维普资讯 http://www.cqvip.com 专栏ｌ电力建设 １ ０ｋＶ电网中供配电系统过电压分析及防范措施 口张树宏 摘要：通过对供配电系统过电压分析，探讨过电压产生的原因及机理，论述组合式过电压保护器和ＸＨＢ消弧 及过电压保护装置在供配电系统中应用的可行性与经济性关键字：过电压；避雷器；氧化锌：间隙 以期找到一种有效的防范措施。 １概述 最大电压为３．５Ｕ ，故障相不存在振荡过程最大过电压为 ２．０Ｕ 。由于这种过电持续的时间可以达到数十分钟或更长， 供配电系统主要是由变压器、电动机、断路器及电缆等设 备组成。由于各种因素的影响，电气备随时可能受到外部和内 波及范围广，在整个电网某处存在绝缘弱点时，即可在该处造 部过电压的侵袭，过电压出现的问题虽然短暂，但由于其峰值 成绝缘闪络或击穿，因此，弧光接地过电压的危害性很大。 高、波形陡，对电器设备威胁很大。偶尔一次过电压可能不至于 （４）配变高压绕组接地谐振过电压：运行中的三相配电变 将电器设备ｌ￣ｌｉＮ损坏，但已使设备绝缘受到不可逆的损害，多 压器，当高压绕组因匝间短路引起接地、以及高压保险同时熔 次过电压的积累作用使设备的绝缘耐受能力逐步下降，以至于 断时，均可能因谐振产生过电压。根据试验研究结果，当高压绕 最后一次并不大的电压波动都会将绝缘击穿。因此，研究过电 组一点接地时，过电压可达到２．３８倍，异相两点接地时，过电 压产生的机理、量值范围，从而恰当地进行保护设备的选择与 压为２．７３倍，其作用的时间可达数分钟或数十分钟，直到故障 变压器脱离系统为止。当接地相的高压保险同时熔断时过电压 设计，是保证电气设备安全运行的一项重要工作。以往，电气设 计中常常不是将供电系统作为一个整体予以重视，以至于电气 可达３．１３—３．３６倍，时间一般不会超过２ｓ。此外，当两台配电变 设备绝缘因为过电压而损坏的现象时有发生，大型电气设备的 压器各一点接地时，过电压最大值可达３，５～４．０６倍。 （５）Ｐ丁铁芯饱和谐振过电压：此种过电压产生的原因可能 损坏往往会严重影响企业的安全生产和经济效益。 为高次谐波、工频和低分次谐波谐振等三种，第一种在投入空 ２系统过电压分析 母线时产生，过电压幅值较高，可使母线、主变绝缘闪络，以及 ＰＴ烧坏等。后两种多在运行的电网中产生，幅值多在２～３倍之 为了保证电气设备及保护装置的安全运行，首先必须了解 间，而且特性很不稳定，作用时间可达数分钟或十几分钟，待 过电压产生的机理、量值范围等。按照过电压产生的原因，现将 Ｐ丁或高压保险熔断后，系统电压恢复正常。 １０ｋＶ电网中的各种过电压概要说明如下： （６）单相接地时切断空载线路过电压：当电网发生单相金 （１）雷电过电压：雷电过电压又称外部过电压或大气过电 属接地故障时，此时切断空载线路可产生５．０倍以上过电压， 压，是由直击雷或感应雷活动引起的，直接雷击的可能性仅存 可能直接引起避雷器爆炸和设备损坏。 在于有室外配电装置的总变电所及其引入或引出的外部架空 线路上；对于电缆进出线的厂区变电所以及相关的电气设备一 ３过电压的防范措施 般承受雷电侵入波过电压的冲击，根据国内实测结果，雷电侵 入波过电压主要表现为相对地过电压，其峰值可能达到额定相 ３．１防范的基本原则 为了实现对过电压的可靠防护，保障电气设备以及保护器 电压的６倍以上，但持续时间很短，一般为微秒级。 （２）操作过电压：真空断路器在操作时，可能由于截流、重 自身的安全运行，必须针对电压产生的原因、持续时间、量值范 燃或三相同时开断等原因而产生操作过电压。操作过电压主要 围等因素进行研究并采取针对性防护措施。一套完备的保护必 表现为相间过电压，最高可以达到３．５倍Ｕ，电流波形最宽处不 须具备以下三个要素，缺一不可。 （１）保护的全面性：保护要考虑系统各种可能的过电压，而 超过５ｍｓ：而相对地过电压一般较低，不会对设备造成危害。 （３）电弧接地过电压：在中性点不接地系统中，如果发生单 不是针对某一种工况。如Ｍ０Ａ只能限制系统相对地过电压，而 相间歇性的“熄弧一重燃”接地，则会形成一个高频振荡过程， 对相间过电压则无能为力。 （２）绝缘配合的可靠性：对过电压防护的目的是为了保护 造成间歇性弧光接地过电压，经过二次燃弧以后，两健全相的 区清算价格的方法，减少约束上机组的市场力：发电检修权可以 效工具，例如差价合约的模式。对；中性合约尤其适合在多卖方、 引入竞争机制，防止卖方通过检修计划控制产量，减少共谋现 多买方的市场中运用，可以做到发电权的自动转让，能够引入 象，同时实现发电检修计划审批机制的市场化过渡。 期权等其他金融衍生产品，能够显性调节转型期各种补贴关系 （３）市场主体经营风险。由于市场主体在转型经济期总体 和历史遗留问题，做到竞争比例的控制和从计划到市场的良好 不够成熟和理性，过多的投机行为会造成市场经营风险加大。 衔接。总之，中国电力市场建设必须坚持市场化改革的导向，使 防范和控制市场经营主体的风险，关键在于对合约的签署、平 得市场机制开始在资源的优化配置中发挥基础性的作用：同时， 衡账户的科学设计以及限价的合理确定。对于市场限价，市场 电力市场建设又需要进一步随着整个国民经济的市场化步伐 初期采用统一限价的方法比较合适，即竞争范围内统一限价， 而不断深入和完善。研究好竞争过渡和风险防范，做到市场平 买卖双方统一限价，峰谷时段分别限价，同时，限价要和现行的 稳起步，是当前市场建设的关键环节。● 上网电价、历史的市场价格相衔接。在转型经济过程的电力市 场建设中，引入对冲是电力市场交易风险防范和竞争过渡的有 （作者单位：广东电网公司江门鹤山供电局） １５６ 广东科技２００８（３７总第１９２期 维普资讯 http://www.cqvip.com 电力建设Ｉ专栏 设备绝缘的安全，所以保护装置的参数设计必须与设备的绝缘 耐受能力进行合理匹配。 （３）保护装置自身的安全性：在对电气设备能够可靠保护 的前提下，保护装置自身必须能够安全运行，否则，不仅保护不 了绝缘，反而造成系统中的事故隐患。 ３．２雷电过电压的防护 对于直击雷过电压，目前国内较多的采用避雷网、避雷针 进行防护；对于雷电侵入波过电压，由于其表现形式主要为相 对地过电压，一般采用ＭＯＡ加以防护。对这类保护措施，国内 应用很多，技术比较成熟，这里不再详述。 ３．３瞬时内部过电压的防护 近年来，随着真空断路器的广泛应用、电缆供电的增多以 及电网规模的扩大，内部过电压的危害已经越来越严重。内部 过电压更多地表现为相间过电压， 三星型接法的ＭＯＡ对相间过电压 基本没有防护作用，在这种情况 下，安装组合式避雷器是一种可行 的保护方案相对于老式的ＭｏＡ， 组合式避雷器一般采用四星型接 法，如图１所示，由Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个 保护单元两两组合成六只完整的 图１组合式避雷器基本原理避雷器，分别保护三相对地过电压 和相间过电压，使保护的全面性大大提高，两种电机型避雷器 的电器特性对比见表１。 表１ １０ｋＶ、ＭＯＡ和组合式避雷器电气特性比较表 ｋｖ 产品类型 电压等级 直流ＩｍＡ参考电压 操作冲雷电冲 击残压击残压 Ｍ ＯＡ １０ 相对地 １８ ９ ２５ ２５ 相间 ３７．８ ５０ ６２ 组合式避 相对地 １６ ５ ２３ １ ２４ ８ 雷器 １０ 相间 １６ ５ ２３ １ ２４ ８ 由表１可见，老式ＭＯＡ保护动作后的瞬时残压值偏高， 对雷电产生的相对地过电压保护作用比较勉强，对相间过电压 完全没有保护作用。而组合式避雷器对相地过电压和相间过电 压具有同等的保护作用，相对地过电压的保护性能优于避雷 器，而相间过电压更是下降了６０～７０，保护的全面性以及与电 动机绝缘水平（２５ｋＶ）配合的可靠性都大大提高。 ３．４弧光接地、谐振过电压的防护 耐受过电压和限制过电压是两个不同的概念，耐受过电压 是指避雷器在一定幅值、一定时间过电压的作用下，不会产生 异常和爆炸。避雷器必须能够耐受常见的内部过电压，否则自 身安全无法保障。但是，对于弧光接地和谐振过电压，由于其作 用时间的不确定性，要求避雷器完全能够耐受显然是不经济、 不合理的。对这类过电压，可以采用中性点经消弧线圈的运行 方式，或者安装×ＨＢ消弧限压装置。 中性点经消弧线圈接地的保护方式主要原理是利用电感 电流与电容电流在相位上相差１８０。的原理对接地相的电容 电流进行补偿，但现行所有以消弧线圈设计的自动跟踪补偿或 自动调谐是在电网工频（５ＯＨ。）下完成的。电网在单相间歇性 电弧接地时刻，在健康相（非故障相上）发生的弧光过电压和通 过电弧接地故障点的总电流是幅值较大的高频电流，而电网电 容和消弧线圈电感在高频下，两者频率特性）是完全不同的，两 者在高频下互相补偿或调谐具有一定的难度。即使消弧线圈的 感性电流能完全补偿容性电流，中性点位移电压Ｕ。仍将很高。 过补偿方式可减小中性点位移电压，但失谐度大，将使线 路接地电流太大，电弧不易熄火，那么弧光过电压仍然存在。所 以，消弧线圈自动跟踪或自动调谐可以对电容电流进行一定程 度上的补偿，减少弧光接地发生的几率，但是不可能像一些杂 志所报道的能“消除弧光接地过电压”。ＸＨＢ消弧限压装置是在 据过电压性质以及接地属性分别作出处理。 对于瞬时的雷电过电压或操作过电压等，由ＺｎＯ对过电压 进行限制并吸收其能量，过电压消除后，系统自动恢复正常工 作。如果接地故障是稳定的金属性接地，则ＺＫ仅发出故障相别 的指示信号，由微机选线装置查找接地故障点，并警报值班人 员进行排除。 如果接地故障是间歇性弧光接地，首先ＺｎＯ上将过电压限 制在一个较低的水平，并提供信号给综合控制器ＺＫ，ＺＫ通过对 信号转换器以及ＺｎＯ提供的信号进行计算处理，判别出接地故 障发生的相别及接地性质，发出指令将对应相的快速电子开关 ＫＤ闭合，使灭弧电阻投入，将系统由不稳定的弧光接地转变为 稳定的电阻接地，将弧光消除，把过电压控制在规程允许的范 围以内，同时进行故障的查找及排除。 ×ＨＢ保护方式，可以快速地抑制作用时间长、对系统及设 备安全威胁最大的弧光接地过电压，消除谐振过电压。同时，系 统中的各类过电压．均被限制到较低电压水平，其限制过电压 的功能将比装设消弧线圈更可靠、更完善：整套装置限制过电 压的机理与电网对地电容电流的大小无关，，因而其保护性能 不随电网运行方式的改变而变化，电网的扩大也无影响。 该装置特别适用于环境比较恶劣但又必须保证供电连续 性的煤炭、冶金企业。为了进一步加强系统的可靠性，也可以将 消一弧线圈与ＸＨＢ同进使用。当系统发生间歇性弧光接地时， 通过消弧线圈进行补偿，如果补偿后接地电流较小，电弧可自 行熄灭，×ＨＢ不动作：否则，×ＨＢ可以准备动作，有效限制系统 弧光接地过电压。 ４结束语 （１）对于不同的过电压应采取针对性的防范措施，应该考 虑保护的全面性，绝缘配合的可靠性和保护器自身的安全性。 （２）ＭＯＡ只能够对雷电产生的相对地过电压起到一定的 限制作用，而内部过电压更多地表现为相问过电压，可以采用 组合式避雷器进行保护。 （３）对于系统中存在时间较长、威胁最大的间歇性弧光接 地过电压、谐振过电可以采取安装ＸＨＢ消弧及过电压保护装 置进行防护。■ 参考文献 【１】张作琴，电力系统弧光接地保护的研究，电力科学与工程［Ｊ］３．２００２ Ｉ４）． 【２】李学思，三相组合式氧化锌避雷器，电瓷避雷器［Ｊ】．１９８９，Ｉ１）． 【】３】许颖，对消弧线圈消除弧光接地的疑义，电力设备［Ｊ］３．２００１，Ｉ４）． （作者单位：清远电力设计有限公司） １５７ 广东科技２００８ ０７总第１９２期