消弧柜的應用
摘要：消弧及過電壓保護裝置（簡稱kwx），是為了迅速消除中性點非直接接地系統弧光接地給電器設備帶來的危害而研制的最新專利技術產品。裝置主要由三相組合式過電壓保護器dcb、可分相控制的高壓真空接觸器jz、微機控制器、高壓限流熔斷器組件fu及帶有輔助二次繞組的電壓互感器pt等組成。 關鍵詞：消弧 過電壓 kwx 限制措施 1、中性點非直接接地系統弧光接地過電壓的危害 1.1弧光接地的產生 ①固體絕緣設備的增多降低了系統承受過電壓的能力 隨著我國電網的發展，具有固體絕緣的電纜線路逐漸取代架空線路。由于固體絕緣擊穿的積累效應，在3～4倍的內部過電壓作用下，局部放電會造成絕緣的積累性損傷。 ②真空斷路器的大量采用使操作過電壓的概率大大提高 由于真空斷路器很強的滅弧能力，在電弧過零點之前被強行截斷。截流后電感中的磁能在向雜散電容充放電的振蕩過程中，產生過電壓。這種過電壓，主要產生在相間，一般為額定相電壓的3～4倍。 ③內部過電壓得不到有效限制使絕緣壽命大大降低 按照國標gb311.1的規定，220kv及以下的系統以雷電過電壓作為防護重點。對于3～35kv的中壓系統，大多數場合還在采用傳統的避雷器來限制過電壓。避雷器的放電電壓為相電壓的4倍以上，按躲過內部過電壓設計。而且避雷器接在相對地之間，對發生在相與相之間的操作過電壓，根本起不到限制作用。 在內部過電壓的長期持續作用下，聚乙交聯電纜等固體絕緣設備的運行壽命大大降低，形成絕緣的薄弱環節，導致對地擊穿。 ④雷擊、鳥害、斷線、樹枝等外力破壞以及閥式避雷器放電等，是產生弧光接地的外部原因。 1.2弧光接地過電壓的產生 形成弧光接地過電壓的基礎是間歇性電弧。當中性點非直接接地系統發生單相間歇性弧光接地（以下簡稱“弧光接地”）故障時，由于電弧多次不斷的熄滅和重燃，導致系統對地電容上的電荷多次不斷的積累和重新再分配，在非故障相的電感—電容回路上引起高頻振蕩過電壓。對于架空線路，過電壓幅值一般可達3.1～3.5倍相電壓。 以電纜線路為主的供電電網， 絕緣擊穿或電弧重燃時過渡過程中的高頻電流，可達數百安培甚至上千安培。高頻電流過零點電弧熄滅的可能性大大提高，電纜線路弧光接地時，非故障相的過電壓可達4～71倍。
1.3弧光接地過電壓的危害 ①高幅值的過電壓加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞 對于中性點非直接接地系統，我國現行規程籠統地規定允許帶單相接地故障運行2小時，并未區分是架空線路還是電纜線路，也沒有明確是弧光接地還是金屬接地。在高幅值的弧光接地過電壓的持續作用下，加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞。最終在非故障相的絕緣薄弱環節造成對地擊穿，進而發展成為相間短路事故。 ②弧光接地過電壓導致燒pt或保險熔斷 普通的電壓互感器飽和點一般為1.6～1.8倍，在弧光接地過電壓作用下，使電壓互感器嚴重飽和，激磁電流劇烈增加。另一方面，電壓互感器飽和，也很容易激發鐵磁諧振，導致電壓互感器過載。上述兩種情況，都將造成電壓互感器燒毀或高壓保險熔斷。 ③ 弧光接地過電壓導致避雷器爆炸 弧光接地時，過電壓的能量由電源提供，持續時間較長，能量很大。當過電壓的能量超過避雷器所能承受的400a 2ms的能量指標時，就會造成避雷器的爆炸事故。 2、弧光接地時電弧對故障點的破壞 2.1 弧光接地時流過故障點的電弧電流 弧光接地或電弧重燃的瞬間，已充電的相對地電容將要向故障點放電，相當于rlc放電過程。放電電流為： 
過渡過程結束后，流過故障點的電弧電流只剩下穩態的工頻電容電流，其有效值為： i=3uω0c 瞬時值為： 
流過故障點的綜合電弧電流為： 
2.2 不同電網單相接地時的電弧電流 不難證明以電纜線路為主的電網和以架空線路為主的電網，當發生單相電弧接地時，電弧電流具有如下特征： ① 電纜線路的穩態工頻電弧電流是架空線路的25～50倍； ② 電纜線路的高頻電弧電流是架空線路的十倍以上 ； ③ 架空線路的接地電弧較長，高頻電弧電流衰減較快。 2.3 單相接地電弧電流對架空線路的破壞 由于高頻電流較小，且衰減較快，發生單相接地時，電弧電流對故障點的破壞程度，主要取決于穩態的工頻電容電流。正因為這樣，幾十年來，人們一直把工頻電容電流當作單相接地時的電弧電流。 單相接地時的電弧電流對故障點的破壞，主要表現在： ① 燃弧點的溫度高達5000k以上，將會燒傷導線，甚至導致斷線事故。 ② 若電弧不能很快熄滅，則在風吹、電動力、熱氣流等因素的影響下，將會發展成為相間弧光短路事故。 2.4 單相接地電弧電流對電纜線路的破壞 ① 由于電纜線路的穩態工頻電容電流比架空線路大很多，而過渡過程中的高頻電流更大，電弧電流對故障點的破壞程度遠比架空線路嚴重得多； ② 電纜線路的相間距離很短，電弧燃燒時將直接破壞相間絕緣，以致于在幾分鐘之內就會形成相間短路事故。 3、我國限制弧光接地過電壓的措施分析 3.1消弧線圈的作用 ① 消弧線圈曾經對提高3～35kv架空線路供電可靠性起到了積極的作用 中性點非直接接地系統發生單相接地時，三相電壓是對稱的，仍然可以繼續供電。由于消弧線圈的電感電流補償了電容電流，使得故障點的電弧能夠自行熄滅，這就大大減小了因受風吹、電動力等影響而引起直接的相間弧光短路的可能性。一旦電弧自行熄滅后，架空線路的絕緣又可以完全恢復。 ②消弧線圈對于以電纜線路為主的供電網絡已不能繼續發揮作用 隨著城網改造的進行，架空線路逐步被電纜線路取代，中壓電網中固體絕緣的設備逐年增多，以及現有電纜線路隨著運行時間的加長絕緣逐漸老化。近幾年來弧光接地過電壓的問題越來越突出，以至于電纜放炮等絕緣事故成為影響企業內部電網和供電電網安全運行的主要因素。 幾十年來人們誤認為消弧線圈能夠限制弧光接地過電壓。其實不然，消弧線圈不僅不能抑制弧光接地過電壓，有時反而加大了過電壓的幅值①。 從弧光接地過電壓產生的整個過程來看，與系統對地電容電流的大小并無關系。有人曾經在系統對地電容電流為1.1～4.5a的情況下做過上千次試驗，結果每次都有弧光接地過電壓產生①。消弧線圈無法將故障點的電弧電流降低到1.1a以下，因此并不能抑制弧光接地過電壓。所以，我國現行規程并不建議采用消弧線圈來抑制弧光接地過電壓①。 正是由于消弧線圈的投入，減少了故障點的電流，加快了故障點絕緣的恢復，使得在電壓接近最大值的時候發生擊穿的可能性以及在高頻電流過零點擊穿的可能性大大增加。這都會導致過電壓幅值的增加。 如前所述，電纜線路發生單相電弧接地時，電弧電流以高頻電流為主。而消弧線圈只能補償工頻電流的90～95%，對于高頻電流根本起不到補償作用。消弧線圈無法減輕高頻電弧電流對故障點的破壞。 與架空線路不同的是，電纜線路等固體絕緣設備的絕緣水平低于架空線路，一旦發生擊穿其絕緣很難恢復，而且故障的發展非常迅速，這類設備對弧光接地過電壓的承受能力遠遠低于架空線路。大量的事故表明，電路線路發生單相接地警報之后，少則幾秒鐘多則十幾分鐘就已發展成為相間短路事故。 ③消弧線圈正常運行時給系統帶來的問題 a.消弧線圈與系統對地電容串聯諧振，產生虛幻接地或串聯諧振過電壓 可以證明，是消弧線圈的投入，放大了系統的不平衡電壓ubp，使系統中性點產生位移電壓u0： u0=ubp 
正是這一位移電壓，才導致接地保護誤動作發出接地警報，造成虛幻接地現象或者串聯諧振過電壓。 b.消弧線圈與系統對地電容并聯諧振，產生傳遞過電壓③ 變壓器高壓側的對地過電壓u01通過高低壓繞組之間的耦合電容c12傳遞到低壓側，使低壓側產生過電壓u02.這一過電壓取決于變壓器低壓側對地阻抗z20與高低壓繞組間耦合阻抗z12之間的分壓比，即傳遞系數k.等效電路如下圖所示： 其中，z12由高低壓繞組之間的耦合電容c12構成，z20由消弧線圈的電感l及系統對地電容c構成。
u02=ku01 k=z20/（z20 z12） 由于正常時lc運行在諧振點附近，變壓器對地阻抗z20很大，使得傳遞系數接近于1，產生傳遞過電壓。 c.選線靈敏度降低甚至無法選線。 中性點非直接接地系統發生單相接地故障時，應盡快選出故障線路，以便檢查處理。由于消弧線圈的補償作用，使故障點的電流減少，相位發生變化，必然會降低選線的靈敏度，甚至使選線工作根本無法進行。 3.2 中性點經小電阻接地 正因為消弧線圈不但不能避免電纜事故，在正常運行時還存在上述諸多問題，我國北京、上海、廣州等地區已逐步將中性點經消弧線圈接地改為經小電阻接地方式，我國石油化工系統也提出了采用小電阻接地方式的建議④。 中性點經小電阻接地，從根本上解決了消弧線圈正常運行中帶來的問題，緩解了弧光接地時的過電壓，但擴大了單相接地時的故障電流，加劇了故障點的燒傷，犧牲了對用戶供電的可靠性。對于用電企業，被迫停電將會造成巨大的經濟損失。 3.3 將電弧接地快速地轉化為金屬接地 為能有效抑制弧光接地過電壓，防止電纜事故的發生，避免企業因被迫停電所帶來的經濟損失，當發生單相電弧接地時，應當在以下方面采取措施： ①盡快熄滅電弧，防止故障進一步發展； ②盡快將過電壓限制在安全水平，避免固體絕緣的積累性破壞； ③允許用戶在完成轉移負荷的倒閘操作之后再處理故障線路，避免被迫停電。 在中性點非直接接地系統中，發生單相電弧接地時，若能快速地轉化為金屬接地，則可收到如下效果： ① 由于故障相直接與地網連接，對地電壓等于零，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅； ② 金屬性接地后，非故障相上的過電壓立即穩定在倍，系統中的設備可以在這個電壓下安全運行； ③ 由于電弧被熄滅，過電壓被限制在安全水平，故障不會再繼續發展，為用戶倒閘操作贏得了時間，避免造成被迫停電。 ④ 由于弧光接地的持續時間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護器允許的400a 2ms能量指標以內，避免了過電壓保護器爆炸事故； ⑤ 由于母線過電壓被限制在較低的水平，可避免激發鐵磁諧振過電壓。 3.4將故障相經氧化鋅非線性電阻接地 ① 由于氧化鋅非線性電阻導通電壓不為零，裝置動作后不能保證立即熄滅電弧，電弧熄滅后也不能保證不重燃； ② 電弧一旦熄滅并不再重燃，則系統電容電流將全部流過氧化鋅非線性電阻，若能容量按照1mj設計，氧化鋅非線性電阻也只能維持5秒鐘，仍不能避免被迫停電。 4、結論 近幾年來，經過冶金、煤炭、石油、化工及供電等企業的數百臺運行經驗表明，將單相電弧接地快速地轉化為金屬接地的辦法，在提高供電電網和企業內部電網的供電可靠性方面，收到了較理想的效果，受到用戶的歡迎和認可。 消弧及過電壓保護裝置（簡稱kwx），是為了迅速消除中性點非直接接地系統弧光接地給電器設備帶來的危害而研制的最新專利技術產品。裝置主要由三相組合式過電壓保護器dcb、可分相控制的高壓真空接觸器jz、微機控制器、高壓限流熔斷器組件fu及帶有輔助二次繞組的電壓互感器pt等組成。一旦系統發生單相弧光接地，微機控制器立即判別故障類型和相別并向故障相的真空接觸器jz發出動作指令，真空接觸器jz在30ms左右完成合閘動作，間歇性弧光接地隨之被轉化為金屬性接地。真空接觸器動作之前的過電壓由三相組合式過電壓保護器dcb限制在較低的數值。當由于裝置故障、檢修調試人員誤接線等原因造成裝置誤判斷，導致相間弧光短路時，fu組件可以在2ms之內快速熔斷，短路電流遠沒有達到最大值，不會造成任何后果，對系統的運行沒有影響。論文出處(作者):淺談公路工程施工機械的合理選擇
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