馬庾卿

(西山煤電集團 電力公司，山西 太原 030053)

電力系統(tǒng)對供電可靠性的要求極高，過電壓故障在所有故障種類中占比最大，如果不提前采取預(yù)防措施會造成很大的損失，因此過電壓防護成為電力系統(tǒng)中的一個重要課題，必須要了解過電壓課題才能保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。

1 過電壓形成的原因

1) 雷電過電壓。

a) 直擊雷過電壓。雷電直接對線路、設(shè)備放電時，很大的雷電流通過其流入地面，在該物體產(chǎn)生較高的電位降，稱為直擊雷過電壓。

b) 雷電反擊過電壓。金屬導(dǎo)體受到雷電直擊后，會將雷電流引入大地，在金屬導(dǎo)體及相連接的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生非常高的電壓，對周圍金屬物體、線路、設(shè)備產(chǎn)生巨大的電位差，這個電位差會引起閃絡(luò)。這種發(fā)生放電的現(xiàn)象叫反擊。

c) 感應(yīng)雷過電壓。當線路附近發(fā)生存在雷云時，雷電流未直接對設(shè)備或線路放電，但在導(dǎo)線上會感應(yīng)出大量的電荷且與雷云極性相反，在雷云對大地上其他物體放電后，雷云中所帶電荷迅速消失，導(dǎo)線上的感應(yīng)電荷就會成為自由電荷，并以很快的速度向?qū)Ь€兩端急速涌去，從而出現(xiàn)過電壓，叫做靜電感應(yīng)過電壓；由于雷電流有極大的幅值和斜率，在它周圍有強大的變化電磁場，處在此電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出極大的電動勢，使導(dǎo)體之間放電，產(chǎn)生火花。

d) 雷電侵入波過電壓。由于線路、金屬物等遭受直接雷擊或感應(yīng)雷而形成的雷電波，沿線路、金屬物等侵入變配電所而造成。

2) 內(nèi)部過電壓。

內(nèi)部過電壓是由于操作失誤或其他巧合，引起電力系統(tǒng)的狀態(tài)突然發(fā)生變化，出現(xiàn)一種暫態(tài)過渡過程，在這個過程中可能產(chǎn)生對系統(tǒng)有威脅的過電壓，這是系統(tǒng)內(nèi)部電能的震蕩和積聚所引起的，所以叫內(nèi)部過電壓。

a) 操作過電壓。這種過電壓一般是由于系統(tǒng)中電容或感性負荷的變化引起，在操作電容器或感性負荷進行開斷或關(guān)合時，發(fā)生開斷重燃或關(guān)合彈跳的現(xiàn)象叫做操作過電壓，其幅值在很大程度上決定于中性點的接地情況。

c) 弧光接地過電壓。在中低壓中性點IT系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地時流過故障點的電流為容性電流。容性電流的相位角比電壓的相位角超前90°，當電流過零點時，故障點的電弧熄滅，但是此時故障點的電壓為最大值，如果接地電容電流大于5 A，會使剛剛自熄的電弧又重新點燃，出現(xiàn)不斷熄滅再點燃的間歇性電弧。

2 過電壓產(chǎn)生的危害

1) 雷電過電壓。

雷電具有電流所有的性質(zhì)，同時可以在短時間內(nèi)以脈沖的形式通過設(shè)備及導(dǎo)線，幅值極大，直擊雷的峰值電流可達幾十到幾百千安，破壞性很大。

a) 雷電流具有很強的熱效應(yīng)，在電流通過的導(dǎo)體中瞬間溫度甚至可以超過10 000 ℃，容易引起火災(zāi)事故。

b) 電流安培特性具有動力效應(yīng)，大電流通過時導(dǎo)線收到極大的剪力，金屬導(dǎo)線一旦斷線，對輸電線路的穩(wěn)定性造成很大的危害。

c) 較容易發(fā)生危害的是感應(yīng)雷過電壓，雖然瞬間破壞力不如直擊雷，但是可在相鄰很大范圍內(nèi)產(chǎn)生雷電感應(yīng)，通過導(dǎo)線傳遞至其他地方，擴大了受危害的范圍。同時，因為電磁感應(yīng)現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致導(dǎo)體可以產(chǎn)生極大的感應(yīng)電動勢，容易對絕緣薄弱部位造成損害，如果侵入電力變壓器中，可能形成渦流，對變壓器造成損傷。

2) 內(nèi)部過電壓。

a) 單相接地會引起工頻電壓升高，引發(fā)其他操作過電壓，導(dǎo)致電磁脈沖的震蕩，中性點、接地相、非接地相都產(chǎn)生過電壓；并使操作電壓的峰值變大，這種過電壓一般低于設(shè)備絕緣水平，但單相接地不作用于跳閘，故障定位比較困難，所以持續(xù)時間長，會發(fā)展成為相間故障、造成斷路器的非全相開斷、絕緣較弱的電氣設(shè)備損壞、無串聯(lián)間隙的金屬氧化物避雷器損壞等故障。

b) 諧振過電壓能量大、時間長，使電網(wǎng)三相不平衡而發(fā)生放電現(xiàn)象、電壓互感器燒壞或熔斷器熔斷，對避雷器造成損害。當斷路器非同期操作或系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，會危及低壓側(cè)絕緣，若與接在中性點的消弧線圈或電壓互感器等鐵磁元件組成諧振回路，還會產(chǎn)生鐵磁諧振或線性諧振傳遞過電壓。

3 預(yù)防過電壓發(fā)生的措施

1) 變電站的防雷措施。

變電站防雷是一個綜合性的工程，不可能通過簡單的防雷設(shè)備和防雷措施就能完全消除雷電的威脅，要將雷電危害減小到低限度，需要通過接閃、均壓、屏蔽、接地、分流等綜合措施。

a) 接閃器大多使用避雷針、避雷線或避雷網(wǎng)，保證雷電放電在一定范圍內(nèi)按照事先設(shè)計的接閃通道，將雷電能量釋放到大地中去。

b) 變電站內(nèi)的電氣電子等設(shè)施，如果與防雷系統(tǒng)接閃裝置的距離不足，則應(yīng)該將設(shè)備外殼與防雷系統(tǒng)進行等電位連接。使室內(nèi)的所有設(shè)施形成一個“等電位體”，保障在雷電電流流過時，導(dǎo)體之間不存在大電位差，就不會發(fā)生放電現(xiàn)象。等電位體的形成還具有避免雷電電流入大地時出現(xiàn)雷電反擊的情況。

c) 屏蔽是防止雷電電磁波影響電子設(shè)備的最有效方法。利用金屬網(wǎng)或其他金屬導(dǎo)體把電子設(shè)備包圍起來，利用屏蔽作用把雷電電磁波侵入設(shè)備的通道全部屏蔽起來。

d) 防雷接地工程有嚴格要求，規(guī)定接地電阻要小于10 Ω，接地不好，所有防雷措施都會失效。

e) 接入變電站的線路(包括電力數(shù)據(jù)線、電源線、電話線等)與防雷接地裝置或接地線之間要并聯(lián)浪涌保護器，當直擊雷或雷擊感應(yīng)在線路上產(chǎn)生的雷電行波延線路侵入站內(nèi)設(shè)備時，避雷器的電阻會降低，近乎于短路狀態(tài)，雷電電流沿此處流入大地。

2) 限制內(nèi)部過電壓的措施。

a) 電力設(shè)備及線路的絕緣應(yīng)能承受操作過電壓和單相接地時間歇性電弧產(chǎn)生的過電壓。對地絕緣應(yīng)達到一般運行最高相電壓的4倍，相間絕緣應(yīng)達到對地絕緣的1.3倍以上。穿墻套管是變電站電力線路的薄弱環(huán)節(jié)，在許多變電站的穿墻套管處都可以聽到“嗡嗡”聲，這是因為普通穿墻套管周圍電場不均勻，使用一段時間后會出現(xiàn)電暈放電的現(xiàn)象，積累到一定程度更會造成絕緣下降發(fā)生閃絡(luò)事故；經(jīng)常更換穿墻套管會造成資源浪費，單純要求穿墻套管絕緣性能提高又不現(xiàn)實，但是如果使用帶有屏蔽環(huán)的穿墻套管，通過等電位的原理改變穿墻套管電場，使套管周圍電場變得更加均勻，則會避免電暈現(xiàn)象的發(fā)生，既可以降低噪音又能避免絕緣擊穿事故的發(fā)生。

b) 采用能夠限制操作過電壓的設(shè)備，包括裝設(shè)并聯(lián)電阻或在斷路器與變壓器間裝設(shè)閥型避雷器、重燃率接近零的真空斷路器、電力電容器組的控制回路應(yīng)加裝跳閘后時間閉鎖接點等。目前許多具有條件的變電站都采用六氟化硫斷路器，利用SF6氣體非常好的絕緣和滅弧性能，使得開斷電容電流時無重燃或者復(fù)燃，提高了設(shè)備的可靠性，但是這種設(shè)備造價高、管理要求高，所以一般用在110 kV及以上等級的變電站；低等級的變電站在限制操作過電壓方面要加強對相關(guān)設(shè)備的試驗檢修工作，并且在操作時注意設(shè)備狀態(tài)，避免出現(xiàn)事故。

c) 諧振過電壓一般持續(xù)時間較長，無法用避雷器進行限制，可以采取措施進行預(yù)防，包括：提高開關(guān)動作的同期性防止非全相運行、中性點經(jīng)消弧線圈接地、在互感器開口三角中接入阻尼電阻或消諧器等。

d) 煤礦電力系統(tǒng)一般規(guī)定電容電流要小于20 A，并且要求每年進行一次接地電容電流的測試。煤礦電力系統(tǒng)為了保障運行的可靠性，都采用中性點不接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)出現(xiàn)單向接地故障時依然會繼續(xù)運行，由于中性點的偏移會導(dǎo)致電氣設(shè)備接地的外殼帶電，為了防止高電壓對井下作業(yè)人員的傷害，所以要求電容電流小于20 A(電氣設(shè)備接地電阻小于2 Ω，即電壓小于40 V)，故現(xiàn)階段對各變電站都要求配置足夠容量的消弧裝置降低接地電容電流。

4 結(jié) 語

過電壓對電力網(wǎng)的安全運行具有很大危害，不僅損害設(shè)備絕緣，降低電氣設(shè)備使用壽命，還可能引發(fā)安全事故。因此，正確認識并重視系統(tǒng)過電壓具有重要意義，了解掌握過電壓的原因及防范措施十分必要。