長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司 陳 焱

供配電系統(tǒng)通常包括變壓器、電動機、斷路器以及一系列的電纜等。因受到多方面因素的干擾，此時電氣裝置極易遭到內(nèi)部及外部過電壓的影響，盡管過電壓問題持續(xù)時長有限，但因它的峰值相對較高，且波形相當(dāng)之陡，因此會嚴(yán)重干擾到電器設(shè)施的問題性。針對這一情形，相關(guān)的研究人員需要進一步探討過電壓現(xiàn)象出現(xiàn)原因，實際量值范疇，進而較為合理地選取及設(shè)計保護設(shè)施，從而確保電氣設(shè)施能夠持續(xù)順利運作。在傳統(tǒng)意義上，在電氣設(shè)計過程中并不會將供電系統(tǒng)作為一個總體予以設(shè)計，這就會使得電氣設(shè)備絕緣因過電壓而受損，長此以往就會威脅到電力企業(yè)的經(jīng)濟效益及社會效益。

1 常見的供配電系統(tǒng)過電壓問題分析

1.1 雷電過電壓現(xiàn)象

就是因為直擊雷或者感應(yīng)雷于云層展開活動之后所引發(fā)的問題，所以其也常常被叫做外部過電壓或者大氣過電壓。戶外配電設(shè)施的總變電所和總變電所傳入及傳出的外部架空線路極易遭到直接雷擊的影響，根據(jù)我國實際監(jiān)測信息指明，針對電纜的進出線、變電所有關(guān)的電氣設(shè)施通常會遭到雷電侵入波過電壓的影響，如此雷電侵入波過電壓的持續(xù)周期相對較短，有時僅只十幾微秒，該常見的表現(xiàn)形式即相對過電壓，它們的峰值電壓超出額定電壓的六倍。

1.2 操作過電壓問題

就是指在采用真空斷路器的過程中，因節(jié)流重燃及三相在同一時間短路切開從而誘發(fā)的一類過電壓問題，其常見的表現(xiàn)形式即相間過電壓。通常狀況下電壓的最高值能夠達到三倍，而電流的最寬波形不會超出5ms，較之于其他電壓電壓值相對較低，操作過電壓并不會給設(shè)施帶來不良影響。

1.3 電弧接地過電壓問題

此問題會威脅到使用者的生命安全，這是由于中性點不接地系統(tǒng)內(nèi)滋生了單相間歇性的“熄弧—重燃”接地，于是導(dǎo)致了高頻振蕩，在該環(huán)節(jié)中構(gòu)成了間歇性弧光接地過電壓現(xiàn)象。該過電壓的持續(xù)周期能高達十分鐘之久，有時還會更長，它們所波及的范疇也較廣，倘若整個電網(wǎng)中出現(xiàn)絕緣弱點，那么該絕緣弱點位置極易出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)或直接擊穿的問題。

1.4 配變高壓繞組接地諧振過電壓問題分析

之所以會出現(xiàn)上述問題，這主要是由于電力系統(tǒng)內(nèi)的三相配電變壓器，會遭到扎間短路的干擾，在同一時間內(nèi)出現(xiàn)熔斷，并且會進一步誘發(fā)諧振產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)資料顯示，當(dāng)高壓繞組產(chǎn)生一點接地問題時，它們的電壓會超過2.38倍，一旦產(chǎn)生兩點接地的狀況，此時的電壓就會超出2.73倍，該現(xiàn)象會維持幾分鐘甚至十多分鐘，直至導(dǎo)致故障變壓器全部受損，最終與系統(tǒng)脫離。值得注意的是，倘若接地的高壓保險同時進行熔化，此時過電壓就極易超出三倍，那么它的持續(xù)周期就不會超出兩秒。

1.5 PT鐵心飽和諧振過電壓問題分析

產(chǎn)生這一威脅可歸納為三個原因，分別是高次諧波、工頻諧振及低分次諧波諧振。高次諧波常出現(xiàn)在空母線被投入的情形下，而空母線投入運作的過程中過電壓幅值上升，這就會使得母線及主變壓器絕緣閃絡(luò)、PT受損。在電網(wǎng)運作過程中，工頻諧振及低分次諧波共振問題時有發(fā)生，一旦出現(xiàn)上述現(xiàn)象，電壓就會在原來的基礎(chǔ)上上升兩至三倍，進而導(dǎo)致特性極其不穩(wěn)定。過電壓會持續(xù)幾分鐘甚至是十多分鐘，直至PT或者高壓保險受損，其系統(tǒng)方可進一步恢復(fù)正常[1]。

1.6 單相接地時阻隔空載線路過電壓

如產(chǎn)生單相接地的問題，此時阻隔空載線路過電壓，那么很有可能是因電網(wǎng)出現(xiàn)較為嚴(yán)峻的單相金屬接地異常，如此一來就會使得切斷空載線路出現(xiàn)了超過五倍的過電壓，該高電壓現(xiàn)象會在短時間內(nèi)導(dǎo)致避雷器爆炸，同時會造成其他設(shè)施受損，因此整體的危害性較大。

2 供配電系統(tǒng)過電壓防范對策分析

2.1 過電壓的防范原則

為進一步保證電氣設(shè)施及維護保護裝置順利運作，要提前部署好過電壓的防范工作，此時還應(yīng)詳盡地分析過電壓出現(xiàn)的原因、持續(xù)周期以及量值范疇，進而采取行之有效的防護舉措。針對電氣設(shè)施內(nèi)的保護器，務(wù)必要保證三個主要方面。

首先，保證全面性。即使保護電氣設(shè)施及保護器，充分考量系統(tǒng)內(nèi)極易產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象，而不可以只針對某特殊狀況，例如MOA在出現(xiàn)相間過電壓的情況下難以起到保護效用，MOA只是會針對限制系統(tǒng)相對的過電壓進行維護。

其次，保證絕緣配合的穩(wěn)定性，在設(shè)計電氣系統(tǒng)有關(guān)保護設(shè)施的參數(shù)時，務(wù)必要先考量設(shè)施的絕緣耐受水平，對電氣系統(tǒng)提供保護，從而保證保護設(shè)施絕緣體的可靠性。

其三，要求保證保護設(shè)施的穩(wěn)定，在為電氣設(shè)備裝配保護裝置時，還需要保證保護裝置可以順利運作，否則保護裝置會給電氣系統(tǒng)帶來不利影響。

2.2 雷電過電壓危害的防范措施分析

為避免受到雷電過電壓的威脅，此時越來越多人采取直擊雷過電壓的防護舉措，比如我國大多數(shù)情況下都會采取MOA系統(tǒng)作為雷電侵入波過電壓的保護措施。

2.3 瞬時內(nèi)部過電壓危害的防范措施分析

由于內(nèi)部過電壓的及時性，當(dāng)前我國普遍采取組合式避雷器，通常就是指四星連接方式，包括四處保護單元，而上述四個保護單元可以構(gòu)成雙組合，從而轉(zhuǎn)化成六個較為完備的避雷器。上述六個避雷器各自對三相接地過電壓以及相間過電壓予以維護，由此大幅度提升保護的系統(tǒng)性。就當(dāng)前來說，采取組合式避雷器能夠提升保護的可靠程度，而且也能大幅度提升電動機絕緣水平配合程度。當(dāng)下之所以采取的四星連接組合避雷器，這主要是由于真空斷路器被應(yīng)用至越來越多的行業(yè)。此外，伴隨我國基礎(chǔ)設(shè)施日趨完備，電網(wǎng)規(guī)模也在逐步拓寬，這就使得電力系統(tǒng)過電壓的負面效應(yīng)越發(fā)明顯，內(nèi)部過電壓通常屬于相間過電壓，但三星搭載的MOA難以維護上述過電壓。

2.4 弧光接地電壓和諧振過電壓危害的防范措施分析

當(dāng)前，為保護過電壓可采取兩種不同類型的方式：限制過電壓、容忍過電壓。換言之，相關(guān)人員可以充分利用部分設(shè)施有效地限制過電壓，或者設(shè)施自身能夠接受部分過電壓，同時產(chǎn)生耐受過電壓。不過弧光接地過電壓以及諧振過電壓的持續(xù)周期較不穩(wěn)定，因此這就需要避雷器能夠?qū)崿F(xiàn)耐受。對于當(dāng)前所常見的過電壓問題，最為恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方式就是利用中性點進行消弧線圈運作，或者合理裝配好XHB消弧線圈設(shè)施。

之所以利用中性點經(jīng)消弧線圈保護電氣系統(tǒng)，是因為電感以及電容電流上相差較大，因此中性點經(jīng)消弧線圈能夠?qū)拥仉娙蓦娏魈峁┮欢ǔ潭鹊难a償，不過該手段存在一定局限性，也就是在實際操作過程中，在高頻條件下電網(wǎng)電容以及消弧線圈電感的頻率屬性具有差異性，這就難以達到補償?shù)哪康?，同時也無法實現(xiàn)調(diào)諧。倘若采取過補償?shù)氖侄?，能夠進一步減少中性點位移電壓，不過這同樣會造成線路接地電流偏大，難以在短時間內(nèi)熄滅電弧，而電弧過電壓問題依舊出現(xiàn)，所以上述方法還難以從根本上處理核光接地過電壓問題，僅能夠相應(yīng)地補償電容電流[2]。

XHP消弧器就是利用計算機實施統(tǒng)一監(jiān)控，接著再采用氧化鋅非線性電阻元件以及消弧電阻綜合線電壓予以消弧。該類型的組合線壓消弧設(shè)施并不會影響到系統(tǒng)整體的運作方式，不過該保護方式能夠迅速遏制弧線接地過電壓，迅速消除諧振過電壓。不僅如此，該保護裝置能夠有效地把系統(tǒng)內(nèi)的全部過電壓控制在相對較低的水準(zhǔn)，如此一來，較之于消弧線圈該保護裝置具備可觀的限壓能力。針對作用周期長、對系統(tǒng)以及設(shè)施安全帶來較大威脅的電弧接地過電壓，相關(guān)人員應(yīng)該優(yōu)先采取XHP。

值得注意的是，因為組合保護裝置自身的運作原理與電網(wǎng)對地的電容電流關(guān)系甚微，所以保護性能不會因為電網(wǎng)的運作形式的改變有所變動[3]。倘若想要有效地提升整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時就需要在電氣系統(tǒng)中同時配備消弧線圈以及XHP，如果系統(tǒng)出現(xiàn)間歇性弧光接地問題，那么就要先采取消弧線圈予以補償。倘若補償之后接地電流相對較小，那么電弧就會自行熄滅，保護環(huán)節(jié)結(jié)束。不過，倘若消弧線圈成效不名校，那么就要求采用XHB來約束弧線接地過電壓（圖1）。

圖1 XHB消弧限壓裝置示意圖

圖1中，JZ為交流高壓真空接觸器、PT為抗飽和型消弧專用電壓互感器、CT為電流互感器、KGTBP為三相組合式過電壓保護器、KGW為數(shù)碼控制器、RD為電壓互感器一次熔斷器、FU為高壓限流熔斷器。

2.5 操作過電壓危害的防范措施分析

如果突然阻隔電感回路電流，那么就會引發(fā)一系列操作干擾電壓，它的表征就是總體幅值較大且頻率較高。如果幅值大那么就會導(dǎo)致過電壓，如果頻率高就容易通過分布電容傳輸。針對上述問題需要采取如下措施。

首先，線圈兩端并聯(lián)非線性電阻。一般來說，二極管是比較普遍的非線性電阻。為了避免操作過程中出現(xiàn)過電壓問題，那么比較常用手段即在線圈兩端并聯(lián)一處非線性電阻，如果在短時間內(nèi)突然阻斷電感電路的電流，那么就會出現(xiàn)比較明顯的反電勢，因為并聯(lián)二極管、反電勢會通過二極管被短路，線圈內(nèi)的自由分量電流是按照指數(shù)形式不斷下降。線圈的端電壓相當(dāng)于二極管的壓降，它們的取值往往要低于電源電壓[4]。如此一來，二極管就可以有效地防御振蕩過電壓問題，但是該手段并不可用于交流電路。

其次，線圈兩端并聯(lián)阻容支路。該手段不但可以用在直流電路中，同時也應(yīng)用在交流電路中。它們的接線方式就是將阻容支路并聯(lián)至線圈兩側(cè)。在添加的并聯(lián)支路所構(gòu)成的回路內(nèi)，電阻被控制至臨界值，所以如果開關(guān)切斷載流線圈電流，也不會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。此外，考慮到兩支路的周期常數(shù)統(tǒng)一，所以無論總電流如何浮動，兩支路中的自由電流分量常常保持統(tǒng)一，但是方向不同。電源支路內(nèi)自由電流分量等于零，換言之，如果開關(guān)切斷線圈電流，那么線圈兩側(cè)的電壓就是零。因此，上述接線形式不但能夠有效地消除操作過電壓，而且還能夠清理在切斷感性負載情況下，開關(guān)觸點間生成的電弧或者火花。

最后，充分利用具備金屬屏蔽層的電纜。如果二次回路內(nèi)的電纜彼此靠近，那么一處電纜的高頻電壓，常會通過布局電容傳輸至周邊另一處電纜纜芯上，為了盡可能遏制過電壓的傳輸，此時要優(yōu)先采取具有金屬屏蔽層的電纜，同時還應(yīng)確保屏蔽層在電纜兩側(cè)各自接地，進而讓操作過電壓的磁力線絕大部分聚集于屏蔽層內(nèi)，同時還不會影響到電纜內(nèi)部，進而防止過電壓大范圍擴散。倘若電纜缺少金屬屏蔽層，那么就要即使將電纜內(nèi)備用纜芯接地，這同樣也可以達到防止過電壓擴散的效果。在采取上述措施時，不允許影響到設(shè)施的正常運作[5]。

3 結(jié)語

在煤炭、冶金企業(yè)，電氣設(shè)備常常會遭到供配電系統(tǒng)過電壓的威脅，所以進一步探討引發(fā)過電壓威脅的原因并采取針對性的措施，對于推動企業(yè)持續(xù)運作具有很強的現(xiàn)實價值，只有針對不同的過電壓，采取不同形式的防范舉措，方可更有效地保障電氣系統(tǒng)安全。