礦山供電網絡操作過電壓的產生原因及抑制措施

福建煤電股份有限公司 張華育

礦山供電網絡操作過電壓的產生原因及抑制措施

福建煤電股份有限公司 張華育

一、操作過電壓的產生原因

操作過電壓是電力系統中由于開關操作或事故狀態而引起的瞬間過電壓。在開關操作或事故過程中，系統的運行狀態發生突變（操作前后或事故前后）將引起系統中電容和電感的電磁場能量相互轉換，在這一過程中，電網局部線路可能產生短時間高電壓，常見的操作過電壓主要在切除空載線路時和空載線路合閘時產生，切除空載線路是電網中最常見的操作過程之一。運行經驗表明，開關滅弧能力愈差，開關中電弧重燃的概率愈大，過電壓產生的可能性愈高，事故也愈大，所以重燃是產生過電壓的根本原因。

1.產生過電壓的物理過程。

式（1）中，LT為線路電感，CT為線路對地電容，L為發電機、變壓器的漏感和。

式（2）中，Xc和Xs分別為電容和電感的容抗和感抗。

忽略線路電容效應的影響，在開關K斷開之前，認為線路電壓u（t）（即電容CT上的電壓）等于電源電壓，設開關在t1時刻動作，電容CT上的電壓為－EM，此瞬間流過開關的工頻電流恰好為零，開關中發生第1次斷弧，實際上開關在此之前的工頻半周以內的任何一個時刻動作，只要不發生切斷電流現象，開關中電弧總要到t1時刻才會熄滅。開關斷開后線路電容CT上的電荷將保持下來，使線路保持這個殘余電壓－EM，但開關電源側觸頭上（A）點的電壓仍按電源余弦電勢變化，開關觸頭上出現愈來愈高的恢復電壓UAB。即

t1為第一次斷弧，t2為第一次重燃，t3為第二次斷弧，t4為第二次重燃，t5為第三次斷弧。如果開關觸頭間去游離能力很強，電弧從此熄滅，線路被斷開，無論為在線側或線路側都不會產生任何過電壓。但若開關性能不良，而觸頭上的恢復電壓UAB經0.01 s后可達2EM，在這段時間內就有可能發生重燃。為研究最危險的過電壓情況，假定重燃發生在UAB最大時刻t2，此時UAB＝2EM，e（t2）=EM，在電弧重燃瞬時，電源電壓EM加在電感LS和具有初始值－EM的電容CT組成的振蕩電路上，回路的固有振蕩角頻率為ω0＝1/（LSCT），由于固有振蕩頻率比工頻50周大得多，可以認為在高頻振蕩瞬間電源電勢EM保持不變，即電源通過電感LS對電容CT充電的過程中，CT上電壓所達到的最高值，即線路上的過電壓的數值，忽略回路損耗所引起的電壓衰減可按下式計算；

當線路CT上電壓振蕩達到最大值3EM瞬間t3時，開關中流過的高頻振蕩電流恰好為零，這時因為回路中流過的是電容電流，因此在t3時刻電弧又將熄滅，而電弧熄滅后線路上就保持3EM的殘余電壓值。假如在t3時刻電弧不能熄滅，那就要等到高頻電流振蕩衰減后的t4時刻工頻電流過零時才會熄滅。此后觸頭之間的距離愈來愈長，則恢復電壓也愈來愈高，到t4時刻恢復電壓UAB可達4EM。如在此時再次發生重燃，CT上的初始值為3EM，穩態值為－EM，故

假如繼續每隔半個工頻周期就重燃1次和重熄弧1次，則過電壓將是3EM，－5EM，7EM…幅值愈來愈高。

2.影響過電壓的因素。

（1）重燃的次數。重燃次數與開關性能有關。次數越多，發生高幅值過電壓的概率越大，通常油開關的重燃次數較多，有時可達4～6次，壓縮空氣開關重燃次數較少或不重燃。

（2）重燃發生的時間。如果電弧重燃發生在1/4工頻半周t0時刻之前，則基本上沒有過電壓發生。

（3）中性點的運行方式。中性點的運行方式對切除空載線路過電壓有很大影響。在中性點直接接地的電網中，各相有自己的獨立回路，相間電容影響不大，切空載線路過程與上面討論的情況相同。但中性點不接地或經消弧線圈接地時，三相開關分閘的不同期性，會形成瞬間的不對稱電路，中性點將發生偏移，三相之間互相牽連影響，使分閘時開關中電弧燃燒和熄滅的過程變得復雜。在不利的條件下，使過電壓顯著提高，遠高出中性點接地時的過電壓。

二、操作過電壓的抑制措施

切除空載過電壓是選擇線路絕緣水平和確定電氣設備試驗要求的重要依據。及時采取措施消除或限制這種過電壓，對于保證系統安全運行和進一步降低電網絕緣水平具有現實意義。因此，為有效抑制這種過電壓，除選用滅弧能力強的快速開關外，還常采用以下措施：

1. 并聯電阻。即在開關主觸頭K1上并聯一定大小（約3 000 Ω）的電阻R和輔助觸頭K2，以實現線路的逐級開斷。在拉閘時，主觸頭K1先斷開，此時并聯電阻R1就被串聯在回路中，抑制回路中的震蕩，這時K1觸頭兩端的恢復電壓是電阻R兩端的壓降，主觸頭K1上的電弧不易重燃，同時電阻R將消耗掉線路電容中一部分能量，經1～2個工頻周期，在觸頭K2分閘時，由于前一階段回路中的振蕩受到了抑制，線路殘余電壓又較低，過電壓也就顯著下降。

2. 線路側接電磁式電壓互感器。由于電壓升高，引起磁路飽和后，阻抗降低的泄流作用，將降低線路上的殘余電壓，從而使這種過電壓具有較低的數值。據調查，我國在220 kV線路上的試驗結果表明，線路側的電磁式互感器可使最大重燃過電壓降低約30%。與此同理，在直流接地系統中，當變壓器低壓側連同變壓器切除空載線路時，變壓器鐵芯的飽和對降低這種過電壓也起到一定的作用。

3. 并聯電抗器。這種方式也可以減少電弧重燃的機會。

三、結論

本文，筆者通過對礦山供電網絡操作過電壓產生的物理過程和影響因素的分析可以看出，網絡操作過電壓是由各式各樣的操作引起的，通過本文的討論，預測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統絕緣配合的前提，對于電工設備制造和電力系統運行都有重要意義。