關(guān)鍵詞：雷電過電壓、操作過電壓、鐵磁諧振過電壓、弧光接地過電壓
3～35KV電力供電系統(tǒng)上，過電壓現(xiàn)象十分普遍。如果沒有防范措施，隨時(shí)都可能發(fā)生，也隨時(shí)都可以發(fā)現(xiàn)。過電壓將對(duì)電氣或電子裝置，其中的電路，元器件，造成直接破壞，這種破壞，依據(jù)其嚴(yán)重程度，大體可分為以下四種情況： ?、偈乖O(shè)備、裝置短時(shí)間工作錯(cuò)亂； ②造成潛故障，即使得電路和器件的性能下降，壽命縮短，提前失效；
③造成電路或器件的******性損壞； ?、軐?dǎo)致起火，觸電等安全事故。
異常過電壓可能是外來的，也可能是設(shè)備，裝置內(nèi)部自生的。外侵過電壓的侵入途徑，可以通過導(dǎo)線、電路傳導(dǎo)進(jìn)入，也可以通過靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)侵入。過電壓的出現(xiàn)可能是有規(guī)律的周期性的，但更多則是隨機(jī)的。因此在大多數(shù)情況下，很難準(zhǔn)確的把握它。異常過電壓，依據(jù)其成因的不同，可以分為雷電過電壓、操作過電壓、鐵磁諧振過電壓及弧光接地過電壓。
雷電及操作過電壓
一、雷電過電壓形成及分類
雷電過電壓，是由于電力系統(tǒng)的設(shè)備或建(構(gòu))筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應(yīng)而引起的過電壓，因其能量來自系統(tǒng)外部，故又稱為外部過電壓。
雷電過電壓有兩種基本形式：直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。
1．直擊雷過電壓
直擊雷（direct lightning）過電壓是指雷云直接對(duì)電氣設(shè)備或建筑物放電而引起的過電壓。強(qiáng)大的雷電流通過這些物體導(dǎo)入大地，從而產(chǎn)生破壞性極大的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，造成設(shè)備損壞，建筑物破壞。
圖1.1 直擊雷的放電 圖1.2 雷電流波形
2．感應(yīng)雷過電壓
所謂感應(yīng)雷過電壓，是指當(dāng)架空線附近出現(xiàn)對(duì)地雷擊時(shí)，在輸電線路上感應(yīng)的雷電過電壓。感應(yīng)雷過電壓的形成過程可以用圖9.1.3來表示，在雷云放電的起始階段，雷云及其雷電先導(dǎo)通道中的電荷所形成的電場對(duì)線路發(fā)生靜電感應(yīng)，逐漸在線路上感應(yīng)出大量異號(hào)的束縛電荷Q。由于線路導(dǎo)線和大地之間有對(duì)地電容C存在，從而在線路上建立一個(gè)雷電感應(yīng)電壓U=Q/C。當(dāng)雷云對(duì)地放電后，線路上的束縛電荷被釋放而形成自由電荷，向線路兩端沖擊流動(dòng)。這就是感應(yīng)雷過電壓沖擊波。
圖1.3感應(yīng)雷過電壓的形成過程
高壓線路上的感應(yīng)過電壓，可高達(dá)幾十萬伏，低壓線路上的感應(yīng)過電壓，也可達(dá)幾萬伏。如果這個(gè)雷電沖擊波沿著架空線路侵入變電站或廠房內(nèi)部，對(duì)電氣設(shè)備的危害很大。
二、操作過電壓的產(chǎn)生及分類
操作過電壓操作過電壓是指電路中的斷路器、隔離開關(guān)、繼電器、可控硅開關(guān)等通斷轉(zhuǎn)接時(shí)，在系統(tǒng)電路中、電路對(duì)地以及開關(guān)兩端所產(chǎn)生的過電壓。產(chǎn)生操作過電壓的原因是由于線路及其中的元器件都帶有電感和電容，儲(chǔ)存在電感中磁能和儲(chǔ)存在電容中的靜電場能量，在電路狀態(tài)突變時(shí)產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，過度的振蕩過程，由振蕩而出現(xiàn)過電壓。操作過電壓的持續(xù)時(shí)間比雷擊過電壓長，比暫態(tài)過電壓短，在數(shù)百微妙到100mS之間，并且衰減很快。
常見的真空斷路器操作過電壓又可以分為截流過電壓、多次重燃過電壓、三相開斷過電壓。
1. 截流過電壓。由于真空斷路器有良好的滅弧性能，當(dāng)開斷小電流時(shí)，電弧在過零前就會(huì)熄滅，由于電流被突然切斷，其滯留于電機(jī)等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰俊?duì)于電機(jī)和變壓器，特別是空載或容量較小時(shí)，則相當(dāng)于一個(gè)大的電感，且回路電容量較小，因此會(huì)產(chǎn)生高的過電壓，特別是開斷空載變壓器時(shí)更危險(xiǎn)。從理論上講可以產(chǎn)生很高的過電壓，但由于觸頭和回路中有一定的電阻產(chǎn)生損耗以及發(fā)生擊穿，對(duì)過電壓值有相當(dāng)?shù)囊种谱饔?，但這種抑制作用是有限的，不能消除在切斷小電流時(shí)出現(xiàn)的過電壓。因此特別對(duì)感應(yīng)負(fù)載在采用真空斷路器作為操作元件時(shí)，應(yīng)加裝過電壓保護(hù)設(shè)備。
2.多次重燃過電壓。多次重燃過電壓是由于弧隙發(fā)生多次重燃，電源多次向電機(jī)電容進(jìn)行充電而產(chǎn)生的。在真空斷路器切斷電流的過程中，觸頭的一側(cè)為工頻電源，另一側(cè)為LC回路充放電的振蕩電源，如果觸頭間的開距不夠大，兩個(gè)電壓疊加后就會(huì)使弧隙之間發(fā)生擊穿，斷路器的恢復(fù)電壓就會(huì)升高。如果觸頭開距不夠大，就會(huì)發(fā)生第二次重燃，再滅弧、再重燃以致發(fā)生多次重燃現(xiàn)象，多次的充放電振蕩，觸頭間的恢復(fù)電壓逐級(jí)升高，負(fù)載端的電壓也不斷升高，致使產(chǎn)生多次重燃過電壓，損壞電氣設(shè)備。
3.三相開斷過電壓。三相開斷過電壓是由于斷路器首先開斷相弧隙產(chǎn)生重燃時(shí)，流過該相弧隙的高頻電流引起其余兩相弧隙中的工頻電流迅速過零，致使未開斷相隨之被切斷，在其他兩相弧隙中產(chǎn)生類似較大水平的截流現(xiàn)象，從而產(chǎn)生更高的操作過電壓，所產(chǎn)生的過電壓是加在相與相之間的絕緣上。在開斷中小容量電機(jī)或輕負(fù)載情況下容易出現(xiàn)三相開斷過電壓。
三、雷電及操作過電壓防治
以上可以看出，雷電過電壓和操作過電壓產(chǎn)生是隨機(jī)的而且每次過電壓的波形（頻率、幅值）都有所不同。目前國內(nèi)采取的措施有：
1 、裝設(shè)金屬氧化物避雷器(MOA)， 此保護(hù)器保護(hù)值高，對(duì)限制雷電壓有保護(hù)作用，但對(duì)電動(dòng)機(jī)這樣絕緣弱的設(shè)備起不到保護(hù)作用。
2、裝設(shè)三相組合式過電壓保護(hù)器，此保護(hù)器主要材料也是氧化鋅，其保護(hù)設(shè)定值較低不僅可以保護(hù)相對(duì)地過電壓還可保護(hù)相間過電壓。但氧化鋅響應(yīng)速度慢，對(duì)高幅值，高陡度的過電壓限制效果不理想。
3、阻容吸收裝置(RC) 響應(yīng)速度快，能夠緩和過電壓波形的陡度，對(duì)設(shè)備匝間絕緣有好處，缺點(diǎn)是沒有固定的殘壓值及吸收過電壓能量太小。
通過實(shí)踐我們認(rèn)為，復(fù)合式過電壓保護(hù)器是將阻容吸收器和避雷器有機(jī)的結(jié)合在一起，具有了阻容吸收器和避雷器的雙重功能：阻容吸收有效地降低了振蕩頻率和過電壓波頭的上升陡度，保護(hù)了設(shè)備的匝間絕緣，解決了MOA對(duì)高頻過電壓信號(hào)響應(yīng)速度較慢而起不到保護(hù)作用的問題，電阻的接入有效阻尼和衰減了過電壓振蕩；金屬氧化物避雷器則發(fā)揮通流量大的優(yōu)點(diǎn)，解決了阻容吸收器不能隨較大能量的沖擊而損壞的缺陷。
鐵磁諧振過電壓
一、鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生條件、特點(diǎn)和危害
電力系統(tǒng)中許多元件是屬于電感性的或電容性的,如電力變壓器、互感器、發(fā)電機(jī)、消弧線圈為電感元件，補(bǔ)償用的并或串聯(lián)電容器組、高壓設(shè)備的寄生電容為電容元件，而線路各導(dǎo)線地和導(dǎo)線間既存在縱向電感又存在橫向電容，這些元件組成復(fù)雜的LC震蕩回路,在一定的能源作用下,特定參數(shù)配合的回路就會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象.
下列幾種激發(fā)條件可以造成鐵磁諧振；
a.電壓互感器的突然投入；
b.線路發(fā)生單相接地；
c.系統(tǒng)運(yùn)行方式的突然改變或電氣設(shè)備的投切；
d.系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生較大的波動(dòng)；
e.電網(wǎng)頻率的波動(dòng)；
f.負(fù)荷的不平衡變化等。
在我國6～35KV配電網(wǎng)內(nèi)，發(fā)生電壓互感器引起的諧振過電壓情況甚為頻繁，但在某些切換操作如斷路器合閘或接地故障消失后，由于三相互感器在擾動(dòng)后電感飽和程度不一樣而形成對(duì)地電阻不平衡，它與線路對(duì)地電容形成諧振回路，可能激發(fā)起鐵磁諧振過電壓。電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁最常見和造成事故最多的一種內(nèi)部過電壓。在實(shí)際運(yùn)行設(shè)備中，由于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中設(shè)備絕緣低，單相接地故障相對(duì)頻繁，一般說來，單相接地故障是鐵磁諧振最常見的一種激發(fā)方式。
二、解決措施
在電力系統(tǒng)中，由于電壓互感器的非線性電感與線路對(duì)地電容的匹配而引起鐵磁諧振過電壓，直接威脅電力系統(tǒng)的運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電壓互感器（PT）的爆炸，造成事故。電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去，如果抑制或消耗這部分能量，鐵磁諧振就可以抑制或消除。通常解決的辦法是在開口三角繞組中并一個(gè)電阻，從理論上講對(duì)頻率越低的鐵磁諧振應(yīng)取的阻值越小，但太小的電阻并在PT開口三角上會(huì)影響其正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成PT燒毀。因?yàn)殍F磁諧振的頻率往往不是單一的，所以這種方法就難于消除所有的諧振。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們采用下列方法來解決：
1〉.采用激磁特性好的PT，并使PT組中3臺(tái)PT激磁特性相近，限制同一系統(tǒng)中PT并聯(lián)臺(tái)數(shù)，或選用容性PT（如在220 kV及以上系統(tǒng)中用電容式電壓互感器）。
2〉.消耗諧振能量，阻尼抑制或消除諧振發(fā)生。在多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行PT中性點(diǎn)加裝阻尼電阻R0，只要滿足R0≥6％XL即可消除諧振LXQ（D3）-10型消諧電阻器阻值大于6%壓變額定勵(lì)磁電抗，爬電距離滿足適用場合電壓等級(jí)要求，能夠有效限制、消除一般諧振能量。
3〉.在以上基礎(chǔ)上,還應(yīng)在PT開口三角側(cè)加裝用于限制高次諧波諧振裝置的微機(jī)消諧器，能夠連續(xù)、有效消除諧振過電壓。
弧光接地過電壓的限制措施
一、弧光接地過電壓的產(chǎn)生及危害
中心點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性弧光接的（以下簡稱“弧光接地” ）原因主要有：a、隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展具有固體絕緣的電纜線路逐漸取代架空線路，由于固體絕緣擊穿的累積效應(yīng)，局部放電會(huì)造成絕緣的累積性損傷。b、真空斷路器的大量采用使操作過電壓的概率大大提高，且得不到有效限制使絕緣壽命降低。按照國標(biāo)GS311.1的規(guī)定，220KV以下的系統(tǒng)以雷電過電壓作為防護(hù)重點(diǎn)，對(duì)于3～35KV的中壓系統(tǒng)中大多場合還在采用傳統(tǒng)避雷器來限制過電壓。避雷器接在相對(duì)地的，且放電電壓為相電壓的4倍以上，對(duì)相間操作過電壓起不到限制作用。在操作過電壓長期持續(xù)作用下，固體絕緣設(shè)備的運(yùn)行壽命降低，容易形成絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。
弧光接地故障發(fā)生時(shí)，由于不穩(wěn)定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在非故障相的電感—電容回路上引起高頻振蕩過電壓，過電壓幅值一般可達(dá)3.1～3.5倍相電壓，以電纜線路為主的供電電網(wǎng)，絕緣擊穿或電弧重燃時(shí)過渡過程中的高頻電流可達(dá)數(shù)百甚至上千安培。電纜線路弧光接地時(shí)非故障相的過電壓可達(dá)4～70倍。其在電力系統(tǒng)危害主要表現(xiàn)在：
1>、在高幅值的弧光接地過電壓持續(xù)作用下，加劇了電纜等固體絕緣的累積損傷，在非故障相的絕緣的薄弱環(huán)容易造成對(duì)地?fù)舸┻M(jìn)而發(fā)展成為相間短路。
2>、普通的電壓互感器飽和點(diǎn)一般為1.6 ～1.8倍，在弧光接地過電壓作用下，使電壓互感器嚴(yán)重飽和，激磁電流劇烈增加。電壓互感器飽和也很容易激發(fā)鐵磁諧振，導(dǎo)致電壓互感器燒毀或高壓保險(xiǎn)熔斷。
3>、弧光接地過電壓的能量由電源提供，持續(xù)時(shí)間較長，能量很大，當(dāng)過電壓能量超過避雷器所能承受的400A2mS的能量時(shí)，就會(huì)造成避雷器的爆炸事故。
二、消弧線圈的使用
消弧線圈對(duì)架空線路的供電可靠性起了很大作用。
在3～35KV中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時(shí)，三相電壓是對(duì)稱的，仍然可以繼續(xù)供電，由于消弧線圈的電感電流補(bǔ)償了電容電流，使得故障點(diǎn)的電弧能夠自行熄滅，一旦電弧自行熄滅后，架空線路的絕緣又可以完全恢復(fù)。
消弧線圈對(duì)以電纜為主的供電電網(wǎng)已不能發(fā)揮積極作用。
正因?yàn)橄【€圈對(duì)架空線路的積極作用，幾十年來人們誤認(rèn)為消弧線圈能夠限制弧光接地過電壓，其實(shí)不然，消弧線圈不僅不能抑制弧光接地過電壓，有時(shí)反而加大了過電壓的幅值。 隨著我國城網(wǎng)改造的進(jìn)行，架空線路逐步被電纜線路取代，中壓電網(wǎng)固體絕緣的設(shè)備逐年增多，以及現(xiàn)有電纜線路隨著運(yùn)行時(shí)間的加長絕緣逐漸老化，近幾年來弧光接地過電壓的問題越來越突出，以至于電纜放炮等絕緣事故成為影響企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)和供電電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素，從弧光接地過電壓產(chǎn)生的過程來看，與系統(tǒng)對(duì)地電容電流的大小并無關(guān)系。電纜線路發(fā)生單相電弧接地時(shí)，電弧電流以高頻電流為主，而消弧線圈只能補(bǔ)償工頻電流的90～95%，對(duì)于高頻電流根本起不到補(bǔ)償作用，消弧線圈無法減輕電纜線路中高頻電流對(duì)故障點(diǎn)的破壞。大量的事故表明，電纜線路發(fā)生單相接地警報(bào)之后，少則幾秒鐘多則幾分鐘最多十幾分鐘就發(fā)展成為相間短路事故。
消弧線圈在實(shí)際運(yùn)行中還存如下弊端：
正常時(shí)消弧線圈的電感和電容運(yùn)行在串聯(lián)諧振點(diǎn)附近，會(huì)使電網(wǎng)中性點(diǎn)不平衡電壓放大，產(chǎn)生虛幻接地或串聯(lián)諧振過電壓。
消弧線圈的補(bǔ)償作用，使故障點(diǎn)的電流減小，相位發(fā)生變化，選線的靈敏度降低甚至無法選線。
在某些情況下不能有效地消除弧光接地過電壓。
三、新型消弧裝置的使用
為能有效抑制弧光接地過電壓，防止電纜事故的發(fā)生，避免企業(yè)因被迫停電帶來的經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)過到用戶和相關(guān)廠家的實(shí)地認(rèn)真考察比較，我們?cè)O(shè)計(jì)中經(jīng)常微機(jī)型消弧裝置，當(dāng)發(fā)生單相弧光接地時(shí)該裝置能快動(dòng)作速轉(zhuǎn)化為金屬性接地，能達(dá)到如下效果：
1）盡快熄滅電弧，防止故障進(jìn)一步發(fā)展；
2）盡快將過電壓限制在安全水平，避免固體絕緣累積性破壞；
3）允許用戶在完成轉(zhuǎn)移負(fù)荷的倒閘操作之后再處理故障線路，避免被迫停電。
新型消弧裝置應(yīng)用于中性點(diǎn)非直接接系統(tǒng)中，發(fā)生單相弧光接地時(shí)裝置動(dòng)作，快速轉(zhuǎn)化為金屬性接地，具有如下功能：
由于故障相直接與地網(wǎng)連接，對(duì)地電壓等于零，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅。
金屬性接地后，非故障相上的過電壓立即穩(wěn)定在線電壓，系統(tǒng)中的設(shè)備可以在這個(gè)電壓下安全運(yùn)行。
由于電弧被熄滅，過電壓被限制在安全水平，故障不會(huì)再繼續(xù)發(fā)展，為用戶倒閘操作贏得了時(shí)間，可以避免造成被迫停電。
由于弧光接地的持續(xù)時(shí)間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護(hù)器允許的400A 2ms能量指標(biāo)以內(nèi)，避免了避雷器、過電壓保護(hù)器的爆炸事故。
由于母線過電壓被限制在較低水平，可避免激發(fā)鐵磁諧振過電壓。
消弧裝置中的電壓互感器可以向計(jì)量儀表和繼電保護(hù)提供電壓信號(hào)，可取代常規(guī)PT柜，并配置RS485接口，可按照用戶提供的通訊規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。若有特殊要求也可以設(shè)置后臺(tái)控制終端。
實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)證明，盡管企業(yè)供電電網(wǎng)總降上加裝了自動(dòng)跟蹤消弧線圈來限制弧光接地過電壓，但系統(tǒng)弧光接地過電壓仍時(shí)有發(fā)生，對(duì)企業(yè)電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生危害，而通過在電網(wǎng)6KV、10KV母線上架裝微機(jī)型消弧裝置后，系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)新型消弧裝置能準(zhǔn)確動(dòng)作，電氣設(shè)備特別是電纜絕緣不會(huì)由于持續(xù)過電壓造成絕緣累積損傷，導(dǎo)致的相間短路事故的發(fā)生。
小結(jié) 由以上我們可以看出,每種過電壓產(chǎn)生的機(jī)理不同,有著不同的特點(diǎn),應(yīng)采用不同防范措施,才能保證企業(yè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
