變電站過電壓分析及防護淺析

摘 要：電力系統由于內部或外部原因常會造成系統過電壓。實踐表明，過電壓是造成電網絕緣損壞的主要原因，同時也是選擇電氣設備絕緣強度的決定性因素，因此必須采取強力措施加以限制。過電壓通常可分為兩大類，既大氣過電壓和內部過電壓，其中內部過電壓又可分為工頻過電壓、操作過電壓、諧振過電壓三種。本文分析電力系統過電壓的各種不同類型及其產生原因，并提出預控措施。

關鍵詞：過電壓；分類；產生原因；防護措施

0.引言

我國電網發展很迅速，早在八十年代就開始發展500kV 超高壓線路。隨著電網電壓的升高，電網規劃設計及輸變電工程設計要涉及的系統問題，也有很大變化，35-110kV 電網主要研究潮流、短路電流問題，220kV 電壓就增加了穩定問題，電壓升到330kV 后，則還必須研究其內過電壓問題。

當電力系統中某部分電壓高于正常運行電壓的時候，即電位差高于正常電位差的時候，可能會對電力系統絕緣結構造成損傷甚至擊穿。這種情況稱為過電壓。根據發生原因，分為兩種：外部過電壓和內部過電壓。內部過電壓：電力系統內部由系統故障或人員誤操作引起的過電壓稱為內部過電壓。一般為暫態過電壓，按照發生原因分為穩態性質的暫時過電壓和暫態性質的操作過電壓。暫時過電壓主要包括工頻過電壓和諧振過電壓。

1.外部過電壓

1.1外部過電壓。由大氣中雷電現象引起，又稱雷電過電壓、大氣過電壓。當雷擊發生時，雷云和地面間發生放電現象，對電力系統產生影響。由于其放電時間短（數十微秒級別），又稱為雷電沖擊波。根據影響類型分為兩種：感應雷過電壓和直擊雷過電壓。

1.2限制措施

直擊雷是高壓線路產生雷電過電壓的主要因素，我們按照收到直擊雷影響后線路的跳閘進程將限制措施分成四個部分：

1.2.1第一層防護是導線：采用避雷線或者是避雷針防止雷直接擊壞導線，或者是把導線換成電纜防止雷擊。

1.2.2第二層防護是防止雷電的反擊：降低桿塔的沖擊接地電阻，增加耦合和分流（采用雙避雷線、耦合地線、不平衡絕緣），加強絕緣，采用管型避雷器等。

1.2.3防止建弧：增強絕緣（采用瓷橫擔、木橫擔），電網中性點經消弧線圈接地等。

1.2.4防止供電中斷：環網供電，安裝重合閘等。

2.操作過電壓

2.1操作過電壓指由于發生了斷路器操作或突然短路引起的過電壓，其設計人工操作，持續時間一般比較長，可達幾十毫秒級別。其電壓幅值較高，一般達到正常運行電壓三倍以上。常見的操作過電壓引發原因有：（1）切除空載線路（2）空載線路合閘或重合閘（3）切斷空載變壓器（4）斷續電弧接地。

2.2限制措施

2.2.1從增強電氣設備的絕緣性能著手。實時嚴格監察電氣設備的絕緣情況，當發現絕緣不合理容易發生事故之處應立即處理，防患于未然，離線測試增強絕緣性能不足之處。對于距離很遠的中性點不接地的系統，接地電流大，如果情況允許的話可嘗試將電網分開工作，能夠更快的實現接地電弧自熄。

2.2.2限制切空變過電壓的措施是針對其產生的機理，該過電壓由斷路器的截流造成，主要采用閥型避雷器進行限制。

2.2.3改善斷路器的結構，在快速滅弧之后不會重燃，優化增強觸頭間介質能夠恢復的程度，這些方法都能夠限制空線過電壓的產生。改善滅弧性能防止斷路器在開斷空線中重燃現象的產生，可以通過使用有特殊性能的斷路器，例如空氣斷路器和配備了壓油式滅弧裝置的少油斷路器。

2.2.4一般長線路比較成熟和常用的方法是線路側并聯電抗器，輔助以性能良好的金屬氧化物避雷器作為二次限制。短線路就只需要使用金屬氧化物避雷器一種限制方式即可。

3.諧振過電壓

3.1當電力系統中儲能元件（如電容、電感等）在接線方式不恰當時，某些情況下會與電源頻率發生諧振，產生過電壓。這種過電壓稱為諧振過電壓，按照發生原因分為以下幾類：（1）鐵磁諧振過電壓（2）線性諧振過電壓（4）參數諧振過電壓。諧振過電壓與引起的電容電感元件參數有關，另外還涉及到系統結構、系統中性點接地方式、電網設備性能。其特點為持續時間長過電壓倍數高，必須消除諧振才能清除，一般在系統設計和運行時加以規避。

3.2限制措施

抑制參數諧振過電壓的措施有：利用快速自動勵磁調節裝置消除同步自勵磁；在高壓電網中投入并聯電容器，補償線路電容，使得等值容抗大于和從而消除諧振；臨時投入串聯電阻。

鐵磁諧振過電壓的消諧措施：加裝消諧器。目前大部分的電力系統都是使用消諧器安裝到系統中以達到消除諧振的目的，使用廣泛技術成熟，根據鐵磁諧振一次二次諧振特性，加裝消諧器也有相應的兩種，即加裝二次消諧器和加裝一次消諧器。

限制諧振產生的過電壓的基本方法是破壞線路的諧振條件，恢復到正常的運行狀態，還可以通過增加回路的消耗來實現。在電力系統設計和運行時，應采取措施規避能夠產生諧振的各種條件。

4.工頻過電壓

4.1工頻過電壓一般產生于電網系統運行狀態的驟變或長線路的電容效應。空載長線會有電容效應，在工頻電源作用下，遠距離空載線路的電容效應導致沿線電壓不均等，電源端電壓低末端電壓高，造成過電壓。當線路不對稱接地時，如三相輸電線a相短路接地，會導致b、c兩相上電壓升高，形成過電壓。當線路上由于突發故障瞬間甩掉負荷時，電源電動勢不能及時響應自動調整，造成過電壓，稱為甩負荷過電壓。

4.2限制措施

4.2.1 對于一些老舊和傳統的發電機組很有可能使用的還是手動方式進行調整勵磁，手動方式反應慢會造成長時間的過電壓穩定慢，自動勵磁裝置調整快，工頻過壓明顯小于手動勵磁，因此一定要改為使用自動的電壓調整勵磁裝置；

4.2.2增大機端的負荷數量和負荷功率。特別要增加距離發電廠很近的所謂的機端的負荷，這些負荷屬于無功負荷，能夠限制電壓上升幅度和機組的轉速，能夠有效地抑制工頻過電壓的大小；

4.2.3在使用現有的系統時，在正常操作或事故跳閘時也要注意，合閘時， 先合線路電源容量較大的一端也就是末端，應該先合閘，電源容量較小的一端也就是線路的首端在末端之后操作；分閘時，應該先打開線路的首端，然后再首端之后操作末端；

4.2.4如過設備使用允許時，盡量多的使用機組，以此來降低機組的負荷率，提高線路輸送負荷的功率因數；

4.2.5要定期檢查和維護機組的調速器，使其保持好的工作狀態。調速器在發生甩負荷過電壓情況時，能夠減緩過電壓的增大，使工頻過電壓快速從暫態過度到穩態，同時還能夠減小系統因為過電壓而造成更大程度的損壞，減小過電壓對系統造成的危害；

4.2.6要重視對機組的使用操作和維修保養，杜絕人為的使用錯誤和判斷錯誤，從外因上降低工頻過電壓產生次數。

5.總結

電力系統過電壓是發展超高壓和特高壓電網所必須研究的重要課題，它不僅影響變壓器、斷路器、輸電線路等電力設備絕緣強度的設計，而且還直接關系到電力系統是否能夠安全可靠的運行。本文針對輸電系統中過電壓的產生進行了分類和產生原因簡析，并提出相應的抑制措施，從而指導減小過電壓造成的損害。

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作者簡介：

王舶屹1989年3月1日、性別男、民族漢、籍貫四川省眉山市仁壽縣、就職單位中國水利水電第七工程局有限公司、職稱助理工程師、主要從事輸變電工程現場工程技術管理工作。