中压电网内部过电压防护措施探讨

Ｄｉａｎｑｉｇｏｎｇｃｈｅｎｇ　ｙｕ　ｚｉｄｏｎｇｈｕａ◆电气工程与自动化　－＿＿＿－・・－・＿＿＿＿＿＿＿＿＿－＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－・Ｉ－‘＿　中压电网内部过电压防护措施探讨　刘奇镇　（湖南省湘维有限公司，湖南怀化４１９３２３）　摘要：对中压电网各种过电压形成机理进行了全面分析，指出由于操作或故障迫使电网的运行状态发生改变，在电场和磁场能量相　互转化的过程中产生的过电压，幅值不高不会造成正常固体绝缘设备的直接击穿，但会引起局部放电，由于局部放电的积累性破坏，固体　绝缘的寿命大大缩短，影响电网的安全运行，现就此展开讨论并提出有效的防护措施，有着重要的现实意义。　关键词：中压电网；内部过电压；过电压保护器；防护措施　１　中压电网内部过电压形成原因分析　由于操作或故障迫使电网的运行状态发生改变，在电场和　磁场能量相互转化的过程中产生的过电压，统称为内部过电　压。具体包括以下３种形式的过电压：　１．１暂态过电压　暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系　统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现　的过电压，又称工频电压升高。暂态过电压包括以下几种：　（１）由于单相接地故障导致的过电压，对于中性点不接地　的电网来说，最常见的故障即为单相接地故障，正常相电压会　由于电网某相发生接地而升高到原来的１．７３２倍。　（２）负荷突变导致的过电压，在电网运行过程中如果发生　事故突然将大负荷切除，则会导致电压升高。造成这种现象的　原因有几种，其一是受发电机磁链突变特性的影响，在保持发　电机输送功率时，由于暂态电动势不变，所以相对电压就会升　高；其二是由于原动机制动设备、调速器具有惯性的特点，如果　突然切除荷载，发电机的转速会突然增加，最终增加电动势与　频率。此外，空载长线电容效应（费兰梯效应）在工频电源作用　下，由于远距离空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不　等，末端电压最高。　１．２操作过电压　操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起　的衰减较快、持续时问较短的过电压，其主要有以下几种形式：　首先，投切小电感性负载会产生过电压，通常空载变压器　或者电动机等均为小电感性负载，在切断这类小电感性负载　时，断路器的灭弧能力是根据切断大电流的要求进行设计的，　一般具备较强的灭弧能力，所以如果在电流过零前强制熄弧，　有可能导致载流的现象。此时存储在电感、电容中的能量会互　相转换，形成振荡，加之对地杂散电容相对较小，所有能量均转　换为电场能，从而导致过电压的出现。　其次，在开断电容性负载过程中也会导致过电压的发生。　在电容器、电缆或者空载长线路流经的电流即为电容性负载，　通过断路器对电容性设备进行开断时，如果断口处恢复电压的　上升速度大于其介质强度的上升速度，则在开断断路器时会导　致电弧重燃，这种情况下如果电源不问断地进行能量供给，而　断口的两端电压极性相反，则振动的过程中就会引发过电压。　事实上，中压电网由于真空断路器的大量采用，操作过电　压已成为中压电网内部过电压的主要形式。由于真空断路器　独特的灭弧能力，在开断变压器、高压电动机、电容等负荷时，　因电弧电流在过零点之前被强行截断而产生操作过电压。真　空断路器开断高压电机时产生的操作过电压的特点是，在通常　情况下断路器截流和多次重燃时，相间过电压为对地过电压的　１．５倍。而开关三相同步截流时相间过电压为对地过电压的２　倍。真空断路器在开断高压电动机时，特别是在开断启动过程　中的电动机时，相间操作过电压有时可能会超过４倍额定电　压，严重危及电动机的绝缘。　１．３铁磁谐振过电压　在中压电网中，如果其等效电感、电容的自振频率与工频　相等，或者等于某一谐波频率就会产生共振现象，即所谓的谐　振。整个回路的特性决定了谐振过电压的时间长短。谐振又　可分为２种，即线性谐振与非线性谐振，其中线性谐振的条件　范围相对较小，过电压值相对较高，通常在系统故障或者非全　相操作条件下会发生线性谐振；电网中所包含的变压器等相关　铁磁元件则会引起非线性谐振，其等值电感呈非线性的状态，　并且如果施加电压发生变化，也会对等值电感产生影响，导致　其发生变化，电网运行状态出现异常波动会导致电压升高，从　而导致非线性谐振问题的发生。一般情况下当电网处于空载　或轻载状态时，由于有功负载对谐振过电压会产生阻尼或限制　作用，所以容易引发非线性谐振。　最后为间歇性电弧接地形成的过电压。对中性点不接地　电网而言，容易出现这类过电压。如果小电流接地系统发生单　相接地故障，可以允许在１　ｈ以内带故障运行，在此期间，电弧　可能会重复燃烧、熄灭，相应地会重新分配线路对地电容上的　电荷，与电感形成振荡，中性点电压受其影响就会升高形成过　电压。　２避免中压电网内部过电压产生的措施　２．１防止暂态过电压的产生　针对单相接地过电压，要加强电网系统及相关设备的维护　与检修，保证系统与设备处于健康的运行状态，提高供电线路　的施工质量，在选择导线截面与档距时，要通过精确的计算予　以确定；定期砍伐线路下的树木，保证线路通道与相关规范要　求相符。针对负荷突变过电压，可以采用并联电抗器的方法进　行防护，在空载线路的投入与切断操作时，严格按照既定程序　进行，对长线路的电容效应加以限制，防止过电压的产生；此　外，还可以对发电机转子加速与电枢反应进行限制，在电机侧　采用快速减磁系统即可。　２．２防止操作过电压的产生　针对在投发小电感性负载时产生的过电压，可以采用避雷　器加以抑制，因为断路器的截流能量相对较小。针对开断电容　性负载时所产生的过电压，可以将电阻并联于断路器的断口　处，对断口恢复电压的上升起到一定的限制作用，减少重新燃　机电信息２０１３年第１２期总第３６６期　５　电气Ｔ程与自动化◆Ｄｉａｎｑｉｇｏｎｇｃｈｅｎｇ　ｙｕ　Ｚｉｄｏｎｇｈｕａ　＿●－＿－＿＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●－＿＿＿＿＿０＿＿－＿一　烧的途径，最终对过电压产生抑制作用。针对投运空载长线路　过程中产生的过电压，可以采用带合闸的电阻断路器，或者采　用专业设备对断路器两端电压水平何时处于最低水平进行判　数，使冲击系数接近于１。上升前沿为１．２　Ｆｓ的冲击电压放电　值与上升前沿为５　ｍｓ的工频电压放电值相同，这样在操作冲　击电压波形范围内（２Ｏ～５　ｏｏｏ　Ｆｓ）的任意波形电压，放电电压　　断，提高合闸时间的精确性。此外也可以对线路的残余电压进　值均相等，保护性能稳定。（３）采用四星型接线方式，相对相及相对地的保护特性相　行消除或减弱处理。　２．３防止谐振过电压的产生　同，可大大降低相间过电压，与常规氧化锌避雷器相比，相问过　电压下降了６Ｏ　～７Ｏ　，保护的可靠性大为提高。　针对谐振过电压，除了尽可能地避免引起谐振的操作外，　还可采用使用消谐器等措施将谐振条件破坏掉。针对间歇性　电弧过电压，可以将消弧线圈接地接入电网中性点，这种方法　５结语　利用的是消弧线圈的电感对过接地点的电容电流可以起到补　偿作用的特点，缩短了电弧的存在时间，减少重燃次数，从而对　过电压起到有效的抑制作用。　３中压电网采用普通避雷器作为过电压防护的局限性　由于操作或故障迫使电网的运行状态发生改变，在电场和　磁场能量相互转化的过程中产生的过电压一般为额定电压的３　～４倍，多数在３．５倍左右。由于内部过电压幅值不高对可恢　复性绝缘构不成威胁，也不会造成正常固体绝缘设备的直接击　穿，但都会产生局部放电，固体绝缘在发生局部放电之后会留　下永久性的损伤。　按照ＧＢ３１１．１—１９９７《高压输变电设备的绝缘配合》的规　定，６～３５　ｋＶ中压电网以雷电过电压作为防护重点，因此大部　分中压电网采用的是普通避雷器，我们知道，普通避雷器的保　护特性是按躲过雷电过电压设计的，在内部过电压下避雷器不　放电，对发生在相与相之问的内部过电压更不能起到限制作用　（相与相之间２个避雷器串联）。这样中压电网的实际过电压　防护只能限制雷电过电压。另一方面由于真空断路器的大量　使用，使操作过电压出现的概率大大提高，则在内部过电压的　长期持续作用下，由于局部放电的积累性破坏，固体绝缘的寿　命将会大大缩短。为避免各种形式的内部过电压，特别是相间　过电压对设备的危害，过电压保护器应满足以下条件：　（１）为能有效地避免防止过高的操作过电压对电气设备的　绝缘造成积累性破坏，过电压保护器应能将各种过电压限制在　被保护设备的冲击耐压水平以下。　（２）由于电气设备的相间绝缘水平与相地绝缘水平相同，　过电压保护器的相间保护特性与相地保护特性也应一致。　（３）在正常和单相接地工况并考虑了电压波动１５　的情　况下，过电压保护器自身应能安全可靠地运行，即持续运行电　压应按线电压选择：Ｕ　一１．１×１．１５×　。　４四间隙四星形接法组合式过电压保护器　综合比较多种过电压保护器，四间隙四星形接法组合式过　电压保护器满足以上条件，既能限制雷电过电压，也能限制内　部过电压。此种过电压保护器是由４个完全对称的带串联间　隙的氧化锌避雷器组合而成。采用这种特殊的结构和接线方　式使得保护器具有如下的特性：　（１）氧化锌和间隙互为保护。间隙使氧化锌的荷电率为　零，不存在老化问题。氧化锌良好的伏安特性迫使工频电弧无　法维持，间隙放电后无截波、无续流。间隙不再承担灭弧任务，　提高了保护器的使用寿命。　（２）改善间隙的结构以及选择间隙之间瓷环材料的介电系　６　内部过电压不足以造成绝缘的直接击穿，但局部放电会给　固体绝缘带来积累性的损伤，尤其对绝缘较低的电动机威胁很　大。应将各种过电压限制到设备绝缘允许的范围内。过电压　保护器工频放电电压应设计在额定相电压的３．５倍左右，对于　保护电动机的应设计在２．５倍左右。中压设备相对地绝缘水　平与相间绝缘水平相同，建议尽量：采用对称参数的四星型结构　的过电压保护器。对于中性点非有效接地的系统，避雷器、过　电压保护器的持续运行电压应按照线电压选取，以保证自身安　全。　［参考文献］　［１］王焱．供电系统的内部过电压及防护措施［Ｊ］．农村电工，２０１０　（８）　［２］徐兴国．电力系统产生铁磁谐振过电压的原因及防护口］．湖南　电力，２０１１（４）　［３］侯庆华．电力系统过电压保护原理及防护措施［Ｊ］．中国石油和　化工标准与质量，２０１０（１１）　Ｅ４］陈国忠．电力系统过电压防护以及电气设备的检测与检修［Ｊ］．　科技创新导报，２０１２（８）　收稿日期：２０１３—０１—２１　作者简介：刘奇镇（１９６８一），男，湖南洞口人，工程师，研究方　向：电气工程及其自动化。