新型自脱离过电压保护器在电网中的运用

(连云港碱业有限公司，江苏 连云港 222042)

1 过电压防护问题

建国初期我国工矿企业电网主要由架空线路和油电缆构成，空气绝缘与油绝缘具有可恢复性，3～4倍的内部过电压对绝缘构不成威胁，所以当时的工矿企业电网只需要对高幅值的雷电过电压采取限制措施，不需要考虑内部过电压的防护问题。采取的具体措施是在相与地之间各安装一只普通的阀式避雷器，用于防护雷电造成的高幅值的相对地过电压。

到了上世纪90年代以后，我国工矿企业电网大量采用真空断路器取代了原有的少油断路器。真空断路器相比少油断路器的优势为免维护、寿命长、运行可靠。但由于真空灭弧室的超强的灭弧能力，往往在电弧过零点之前就被强行截断。真空断路器截流时电感储存的磁能与杂散电容储存的电能之间相互转换的振荡过程，使得操作过电压频繁发生。

工矿企业配电网越来越多的由电缆线路取代了架空线路，与架空线路的可恢复性绝缘不同，交联聚乙烯电缆的固体化绝缘是不可恢复的，绝缘击穿具有累积效应。3～5倍的内部过电压会在绝缘介质内部产生局部放电，产生细微的破坏，反复多次的内部过电压就会造成绝缘的累积破坏，导致固体绝缘的运行寿命会明显缩短。

连云港碱业有限公司前身连云港碱厂，是80年代建成投产的纯碱化工企业，在企业电网不断升级改造的过程中，也一直面临着以上问题。为了尽量减少过电压对电网系统的危害，我公司也在不断尝试各种过电压防护措施。

2 各种过电压保护器比较分析

2.1 普通避雷器不能限制内部过电压

电网的内部过电压一般在相电压的3～4倍之间，多数在3.5倍左右。过去采用的阀式避雷器是按照躲过电网内部过电压设计的，例如：

按照这样原则设计的参数，普通避雷器在电网内部过电压下是不放电的。另一方面，包括操作过电压、弧光接地过电压在内的电网内部过电压是发生在相与相之间的，而普通避雷器是接在相与地之间的。所以，普通避雷器不能限制电网的内部过电压。

在电缆线路与真空断路器大量使用的大背景下，我国中压配电线路的绝缘越来越多的受到系统内部过电压的威胁，过去的阀式避雷器和普通的氧化锌避雷器已无法满足系统内部过电压与雷电过电压的双重防护要求。由于过电压不能有效限制，导致交联聚乙烯电缆一般在投运5～8年后事故率明显上升。

2.2 无间隙氧化锌避雷器分析

单只无间隙氧化锌避雷器其核心器件是氧化锌非线性电阻，或者叫氧化锌阀片。单只结构，安装于相与地之间，仅用于架空线路防控雷电过电压。考虑到当系统发生单相接地故障时能够持续运行至少2 h，无间隙氧化锌避雷器的参数必须按线电压设计：设计初衷是针对不需要。

按照这样设计的无间隙氧化锌避雷器，再考虑1.5～1.7的残压比(过流100 A电流时施加在避雷器两端的电压与参考电压之比)，避雷器动作以后的残压已经远远超出了设备的操作冲击绝缘水平。只有按照相电压设计避雷器参数，才能够有效的限制相间和相对地过电压，保护设备的绝缘免受电网内部过电压的积累性破坏，但是在系统发生单相接地故障时荷电率(正常工作电压峰值与参考电压之比)远远超过了允许值，极易发生“爆炸”事故。电力部安生司在1993年12月30日曾为此类事故专门发过第17号安全通报。

2.3 第一代三相组合式过电压保护器

与普通避雷器不同的是，第一代三相组合式过电压保护器采用四个完全相同的保护单元按照“四星型”组合而成。可以把相对地和相与相之间的各种过电压限制到较低的水平。与普通氧化锌避雷器的共性问题是，当系统发生单相弧光接地或铁磁谐振过电压时，由于能量过大都有可能导致氧化锌阀片烧毁并引发相间短路事故。

图1 第一代三相组合式过电压保护器

过电压保护器的软连接电缆，如果截面、长度设计合理，线间距离处理得当，在一定程度上可以避免一些事故的发生。但往往现场对过电压保护器电缆引线的长度与进线间距离处理不当，事故还时常发生。尤其是绝大多数生产厂家并不掌握电缆引线的设计技巧，更增加了事故率。

3 改造前企业现状及存在问题

通过不断升级改造，连云港碱业公司电网采用第一代三相组合式过电压保护器(TBP类)，根据多年运行经验总结，第一代过电压保护器主要存在以下问题：

1)过电压保护器在挂网运行后，是否损坏，不能判定，只能通过每年检修试验时才能检测。

2)在系统大能量过电压冲击下，保护器自身会发生损坏，因保护器无自我保护功能，导致在极端情况下可能会发生爆炸事故。给企业带来不安全隐患。

3)部分带计数器TBP通过自带CT检测放电计数，因为保护器自身大小的限制，CT与一次采用固体绝缘，带电安全距离小，导致一二次不能绝对隔离。

4 改造方案及改造后状况

4.1 过电压防控采用SHK-BOD自脱离过电压保护器的优势

作为第一代三相组合式过电压保护器(TBP类)升级换代产品，SHK-BOD自脱离、免维护过电压保护器分为过电压保护功能部分、内部短路故障脱离功能部分、脱离器工作状态监测和放电计数功能部分等三部分功能组合而成的过电压保护器。在传统保护器的基础上在三相的保护单元上串联了专利技术产品“脱离器”，同时通过光纤将“脱离器”的工作状态等信息传递到“BOD状态监测仪”，再通过通讯接口与后台连接。

图2 SHK-BOD结构示意图

4.1.1 主要技术特点

1)内置专利熔断器，脱离速度快，脱离能力强： 300 A·60 ms到103 kA·0.07 ms的电流，脱离装置皆可实现可靠脱离，尤其在大短路电流下，能快速脱离，远远低于开关速跳保护动作时间，避免烧毁阀片后相间短路，不会造成系统跳闸停电。

2)可靠的脱离能力：在相间短路时，一个脱离器可实现可靠脱离。

3)采用有感阻性放电间隙，大大降低冲击系数，对冲击过电压防护更可靠。

4)按线电压设计保护参数，可实现相对较低的过电压保护参数，既保护相对地过电压又保护相间过电压，使设备得到真正的保护，设备运行安全系数高。

5)放电计数功能，避免保护器超寿命运行。

6)采用光电耦合技术，解决了高低压系统的绝对隔离，对装置运行状态实时监视，能实时监控保护器是否投运，并能记录动作次数，并可与现场通信总线接口。

4.1.2 主要功能

1)能把发生在相间和相对地的各种过电压限制在较低的水平。

2)具有可靠的自脱离功能，避免因大能量过电压的冲击导致爆炸事故。

3)具有状态监测和网络通讯功能。自身保护功能状态一目了然。

4.2 SHK-BOD自脱离过电压保护器安装方案

2015年以来，利用系统停车机会，公司逐步对主6 kV变电所、厂6 kV变电所、生产变电所、辅助变电所的进线、变压器、高压电动机共计60多台开关柜进行了电压保护器改造，全部采用SHK-BOD自脱离过电压保护器。

经过改造后两年时间的运行状况及检测状况来看，SHK-BOD自脱离过电压保护器实现了相对较低的过电压保护参数，既保护相对地过电压又保护相间过电压，使设备得到真正的保护，设备运行安全系数高，尤其在大短路电流下，能快速脱离，远远低于开关速跳保护动作时间，避免烧毁阀片后相间短路，不会造成系统跳闸停电。

图3 6 kV母线柜过电压保护器改造示意图

5 结 语

通过换代升级改造，我公司电网解决过电压保护器无自我保护功能的问题，当系统发生单相弧光接地或铁磁谐振过电压时，在系统大能量过电压冲击下，SHK-BOD自脱离过电压保护器可将发生在相间和相对地的各种过电压限制在较低的水平，并实现可靠的自脱离功能，避免因大能量过电压的冲击导致爆炸事故，确保电力系统安全稳定运行，消除我公司生产过程中的过电压不安全隐患，为企业避免了不必要的经济损失。

[1] 解广润.电力系统过电压[M].北京：北京水利出版社，1991