探讨电力系统内部过电压及其防护

探讨电力系统内部过电压及其防护

作者：赖诗钰

来源：《科学与财富》2013年第10期

摘要：电力系统的内部过电压会对系统造成严重的影响，威胁系统内电气设备的正常运行，长期持续的内部过电压还可能导致系统出现各种事故。因此应针对各种内部过电压的类型加以综合防范，保证电力系统运行的安全性和稳定性。 关键词：电力系统；内部过电压；防护；暂态

电力设备内部过电压是指在没有外界因素作用下所出现的过电压情况。导致内部过电压的主要因素有二种，一种是设备在长时间运行过程中绝缘发生老化所引起的；另一种是设备运行时短时间内的电压超过了设备所能承受的最大电压，从而引起过电压，使设备发生短路。过电压的发生对于电网的正常运行带来了极大的危害，究其电力设备内部过电压发生的根本原因在于电网中所存在的各种非线性储能元件，由于其能量不能突变，所以在系统的运行状态发生改变时，这些元件的工作状态也需要进行改变，这时磁场和电场则会不断的发生转换和振荡，导致过电压的发生。因此要想从根本上对电力设备运行时的过电压进行有效的控制，则需要在这些储能元件上下功夫，消除其所带来的振荡，从而使内部过电压得以控制。 一、暂态过电压的类型 1、接地故障形成的过电压

电力系统中经常发生接地故障，尤其单相接地故障发生的次数较多，且随着系统电压等级的增大而增加。当发生单相接地故障时，以故障点为等效点的系统等值正序、负序阻抗为：Z1Ze=jX1，零序限抗为：Z0=jX0，等值电动势为E，A相接地时，B、C两正常相的过电压UB、UC可按照下式进行计算：

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由于避雷器不具备防护单相接地时的增大的相电压，而单相接地故障出现的次数最多，因此虽然发生单相接地故障时正常相的过电压不是最高的，但在实际对内部过电压的防护中通常以单相接地时正常相工频过电压值进行避雷器灭弧电压的选择，且对于中性点不接地的系统而言，由于 X0 /X1

2、负载突变形成的过电压

在另一种情况下也会形成过电压，即当电力系统运行过程中出现临时性故障时，这时需要将一些较大负荷的供电停止，这样也会导致电压的升高，产生内部过电压的情况发生。 （1）发电机在正常运行过程中，其磁链是不会发生突变的，所以其会一直保持足够的输送功率，而其暂电动势则是不变的，这样则会出现相对电压升高的情况。

（2）发动机在运行时其制动系统及调速器本身所固有的惯性会使其保持一定的转速，而当发生甩负荷时转速则会增加，从而使电动机的电动势及频率增加。

（3）一旦甩负荷发生在输电线路长线的末端时，这时末端的电容效应则会使电压升高，从而产生过电压的现象发生。针对于以上情况导致的过电压，可以在实际操作中采用并联电抗器、控制空载线路投切及限制长线路电容效应、在电机侧应加装快速消励磁系统等措施来减少或是避免过电压的发生。 3、谐振过电压

系统发生谐振的根本原因为电感、电容元件共同组成的回路在工频或某一频率下发生了共振。可将其分为非线性谐振和线性谐振两种，线性谐振虽然过电压值很高，但谐振的条件范围较窄，即只有在非全相操作或系统故障时才会出现，如当系统发生单相接地故障且其正序、零序阻抗满足时才会发生线性谐振。而非线性谐振是由系统中变压器或互感器等铁磁元件引发的，且随着外部电压的变化而改变，若回路中存在电缆、串联补偿电容器等元件且满足ωL>1/ωC 时才会导致电压升高从而发生铁磁谐振，且铁磁谐振后会发生电流反向，容易引发电机反转的事故。

系统发生谐振过电压所持续的时间是与其回路本身特性有关的，有可能仅持续一段时间亦或是稳定的，此时谐振过电压对系统的影响不大，但若其持续时间较长则可能引发系统一系列的谐振操作，因此必须采取一定的措施破坏谐振条件，如增加电阻、减小电抗或采用消谐器等。

二、暂态过电压防护措施 1、间歇性电弧接地过电压

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间歇性电弧接地过电压通常发生在中性点不接地的系统中，由于该类系统具有即使发生单相接地也能继续工作两小时的特性，因此其中的电弧可能多次发生充入，使线路上的负荷发生多次的重新分配，导致中性点电压升高，最终发生过电压。虽然此种过电压的幅值较小，仅为额定电压的 3.5 倍，但由于其持续的时间较长且范围较大，将对弱绝缘的设备造成严重影响，应采取一定的措施加以避免。若电网的中性点接入的是消弧线圈，则此时电感电流补偿了中性点的电容电流，减小了重燃的次数及过电发生的概率。 2、切小电感性电流电压

系统中的空载电动机及变压器即为小电感性负荷，由于断路器通常按照大电流条件设计灭弧能力，因此其切断小电流时容易引发电感和电容形成振荡，此时的对地杂散电容较小，会导致幅值极高的过电压的出现。由于产生此类过电压的电流较小，因此常用避雷器进行防治。 3、开断电容性电流过电压

电网中的电容性电流是由电缆、空载线路即电容器等产生的，在断路器完成开断的过程中若介质强度的上升速度超过了其恢复电压的上升速度，则会造成其重燃的现象，此时若断路器断口两端的电压极性也是相反的，则重燃后会出现电源持续提供能量而引发系统充分的振荡，进而产生了过电压。由于该种过电压是由断路器重燃引发的，因此可以利用限制断口电压上升的幅度来限制过电压，具体的措施是在断路器断口处并联电阻以起到阻尼的效果。 三、合空载长线过电压

对空载线路进行关合是系统中经常出现的操作，在超高压系统中，由于合、重空载线路过电压是选择电网绝缘水平的关键因素，因此在对其进行操作中，由于重合闸而产生的过电压往往是非常严重的，且线路残压可能会与电源电压相互叠加而加剧振荡过程，在计及空载长线路电容效应的前提下其过电压可达额定电压的3倍，可采用如下措施加以限制：采用带合闸电阻的断路器进行合闸操作；及时消除线路的残余电压；采用专门的装置加以判断，在断路器的两相电压最低时完成选相合闸操作；使用磁吹型的金属氧化物避雷器作为专门的后备保护。 由于不同电网结构的操作电压是不同的，对于中性点不接地的系统，较为突出的矛盾为电弧接地电压，而随着电压等级的增大，对于中性点接地的系统，最主要的矛盾为切换控制线路时产生的过电压，因此，对于不同电压等级所产生的内部过电压应加以区别：空载变压器所产生的过电压可通过避雷器进行防护，而超高压输电线路的工频电压升高则应通过补偿装置进行综合治理。 四、结束语

随着经济的快速发展，电力系统的稳定运行对于经济的增长有着十分重要的意义。一旦电力系统内部发生过电压，则对电气设备的正常运行将会造成严重的影响，严重时可能导致各种事故的发生，造成严重的经济损失，在电力系统运行时，并不是所有电网结构中的操作电压都

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是相同的，所以在实际操作中应该根据电压等级的不同，来对内部所产生的过电压进行有效的分析，加以区别，应针对内部的过电压所产生的原因进行有效的防范和治理，从而保证电力系统的安全运行。 参考文献

[1]陆彦虎，李雪青，邱枫，刘锐. 750kV系统过电压保护动作行为分析[J]. 科技信息，2010，31：733-734.

[2]周承鸣. 电力系统过电压监测和发电机绝缘安全预测研究[D].西华大学，2006.