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）
電氣設備在運行中隨的過電壓有來自外部的雷電過電壓和由于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時電磁能產生振蕩、積聚而引起的內部過電壓兩種類型。按其產生的原因雷電過電壓又分為直擊雷電電壓、感應雷過電壓及雷電侵入波過電壓；內部過電壓主要分為暫時過電壓及操作過電壓。在操作過電壓中又分為操作電容負荷過電壓、操作電感負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，以及電網規(guī)模不斷擴大，電纜的使用越來越多，使開斷空載變壓器及高壓電動機等電感負荷產生的操作過電壓和單相接地時電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過電壓越來越嚴重，成為電網及設備安全運行的主要威脅，是化工企業(yè)不容忽視的問題。究其原因主要是由于：
1．真空斷路器分斷速度快、滅弧能力強，在開斷電感負荷時有可能不是在電流經過工頻零點時熄弧，而是在電流瞬時值尚為i時，被迫在極短的時間內下降到零，從而產生截流過電壓和三相同時截流過電壓，另外開斷后還會產生高頻振蕩，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)均采用中性點不接地運行方式。隨著電網規(guī)模不斷擴大，電纜的使用越來越多，使系統(tǒng)對地電容電流大幅度上升，在單相接地的故障點電弧不能自動熄弧，從而發(fā)生電弧周期性的熄滅與重燃，出現(xiàn)間歇電弧，引起電網產生高頻振蕩，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)的時間可以達到數(shù)十分鐘或更長，波及范圍廣，對電氣設備危害嚴重。
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，該廠技術人員邀請相關專家及設計部門對系統(tǒng)情況以及發(fā)生故障前后的系統(tǒng)運行工況進行分析認為，電機匝間絕緣擊穿是由于操作過電壓造成電機絕緣積累性質傷，最終導致高壓電機的絕緣擊穿；而真空開關柜發(fā)生爆炸是由于間歇性弧光接地引起的。
目前化工企業(yè)對過電壓的防護一般只采用安裝避雷器（以下簡稱MOA）的方法，其接線采用三星型接法，如圖1所示，執(zhí)行國標GB11032-89，如10kV的MOA的操作沖擊電流殘壓U殘≥25kV，那么，該種保護可以將相對地過電壓UAD、UBD、UCD限制在25kV左右。而對相間過電壓UAB、UAC、UBC的保護是由兩只MOA疊加完成的，其殘壓為U殘=2×25kV=50kV。而運行中的高壓電動機相對地及相間絕緣所能隨受的過電壓數(shù)值可用下式計算：
UR=（2Ue+1）×0.75×k
式中：Ue——電動機額定電壓，V；
K——沖擊系數(shù)，我國一般取1.15~1.25。
當電動機額定電壓Ue=10kV，沖擊系數(shù)K取1.15時，可以得出電動機的絕緣耐受能力：UR=25.6kV，對照MOA的保護水平U相地=25kV、UA相間=2×25kV=50kV可以看出，該保護方式對系統(tǒng)中的相對地過電壓可以起到一定的保護作用，而對相間過電壓根本無法保護。每次過電壓必然對電氣設備造成沖擊，形成積累性損傷，使絕緣下降。當絕緣下降到一定程度時，將會加速其老化。如果電動機絕緣耐受電壓低于避雷器的設計保護值，即使在正常運行電壓下電動機也會發(fā)生絕緣損傷而形成匝間短路。
對間歇性弧光接地過電壓，多數(shù)化工企業(yè)沒有針對性的防護措施。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，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)時間較長，致使MOA無法承受而爆炸。MOA的爆炸又引起相間或相地短路起火，導致開關柜的燒毀，事故進一步擴大，往往“火燒連營”，一次故障造成多處設備的損壞。
李學斌 郭思君
在化工企業(yè)，由于真空斷路器的廣泛采用，以及電網規(guī)模不斷擴大，電纜的使用越來越多，使開斷空載變壓器及高壓電動機等電感負荷產生的操作過電壓和單相接地時電弧不能自熄形成的間歇性弧光接地過電壓越來越嚴重，成為電網及設備安全運行的主要威脅，是化工企業(yè)不容忽視的問題。究其原因主要是由于：
1．真空斷路器分斷速度快、滅弧能力強，在開斷電感負荷時有可能不是在電流經過工頻零點時熄弧，而是在電流瞬時值尚為i時，被迫在極短的時間內下降到零，從而產生截流過電壓和三相同時截流過電壓，另外開斷后還會產生高頻振蕩，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)均采用中性點不接地運行方式。隨著電網規(guī)模不斷擴大，電纜的使用越來越多，使系統(tǒng)對地電容電流大幅度上升，在單相接地的故障點電弧不能自動熄弧，從而發(fā)生電弧周期性的熄滅與重燃，出現(xiàn)間歇電弧，引起電網產生高頻振蕩，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)的時間可以達到數(shù)十分鐘或更長，波及范圍廣，對電氣設備危害嚴重。
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，該廠技術人員邀請相關專家及設計部門對系統(tǒng)情況以及發(fā)生故障前后的系統(tǒng)運行工況進行分析認為，電機匝間絕緣擊穿是由于操作過電壓造成電機絕緣積累性質傷，最終導致高壓電機的絕緣擊穿；而真空開關柜發(fā)生爆炸是由于間歇性弧光接地引起的。
目前化工企業(yè)對過電壓的防護一般只采用安裝避雷器（以下簡稱MOA）的方法，其接線采用三星型接法，如圖1所示，執(zhí)行國標GB11032-89，如10kV的MOA的操作沖擊電流殘壓U殘≥25kV，那么，該種保護可以將相對地過電壓UAD、UBD、UCD限制在25kV左右。而對相間過電壓UAB、UAC、UBC的保護是由兩只MOA疊加完成的，其殘壓為U殘=2×25kV=50kV。而運行中的高壓電動機相對地及相間絕緣所能隨受的過電壓數(shù)值可用下式計算：
UR=（2Ue+1）×0.75×k
式中：Ue——電動機額定電壓，V；
K——沖擊系數(shù)，我國一般取1.15~1.25。
當電動機額定電壓Ue=10kV，沖擊系數(shù)K取1.15時，可以得出電動機的絕緣耐受能力：UR=25.6kV，對照MOA的保護水平U相地=25kV、UA相間=2×25kV=50kV可以看出，該保護方式對系統(tǒng)中的相對地過電壓可以起到一定的保護作用，而對相間過電壓根本無法保護。每次過電壓必然對電氣設備造成沖擊，形成積累性損傷，使絕緣下降。當絕緣下降到一定程度時，將會加速其老化。如果電動機絕緣耐受電壓低于避雷器的設計保護值，即使在正常運行電壓下電動機也會發(fā)生絕緣損傷而形成匝間短路。
對間歇性弧光接地過電壓，多數(shù)化工企業(yè)沒有針對性的防護措施。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，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)時間較長，致使MOA無法承受而爆炸。MOA的爆炸又引起相間或相地短路起火，導致開關柜的燒毀，事故進一步擴大，往往“火燒連營”，一次故障造成多處設備的損壞。
李學斌 郭思君