中壓電網(wǎng)內(nèi)部過電壓防護措施探討

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)的運行狀態(tài)發(fā)生改變，在電場和磁場能量相互轉(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到某種暫時穩(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，對于中性點不接地的電網(wǎng)來說，最常見的故障即為單相接地故障，正常相電壓會由于電網(wǎng)某相發(fā)生接地而升高到原來的1.732倍。

（2）負荷突變導(dǎo)致的過電壓，在電網(wǎng)運行過程中如果發(fā)生事故突然將大負荷切除，則會導(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)電機磁鏈突變特性的影響，在保持發(fā)電機輸送功率時，由于暫態(tài)電動勢不變，所以相對電壓就會升高；其二是由于原動機制動設(shè)備、調(diào)速器具有慣性的特點，如果突然切除荷載，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速會突然增加，最終增加電動勢與頻率。此外，空載長線電容效應(yīng)（費蘭梯效應(yīng)）在工頻電源作用下，由于遠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，投切小電感性負載會產(chǎn)生過電壓，通?？蛰d變壓器或者電動機等均為小電感性負載，在切斷這類小電感性負載時，斷路器的滅弧能力是根據(jù)切斷大電流的要求進行設(shè)計的，一般具備較強的滅弧能力，所以如果在電流過零前強制熄弧，有可能導(dǎo)致載流的現(xiàn)象。此時存儲在電感、電容中的能量會互相轉(zhuǎn)換，形成振蕩，加之對地雜散電容相對較小，所有能量均轉(zhuǎn)換為電場能，從而導(dǎo)致過電壓的出現(xiàn)。

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

事實上，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。由于真空斷路器獨特的滅弧能力，在開斷變壓器、高壓電動機、電容等負荷時，因電弧電流在過零點之前被強行截斷而產(chǎn)生操作過電壓。真空斷路器開斷高壓電機時產(chǎn)生的操作過電壓的特點是，在通常情況下斷路器截流和多次重燃時，相間過電壓為對地過電壓的1.5倍。而開關(guān)三相同步截流時相間過電壓為對地過電壓的2倍。真空斷路器在開斷高壓電動機時，特別是在開斷啟動過程中的電動機時，相間操作過電壓有時可能會超過4倍額定電壓，嚴重危及電動機的絕緣。

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產(chǎn)生共振現(xiàn)象，即所謂的諧振。整個回路的特性決定了諧振過電壓的時間長短。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較小，過電壓值相對較高，通常在系統(tǒng)故障或者非全相操作條件下會發(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，也會對等值電感產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其發(fā)生變化，電網(wǎng)運行狀態(tài)出現(xiàn)異常波動會導(dǎo)致電壓升高，從而導(dǎo)致非線性諧振問題的發(fā)生。一般情況下當電網(wǎng)處于空載或輕載狀態(tài)時，由于有功負載對諧振過電壓會產(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。對中性點不接地電網(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)帶故障運行，在此期間，電弧可能會重復(fù)燃燒、熄滅，相應(yīng)地會重新分配線路對地電容上的電荷，與電感形成振蕩，中性點電壓受其影響就會升高形成過電壓。

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

針對單相接地過電壓，要加強電網(wǎng)系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的維護與檢修，保證系統(tǒng)與設(shè)備處于健康的運行狀態(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，要通過精確的計算予以確定；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。針對負荷突變過電壓，可以采用并聯(lián)電抗器的方法進行防護，在空載線路的投入與切斷操作時，嚴格按照既定程序進行，對長線路的電容效應(yīng)加以限制，防止過電壓的產(chǎn)生；此外，還可以對發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速與電樞反應(yīng)進行限制，在電機側(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

針對在投發(fā)小電感性負載時產(chǎn)生的過電壓，可以采用避雷器加以抑制，因為斷路器的截流能量相對較小。針對開斷電容性負載時所產(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，最終對過電壓產(chǎn)生抑制作用。針對投運空載長線路過程中產(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)備對斷路器兩端電壓水平何時處于最低水平進行判斷，提高合閘時間的精確性。此外也可以對線路的殘余電壓進行消除或減弱處理。

2.3 防止諧振過電壓的產(chǎn)生

針對諧振過電壓，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，這種方法利用的是消弧線圈的電感對過接地點的電容電流可以起到補償作用的特點，縮短了電弧的存在時間，減少重燃次數(shù)，從而對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的局限性

由于操作或故障迫使電網(wǎng)的運行狀態(tài)發(fā)生改變，在電場和磁場能量相互轉(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可恢復(fù)性絕緣構(gòu)不成威脅，也不會造成正常固體絕緣設(shè)備的直接擊穿，但都會產(chǎn)生局部放電，固體絕緣在發(fā)生局部放電之后會留下永久性的損傷。

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重點，因此大部分中壓電網(wǎng)采用的是普通避雷器，我們知道，普通避雷器的保護特性是按躲過雷電過電壓設(shè)計的，在內(nèi)部過電壓下避雷器不放電，對發(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個避雷器串聯(lián)）。這樣中壓電網(wǎng)的實際過電壓防護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設(shè)備的危害，過電壓保護器應(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電氣設(shè)備的絕緣造成積累性破壞，過電壓保護器應(yīng)能將各種過電壓限制在被保護設(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，過電壓保護器的相間保護特性與相地保護特性也應(yīng)一致。

（3）在正常和單相接地工況并考慮了電壓波動15%的情況下，過電壓保護器自身應(yīng)能安全可靠地運行，即持續(xù)運行電壓應(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器

綜合比較多種過電壓保護器，四間隙四星形接法組合式過電壓保護器滿足以上條件，既能限制雷電過電壓，也能限制內(nèi)部過電壓。此種過電壓保護器是由4個完全對稱的帶串聯(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器具有如下的特性：

（1）氧化鋅和間隙互為保護。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法維持，間隙放電后無截波、無續(xù)流。間隙不再承擔滅弧任務(wù)，提高了保護器的使用壽命。

（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，保護性能穩(wěn)定。

（3）采用四星型接線方式，相對相及相對地的保護特性相同，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%，保護的可靠性大為提高。

5 結(jié)語

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

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