矿山供电网络操作过电压的产生原因及抑制措施

福建煤电股份有限公司 张华育

矿山供电网络操作过电压的产生原因及抑制措施

福建煤电股份有限公司 张华育

一、操作过电压的产生原因

操作过电压是电力系统中由于开关操作或事故状态而引起的瞬间过电压。在开关操作或事故过程中，系统的运行状态发生突变（操作前后或事故前后）将引起系统中电容和电感的电磁场能量相互转换，在这一过程中，电网局部线路可能产生短时间高电压，常见的操作过电压主要在切除空载线路时和空载线路合闸时产生，切除空载线路是电网中最常见的操作过程之一。运行经验表明，开关灭弧能力愈差，开关中电弧重燃的概率愈大，过电压产生的可能性愈高，事故也愈大，所以重燃是产生过电压的根本原因。

1.产生过电压的物理过程。

式（1）中，LT为线路电感，CT为线路对地电容，L为发电机、变压器的漏感和。

式（2）中，Xc和Xs分别为电容和电感的容抗和感抗。

忽略线路电容效应的影响，在开关K断开之前，认为线路电压u（t）（即电容CT上的电压）等于电源电压，设开关在t1时刻动作，电容CT上的电压为－EM，此瞬间流过开关的工频电流恰好为零，开关中发生第1次断弧，实际上开关在此之前的工频半周以内的任何一个时刻动作，只要不发生切断电流现象，开关中电弧总要到t1时刻才会熄灭。开关断开后线路电容CT上的电荷将保持下来，使线路保持这个残余电压－EM，但开关电源侧触头上（A）点的电压仍按电源余弦电势变化，开关触头上出现愈来愈高的恢复电压UAB。即

t1为第一次断弧，t2为第一次重燃，t3为第二次断弧，t4为第二次重燃，t5为第三次断弧。如果开关触头间去游离能力很强，电弧从此熄灭，线路被断开，无论为在线侧或线路侧都不会产生任何过电压。但若开关性能不良，而触头上的恢复电压UAB经0.01 s后可达2EM，在这段时间内就有可能发生重燃。为研究最危险的过电压情况，假定重燃发生在UAB最大时刻t2，此时UAB＝2EM，e（t2）=EM，在电弧重燃瞬时，电源电压EM加在电感LS和具有初始值－EM的电容CT组成的振荡电路上，回路的固有振荡角频率为ω0＝1/（LSCT），由于固有振荡频率比工频50周大得多，可以认为在高频振荡瞬间电源电势EM保持不变，即电源通过电感LS对电容CT充电的过程中，CT上电压所达到的最高值，即线路上的过电压的数值，忽略回路损耗所引起的电压衰减可按下式计算；

当线路CT上电压振荡达到最大值3EM瞬间t3时，开关中流过的高频振荡电流恰好为零，这时因为回路中流过的是电容电流，因此在t3时刻电弧又将熄灭，而电弧熄灭后线路上就保持3EM的残余电压值。假如在t3时刻电弧不能熄灭，那就要等到高频电流振荡衰减后的t4时刻工频电流过零时才会熄灭。此后触头之间的距离愈来愈长，则恢复电压也愈来愈高，到t4时刻恢复电压UAB可达4EM。如在此时再次发生重燃，CT上的初始值为3EM，稳态值为－EM，故

假如继续每隔半个工频周期就重燃1次和重熄弧1次，则过电压将是3EM，－5EM，7EM…幅值愈来愈高。

2.影响过电压的因素。

（1）重燃的次数。重燃次数与开关性能有关。次数越多，发生高幅值过电压的概率越大，通常油开关的重燃次数较多，有时可达4～6次，压缩空气开关重燃次数较少或不重燃。

（2）重燃发生的时间。如果电弧重燃发生在1/4工频半周t0时刻之前，则基本上没有过电压发生。

（3）中性点的运行方式。中性点的运行方式对切除空载线路过电压有很大影响。在中性点直接接地的电网中，各相有自己的独立回路，相间电容影响不大，切空载线路过程与上面讨论的情况相同。但中性点不接地或经消弧线圈接地时，三相开关分闸的不同期性，会形成瞬间的不对称电路，中性点将发生偏移，三相之间互相牵连影响，使分闸时开关中电弧燃烧和熄灭的过程变得复杂。在不利的条件下，使过电压显著提高，远高出中性点接地时的过电压。

二、操作过电压的抑制措施

切除空载过电压是选择线路绝缘水平和确定电气设备试验要求的重要依据。及时采取措施消除或限制这种过电压，对于保证系统安全运行和进一步降低电网绝缘水平具有现实意义。因此，为有效抑制这种过电压，除选用灭弧能力强的快速开关外，还常采用以下措施：

1. 并联电阻。即在开关主触头K1上并联一定大小（约3 000 Ω）的电阻R和辅助触头K2，以实现线路的逐级开断。在拉闸时，主触头K1先断开，此时并联电阻R1就被串联在回路中，抑制回路中的震荡，这时K1触头两端的恢复电压是电阻R两端的压降，主触头K1上的电弧不易重燃，同时电阻R将消耗掉线路电容中一部分能量，经1～2个工频周期，在触头K2分闸时，由于前一阶段回路中的振荡受到了抑制，线路残余电压又较低，过电压也就显著下降。

2. 线路侧接电磁式电压互感器。由于电压升高，引起磁路饱和后，阻抗降低的泄流作用，将降低线路上的残余电压，从而使这种过电压具有较低的数值。据调查，我国在220 kV线路上的试验结果表明，线路侧的电磁式互感器可使最大重燃过电压降低约30%。与此同理，在直流接地系统中，当变压器低压侧连同变压器切除空载线路时，变压器铁芯的饱和对降低这种过电压也起到一定的作用。

3. 并联电抗器。这种方式也可以减少电弧重燃的机会。

三、结论

本文，笔者通过对矿山供电网络操作过电压产生的物理过程和影响因素的分析可以看出，网络操作过电压是由各式各样的操作引起的，通过本文的讨论，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都有重要意义。