淺談工礦企業供電系統的過電壓保護

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

關鍵詞：電力系統；過電壓；保護措施

1 大氣過電壓

1.1 直接雷擊過電壓

當雷電直接擊中電氣設備時產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出異性電荷，雷云與大地形成一個巨大的“電容器”，當期間的電場強度達到25-30kV/cm時，空氣產生強烈的游離，形成指向大地的一段導電通路，稱雷電先導。當雷電先導接近地面時，大地感應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。當雷電先導與迎雷先導接觸時，出現較大的電流并發出聲和光，即雷鳴、閃電，這就是主放電階段。主放電階段電壓可達數百萬伏，電流可達數十萬安，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 感應過電壓

當架空線路上方出現雷云時，由于靜電感應作用，會在架空線上感應出大量與雷云異性的束縛電荷。當雷云對大地上的其他目標（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，使導線上感應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沖擊波，使所到之處的電壓升高，這就是感應過電壓。其幅值一般不超過300kV，個別可達500～600kV。感應過電壓常采用避雷器進行防護。

1.3 反擊過電壓

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

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獨立避雷針，將需要保護的設備和建筑物置于其保護范圍之內。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。為了避免發生反擊，避雷針與被保護設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備的絕緣水平。當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，使被保護電氣設備的絕緣不受危害。當過電壓消失后，避雷器又能自動恢復到原來的對地絕緣狀態。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。管型避雷器用于發電機和大型發動機的保護。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制成的多半晶半導體陶瓷非線性電阻元件。在正常工頻電壓下，呈現極大的電阻，電流僅有1×10的負五次方A，相當于絕緣體。當作用在金屬氧化物避雷器上的電壓超過一定值時，閥片自動恢復絕緣狀態。金屬氧化物避雷器具有殘壓低、通流容量大、響應時間快、陡波特性平坦、體積較小等一系列優異性能，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）對電氣設備的危害，而且能抑制異常快速過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。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，火花間隙使電網與地之間保持絕緣狀態，不影響系統正常運行。當雷電沖擊波襲來時，花火間隙被擊穿產生電弧，使雷電流瀉入大地，從而保護電氣設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而成，其電阻呈非線性特性。雷電流通過時閥片呈現低電阻，屹立于雷電流瀉放和降低殘壓。當雷電流消失后，線路上恢復工頻電壓，閥片則呈現高電阻，尾隨雷電流而來的工頻續流由于遇到很大的電阻，被限制到很小的數值，使火花間隙中的電弧在工頻續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，應在變電所的進線端裝設1-2km的避雷線，限制雷電入侵波的浮值和陡度，降低過電低壓的數值。避雷線是接地良好的架空金屬線，位于架空導線的上方。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該設避雷器。有電纜段的架空線路，避雷器應該在電纜與架空線的連接處，其接地端應與電纜金屬外皮相連。

4 內部過電壓及防護

電力系統在運行過程中由于斷路器或一相接地等，可能在系統中產生過電壓。內部過電壓能量來自系統本身，其大小與電網電壓基本呈線性關系，一般為額定電壓的2.5-4倍，最大不超過相電壓的7倍。內部過電壓根據產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

空載線路或并聯電容器組成，如果斷路熄滅小電弧的能力差，導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，電感中的磁能將轉變為電能，會使電感性電路產生很高的感應電勢，即過電壓。在中性點不斷地或經消護線圈接地的系統中，切斷空載線路或電感負荷所出現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

點對地絕緣的電網中發生單相接地故障時，再接低點若產生不穩定的電弧，電弧就會發生時斷時續的現象。由于系統存在電感和電容，這種間歇性電弧將導致多次重復電磁振蕩，在非故障相和故障相上產生嚴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

系統中所有回路都包含著電容和電感，當這些參數組合不利時，由于某種原因可能引起諧振，此時出現的過電壓叫做諧過電壓。在中性點不接地系統中，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生的操作過電壓對設備絕緣的損壞，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的諧振過電壓，可采取調整電路參數或者裝設電容器的方法，破壞其諧振條件，防止這種過電壓發生。

5 結束語

作者主要對工礦企業供電系統中出現的過電壓的原因進行分析，并提出幾種過電壓保護措施，隨著電力電子技術特別是電力半導體器件制造技術的發展，電力系統設備的過壓保護技術也將發生深刻的變化，用電力電子技術不僅可以解決大功率電力電子裝置自身的過壓保護問題，同時也向傳統的過壓保護技術發起了挑戰。

參考文獻

[1]周浩，王東舉.±1100kV特高壓直流換流站過電壓保護和絕緣配合[J].電網技術，2012，9：1-8.

[2]張健康，索南加樂，楊黎明，等.交直流混聯電網過電壓保護應用分析[J].電力系統自動化，2011，12：95-100.

[3]電力設備過電壓保護設計技術規程[M].北京：水利電力出版社，2003.