弧线圈达到补偿效果，弧光过电压消除，则3级保护单相接地装置不会动作，否则，在延时5s后，单项接地装置动作将发生间歇性弧光接地的故障相直接金属接地，强制性消除弧光。在延时5s的过程中，系统过电压的抑制由能量抑制装置承担，那么，能量抑制装置的设计承受能量必须超过5s。也即在整个过电压发生到消除的过程中，保证系统过电压不能超过用配电设备的绝缘耐受能力。
3中性点经小电阻接地系统
针对企业3~35kV中压供电系统，如果采用小电阻接地的供电方式，考虑小电阻接地的工作特性，可以形成三级保护的整体防护体系，如图4所示，包括以下设置：过电压保护器1+能量抑制装置2+中性点接地电阻3。
图4小电阻接地系统保护原理图
3.1中性点接地电阻柜
中性点小电阻接地装置主要针对单相接地故障，包括金属接地、间歇性弧光接地。中性点通过小电阻接地，主要目的是针对持续时间较长的单相接地故障通过故障线路的跳闸实现供电系统的保护，并不是针对所有的系统电压突变。无论是什么原因导致的系统过电压，对系统的破坏都是电压突变的幅值和波头陡度，以及过电压持续的时间，也就是电压突变的能量。所以，小电阻接地系统是整体保护系统的一个环节，不能代替整体保护体系。
3.2工作原理
针对中性点小电阻接地系统，整体电压保护方案采用KYG-I型PT综合控制柜。KYG-I型PT综合控制柜由PT装置、电网异常监测装置、限压装置、能量抑制装置共同构成，安装在母线上、替换常规的PT柜。KYG-I型PT综合控制柜不设置泄放单元，其保护功能由中性点小电阻接地柜承担。其他功能与上述相同。中性点采用小电阻接地的供电方式，整体保护体系的基本原理如下：电网异常监测仪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。如果系统发生非接地原因导致的短时间过电压，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投入运行，进一步限制过电压，并吸收电压突变的能量。如果系统发生接地故障，包括金属接地和间歇性弧光接地，由中性点接地电阻柜与故障线路形成大电流实现故障切除保护。而在故障切除之前与故障切除过程中形成的过电压，由上述的两级保护承担，这样可以确保整个过程中用电设备的安全。
4结语
根据供电方式的不同，应该制定一个电网电压的整体控制方案，按照该方案配置系统过电压的保护产品。过电压的限制应该根据过电压能量的大小，形成一个多级的保护层，各保护层的参数相互配合。多级保护方案中各保护层之间的参数配合保证供电系统的过电压不会超过用配电设备的绝缘承受能力，保障供电系统安全有效地运行。
参考文献：
[1] 刘跟平，郭思君. 3~66 k V电力系统过电压保护整体设置方案的探讨[J]冶金动力.2015（9）
[2] 张作琴，李敬兆. 电力系统弧光接地保护的研究[J]. 电力科学与工程，2002（4）
[3] 李锦鹏，郭思君. 3~66 k V 电力系统过电压保护器的应用与发展[J]. 高电压技术，200（8）
论文作者:王琛
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/15
标签：过电压论文; 能量论文; 装置论文; 弧光论文; 弧线论文; 系统论文; 抑制论文; 《基层建设》2017年第35期论文;