高压厂用电系统过电压防护技术研究与应用

0 概述

在 6～35kV 输配电系统，过电压防护与绝缘监测一直是一个主要的课题。常规的设计中，一段母线一般会有一台 PT 避雷器柜，使用电磁式电压互感器（简称 PT）用于计量、监测及二次保护，电站型避雷器用作母线过电压保护。随着现代电力的快速发展，这种传统的设计已表现出许多局限性，不能完全适应实际应用的需要。

1 传统设计方案简介

随着科学的不断发展，在电力系统中一些开断容量小、速度慢的断路器（如少油断路器、多油断路器等）逐渐被真空断路器所取代。而真空断路器在开断电流时由于其不过零的特性，不可避免的在开断变压器、高压电动机等感性负载时会产生截流过电压、三相同时开断过电压和多次重燃过电压等这此过电压统称为操作过电压。操作过电压在真空断路器合上时会产生，在断开时也会产生，并且在断路器断开时产生的过电压幅值比开关合上时更高，对系统的危害也更大。操作过电压不仅产生在相对地而且产生在相间，而避雷器在设计时是按相对地过电压设计的，过电压产生在相对地时避雷器可以起到保护保护作用。但是，当过电压产生在相间时，避雷器需要两单只避雷器动作来限制过电压，如果过电压的幅值大于单只避雷器的动作值，却小于两单只避雷器动作幅值之和，这时避雷器就不动作，而这个过电压幅值却又超过了设备的绝缘耐压值，最终将会使运行中的电气设备绝缘遭到破坏。现国内主流使用“四星形”结构的三相四柱式组合式过电压保护器解决相间过电压和相地过电压，但运行结果表明，这类产品事故率高，保护效果差，主要表现在：“四星形”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，并带来绝缘配合上的困难，原来由整只避雷器承受相-地运行电压，现在要由 1/2 只避雷器来承担，使得相间氧化锌阀片单元长期运行荷电率过高。为了相间阀片单元的运行可靠性，不得不提高相间单元的额定电压，但要兼顾相-地过电压的保护水平，在相间单元额定电压提高的同时，地相单元的额定电压被降低，当系统发生单相接地（或弧光接地）时，地相单元承受相电压作用，过低的额定电压使得地相单元容易发生热崩溃；由于氧化锌阀片和串联间隙互为保护，间隙必须通过空气来动作，导致组合式过电压保护器结构变得复杂，制造工艺难以控制、产品密封不良，生产和运行中易受潮造成组合式过电压保护器导致内部短路出现爆炸事故。

厂用电系统随着用户系统电容电流的迅速增加，PT 故障率也呈不断增加的趋势。PT 柜中，用于绝缘监测的电磁式电压互感器（PT）其一次绕组接成星形，中性点接地。当进行某些操作时（例如非同期合闸或接地故障消失后），PT 的励磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路。由于回路参数及外界激发条件的不同，可能造成高频、工频、分频谐振过电压，导致频繁的故障。单相接地故障消失时，系统电容电流需经过 PT 中性点释放能量导致 PT 熔丝和一次绕组流过很大的低频振荡电流。以上情况均可能导致 PT 熔丝熔断，严重时导致 PT 烧损，影响电网的安全运行。由于 PT故障频繁发生，电力系统的运行规程对 PT 故障防护提出了明确要求，国网、南网及各地方、行业等又在反事故措施中要求重点防护。除了控制 PT 本身的制造质量，PT 故障的防护措施主要是各种一次消谐和二次消谐。这些措施一般都单独使用，各有其优点和局限性，没有形成一种优势互补的综合解决方案。

根据国家能源局 2024 年统计数据，过电压导致的厂用电系统故障占电力事故总量的 34.7% ，年均直接经济损失超 12 亿元。传统防护方案存在响应速度慢（ >100ns ）、残压控制不足（残压比 ⩾2.8 ）等技术瓶颈。

2 优化方案提出与分析

实现高压厂用电系统相地及相间保护最直接的措施是安装 3 只相间避雷器，与 3 只相地避雷器一起，共 6 只独立的避雷器构成完整的相—地和相—相过电压保护，受开关柜小型化限制，6 只避雷器无法安装到柜体内，“四星形”组合式过电压保护器又存在故障率高的缺点，现采用六柱无间隙全相双安全过电压保护装置，相对于四柱式结构，六柱式结构的产品在相同的额定电压下，保护效果提高 30% 以上。

采用抗饱和 PT 与智能抗谐技术组合使用方案，彻底解决烧 PT 断保险问题。当系统发生单相接地故障时 PTK 打开将 SiC 投入，有效抑制系统的谐振和冲击涌流，接地故障恢复后 PTK 延时闭合系统恢复正常。系统正常运行时 SiC 抗谐电阻不工作，完全消除了自身故障的问题。当发生铁磁谐振时，微机控制触发导通可控硅，形成有效零序电流流通通道。这个零序电流是对高压绕组中的零序电流所建立的磁通起去磁作用。与传统设计方案相比新设计方案具备以下优点：保护残压比常规避雷器降低 30% ，即过电压保护效果提升了 30% ，对于防止柜内绝缘闪络事故发生，延长固体绝缘设备使用寿命意义重大；PT 抗谐保护技术，对 PT 提供了更全面的综合防护方案，提高了系统运行的可靠性。

3 与传统方案对比

真空开关大量使用后，确实普遍存在相间过电压问题。特别是在要求对感性负载进行频繁投切的情况下，问题尤为突出。国家标准 GB/T28547要求中压电网中电力设备的相间绝缘水平与相对地绝缘水平相等。普通三相无间隙避雷器不能满足保护中压输配电网电气设备相间绝缘的要求。六柱式避雷器采用无间隙无中性点方案，六个整支避雷器元件完整防护相间和相地过电压，防护效果全面有效，并且可实现在线监测和离线检验。

低残压母线过电压保护柜能为系统提供更完善的母线过电压保护及PT 保护。低残压技术是金属氧化物避雷器在保护性能上的重大突破，保护残压比常规避雷器降低 30% ，即过电压保护效果提升了 30% ，对于防止柜内绝缘闪络事故发生，延长固体绝缘设备使用寿命意义重大；PT 抗谐保护技术，对 PT 提供了更全面的综合防护方案，提高了系统运行的可靠性。

没有有效的 PT 保护技术，存在消谐不彻底情况，极易造成母线故障，导致大面积停电事故，熔丝存在非故障熔断风险，存在安全隐患。PT 属弱绝缘设备，在铁磁谐振、系统单相接地、高频过电压、电压畸变等异常情况下极易造成铁磁发热导致 PT 故障或熔丝熔断。PT 熔丝保护的作用是 PT内部绝缘损坏造成短路时熔丝熔断脱离系统避免造成母线停电事故。

4 结语

综合考虑安全性、经济型、设备选型等方面诸多因素，六柱式避雷器保护装置比普通的单只避雷器增加了相间过电压保护，可更好保护电气的相间绝缘；低残压母线过电压保护装置比普通 PT 柜增加了低残压保护和PT 综合保护，可延长电缆等固体绝缘类设备的使用寿命，同时也解决了系统中常见的烧 PT 断保险等问题。

参考文献

[1]DL/T5153 火力发电厂厂用电设计技术规程

[2]GB7251 低压成套开关设备和控制设备