電氣一次設(shè)備過電壓保護(hù)的研究

宋旭

（國家能源集團(tuán)宿遷發(fā)電有限公司，江蘇 宿遷 223803）

0 引言

現(xiàn)如今，我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)集成化以及城市化建設(shè)使生產(chǎn)水平大幅提升的同時(shí)能源消耗量也不斷增加，為確保電力供應(yīng)系統(tǒng)能源供應(yīng)的安全性與可靠性，電力企業(yè)應(yīng)針對(duì)電氣設(shè)備一次過電壓?jiǎn)栴}，采用專業(yè)性的技術(shù)保護(hù)對(duì)策，從而有效避免安全事故、電力供應(yīng)不穩(wěn)定以及大規(guī)模斷電情況的發(fā)生。

1 過電壓的概念

過電壓是指持續(xù)時(shí)間超過1分鐘，工頻下交流電壓均方根值升高超過額定值的10%的電壓升高現(xiàn)象。過電壓是電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動(dòng)現(xiàn)象，可能是工頻的，也可能是其它頻率的。

2 過電壓分類

按照過電壓的能量來源分類，分為內(nèi)部過電壓和外部過電壓兩類。

內(nèi)部過電壓是由于內(nèi)部原因，如操作（拉、合閘）、事故（接地、斷線）等變化，引起電力系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)突然轉(zhuǎn)變至另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，在轉(zhuǎn)變的過渡過程中出現(xiàn)的過電壓現(xiàn)象，能量來自電網(wǎng)本身。內(nèi)部過電壓又可以分為工頻過電壓、操作過電壓和諧振過電壓等。

外部過電壓又叫大氣過電壓或雷電過電壓，是由于電力系統(tǒng)外部原因而造成電壓升高現(xiàn)象，能量來自電網(wǎng)外部的侵入，分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種類型。

根據(jù)過電壓的波形特點(diǎn)，可分為暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓兩大類。暫時(shí)過電壓是指電力系統(tǒng)狀態(tài)突變過渡過程后，重新達(dá)到某種暫時(shí)穩(wěn)態(tài)下所出現(xiàn)的過電壓，以工頻或其一定的倍數(shù)、分?jǐn)?shù)振蕩，不衰減或弱衰減，一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。瞬態(tài)過電壓是指通常帶有強(qiáng)阻尼的振蕩或非振蕩，持續(xù)時(shí)間為數(shù)毫秒或更短的一種過電壓，它可以與暫時(shí)過電壓相疊加，使過電壓數(shù)值更高。

過電壓波形的幅值和持續(xù)時(shí)間決定了對(duì)設(shè)備絕緣和保護(hù)裝置的影響程度。

3 過電壓產(chǎn)生原因及特點(diǎn)

3.1 切斷電感性負(fù)載而引起的過電壓

在切斷空載變壓器、消弧線圈、電抗器和電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載時(shí)，斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧在真空斷路器真空包內(nèi)被快速滅除，電流過零前被突然切斷，滯留于空載變壓器等電感繞組中的能量必然向繞組中的雜散電容充電，當(dāng)全部磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能的瞬間，在電容C上將出現(xiàn)很高的過電壓（截留過電壓、多次重燃過電壓、三相同時(shí)斷開過電壓等）。如果開關(guān)滅弧性能越好，變壓器容量越大，則過電壓越高，可達(dá)額定電壓的7倍以上。變壓器繞組首端電位梯度最大，在極端條件下可達(dá)正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)十倍，嚴(yán)重危及繞組首端的匝間絕緣[1]。

3.2 操作電容性負(fù)載而引起的過電壓

在操作空載長(zhǎng)線路、電纜線路或電容器組等容性負(fù)載時(shí)，分閘時(shí)存儲(chǔ)在電容中的靜電場(chǎng)能量（電能）發(fā)生了轉(zhuǎn)換、過渡震蕩過程，產(chǎn)生過電壓；合閘時(shí)，由于再次充電或三相合閘相間時(shí)間差配合不當(dāng)，在設(shè)備上注入一個(gè)階躍電壓波，來回反射、疊加，產(chǎn)生過電壓。線路越長(zhǎng)、電容越大，產(chǎn)生的過電壓越高，可達(dá)額定電壓的6倍以上。

3.3 電弧接地過電壓

如采用中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，由于系統(tǒng)中電感、電容的存在，當(dāng)發(fā)生一相接地故障時(shí)，常出現(xiàn)電弧熄滅和重燃交替現(xiàn)象，導(dǎo)致電感、電容間發(fā)生電磁震蕩，在正常相及故障相上出現(xiàn)過電壓，可達(dá)額定電壓的3倍以上。單相接地故障出現(xiàn)的幾率較大，故應(yīng)引起重視。

3.4 變流器產(chǎn)生的過電壓

隨著電子技術(shù)進(jìn)步，變流器在直流輸電、光伏風(fēng)能發(fā)電、變頻器等得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)變流器IGBT開關(guān)關(guān)斷時(shí)，受系統(tǒng)回路雜散電感的影響，產(chǎn)生集電極-發(fā)射極之間浪涌過電壓，尤其當(dāng)關(guān)斷短路電流時(shí)，產(chǎn)生的過電壓會(huì)更高，再與母線電壓相疊加，極易損壞設(shè)備。當(dāng)變頻器各IGBT靜態(tài)開關(guān)動(dòng)作速度存在差異時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共模電壓，隨著電動(dòng)機(jī)電纜長(zhǎng)度的增加，電動(dòng)機(jī)端部出現(xiàn)的過電壓越大。

操作過電壓存在于暫態(tài)過渡過程，一般在幾毫秒～幾十毫秒，數(shù)值可與工頻電壓相疊加[2]。

3.5 雷電過電壓

直擊雷過電壓是指物體被落雷直接擊中，物體上帶有雷電過電壓；感應(yīng)雷過電壓是指落雷點(diǎn)附近的物體，雖未被直接擊中，由于電磁感應(yīng)導(dǎo)致物體上產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓。雷電對(duì)地的電位可高達(dá)數(shù)千萬伏到上億伏，造成的危害極大。在電力系統(tǒng)中，架空線路分布較廣，一條100km長(zhǎng)的線路一年會(huì)受到約幾十次的雷擊，受雷電過電壓的危害較大。發(fā)電廠和變電所內(nèi)的雷電過電壓來自雷電的直接雷擊、反擊和架空進(jìn)線上的雷電侵入波。

4 過電壓的防護(hù)措施

4.1 采用避雷器

避雷器用于保護(hù)電氣設(shè)備免受高瞬態(tài)過電壓危害，并限制續(xù)流時(shí)間，也常限制續(xù)流幅值的一種電器，有時(shí)也稱為過電壓保護(hù)器、過電壓限制器。在系統(tǒng)正常工作電壓下，呈現(xiàn)高電阻性，僅有微安級(jí)電流通過。在過電壓大電流作用下，呈現(xiàn)低電阻，將過電壓釋放到大地，從而限制了避雷器兩端的殘壓。避雷器通常連接在線纜和大地之間[3]，與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)。避雷器類型主要有管型避雷器、閥型避雷器和氧化鋅避雷器等。保護(hù)間隙一般用于配電系統(tǒng)、線路和變電所進(jìn)線段，主要用于降低雷電侵入過電壓，保護(hù)站內(nèi)設(shè)備。閥型避雷器與氧化鋅避雷器用于變電所和發(fā)電廠的保護(hù)，用于降低大氣過電壓和操作過電壓的危害。在超高壓系統(tǒng)中可以用來限制內(nèi)部過電壓，或作內(nèi)部過電壓的后備保護(hù)。

4.2 采用避雷針、避雷線

避雷針（線、帶）裝設(shè)比被保護(hù)物高，吸引雷電到自身上，通過接地裝置安全釋放、導(dǎo)入大地，保護(hù)附近比它矮的物體免遭雷擊。電力系統(tǒng)應(yīng)采用“折線法”、建筑物應(yīng)采用“滾球法”確定保護(hù)范圍。架空線路保護(hù)角的大小通常在15°～30°，隨著雷擊次數(shù)的升高和設(shè)備重要程度升高減小。220～330kV雙避雷線線路的保護(hù)角一般在20°左右，500kV及以上的線路一般不大于15°。超高壓線路避雷線一般與桿塔相互絕緣，裝設(shè)專門的放電間隙，引導(dǎo)雷電流入大地，既能作為過電壓保護(hù)，又能減少電能感應(yīng)損耗，也可作為載波通道。由于雷電壓較高，接地點(diǎn)要與其它設(shè)備保持安全距離，防止發(fā)生反擊現(xiàn)象。在保護(hù)氣體爆炸危險(xiǎn)氣體放空口時(shí)，避雷針應(yīng)垂直高出放空口3m以上，水平距離4m以上。避雷針安裝在罐區(qū)周邊時(shí)，應(yīng)比罐2倍高，遠(yuǎn)距罐30米～40米范圍是可行的措施。

4.3 變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地

在中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)中存在線路電容和線圈電感，當(dāng)發(fā)生一相接地故障時(shí)，接地電弧極有可能引起線系統(tǒng)或分部振蕩。當(dāng)電流經(jīng)振蕩點(diǎn)或工頻零點(diǎn)時(shí)，電弧可能暫時(shí)熄滅，當(dāng)故障相上電壓升高后，電弧則可能重燃。這種連續(xù)的電弧熄滅和重燃交替的對(duì)地放電過程，將造成在正常相及事故相上出現(xiàn)過電壓。目前110kV以上電網(wǎng)大都采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，配合單相重合閘、三相重合閘和綜合重合閘的使用，即可消除單相接地電弧接地過電壓，又能保證線路快速恢復(fù)供電。采用中性點(diǎn)直接接地的系統(tǒng)相比于中性點(diǎn)絕緣的系統(tǒng)，發(fā)生的操作過電壓均有很大的降低[4-5]。

在中壓配電系統(tǒng)中，當(dāng)接地電容電流超過5A時(shí)，電弧不易熄滅，應(yīng)加裝消弧裝置以抵消接地容性電流，中性點(diǎn)經(jīng)消弧裝置接地運(yùn)行。消弧裝置是一個(gè)主要由帶鐵芯的可調(diào)電感線圈構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，產(chǎn)生的電感電流與系統(tǒng)固有的容性電流方向相反，相互抵消，使流經(jīng)接地點(diǎn)處的電流降低，甚至完全抵消到零，從而降低了故障相上的恢復(fù)電壓，減少重燃電弧的幾率，減少電弧接地過電壓的危害。

微機(jī)自動(dòng)跟蹤消弧裝置能自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)的實(shí)際參數(shù)，自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)投入電感量，使電感、電容高度抵消，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

4.4 提高斷路器的性能，并合理使用

斷路器的滅弧性能越好，特別是切斷小電流的能力越高，在切斷容性負(fù)載時(shí)，可以減少甚至消除電弧重燃的可能性，從而降低或基本消除過電壓；在切除感性負(fù)載時(shí)，由于截?cái)嚯娏魇钱a(chǎn)生過電壓的主要原因，所以不能采用滅弧能力強(qiáng)的斷路器，適合采用帶并聯(lián)電阻的開關(guān)。

帶并聯(lián)電阻的開關(guān)分閘時(shí)，主觸頭先分開，輔助觸頭經(jīng)約1～2個(gè)工頻周波再分開，在這1～2個(gè)工頻周波內(nèi)，負(fù)載經(jīng)電阻向電源釋放電能量；合閘時(shí)，輔助觸頭先合，主觸頭經(jīng)約1～2個(gè)工頻周波再合上，在這1～2個(gè)工頻周波內(nèi)，電源經(jīng)電阻小電流向負(fù)載充電，從而避免了產(chǎn)生過電壓。接入合閘電阻是限制操作過電壓最為有效的方法，但是目前合閘電阻成本較高且產(chǎn)品成熟度不高，質(zhì)量參差不齊，在實(shí)際工程中使用應(yīng)嚴(yán)把設(shè)備質(zhì)量關(guān)。

在操作容性較大的設(shè)備時(shí)，可采用具有相控開關(guān)技術(shù)（也稱同步開關(guān)技術(shù)）的開關(guān)。當(dāng)控制單元接收到動(dòng)作指令時(shí)，選擇一相電壓或電流最近的過零點(diǎn)作為時(shí)間起點(diǎn)，間隔設(shè)定的延時(shí)發(fā)出控制指令，使三相主觸頭分別在三相電壓的過零點(diǎn)附近順序合閘，使三相主觸頭分別在三相電流的過零點(diǎn)附近順序分閘，基本上可消除容性負(fù)載的浪涌電流和感性負(fù)載的感應(yīng)電壓。另外，在電壓過零點(diǎn)時(shí)操作投入電容器組，也可降低沖擊電流，電流峰值甚至降低到額定電流的一半以下，設(shè)備損傷較小。

如果斷路器的滅弧性能的高低和避雷器的類型做到合理配合使用，則防止產(chǎn)生過電壓的效果更好。

4.5 重視接地系統(tǒng)

接地裝置和接地網(wǎng)可以把過電壓的電能量釋放到大地。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備接地電阻值≤4Ω，防直擊雷、感應(yīng)雷接地電阻≤10Ω等。接地電阻越小，電能的釋放速度越快，設(shè)備過電壓數(shù)值越低，被保護(hù)設(shè)備受到的沖擊越小、設(shè)備越安全。可以采用多點(diǎn)接地的方式，盡可能地降低接地電阻值。為防止感應(yīng)過電壓的反擊和串流，需將防雷過電壓接地點(diǎn)和設(shè)備安全接地點(diǎn)分開，并保持安全的距離。測(cè)量接地電阻值時(shí)，必須用專門的接地電阻測(cè)試儀正確測(cè)量，而不是測(cè)量設(shè)備和接地極之間的阻值。

4.6 采用科學(xué)的倒閘操作方式

主變?cè)谕Ｋ碗姴僮鬟^程中，因?yàn)橹行渣c(diǎn)處可能產(chǎn)生操作過電壓損壞變壓器，所以主變停送電前，中性點(diǎn)地刀必須在合位。

對(duì)于兩端供電的長(zhǎng)線路送電，應(yīng)先合電源容量較大一側(cè)的斷路器，后合電源容量較小一側(cè)的斷路器；停電時(shí)與此順序相反，能削弱電容效應(yīng)引起的電壓升高。

好多電廠規(guī)程規(guī)定，刀閘可以拉合勵(lì)磁電流小于2A的空載變壓器和電容電流不超過5A的空載線路。但由于刀閘滅弧能力差，在不利情況下，拉弧也能產(chǎn)生很高的過電壓，影響設(shè)備安全。這類操作必須迅速、果斷，盡量減少拉弧時(shí)間，以降低過電壓的數(shù)值。

在母線停電時(shí)，先將母線電壓互感器退出運(yùn)行，再斷開斷路器，此時(shí)不會(huì)發(fā)生串聯(lián)鐵磁諧振過電壓；在母線送電時(shí)，確保母線電壓互感器退出運(yùn)行，再合上斷路器送電，也可避免發(fā)生串聯(lián)鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象。

4.7 多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的IGBT過電壓抑制

在變流器領(lǐng)域，采用多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻軟關(guān)斷策略，可減小正常時(shí)的電壓關(guān)斷尖峰和短路時(shí)的電壓關(guān)斷尖峰，又能降低短路電流，保證數(shù)值在安全的范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

本文闡述了過電壓的產(chǎn)生機(jī)理、原因、特點(diǎn)，并列舉了各種防止措施，這對(duì)保證一次設(shè)備安全有著重要意義。隨著超高壓電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)我們提出了新的課題，在以后的工作中要加強(qiáng)研究和探索。