工厂供电系统过电压保护分析

2024.02.15

冯川

摘要：在工厂运行体系中，供电系统占据着十分重要的地位，其主要发挥驱动力的作用。若供电系统长期处于高负荷装下运转，设备内部的电子元件的敏感度会有所降低，会降低其安全性能，尤其是受到外部雷电的作用，会产生过电流和过电压，会让设备内部的供电线路产生一定的电流荷载，会加大设备被损毁、被击穿的风险，导致工厂无法高效而持续的运作。对此，本文就工厂供电系统过电压保护展开了相关的分析与研究。

关键词：工厂;供电系统;过电压;保护

供电系统是钢铁厂运作的重要基础，各种机械设备、电子设备等都要借助电力能源开展自身的驱动。鉴于供电系统的实际作用，工厂管理部门通常会对其设定更为专业的防护性体系，避免内外部环境的干扰而对整个供电系统造成一定的破坏，会影响工厂高效而顺利的运行。然而，即便是基于多重保护的基础上，整个供电系统还是会存在诸多的安全隐患，其中，以过电压所引发的安全隐患是最为严重的。受到外部相关因素的影响，致使整个系统中承载的电压会瞬间增大，若过电压、过电流等超过预期荷载时，极易引发运行事故。因此，我们应注重对工厂供电系统过电压保护体系的不断优化，以保证厂房内全部的电子设备都可以规范而合理的运行。

一、工厂供电系统过电压发生的机理

就工程的电力系统供应而言，供电系统是确保工厂高效运行的重要基础，然而，会让整个系统的承载性能变得十分脆弱，且受到外部因素的影响，如若发生过电压的情况，会让瞬间电压值到达几十万伏，容易烧毁设备或导致设备发生短路的情况，极易造成很大的经济损失。除了相关的内部因素的影响之外，雷电是产生过电压的主要原因，且感应雷、直击雷等都会作用于电力设备，如，设备的防护措施不够，导致雷电会产生较大的电压，其会瞬间将设备击穿[1]。一般条件下，雷电是设备接触时在固定空间中会产生的一种强大磁场，等到磁场或静电场在设备内会产生高电阻的电磁回路时，某个高电阻点就会滋生强大热能，会对设备产生强烈的损害[2]。

二、氧化锌避雷器的结构和特性

（一）结构

氧化锌避雷器中最重要的元件为氧化锌压敏电阻，由于其特性的影响，会导致避雷器的保护性能大大降低。压敏电阻会和某个开关电压相呼应，若比开关电压值低时，表现为高阻态，即开路;若比开关电压值高时，则表现为低阻态。在此种状态下，冲击电流会借助压敏电阻来释放到大地中。另外，压敏电阻还具备比较强的恢复性能，冲击电压产生后会快速恢复至高阻态。同时，在氧化锌避雷器中会有诸多的压敏电阻，且压敏电阻主要以串联的状态存在，其内部部件主要包括密封胶、绝缘材料、电级与黏合剂等[3]。

（二）特性

（1）具有较强的通流性能。由于受到过电压的强烈冲击，会释放出一定的大电流，待到过电压散去后即可自行恢复至高阻態状态下，还可予以反复使用。

（2）具有较强的保护性能。氧化锌避雷器属于当前最为先进的过电压保护设备，其具有非线性伏安的基本特性，基于正常电压条件下，内部电流是微安级别。受到过电压的相关冲击之后，过电流会借助避雷器来降低电压，利用残压来保护相关的设备，会对设备产生很大的限制，等到释放完能量后，可采取自我修复的方法来恢复到高阻态，以更好地保护电网。

（3）具有较强的密封性和可靠性。在使用氧化锌避雷器时，应使用密封胶，主要是为了提高避雷器的密封性，以保证避雷器可以高效而安全的运行。

（4）具有一定的机械性能，且抵抗地震、雨雪与拉力的性能较为突出。

（5）抗污能力强。伴随着工业化经济的发展，颗粒尘埃相对较多，污染物会聚集到避雷器表面，这样会泄漏一定的电流，也会影响到避雷器的应用寿命。由于避雷器的抗污性能比较强，可保证避雷器可以可靠而稳定的运行。

三、氧化锌避雷器的多级保护

（一）仿真用波形

为了提升整个低压电网抵抗过电压的性能，注重对用电设备的合理化保护，就要选用氧化锌避雷器，从而开展多级保护模式。开展该研究时，主要是选择PSCAD软件来开展仿真操作，旨在获取前后两级避雷器的实际安装与操作方案，可为后续避雷器的安装提供相应的理论基础。一般情况下，电网主要是使用避雷线、避雷针来进行防护，而侵入过电压则为非直击雷。通常来讲，非直击雷主要包括传导雷与感应类。过电压会通过变压器的耦合达到低压一侧，且过电压的实际幅值相对较大，致使雷电波的实际陡度较大，波前也比较短且高频分量也比较高，主要是为了测试系统和设备出现过电压时的敏感度如何[4]。波形类型、电涌幅值比较多，为充分了解电涌对电路设备所产生的影响，应结合具体的标准来设定好电涌的幅值、波形等参数。通常情况下，会把仿真雷击、静电放电与快速切投过电压的波形描述为双指数波形。测试波形则是通过分析静放电、切投过电压与雷击感应等而获取的。现阶段，我国主要是借鉴国外IEC标准推荐的相关冲击波，主要包括8/20μs冲击电流波与1.2/50μs冲击电压波[5]。在该行业中，最常使用的仿真类软件是PSCAD/EMTDC，此种软件适用于非线性系统仿真、交直流电力系统和电力电子系统等方面。在此次研究中所涉及的仿真实验是把PSCAD作为电磁暂态仿真软件，主要是选择PSCAD仿真程度来仿真该实验的电涌波形，如图1所示，常见的几种电涌波形对应的仿真模型参数详见下表。

（二）混合型冲击波前后端避雷器的有效配合

1.前后端型号不同避雷器状态下的配合

1.2/50μs-8/20μs混合波主要是国外IEC标准推荐且使用的实施低压系统避雷器试验的标准混合波[6]。而8/20μs雷电流波和具体的线路波形很是接近，可以很好的对过电压进行模拟，且此种波形具有幅值高、陡度大的特性，基于此，会影响到设备的具体性能。

结合图2、图3我们可以得出，通过软件仿真可以更为清楚的了解电压、电流的变化情况，进而获得电量值，可为设备安装提供借鉴。

2.不同冲击源幅值条件下避雷器的配合

选择10.0m的电缆，采取高-低配合的方式，并对混合波冲击源的幅值进行科学的调整，还要对各种参数值不变的情况下冲击源的幅值变化情况进行分析，并充分分析首、末两端避雷器的各种电量值。

3.确定电缆长度范围

经过系列的分析和研究，避雷器之间电缆长度未出现变化时，避雷器的信号也是不固定的，对应的电流、电压和能力也不相同。在应用过程中，电缆长度发生变化，其对应的参数值也会发生变化。鉴于选择高-低搭配的方法进行仿真，在混合波冲击波的实际作用下电缆长度发生变化时避雷器的电压与电流参数。首末端避雷器仍然采用高-低搭配的方式，受到混合冲击波的具体作用，其他的条件不会发生变化，只是会改变电缆的实际长度，经过相关的仿真操作了解到，将电缆长度控制到5.0—20.0m，前后两级避雷器能够进行能量的合理化分配，既可保护相关的设备，还可保障避雷器的实际寿命。

四、结语

综上所述，大部分钢铁工程在具体运行过程中均要具备电力能源的支撑，持续性、稳定性的供电模式也是确保整个钢铁工程生产与加工的重要基准。若想更大程度上保证钢铁工厂供电系统不会受到外部环境的有效干扰，技术员需要结合容易出现的问题来制定相关的举措，充分发挥好氧化锌避雷器的多级保护作用，注重挖掘其优势，进而更好地保证整个供电系统的安全性。

参考文献：

[1]申勇.工厂供电系统过电压保护优化研究[J].科技创新导报，2020，17（15）：102-103.

[2]庞勇伟.工厂供电网络高低压侧过电压保护系统优化与应用研究[J].科技创新导报，2019，16（22）：19+21.

[3]王智远.工厂供电系统过电压保护优化研究[D].东北石油大学，2017.

[4]刘莹.关于发电机过电压保护动作的分析与探讨[J].科技尚品，2016（01）：219.

[5]田文利.论电力系统中的过电压保护原理及防护[J].科技与企业，2015（11）：226.