电力系统内部过电压及其防护措施分析

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，提出了暂态过电压及空载长线过电压的防护措施。

关键词：电力系统；内部过电压；操作过电压

作者简介：罗进（1981-），女，四川南充人，浙江温州电力局变电工区，助理工程师。（浙江?温州?325000）

中图分类号：TM86?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）24-0120-01在电力设备正常运行过程中，有时即使无雷电等外部侵入也会出现损坏的事故，究其原因主要来自以下两方面：一是由于设备长时间运行导致其绝缘老化出现问题；二是由于设备短时间内的电压可能超过了该设备允许工作的最高电压，即出现了过电压，不但损坏了绝缘，而且容易引发短路故障等事故，给电网的正常运行带来了极大的危害。通常将电网内部原因造成的过电压称为内部过电压。由于电网中具有大量的非线性储能元件，如电感和电容等，这些元件具有能量不能突变的特性，即当系统的运行状态发生改变时，虽然这些元件的工作状态也会发生变动，但由于初始条件和稳定工作状态的特性不同，导致磁场能和电场能不断发生转换和振荡，从而引发了过电压，这就是电网中存在内部过电压隐患的根本原因。[1]因此，虽然防护内部过电压的措施各异，但其主要思路仍是消除或减小由于储能元件带来的振荡，进而实现对内部过电压进行限制的目的。本文对电力系统内部过电压及其防护措施进行了分析。

一、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[2]：

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。

系统发生谐振过电压所持续的时间是与其回路本身特性有关的，有可能仅持续一段时间亦或是稳定的，此时谐振过电压对系统的影响不大，但若其持续时间较长则可能引发系统一系列的谐振操作，因此必须采取一定的措施破坏谐振条件，如增加电阻、减小电抗或采用消谐器等。

二、暂态过电压防护措施

1.间歇性电弧接地过电压

间歇性电弧接地过电压通常发生在中性点不接地的系统中，由于该类系统具有即使发生单相接地也能继续工作两小时的特性，因此其中的电弧可能多次发生充入，使线路上的负荷发生多次的重新分配，导致中性点电压升高，最终发生过电压。虽然此种过电压的幅值较小，仅为额定电压的3.5倍，但由于其持续的时间较长且范围较大，将对弱绝缘的设备造成严重影响，应采取一定的措施加以避免。若电网的中性点接入的是消弧线圈，则此时电感电流补偿了中性点的电容电流，减小了重燃的次数及过电发生的概率。

2.切小电感性电流电压

系统中的空载电动机及变压器即为小电感性负荷，由于断路器通常按照大电流条件设计灭弧能力，因此其切断小电流时容易引发电感和电容形成振荡，此时的对地杂散电容较小，会导致幅值极高的过电压的出现。由于产生此类过电压的电流较小，因此常用避雷器进行防治。

3.开断电容性电流过电压

电网中的电容性电流是由电缆、空载线路即电容器等产生的，在断路器完成开断的过程中若介质强度的上升速度超过了其恢复电压的上升速度，则会造成其重燃的现象，此时若断路器断口两端的电压极性也是相反的，则重燃后会出现电源持续提供能量而引发系统充分的振荡，进而产生了过电压。由于该种过电压是由断路器重燃引发的，因此可以利用限制断口电压上升的幅度来限制过电压，具体的措施是在断路器断口处并联电阻以起到阻尼的效果。

三、合空载长线过电压

对空载线路进行关合是系统中经常出现的操作，在超高压系统中，由于合、重空载线路过电压是选择电网绝缘水平的关键因素，因此在对其进行操作中，由于重合闸而产生的过电压往往是非常严重的，且线路残压可能会与电源电压相互叠加而加剧振荡过程，在计及空载长线路电容效应的前提下其过电压可达额定电压的3倍，可采用如下措施加以限制：采用带合闸电阻的断路器进行合闸操作；及时消除线路的残余电压；采用专门的装置加以判断，在断路器的两相电压最低时完成选相合闸操作；使用磁吹型的金属氧化物避雷器作为专门的后备保护。

由于不同电网结构的操作电压是不同的，对于中性点不接地的系统，较为突出的矛盾为电弧接地电压，而随着电压等级的增大，对于中性点接地的系统，最主要的矛盾为切换控制线路时产生的过电压，因此，对于不同电压等级所产生的内部过电压应加以区别：空载变压器所产生的过电压可通过避雷器进行防护，而超高压输电线路的工频电压升高则应通过补偿装置进行综合治理。

四、结论

电力系统的内部过电压会对系统造成严重的影响，威胁系统内电气设备的正常运行，长期持续的内部过电压还可能导致系统出现各种事故，应针对各种内部过电压的类型加以综合防范，保证电力系统运行的安全性和稳定性。

参考文献：

[1]朱子述.电力系统过电压[M].上海:上海交通大学出版社,1995:

14-65.

[2]陈慈萱.过电压保护原理与运行技术[M].北京:中国电力出版社,