變電所內(nèi)部過電壓產(chǎn)生的原因及限制[摘 要] 分析了變電所（變電室）內(nèi)部產(chǎn)生過電壓的五種原因并提出限制過電壓措施及方法，指導運行人員正確理解到閘操作，以達到限制過電壓的目的。
[關鍵詞] 過電壓限制 過電壓 斷路器鐵磁 諧振
變電所是工廠的重要組成部分,如果發(fā)生過電壓,將造成電氣設備絕緣發(fā)生損壞,引發(fā)嚴重的電氣事故。因此，必須采取防護措施。變電所內(nèi)部發(fā)生過電壓事故，主要來源于五個方面：
1.切斷空載線路過電壓
切斷空載線路是常見的倒閘操作過程，一條供電線路兩端開關，其分閘時間總是存在著一定的差異（一般約為0.01---0.05秒），所以無論是正常操作或故障操作，都有可能出現(xiàn)切除空載線路的情況，實踐證明，在使用斷路器的滅弧能力不夠強，以至電弧在觸頭間重燃時，切斷空載線路過電壓就比較多，電弧在觸頭間重燃是產(chǎn)生這種過電壓的根本原因，過電壓會使線路絕緣閃絡或擊穿。在切除電容器組時也會發(fā)生類似的過電壓。切斷一條不太長的空載線路，可用
其中L是線路電感和電源漏感，C是線路對地電容。空載線路屬于容性負荷，空載線路電流過零時，空載線路的電壓恰好為zui大值。當斷路器切斷空載線路時，斷路器觸頭的分離可能在電源相位角為任何數(shù)值時發(fā)生，如果此時的電流不為零，觸頭之間就會產(chǎn)生電弧，線路就沒有被切斷。通常交流電弧要在電流過零時，加上斷路器滅弧室的作用才能熄滅。在斷開空載線路時,由于斷路器觸頭間的電弧可能出現(xiàn)反復重燃,從而使線路上產(chǎn)生較高的過電壓,這種過電壓有可能引起供電系統(tǒng)內(nèi)的絕緣弱點閃絡,造成絕緣薄弱部位擊穿,甚至使斷路器的觸頭燒毀。
現(xiàn)以單相電路為例，簡要分析一下過電壓的形成原因。假設當斷路器觸頭分開時刻，即為電容電流過零時刻，此時電弧熄滅，母線上和線路上的相電壓正好為zui大值U，由于高壓線路對地絕緣通常都較強，所以經(jīng)歷工頻半個周波時間，線路上殘留電壓不會有較大變化，可以認為仍為U，經(jīng)歷工頻半個周波后，電源母線上和線路上的相電壓已經(jīng)變?yōu)?mdash;U，而此時斷路器觸頭間的電位應為：U—（—U）=2U，如果觸頭分離開的間距不夠大，其間隙在2U的作用下可能再次擊穿，使電弧重燃，在此瞬間，母線和線路電路保持為2U，由于電源母線電壓按余弦規(guī)律變化，在經(jīng)歷工頻半個周波后，斷路器觸頭間的電壓變?yōu)閁—（—2U）=3U、……,這個過程重復到斷路器觸頭分離開的間隙不再被擊穿為止。以上分析都是指zui嚴重情況，實際上斷路器可能不重然，即使重燃也不一定發(fā)生在工頻電壓到達zui大值時，此外，線路上還有電暈及電阻等損耗，所以過電壓值總是有限的，一般達到（3—4）U就算高的了。
限制過電壓措施：（1）提高斷路器的滅弧性能，特別是切斷小電流的性能，可以減少甚至消除電弧重燃的可能性，從而降低或根本上消除切斷空載線路過電壓。（2）采用帶并聯(lián)電阻的開關,如圖二所示。
斷路器斷開線路時，是逐級開斷的。主斷口1先分，并聯(lián)電阻自動并在主斷口旁邊。由于電阻R連接在電源與線路之間，線路上電荷經(jīng)電阻R向電源泄放，泄放電流經(jīng)R的壓降即主斷口的恢復電壓。如果R取得足夠小，就可減少主斷口的恢復電壓，減少重然的可能性。在主斷口開斷后過一斷時間（約1---2個工頻周波），輔助斷口2也分開，zui后切斷空載線路。即使在分閘時電弧重然，由于并聯(lián)電阻R的阻尼作用，過電壓也不會大。當合閘時，先合2，使電源與空載線路先經(jīng)過R接通，減少了1上的電位差，然后再合1，就會使合閘過電壓降低。當采用并聯(lián)電阻后，在zui不利的時刻發(fā)生重燃，過電壓實際上只有2.28倍。
2.切斷空載變壓器的過電壓
斷路器能在變壓器有載，甚至二次側(cè)短路的情況下切斷電路，而不產(chǎn)過電壓，但在切斷空載變壓器的情況下，卻可能出現(xiàn)過電壓，這是因為切斷有載變壓器時，斷路器強迫運行中變壓器一次繞組中的電流中斷時，由于磁場的變化，使二次繞族中感生很大的，阻撓磁場改變的電流，所以它磁場能變化得到了平衡，因此，不會發(fā)生過電壓的現(xiàn)象。但是，切斷變壓器的空載電流則不同，沒有二次繞族中感生很大的，阻撓磁場改變的電流，使為數(shù)不大的變壓器的空載電流被迫立即下降到零，于是在變壓器的激磁電感上，一次將感生很高的電壓，引起母線和線路上絕緣薄弱部分出現(xiàn)事故。根據(jù)國內(nèi)運行統(tǒng)計資料，在中星點接地系統(tǒng)一般不超過3U相電壓；在中星點不接地（或經(jīng)消弧線圈接地）系統(tǒng)一般不超過4U相電壓。
限制過電壓措施：（1）切斷空載變壓器過電壓頻率高，持續(xù)時間短，能量小，限制容易。因此，可使用帶并聯(lián)電阻的開關（因為并聯(lián)電阻能夠使變壓器的磁場能量的得以釋放），或用防護大氣過電壓的避雷器來限制。為此目的而裝設的避雷器，冬季不宜退出運行。（2）將被切斷空載變壓器帶有一段電纜或架空線，這就等于加大了開關中流過的電容電流，會使變壓器的特性阻抗減小，故在截流值一定時，過電壓將降低。
3.電弧接地過電壓
在中星點不接地系統(tǒng)中，當發(fā)生一相接地故障時，常出現(xiàn)電弧，由于系統(tǒng)中存在線路電容和電壓互感器電感，及有可能引起線路某一部分的振蕩，當電流經(jīng)振蕩點或工頻零點時，電弧可能暫時熄滅，之后當事故相上電壓升高后，電弧則可能重燃，這種斷斷續(xù)續(xù)的、熄滅和重燃交替進行的對地放電，將造成在正常相及事故相上出現(xiàn)過電壓，使系統(tǒng)內(nèi)的絕緣薄弱部分有可能遭受擊穿放炮。單相接地故障在系統(tǒng)中出現(xiàn)的機會較多，因而引起這種過電壓的可能性是很大的，故應對其危害有足夠的重視。98年前唐鋼的60%電氣放炮事故都是由一相接地故障引起的。
限制過電壓措施：（1）為消除電弧接地過電壓，可以將中性點直接接地。這樣，電荷可以通過接地點放掉，從而消除這種過電壓。在發(fā)生單相接地故障時，形成很大的單相短路電流，是回路跳閘，切除故障后再恢復供電。目前110kv以上電網(wǎng)大都采用中性點直接接地的運行方式。在采用了中性點直接接地的電網(wǎng)中，各種形式的操作過電壓均比中性點絕緣的電網(wǎng)低。但如在電壓較低，電網(wǎng)中采用中性點直接接地的運行方式時，則會招致事故頻繁、操作次數(shù)多，故采用中性點絕緣用行方式，當電容電流超過時，電弧不易熄滅，易采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的用行方式。（2）采用消弧線圈消除電弧接地過電壓。消弧線圈是一個具有鐵心的可調(diào)電感線圈，裝設在變壓器或發(fā)電機的中性點，當發(fā)生單相接地故障時，可形成一個與接地電容電流大小接近相等而方向相反的電感電流，這個滯后電壓90的電感電流與超前電壓90的電容電流相互補償，zui后使流經(jīng)接地處的電流變得很小以至等于零，降低故障相上的恢復電壓，減少重燃電弧的可能性，從而消除了接地處的電弧以及由它所產(chǎn)生的危害。唐鋼在1998年將變電站都安裝了消弧線圈，用于消除電弧接地過電壓，效果較好，使唐鋼每年的接地電氣放炮事故下降到10%左右。
4、鐵磁諧振過電壓
由于電力系統(tǒng)存在一些電感元件，形成了非線性電路，當滿足諧振條件時（操作、故障所致），會引起過電壓，它是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，其持續(xù)時間較長，可以直到進行新的操作使諧振條件被破壞時才終止。因此，這類過電壓的出現(xiàn)，往往造成嚴重后果，故必須在操作前與設計時先進行必要的考慮，或采取一定措施來防止其發(fā)生或限制其存在的時間，以免形成諧振回路。圖三給出zui簡單的R、C和有關電感L的電路。
假設在正常運行條件下，開始電路運行在感性工作狀態(tài)，感抗大于容抗，電路不具備現(xiàn)行諧振的條件。但是，當鐵心電感兩端的電壓有所升高時，電感線圈中出現(xiàn)涌流就可能使鐵心飽和，其電感值將隨之減少，當感抗等于容抗時，即達到串聯(lián)諧振條件，在電感、電容兩端變形成過電壓。當電力系統(tǒng)中發(fā)生斷線故障或不對稱開斷故障時，線路末端又接有空載（或輕載）的中性點不接地的變壓器，將及易形成串聯(lián)諧振，發(fā)生過電壓。發(fā)生這種過電壓，常引起避雷器爆炸、燒壞電壓互感器和絕緣子，或使接于該變壓器的小功率電動機反轉(zhuǎn)。為防止此類事故，不使用分相操作的斷路器及熔斷器，并避免變壓器空載或輕載（負荷在額定容量20%以下）運行。
5.電磁式電壓互感器飽和過電壓
在中性點絕緣的系統(tǒng)中，母線上只帶電壓互感器而不帶線路（或很短線路）的情況下，可能發(fā)生一些異?，F(xiàn)象。例如在2000年4月26日，唐鋼110kv變電站因上級變電站事故停電，在恢復送電時，110kv線路上只帶電壓互感器，發(fā)現(xiàn)電壓互感器指示的相電壓，有兩相對地電壓同時升高，并且電壓表指針擺動嚴重，接地報警器發(fā)出接地報警，電壓互感器的溶斷器溶斷。長時間這種情況能引起絕緣閃絡或避雷器爆炸，這是由于電壓互感器飽和而產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象。
當電網(wǎng)中發(fā)生沖擊擾動時，使一相或兩相電壓瞬時升高，由于電壓互感器的激磁感抗是非線性的，可能使兩相勵磁電流突增而使其飽和，相應的它們的電感值也減小。這樣，由于三相對地負載不平衡，故使電網(wǎng)中性點出現(xiàn)位移電壓，假設參數(shù)配合使感抗與容抗相等，便產(chǎn)生了串聯(lián)諧振現(xiàn)象，使中性點位移電壓急劇上升，此電壓疊加于三相電源上，通常是使兩相對地電壓升高，一相對地電壓降低。這種過電壓在線路發(fā)生短路、斷路器突然將此線路切除，或利用斷路器向母線充電時均能激發(fā)，而且持續(xù)時間長，直到操作斷路器改變了系統(tǒng)工作狀態(tài)，所以不能用避雷器限制它。消除它的有效措施有：在互感器三角繞組開口端接入一個電阻R，使諧振不能產(chǎn)生。R的值在35kv以下電力網(wǎng)中一般在10---100歐姆的范圍內(nèi)。此外，入選用激磁特性較好的電磁式電壓互感器或電容式電壓互感器；特殊情況下，可采取臨時倒閘措施，如投入事先規(guī)定好的某些線路與設備或電容器，以增加對地電容，使諧振不發(fā)生。
