煤礦井下過電壓產(chǎn)生的原因及措施

張曉燕

摘要：本文針對煤礦井下產(chǎn)生過電壓的原因進(jìn)行分析，并進(jìn)一步提出了預(yù)防保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞；煤礦；過電壓；原因分析

1概述

近年來，由于煤礦井下大量使用低壓真空開關(guān)和真空斷路器，造成了嚴(yán)重過電壓現(xiàn)象，給電氣設(shè)備帶來了很大的危害。

煤礦井下過電壓是由于操作、故障或系統(tǒng)的某些參數(shù)發(fā)生變化 ，系統(tǒng)由一種穩(wěn)態(tài)過渡到另一種穩(wěn)態(tài)。在過渡過程中，系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量振蕩，互相轉(zhuǎn)換和重新分布，在設(shè)備上造成了過電壓。常見的過電壓有：

1.1 操作變壓器引起的過電壓。

1.2 開斷容性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的過電壓。

1.3 操作真空開關(guān)引起的過電壓。

1.4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，間隙性接地產(chǎn)生的過電壓。

1.5 諧振過電壓

從技術(shù)上，精心設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)，合理選擇使用設(shè)備，可以減少過電壓，但由于采煤工作面不斷推進(jìn)，電氣設(shè)備布置頻繁變化，設(shè)計(jì)人員考慮不周，過電壓是難免的。這些問題應(yīng)引起足夠的重視。

2 過電壓產(chǎn)生的原因分析

2.1 操作變壓器引起的過電壓

變壓器的操作包括接通和分?jǐn)啵谡Ｇ闆r下操作變壓器在二次側(cè)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)2倍二次額定電壓的瞬時(shí)電壓，但由于 非正常操作會(huì)使變壓器二次電壓的瞬時(shí)值遠(yuǎn)大于2倍二次額定電壓。例如變壓器二次側(cè)接有高阻抗負(fù)載可能產(chǎn)生大于額定電壓十倍的瞬時(shí)操作過電壓。

變壓器的過電壓與繞組的電容的激磁電流有關(guān)，當(dāng)電流在瞬時(shí)值被迫切斷，電感中的磁場能將轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在電容中。因此變壓器的過電壓與切斷的電流值有關(guān)，與變壓器的電感和繞組之間的電容有關(guān)。

另外切斷變壓器的過電壓還壓斷路器的熄孤能力以及斷路器內(nèi)絕緣介質(zhì)的恢復(fù)速度有關(guān)，切斷速度越快產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓倍數(shù)越高。

2.2 開斷空載長線路時(shí)產(chǎn)生的過電壓

斷路器在切斷空載長線路時(shí)也能產(chǎn)生過電壓，在電路開斷前，可認(rèn)為線路對地電容電壓和電源電動(dòng)勢近似相等，而流過斷口的工頻電流領(lǐng)先電源電壓90°。在電流過零電弧熄滅瞬間，線路對地電容上的電壓恰好達(dá)電源電壓的最大值。電弧熄滅后，電源與線路對地電容分開，線路對地電容C上的電荷無處泄放，所以線路對地電容電壓將保持不變，而電源電壓則將繼續(xù)按工頻變化。此時(shí)加在斷口上的電壓將逐漸增加，過了工頻半個(gè)周波后，當(dāng)電源電壓到達(dá)反相的最大值時(shí)，斷口電壓達(dá)到2Em。如果斷口的介質(zhì)強(qiáng)度不夠，而且剛好在2Em時(shí)被重新?lián)舸瑒t重新?lián)舸┖缶€路對地電容上的電壓幅值為2倍電源電壓高頻振蕩，線路對地電容電壓的最大值可達(dá)4倍電源電壓。伴隨著高頻振蕩電壓的出現(xiàn)，斷口間將有高頻電流流過，它領(lǐng)先于高頻電壓90°。因此，線路對地電容電壓達(dá)到3倍電源電壓時(shí)，高頻電流恰恰經(jīng)過零點(diǎn)，于是電弧可能再一次熄滅。此時(shí)線路對地電容上將保持3倍電源電壓，而電源電壓則繼續(xù)按工頻變化。又過工頻半個(gè)周波后，作用在斷口上的電壓將達(dá)3倍電源電壓。假如斷口又恰好在此時(shí)擊穿，則由于線路對地電容的起始電壓為3倍電源電壓，振蕩后線路對地電容上的最大電壓可達(dá)5倍電源電壓。

2.3 真空開關(guān)引起的過電壓。真空開關(guān)具有分?jǐn)嗄芰?qiáng)，分?jǐn)嗨俣瓤?介質(zhì)恢復(fù)速度快，熄弧能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，在分?jǐn)鄷r(shí)電流變化率也大,產(chǎn)生很大的過電壓，其過電壓有三種：

2.3.1 預(yù)擊穿電壓

這是產(chǎn)生在合閘過程中的過電壓。當(dāng)開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)后，兩觸頭間的距離越來越小，觸頭間介質(zhì)不足以承受強(qiáng)電場作用而產(chǎn)生擊穿，擊后電弧電流在電路中產(chǎn)生高頻振蕩，因而引起過電壓。當(dāng)電流過零時(shí)，電弧又熄滅，在繼續(xù)合閘的過程中又會(huì)二次擊穿。產(chǎn)生過電壓的頻率取決于電路的電感電容值。過電壓的幅值一般不超過相電壓峰電壓的三倍。但產(chǎn)生的幾率是非常高的，幾乎每次合閘都產(chǎn)生，如果調(diào)整不好,產(chǎn)生三相不同步，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

2.3.2 截流過電壓

真空斷路器有較好的熄弧性能，在開斷時(shí)，可以使電弧在電流過零前開斷，截?cái)嚯娏鳒粼陔妱?dòng)機(jī)或變壓器中，此時(shí)剩余的能量在電動(dòng)機(jī)或變壓器電感繞組和散電容間振蕩產(chǎn)生較高過電壓。截流過電壓有以下特點(diǎn)：

截流過電壓與真空斷路器的截流值，Ic大小有關(guān)，截流值越高，過電壓值越高；截流只發(fā)生在開斷小電流時(shí)，電流越大，陡度越大，截流值就越小；過電壓的震蕩頻率很高，可達(dá)數(shù)千Hz，高的頻率必然伴隨著高的過電壓；相對地過電壓是按相對地電容和相間電容而分配的，通常相對地過電壓為相間的2/3；電動(dòng)機(jī)和變壓器容量越小，過電壓越高。電動(dòng)機(jī)和變壓器容量小，開斷電流較小，回路電容小，電感大，因而波阻抗較大，造成過電壓數(shù)值高；

回路的電纜在50~200m范圍內(nèi)過電壓最高，而這一長度范圍基本是開關(guān)柜到電動(dòng)機(jī)或變壓器的長度，電纜長度過短時(shí)，振蕩頻率高，熄弧困難，延長了熄弧時(shí)間，過電壓低；電纜長度長時(shí)，回路電容量大，波阻抗下降也會(huì)使過電壓降低。

2.3.3 重燃過電壓

當(dāng)真空斷路器在電流過零前開斷，觸頭的一側(cè)是工頻電網(wǎng)電源，一側(cè)是高頻振蕩產(chǎn)生的過電壓。觸頭間恢復(fù)電壓為兩者之合，在觸頭開距小、觸頭間耐壓不充分的情況下發(fā)生第一次重燃。電源向回路中的電阻充電，出現(xiàn)類似空載長線路合閘的震蕩過程。回路的參數(shù)決定了重燃的高電流頻率高達(dá)數(shù)千Hz。這使得重燃的振蕩電壓高于截流電壓，這種震蕩過程直至絕緣介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度超過電壓恢復(fù)速度才終止。多次重燃過電壓的特點(diǎn)：陡度大，幅值高；變壓器和電機(jī)繞組的電壓分布上，過電壓陡度和頻率關(guān)系很大，這種過電壓對匝間絕緣威脅很大。

3 過電壓危害

3.1 過電壓對絕緣的危害

電氣絕緣是供電安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素，電氣絕緣的惡化將危害整個(gè)煤礦井下供電系統(tǒng)。各種介質(zhì)的安全性與施加在上的過電壓值有關(guān)。操作過電壓波形的峰值以及上升時(shí)間會(huì)惡化介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，過電壓脈沖越寬,持續(xù)時(shí)間越長，危害就越大。操作過電壓也可破壞絕緣介質(zhì)中分子的約束力，降低絕緣水平，過高的過電壓會(huì)使緣瞬時(shí)擊穿。

若電纜內(nèi)層絕緣是薄弱還節(jié)，在瞬時(shí)操作過電壓作用下，會(huì)造成爆炸或短路事故，其后果是造成停產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。如果接線盒內(nèi)電纜絕緣是弱環(huán)節(jié)，在瞬間操作過電壓的作用下，使絕緣失去了作用，對人身安全造成了很 大的危險(xiǎn)。所以過電壓的是不可以忽視的。

3.2 減少過電壓危害的保護(hù)措施

限制瞬時(shí)過電壓應(yīng)從合理設(shè)計(jì)供電系統(tǒng),選擇性能良好的設(shè)備入手，加強(qiáng)管理、提高操作人員的技術(shù)水平，同時(shí)供電系統(tǒng)中應(yīng)加必要的過壓保護(hù)。目前,對于井下操作過電壓的保護(hù)一般有壓敏電阻保護(hù)和阻容吸收保護(hù)。

壓敏電阻是一個(gè)限幅元件，可以將電壓的幅值限制在一定的范圍內(nèi)。對改變電壓的頻率幾乎不起作用，它用在低壓側(cè)尤其是對真空開關(guān)的過壓保護(hù)不是一個(gè)理想元件。一般用于高壓側(cè)。阻容吸收可以改變回路的阻抗，不但可以降低電壓的幅值，還可以降低電壓的頻率，是低壓側(cè)較理想的保護(hù)元件。應(yīng)當(dāng)指出的是，目前真空開關(guān)內(nèi)的阻容吸收是一個(gè)固定參數(shù)，而全國低壓電網(wǎng)的參數(shù)是很多的，操作過電壓又與電網(wǎng)的參數(shù)有關(guān)，以不變應(yīng)萬變是不可取的。而且如果電容值選擇的不當(dāng)還可以誘發(fā)過電壓。所以建議使用阻容吸收保護(hù)過電壓時(shí)一定要準(zhǔn)確 計(jì)算電容值。

在高壓側(cè)為了防止過電壓一般選用壓敏電阻作為過壓保護(hù)。除此之外建議一般情況不盡少使用真空斷路器，改用SF6斷路器，如果非用不可，應(yīng)加長真空斷路器和變壓器之間的電纜這樣可以增加分布電容，養(yǎng)活過電壓，具有關(guān)資料介紹，真空斷路器如變壓器間的屏敝電纜的最短長度為150m。

4 結(jié)束語

過電壓是易被人們忽視的問題，因?yàn)榧訌?qiáng)絕緣后過電壓一般不會(huì)使絕緣擊穿，只能使絕緣老化。也就是說不帶來直接經(jīng)濟(jì)損失，所以它的危害往往被們忽視。