【电压保护在电气工程设备中的应用探究（论文）9200字】

电压保护在电气工程设备中的应用研究摘要根据电气工程设备电压上升方式和产生区域的不同，过电压可分为内部过电压和外部过电压两种，其中，内部过电压是指电气设备自身产生的内能、操作者对电气设备操作不当引起的过电压，外部过电压是指雷云放电引起的过电压。任何种类的剧烈过电压都会对电气设备的正常使用和寿命产生诸多不良影响，如内部过电压不仅会改变电力系统的电压、容量参数，从而引起大面积停电，同时也会在电气设备运行中引起损坏、烧毁、爆炸等安全隐患问题从而导致电气设备的使用寿命和相关工作人员的人身安全、企业健康稳定发展产生严重不良影响，为此，本文阐述了电气工程设备过电压的危害，分析了电气工程设备过电压产生的原因，并举例分析了过电压保护在电气工程设备中的应用最后提出了电气工程设备过电压的保护措施，从而保障设备的正常运行和设备的使用寿命。关键词：过电压保护；电气设备；变电站；电网目录TOC\o"1-3"\h\u23184引言 157261过电压的分类 1138792过电压产生的原因 2218402.1电力外输线路 2211882.2发电机中性点连接 215662.3主变压器侧断路器开断空载 3299852.4自然因素 3103263过电压保护在电气工程设备中的应用 3316583.1过电压保护在变电站设备中的应用 3127463.1.1故障过程描述 3231073.1.2保护动作情况分析 3119643.1.3故障原因分析 5318253.1.4应对措施 5216353.2过电压保护在电网线路工程中的应用 6254203.2.1中性点不接地系统 687773.2.2中性点经消弧线圈接地系统的设置方案 8202203.2.3中性点经小电阻接地系统 10186434过电压的保护措施 12257734.1设备内部过电压保护 1265154.2设备外部过电压保护 12135224结语 1332144参考文献 14引言电气工程设备是可直接应用于生产、使用、转换、分配、运输及电能沟通的电气设备的总称，如发电机、电动机、变压器、接触器、断路器、电抗器、隔离开关、电力电缆、总线、输电线等均属于电气工程设备由于电气工程设备需要直接承受动力电压和电流，它对电力系统的稳定电压值有着比较高的要求，如果电力系统在运行中发生电力超出合理范围的现象，即过电压现象，会损害电气工程设备的绝缘性从而导致电气设备损坏或不能正常稳定运行，在此基础上，设备管理人员需要积极探索电气工程设备的过电压保护措施。1过电压的分类过电压一般分为外过电压和内过电压两大类。外过电压也被称为雷过电压、大气过电压。由于大气中的雷云在地面上放电。有直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷暴过电压的持续时间约为几十微秒，由于具有脉冲特性，常被称为雷暴冲击波。直击雷电的过电压是雷电闪光直接击中电气工程装置的导电部时出现的过电压。在雷闪击中带电的导体，例如架空输电线的导线，被称为直接落雷。在雷闪击中的通常情况下，处于输电线路铁塔那样的接地状态的导体，在使电位上升后，向带电的导体放电称为反击。直击雷电的过电压幅度可达百万伏，可破坏电气工程设施的绝缘，引起短路接地故障。感应雷过电压是雷闪击中电气工程设备附近的地面，是在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而没有直接受到雷击的电气工程设备（包括二次设备、通信设备）感应的过电压。因此，架空输电线需要架设避雷线和接地装置等进行防护。通常用输电线路的耐雷水平和落雷跳闸率来表示输电线路的耐雷能力。由于内部过电压电力系统内部的运行方式发生变化而产生的过电压。有瞬态过电压、操作过电压及谐振过电压。暂态过电压是由断路器操作或短路故障引起的，是电力系统经过瞬态过程再次达到某种暂时稳定时产生的过电压，又称工频电压升高。常见的有①空载长线容量效应（法兰奇亚效应）。工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应的积累，沿线电压分布不同，末端电压最高。②不对称短路接地。三相输电线a短路导致接地故障时，b、c相的电压上升。③切断过电压，输电线路发生故障突然切断负载时，由于电源的电动势没有及时自动调整而引起的过电压。操作过电压是由于进行断路器操作或突然发生短路而导致的衰减快、持续时间短的过电压，常见的是①加载线路的快门和聚合快门的过电压。②切除无负荷线路的过电压。③切断空载变压器的过电压。④电弧接地过电压。谐振过电压是通过电力系统中的电感、电容等能量存储元件以某布线方式与电源频率谐振而产生的过电压。一般是由于①线性谐振过电压。②铁磁共振过电压。③参量谐振过电压。2过电压产生的原因2.1电力外输线路目前，我国大部分火电厂采用连接电气工程设备和远距离高压专用输电线路的方式构建电力外输电线路，这种电力外输电线路连接方式可以有效提高电力系统的输电效率，但输电线路距离远，输电过程复杂受外部环境等因素影响，如系统电压升高、频率降低等情况下，发电机、变压器会产生过励磁现象，容易使电气设备产生过电压。此外，应用电力外输电线，在实际输电过程中，受外输电线不对称接地、电容效应等因素的影响，容易导出远距离高压专用输电线路，输电过程中产生过电压，从而对线路上电气工程设备的运行产生一定的不良影响。由于一条供电线两端开关在其分路时间上始终存在一定的差异，所以无论是正常操作还是故障跳闸，都有切除负载线的情况，在断路器的消弧能力不充分的情况下，在电弧在触头间再燃烧的情况下，切断负载线的路径电压较多电弧在触头间再燃烧是产生这种过电压的根本原因，因此，通过提高断路器的消弧性能，特别是提高切断小电流的性能，可以降低电弧再燃烧的可能性，降低过电压。2.2发电机中性点连接为了限制接地电流和阻止各种过电压，火电厂通常采用发电机中性点与高阻接地连接的方式。这样高电阻的电阻值通常在几百欧元到几千欧元之间，既可以在发电机的中性点和大地之间直接安装大电阻，也可以在发电机的中性点和大地之间安装接地变压器，在变压器的一次侧接地发电机的中性点、变压器的二次侧连接小电阻一次侧出现的阻抗等于二次侧电阻乘以变压器变量比的平方，现在大单元的主流方式是用变压器连接小电阻。以我厂布置为例，接地变压器变化比为27/0.22kV，变压器次级侧电阻为0.0882Ω，经计算发电机中性点接地电阻为1328.2Ω，采用中性点高电阻接地的目的是为故障点注入电阻性电流，提高接地保护动作的敏感性从而可以有效地预防和降低电气工程设备在运行中产生电压过高的问题，并且还可以通过高电阻接地降低电网过电压的幅度。中性点电阻相当于在谐振电路的电容中并联连接一个衰减电阻，因此基本上避免了在衰减电阻的作用下产生谐振过电压的可能性。2.3主变压器侧断路器开断空载火电厂电力系统在运行中主变压器侧断路器往往会切断空载，当主变压器侧断路器产生开负载时，断路器应切断微弱电流，使原本不大的变压器空载电流立即降到零。因此，在变压器的励磁电感上，一侧产生非常高的电压，在母线和线路上的绝缘脆弱部分引起事故。2.4自然因素风、雨、雷、电等极端自然现象不仅会导致电力系统跳闸现象，而且由于雷电可与输电线直接接触，导致电力系统中出线设备外部产生过电压。例如，相关研究证实，风、雨、雷、电等极端自然现象是引起电力系统现出线设备外部过电压的最重要因素之一。3过电压保护在电气工程设备中的应用3.1过电压保护在变电站设备中的应用3.1.1故障过程描述2021年12月，某220kV智能变电站110kVGIS设备耐压试验结束后复电，110kVⅠ母和110kVⅡ母均带电后依次关闭110kVⅠ母TV二次空开A、B、C相，期间1号主变压器A组保护装置中压侧间隙过电压保护动作，延迟0.5s后跳出1号主变压器三侧断路器B组保护装置没有动作记录。3.1.2保护动作情况分析现场主变压器保护装置均采用PCS-978GE-D主变压器保护装置。发生故障时，110kVI母电压互感器未形成空腔以输送1号主变压器中压侧合并单元B组的保护电压，因此1号主变压器B组的保护装置未动作，故障波形如图2、图3所示。故障录像机故障时刻波形分析结果如下：1）110kV母线A套筒综合单元I的母A相电压空开闭后，B相和C相电压分别以0.8s、2.2s空开闭。2）A相电压空开闭上后，B相电压空开闭前，B相和C相的产生电压约为33V、28V，电压相位与A相电压基本一致，此时3U0约为120V，大于自产零序保护定值104V。3）B相电压空开闭后，C相电压空开闭前，3U0减少到85V左右。4）故障波形与回电操作过程及主变压器保护动作情况一致。5）分别对220kV故障录波装置及110kV故障录波装置故障时刻波形进行了调查和比较分析，两套故障录波装置故障时刻波形基本一致。图1220kV故障录波图图2110kV故障录波图3.1.3故障原因分析结合现场检查情况，零序间隙过电压保护动作的原因可以确定电压二次回路中存在寄生回路。当A相电压被两次开路时，在BC相中产生与A相电压相同相位的感应电压，并且主变压器零序间隙过电压保护被自然产生的零序整定，引起主变压器零序间隙过电压保护动作。经现场图纸检查，110kV母线电压切换及并联装置采用RCS-9663D电压并联装置，电压并联柜保护用电压电路AB相、BC相间存在电压监测继电器，形成寄生电路。当110kV母线A组综合单元I的母A相电压空开闭时，B相和C相分压，导致1号主变压器的中压侧间隙过电压保护动作。电压监视继电器分压如图4所示，图中Zm为电压并联机壳电压监视继电器阻抗，Zn为集成单元采样卡内部的小TV阻抗，Zl为二次电缆芯线阻抗。当A相电压被关断、B相、C相电压被关断时，A相电压可以通过Zm、Zl、Zn分压为B相、C相。图4电压监视继电器分压原理图3.1.4应对措施1）常规变电站主变压器零序过电压保护当外部零序电压外部二次回路不完善时，建议在母线停电条件时完善主变压器零序过电压保护外部零序电压外部二次回路。电路完善，试验完成后，将主变压器间隙零序过电压保护改为外接零序电压。2）在智能变电站外接零序电压虚电路不完善的情况下，建议结合主变压器停电，完善母线合并单元、间隔合并单元及主变压器保护间的外接零序电压虚电路配置，将主变压器间隙零序过电压保护改为采用外接零序电压并且保证考试的到达。模型文件、现场安全措施不具备改进条件的，应当分析操作时可能的感应电压大小，并制定预案。3）在整改措施未完成前，为避免主变压器间隙过电压保护误动，建议主变压器送电时关闭保护用电压绕组空出二次分相，后关闭三相空气开关。3.2过电压保护在电网线路工程中的应用3.2.1中性点不接地系统针对工矿企业3-35kV中性点不接地供电系统，以及供电、用电特性，结合国内现有技术水平，可设置三级保护的整体防护体系，如图1所示，包括以下设置：图1中性点不接地系统过电压保护设置图过电压保护器1+能量抑制装置2+单相接地消弧装置3。（1）过电压保护器避雷器的设计目的是为了防止雷电产生相对过电压，目前企业供电网络主要以电缆输电线为主，操作开关以真空断路器为主。在这种供电模式下，系统过电压的主要威胁来自内部过电压，包括操作过电压、谐振过电压、间歇电弧接地过电压、单相金属接地过电压等。表现形式不仅相对有过电压，更多的是相间过电压，采用避雷器已经不能满足要求。因此，20世纪90年代中期至后期，工矿企业开始大量采用组合式过电压保护器。组合式过电压保护器采用6通道设置，对相地、相间具有同等保护作用，实现了全面保护，大大提高了供电设备的安全性。保护器的2ms方波通流量远大于避雷器，从150A提高到最大800A，过电压保护器自身的安全性也大大提高。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的事故率过高，故不建议采用。因此，在该方式中采用了没有间隙的组合式过电压保护器，设置在各开关柜内和PT柜内。主要作用是限制在断路器断开期间在断路器的出线侧产生的操作过电压和在系统外部（雷侵入波）、内部（操作、谐振、接地等）产生的瞬时过电压。限压装置抗冲击能力强，可缓解过电压波头的梯度，限制过电压峰值。作为系统过电压防护的第一级保护设置。（2）能量抑制装置过电压引起的破坏的大小由过电压的能量决定，所以必须充分考虑各种过电压引起的过电压能量。过电压保护器主要针对瞬时性过电压设置，过电压的能量超过过电压保护器的设计接受能量会导致过电压保护器的破坏、储热甚至热崩溃，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的能量无法承受的情况下，用于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中的曲线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。在第一阶段中，在过电压峰值低于过电压保护器的直流1mA电压基准值U1mA的情况下，过电压保护器和能量抑制装置都处于高电阻状态，在第二阶段中当过电压峰值高于过电压保护器直流1mA电压基准值U1mA但低于能量抑制装置直流1mA电压基准值U'1mA时，过电压保护器工作接通，能量抑制装置仍处于高电阻状态，过电压保护器限制过电压峰值，缓和过电压波头的斜率接受瞬时性过电压能量，将过电压峰值限制在用电气设备绝缘的接受能力的范围内，在第3阶段，随着过电压峰值的上升，在过电压峰值高于U'1mA但低于UI0的情况下，能量抑制装置导通，此时过电压保护器和能量抑制装置都处于导通状态，通过过电压保护器电流比通过能量抑制装置的电流大，在第四阶段，当过电压峰值上升到UI0时到达保护单元（1）的伏安曲线和保护单元（2）的伏安曲线的交叉点，保护单元（1）和保护单元（2）通过的电流全部为I0。随着过电压进一步上升，保护单元（2）通过电流迅速增加，保护单元（1）通过的电流增加缓慢，保护单元（2）通过的电流比保护单元（1）通过的电流大得多过电压引起的突变能通过保护单元（2）被吸收抑制。这样设定，限制过电压峰值和抑制过电压能量分别由伏安曲线不同的2个保护单元承担，使用2个保护单元的不同的氧化锌非线性电阻，通过高压氧化锌非线性电阻单元的过电压峰值的限制和过电压波头梯度的缓和通过高能氧化锌非线性电阻单元吸收和抑制过电压能量。两个保护单元利用其物理特性，在伏安曲线达到I0时，实现物理交接，避免已知过电压保护装置产生的过电压能量超出保护装置设计承受能力而产生的破坏崩溃和爆炸，大大提高用电设备的保护性能。（2）单相接地消弧装置如果供电系统发生间歇性的电弧接地故障，产生长时间间歇性的电弧接地过电压，电压突变的能量由于过电压保护器、能量抑制装置的控制还不能消除，则由单相接地消弧装置直接金属接地，强制消除电弧接地过电压作为供电系统过电压保护的第三级保护设置。3.2.2中性点经消弧线圈接地系统的设置方案针对工矿企业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，如图3所示，可形成四级保护的整体防护体系，包括以下设置：图3消弧线圈接地系统保护原理图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。（1）消弧线圈消弧线圈作为保护措施，主要针对系统对地浮动电容电流大、可能引起间歇性电弧接地过电压的问题，主要原理是利用电感电流和电容电流相位相差180°的原理来补偿系统的电容电流这种补偿只是针对商用过电压，间歇性电弧接地故障常常是高频振荡过电压，消弧线圈无力。此外，消弧线圈对其他原因引起的电网电压突变没有保护作用。电气设备在运行中受到的过电压有来自外部的雷电过电压和当系统参数变化时电磁能量振荡、积蓄而引起的内部过电压两种。根据其产生原因，雷暴过电压又分为直击雷暴过电压、感应雷暴过电压及雷暴侵入波过电压，内部过电压主要分为暂时过电压和操作过电压。操作过电压包括操作电容负载过电压、操作电感负载过电压、间歇电弧接地过电压等。根据过电压持续时间划分，有瞬时脉冲过电压、短时间过电压、长时间过电压等。因此，安装消弧线圈不能代替电网过电压的整体防护设置，但能够减少系统电弧的接地发生的概率，能够作为防护系统整体的0级保护，在消弧线圈以外系统的整体过电压保护系统如上所述按照三级保护设置，消弧线圈作为零级保护设置，共同形成四级防护系统。（2）工作原理消弧线圈为预调式，无延迟，系统发生间歇性电弧接地过电压时，消弧线圈迅速进行系统浮置电容电流的补偿，当补偿余流小于一定值时，若电弧光被消除，则过电压控制过程结束。对于消弧线圈补偿过程中的过电压或其他原因引起的系统过电压，系统过电压的控制根据上述1-3级的工作原理对系统实施保护。特别说明的是，一级保护电压限制装置利用非线性电阻的物理特性，与系统的接地方式无关，对于任何原因都是达到一定值的过电压。另外一方面，两级保护能量抑制装置、三级保护单相接地装置动作与消弧线圈在时间上嵌合，消弧线圈的动作是瞬时的，单相接地装置的动作一般延迟5s，消弧线圈达到补偿效果，当电弧过电压被除去时，三级保护单相接地装置不动作，否则延迟5s后，单个接地装置的动作是间歇电弧接地的故障相直接金属接地，强制消除电弧。在延迟5s的过程中，系统过电压的抑制由能量抑制装置承担，能量抑制装置的设计应超过能量5s。即，在过电压达到消除为止的整个过程中，保证系统过电压不能超过配电设备的绝缘耐受性。3.2.3中性点经小电阻接地系统对于工矿企业3~35kV中压供电系统，采用小电阻接地供电方式，考虑到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：图4小电阻接地系统保护原理图过电压保护器1+能量抑制装置2+中性点接地电阻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、间歇电弧接地。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跳闸实现供电系统的保护，而不是针对所有系统电压突变。无论是什么原因引起的系统过电压，对系统的破坏都是电压突变的幅度和波前梯度以及过电压持续的时间，即电压突变的能量。因此，小电阻接地系统是整体保护系统的一环，不能代替整体保护系统。（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、电网异常监视装置、电压限制装置、能量抑制装置共同构成，安装在母线上，更换以往的PT柜。KYG-I型PT综合控制柜未设置排水单元，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供电方式，整体保护系统基本原理如下：电网异常监测器实时监测供电网络各参数的变化，分析电网发生的异常变化，判断供电网络发生异常的原因，进行针对性的处理。对于供电系统产生的过电压，不管原因如何，过电压保护器和PT综合控制柜内的限压装置在故障发生的瞬间，过电压达到工作值时，氧化锌非线性电阻导通，缓解过电压波头的梯度，限制过电压峰值。如果过电压是瞬时的，则不需要投入其他保护单元，过电压保护过程结束。如果系统发生非接地原因造成的短时间过电压，电压突变的能量将超过过电压保护器和限压装置的能量接受能力，PT综合控制柜内的能量抑制装置将投入运行，进而限制过电压，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弧光接地，由中性点接地电阻柜和故障线路形成大电流实现故障切除保护。另一方面，在故障切除前和故障切除过程中形成的过电压由上述两级保护承担，由此能够确保全过程中的用电设备的安全。4过电压的保护措施4.1设备内部过电压保护电力外输电线路、发电机中心点连接等因素引起的过电压均属于设备内部过电压，对设备内部过电压，一般采用人为控制方法进行保护，具体保护方法为：（1）避免电气设备老化引起的过电压，避免电气工程设备老化、采用单相接地方式是引起设备接地故障的重要原因，接地故障又容易引起设备的过电压现象，对此，设备管理人员应严格对电气工程设备进行维护、维护，尽量延缓设备的老化速度同时应加强接地设备的检查和预防性维护试验，一旦发生老化设备，应及时更换。另外，根据单相接地时的正常相过电压值，设置合理的避雷设备和消弧电压，将设备的接地相电压控制在正常电压的0.8倍范围内，才能有效地减少单相接地引起的过电压现象。（2）避免突发事故引起的过电压，在电力系统运行过程中，受一些突发事故的影响，又容易导致系统电压突然升高，从而容易引起电气工程设备的过电压，对此需要改进设备配置，如：切断线路和变压器的开关，选择具有并联电容的开关，电压电感器尽量选择电容式电压电感器，中性点经过电阻接地等。4.2设备外部过电压保护电气工程设备产生外部过电压的最主要因素是受雷击等极端自然因素的影响，对此，为防止和降低设备外部过电压的产生，可采取以下保护措施：（1）加强出线设备的保护设备管理人员可以采用架空方式架设出线设备，即采用塔棒接地方式架设出线设备，这样不仅可以有效降低雷电直接撞击出线设备线路的绝缘子闪络次数，还可以降低雷电撞击出线设备线路的概率从而可以有效保护出线设备线路的行程，同时有效降低电气工程设备的跳闸概率，从而有效预防和降低设备过电压现象的发生。（2）在设备外部设置多种防雷保护装置，为了降低雷击对电气工程设备运行的不良影响，降低其外部过电压现象的发生率，设备管理人员还在电气工程设备外部设置了多种防雷保护装置，如GIS设备、防雷接地、电容器组等利用这些防雷保护装置可以集中保护电气工程设备，从而有效防止雷击造成的过电压损害。（3）对变电系统避雷器，25项应对措施要求每年雷雨季节前后各进行一次避雷器带电交流试验，每3年进行一次避雷器停电直流试验。每年检查厂房等建筑防雷设施，每年对全厂接地网进行在线接地导通