供配電系統(tǒng)過(guò)電壓的危害及防范對(duì)策

長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 陳 焱

供配電系統(tǒng)通常包括變壓器、電動(dòng)機(jī)、斷路器以及一系列的電纜等。因受到多方面因素的干擾，此時(shí)電氣裝置極易遭到內(nèi)部及外部過(guò)電壓的影響，盡管過(guò)電壓?jiǎn)栴}持續(xù)時(shí)長(zhǎng)有限，但因它的峰值相對(duì)較高，且波形相當(dāng)之陡，因此會(huì)嚴(yán)重干擾到電器設(shè)施的問(wèn)題性。針對(duì)這一情形，相關(guān)的研究人員需要進(jìn)一步探討過(guò)電壓現(xiàn)象出現(xiàn)原因，實(shí)際量值范疇，進(jìn)而較為合理地選取及設(shè)計(jì)保護(hù)設(shè)施，從而確保電氣設(shè)施能夠持續(xù)順利運(yùn)作。在傳統(tǒng)意義上，在電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中并不會(huì)將供電系統(tǒng)作為一個(gè)總體予以設(shè)計(jì)，這就會(huì)使得電氣設(shè)備絕緣因過(guò)電壓而受損，長(zhǎng)此以往就會(huì)威脅到電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

1 常見(jiàn)的供配電系統(tǒng)過(guò)電壓?jiǎn)栴}分析

1.1 雷電過(guò)電壓現(xiàn)象

就是因?yàn)橹睋衾谆蛘吒袘?yīng)雷于云層展開(kāi)活動(dòng)之后所引發(fā)的問(wèn)題，所以其也常常被叫做外部過(guò)電壓或者大氣過(guò)電壓。戶外配電設(shè)施的總變電所和總變電所傳入及傳出的外部架空線路極易遭到直接雷擊的影響，根據(jù)我國(guó)實(shí)際監(jiān)測(cè)信息指明，針對(duì)電纜的進(jìn)出線、變電所有關(guān)的電氣設(shè)施通常會(huì)遭到雷電侵入波過(guò)電壓的影響，如此雷電侵入波過(guò)電壓的持續(xù)周期相對(duì)較短，有時(shí)僅只十幾微秒，該常見(jiàn)的表現(xiàn)形式即相對(duì)過(guò)電壓，它們的峰值電壓超出額定電壓的六倍。

1.2 操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}

就是指在采用真空斷路器的過(guò)程中，因節(jié)流重燃及三相在同一時(shí)間短路切開(kāi)從而誘發(fā)的一類(lèi)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，其常見(jiàn)的表現(xiàn)形式即相間過(guò)電壓。通常狀況下電壓的最高值能夠達(dá)到三倍，而電流的最寬波形不會(huì)超出5ms，較之于其他電壓電壓值相對(duì)較低，操作過(guò)電壓并不會(huì)給設(shè)施帶來(lái)不良影響。

1.3 電弧接地過(guò)電壓?jiǎn)栴}

此問(wèn)題會(huì)威脅到使用者的生命安全，這是由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)內(nèi)滋生了單相間歇性的“熄弧—重燃”接地，于是導(dǎo)致了高頻振蕩，在該環(huán)節(jié)中構(gòu)成了間歇性弧光接地過(guò)電壓現(xiàn)象。該過(guò)電壓的持續(xù)周期能高達(dá)十分鐘之久，有時(shí)還會(huì)更長(zhǎng)，它們所波及的范疇也較廣，倘若整個(gè)電網(wǎng)中出現(xiàn)絕緣弱點(diǎn)，那么該絕緣弱點(diǎn)位置極易出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)或直接擊穿的問(wèn)題。

1.4 配變高壓繞組接地諧振過(guò)電壓?jiǎn)栴}分析

之所以會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題，這主要是由于電力系統(tǒng)內(nèi)的三相配電變壓器，會(huì)遭到扎間短路的干擾，在同一時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)熔斷，并且會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)諧振產(chǎn)生過(guò)電壓現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)資料顯示，當(dāng)高壓繞組產(chǎn)生一點(diǎn)接地問(wèn)題時(shí)，它們的電壓會(huì)超過(guò)2.38倍，一旦產(chǎn)生兩點(diǎn)接地的狀況，此時(shí)的電壓就會(huì)超出2.73倍，該現(xiàn)象會(huì)維持幾分鐘甚至十多分鐘，直至導(dǎo)致故障變壓器全部受損，最終與系統(tǒng)脫離。值得注意的是，倘若接地的高壓保險(xiǎn)同時(shí)進(jìn)行熔化，此時(shí)過(guò)電壓就極易超出三倍，那么它的持續(xù)周期就不會(huì)超出兩秒。

1.5 PT鐵心飽和諧振過(guò)電壓?jiǎn)栴}分析

產(chǎn)生這一威脅可歸納為三個(gè)原因，分別是高次諧波、工頻諧振及低分次諧波諧振。高次諧波常出現(xiàn)在空母線被投入的情形下，而空母線投入運(yùn)作的過(guò)程中過(guò)電壓幅值上升，這就會(huì)使得母線及主變壓器絕緣閃絡(luò)、PT受損。在電網(wǎng)運(yùn)作過(guò)程中，工頻諧振及低分次諧波共振問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，一旦出現(xiàn)上述現(xiàn)象，電壓就會(huì)在原來(lái)的基礎(chǔ)上上升兩至三倍，進(jìn)而導(dǎo)致特性極其不穩(wěn)定。過(guò)電壓會(huì)持續(xù)幾分鐘甚至是十多分鐘，直至PT或者高壓保險(xiǎn)受損，其系統(tǒng)方可進(jìn)一步恢復(fù)正常[1]。

1.6 單相接地時(shí)阻隔空載線路過(guò)電壓

如產(chǎn)生單相接地的問(wèn)題，此時(shí)阻隔空載線路過(guò)電壓，那么很有可能是因電網(wǎng)出現(xiàn)較為嚴(yán)峻的單相金屬接地異常，如此一來(lái)就會(huì)使得切斷空載線路出現(xiàn)了超過(guò)五倍的過(guò)電壓，該高電壓現(xiàn)象會(huì)在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致避雷器爆炸，同時(shí)會(huì)造成其他設(shè)施受損，因此整體的危害性較大。

2 供配電系統(tǒng)過(guò)電壓防范對(duì)策分析

2.1 過(guò)電壓的防范原則

為進(jìn)一步保證電氣設(shè)施及維護(hù)保護(hù)裝置順利運(yùn)作，要提前部署好過(guò)電壓的防范工作，此時(shí)還應(yīng)詳盡地分析過(guò)電壓出現(xiàn)的原因、持續(xù)周期以及量值范疇，進(jìn)而采取行之有效的防護(hù)舉措。針對(duì)電氣設(shè)施內(nèi)的保護(hù)器，務(wù)必要保證三個(gè)主要方面。

首先，保證全面性。即使保護(hù)電氣設(shè)施及保護(hù)器，充分考量系統(tǒng)內(nèi)極易產(chǎn)生的過(guò)電壓現(xiàn)象，而不可以只針對(duì)某特殊狀況，例如MOA在出現(xiàn)相間過(guò)電壓的情況下難以起到保護(hù)效用，MOA只是會(huì)針對(duì)限制系統(tǒng)相對(duì)的過(guò)電壓進(jìn)行維護(hù)。

其次，保證絕緣配合的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)有關(guān)保護(hù)設(shè)施的參數(shù)時(shí)，務(wù)必要先考量設(shè)施的絕緣耐受水平，對(duì)電氣系統(tǒng)提供保護(hù)，從而保證保護(hù)設(shè)施絕緣體的可靠性。

其三，要求保證保護(hù)設(shè)施的穩(wěn)定，在為電氣設(shè)備裝配保護(hù)裝置時(shí)，還需要保證保護(hù)裝置可以順利運(yùn)作，否則保護(hù)裝置會(huì)給電氣系統(tǒng)帶來(lái)不利影響。

2.2 雷電過(guò)電壓危害的防范措施分析

為避免受到雷電過(guò)電壓的威脅，此時(shí)越來(lái)越多人采取直擊雷過(guò)電壓的防護(hù)舉措，比如我國(guó)大多數(shù)情況下都會(huì)采取MOA系統(tǒng)作為雷電侵入波過(guò)電壓的保護(hù)措施。

2.3 瞬時(shí)內(nèi)部過(guò)電壓危害的防范措施分析

由于內(nèi)部過(guò)電壓的及時(shí)性，當(dāng)前我國(guó)普遍采取組合式避雷器，通常就是指四星連接方式，包括四處保護(hù)單元，而上述四個(gè)保護(hù)單元可以構(gòu)成雙組合，從而轉(zhuǎn)化成六個(gè)較為完備的避雷器。上述六個(gè)避雷器各自對(duì)三相接地過(guò)電壓以及相間過(guò)電壓予以維護(hù)，由此大幅度提升保護(hù)的系統(tǒng)性。就當(dāng)前來(lái)說(shuō)，采取組合式避雷器能夠提升保護(hù)的可靠程度，而且也能大幅度提升電動(dòng)機(jī)絕緣水平配合程度。當(dāng)下之所以采取的四星連接組合避雷器，這主要是由于真空斷路器被應(yīng)用至越來(lái)越多的行業(yè)。此外，伴隨我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施日趨完備，電網(wǎng)規(guī)模也在逐步拓寬，這就使得電力系統(tǒng)過(guò)電壓的負(fù)面效應(yīng)越發(fā)明顯，內(nèi)部過(guò)電壓通常屬于相間過(guò)電壓，但三星搭載的MOA難以維護(hù)上述過(guò)電壓。

2.4 弧光接地電壓和諧振過(guò)電壓危害的防范措施分析

當(dāng)前，為保護(hù)過(guò)電壓可采取兩種不同類(lèi)型的方式：限制過(guò)電壓、容忍過(guò)電壓。換言之，相關(guān)人員可以充分利用部分設(shè)施有效地限制過(guò)電壓，或者設(shè)施自身能夠接受部分過(guò)電壓，同時(shí)產(chǎn)生耐受過(guò)電壓。不過(guò)弧光接地過(guò)電壓以及諧振過(guò)電壓的持續(xù)周期較不穩(wěn)定，因此這就需要避雷器能夠?qū)崿F(xiàn)耐受。對(duì)于當(dāng)前所常見(jiàn)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，最為恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方式就是利用中性點(diǎn)進(jìn)行消弧線圈運(yùn)作，或者合理裝配好XHB消弧線圈設(shè)施。

之所以利用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈保護(hù)電氣系統(tǒng)，是因?yàn)殡姼幸约半娙蓦娏魃舷嗖钶^大，因此中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈能夠?qū)拥仉娙蓦娏魈峁┮欢ǔ潭鹊难a(bǔ)償，不過(guò)該手段存在一定局限性，也就是在實(shí)際操作過(guò)程中，在高頻條件下電網(wǎng)電容以及消弧線圈電感的頻率屬性具有差異性，這就難以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?，同時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。倘若采取過(guò)補(bǔ)償?shù)氖侄?，能夠進(jìn)一步減少中性點(diǎn)位移電壓，不過(guò)這同樣會(huì)造成線路接地電流偏大，難以在短時(shí)間內(nèi)熄滅電弧，而電弧過(guò)電壓?jiǎn)栴}依舊出現(xiàn)，所以上述方法還難以從根本上處理核光接地過(guò)電壓?jiǎn)栴}，僅能夠相應(yīng)地補(bǔ)償電容電流[2]。

XHP消弧器就是利用計(jì)算機(jī)實(shí)施統(tǒng)一監(jiān)控，接著再采用氧化鋅非線性電阻元件以及消弧電阻綜合線電壓予以消弧。該類(lèi)型的組合線壓消弧設(shè)施并不會(huì)影響到系統(tǒng)整體的運(yùn)作方式，不過(guò)該保護(hù)方式能夠迅速遏制弧線接地過(guò)電壓，迅速消除諧振過(guò)電壓。不僅如此，該保護(hù)裝置能夠有效地把系統(tǒng)內(nèi)的全部過(guò)電壓控制在相對(duì)較低的水準(zhǔn)，如此一來(lái)，較之于消弧線圈該保護(hù)裝置具備可觀的限壓能力。針對(duì)作用周期長(zhǎng)、對(duì)系統(tǒng)以及設(shè)施安全帶來(lái)較大威脅的電弧接地過(guò)電壓，相關(guān)人員應(yīng)該優(yōu)先采取XHP。

值得注意的是，因?yàn)榻M合保護(hù)裝置自身的運(yùn)作原理與電網(wǎng)對(duì)地的電容電流關(guān)系甚微，所以保護(hù)性能不會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)的運(yùn)作形式的改變有所變動(dòng)[3]。倘若想要有效地提升整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)就需要在電氣系統(tǒng)中同時(shí)配備消弧線圈以及XHP，如果系統(tǒng)出現(xiàn)間歇性弧光接地問(wèn)題，那么就要先采取消弧線圈予以補(bǔ)償。倘若補(bǔ)償之后接地電流相對(duì)較小，那么電弧就會(huì)自行熄滅，保護(hù)環(huán)節(jié)結(jié)束。不過(guò)，倘若消弧線圈成效不名校，那么就要求采用XHB來(lái)約束弧線接地過(guò)電壓（圖1）。

圖1 XHB消弧限壓裝置示意圖

圖1中，JZ為交流高壓真空接觸器、PT為抗飽和型消弧專(zhuān)用電壓互感器、CT為電流互感器、KGTBP為三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器、KGW為數(shù)碼控制器、RD為電壓互感器一次熔斷器、FU為高壓限流熔斷器。

2.5 操作過(guò)電壓危害的防范措施分析

如果突然阻隔電感回路電流，那么就會(huì)引發(fā)一系列操作干擾電壓，它的表征就是總體幅值較大且頻率較高。如果幅值大那么就會(huì)導(dǎo)致過(guò)電壓，如果頻率高就容易通過(guò)分布電容傳輸。針對(duì)上述問(wèn)題需要采取如下措施。

首先，線圈兩端并聯(lián)非線性電阻。一般來(lái)說(shuō)，二極管是比較普遍的非線性電阻。為了避免操作過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，那么比較常用手段即在線圈兩端并聯(lián)一處非線性電阻，如果在短時(shí)間內(nèi)突然阻斷電感電路的電流，那么就會(huì)出現(xiàn)比較明顯的反電勢(shì)，因?yàn)椴⒙?lián)二極管、反電勢(shì)會(huì)通過(guò)二極管被短路，線圈內(nèi)的自由分量電流是按照指數(shù)形式不斷下降。線圈的端電壓相當(dāng)于二極管的壓降，它們的取值往往要低于電源電壓[4]。如此一來(lái)，二極管就可以有效地防御振蕩過(guò)電壓?jiǎn)栴}，但是該手段并不可用于交流電路。

其次，線圈兩端并聯(lián)阻容支路。該手段不但可以用在直流電路中，同時(shí)也應(yīng)用在交流電路中。它們的接線方式就是將阻容支路并聯(lián)至線圈兩側(cè)。在添加的并聯(lián)支路所構(gòu)成的回路內(nèi)，電阻被控制至臨界值，所以如果開(kāi)關(guān)切斷載流線圈電流，也不會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。此外，考慮到兩支路的周期常數(shù)統(tǒng)一，所以無(wú)論總電流如何浮動(dòng)，兩支路中的自由電流分量常常保持統(tǒng)一，但是方向不同。電源支路內(nèi)自由電流分量等于零，換言之，如果開(kāi)關(guān)切斷線圈電流，那么線圈兩側(cè)的電壓就是零。因此，上述接線形式不但能夠有效地消除操作過(guò)電壓，而且還能夠清理在切斷感性負(fù)載情況下，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間生成的電弧或者火花。

最后，充分利用具備金屬屏蔽層的電纜。如果二次回路內(nèi)的電纜彼此靠近，那么一處電纜的高頻電壓，常會(huì)通過(guò)布局電容傳輸至周邊另一處電纜纜芯上，為了盡可能遏制過(guò)電壓的傳輸，此時(shí)要優(yōu)先采取具有金屬屏蔽層的電纜，同時(shí)還應(yīng)確保屏蔽層在電纜兩側(cè)各自接地，進(jìn)而讓操作過(guò)電壓的磁力線絕大部分聚集于屏蔽層內(nèi)，同時(shí)還不會(huì)影響到電纜內(nèi)部，進(jìn)而防止過(guò)電壓大范圍擴(kuò)散。倘若電纜缺少金屬屏蔽層，那么就要即使將電纜內(nèi)備用纜芯接地，這同樣也可以達(dá)到防止過(guò)電壓擴(kuò)散的效果。在采取上述措施時(shí)，不允許影響到設(shè)施的正常運(yùn)作[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

在煤炭、冶金企業(yè)，電氣設(shè)備常常會(huì)遭到供配電系統(tǒng)過(guò)電壓的威脅，所以進(jìn)一步探討引發(fā)過(guò)電壓威脅的原因并采取針對(duì)性的措施，對(duì)于推動(dòng)企業(yè)持續(xù)運(yùn)作具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，只有針對(duì)不同的過(guò)電壓，采取不同形式的防范舉措，方可更有效地保障電氣系統(tǒng)安全。