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电力系统过电压及其防护

发表时间：2020/11/26 来源：《基层建设》2020年第22期作者：王汉杰

[导读] 摘要：在电力系统运行中，由于种种原因，系统中某部分的电压可能升高，其数值大大超过设备的正常运行电压，这种现象称为过电压。

        广东电网云浮供电局郁南供电局 527123
        摘要：在电力系统运行中，由于种种原因，系统中某部分的电压可能升高，其数值大大超过设备的正常运行电压，这种现象称为过电压。其后果是设备绝缘损坏，造成长时间的停电，危及人身及财物安全。所以要加以对电力系统过电压及防护。
        关键词：电力系统；内部过压；雷电过压
        一.电力系统过电压的概念
        通常情况下，电力系统处于正常的工作状态，系统的运行也正常，此时电气设备在额定的电压之下处于绝缘的状态，而一旦遭遇雷击或者由于操作不当、仪器发生故障或者参数配置不合理等原因，造成系统中的某区域的的局部电压升高而超出设备正常的运行范围称之为过电压。这种过电压一般可以分为内部和大气这两种过电压，前者发生的原因主要是拉闸、合闸的操作，接地或者断线的事故以及其他的一些不可预料的细节问题，这些小问题可能引起电力系统的状态突然发生变化从而产生局部过高电压，造成整体系统的危害，内部过电压发生的跟本原因还是由于系统内的电磁能集聚和振荡所引的。通常将系统内部的过电压划分为：暂态的过电压和操作过电压。顾名思义发，操作过电压就是由于系统的操作故障或者失误时所引发的，主要的特点就是随机性较大。后者的大气过电压通常被划分为感应雷击、直接雷以及侵入雷电波这三种过电压，这种过电压的特点就是持续的时间非常短，但是其冲击的能力非常强，对系统的伤害也比较大，破坏程度的强弱跟雷电活动的强度有非常紧密的关系，而与设备的电压等级关系不大，在220KV之下电气系统的整体绝缘水平主要是由防止大气的过电压所决定的。
        二、内部电力系统过电压
        1.操作过电压
        内部过电压中操作过电压具有很大的随机性，这种情况的过电压在最糟糕的情况下其倍数相对较高，330Kv以及这之上的超高压的系统绝缘水平是由操作过电压决定的，其除了具有随机性的特点之外，还具有较高的幅值和高频的振荡，另外就是衰减较为迅速。这种操作过电压产生的原因有很多，其中主要的包括了：
        第一，在将空载电路切除的过程中容易产生过电压，此时产生的原因主要是由于电弧的重燃和在线路上的残留的电压；
        第二，发生在空载电路合闸上的过电压主要是由于在合闸的过程中，由于瞬间的暂态中发生了回路上的高频振荡；
        第三，如果电网中的中性点没有接地，而恰巧单相金属接地的情况发生了，那么将会使得正常相的电压达到线电压。一旦单相接地而且是通过间歇性燃烧的电弧的形式，那么在系统中的正常相和故障相中都会有过电压的产生，这种情况的过电压也称作电弧接地过电压，这种类型过电压的本质就是高频振荡。也就是在中星点不接地系统中，当发生一相接地故障时，常出现电弧，由于系统中存在线路电容和电压互感器电感，及有可能引起线路某一部分的振荡，当电流经振荡点或工频零点时，电弧可能暂时熄灭，之后当事故相上电压升高后，电弧则可能重燃，这种断断续续的、熄灭和重燃交替进行的对地放电，将造成在正常相及事故相上出现过电压，使系统内的绝缘薄弱部分有可能遭受击穿放炮。单相接地故障在系统中出现的机会较多，因而引起这种过电压的可能性是很大的，故应对其危害有足够的重视。
        第四，在将空载变压器切除的过程中容易产生过电压，产生的原因就是当变压器的空载电流发生突变的时候变压器的绕组磁场的能量就会全部转化成电场的能力，从而变压器就会发生等值电容的充电，导致过电压的出现。在解决这些情况下的过程中主要采取的措施有：选择使用灭弧能力更加强的高压断路器；在进行断路工作的时候注意提升动作的同期性；在断路器的端口进行并联电阻的加装；在避雷器的选取上要选择性能更加优良的；注意将电网中性点的接地运行。
        2.谐振过电压
        所谓谐振过电压就是由于在电网中，由于电容和电感元件的参数进行不恰当的组合，使得谐振得以产生，这种过程中产生的过电压所具有的特点是倍数较高而且持续的时间要比操作过电压要长，这种过电压产生的原因有很多，主要包括：线性的、铁磁的和参数的三类谐振过电压。
        第一，线性的谐振过电压中，主要是由于谐振回路是由输电线路电感或者变压器漏感等不带铁芯的电感元件构成抑或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件和存在系统之中的电容元件构成。
        第二，铁磁谐振过电压中，由于在谐振回路中主要由带有铁芯的电感元件和系统之中的电容元件所构成，因而带有铁芯的电感元件极易出现饱和的现象，从而就使得回路中的电感参数形成非线性的图像，一旦满足一些谐振的条件那么就会产生所谓的铁磁谐振。
        第三，就是参数谐振过电压，在这种过电压发生中，主要是由拥有周期性的电感元件与系统之中的电容元件进行回路的组成，如果参数可以配合那么由于电感元件的发生周期性的变化，就会向谐振系统不断输送能量，从而形成谐振过电压，在解决谐振过电压的措施中，主要有：首先，如果进行断路工作时，一定要保证断路器的同期，以防非全相运行而生成谐振过电压；其次，可以的话尽量在并联高压电抗器的中性点进行小电抗的加装，从而阻断非全相在运行过程中工频电压的传递和串连谐振；最后，就是为了尽量的防止谐振过电压，要尽量破坏发电机能够生成自励磁的条件。

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        三、内部电力系统过电压
        外部过电压又称雷电过电压、大气过电压，是指电力系统内的电气设备及地面建筑物遭受直接雷击或雷电感应时而产生的过电压。
        1.防雷技术措施
        防雷技术是一项系统工程，从电力网高压线路开始到供电设备除电源系统自身的防雷措施应相互协调外还应与建筑物防雷电力系统的防雷接地设计等相互配合对电力系统最大的潜在危害是直接雷和感应雷应采取多种措施以保护电力系统免受雷电的干扰和破坏目前越来越多的工程采用避雷器保护方案避雷器保护由外到内可分为4区域
        0区：最外层保护即建筑物外部雷击保护区（直接雷区）
        1区：建筑物内部由感应雷或开关动作而引起的能量较强的瞬变量（过压保护1区）
        2区：建筑物内部由静电放电或开关动作而引起的能量较弱瞬变量（过压保护2区）
        3区：最内层保护即建筑物内部该区域里无瞬变电流电压对可能产生相互影响的电路进行屏蔽和分开布线（过压保护3区）
        从0级保护区域到最内层保护区必须实行分级保护。总之，对雷电过电压抑制必须严格按照有关规程进行综合考虑，采取“整体防御、层层设防、多级保护”从而组成一个有效的防雷系统，只有这样才能达到良好的保护效果。防雷技术措施包括建筑物外部防雷和建筑物内部防雷。
        （1）建筑物外部防雷技术措施
        该技术措施是在建筑物上安装避雷针避雷带（线）消雷器引下线和接地系统等以防直接雷
        （2）建筑物内部防雷技术措施
        据统计80%的雷击事故是由于感应雷（间接雷）或雷电侵入建筑物内而引起的。建筑物内部防雷技术措施可以抑制和吸收感应雷的干扰。该技术措施有：等电位连接、屏蔽、合理布线、接地、滤波器、避雷器等。
        2.避雷器用途和分类
        避雷器是保护电气（电子）设备免受瞬态雷电过电压危害的一种保护电器，它通常是接于导线（电源相线、信号线、零线）和地之间，与被保护设备并联，当雷电过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，限制过电压的幅值，保护设备和系统，使系统能够正常工作。
        2.1电力系统避雷器的抗浪涌能力
        雷电是一种能量极大的电磁干扰源，它在电网上产生的雷电流和雷电过电压称作浪涌（冲击）电流和浪涌电压。抑制干扰的传输途径，提高电力系统的抗浪涌能力，以达到电磁兼容（EMC）的要求干。扰抑制和抗浪涌的技术有多种方法，除等电位连接、接地（工作接地、防雷接地等）、屏蔽、滤波器、合理布线外，避雷器是一种最主要的措施之一。
        2.2低压电源避雷器
        低压电源避雷器用于交流1KV以下配电系统中，它能承受较大的浪涌电流，可达几万安培以上。低压电源避雷器采用以抗浪涌能力较强的器件，常用浪涌抑制器件有火花间隙和氧化锌压敏电阻。
        （1）火花间隙具有绝缘、放电和灭弧的作用，在正常情况下，火花间隙对地是绝缘，的而当遭受雷击时，火花间隙中的介质被浪涌电流强烈游离导通，产生电弧。由于电动力和热的作用，迅速拉长电弧，该电弧碰到撞击板会切割成许多小段电弧，在放电过程结束后电弧熄灭，完成了能量转换，泄入大地。采用火花间隙，虽然浪涌吸收能力强，但剩余电压偏高。
        （2）氧化锌压敏电阻是以氧化锌为主体材料，加入适量掺杂物用，常规的陶瓷工艺制备而成。其氧化锌压敏电阻是一种伏特性为非线性的元件。当压敏电阻两端加上电压时，在某一电压值（压敏电压值）以下几乎没有电流通过，一旦浪涌电压超过压敏电压值时，电流会急剧地增大，这样氧化锌压敏电阻可以起到很好的电压箔拉作用。
        参考文献：
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