中压系统过电压防护及智能监控.docx

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中压系统过电压防护及智能监控

《中压系统过电压防护及智能监控》EAT一特六柱全相双安全保护装置

目  录

一、中压系统过电压的特点

二、过电压防护、避雷器与绝缘配合

三、电机保护在绝缘配合上的困难

四、准确选线是解决方案的关键

五、避雷器的安全运行与智能监控

六、用户系统相间过电压的产生及防护

七、结论

一、中压系统过电压的特点

1、中性点不直接接地系统的优点

在我国，6~35KV中压系统，普遍采用的是中性点不直接接地方式。

这种中性点不直接接地系统的特点，是当系统发生单相接地时，允许运行2小时。

电力系统中约60%的故障为单相接地。

中性点不直接接地系统发生单相接地故障时线电压不变，不影响用电设备的正常工作，可以保持供电，因此具有较高的供电可靠性。

许多临时性单相接地故障会自行消除，或通过消弧线圈的帮助而消除，自动恢复正常运行状态。

2、中压系统主要过电压类型

铁磁谐振过电压。

主要出现在电磁式电压互感器上，过电压产生的原因是由于电源中性点出现了位移过电压。

操作过电压。

6~35KV中压系统也即用户系统，由于操作频繁带来操作过电压，如投切电容器组，分合闸电机等。

真空断路器的广泛使用也带来了更多的危及设备绝缘的操作过电压。

弧光接地过电压。

在中性点不直接接地系统的单相接地故障中，绝大部分为电弧不稳定，处于时燃时灭的状态，这种间歇性电弧接地使系统工作状态时刻在变化，导致电感电容元件之间的电磁振荡，形成遍及全系统的过电压。

3、弧光接地过电压是中压系统的主要威胁

由于单相弧光接地的电弧过程有强烈的随机性，过电压倍数也具有统计性质，可达3.5倍以上。

弧光接地过电压造成事故的很多，如母线绝缘子、断路器对地放电引发短路。

弧光接地过电压持续时间可能很长，如不采取措施，可能危及设备绝缘，引起相间短路。

弧光接地过电压会对运行中的避雷器造成严重威胁，使得避雷器在设计上出现绝缘配合上的困难，影响了对其它过电压的保护效果。

二、过电压防护、避雷器与绝缘配合

1、绝缘配合

GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》关于绝缘配合的定义是这样的：

    按照电力系统中出现的各种电压（工作电压和过电压）和保护装置的特性来确定电气设备的绝缘水平，称为绝缘配合。

在这里，保护装置的特性也即过电压的防护是现代电网绝缘设计和配合的基础。

2、过电压防护

过电压防护的基本原理是设法将形成过电压的电磁能量泄放掉或消耗掉，以达到削弱过电压幅值的目的。

电力避雷器是最重要的过电压保护装置，确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平。

即设备的绝缘水平与避雷器的保护水平进行配合。

避雷器的保护水平包括雷电冲击保护水平和操作冲击保护水平，由避雷器在相应冲击电流下的残压等因素决定。

无间隙氧化锌避雷器是现代电力避雷器的主导产品。

3、氧化锌避雷器的特征参数与绝缘配合

典型的氧化锌避雷器U-I曲线示意图

三、电机保护在绝缘配合上的困难

电力系统65%以上的电能消耗于电机上，更集中在中压用户系统，因此电机的过电压防护是一个重大的课题，到目前为止，对于电机的过电压保护极为勉强。

1、绝缘配合裕度极小

以额定电压Un为10.5kV电动机为例，电机的操作冲击耐压值为：

                 （2Un+1）*1.15*0.75=26.8kV（峰值）

限于氧化锌避雷器目前的制造水平，避雷器U1mA取值为18.6kV，操作保护水平为25kV，保护裕度极小。

相对于FCD、YHC等其它避雷器，无间隙氧化锌避雷器的保护效果仍是最好的。

2、避雷器的运行环境极为苛刻

由于氧化锌避雷器的动作值只能取到18.6kV，当系统出现2倍的过电压升高时，避雷器就会开始动作，出现更高倍数的弧光接地过电压时，如不能及时采取措施，避雷器就会发生热崩溃。

同一10KV线路的母线避雷器，其动作值大于25KV，在出现弧光接地过电压时电机型避雷器将成为系统的最薄弱点而首先动作，如持续时间长就会出现热崩溃，这也是在中压系统避雷器事故率远高于直接接地的高压系统的一个主要原因。

因此中压系统的过电压防护必须针对弧光接地过电压这一主要矛盾来设计系统解决方案。

四、准确选线是解决方案的关键

1、准确选线是关键

解决弧光接地问题，目前的主要手段有消弧线圈、触点消弧、小电阻接地。

这三种方式各有优缺点，如果能准确选线，就能根据故障回路的特性，综合判断后采取不同措施迅速消除故障。

目前选线方案几乎都为小电流选线，在大的背景噪声下去捕捉微小的信号用作判据，选线的准确率很难提高。

2、脉冲电流选线装置简介

脉冲电流选线装置既克服了小电流选线装置选线不够准确的缺点，又保持了中性点不直接接地系统在发生单相接地故障时能保持2小时供电的优点。

该装置的核心技术是在于对系统故障的快速判断及对高压可控硅的准确控制（10mS导通）。

脉冲电流选线装置工作原理

调试波形

调试波形

注：

蓝色为开口零序电压波形，黄色为主回路零序电流波形，绿色为预处理器采集的电压波形

单相接地故障处理时序

五、避雷器的安全运行与智能监控

1、避雷器的绝缘监测

氧化锌避雷器除了短时间作为过电压限制设备外，平时应是基本上绝缘的。

在避雷器的整个寿命期间，为了保证系统的可靠运行，避雷器的绝缘性能是最基本的。

因此必须有诊断方法来显示避雷器绝缘可能的劣化和故障。

目前避雷器主要的有效监测手段是预防性试验，也即停电检验，通过对其基本参数进行测量比较其变化以判断产品是否劣化而进行更换。

2、避雷器运行中的智能监控

避雷器的停电检验虽然能有效判断产品的劣化情况，但这种检验因不具备实时性而缺少了对产品故障判断的及时性。

通过对避雷器阻性电流、功率损耗或温度的在线监测，可有效判断避雷器的劣化情况，记录避雷器动作状态，给出故障指示和故障指示时对避雷器进行脱离或切换，实现运行中的智能监控。

由于过电压防护是保护系统绝缘的基础，因此避雷器的智能监控也是发展现代智能电网的一个基础。

在许多重要的枢纽电站，避雷器的智能监控系统已经在陆续开发和应用。

3、采用基于.NETXMLWEBSERVICE的分布式系统结构的一天过电压防护专家系统

此分布式体系可以采用http协议，因此能够很容易地穿透防火墙，具有较好的通用性，便于系统在实际应用中的推广。

基于socket实现远程通信，远程通信采用多线程的方式,不同的设备对应不同的线程,每一个线程有唯一的标志号,通过这种方式很好地实现了系统对设备会话的提起、保持和断开。

这一系统目前主要针对过电压防护，但在功能实现上充分考虑实用性和可扩展性原则，使本系统尽量满足用户需要并能根据用户的实际情况动态调整相应功能。

系统架构

一天专家系统服务器

对收集到的客户设备数据通过专家系统分析后发布，自动报警并提供故障处理预案。

一天监测数据服务器

通过Internet发布监测数据上载接口。

在连接初始化时所有客户端使用系统配给的用户名、密码登录本服务器，以保证系统的安全性

动态读取设备运行数据的硬件设备

通过GPRS网络连接客户服务器上载数据

客户设备监测服务器

一天设备用户收集本单位设备运行数据的服务器，可进行设备运行状态报警并向一天服务器上载设备监测数据。

售前系统

将销售人员收集客户的基本信息和电力系统信息整合到公司数据库，使得这些文字、图形信息可以和监测系统、专家系统共用

六、用户系统相间过电压的产生及防护

1、传统的避雷器安装只考虑相-地过电压的防护

避雷器通常安装在相-地之间，只对相-地过电压起到防护作用。

如果使用无间隙氧化锌避雷器限制缓波前过电压到很低的保护水平时，不管变压器中性点状况如何，相-相过电压将达到避雷器相-地保护水平的两倍。

 避雷器安装方式

2、真空断路器的广泛应用带来了相间过电压的问题

在真空断路器频繁操作的场合，当切合电抗器、高压电机、变压器等感性负荷时，会产生截流过电压、重燃过电压等；切合电容器组、电缆线路等容性负荷时，会出现重击穿过电压、弹跳过电压等。

这些过电压以相-地、相-相过电压的形式危及电气设备的绝缘。

3、解决方案

最简单的解决方案就是同时在相间装置氧化锌避雷器

法国钢铁技术协会《电弧炉电源系统的设计、维护和运行规则》中的方案

六、用户系统相间过电压的产生及防护

图中六只独立的氧化锌避雷器分别接在相-相和相-地间，完成相-相、相-地过电压的保护，我们称之为六柱式原理。

IEC60099-5：

2000避雷器选择及使用导则中，对需要装设相间避雷器的场合，也给出了详细的选择方法。

采用六柱式防护相间过电压的原理很简单，但实施却不容易：

现场安装困难，占用空间大，特别在开关柜内难以推广使用。

为解决这一问题，1990年前后，许多研究单位和生产厂家开发了三相组合式过电压保护器。

4、带串联间隙的组合式过电压保护器

国内大量生产和运行的组合式过电压保护器均为带间隙结构。

按间隙结构分类，有六间隙，四间隙，三间隙和一间隙之分。

按间隙材料分类，又分为绝缘间隙（或容性间隙）和阻性间隙。

目前市场上的主流产品为绝缘四间隙产品，保守估计在网上运行的这类产品在50万台以上，在石化行业占了约20%。

这种“四星形”接线的组合原理给保护器人为制造出了一个中性点，使氧化锌阀片单元的运行工况完全发生了变化，且考虑到弧光接地过电压的影响，不得不装入火花间隙对氧化锌阀片单元进行保护。

5、串联绝缘间隙的设计理念

氧化锌阀片和串联间隙互为保护：

正常运行时间隙与系统隔离，使氧化锌阀片的荷电率为零；过电压动作后氧化锌阀片的优异的非线性伏安特性又使间隙放电后无续流，间隙不再承担灭弧任务。

基于这一设计理念，组合式过电压保护器间隙数量大为减少，10KV及以下产品直接采用了单间隙结构，用阻性或绝缘瓷环作为支撑，间隙电极则采用了“草帽”电极的结构，这种间隙不再承担灭弧任务。

这类组合式过电压保护器一时解决了相间过电压的保护问题，但也由于这些设计理念，给这类产品的安全运行留下了隐患。

第一、串联绝缘间隙的引入，使得保护器的运行特性和保护特性不再由氧化锌阀片的非线性特性决定，而是由间隙的放电特性所决定。

间隙的响应速度、冲击系数、放电分散性、受外界环境影响等决定了其保护性能远低于氧化锌无间隙避雷器

第二、由于必须通过空气来使间隙动作，组合式过电压保护器结构变得复杂，制造工艺要求高，组装条件难以控制。

产品密封不良，生产和运行中受潮成为这类组合式过电压保护器事故率高的主要原因之一。

由于绝缘间隙的完全隔离作用，不良产品很难通过试验检验出来。

第三、间隙不再承担灭弧任务的设计理念，使得“草帽”电极的设计和制造都很粗糙，动作时的电弧很容易造成电极灼伤。

严重的是，保护器在系统弧光接地等引起的电压升高情况下动作时，间隙通过工频或高频续流，不具备一定灭弧能力的间隙必然被烧毁。

第四，由于绝缘间隙的完全隔离作用，影响这类产品运行安全的一个关键问题是不能实现有效的在线监测和离线检验。

目前这类产品的例行试验和预防性试验主要是工频放电电压试验这一项。

而工放值受环境影响大，试验的结果也不能反应保护器内部的缺陷和隐患。

如瓷环绝缘明显下降的产品，及密封不良的产品在运行一定的时间后，内部已严重受潮，但工放值却很难反应出变化来。

    这一问题带来的直接后果是大量在网上运行的有缺陷的产品无法有规则地淘汰，一直运行到出故障才能发现，给电力系统安全运行带来严重威胁。

6、产品现状

运行量大，事故率高。

部分用户行业或地方甚至不惜放弃对电气设备的正常的相间保护而拒绝使用组合式过电压保护器。

保护效果差，安全隐患大。

带绝缘间隙的产品很难给出淘汰规则，大量在网上运行的产品如不强行淘汰，就只能运行到出故障为止，而这种故障往往会给用户带来较大的经济损失。

产品急待升级或换代。

相间过电压对设备绝缘的威胁是客观存在的，因此对相间过电压防护的需求也是客观存在的。

组合式过电压保护器在运行十多年后，产品急待升级或换代。

7、新型换代产品EAT六相避雷器

采用六柱式结构，相-相、相-地为六只独立的避雷器，完成相对地过电压和相间过电压的保护。

采用了无间隙结构，保护效果好，结构简单、可靠。

具备完整的在线监测，动作计数，劣化报警，自动脱离等功能，并方便与后台系统联网。

六、结论

中压系统由于其中性点不接地方式，具有高的供电可靠性，但同时也带来了以弧光接地过电压为主要矛盾的过电压防护问题，这一问题的解决必须是一个完整的解决方案才能取得好的效果，而准确选线是解决方案的关键。

随着现代智能电网的建设，过电压防护实现运行中的智能监控是一个必然的发展趋势，而带间隙的保护器是做不到这一点的。

组合式过电压保护器产品的升级换代已十分迫切，实现运行中智能监控的无间隙组合式产品是发展方向。