淺談工礦企業(yè)供電系統(tǒng)的過電壓保護

摘 要：電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的絕緣，在正常工作時只承受額定電壓。由于某種原因，造成設(shè)備的電壓異常升高，其數(shù)值大大超過設(shè)備的額定電壓，使設(shè)備絕緣擊穿，致使設(shè)備出現(xiàn)安全隱患，文章主要對工礦企業(yè)供電系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓的原因進行分析，并提出幾種過電壓保護措施。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；過電壓；保護措施

1 大氣過電壓

1.1 直接雷擊過電壓

當(dāng)雷電直接擊中電氣設(shè)備時產(chǎn)生的過電壓稱直接雷擊過電壓。天空中的密集云塊因流動而相互摩擦，從而形成帶有正、負電荷的雷云。在雷云下面的大地將感應(yīng)出異性電荷，雷云與大地形成一個巨大的“電容器”，當(dāng)期間的電場強度達到25-30kV/cm時，空氣產(chǎn)生強烈的游離，形成指向大地的一段導(dǎo)電通路，稱雷電先導(dǎo)。當(dāng)雷電先導(dǎo)接近地面時，大地感應(yīng)的異性電荷更加集中，特別是易于聚集在較突出部分或較高的地方，形成迎雷先導(dǎo)。當(dāng)雷電先導(dǎo)與迎雷先導(dǎo)接觸時，出現(xiàn)較大的電流并發(fā)出聲和光，即雷鳴、閃電，這就是主放電階段。主放電階段電壓可達數(shù)百萬伏，電流可達數(shù)十萬安，但時間只有幾十毫秒。直接雷擊過電壓一般采用避雷線進行防護。

1.2 感應(yīng)過電壓

當(dāng)架空線路上方出現(xiàn)雷云時，由于靜電感應(yīng)作用，會在架空線上感應(yīng)出大量與雷云異性的束縛電荷。當(dāng)雷云對大地上的其他目標(biāo)（如附近的山地或高大樹木等）放電后，雷云中所帶電荷迅速消失。特別是主放電階段，由于主放電電流很大而且速度很快，引起空間電場的突變，使導(dǎo)線上感應(yīng)的束縛電荷得到釋放而成為自由電荷。自由電荷向線路兩端急速涌去，從而在線路上形成感應(yīng)沖擊波，使所到之處的電壓升高，這就是感應(yīng)過電壓。其幅值一般不超過300kV，個別可達500～600kV。感應(yīng)過電壓常采用避雷器進行防護。

1.3 反擊過電壓

當(dāng)避雷針落雷后，避雷針以及引下線與其周圍電氣設(shè)備的空間距離太小，避雷針及引下線與其周圍電氣設(shè)備的過電壓，這種雷擊過電壓稱為反擊過電壓。為了防止發(fā)生反擊事故，獨立避雷針、避雷線與配電裝置帶電部分或接地網(wǎng)之間的距離應(yīng)符合安全有求。

2 變電所的防雷措施

2.1 直接雷擊的防護

變電所對直接雷擊的防護是裝設(shè)獨立避雷針，將需要保護的設(shè)備和建筑物置于其保護范圍之內(nèi)。避雷針是防止雷擊的裝置，它把雷電引向自身，使被保護物免受雷擊。避雷針是接地良好，頂端尖銳的金屬棒，由接閃器、接地下引線和接地級組成。接閃器由直徑12-20mm、長1-2m的鍍鋅圓鋼或直徑20-25mm的鍍鋅圓鋼制成；接地引下線為截面不小于25mm平方的鍍鋅鋼絞線或直徑不小于6mm的鍍鋅圓鋼制成；接地極為埋入土壤中的金屬板或金屬管。為了保證接地良好，部分必須牢固地熔焊鏈接。為了避免發(fā)生反擊，避雷針與被保護設(shè)備之間的距離不得小于5m，而避雷針接地級與被保護物接地極之間的距離不得小于3m，且避雷針的沖擊接地電阻不得大于10Ω。

2.2 雷電入侵波的防護

變電所利用裝設(shè)在架空線和各母線段上的避雷器防護雷電入侵波引起的過電壓。避雷器的一端與保護設(shè)備相連，另一端接地，且匹配器的對地放電電壓低于被保護設(shè)備的絕緣水平。當(dāng)雷電波沿線路襲來時，避雷器將電流泄露入地，以降低雷電波電壓，使被保護電氣設(shè)備的絕緣不受危害。當(dāng)過電壓消失后，避雷器又能自動恢復(fù)到原來的對地絕緣狀態(tài)。目前常用的避雷器有金屬氧化物避雷器、閥型避雷器和管型避雷器等。管型避雷器用于發(fā)電機和大型發(fā)動機的保護。礦井變電所主要使用金屬氧化物避雷器和閥型避雷器。

（1）金屬氧化物避雷器。氧化物避雷器主要由壓敏電阻閥片組成。壓敏電阻是由氧化鋅等金屬氧化物燒結(jié)制成的多半晶半導(dǎo)體陶瓷非線性電阻元件。在正常工頻電壓下，呈現(xiàn)極大的電阻，電流僅有1×10的負五次方A，相當(dāng)于絕緣體。當(dāng)作用在金屬氧化物避雷器上的電壓超過一定值時，閥片自動恢復(fù)絕緣狀態(tài)。金屬氧化物避雷器具有殘壓低、通流容量大、響應(yīng)時間快、陡波特性平坦、體積較小等一系列優(yōu)異性能，不僅能有效的限制類點過電壓和操作過電壓（如切高壓電機、投切電容器組等引起的過電壓）對電氣設(shè)備的危害，而且能抑制異?？焖龠^電壓對固體器件的損害。（2）閥型避雷針。閥型避雷器由火花間隙和非線性電阻（閥片）組成。為防止潮氣、塵埃等影響，全部元件都裝在密封的瓷套內(nèi)。火花間隙由銅片沖制而成，每對間隙用厚0.5～1mm的云母墊圈隔開。正常情況下，火花間隙使電網(wǎng)與地之間保持絕緣狀態(tài)，不影響系統(tǒng)正常運行。當(dāng)雷電沖擊波襲來時，花火間隙被擊穿產(chǎn)生電弧，使雷電流瀉入大地，從而保護電氣設(shè)備不受雷電沖擊波的威脅。非線性電阻又稱閥片，它是由碳化硅（金剛砂）和粘合劑在一定溫度下燒結(jié)而成，其電阻呈非線性特性。雷電流通過時閥片呈現(xiàn)低電阻，屹立于雷電流瀉放和降低殘壓。當(dāng)雷電流消失后，線路上恢復(fù)工頻電壓，閥片則呈現(xiàn)高電阻，尾隨雷電流而來的工頻續(xù)流由于遇到很大的電阻，被限制到很小的數(shù)值，使火花間隙中的電弧在工頻續(xù)流第一次過零時就熄滅。閥型避雷器殘壓高，影響速度慢，正被金屬氧化物避雷器逐步取代。

3 架空線路的防雷措施

35-110kV的變電所的架空進線，應(yīng)在變電所的進線端裝設(shè)1-2km的避雷線，限制雷電入侵波的浮值和陡度，降低過電低壓的數(shù)值。避雷線是接地良好的架空金屬線，位于架空導(dǎo)線的上方。避雷線一般用35mm平方的鍍鋅鋼絞線，主要用來保護35kV及以上的架空輸電線路。3-10kV配出線路每路架空線上應(yīng)該設(shè)避雷器。有電纜段的架空線路，避雷器應(yīng)該在電纜與架空線的連接處，其接地端應(yīng)與電纜金屬外皮相連。

4 內(nèi)部過電壓及防護

電力系統(tǒng)在運行過程中由于斷路器或一相接地等，可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓。內(nèi)部過電壓能量來自系統(tǒng)本身，其大小與電網(wǎng)電壓基本呈線性關(guān)系，一般為額定電壓的2.5-4倍，最大不超過相電壓的7倍。內(nèi)部過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為操作性電壓、電弧接地過電壓及諧振過電壓。

4.1 操作過電壓

空載線路或并聯(lián)電容器組成，如果斷路熄滅小電弧的能力差，導(dǎo)致電弧在觸頭之間多次重燃，可能引起電感-電容回路的震蕩過程，從而產(chǎn)生過電壓。切斷電感性負荷（如空載變壓器）時，由于斷路器強制熄弧，隨著電感電流的遮斷，電感中的磁能將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，會使電感性電路產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢，即過電壓。在中性點不斷地或經(jīng)消護線圈接地的系統(tǒng)中，切斷空載線路或電感負荷所出現(xiàn)的最大操作過電壓一般不超過3.5倍相電壓。

4.2 電弧接地過電壓

點對地絕緣的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時，再接低點若產(chǎn)生不穩(wěn)定的電弧，電弧就會發(fā)生時斷時續(xù)的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)存在電感和電容，這種間歇性電弧將導(dǎo)致多次重復(fù)電磁振蕩，在非故障相和故障相上產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧接地過電壓。這種過電壓一般不超過三倍相電壓，但個別可達3.5倍相電壓。

4.3 諧振過電壓

系統(tǒng)中所有回路都包含著電容和電感，當(dāng)這些參數(shù)組合不利時，由于某種原因可能引起諧振，此時出現(xiàn)的過電壓叫做諧過電壓。在中性點不接地系統(tǒng)中，比較常見的是鐵磁振過電壓。此時過電壓幅值一般不超過1.5～2.5倍相電壓但個別可達3.5倍相電壓。

為防止切斷空載變壓器是產(chǎn)生的操作過電壓對變壓器繞組絕緣的損壞，可在變壓器入口設(shè)置避雷器保護。為防止真空斷路器或真空接觸器切斷感性負荷時產(chǎn)生的操作過電壓對設(shè)備絕緣的損壞，可在電路中加裝壓敏電阻或者阻容過電壓吸收裝置來防護。為防止電路中可能出現(xiàn)的諧振過電壓，可采取調(diào)整電路參數(shù)或者裝設(shè)電容器的方法，破壞其諧振條件，防止這種過電壓發(fā)生。

5 結(jié)束語

作者主要對工礦企業(yè)供電系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓的原因進行分析，并提出幾種過電壓保護措施，隨著電力電子技術(shù)特別是電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)設(shè)備的過壓保護技術(shù)也將發(fā)生深刻的變化，用電力電子技術(shù)不僅可以解決大功率電力電子裝置自身的過壓保護問題，同時也向傳統(tǒng)的過壓保護技術(shù)發(fā)起了挑戰(zhàn)。

參考文獻

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