煤矿电力系统过电压分析

马庾卿

(西山煤电集团 电力公司，山西 太原 030053)

电力系统对供电可靠性的要求极高，过电压故障在所有故障种类中占比最大，如果不提前采取预防措施会造成很大的损失，因此过电压防护成为电力系统中的一个重要课题，必须要了解过电压课题才能保障电力系统安全稳定地运行。

1 过电压形成的原因

1) 雷电过电压。

a) 直击雷过电压。雷电直接对线路、设备放电时，很大的雷电流通过其流入地面，在该物体产生较高的电位降，称为直击雷过电压。

b) 雷电反击过电压。金属导体受到雷电直击后，会将雷电流引入大地，在金属导体及相连接的金属导体上产生非常高的电压，对周围金属物体、线路、设备产生巨大的电位差，这个电位差会引起闪络。这种发生放电的现象叫反击。

c) 感应雷过电压。当线路附近发生存在雷云时，雷电流未直接对设备或线路放电，但在导线上会感应出大量的电荷且与雷云极性相反，在雷云对大地上其他物体放电后，雷云中所带电荷迅速消失，导线上的感应电荷就会成为自由电荷，并以很快的速度向导线两端急速涌去，从而出现过电压，叫做静电感应过电压；由于雷电流有极大的幅值和斜率，在它周围有强大的变化电磁场，处在此电磁场中的导体会感应出极大的电动势，使导体之间放电，产生火花。

d) 雷电侵入波过电压。由于线路、金属物等遭受直接雷击或感应雷而形成的雷电波，沿线路、金属物等侵入变配电所而造成。

2) 内部过电压。

内部过电压是由于操作失误或其他巧合，引起电力系统的状态突然发生变化，出现一种暂态过渡过程，在这个过程中可能产生对系统有威胁的过电压，这是系统内部电能的震荡和积聚所引起的，所以叫内部过电压。

a) 操作过电压。这种过电压一般是由于系统中电容或感性负荷的变化引起，在操作电容器或感性负荷进行开断或关合时，发生开断重燃或关合弹跳的现象叫做操作过电压，其幅值在很大程度上决定于中性点的接地情况。

c) 弧光接地过电压。在中低压中性点IT系统中，发生单相接地时流过故障点的电流为容性电流。容性电流的相位角比电压的相位角超前90°，当电流过零点时，故障点的电弧熄灭，但是此时故障点的电压为最大值，如果接地电容电流大于5 A，会使刚刚自熄的电弧又重新点燃，出现不断熄灭再点燃的间歇性电弧。

2 过电压产生的危害

1) 雷电过电压。

雷电具有电流所有的性质，同时可以在短时间内以脉冲的形式通过设备及导线，幅值极大，直击雷的峰值电流可达几十到几百千安，破坏性很大。

a) 雷电流具有很强的热效应，在电流通过的导体中瞬间温度甚至可以超过10 000 ℃，容易引起火灾事故。

b) 电流安培特性具有动力效应，大电流通过时导线收到极大的剪力，金属导线一旦断线，对输电线路的稳定性造成很大的危害。

c) 较容易发生危害的是感应雷过电压，虽然瞬间破坏力不如直击雷，但是可在相邻很大范围内产生雷电感应，通过导线传递至其他地方，扩大了受危害的范围。同时，因为电磁感应现象的存在，导致导体可以产生极大的感应电动势，容易对绝缘薄弱部位造成损害，如果侵入电力变压器中，可能形成涡流，对变压器造成损伤。

2) 内部过电压。

a) 单相接地会引起工频电压升高，引发其他操作过电压，导致电磁脉冲的震荡，中性点、接地相、非接地相都产生过电压；并使操作电压的峰值变大，这种过电压一般低于设备绝缘水平，但单相接地不作用于跳闸，故障定位比较困难，所以持续时间长，会发展成为相间故障、造成断路器的非全相开断、绝缘较弱的电气设备损坏、无串联间隙的金属氧化物避雷器损坏等故障。

b) 谐振过电压能量大、时间长，使电网三相不平衡而发生放电现象、电压互感器烧坏或熔断器熔断，对避雷器造成损害。当断路器非同期操作或系统中发生单相接地故障时，会危及低压侧绝缘，若与接在中性点的消弧线圈或电压互感器等铁磁元件组成谐振回路，还会产生铁磁谐振或线性谐振传递过电压。

3 预防过电压发生的措施

1) 变电站的防雷措施。

变电站防雷是一个综合性的工程，不可能通过简单的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷电的威胁，要将雷电危害减小到低限度，需要通过接闪、均压、屏蔽、接地、分流等综合措施。

a) 接闪器大多使用避雷针、避雷线或避雷网，保证雷电放电在一定范围内按照事先设计的接闪通道，将雷电能量释放到大地中去。

b) 变电站内的电气电子等设施，如果与防雷系统接闪装置的距离不足，则应该将设备外壳与防雷系统进行等电位连接。使室内的所有设施形成一个“等电位体”，保障在雷电电流流过时，导体之间不存在大电位差，就不会发生放电现象。等电位体的形成还具有避免雷电电流入大地时出现雷电反击的情况。

c) 屏蔽是防止雷电电磁波影响电子设备的最有效方法。利用金属网或其他金属导体把电子设备包围起来，利用屏蔽作用把雷电电磁波侵入设备的通道全部屏蔽起来。

d) 防雷接地工程有严格要求，规定接地电阻要小于10 Ω，接地不好，所有防雷措施都会失效。

e) 接入变电站的线路(包括电力数据线、电源线、电话线等)与防雷接地装置或接地线之间要并联浪涌保护器，当直击雷或雷击感应在线路上产生的雷电行波延线路侵入站内设备时，避雷器的电阻会降低，近乎于短路状态，雷电电流沿此处流入大地。

2) 限制内部过电压的措施。

a) 电力设备及线路的绝缘应能承受操作过电压和单相接地时间歇性电弧产生的过电压。对地绝缘应达到一般运行最高相电压的4倍，相间绝缘应达到对地绝缘的1.3倍以上。穿墙套管是变电站电力线路的薄弱环节，在许多变电站的穿墙套管处都可以听到“嗡嗡”声，这是因为普通穿墙套管周围电场不均匀，使用一段时间后会出现电晕放电的现象，积累到一定程度更会造成绝缘下降发生闪络事故；经常更换穿墙套管会造成资源浪费，单纯要求穿墙套管绝缘性能提高又不现实，但是如果使用带有屏蔽环的穿墙套管，通过等电位的原理改变穿墙套管电场，使套管周围电场变得更加均匀，则会避免电晕现象的发生，既可以降低噪音又能避免绝缘击穿事故的发生。

b) 采用能够限制操作过电压的设备，包括装设并联电阻或在断路器与变压器间装设阀型避雷器、重燃率接近零的真空断路器、电力电容器组的控制回路应加装跳闸后时间闭锁接点等。目前许多具有条件的变电站都采用六氟化硫断路器，利用SF6气体非常好的绝缘和灭弧性能，使得开断电容电流时无重燃或者复燃，提高了设备的可靠性，但是这种设备造价高、管理要求高，所以一般用在110 kV及以上等级的变电站；低等级的变电站在限制操作过电压方面要加强对相关设备的试验检修工作，并且在操作时注意设备状态，避免出现事故。

c) 谐振过电压一般持续时间较长，无法用避雷器进行限制，可以采取措施进行预防，包括：提高开关动作的同期性防止非全相运行、中性点经消弧线圈接地、在互感器开口三角中接入阻尼电阻或消谐器等。

d) 煤矿电力系统一般规定电容电流要小于20 A，并且要求每年进行一次接地电容电流的测试。煤矿电力系统为了保障运行的可靠性，都采用中性点不接地系统，该系统出现单向接地故障时依然会继续运行，由于中性点的偏移会导致电气设备接地的外壳带电，为了防止高电压对井下作业人员的伤害，所以要求电容电流小于20 A(电气设备接地电阻小于2 Ω，即电压小于40 V)，故现阶段对各变电站都要求配置足够容量的消弧装置降低接地电容电流。

4 结 语

过电压对电力网的安全运行具有很大危害，不仅损害设备绝缘，降低电气设备使用寿命，还可能引发安全事故。因此，正确认识并重视系统过电压具有重要意义，了解掌握过电压的原因及防范措施十分必要。