供電系統(tǒng)的過電壓及其防范措施在化工企業(yè)——系統(tǒng)過電壓分析（2）
電氣設(shè)備在運(yùn)行中隨的過電壓有來(lái)自外部的雷電過電壓和由于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)電磁能產(chǎn)生振蕩、積聚而引起的內(nèi)部過電壓兩種類型。按其產(chǎn)生的原因雷電過電壓又分為直擊雷電電壓、感應(yīng)雷過電壓及雷電侵入波過電壓；內(nèi)部過電壓主要分為暫時(shí)過電壓及操作過電壓。在操作過電壓中又分為操作電容負(fù)荷過電壓、操作電感負(fù)荷過電壓以及間歇性電弧接地過電壓。
在化工企業(yè)，由于真空斷路器的廣泛采用，以及電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電纜的使用越來(lái)越多，使開斷空載變壓器及高壓電動(dòng)機(jī)等電感負(fù)荷產(chǎn)生的操作過電壓和單相接地時(shí)電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過電壓越來(lái)越嚴(yán)重，成為電網(wǎng)及設(shè)備安全運(yùn)行的主要威脅，是化工企業(yè)不容忽視的問題。究其原因主要是由于：
1．真空斷路器分?jǐn)嗨俣瓤?、滅弧能力?qiáng)，在開斷電感負(fù)荷時(shí)有可能不是在電流經(jīng)過工頻零點(diǎn)時(shí)熄弧，而是在電流瞬時(shí)值尚為i時(shí)，被迫在極短的時(shí)間內(nèi)下降到零，從而產(chǎn)生截流過電壓和三相同時(shí)截流過電壓，另外開斷后還會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，使斷路器發(fā)生多次重燃過電壓，主要表現(xiàn)為相間過電壓，幅值最高可以達(dá)到3.5倍Uφ，而相地過電壓數(shù)值僅為相間過電壓的二分之一左右。
2．化工企業(yè)6~10kV系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電纜的使用越來(lái)越多，使系統(tǒng)對(duì)地電容電流大幅度上升，在單相接地的故障點(diǎn)電弧不能自動(dòng)熄弧，從而發(fā)生電弧周期性的熄滅與重燃，出現(xiàn)間歇電弧，引起電網(wǎng)產(chǎn)生高頻振蕩，形成過電壓。這種間歇性弧光接地過電壓幅值可能超過3.5Uφ，而且過電壓持續(xù)的時(shí)間可以達(dá)到數(shù)十分鐘或更長(zhǎng)，波及范圍廣，對(duì)電氣設(shè)備危害嚴(yán)重。
前述山東某化肥廠的兩起事故正是由于上述兩種過電壓所致。事故發(fā)生后，該廠技術(shù)人員邀請(qǐng)相關(guān)專家及設(shè)計(jì)部門對(duì)系統(tǒng)情況以及發(fā)生故障前后的系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行分析認(rèn)為，電機(jī)匝間絕緣擊穿是由于操作過電壓造成電機(jī)絕緣積累性質(zhì)傷，最終導(dǎo)致高壓電機(jī)的絕緣擊穿；而真空開關(guān)柜發(fā)生爆炸是由于間歇性弧光接地引起的。
目前化工企業(yè)對(duì)過電壓的防護(hù)一般只采用安裝避雷器（以下簡(jiǎn)稱MOA）的方法，其接線采用三星型接法，如圖1所示，執(zhí)行國(guó)標(biāo)GB11032-89，如10kV的MOA的操作沖擊電流殘壓U殘≥25kV，那么，該種保護(hù)可以將相對(duì)地過電壓UAD、UBD、UCD限制在25kV左右。而對(duì)相間過電壓UAB、UAC、UBC的保護(hù)是由兩只MOA疊加完成的，其殘壓為U殘=2×25kV=50kV。而運(yùn)行中的高壓電動(dòng)機(jī)相對(duì)地及相間絕緣所能隨受的過電壓數(shù)值可用下式計(jì)算：
UR=（2Ue+1）×0.75×k
式中：Ue——電動(dòng)機(jī)額定電壓，V；
K——沖擊系數(shù)，我國(guó)一般取1.15~1.25。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue=10kV，沖擊系數(shù)K取1.15時(shí)，可以得出電動(dòng)機(jī)的絕緣耐受能力：UR=25.6kV，對(duì)照MOA的保護(hù)水平U相地=25kV、UA相間=2×25kV=50kV可以看出，該保護(hù)方式對(duì)系統(tǒng)中的相對(duì)地過電壓可以起到一定的保護(hù)作用，而對(duì)相間過電壓根本無(wú)法保護(hù)。每次過電壓必然對(duì)電氣設(shè)備造成沖擊，形成積累性損傷，使絕緣下降。當(dāng)絕緣下降到一定程度時(shí)，將會(huì)加速其老化。如果電動(dòng)機(jī)絕緣耐受電壓低于避雷器的設(shè)計(jì)保護(hù)值，即使在正常運(yùn)行電壓下電動(dòng)機(jī)也會(huì)發(fā)生絕緣損傷而形成匝間短路。
對(duì)間歇性弧光接地過電壓，多數(shù)化工企業(yè)沒有針對(duì)性的防護(hù)措施。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，系統(tǒng)因有接地電容電流的存在而形成間歇性弧光接地過電壓，其幅值高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，致使MOA無(wú)法承受而爆炸。MOA的爆炸又引起相間或相地短路起火，導(dǎo)致開關(guān)柜的燒毀，事故進(jìn)一步擴(kuò)大，往往“火燒連營(yíng)”，一次故障造成多處設(shè)備的損壞。
李學(xué)斌 郭思君
在化工企業(yè)，由于真空斷路器的廣泛采用，以及電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電纜的使用越來(lái)越多，使開斷空載變壓器及高壓電動(dòng)機(jī)等電感負(fù)荷產(chǎn)生的操作過電壓和單相接地時(shí)電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過電壓越來(lái)越嚴(yán)重，成為電網(wǎng)及設(shè)備安全運(yùn)行的主要威脅，是化工企業(yè)不容忽視的問題。究其原因主要是由于：
1．真空斷路器分?jǐn)嗨俣瓤?、滅弧能力?qiáng)，在開斷電感負(fù)荷時(shí)有可能不是在電流經(jīng)過工頻零點(diǎn)時(shí)熄弧，而是在電流瞬時(shí)值尚為i時(shí)，被迫在極短的時(shí)間內(nèi)下降到零，從而產(chǎn)生截流過電壓和三相同時(shí)截流過電壓，另外開斷后還會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，使斷路器發(fā)生多次重燃過電壓，主要表現(xiàn)為相間過電壓，幅值最高可以達(dá)到3.5倍Uφ，而相地過電壓數(shù)值僅為相間過電壓的二分之一左右。
2．化工企業(yè)6~10kV系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電纜的使用越來(lái)越多，使系統(tǒng)對(duì)地電容電流大幅度上升，在單相接地的故障點(diǎn)電弧不能自動(dòng)熄弧，從而發(fā)生電弧周期性的熄滅與重燃，出現(xiàn)間歇電弧，引起電網(wǎng)產(chǎn)生高頻振蕩，形成過電壓。這種間歇性弧光接地過電壓幅值可能超過3.5Uφ，而且過電壓持續(xù)的時(shí)間可以達(dá)到數(shù)十分鐘或更長(zhǎng)，波及范圍廣，對(duì)電氣設(shè)備危害嚴(yán)重。
前述山東某化肥廠的兩起事故正是由于上述兩種過電壓所致。事故發(fā)生后，該廠技術(shù)人員邀請(qǐng)相關(guān)專家及設(shè)計(jì)部門對(duì)系統(tǒng)情況以及發(fā)生故障前后的系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行分析認(rèn)為，電機(jī)匝間絕緣擊穿是由于操作過電壓造成電機(jī)絕緣積累性質(zhì)傷，最終導(dǎo)致高壓電機(jī)的絕緣擊穿；而真空開關(guān)柜發(fā)生爆炸是由于間歇性弧光接地引起的。
目前化工企業(yè)對(duì)過電壓的防護(hù)一般只采用安裝避雷器（以下簡(jiǎn)稱MOA）的方法，其接線采用三星型接法，如圖1所示，執(zhí)行國(guó)標(biāo)GB11032-89，如10kV的MOA的操作沖擊電流殘壓U殘≥25kV，那么，該種保護(hù)可以將相對(duì)地過電壓UAD、UBD、UCD限制在25kV左右。而對(duì)相間過電壓UAB、UAC、UBC的保護(hù)是由兩只MOA疊加完成的，其殘壓為U殘=2×25kV=50kV。而運(yùn)行中的高壓電動(dòng)機(jī)相對(duì)地及相間絕緣所能隨受的過電壓數(shù)值可用下式計(jì)算：
UR=（2Ue+1）×0.75×k
式中：Ue——電動(dòng)機(jī)額定電壓，V；
K——沖擊系數(shù)，我國(guó)一般取1.15~1.25。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue=10kV，沖擊系數(shù)K取1.15時(shí)，可以得出電動(dòng)機(jī)的絕緣耐受能力：UR=25.6kV，對(duì)照MOA的保護(hù)水平U相地=25kV、UA相間=2×25kV=50kV可以看出，該保護(hù)方式對(duì)系統(tǒng)中的相對(duì)地過電壓可以起到一定的保護(hù)作用，而對(duì)相間過電壓根本無(wú)法保護(hù)。每次過電壓必然對(duì)電氣設(shè)備造成沖擊，形成積累性損傷，使絕緣下降。當(dāng)絕緣下降到一定程度時(shí)，將會(huì)加速其老化。如果電動(dòng)機(jī)絕緣耐受電壓低于避雷器的設(shè)計(jì)保護(hù)值，即使在正常運(yùn)行電壓下電動(dòng)機(jī)也會(huì)發(fā)生絕緣損傷而形成匝間短路。
對(duì)間歇性弧光接地過電壓，多數(shù)化工企業(yè)沒有針對(duì)性的防護(hù)措施。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，系統(tǒng)因有接地電容電流的存在而形成間歇性弧光接地過電壓，其幅值高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，致使MOA無(wú)法承受而爆炸。MOA的爆炸又引起相間或相地短路起火，導(dǎo)致開關(guān)柜的燒毀，事故進(jìn)一步擴(kuò)大，往往“火燒連營(yíng)”，一次故障造成多處設(shè)備的損壞。
李學(xué)斌 郭思君
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