供配電系統(tǒng)過電壓的危害及防范措施

蘇雁忠

摘要：本文主要探討電網(wǎng)當(dāng)中供配電系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的原因以及在電氣設(shè)備中安裝電壓保護器和電壓保護裝置以達到保護供配電系統(tǒng)的目的的科學(xué)性和可行性，通過分析找出合理科學(xué)防范過電壓的措施。

關(guān)鍵詞：供配電系統(tǒng);過電壓;防范措施

引言

與架空輸電線路相比，電力電纜因其出色的應(yīng)用便捷性與良好的絕緣性能在輸配電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。對于核電站內(nèi)的廠用電低壓配電系統(tǒng)，已經(jīng)實現(xiàn)了全電纜覆蓋。在實際運行過程中，電力設(shè)備資產(chǎn)管理仍存在諸多問題。當(dāng)配電系統(tǒng)進行重新規(guī)劃或者設(shè)備更新后，往往缺乏必要的過電壓計算校核。過電壓的頻率特性反映了暫態(tài)過程中電壓的振蕩程度，對進一步明確電纜絕緣在操作沖擊作用下的損傷效應(yīng)具有重要的意義。同時，過電壓與過電流的計算結(jié)果對電纜線路的狀態(tài)評估與繼電保護的整定配合具有重要的參考價值。

1常見的供配電系統(tǒng)過電壓情況

雷電過電壓是由直擊雷或者感應(yīng)雷在云層中進行活動引起的，因此又被稱為外部過電壓或者大氣過電壓，室外配電裝置的總變電所以及總變電所引入和引出的外部架空線路可能會遭受到直接雷擊，國內(nèi)的實際監(jiān)測結(jié)果表明，對于電纜的進出線、變電所和涉及的電氣設(shè)備一般承受雷電侵入波過電壓的沖擊時，雷電侵入波過電壓的持續(xù)時間是十分短暫的，只有十幾微秒，其主要表現(xiàn)形式是相對過電壓，其峰值電壓在額定電壓的6倍以上。操作過電壓是在對真空斷路器進行操作的時候，由于節(jié)流重燃和三相同時短路開斷而造成的一類過電壓，其主要表現(xiàn)形式為相間過電壓。一般情況下，電壓的最高值可以高達3.5倍，電流的最寬波形不會高于5ms，電壓相較于其他過電壓而言比較低，操作過電壓是不會對設(shè)備造成損害的。電弧接地過電壓會對個人的人身安全和國家的財產(chǎn)造成巨大的危害和損失，主要是因為中性點不接地系統(tǒng)中產(chǎn)生了單相間歇性的“熄弧—重燃”接地，造成了高頻振蕩，在這個過程中形成了間歇性弧光接地過電壓。這種過電壓的持續(xù)時間可以達到十幾分鐘甚至更久，其波及范圍非常廣，如果整個電網(wǎng)中存在絕緣的弱點，會在這個絕緣弱點處造成絕緣閃絡(luò)或者直接擊穿。單相接地時切斷空載線路過電壓產(chǎn)生的主要原因是電網(wǎng)發(fā)生單相金屬接地故障，導(dǎo)致切斷空載線路產(chǎn)生5倍以上的過電壓，這種高電壓會直接引起避雷器的爆炸和相關(guān)設(shè)備的損壞，所以危害非常大。

2接入負荷波動對系統(tǒng)過電壓和過電流影響理論分析

由于系統(tǒng)在發(fā)生單極接地故障時產(chǎn)生過電壓，過盈率較低，因此對于單極接地故障，分析了傳入負荷波動對系統(tǒng)過電壓的影響。如果系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障，以接口設(shè)備輸出單極接地故障為例，故障極電壓降至零，而故障極電壓增加兩倍于正常操作，使故障極電容器在故障期間充電，其充電路徑為圖（1）顯示了加載無故障極電容器的接口設(shè)備，（2）顯示了加載故障極電容器的mmC。由于無故障極電壓是通過接口設(shè)備和逆變器加載無故障極電容器而產(chǎn)生的，因此負載過程是指接口設(shè)備的電容器電壓以及逆變器和系統(tǒng)參數(shù)，因此負載波動不會影響無故障極電容器的負載過程。圖2顯示，阻塞VSC后，輸出并聯(lián)電容器不能卸載到充電終端，但橋臂反應(yīng)器中存儲的能量仍然可以通過并聯(lián)二極管卸載到短路點。對于無功率反饋的交流負載，交流負載必須消耗橋臂反應(yīng)器存儲的一定能量。因此，橋臂反應(yīng)器直至載荷結(jié)束的輸出電流在載荷波動和卸載條件下相對于滿載運行而言有所下降，從而使輸出殘馀電流增大，殘馀電流大于載荷卸載條件下的殘馀電流。對于具有功率反饋功能的交流微電網(wǎng)，交流微電網(wǎng)可以通過平行二極管放電到短路點，與全負荷運行相比，輸出殘余電流有所增加。從上述分析來看，兩極短路誤差下的過電流主要是由接口設(shè)備輸出電容下載到短路點引起的，這是指接口設(shè)備輸出電壓、負載大小和故障時設(shè)備參數(shù)之間的關(guān)系。負載波動不影響故障期間的卸載過程，而只影響當(dāng)前的最大值，因此故障后的當(dāng)前波形相似。由于系統(tǒng)采用恒定電壓調(diào)節(jié)，因此確定系統(tǒng)參數(shù)的超出量僅指故障期間的負荷，故障期間的負荷越大，超出量越小。

3具體的防范措施

為了確保電氣設(shè)備和維護保護器能夠正常安全地運行，必須做好過電壓的防范工作，為了避免過電壓造成危害，要對過電壓產(chǎn)生的原因和持續(xù)的時間以及量值范圍等問題進行研究，從而更具有針對性地采取相應(yīng)的防護措施，對于電氣設(shè)備中的保護器，必須具備三個要素：第一個要素就是全面性，對電氣設(shè)備和保護器的保護，要考慮到系統(tǒng)當(dāng)中可能會出現(xiàn)的各種過電壓，而不能僅僅只針對某一種特殊的情況，比如MOA就在發(fā)生相間過電壓時無法發(fā)揮有效的保護作用，MOA僅僅只針對限制系統(tǒng)相對的過電壓發(fā)揮保護作用。第二個要素則是對絕緣配合的可靠性，在設(shè)計對電氣系統(tǒng)的相關(guān)的保護裝置的參數(shù)時，首先要考慮到的問題就是設(shè)備的絕緣耐受能力對電氣系統(tǒng)進行保護的主要目的就是為了保護設(shè)備的絕緣體的安全。第三個要素則是需要保障保護裝置的安全，在對電氣設(shè)備安裝保護裝置時，必須要確保保護裝置能夠安全運行，否則，保護裝置就會對電氣系統(tǒng)造成危害，埋下事故隱患，從而帶來更多的安全隱患。內(nèi)部過電壓主要是指系統(tǒng)在典型運行和故障條件下的過電壓。一般采用電磁暫態(tài)仿真軟件，模擬、分析典型故障下關(guān)鍵位置的電壓分布及其影響因素，表示關(guān)鍵故障條件。有關(guān)學(xué)者對配電系統(tǒng)中的規(guī)則保護、子模塊拓撲結(jié)構(gòu)、限流措施、典型負荷轉(zhuǎn)換和過電壓波動的影響進行了大量研究。例如，無論轉(zhuǎn)換器子模塊是否被阻塞，都會模擬其對故障特性和過電壓分布的影響。研究結(jié)果表明，電極間短路故障時，電極與次模態(tài)電流之間的電壓值被阻塞時高于未阻塞時。為了影響變換器全橋半橋子模塊在過電壓通道上的拓撲結(jié)構(gòu)，仿真分析表明半橋體系整體應(yīng)力較低。接下來，對超導(dǎo)限流器和限流反應(yīng)器對系統(tǒng)關(guān)鍵點過電壓的影響進行了書目仿真分析和比較，得出了添加限流反應(yīng)器時過電壓較大的結(jié)論。從配電系統(tǒng)連接的各種間接荷載和波動荷載的影響來看，仿真分析表明，開關(guān)荷載和波動荷載對系統(tǒng)電壓影響不大。當(dāng)連接不同拓撲、各種不同直流負載時，過電壓的影響因素將繼續(xù)增加。配電系統(tǒng)的變換器通常位于室內(nèi)，電纜主要用于線路，因此閃電及其防護一般不考慮在內(nèi)。但也有配電系統(tǒng)的某個接觸點暴露于外部閃光并導(dǎo)致系統(tǒng)無法使用的情況;考慮到今后仍可使用架空線路，有必要研究配電網(wǎng)架空線路的防雷、變頻器雷擊浪涌過電壓及其防護。配電網(wǎng)架空線路防雷研究應(yīng)基于內(nèi)部過電壓及其避雷針配置方案，如。b .增加變流器并聯(lián)避雷針的數(shù)量，安裝線路避雷針，在空氣中安裝避雷線，降低接地電阻塔及其組合。避雷針必須充分考慮技術(shù)經(jīng)濟性和可靠性。文獻對配電系統(tǒng)各種防雷系統(tǒng)進行了綜合比較分析。并結(jié)合并行避雷器數(shù)量增加、避雷線施工、塔人工接地等綜合避雷針保護方案，比較分析了車站設(shè)備避雷針水平、線路避雷針率和投資成本的差異。結(jié)合電源可靠性要求和系統(tǒng)經(jīng)濟性，提出了不同防雷保護方案的適用方案。與電纜相比，架空線路的使用仍然是配電系統(tǒng)可靠性的重大挑戰(zhàn)，如果經(jīng)濟性允許，建議不要使用架空線路。

結(jié)束語

綜上所述，面對不同的過電壓，應(yīng)當(dāng)運用不同的防護手段，只有采取更有針對性的保護措施，才能更有效地保障電氣系統(tǒng)的安全，這對供電系統(tǒng)來說是非常重要的。

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