概论电力系统内部过电压及防护措施

摘要：分析了电力系统内部过电压及其防护措施，研究了暂态过电压的类型，提出了暂态过电压的防护措施。

关键词：电力系统；内部过电压；操作过电压

中图分类号：F470.6 文献标识码：A

一. 电力系统过电压的概念

通常情况下，电力系统处于正常的工作状态，系统的运行也正常，此时电气设备在额定的电压之下处于绝缘的状态，而一旦遭遇雷击或者由于操作不当、仪器发生故障或者参数配置不合理等原因，造成系统中的某区域的的局部电压升高而超出设备正常的运行范围称之为过电压。这种过电压一般可以分为内部和大气这两种过电压，前者发生的原因主要是拉闸、合闸的操作，接地或者断线的事故以及其他的一些不可预料的细节问题，这些小问题可能引起电力系统的状态突然发生变化从而产生局部过高电压，造成整体系统的危害，内部过电压发生的跟本原因还是由于系统内的电磁能集聚和振荡所引发的。通常将系统内部的过电压划分为：暂态的过电压和操作过电压。顾名思义，操作过电压就是由于系统的操作故障或者失误时所引发的，主要的特点就是随机性较大。后者的大气过电压通常被划分为感应雷击、直接雷以及侵入雷电波这三种过电压，这种过电压的特点就是持续的时间非常短，但是其冲击的能力非常强，对系统的伤害也比较大，破坏程度的强弱跟雷电活动的强度有非常紧密的关系，而与设备的电压等级关系不大，在220KV之下电气系统的整体绝缘水平主要是由防止大气的过电压所决定的。

二、暂时过电压的类型

1.接地故障形成的过电压

电力系统中经常发生接地故障，尤其单相接地故障发生的次数较多，且随着系统电压等级的增大而增加。当发生单相接地故障时，以故障点为等效点的系统等值正序、负序阻抗为：，零序限抗为：，等值电动势为E，A相接地时，B、C两正常相的过电压UB、UC可按照下式进行计算：

由于避雷器不具备防护单相接地时的增大的相电压，而单相接地故障出现的次数最多，因此虽然发生单相接地故障时正常相的过电压不是最高的，但在实际对内部过电压的防护中通常以单相接地时正常相工频过电压值进行避雷器灭弧电压的选择，且对于中性点不接地的系统而言，由于＜0，谐振条件为，因此必须加以避免。单相接地时电网正常相的电压为最大工作电压的1.1倍，因此通常此类电网的避雷器灭弧电压就按此值进行选取，对于中性点接消弧线圈的系统避雷器的灭弧电压选取为接地网正常工作的电压，对于中性点直接接地的系统则选取0.8的正常相电压为避雷器灭弧电压。超高压电网若发生了接地故障，则采取电流速断保护并配合以重合闸的方法完成故障的切除及补救工作。

2.负载突变形成的过电压

当系统中出现临时性故障而不得不减小大负荷的供电时也会导致电压升高，主要原因如下：

（1）由于发电机具有磁链不突变的特性，因此其必须保持足够的输送功率，且其暂态电动势是不变的，因此会导致出现相对电压升高。

（2）由于原动机制动设备及调速器具有固有的惯性，因此当发生甩负荷时会增加发电机的转速，导致电动势及频率增加。

（3）若所甩负荷的位置位于输电线路长线的末端处，则此时由于输电线路存在电容效益会导致其末端电压升高，出现过电压的现象。

对于因负荷突变而导致的过电压，应采用并联电抗器、控制空载线路投切及限制长线路电容效应的措施，同时在电机侧应加装快速消励磁系统以完成对其电枢反应的限制。

3.谐振过电压

系统发生谐振的根本原因为电感、电容元件共同组成的回路在工频或某一频率下发生了共振。可将其分为非线性谐振和线性谐振两种，线性谐振虽然过电压值很高，但谐振的条件范围较窄，即只有在非全相操作或系统故障时才会出现，如当系统发生单相接地故障且其正序、零序阻抗满足时才会发生线性谐振。而非线性谐振是由系统中变压器或互感器等铁磁元件引发的，且随着外部电压的变化而改变，若回路中存在电缆、串联补偿电容器等元件且满足ωL＞1/ωC时才会导致电压升高从而发生铁磁谐振，且铁磁谐振后会发生电流反向，容易引发电机反转的事故。

三. 浅探电力系统过电压产生的原因以及解决的措施

1.操作过电压产生的原因以及解决的方案

上面我们提到了内部过电压中操作过电压具有很大的随机性，这种情况的过电压在最糟糕的情况下其倍数相对较高，330Kv以及这之上的超高压的系统绝缘水平是由操作过电压决定的，其除了具有随机性的特点之外，还具有较高的幅值和高频的振荡，另外就是衰减较为迅速。这种操作过电压产生的原因有很多，其中主要的包括了：第一，在将空载电路切除的过程中容易产生过电压，此时产生的原因主要是由于电弧的重燃和在线路上的残留的电压；第二，发生在空载电路合闸上的过电压主要是由于在合闸的过程中，由于瞬间的暂态中发生了回路上的高频振荡；第三，如果电网中的中性点没有接地，而恰巧单相金属接地的情况发生了，那么将会使得正常相的电压达到线电压。一旦单相接地而且是通过间歇性燃烧的电弧的形式，那么在系统中的正常相和故障相中都会有过电压的产生，这种情况的过电压也称作电弧接地过电压，这种类型过电压的本质就是高频振荡。也就是在中星点不接地系统中，当发生一相接地故障时，常出现电弧，由于系统中存在线路电容和电压互感器电感，及有可能引起线路某一部分的振荡，当电流经振荡点或工频零点时，电弧可能暂时熄灭，之后当事故相上电压升高后，电弧则可能重燃，这种断断续续的、熄灭和重燃交替进行的对地放电，将造成在正常相及事故相上出现过电压，使系统内的绝缘薄弱部分有可能遭受击穿放炮。单相接地故障在系统中出现的机会较多，因而引起这种过电压的可能性是很大的，故应对其危害有足够的重视。98年前唐钢的60%电气放炮事故都是由一相接地故障引起的。第四，在将空载变压器切除的过程中容易产生过电压，产生的原因就是当变压器的空载电流发生突变的时候变压器的绕组磁场的能量就会全部转化成电场的能力，从而变压器就会发生等值电容的充电，导致过电压的出现。在解决这些情况下的过程中主要采取的措施有：选择使用灭弧能力更加强的高压断路器；在进行断路工作的时候注意提升动作的同期性；在断路器的端口进行并联电阻的加装；在避雷器的选取上要选择性能更加优良的；注意将电网中性点的接地运行。

2.谐振过电压的产生原因以及解决的措施

所谓谐振过电压就是由于在电网中，由于电容和电感元件的参数进行不恰当的组合，使得谐振得以产生，这种过程中产生的过电压所具有的特点是倍数较高而且持续的时间要比操作过电压要长，这种过电压产生的原因有很多，主要包括：线性的、铁磁的和参数的三类谐振过电压，第一，线性的谐振过电压中，主要是由于谐振回路是由输电线路电感或者变压器漏感等不带铁芯的电感元件构成抑或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件和存在系统之中的电容元件构成。第二，铁磁谐振过电压中，由于在谐振回路中主要由带有铁芯的电感元件和系统之中的电容元件所构成，因而带有铁芯的电感元件极易出现饱和的现象，从而就使得回路中的电感参数形成非线性的图像，一旦满足一些谐振的条件那么就会产生所谓的铁磁谐振。第三，就是参数谐振过电压，在这种过电压发生中，主要是由拥有周期性的电感元件与系统之中的电容元件进行回路的组成，如果参数可以配合那么由于电感元件的发生周期性的变化，就会向谐振系统不断输送能量，从而形成谐振过电压，在解决谐振过电压的措施中，主要有：首先，如果进行断路工作时，一定要保证断路器的同期，以防非全相运行而生成谐振过电压；其次，可以的话尽量在并联高压电抗器的中性点进行小电抗的加装，从而阻断非全相在运行过程中工频电压的传递和串连谐振；最后，就是为了尽量的防止谐振过电压，要尽量破坏发电机能够生成自励磁的条件。

参考文献

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