電廠升壓站侵入波過電壓抑制策略

彭 飛

國家電投集團江蘇新能源有限公司，江蘇 鹽城 224000

0 引言

電廠的升壓站大多為220 kV升壓站，在運行過程中，經(jīng)常由于操作過度，導(dǎo)致出現(xiàn)電壓問題，使設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)。因此，有必要全面地對電壓進行分析，并且根據(jù)其問題找出對應(yīng)的措施。隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和加強，高科技、現(xiàn)代化的發(fā)展促使了220 kV變電站得到了更加廣泛的使用，并且不斷深入城市的核心供電服務(wù)中[1]。

1 低壓過電壓形成的原因

在電力系統(tǒng)中由于操作不當(dāng)或故障等問題，在系統(tǒng)的相與地之間、相與相之間以及斷路器或隔離開關(guān)的兩觸頭之間產(chǎn)生的過電壓，被稱為操作過電壓。就目前來說，許多電廠220 kV的變電站普遍采用三相四線的方法對其進行連接，但是連接方式又不局限于三相四線，還有四相五線的方式存在。TN低壓電網(wǎng)的其中一點會與地面進行直接接觸，對于可以外露的部分，采用的是TNCS、TNS等方式使其與地面進行接觸。根據(jù)用途的不同，變電站在接地形式的選擇也有所不同，如防雷式、防靜電式等，形式多樣。但是，只有使接地工作更加規(guī)范與完善，才能夠有效避免操作人員在相關(guān)操作的過程中出現(xiàn)安全問題。同時，要保證設(shè)備的良好運行，及其運行的穩(wěn)定性。

2 操作空載變電器時產(chǎn)生的過電壓

2.1 過電壓概述

過電壓是指在電力系統(tǒng)中所出現(xiàn)的電壓變高、電位變大的情況，這種情況一旦出現(xiàn)就會對絕緣造成危害。參數(shù)的周期性變化等因素，會引起非線性諧振，需要明確的是否是非線性促進了諧振過電壓的產(chǎn)生。這種情況下形成的過電壓被稱為諧振過電壓，而諧振的特點在于，諧振過電壓的持續(xù)時間較長，在發(fā)生故障后對其進行故障排除時，需要特別明確和注意。

2.2 原因分析

變電器的空載運行，具體是指第一繞組和電源之間的互相連接，這時第二繞組可以說是正處于開路的狀態(tài)中?？蛰d電流發(fā)生變化時，往往是在變壓器出現(xiàn)空載運行，具體即一次繞組與電源進行接通后，就會產(chǎn)生電流。如果沒有空載變壓器，在電流較小時，斷路器會在游離的作用下發(fā)生熄弧，這種情況的出現(xiàn)被稱為截流，容易引起變壓器出現(xiàn)過電壓的情況，因此需要對其進行檢測[2]。另外受交變電流周期性變化，使鐵芯受到影響，使鐵磁材料偶極子的排列也隨著作周期性變化并產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象，因而產(chǎn)生鐵芯交變磁化的功率損失，通常稱磁滯損耗[3]。

2.3 有效防范措施

在變壓器出現(xiàn)空載時，無法避免會出現(xiàn)截流現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會引起操作過電壓發(fā)生，但是可以對其進行控制。根據(jù)截流過電壓的計算公式，可以采取有效、科學(xué)的措施，來對空載截流、變壓器的寄生電容，進行合理降低和提高，在一定程度上使變壓器產(chǎn)生繞組電感的概率得到抑制。

鐵芯磁通密度是影響變壓器鐵芯空載損耗的重要參數(shù)，因此，通過對鐵芯進行改善，在鐵芯有效截面不變的前提下，必須使鐵芯各個部分的磁通密度分布趨于均勻，降低鐵芯拐角處局部磁通密度，對空載電流進行降低處理，原因是空載電流中蘊含了鐵損電流、磁化電流。其中，鐵損電流源于鐵損的消耗程度，磁化電流源于磁通，可以發(fā)現(xiàn)，要想降低空載電流，關(guān)鍵在于對變壓器的鐵芯進行改善。要想有效提高變壓器的鐵芯質(zhì)量，可以將鐵芯的內(nèi)部結(jié)進行改進、加強，鐵芯采用多級接縫可降低變壓器鐵芯空載損耗，可以根據(jù)實際情況采取接縫級數(shù)，考慮變壓器片型、工時、性能等方面，一般采用三級接縫即可。減小鐵芯搭接面積，可以降低鐵芯空載損耗。對于變壓器可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定搭接面積的大小。合理選擇鐵芯片寬，減小鐵芯角重，降低鐵芯材料，降低空載損耗。在確定了鐵芯直徑后，選取主級片寬比直徑小10 mm的效果優(yōu)于比直徑小5 mm的效果[4]。同時在對變壓器進行大規(guī)模修整的階段，必須科學(xué)、嚴(yán)格的依靠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來對鐵芯進行檢測和維修，必要時可以對其進行更換，這些對操作過電壓的發(fā)生能有效防范。

3 雷電侵入過電壓的有效解決措施

3.1 裝避雷針

裝設(shè)避雷針保護整個變電所建筑物免受直接雷擊。避雷針可以防護直擊雷。避雷針可以單獨立桿，也可以利用戶外配電裝置的構(gòu)架或投光燈的桿塔，但變壓器的門型構(gòu)架不能用來裝設(shè)避雷針，以防止雷擊產(chǎn)生的過電壓對變壓器發(fā)生閃絡(luò)放電。在選擇獨立避雷針的安裝地點時，避雷針及其接地裝置與配電裝置之間應(yīng)保持合適距離。在地上，由獨立避雷針到配電裝置的導(dǎo)電部分之間，以及到變電所電氣設(shè)備與構(gòu)架接地部分之間的空氣隙一般不小于5 m。在地下，由獨立避雷針本身的接地裝置與變電所接地網(wǎng)間最近的地中距離一般不小于3 m。

3.2 裝避雷線

在易于遭受雷擊的地點以及修復(fù)比較困難的通信電桿上，安裝避雷線能夠起到較好的雷電防護作用。避雷線一般由鐵線制成，通過卡釘固定在電桿上，避雷線的下部埋在土壤中，從而保護電桿免受直擊雷的攻擊。但對于電桿之間的線纜，還需要安裝架空地線。架空地線的安裝需要高出電桿頂端一定的高度，用鍍鋅的鐵線架設(shè)，并在每根電桿上焊接一條引線，沿著電桿接地。

4 母線系統(tǒng)上產(chǎn)生諧振過電壓

4.1 原因分析

如果變壓器、互感器這兩者上都存在鐵磁電感，會引起鐵磁諧振（見圖1）。諧振的產(chǎn)生主要是因為暫態(tài)出現(xiàn)了分合閘，導(dǎo)致鐵芯隨之發(fā)生變化，并且達到飽和狀態(tài)。鐵芯對鐵磁諧振的出現(xiàn)影響較大，其飽和情況更是決定了鐵磁電感的強弱程度，而電壓值又對鐵芯的飽和情況起到重要作用，可以通過對三相繞組的電壓幅進行提高來間接提高鐵芯的飽和狀態(tài)。在母線系統(tǒng)上的鐵磁諧振，可以是串聯(lián)鐵磁諧振與并聯(lián)鐵磁諧振兩種。這兩種諧振在電感的變化范圍內(nèi)會出現(xiàn)變大的情況，導(dǎo)致電壓的產(chǎn)生。

圖1 諧振過電壓示意圖

4.2 有效防范措施

母線系統(tǒng)產(chǎn)生鐵磁諧振的原因如下：電壓器存在質(zhì)量上的問題，伏安特性的穩(wěn)定性不足。這兩個原因?qū)е妈F芯處于飽和狀態(tài)，可能存在電纜線路被連接到母線上的情況，還可能是開關(guān)的檢修工作沒有具體落實到位等。具體防范措施如下。

第一，倒閘。通過操作隔離開關(guān)、斷路器以及掛、拆接地線將電氣設(shè)備從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)或使系統(tǒng)改變運行方式，這種操作被稱為倒閘操作。需先明確操作的步驟，當(dāng)母線無法正常運行時，需適當(dāng)調(diào)整其順序。在進行母線倒閘工作時應(yīng)當(dāng)注意，在這一過程中如果有鐵磁諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)，應(yīng)該對接線方式做出相對應(yīng)的調(diào)整，終止諧振回路電源的工作，避免諧振現(xiàn)象的持續(xù)產(chǎn)生。

第二，操作技術(shù)和設(shè)備。需要先對系統(tǒng)參數(shù)有一個詳細的了解和認(rèn)知，對于需要檢查和計算的參數(shù)數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確計算和檢查，再以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值為依據(jù)，對這些數(shù)值是否處于諧振范圍進行判斷。對設(shè)備進行改進也是重要的步驟之一，在使用電容式電壓互感器時，需要保證在此過程中不會出現(xiàn)鐵磁諧振的現(xiàn)象。選用電感式電壓互感器時，要選擇質(zhì)量過關(guān)、伏安特性高并且有抗磁感能力強的設(shè)備。一方面是設(shè)備的選擇，另一方面是后期的保養(yǎng)與維護，從而保證設(shè)備在日后工作中正常運轉(zhuǎn)。

5 其他注意事項

在操作設(shè)備的過程中，需最大限度地防止過電壓現(xiàn)象的產(chǎn)生，因為諧振過電壓和操作過電壓都會造成安全問題，如破壞設(shè)備、威脅操作人員的人身安全。220 kV的升壓站采用的儲能元件較多，在隔離開關(guān)工作時，這些儲能元件可能在靜電場的作用和影響下，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，因此需要對其進行全面了解。電廠220 kV升壓站在進行操作時，容易引起過電壓，因此有必要采取有效措施來減少過電壓現(xiàn)象的產(chǎn)生。

6 結(jié)論

在電廠變電站日常運行的過程中，容易出現(xiàn)過電壓的情況，發(fā)生危險事故的比例較大，如果控制不到位，可能會造成嚴(yán)重的后果。在日常工作中，可以把在電力中所出現(xiàn)的問題和故障與操作進行結(jié)合，對變壓器發(fā)生的故障需要正常操作來進行消除。通過上文分析，當(dāng)發(fā)生過電壓時，根據(jù)過電壓類型的不同，采取的策略也各不相同。當(dāng)操作空載變電器產(chǎn)生過電壓時，可以通過對截流過電壓的計算公式以及改變鐵芯降低空載電流來進行過電壓的防范；當(dāng)雷電侵入發(fā)現(xiàn)過電壓時，可安裝避雷針及避雷線進行解決；母線系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過電壓時，可進行倒閘操作進行防范處理。