供配电系统过电压的危害及防范对策

2022-08-16长沙有色冶金设计研究院有限公司

电力设备管理 2022年13期

长沙有色冶金设计研究院有限公司陈焱

供配电系统通常包括变压器、电动机、断路器以及一系列的电缆等。因受到多方面因素的干扰，此时电气装置极易遭到内部及外部过电压的影响，尽管过电压问题持续时长有限，但因它的峰值相对较高，且波形相当之陡，因此会严重干扰到电器设施的问题性。针对这一情形，相关的研究人员需要进一步探讨过电压现象出现原因，实际量值范畴，进而较为合理地选取及设计保护设施，从而确保电气设施能够持续顺利运作。在传统意义上，在电气设计过程中并不会将供电系统作为一个总体予以设计，这就会使得电气设备绝缘因过电压而受损，长此以往就会威胁到电力企业的经济效益及社会效益。

1 常见的供配电系统过电压问题分析

1.1 雷电过电压现象

就是因为直击雷或者感应雷于云层展开活动之后所引发的问题，所以其也常常被叫做外部过电压或者大气过电压。户外配电设施的总变电所和总变电所传入及传出的外部架空线路极易遭到直接雷击的影响，根据我国实际监测信息指明，针对电缆的进出线、变电所有关的电气设施通常会遭到雷电侵入波过电压的影响，如此雷电侵入波过电压的持续周期相对较短，有时仅只十几微秒，该常见的表现形式即相对过电压，它们的峰值电压超出额定电压的六倍。

1.2 操作过电压问题

就是指在采用真空断路器的过程中，因节流重燃及三相在同一时间短路切开从而诱发的一类过电压问题，其常见的表现形式即相间过电压。通常状况下电压的最高值能够达到三倍，而电流的最宽波形不会超出5ms，较之于其他电压电压值相对较低，操作过电压并不会给设施带来不良影响。

1.3 电弧接地过电压问题

此问题会威胁到使用者的生命安全，这是由于中性点不接地系统内滋生了单相间歇性的“熄弧—重燃”接地，于是导致了高频振荡，在该环节中构成了间歇性弧光接地过电压现象。该过电压的持续周期能高达十分钟之久，有时还会更长，它们所波及的范畴也较广，倘若整个电网中出现绝缘弱点，那么该绝缘弱点位置极易出现绝缘闪络或直接击穿的问题。

1.4 配变高压绕组接地谐振过电压问题分析

之所以会出现上述问题，这主要是由于电力系统内的三相配电变压器，会遭到扎间短路的干扰，在同一时间内出现熔断，并且会进一步诱发谐振产生过电压现象。根据有关资料显示，当高压绕组产生一点接地问题时，它们的电压会超过2.38倍，一旦产生两点接地的状况，此时的电压就会超出2.73倍，该现象会维持几分钟甚至十多分钟，直至导致故障变压器全部受损，最终与系统脱离。值得注意的是，倘若接地的高压保险同时进行熔化，此时过电压就极易超出三倍，那么它的持续周期就不会超出两秒。

1.5 PT铁心饱和谐振过电压问题分析

产生这一威胁可归纳为三个原因，分别是高次谐波、工频谐振及低分次谐波谐振。高次谐波常出现在空母线被投入的情形下，而空母线投入运作的过程中过电压幅值上升，这就会使得母线及主变压器绝缘闪络、PT受损。在电网运作过程中，工频谐振及低分次谐波共振问题时有发生，一旦出现上述现象，电压就会在原来的基础上上升两至三倍，进而导致特性极其不稳定。过电压会持续几分钟甚至是十多分钟，直至PT或者高压保险受损，其系统方可进一步恢复正常[1]。

1.6 单相接地时阻隔空载线路过电压

如产生单相接地的问题，此时阻隔空载线路过电压，那么很有可能是因电网出现较为严峻的单相金属接地异常，如此一来就会使得切断空载线路出现了超过五倍的过电压，该高电压现象会在短时间内导致避雷器爆炸，同时会造成其他设施受损，因此整体的危害性较大。

2 供配电系统过电压防范对策分析

2.1 过电压的防范原则

为进一步保证电气设施及维护保护装置顺利运作，要提前部署好过电压的防范工作，此时还应详尽地分析过电压出现的原因、持续周期以及量值范畴，进而采取行之有效的防护举措。针对电气设施内的保护器，务必要保证三个主要方面。

首先，保证全面性。即使保护电气设施及保护器，充分考量系统内极易产生的过电压现象，而不可以只针对某特殊状况，例如MOA在出现相间过电压的情况下难以起到保护效用，MOA只是会针对限制系统相对的过电压进行维护。

其次，保证绝缘配合的稳定性，在设计电气系统有关保护设施的参数时，务必要先考量设施的绝缘耐受水平，对电气系统提供保护，从而保证保护设施绝缘体的可靠性。

其三，要求保证保护设施的稳定，在为电气设备装配保护装置时，还需要保证保护装置可以顺利运作，否则保护装置会给电气系统带来不利影响。

2.2 雷电过电压危害的防范措施分析

为避免受到雷电过电压的威胁，此时越来越多人采取直击雷过电压的防护举措，比如我国大多数情况下都会采取MOA系统作为雷电侵入波过电压的保护措施。

2.3 瞬时内部过电压危害的防范措施分析

由于内部过电压的及时性，当前我国普遍采取组合式避雷器，通常就是指四星连接方式，包括四处保护单元，而上述四个保护单元可以构成双组合，从而转化成六个较为完备的避雷器。上述六个避雷器各自对三相接地过电压以及相间过电压予以维护，由此大幅度提升保护的系统性。就当前来说，采取组合式避雷器能够提升保护的可靠程度，而且也能大幅度提升电动机绝缘水平配合程度。当下之所以采取的四星连接组合避雷器，这主要是由于真空断路器被应用至越来越多的行业。此外，伴随我国基础设施日趋完备，电网规模也在逐步拓宽，这就使得电力系统过电压的负面效应越发明显，内部过电压通常属于相间过电压，但三星搭载的MOA难以维护上述过电压。

2.4 弧光接地电压和谐振过电压危害的防范措施分析

当前，为保护过电压可采取两种不同类型的方式：限制过电压、容忍过电压。换言之，相关人员可以充分利用部分设施有效地限制过电压，或者设施自身能够接受部分过电压，同时产生耐受过电压。不过弧光接地过电压以及谐振过电压的持续周期较不稳定，因此这就需要避雷器能够实现耐受。对于当前所常见的过电压问题，最为恰当的解决方式就是利用中性点进行消弧线圈运作，或者合理装配好XHB消弧线圈设施。

之所以利用中性点经消弧线圈保护电气系统，是因为电感以及电容电流上相差较大，因此中性点经消弧线圈能够对接地电容电流提供一定程度的补偿，不过该手段存在一定局限性，也就是在实际操作过程中，在高频条件下电网电容以及消弧线圈电感的频率属性具有差异性，这就难以达到补偿的目的，同时也无法实现调谐。倘若采取过补偿的手段，能够进一步减少中性点位移电压，不过这同样会造成线路接地电流偏大，难以在短时间内熄灭电弧，而电弧过电压问题依旧出现，所以上述方法还难以从根本上处理核光接地过电压问题，仅能够相应地补偿电容电流[2]。

XHP消弧器就是利用计算机实施统一监控，接着再采用氧化锌非线性电阻元件以及消弧电阻综合线电压予以消弧。该类型的组合线压消弧设施并不会影响到系统整体的运作方式，不过该保护方式能够迅速遏制弧线接地过电压，迅速消除谐振过电压。不仅如此，该保护装置能够有效地把系统内的全部过电压控制在相对较低的水准，如此一来，较之于消弧线圈该保护装置具备可观的限压能力。针对作用周期长、对系统以及设施安全带来较大威胁的电弧接地过电压，相关人员应该优先采取XHP。

值得注意的是，因为组合保护装置自身的运作原理与电网对地的电容电流关系甚微，所以保护性能不会因为电网的运作形式的改变有所变动[3]。倘若想要有效地提升整个电网系统的稳定性，此时就需要在电气系统中同时配备消弧线圈以及XHP，如果系统出现间歇性弧光接地问题，那么就要先采取消弧线圈予以补偿。倘若补偿之后接地电流相对较小，那么电弧就会自行熄灭，保护环节结束。不过，倘若消弧线圈成效不名校，那么就要求采用XHB来约束弧线接地过电压（图1）。

图1 XHB消弧限压装置示意图

图1中，JZ为交流高压真空接触器、PT为抗饱和型消弧专用电压互感器、CT为电流互感器、KGTBP为三相组合式过电压保护器、KGW为数码控制器、RD为电压互感器一次熔断器、FU为高压限流熔断器。

2.5 操作过电压危害的防范措施分析

如果突然阻隔电感回路电流，那么就会引发一系列操作干扰电压，它的表征就是总体幅值较大且频率较高。如果幅值大那么就会导致过电压，如果频率高就容易通过分布电容传输。针对上述问题需要采取如下措施。

首先，线圈两端并联非线性电阻。一般来说，二极管是比较普遍的非线性电阻。为了避免操作过程中出现过电压问题，那么比较常用手段即在线圈两端并联一处非线性电阻，如果在短时间内突然阻断电感电路的电流，那么就会出现比较明显的反电势，因为并联二极管、反电势会通过二极管被短路，线圈内的自由分量电流是按照指数形式不断下降。线圈的端电压相当于二极管的压降，它们的取值往往要低于电源电压[4]。如此一来，二极管就可以有效地防御振荡过电压问题，但是该手段并不可用于交流电路。

其次，线圈两端并联阻容支路。该手段不但可以用在直流电路中，同时也应用在交流电路中。它们的接线方式就是将阻容支路并联至线圈两侧。在添加的并联支路所构成的回路内，电阻被控制至临界值，所以如果开关切断载流线圈电流，也不会出现振荡现象。此外，考虑到两支路的周期常数统一，所以无论总电流如何浮动，两支路中的自由电流分量常常保持统一，但是方向不同。电源支路内自由电流分量等于零，换言之，如果开关切断线圈电流，那么线圈两侧的电压就是零。因此，上述接线形式不但能够有效地消除操作过电压，而且还能够清理在切断感性负载情况下，开关触点间生成的电弧或者火花。

最后，充分利用具备金属屏蔽层的电缆。如果二次回路内的电缆彼此靠近，那么一处电缆的高频电压，常会通过布局电容传输至周边另一处电缆缆芯上，为了尽可能遏制过电压的传输，此时要优先采取具有金属屏蔽层的电缆，同时还应确保屏蔽层在电缆两侧各自接地，进而让操作过电压的磁力线绝大部分聚集于屏蔽层内，同时还不会影响到电缆内部，进而防止过电压大范围扩散。倘若电缆缺少金属屏蔽层，那么就要即使将电缆内备用缆芯接地，这同样也可以达到防止过电压扩散的效果。在采取上述措施时，不允许影响到设施的正常运作[5]。