臧家明　韓金洋

摘 要 在電力系統(tǒng)中，輸電距離增長，則輸電電壓升高，防雷保護技術得到不斷的改善，在確定電力系統(tǒng)電氣設備的絕緣水平時，內(nèi)部過電壓將起到愈來愈重要的作用。內(nèi)部過電壓是由于系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化時電磁能量的振蕩和積累所引起的。內(nèi)部過電壓在決定電氣設備絕緣水平時，起著重要作用，本文通過研究各種產(chǎn)生內(nèi)部過電壓的機理，采取相應措施限制過電壓，從而保證系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定運行。

關鍵詞 輸電電壓 防雷保護技術 絕緣水平 電磁能量

在電力系統(tǒng)中，輸電距離增長，則輸電電壓升高，防雷保護技術得到不斷的改善，在確定電力系統(tǒng)電氣設備的絕緣水平時，內(nèi)部過電壓將起到愈來愈重要的作用。內(nèi)部過電壓是由于系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化時電磁能量的振蕩和積累所引起的。

內(nèi)部過電壓是在電網(wǎng)額定電壓的基礎上產(chǎn)生的，故其幅值大體上隨著電網(wǎng)額定電壓的升高按比例增大。內(nèi)部過電壓的大小，以倍數(shù)K0來表示，倍數(shù)K0是指內(nèi)部過電壓峰值與該處工頻相電壓峰值之比。過電壓倍數(shù)與電網(wǎng)結(jié)構、系統(tǒng)容量及參數(shù)、中性點接地方式、斷路器的性能、母線上的出線回路數(shù)以及電網(wǎng)運行接線、操作方式等因素有關。內(nèi)部過電壓具有統(tǒng)計規(guī)律，研究內(nèi)部過電壓出現(xiàn)概率及其幅值的分布對于正確決定電力系統(tǒng)的絕緣水平具有非常重要的意義。在一般情況下，內(nèi)部過電壓約為（2.5～4）Uxg（Uxg為系統(tǒng)最大運行相電壓）。

一、工頻過電壓

[1]在電力系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的接線方式、設備參數(shù)、故障性質(zhì)以及操作方式等因素的影響，使內(nèi)部過電壓的幅值、振蕩頻率、持續(xù)時間各不相同。通常將持續(xù)時間長、弱阻尼、頻率為工頻的內(nèi)部過電壓稱之為工頻過電壓。工頻電壓的升高一方面直接影響操作過電壓的幅值，另一方面，工頻電壓升高又是決定保護電器工作條件的重要因素。

（一）突然甩負荷引起的工頻電壓升高

通常，系統(tǒng)所帶的是感性負荷，感性負荷的電流的電樞反應對發(fā)電機起到去磁的作用，開關跳閘突然甩掉負荷時，這個能夠去磁的電樞反應也隨即消失，但根據(jù)磁鏈守恒原理，穿過勵磁繞組的磁通來不及變化，所以造成發(fā)電機端電壓將要升高。同時由于發(fā)電機的調(diào)壓器及調(diào)速器來不及起作用，所以發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也應上升，而電壓幾乎隨著轉(zhuǎn)速的上升成正比例升高。由于突然甩負荷，輸電線及母線上的電壓，可達到額定值的1.2～1.3倍。當線路電容較大時電壓還可能更高。

（二）空載線路電容效應引起的工頻電壓升高

均勻分布參數(shù)的輸電線路是一個兩端口網(wǎng)絡，當忽略線路上的有功損耗時，不難求得兩端的電壓差為△U=U1—U2=-0.5%r2L0C0l2如果假設U1為無窮大電源由長線方程得A=1-0.5%r2L0C0l2 則可得U2=U1/A，由此可見，在忽略線路有功損耗的情況下，線路空載時受端電壓的升高的標么值（以送端電壓為基準值），只與線路常數(shù)有關，而與運行電壓無關?？梢詮氖街锌闯?，線路l越長，電容、電感越大，線路常數(shù)A=1-0.5%r2L0C0l2越小，空載線路末端的電壓越高，這就是長線路的電容效應。

（三）不對稱短路時的電壓升高

在電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相或兩相不對稱短路時，健全相的電壓都要升高，其中單相對地短路時健全相的電壓可能達到更高的數(shù)值。不對稱短路往往是由于雷擊引起。因此，應該考慮健全相上的避雷器動作后，必須能在不對稱短路引起的工頻電壓升高下熄弧，所以單相對地短路時的電壓升高是確定避雷器的滅弧電壓的依據(jù)。在中性點直接接地的系統(tǒng)中，健全相的電壓接近于1.73倍相電壓；在中性點絕緣或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，健全相的電壓可能稍許超過1.73倍相電壓。

二、內(nèi)部過電壓

（一）操作過電壓

電網(wǎng)中由于開關操作引起系統(tǒng)參數(shù)變化的電磁振蕩暫態(tài)過程，是產(chǎn)生操作過電壓的基本原因。與操作過電壓有密切關系的有：系統(tǒng)接線、中性點接地方式、開關的性能等。

①切除空載線路時的過電壓

切除空載線路是電網(wǎng)中最常見的操作之一。一條線路兩端的開關分閘時間總是存在著一定的差異（一般約為0.01s～0.05s）所以無論是正常操作或事故操作，都有可能出現(xiàn)切除空載線路的情況，產(chǎn)生這種過電壓的根本原因在于電弧重燃。大量統(tǒng)計表明，切除空載線路不僅幅值高（可達3Uxg以上），而且線路側(cè)過電壓持續(xù)時間可長達0.5～1個工頻周期以上，且作用在全部線路上。其中，電網(wǎng)中性點的運行方式對切除空載線路過電壓有很大的影響。

②切除空載變壓器引起的過電壓

切除空載變壓器是電網(wǎng)中常見的一種操作形式。在正常運行的情況下，空載變壓器表現(xiàn)為一個勵磁電感L，因此切除空載變壓器也既是切除電感負載。這種情況下產(chǎn)生的過電壓的高低和截流值及變壓器的特性阻抗有密切的關系。過電壓由開關的熄弧性能決定。當開關熄弧能力不強時，由于開關中電弧的多次重燃，過電壓的發(fā)展即受到開關中恢復絕緣強度的限制。在截流值一定時，可能發(fā)生的過電壓將和被切除變壓器的特性阻抗大約成正比。當變壓器引線電容較大時，雜散電容C增大，過電壓將大大降低。

③空載線路合閘時的過電壓

當空載線路計劃性合閘時，回路中發(fā)生高頻振蕩過程，由于振蕩頻率很高，可以認為在振蕩初期電源電壓為恒定值，不難求得，線路上的電壓最大值Umax=2Em，當考慮回路中存在損耗時，實際振蕩過程中電壓要比2E m低。

自動重合閘是線路發(fā)生故障后，由繼電保護系統(tǒng)控制的合閘操作，重合閘過電壓是合閘過電壓中較為嚴重的情況。在過渡過程中最大電壓將為-2.91～-2.98Em。

④電弧接地過電壓

在中性點絕緣的電網(wǎng)中發(fā)生單相金屬接地時，將會引起健全相的電壓升高到線電壓，如果單相接地為不穩(wěn)定的電弧接地，則在電網(wǎng)健全相和故障相上將會產(chǎn)生很高的過電壓，一般我們稱為電弧接地過電壓。這種過電壓波及面比較廣，單相不穩(wěn)定電弧接地故障在系統(tǒng)中出現(xiàn)的機會又很多，且一旦發(fā)生，持續(xù)時間極長，因為在中性點絕緣的系統(tǒng)中允許帶單相接地運行的時間為（0.5～2）小時，因此，電弧接地過電壓對中性點絕緣系統(tǒng)的危害性是不容忽視的。

（二）諧振過電壓

電力系統(tǒng)中具有許多鐵芯電感元件，滿足一定的條件，就可能激發(fā)起持續(xù)時間較長的鐵磁諧振過電壓。

鐵磁諧振過電壓，可能是基波諧振，可能是高次諧波諧振，也可能是分次諧波諧振。比較常見的中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生鐵磁諧振過電壓的情況有：變壓器接有電磁式電壓互感器的空載母線或空載短線；配電變壓器高壓線圈對地短路；用電磁式電壓互感器在高壓側(cè)進行雙電源定相；輸電線路一相斷線后一端接地以及開關非同步動作等。

鐵磁諧振過電壓可以在3～500KV的任何系統(tǒng)中甚至在有載長線的情況下發(fā)生，過電壓幅值一般不超過1.5～2.5Uxg，個別可達3.5Uxg，諧振過電壓持續(xù)時間長，可達十分之幾秒以上，可能長期存在，所以不能用避雷器限制。

鐵磁諧振過電壓的表現(xiàn)形式可以是單相、兩相或三相對地電壓升高，或以低頻擺動，引起絕緣閃絡或避雷器爆炸；或產(chǎn)生高值零序電壓分量，出現(xiàn)不正確的接地指示和虛幻接地現(xiàn)象；或在互感器中出現(xiàn)過電流，造成熔斷器熔斷或燒毀互感器；或使異步小容量電動機發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

三、限制過電壓的措施

（一）限制工頻過電壓的措施

工頻過電壓是由于甩負荷、長線路電容效應和單相接地故障等原因產(chǎn)生的。其幅值取決于系統(tǒng)的線路長度、短路容量及變壓器的飽和特性。采用并聯(lián)電抗器是限制工頻過電壓的主要措施，同時發(fā)電機應配置性能良好的調(diào)壓裝置或勵磁調(diào)節(jié)器，使發(fā)電機突然甩負荷時能抑制容性電流對發(fā)電機的助磁電樞反應，另外發(fā)電機的調(diào)速系統(tǒng)應是反應靈敏的，使得突然甩負荷時，該裝置能及時發(fā)生動作來限制發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升。在330KV及以上超高壓輸電線路上的適當?shù)攸c加裝并聯(lián)電抗器，以消耗超高壓線路產(chǎn)生的過剩的充電無功功率；超高壓線路充電前，應將充電端電壓調(diào)整到規(guī)定值以內(nèi)，防止充電后，末端電壓過高；超高壓線路充電時，盡量選擇使線路在空充狀態(tài)時，兩端均帶有并聯(lián)電抗器的節(jié)點；超高壓線路充電時，盡量選擇短路容量較大的變電所作充電端，該節(jié)點應有足夠的能力吸收空充線路的過剩無功，而不致使充電端電壓因空充線路的投入而過高；盡量縮短超高壓線路，特別是線路空載運行的時間。

（二）限制操作過電壓的措施

（1）切除空載線路過電壓限制措施

高壓開關應選用熄弧能力強的。因為切斷空載長線路產(chǎn)生過電壓的根本原因由于開關滅弧能力不強，開關觸頭具有重燃現(xiàn)象的結(jié)果；使電網(wǎng)的中性點直接接地運行。在中性點直接接地的電網(wǎng)中，由于導線間的電容聯(lián)系不大，各相基本上形成各自獨立的回路。而在中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地時，三相開關動作的不同期，使在拉閘的過程中形成瞬間不對稱電路，各相的電容之間就互相牽連影響，使能重燃過電壓大大增加；系統(tǒng)容量增大時即母線電容增大時，可以降低過電壓的倍數(shù)，尤其是母線側(cè)過電壓；線路上裝有電抗器等設備時，由于電壓升高后，阻抗降低的泄流作用，可使被切空載線路上出現(xiàn)較低的過電壓；在開關觸頭的兩端并聯(lián)一定大小的電阻以便限制過電壓；采用的磁吹避雷器容量足夠大可限制切除空載線路產(chǎn)生的過電壓。

（2）切除空載變壓器的過電壓限制措施

使用裝有并聯(lián)電阻的開關切除。因為用這種開關切除空載變壓器時，變壓器等值電容C兩端的電荷可以通過并聯(lián)電阻泄放；用性能良好的避雷器限制。因為切除空載變壓器的過電壓為持續(xù)時間甚短的高頻振蕩，對絕緣的作用與大氣過電壓相似，故可用避雷器來進行限制。

（三）限制鐵磁諧振過電壓的措施

在中性點位移電壓超過一定值時，以零序電壓繼電器將電阻投入1min，然后再自動切除；在選擇消弧線圈安裝位置時，盡量避免電網(wǎng)的一部分失去消弧線圈運行的可能性；采取臨時的倒閘措施，如投入事先規(guī)定的某些線路或設備等；或只使用電容式電壓互感器或選用勵磁特性較好的電磁式電壓互感器；在電磁式電壓互感器的開口三角形中，加裝R≤0.4XT的電阻（XT為互感器在線電壓下單相換算到輔助繞組的勵磁電抗）。220KV母線充電可能產(chǎn)生諧振過電壓，可采用先將準備充電的母線側(cè)線路開關合上后（無壓合）再由線路對側(cè)合上開關，采用線路及母線同時充電的方式。另一措施為給母線充電前先切除PT，充電后再投入PT；用開關停母線時先切除PT，再拉開開關。

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