電力系統內部過電壓及其防護措施分析

摘要：分析了電力系統內部過電壓及其防護措施，研究了暫態過電壓的類型，提出了暫態過電壓及空載長線過電壓的防護措施。

關鍵詞：電力系統；內部過電壓；操作過電壓

作者簡介：羅進（1981-），女，四川南充人，浙江溫州電力局變電工區，助理工程師。（浙江 溫州 325000）

中圖分類號：TM86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）24-0120-01在電力設備正常運行過程中，有時即使無雷電等外部侵入也會出現損壞的事故，究其原因主要來自以下兩方面：一是由于設備長時間運行導致其絕緣老化出現問題；二是由于設備短時間內的電壓可能超過了該設備允許工作的最高電壓，即出現了過電壓，不但損壞了絕緣，而且容易引發短路故障等事故，給電網的正常運行帶來了極大的危害。通常將電網內部原因造成的過電壓稱為內部過電壓。由于電網中具有大量的非線性儲能元件，如電感和電容等，這些元件具有能量不能突變的特性，即當系統的運行狀態發生改變時，雖然這些元件的工作狀態也會發生變動，但由于初始條件和穩定工作狀態的特性不同，導致磁場能和電場能不斷發生轉換和振蕩，從而引發了過電壓，這就是電網中存在內部過電壓隱患的根本原因。[1]因此，雖然防護內部過電壓的措施各異，但其主要思路仍是消除或減小由于儲能元件帶來的振蕩，進而實現對內部過電壓進行限制的目的。本文對電力系統內部過電壓及其防護措施進行了分析。

一、暫時過電壓的類型

1.接地故障形成的過電壓

電力系統中經常發生接地故障，尤其單相接地故障發生的次數較多，且隨著系統電壓等級的增大而增加。當發生單相接地故障時，以故障點為等效點的系統等值正序、負序阻抗為：，零序限抗為：，等值電動勢為E，A相接地時，B、C兩正常相的過電壓UB、UC可按照下式進行計算[2]：

由于避雷器不具備防護單相接地時的增大的相電壓，而單相接地故障出現的次數最多，因此雖然發生單相接地故障時正常相的過電壓不是最高的，但在實際對內部過電壓的防護中通常以單相接地時正常相工頻過電壓值進行避雷器滅弧電壓的選擇，且對于中性點不接地的系統而言，由于＜0，諧振條件為，因此必須加以避免。單相接地時電網正常相的電壓為最大工作電壓的1.1倍，因此通常此類電網的避雷器滅弧電壓就按此值進行選取，對于中性點接消弧線圈的系統避雷器的滅弧電壓選取為接地網正常工作的電壓，對于中性點直接接地的系統則選取0.8的正常相電壓為避雷器滅弧電壓。超高壓電網若發生了接地故障，則采取電流速斷保護并配合以重合閘的方法完成故障的切除及補救工作。

2.負載突變形成的過電壓

當系統中出現臨時性故障而不得不減小大負荷的供電時也會導致電壓升高，主要原因如下：

（1）由于發電機具有磁鏈不突變的特性，因此其必須保持足夠的輸送功率，且其暫態電動勢是不變的，因此會導致出現相對電壓升高。

（2）由于原動機制動設備及調速器具有固有的慣性，因此當發生甩負荷時會增加發電機的轉速，導致電動勢及頻率增加。

（3）若所甩負荷的位置位于輸電線路長線的末端處，則此時由于輸電線路存在電容效益會導致其末端電壓升高，出現過電壓的現象。

對于因負荷突變而導致的過電壓，應采用并聯電抗器、控制空載線路投切及限制長線路電容效應的措施，同時在電機側應加裝快速消勵磁系統以完成對其電樞反應的限制。

3.諧振過電壓

系統發生諧振的根本原因為電感、電容元件共同組成的回路在工頻或某一頻率下發生了共振。可將其分為非線性諧振和線性諧振兩種，線性諧振雖然過電壓值很高，但諧振的條件范圍較窄，即只有在非全相操作或系統故障時才會出現，如當系統發生單相接地故障且其正序、零序阻抗滿足時才會發生線性諧振。而非線性諧振是由系統中變壓器或互感器等鐵磁元件引發的，且隨著外部電壓的變化而改變，若回路中存在電纜、串聯補償電容器等元件且滿足ωL＞1/ωC時才會導致電壓升高從而發生鐵磁諧振，且鐵磁諧振后會發生電流反向，容易引發電機反轉的事故。

系統發生諧振過電壓所持續的時間是與其回路本身特性有關的，有可能僅持續一段時間亦或是穩定的，此時諧振過電壓對系統的影響不大，但若其持續時間較長則可能引發系統一系列的諧振操作，因此必須采取一定的措施破壞諧振條件，如增加電阻、減小電抗或采用消諧器等。

二、暫態過電壓防護措施

1.間歇性電弧接地過電壓

間歇性電弧接地過電壓通常發生在中性點不接地的系統中，由于該類系統具有即使發生單相接地也能繼續工作兩小時的特性，因此其中的電弧可能多次發生充入，使線路上的負荷發生多次的重新分配，導致中性點電壓升高，最終發生過電壓。雖然此種過電壓的幅值較小，僅為額定電壓的3.5倍，但由于其持續的時間較長且范圍較大，將對弱絕緣的設備造成嚴重影響，應采取一定的措施加以避免。若電網的中性點接入的是消弧線圈，則此時電感電流補償了中性點的電容電流，減小了重燃的次數及過電發生的概率。

2.切小電感性電流電壓

系統中的空載電動機及變壓器即為小電感性負荷，由于斷路器通常按照大電流條件設計滅弧能力，因此其切斷小電流時容易引發電感和電容形成振蕩，此時的對地雜散電容較小，會導致幅值極高的過電壓的出現。由于產生此類過電壓的電流較小，因此常用避雷器進行防治。

3.開斷電容性電流過電壓

電網中的電容性電流是由電纜、空載線路即電容器等產生的，在斷路器完成開斷的過程中若介質強度的上升速度超過了其恢復電壓的上升速度，則會造成其重燃的現象，此時若斷路器斷口兩端的電壓極性也是相反的，則重燃后會出現電源持續提供能量而引發系統充分的振蕩，進而產生了過電壓。由于該種過電壓是由斷路器重燃引發的，因此可以利用限制斷口電壓上升的幅度來限制過電壓，具體的措施是在斷路器斷口處并聯電阻以起到阻尼的效果。

三、合空載長線過電壓

對空載線路進行關合是系統中經常出現的操作，在超高壓系統中，由于合、重空載線路過電壓是選擇電網絕緣水平的關鍵因素，因此在對其進行操作中，由于重合閘而產生的過電壓往往是非常嚴重的，且線路殘壓可能會與電源電壓相互疊加而加劇振蕩過程，在計及空載長線路電容效應的前提下其過電壓可達額定電壓的3倍，可采用如下措施加以限制：采用帶合閘電阻的斷路器進行合閘操作；及時消除線路的殘余電壓；采用專門的裝置加以判斷，在斷路器的兩相電壓最低時完成選相合閘操作；使用磁吹型的金屬氧化物避雷器作為專門的后備保護。

由于不同電網結構的操作電壓是不同的，對于中性點不接地的系統，較為突出的矛盾為電弧接地電壓，而隨著電壓等級的增大，對于中性點接地的系統，最主要的矛盾為切換控制線路時產生的過電壓，因此，對于不同電壓等級所產生的內部過電壓應加以區別：空載變壓器所產生的過電壓可通過避雷器進行防護，而超高壓輸電線路的工頻電壓升高則應通過補償裝置進行綜合治理。

四、結論

電力系統的內部過電壓會對系統造成嚴重的影響，威脅系統內電氣設備的正常運行，長期持續的內部過電壓還可能導致系統出現各種事故，應針對各種內部過電壓的類型加以綜合防范，保證電力系統運行的安全性和穩定性。

參考文獻：

[1]朱子述.電力系統過電壓[M].上海:上海交通大學出版社，1995:

14-65.

[2]陳慈萱.過電壓保護原理與運行技術[M].北京:中國電力出版社，

2002:12-88.

（責任編輯：劉輝）