供配電系統(tǒng)過(guò)電壓的危害及防范措施

蘇雁忠

摘要：本文主要探討電網(wǎng)當(dāng)中供配電系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)電壓的原因以及在電氣設(shè)備中安裝電壓保護(hù)器和電壓保護(hù)裝置以達(dá)到保護(hù)供配電系統(tǒng)的目的的科學(xué)性和可行性，通過(guò)分析找出合理科學(xué)防范過(guò)電壓的措施。

關(guān)鍵詞：供配電系統(tǒng);過(guò)電壓;防范措施

引言

與架空輸電線路相比，電力電纜因其出色的應(yīng)用便捷性與良好的絕緣性能在輸配電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于核電站內(nèi)的廠用電低壓配電系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全電纜覆蓋。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電力設(shè)備資產(chǎn)管理仍存在諸多問(wèn)題。當(dāng)配電系統(tǒng)進(jìn)行重新規(guī)劃或者設(shè)備更新后，往往缺乏必要的過(guò)電壓計(jì)算校核。過(guò)電壓的頻率特性反映了暫態(tài)過(guò)程中電壓的振蕩程度，對(duì)進(jìn)一步明確電纜絕緣在操作沖擊作用下的損傷效應(yīng)具有重要的意義。同時(shí)，過(guò)電壓與過(guò)電流的計(jì)算結(jié)果對(duì)電纜線路的狀態(tài)評(píng)估與繼電保護(hù)的整定配合具有重要的參考價(jià)值。

1常見的供配電系統(tǒng)過(guò)電壓情況

雷電過(guò)電壓是由直擊雷或者感應(yīng)雷在云層中進(jìn)行活動(dòng)引起的，因此又被稱為外部過(guò)電壓或者大氣過(guò)電壓，室外配電裝置的總變電所以及總變電所引入和引出的外部架空線路可能會(huì)遭受到直接雷擊，國(guó)內(nèi)的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，對(duì)于電纜的進(jìn)出線、變電所和涉及的電氣設(shè)備一般承受雷電侵入波過(guò)電壓的沖擊時(shí)，雷電侵入波過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間是十分短暫的，只有十幾微秒，其主要表現(xiàn)形式是相對(duì)過(guò)電壓，其峰值電壓在額定電壓的6倍以上。操作過(guò)電壓是在對(duì)真空斷路器進(jìn)行操作的時(shí)候，由于節(jié)流重燃和三相同時(shí)短路開斷而造成的一類過(guò)電壓，其主要表現(xiàn)形式為相間過(guò)電壓。一般情況下，電壓的最高值可以高達(dá)3.5倍，電流的最寬波形不會(huì)高于5ms，電壓相較于其他過(guò)電壓而言比較低，操作過(guò)電壓是不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害的。電弧接地過(guò)電壓會(huì)對(duì)個(gè)人的人身安全和國(guó)家的財(cái)產(chǎn)造成巨大的危害和損失，主要是因?yàn)橹行渣c(diǎn)不接地系統(tǒng)中產(chǎn)生了單相間歇性的“熄弧—重燃”接地，造成了高頻振蕩，在這個(gè)過(guò)程中形成了間歇性弧光接地過(guò)電壓。這種過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到十幾分鐘甚至更久，其波及范圍非常廣，如果整個(gè)電網(wǎng)中存在絕緣的弱點(diǎn)，會(huì)在這個(gè)絕緣弱點(diǎn)處造成絕緣閃絡(luò)或者直接擊穿。單相接地時(shí)切斷空載線路過(guò)電壓產(chǎn)生的主要原因是電網(wǎng)發(fā)生單相金屬接地故障，導(dǎo)致切斷空載線路產(chǎn)生5倍以上的過(guò)電壓，這種高電壓會(huì)直接引起避雷器的爆炸和相關(guān)設(shè)備的損壞，所以危害非常大。

2接入負(fù)荷波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓和過(guò)電流影響理論分析

由于系統(tǒng)在發(fā)生單極接地故障時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓，過(guò)盈率較低，因此對(duì)于單極接地故障，分析了傳入負(fù)荷波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓的影響。如果系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障，以接口設(shè)備輸出單極接地故障為例，故障極電壓降至零，而故障極電壓增加兩倍于正常操作，使故障極電容器在故障期間充電，其充電路徑為圖（1）顯示了加載無(wú)故障極電容器的接口設(shè)備，（2）顯示了加載故障極電容器的mmC。由于無(wú)故障極電壓是通過(guò)接口設(shè)備和逆變器加載無(wú)故障極電容器而產(chǎn)生的，因此負(fù)載過(guò)程是指接口設(shè)備的電容器電壓以及逆變器和系統(tǒng)參數(shù)，因此負(fù)載波動(dòng)不會(huì)影響無(wú)故障極電容器的負(fù)載過(guò)程。圖2顯示，阻塞VSC后，輸出并聯(lián)電容器不能卸載到充電終端，但橋臂反應(yīng)器中存儲(chǔ)的能量仍然可以通過(guò)并聯(lián)二極管卸載到短路點(diǎn)。對(duì)于無(wú)功率反饋的交流負(fù)載，交流負(fù)載必須消耗橋臂反應(yīng)器存儲(chǔ)的一定能量。因此，橋臂反應(yīng)器直至載荷結(jié)束的輸出電流在載荷波動(dòng)和卸載條件下相對(duì)于滿載運(yùn)行而言有所下降，從而使輸出殘馀電流增大，殘馀電流大于載荷卸載條件下的殘馀電流。對(duì)于具有功率反饋功能的交流微電網(wǎng)，交流微電網(wǎng)可以通過(guò)平行二極管放電到短路點(diǎn)，與全負(fù)荷運(yùn)行相比，輸出殘余電流有所增加。從上述分析來(lái)看，兩極短路誤差下的過(guò)電流主要是由接口設(shè)備輸出電容下載到短路點(diǎn)引起的，這是指接口設(shè)備輸出電壓、負(fù)載大小和故障時(shí)設(shè)備參數(shù)之間的關(guān)系。負(fù)載波動(dòng)不影響故障期間的卸載過(guò)程，而只影響當(dāng)前的最大值，因此故障后的當(dāng)前波形相似。由于系統(tǒng)采用恒定電壓調(diào)節(jié)，因此確定系統(tǒng)參數(shù)的超出量?jī)H指故障期間的負(fù)荷，故障期間的負(fù)荷越大，超出量越小。

3具體的防范措施

為了確保電氣設(shè)備和維護(hù)保護(hù)器能夠正常安全地運(yùn)行，必須做好過(guò)電壓的防范工作，為了避免過(guò)電壓造成危害，要對(duì)過(guò)電壓產(chǎn)生的原因和持續(xù)的時(shí)間以及量值范圍等問(wèn)題進(jìn)行研究，從而更具有針對(duì)性地采取相應(yīng)的防護(hù)措施，對(duì)于電氣設(shè)備中的保護(hù)器，必須具備三個(gè)要素：第一個(gè)要素就是全面性，對(duì)電氣設(shè)備和保護(hù)器的保護(hù)，要考慮到系統(tǒng)當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)的各種過(guò)電壓，而不能僅僅只針對(duì)某一種特殊的情況，比如MOA就在發(fā)生相間過(guò)電壓時(shí)無(wú)法發(fā)揮有效的保護(hù)作用，MOA僅僅只針對(duì)限制系統(tǒng)相對(duì)的過(guò)電壓發(fā)揮保護(hù)作用。第二個(gè)要素則是對(duì)絕緣配合的可靠性，在設(shè)計(jì)對(duì)電氣系統(tǒng)的相關(guān)的保護(hù)裝置的參數(shù)時(shí)，首先要考慮到的問(wèn)題就是設(shè)備的絕緣耐受能力對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的主要目的就是為了保護(hù)設(shè)備的絕緣體的安全。第三個(gè)要素則是需要保障保護(hù)裝置的安全，在對(duì)電氣設(shè)備安裝保護(hù)裝置時(shí)，必須要確保保護(hù)裝置能夠安全運(yùn)行，否則，保護(hù)裝置就會(huì)對(duì)電氣系統(tǒng)造成危害，埋下事故隱患，從而帶來(lái)更多的安全隱患。內(nèi)部過(guò)電壓主要是指系統(tǒng)在典型運(yùn)行和故障條件下的過(guò)電壓。一般采用電磁暫態(tài)仿真軟件，模擬、分析典型故障下關(guān)鍵位置的電壓分布及其影響因素，表示關(guān)鍵故障條件。有關(guān)學(xué)者對(duì)配電系統(tǒng)中的規(guī)則保護(hù)、子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、限流措施、典型負(fù)荷轉(zhuǎn)換和過(guò)電壓波動(dòng)的影響進(jìn)行了大量研究。例如，無(wú)論轉(zhuǎn)換器子模塊是否被阻塞，都會(huì)模擬其對(duì)故障特性和過(guò)電壓分布的影響。研究結(jié)果表明，電極間短路故障時(shí)，電極與次模態(tài)電流之間的電壓值被阻塞時(shí)高于未阻塞時(shí)。為了影響變換器全橋半橋子模塊在過(guò)電壓通道上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真分析表明半橋體系整體應(yīng)力較低。接下來(lái)，對(duì)超導(dǎo)限流器和限流反應(yīng)器對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)電壓的影響進(jìn)行了書目仿真分析和比較，得出了添加限流反應(yīng)器時(shí)過(guò)電壓較大的結(jié)論。從配電系統(tǒng)連接的各種間接荷載和波動(dòng)荷載的影響來(lái)看，仿真分析表明，開關(guān)荷載和波動(dòng)荷載對(duì)系統(tǒng)電壓影響不大。當(dāng)連接不同拓?fù)?、各種不同直流負(fù)載時(shí)，過(guò)電壓的影響因素將繼續(xù)增加。配電系統(tǒng)的變換器通常位于室內(nèi)，電纜主要用于線路，因此閃電及其防護(hù)一般不考慮在內(nèi)。但也有配電系統(tǒng)的某個(gè)接觸點(diǎn)暴露于外部閃光并導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法使用的情況;考慮到今后仍可使用架空線路，有必要研究配電網(wǎng)架空線路的防雷、變頻器雷擊浪涌過(guò)電壓及其防護(hù)。配電網(wǎng)架空線路防雷研究應(yīng)基于內(nèi)部過(guò)電壓及其避雷針配置方案，如。b .增加變流器并聯(lián)避雷針的數(shù)量，安裝線路避雷針，在空氣中安裝避雷線，降低接地電阻塔及其組合。避雷針必須充分考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性。文獻(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)各種防雷系統(tǒng)進(jìn)行了綜合比較分析。并結(jié)合并行避雷器數(shù)量增加、避雷線施工、塔人工接地等綜合避雷針保護(hù)方案，比較分析了車站設(shè)備避雷針?biāo)?、線路避雷針率和投資成本的差異。結(jié)合電源可靠性要求和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，提出了不同防雷保護(hù)方案的適用方案。與電纜相比，架空線路的使用仍然是配電系統(tǒng)可靠性的重大挑戰(zhàn)，如果經(jīng)濟(jì)性允許，建議不要使用架空線路。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，面對(duì)不同的過(guò)電壓，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用不同的防護(hù)手段，只有采取更有針對(duì)性的保護(hù)措施，才能更有效地保障電氣系統(tǒng)的安全，這對(duì)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的。

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