劉奇鎮(zhèn)

1 中壓電網(wǎng)內(nèi)部過電壓形成原因分析

由于操作或故障迫使電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量相互轉(zhuǎn)化的過程中產(chǎn)生的過電壓，統(tǒng)稱為內(nèi)部過電壓。具體包括以下3種形式的過電壓：

1.1 暫態(tài)過電壓

暫態(tài)過電壓是由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程以后重新達(dá)到某種暫時(shí)穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過電壓，又稱工頻電壓升高。暫態(tài)過電壓包括以下幾種：

（1）由于單相接地故障導(dǎo)致的過電壓，對(duì)于中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，最常見的故障即為單相接地故障，正常相電壓會(huì)由于電網(wǎng)某相發(fā)生接地而升高到原來(lái)的1.732倍。

（2）負(fù)荷突變導(dǎo)致的過電壓，在電網(wǎng)運(yùn)行過程中如果發(fā)生事故突然將大負(fù)荷切除，則會(huì)導(dǎo)致電壓升高。造成這種現(xiàn)象的原因有幾種，其一是受發(fā)電機(jī)磁鏈突變特性的影響，在保持發(fā)電機(jī)輸送功率時(shí)，由于暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)不變，所以相對(duì)電壓就會(huì)升高；其二是由于原動(dòng)機(jī)制動(dòng)設(shè)備、調(diào)速器具有慣性的特點(diǎn)，如果突然切除荷載，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)突然增加，最終增加電動(dòng)勢(shì)與頻率。此外，空載長(zhǎng)線電容效應(yīng)（費(fèi)蘭梯效應(yīng)）在工頻電源作用下，由于遠(yuǎn)距離空載線路電容效應(yīng)的積累，使沿線電壓分布不等，末端電壓最高。

1.2 操作過電壓

操作過電壓是由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的衰減較快、持續(xù)時(shí)間較短的過電壓，其主要有以下幾種形式：

首先，投切小電感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生過電壓，通常空載變壓器或者電動(dòng)機(jī)等均為小電感性負(fù)載，在切斷這類小電感性負(fù)載時(shí)，斷路器的滅弧能力是根據(jù)切斷大電流的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，一般具備較強(qiáng)的滅弧能力，所以如果在電流過零前強(qiáng)制熄弧，有可能導(dǎo)致載流的現(xiàn)象。此時(shí)存儲(chǔ)在電感、電容中的能量會(huì)互相轉(zhuǎn)換，形成振蕩，加之對(duì)地雜散電容相對(duì)較小，所有能量均轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能，從而導(dǎo)致過電壓的出現(xiàn)。

其次，在開斷電容性負(fù)載過程中也會(huì)導(dǎo)致過電壓的發(fā)生。在電容器、電纜或者空載長(zhǎng)線路流經(jīng)的電流即為電容性負(fù)載，通過斷路器對(duì)電容性設(shè)備進(jìn)行開斷時(shí)，如果斷口處恢復(fù)電壓的上升速度大于其介質(zhì)強(qiáng)度的上升速度，則在開斷斷路器時(shí)會(huì)導(dǎo)致電弧重燃，這種情況下如果電源不間斷地進(jìn)行能量供給，而斷口的兩端電壓極性相反，則振動(dòng)的過程中就會(huì)引發(fā)過電壓。

事實(shí)上，中壓電網(wǎng)由于真空斷路器的大量采用，操作過電壓已成為中壓電網(wǎng)內(nèi)部過電壓的主要形式。由于真空斷路器獨(dú)特的滅弧能力，在開斷變壓器、高壓電動(dòng)機(jī)、電容等負(fù)荷時(shí)，因電弧電流在過零點(diǎn)之前被強(qiáng)行截?cái)喽a(chǎn)生操作過電壓。真空斷路器開斷高壓電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓的特點(diǎn)是，在通常情況下斷路器截流和多次重燃時(shí)，相間過電壓為對(duì)地過電壓的1.5倍。而開關(guān)三相同步截流時(shí)相間過電壓為對(duì)地過電壓的2倍。真空斷路器在開斷高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，特別是在開斷啟動(dòng)過程中的電動(dòng)機(jī)時(shí)，相間操作過電壓有時(shí)可能會(huì)超過4倍額定電壓，嚴(yán)重危及電動(dòng)機(jī)的絕緣。

1.3 鐵磁諧振過電壓

在中壓電網(wǎng)中，如果其等效電感、電容的自振頻率與工頻相等，或者等于某一諧波頻率就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，即所謂的諧振。整個(gè)回路的特性決定了諧振過電壓的時(shí)間長(zhǎng)短。諧振又可分為2種，即線性諧振與非線性諧振，其中線性諧振的條件范圍相對(duì)較小，過電壓值相對(duì)較高，通常在系統(tǒng)故障或者非全相操作條件下會(huì)發(fā)生線性諧振；電網(wǎng)中所包含的變壓器等相關(guān)鐵磁元件則會(huì)引起非線性諧振，其等值電感呈非線性的狀態(tài)，并且如果施加電壓發(fā)生變化，也會(huì)對(duì)等值電感產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其發(fā)生變化，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電壓升高，從而導(dǎo)致非線性諧振問題的發(fā)生。一般情況下當(dāng)電網(wǎng)處于空載或輕載狀態(tài)時(shí)，由于有功負(fù)載對(duì)諧振過電壓會(huì)產(chǎn)生阻尼或限制作用，所以容易引發(fā)非線性諧振。

最后為間歇性電弧接地形成的過電壓。對(duì)中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)而言，容易出現(xiàn)這類過電壓。如果小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，可以允許在1 h以內(nèi)帶故障運(yùn)行，在此期間，電弧可能會(huì)重復(fù)燃燒、熄滅，相應(yīng)地會(huì)重新分配線路對(duì)地電容上的電荷，與電感形成振蕩，中性點(diǎn)電壓受其影響就會(huì)升高形成過電壓。

2 避免中壓電網(wǎng)內(nèi)部過電壓產(chǎn)生的措施

2.1 防止暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生

針對(duì)單相接地過電壓，要加強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的維護(hù)與檢修，保證系統(tǒng)與設(shè)備處于健康的運(yùn)行狀態(tài)，提高供電線路的施工質(zhì)量，在選擇導(dǎo)線截面與檔距時(shí)，要通過精確的計(jì)算予以確定；定期砍伐線路下的樹木，保證線路通道與相關(guān)規(guī)范要求相符。針對(duì)負(fù)荷突變過電壓，可以采用并聯(lián)電抗器的方法進(jìn)行防護(hù)，在空載線路的投入與切斷操作時(shí)，嚴(yán)格按照既定程序進(jìn)行，對(duì)長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)加以限制，防止過電壓的產(chǎn)生；此外，還可以對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速與電樞反應(yīng)進(jìn)行限制，在電機(jī)側(cè)采用快速減磁系統(tǒng)即可。

2.2 防止操作過電壓的產(chǎn)生

針對(duì)在投發(fā)小電感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的過電壓，可以采用避雷器加以抑制，因?yàn)閿嗦菲鞯慕亓髂芰肯鄬?duì)較小。針對(duì)開斷電容性負(fù)載時(shí)所產(chǎn)生的過電壓，可以將電阻并聯(lián)于斷路器的斷口處，對(duì)斷口恢復(fù)電壓的上升起到一定的限制作用，減少重新燃燒的途徑，最終對(duì)過電壓產(chǎn)生抑制作用。針對(duì)投運(yùn)空載長(zhǎng)線路過程中產(chǎn)生的過電壓，可以采用帶合閘的電阻斷路器，或者采用專業(yè)設(shè)備對(duì)斷路器兩端電壓水平何時(shí)處于最低水平進(jìn)行判斷，提高合閘時(shí)間的精確性。此外也可以對(duì)線路的殘余電壓進(jìn)行消除或減弱處理。

2.3 防止諧振過電壓的產(chǎn)生

針對(duì)諧振過電壓，除了盡可能地避免引起諧振的操作外，還可采用使用消諧器等措施將諧振條件破壞掉。針對(duì)間歇性電弧過電壓，可以將消弧線圈接地接入電網(wǎng)中性點(diǎn)，這種方法利用的是消弧線圈的電感對(duì)過接地點(diǎn)的電容電流可以起到補(bǔ)償作用的特點(diǎn)，縮短了電弧的存在時(shí)間，減少重燃次數(shù)，從而對(duì)過電壓起到有效的抑制作用。

3 中壓電網(wǎng)采用普通避雷器作為過電壓防護(hù)的局限性

由于操作或故障迫使電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量相互轉(zhuǎn)化的過程中產(chǎn)生的過電壓一般為額定電壓的3～4倍，多數(shù)在3.5倍左右。由于內(nèi)部過電壓幅值不高對(duì)可恢復(fù)性絕緣構(gòu)不成威脅，也不會(huì)造成正常固體絕緣設(shè)備的直接擊穿，但都會(huì)產(chǎn)生局部放電，固體絕緣在發(fā)生局部放電之后會(huì)留下永久性的損傷。

按照GB311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》的規(guī)定，6～35 k V中壓電網(wǎng)以雷電過電壓作為防護(hù)重點(diǎn)，因此大部分中壓電網(wǎng)采用的是普通避雷器，我們知道，普通避雷器的保護(hù)特性是按躲過雷電過電壓設(shè)計(jì)的，在內(nèi)部過電壓下避雷器不放電，對(duì)發(fā)生在相與相之間的內(nèi)部過電壓更不能起到限制作用（相與相之間2個(gè)避雷器串聯(lián)）。這樣中壓電網(wǎng)的實(shí)際過電壓防護(hù)只能限制雷電過電壓。另一方面由于真空斷路器的大量使用，使操作過電壓出現(xiàn)的概率大大提高，則在內(nèi)部過電壓的長(zhǎng)期持續(xù)作用下，由于局部放電的積累性破壞，固體絕緣的壽命將會(huì)大大縮短。為避免各種形式的內(nèi)部過電壓，特別是相間過電壓對(duì)設(shè)備的危害，過電壓保護(hù)器應(yīng)滿足以下條件：

（1）為能有效地避免防止過高的操作過電壓對(duì)電氣設(shè)備的絕緣造成積累性破壞，過電壓保護(hù)器應(yīng)能將各種過電壓限制在被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐壓水平以下。

（2）由于電氣設(shè)備的相間絕緣水平與相地絕緣水平相同，過電壓保護(hù)器的相間保護(hù)特性與相地保護(hù)特性也應(yīng)一致。

（3）在正常和單相接地工況并考慮了電壓波動(dòng)15%的情況下，過電壓保護(hù)器自身應(yīng)能安全可靠地運(yùn)行，即持續(xù)運(yùn)行電壓應(yīng)按線電壓選擇：Uch＝1.1×1.15×Ue。

4 四間隙四星形接法組合式過電壓保護(hù)器

綜合比較多種過電壓保護(hù)器，四間隙四星形接法組合式過電壓保護(hù)器滿足以上條件，既能限制雷電過電壓，也能限制內(nèi)部過電壓。此種過電壓保護(hù)器是由4個(gè)完全對(duì)稱的帶串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器組合而成。采用這種特殊的結(jié)構(gòu)和接線方式使得保護(hù)器具有如下的特性：

（1）氧化鋅和間隙互為保護(hù)。間隙使氧化鋅的荷電率為零，不存在老化問題。氧化鋅良好的伏安特性迫使工頻電弧無(wú)法維持，間隙放電后無(wú)截波、無(wú)續(xù)流。間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)，提高了保護(hù)器的使用壽命。

（2）改善間隙的結(jié)構(gòu)以及選擇間隙之間瓷環(huán)材料的介電系數(shù)，使沖擊系數(shù)接近于1。上升前沿為1.2μs的沖擊電壓放電值與上升前沿為5 ms的工頻電壓放電值相同，這樣在操作沖擊電壓波形范圍內(nèi)（20～5 000μs）的任意波形電壓，放電電壓值均相等，保護(hù)性能穩(wěn)定。

（3）采用四星型接線方式，相對(duì)相及相對(duì)地的保護(hù)特性相同，可大大降低相間過電壓，與常規(guī)氧化鋅避雷器相比，相間過電壓下降了60%～70%，保護(hù)的可靠性大為提高。

5 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)部過電壓不足以造成絕緣的直接擊穿，但局部放電會(huì)給固體絕緣帶來(lái)積累性的損傷，尤其對(duì)絕緣較低的電動(dòng)機(jī)威脅很大。應(yīng)將各種過電壓限制到設(shè)備絕緣允許的范圍內(nèi)。過電壓保護(hù)器工頻放電電壓應(yīng)設(shè)計(jì)在額定相電壓的3.5倍左右，對(duì)于保護(hù)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)設(shè)計(jì)在2.5倍左右。中壓設(shè)備相對(duì)地絕緣水平與相間絕緣水平相同，建議盡量采用對(duì)稱參數(shù)的四星型結(jié)構(gòu)的過電壓保護(hù)器。對(duì)于中性點(diǎn)非有效接地的系統(tǒng)，避雷器、過電壓保護(hù)器的持續(xù)運(yùn)行電壓應(yīng)按照線電壓選取，以保證自身安全。

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