王旭亮 鄒 峰 傅宏偉

(1.徐州博信礦山設(shè)備制造有限公司;2.中國華冶科工集團(tuán))

新型礦業(yè)過電壓綜合防護(hù)裝置的研究*

王旭亮1鄒 峰1傅宏偉2

(1.徐州博信礦山設(shè)備制造有限公司;2.中國華冶科工集團(tuán))

針對傳統(tǒng)過電壓防護(hù)方法的不足，綜合使用高能ZnO與高能SiC材料,開發(fā)了新型過電壓保護(hù)裝置,介紹了新裝置的工作原理，取得了良好的應(yīng)用效果，為解決礦業(yè)雷擊、尖峰及諧振過電壓提供了有效的辦法，具有較好的推廣價(jià)值。

雷擊 尖峰 諧振 過電壓防護(hù) 保護(hù)閥值

在工礦企業(yè)內(nèi)部，過電壓來源主要為雷擊、尖峰脈沖、諧振等。雷電產(chǎn)生的直擊雷或感應(yīng)雷擊到室外架空電纜或電線上，造成斷路器跳閘；雷電擊到辦公樓或監(jiān)控中心避雷針上，燒壞電腦、空調(diào)等設(shè)備；大功率電機(jī)或線路投切產(chǎn)生操作電壓與尖峰電壓直接燒壞設(shè)備或擊穿絕緣；因電網(wǎng)輸入或礦內(nèi)直流、變頻等設(shè)備產(chǎn)生的諧振過電壓破壞電機(jī)、變壓器等設(shè)備絕緣。近幾年來，礦山行業(yè)因雷擊導(dǎo)致停電或燒毀設(shè)備的事故頻現(xiàn)，尤其是隨著工礦企業(yè)的直流、變頻等設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)了大量諧波使電壓畸變，導(dǎo)致了諧振過電壓，從而影響礦山提升機(jī)、變壓器等設(shè)備運(yùn)行。因此，需要針對采礦企業(yè)的電氣設(shè)備過電壓防護(hù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，進(jìn)行有效保護(hù)。

1 傳統(tǒng)過電壓保護(hù)方法及不足

為了實(shí)現(xiàn)對礦業(yè)電氣設(shè)備的過電壓保護(hù)，目前主要采用金屬氧化物避雷器、阻容吸收保護(hù)裝置、消弧線圈及TBP消弧柜等過電壓裝置等。傳統(tǒng)的過電壓保護(hù)裝置存在一些固有的不足，因此無法對電氣設(shè)備的雷擊過電壓、尖峰脈沖過電壓、操作過電壓、諧振過電壓等實(shí)現(xiàn)綜合保護(hù)。

(1)MOA金屬氧化物避雷器。中性點(diǎn)不接地，氧化鋅避雷器必須承受單相接地弧光過電壓的長時(shí)間作用，其閥值電壓必須按承受線電壓并考慮荷電率影響來設(shè)定，閥值高，保護(hù)效果很差，而且能量也達(dá)不到操作過電壓的時(shí)間要求。

(2)RC阻容吸收保護(hù)裝置。線性電阻消耗大量電源能量，發(fā)熱很高；電阻值過大起不到有效的過電壓保護(hù)作用；電容器必須采用價(jià)格昂貴的高壓電容，容量過大還容易引起電源電壓波形畸變；RC阻容吸收裝置也不能取代避雷器的抗雷擊過電壓功能。

(3)消弧線圈及中性點(diǎn)接地變壓器。當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相的電容電流可以被消弧線圈的電流所抵消，使接地電流減小，電弧易熄滅。目前使用較多的是自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電容、電流的變化，隨時(shí)調(diào)整消弧線圈，在正常工作時(shí)遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，在單相接地時(shí)，消弧線圈快速調(diào)整，使接地電弧很快自動(dòng)熄滅，避免產(chǎn)生串聯(lián)諧振，這種動(dòng)態(tài)方式工作噪聲大，調(diào)節(jié)精度低，過電壓保護(hù)定值較高，無法對設(shè)備進(jìn)行可靠的過電壓保護(hù)。

(4)TBP消弧柜。目前電網(wǎng)廣為采用的TBP消弧柜由高壓真空接觸器、選線裝置、三相組合式(四星型接線)過電壓保護(hù)器組成。大量的實(shí)踐證明，用真空接觸器來短接故障相與地確實(shí)能起到消弧的作用，但在短路故障的瞬間不能起到過電壓保護(hù)作用。用四星型接線的普通ZnO閥片，不能對操作過電壓(尤其是相-相)起到有效保護(hù)作用，尤其是為實(shí)現(xiàn)所謂零荷電率而串接的保護(hù)間隙，由于受周圍環(huán)境、氣候、溫度、濕度的變化及運(yùn)行過程中的振動(dòng)，保護(hù)間隙會(huì)偏離設(shè)定值，間隙過大，不能有效保護(hù)，間隙過小，電弧又不能熄滅，會(huì)引起爆炸。

2 新型綜合過電壓防護(hù)裝置

為了實(shí)現(xiàn)對雷擊過電壓、尖峰脈沖過電壓、操作過電壓、諧振過電壓綜合保護(hù)，需要降低過電壓保護(hù)裝置的保護(hù)閥值。高能低場強(qiáng)ZnO閥片具有高能容、高閥值電壓、低殘壓的鉗壓特性，可以有效抑制過電壓及吸收能量，但是ZnO閥片的保護(hù)閥值較高，同時(shí)該材料具有負(fù)溫度-電阻特性，因此,使得傳統(tǒng)ZnO避雷器在過電壓防護(hù)方面存在不足。而高能SiC閥片具有較低的閥值電壓，導(dǎo)通后殘壓較高,可以抑制諧振、限流及吸收能量，因此通過2種材料的綜合使用可以降低保護(hù)閥值，并使得導(dǎo)通后的殘壓較低，從而實(shí)現(xiàn)過電壓防護(hù)特性的極大優(yōu)化，通過SiC與ZnO材料的合理組合而制作的新型過電壓保護(hù)閥片，可以實(shí)現(xiàn)對多種過電壓的綜合保護(hù)。圖1是3種保護(hù)閥片的特性曲線。

圖1 3種保護(hù)閥片的特性

在新型閥片的基礎(chǔ)上，采用四星型的主電路結(jié)構(gòu)，從而得到了較好的過電壓防護(hù)效果。具體電路見圖2。其中R1A、R1B、R1C為高能ZnO保護(hù)閥片，R2A、R2B、R2C 、R2G為高能ZnO與高能SiC組合而成的新型保護(hù)閥片。

圖2 新型過電壓保護(hù)裝置電路

由圖2可知，由高能ZnO保護(hù)閥片和新型保護(hù)閥片組成了A、B、C三相過電壓保護(hù)支路并采用星型連接，由新型保護(hù)閥片構(gòu)成了中性點(diǎn)與地的保護(hù)支路。其中高能ZnO閥值電壓所取的值低于所保護(hù)的相電壓峰值；新型保護(hù)組件中的SiC起限流及阻尼諧振的作用，ZnO起補(bǔ)償SiC殘壓過高及抑制浪涌過壓的作用。該保護(hù)裝置正常運(yùn)行時(shí)三相基本對稱，中性點(diǎn)N的電位為零；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生非正常工況或誘發(fā)諧振時(shí)，中性點(diǎn)電位發(fā)生位移，此時(shí)R2G新型保護(hù)閥片導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)阻尼相間諧振及抑制浪涌過電壓。比如當(dāng)發(fā)生單相間隙性弧光接地過電壓時(shí)，故障接地相對中性點(diǎn)電位仍為相電壓，非接地相對中性點(diǎn)電位亦為相電壓，由于R2G新型保護(hù)閥片導(dǎo)通，會(huì)起到積極消弧及限制浪涌過電壓的作用。該新型過電壓綜合保護(hù)裝置的參數(shù)見表1(以10 kV/35 kV為例)。

表1 過電壓保護(hù)裝置參數(shù) kV

產(chǎn)品相-中性點(diǎn)U1mA中性點(diǎn)-地U1mA相-相U1mA相-地U1mA傳統(tǒng)避雷器17/5717/5734/11434/114新型過電壓綜合保護(hù)裝置8.57/304/1517/6012.6/45

3 應(yīng)用效果

中國華冶科工集團(tuán)思山嶺項(xiàng)目部提升機(jī)為雙電機(jī)，帶一個(gè)雙滾筒卷揚(yáng)，轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速，定子額定電壓為10kV，打井初期，只開一個(gè)電機(jī)。某次啟動(dòng)時(shí)，控制未開電機(jī)的真空接觸器突然由進(jìn)線處燒壞，同時(shí)10kV母線下一個(gè)1 600kVA變壓器未負(fù)載也燒壞了。經(jīng)檢測，礦方給項(xiàng)目部的供電電源內(nèi)含有較大的5、7、9、11次諧波，由于啟動(dòng)電機(jī)的繞組與裝在電機(jī)旁的補(bǔ)償電容構(gòu)成回路，諧波形成諧振條件，把電網(wǎng)電壓瞬間放大20倍以上，燒毀設(shè)備。采用了新型過電壓綜合保護(hù)裝置后，保護(hù)閥值低，保護(hù)可靠，對多種過電壓實(shí)現(xiàn)綜合保護(hù)，同類事故再未發(fā)生。中國華冶科工集團(tuán)鳳凰山項(xiàng)目部也發(fā)生過由于過電壓導(dǎo)致提升電機(jī)損壞的事故，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)，阻容吸收回路電阻被炸掉，同時(shí)電阻上有嚴(yán)重的因高壓拉弧產(chǎn)生的黑色痕跡，供電電源有較為嚴(yán)重的諧波分量。經(jīng)過分析后認(rèn)定諧振過電壓破壞了提升電機(jī)絕緣，安裝了新型過電壓綜合保護(hù)裝置后再?zèng)]有發(fā)生類似事件。由上述2次事故分析可以看出，新型過電壓綜合保護(hù)裝置采用了高能SiC與高能ZnO的組合閥片，并采用四星型接線方式，保護(hù)閥值和過電壓保護(hù)可靠性均有了極大優(yōu)化，非常適用于礦業(yè)電氣設(shè)備過電壓綜合保護(hù)。

4 結(jié) 語

新型過電壓綜合保護(hù)裝置通流容量大，適用范圍廣，采用四星形接法，可將相間過電壓大大降低，保護(hù)可靠性大為提高，尤其是采用高能ZnO和高能SiC組合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了產(chǎn)品的使用壽命，極適用于礦業(yè)過電壓防護(hù)。該裝置應(yīng)用到礦山后，可以避免因雷擊斷電造成的墜罐、燒毀設(shè)備、停產(chǎn)等損失，預(yù)防諧振造成燒毀提升機(jī)電機(jī)、變壓器等事故，還可以減輕因投切、負(fù)載變化引起尖峰電壓對設(shè)備絕緣的破壞，具有較好的推廣價(jià)值。

*北京市科技計(jì)劃重大科技成果轉(zhuǎn)化落地培育項(xiàng)目(編號：Z141100003514012)；財(cái)政部施工新技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目(編號：2013[235])。

2014-11-11)

王旭亮(1969—)，男，副總工程師，助理工程師，221000 江蘇省徐州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)大廟工業(yè)園匯金路。