电气一次设备过电压保护的研究

2021-04-10宋旭

新型工业化 2021年6期

宋旭

（国家能源集团宿迁发电有限公司，江苏宿迁 223803）

0 引言

现如今，我国工业产业集成化以及城市化建设使生产水平大幅提升的同时能源消耗量也不断增加，为确保电力供应系统能源供应的安全性与可靠性，电力企业应针对电气设备一次过电压问题，采用专业性的技术保护对策，从而有效避免安全事故、电力供应不稳定以及大规模断电情况的发生。

1 过电压的概念

过电压是指持续时间超过1分钟，工频下交流电压均方根值升高超过额定值的10%的电压升高现象。过电压是电力系统中的一种电磁扰动现象，可能是工频的，也可能是其它频率的。

2 过电压分类

按照过电压的能量来源分类，分为内部过电压和外部过电压两类。

内部过电压是由于内部原因，如操作（拉、合闸）、事故（接地、断线）等变化，引起电力系统从一个稳态突然转变至另一个稳态，在转变的过渡过程中出现的过电压现象，能量来自电网本身。内部过电压又可以分为工频过电压、操作过电压和谐振过电压等。

外部过电压又叫大气过电压或雷电过电压，是由于电力系统外部原因而造成电压升高现象，能量来自电网外部的侵入，分为直击雷过电压和感应雷过电压两种类型。

根据过电压的波形特点，可分为暂时过电压和瞬态过电压两大类。暂时过电压是指电力系统状态突变过渡过程后，重新达到某种暂时稳态下所出现的过电压，以工频或其一定的倍数、分数振荡，不衰减或弱衰减，一般持续时间较长。瞬态过电压是指通常带有强阻尼的振荡或非振荡，持续时间为数毫秒或更短的一种过电压，它可以与暂时过电压相叠加，使过电压数值更高。

过电压波形的幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响程度。

3 过电压产生原因及特点

3.1 切断电感性负载而引起的过电压

在切断空载变压器、消弧线圈、电抗器和电动机等电感性负载时，断开时产生的电弧在真空断路器真空包内被快速灭除，电流过零前被突然切断，滞留于空载变压器等电感绕组中的能量必然向绕组中的杂散电容充电，当全部磁场能转化为电场能的瞬间，在电容C上将出现很高的过电压（截留过电压、多次重燃过电压、三相同时断开过电压等）。如果开关灭弧性能越好，变压器容量越大，则过电压越高，可达额定电压的7倍以上。变压器绕组首端电位梯度最大，在极端条件下可达正常运行时的数十倍，严重危及绕组首端的匝间绝缘[1]。

3.2 操作电容性负载而引起的过电压

在操作空载长线路、电缆线路或电容器组等容性负载时，分闸时存储在电容中的静电场能量（电能）发生了转换、过渡震荡过程，产生过电压；合闸时，由于再次充电或三相合闸相间时间差配合不当，在设备上注入一个阶跃电压波，来回反射、叠加，产生过电压。线路越长、电容越大，产生的过电压越高，可达额定电压的6倍以上。

3.3 电弧接地过电压

如采用中性点不直接接地系统，由于系统中电感、电容的存在，当发生一相接地故障时，常出现电弧熄灭和重燃交替现象，导致电感、电容间发生电磁震荡，在正常相及故障相上出现过电压，可达额定电压的3倍以上。单相接地故障出现的几率较大，故应引起重视。

3.4 变流器产生的过电压

随着电子技术进步，变流器在直流输电、光伏风能发电、变频器等得到广泛应用。当变流器IGBT开关关断时，受系统回路杂散电感的影响，产生集电极-发射极之间浪涌过电压，尤其当关断短路电流时，产生的过电压会更高，再与母线电压相叠加，极易损坏设备。当变频器各IGBT静态开关动作速度存在差异时，会产生共模电压，随着电动机电缆长度的增加，电动机端部出现的过电压越大。

操作过电压存在于暂态过渡过程，一般在几毫秒～几十毫秒，数值可与工频电压相叠加[2]。

3.5 雷电过电压

直击雷过电压是指物体被落雷直接击中，物体上带有雷电过电压；感应雷过电压是指落雷点附近的物体，虽未被直接击中，由于电磁感应导致物体上产生感应雷过电压。雷电对地的电位可高达数千万伏到上亿伏，造成的危害极大。在电力系统中，架空线路分布较广，一条100km长的线路一年会受到约几十次的雷击，受雷电过电压的危害较大。发电厂和变电所内的雷电过电压来自雷电的直接雷击、反击和架空进线上的雷电侵入波。

4 过电压的防护措施

4.1 采用避雷器

避雷器用于保护电气设备免受高瞬态过电压危害，并限制续流时间，也常限制续流幅值的一种电器，有时也称为过电压保护器、过电压限制器。在系统正常工作电压下，呈现高电阻性，仅有微安级电流通过。在过电压大电流作用下，呈现低电阻，将过电压释放到大地，从而限制了避雷器两端的残压。避雷器通常连接在线缆和大地之间[3]，与被保护设备并联。避雷器类型主要有管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等。保护间隙一般用于配电系统、线路和变电所进线段，主要用于降低雷电侵入过电压，保护站内设备。阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护，用于降低大气过电压和操作过电压的危害。在超高压系统中可以用来限制内部过电压，或作内部过电压的后备保护。

4.2 采用避雷针、避雷线

避雷针（线、带）装设比被保护物高，吸引雷电到自身上，通过接地装置安全释放、导入大地，保护附近比它矮的物体免遭雷击。电力系统应采用“折线法”、建筑物应采用“滚球法”确定保护范围。架空线路保护角的大小通常在15°～30°，随着雷击次数的升高和设备重要程度升高减小。220～330kV双避雷线线路的保护角一般在20°左右，500kV及以上的线路一般不大于15°。超高压线路避雷线一般与杆塔相互绝缘，装设专门的放电间隙，引导雷电流入大地，既能作为过电压保护，又能减少电能感应损耗，也可作为载波通道。由于雷电压较高，接地点要与其它设备保持安全距离，防止发生反击现象。在保护气体爆炸危险气体放空口时，避雷针应垂直高出放空口3m以上，水平距离4m以上。避雷针安装在罐区周边时，应比罐2倍高，远距罐30米～40米范围是可行的措施。

4.3 变压器中性点不接地或经消弧线圈接地

在中性点不直接接地系统中，由于系统中存在线路电容和线圈电感，当发生一相接地故障时，接地电弧极有可能引起线系统或分部振荡。当电流经振荡点或工频零点时，电弧可能暂时熄灭，当故障相上电压升高后，电弧则可能重燃。这种连续的电弧熄灭和重燃交替的对地放电过程，将造成在正常相及事故相上出现过电压。目前110kV以上电网大都采用中性点直接接地的运行方式，配合单相重合闸、三相重合闸和综合重合闸的使用，即可消除单相接地电弧接地过电压，又能保证线路快速恢复供电。采用中性点直接接地的系统相比于中性点绝缘的系统，发生的操作过电压均有很大的降低[4-5]。

在中压配电系统中，当接地电容电流超过5A时，电弧不易熄灭，应加装消弧装置以抵消接地容性电流，中性点经消弧装置接地运行。消弧装置是一个主要由带铁芯的可调电感线圈构成，当系统发生单相接地故障时，产生的电感电流与系统固有的容性电流方向相反，相互抵消，使流经接地点处的电流降低，甚至完全抵消到零，从而降低了故障相上的恢复电压，减少重燃电弧的几率，减少电弧接地过电压的危害。

微机自动跟踪消弧装置能自动跟踪电网的实际参数，自动匹配调节投入电感量，使电感、电容高度抵消，在实际应用中取得了良好的效果。

4.4 提高断路器的性能，并合理使用

断路器的灭弧性能越好，特别是切断小电流的能力越高，在切断容性负载时，可以减少甚至消除电弧重燃的可能性，从而降低或基本消除过电压；在切除感性负载时，由于截断电流是产生过电压的主要原因，所以不能采用灭弧能力强的断路器，适合采用带并联电阻的开关。

带并联电阻的开关分闸时，主触头先分开，辅助触头经约1～2个工频周波再分开，在这1～2个工频周波内，负载经电阻向电源释放电能量；合闸时，辅助触头先合，主触头经约1～2个工频周波再合上，在这1～2个工频周波内，电源经电阻小电流向负载充电，从而避免了产生过电压。接入合闸电阻是限制操作过电压最为有效的方法，但是目前合闸电阻成本较高且产品成熟度不高，质量参差不齐，在实际工程中使用应严把设备质量关。

在操作容性较大的设备时，可采用具有相控开关技术（也称同步开关技术）的开关。当控制单元接收到动作指令时，选择一相电压或电流最近的过零点作为时间起点，间隔设定的延时发出控制指令，使三相主触头分别在三相电压的过零点附近顺序合闸，使三相主触头分别在三相电流的过零点附近顺序分闸，基本上可消除容性负载的浪涌电流和感性负载的感应电压。另外，在电压过零点时操作投入电容器组，也可降低冲击电流，电流峰值甚至降低到额定电流的一半以下，设备损伤较小。

如果断路器的灭弧性能的高低和避雷器的类型做到合理配合使用，则防止产生过电压的效果更好。

4.5 重视接地系统

接地装置和接地网可以把过电压的电能量释放到大地。按照相关标准，设备接地电阻值≤4Ω，防直击雷、感应雷接地电阻≤10Ω等。接地电阻越小，电能的释放速度越快，设备过电压数值越低，被保护设备受到的冲击越小、设备越安全。可以采用多点接地的方式，尽可能地降低接地电阻值。为防止感应过电压的反击和串流，需将防雷过电压接地点和设备安全接地点分开，并保持安全的距离。测量接地电阻值时，必须用专门的接地电阻测试仪正确测量，而不是测量设备和接地极之间的阻值。