配电网的内部过电压防护

配电网的内部过电压防护XiaZhen-Fei1LongyuanInnerMongoliaWindPowerCo.,Ltd.,InnerMongoliaHohhot010080;摘要：配电网通常是指63kV及以下的电压等级，直接向广大用户馈电的电力网。配电网的过电压问题与高压、超高压电网是有区别的。在内部过电压方面，要注意特有的内部过电压问题，以及与高压电网相比，易发生的断线引起的谐振过电压问题。这些过电压问题严重地威胁着电气设备的绝缘和电网的安全性。因此，只有系统地分析这些过电压问题的形成过程及其影响因素，才能合理有效地采取防护措施，保证电网安全可靠运行。关键字：配电网；过电压；内部过电压；防护措施Abstract:Distributionnetworkusuallyreferstothe63kVandundervoltagelevels,anddirectlyfeedstothebroadmassesofusersofthenetwork.Comparedwiththehighvoltageandultrahighvoltagepowergrid,theovervoltageproblemsaredifferent.Attheinternalovervoltageaspects,weshouldpayattentiontospecialovervoltageproblems,aswellascomparedwithhighvoltagepowergrid,beingvulnerabletobreakcausesresonanceovervoltage.Theseovervoltageproblemsseriouslythreatentheelectricalequipmentinsulation.Onlythesystemanalysestheformationprocessoftheovervoltageandtheinfluencingfactors,andcanitreasonablytakeprotectivemeasurestoensurethesafeoperationofthepowergrid.Keywords:distributionnetwork;overvoltage;internalovervoltage;protectivemeasures0引言配电网具有设备多和分布广的特点，它直接担负着向广大用户供电的任务。如配电网中发生过电压事故，不但会影响用户用电，而且还可能威胁人身安全。电力系统的工作可靠性是和过电压的大小密切相关的。如果发生了过电压，可能会造成电力系统绝缘或保护设备损坏。一般来说，过电压分为外部过电压和内部过电压，内部过电压包括操作过电压，谐振过电压和工频过电压。下面作介绍，并提出相应的防护措施。1配电网操作过电压在电力系统中，常用的储能元件是电感和电容元件。操作过电压是指，当工作状态由于操作事故而发生变化时，将发生振荡过程，在这个过渡的过程中，由于电感中的磁场能会在某一瞬间转化为电容中的电场能，从而产生几倍于电源额定电压的过电压。操作过电压一般会在几ms至几十ms后就会消失的。形成操作过电压主要取决于电力系统的本身属性。因此，这种过电压的幅值大小一般与其电源额定电压成正比关系。过电压的幅值大小主要是由高相电压幅值的倍数来表示。操作过电压的幅值与电气设备的本身属性，以及系统本身的结构参数、运行操作和故障类型等因素都有着关系，因此，它是随机的。在不接地的电力系统中，操作过电压主要分为弧光接地过电压，开断感性负载引起的过电压和投切容性负载引起的过电压等]1[。目前，城市与农村的电网改造已经在我国大范围的推广。特别是网络的结构参数以及运行参数，它们都发生了变化。其主要表现在线路中的电容电流增大，电缆线路增多，配变容量增大，输电线路的条数增加，每条线路的负荷电流减小，以致一部分线路在低峰时段，成为了空载运行的线路和空载运行的配变。1.1分闸空载线路过电压切空线是电力系统中常有的操作。在开断过程中，若断路器发生重燃，使线路积累了电荷，并引起电磁振荡，会出现过电压。这种过电压不止幅值高，且持续时间长，可达0.5～1个工频周期以上，是220kV及以下电网确定操作绝缘水平的依据。限制空载线路分闸过电压的措施：（1）、提高断路器的灭弧性能，特别是提高切断小电流或者是电容电流的性能，减少电弧重燃的可能性；（2）、在线路末端和电缆分支箱中加装避雷器降低过电压的倍数。1.2合闸空载线路过电压空载运行的线路引起的合闸过电压是决定超高压电网绝缘水平的重要因素。空载线路的合闸过电压有两种形式：一是具有计划的合闸运行，合闸后，在线路上，各节点电压由初始零值变到工频稳态电压值，这个工频稳态值主要取决于电容效应，这个过程出现了振荡过电压。另一种是重合闸运行，由于残余电压的存在，三相重合闸引起的过电压要比计划性合闸运行下的过电压更为严重]2[。1.3空载变压器分闸过电压在电力系统运行中，常有电感性负载的分闸操作，在这些操作过程中可能会出现幅值较高的过电压。在电力系统中，感性负载主要是空载运行的配变和电源变压器。当切断感性负载时，就会引起内部过电压，这其中缘由主要取决于开关的截流，正是因为分段开关的这种作用，使得线路电感上储存的磁场能转变为线路电容中储存的电场能，从而产生分空变过电压。尤其对中性点不接地的空载配变被切断时，所产生的过电压要到达4～7倍的高电压。因为切断空载运行的配变引起的过电压频率高，能量小，较易限制。因此其常采用的限制措施为，投入运行能够防止引起大气压过电压的避雷器，一般情况下它是不允许退出运行的。1.4间歇性接地过电压在中性点非接地的系统中，当发生单相接地短路时，经常会有电弧出现。因为系统中电容和电感的存在，使得一部分输电线路之间发生振荡的情况。只有当过振荡零点和工频稳态零点时，电弧才可能达到瞬时熄弧。当故障相的电压升高时，电弧又将重新燃起，这样就会在各相中发生内部过电压。目前，我国电力行业的标准——DL\T620一1997“交流电气装置的过电压保护和绝缘配台”中规定：3～lOkV的系统是不允许直接和发电机连接的，而是由架空线构成的。当发生单相接地短路时，其电容电流大于10A，并且又需要在接地短路下运行时，中性点需要通过消弧线圈进行接地。当单相接地短路发生时，特别容易转变成为两相接地故障和三相接地故障]3[。在中性点非接地系统中，由弧光接地引起的过电压事故发生的概率高，事故持续发生的时间长，引起的内部过电压的幅值倍数达3．5倍。由于其电容电流过大，以致电弧不能熄弧。根据运行的经验可以得到：弧光接地过电压和其他谐振过电压都会可能得ZnO避雷器被击穿而损坏。限制由弧光接地引起的过电压的措施主要是在中性点上采用消弧线圈接地的方式。在中性点上采用消弧线圈接地，能够实现故障的快速切除，过电压持续时间得到缩短．从而达到弧光接地过电压得到抑制的目的，这样就避免了事故扩大发生。同时，与中性点经小电流接地相比，经消弧线圈接地时，当发生单相接地短路时，电弧电流将大大减小，而且还不会出现不稳定的过电压。总的来说，运行的优势是明显的。1.5解列过电压在多电源供电系统中，由于某种原因(如线路发生接地故障)而失去稳定时，线路两侧电源的电动势将产生相对摆动(失步)。为了避免事故扩大而将系统解列，则可能会在单端的空载线路上出现解列过电压。2配电网工频过电压工频过电压是形成操作过电压的基础，工频过电压发生振荡后能够产生操作过电压。工频过电压幅值越大，操作过电压就越大。由于避雷器的额定电压取决于工频过电压，所以工频过电压的幅值越大，则避雷器的额定电压就越大，其相应的残压值也就越大。因此，工频过电压也就决定了配电网的操作水平和雷电绝缘水平]4[。常见的几种重要的工频过电压有：空载线路电容效应引用的电压升高；不对称短路时正常相上的工频电压升高；甩负荷引起发电机加速而产生的电压升高等。2.1电容效应线路上的电容效应是指在电源电动势的作用下，在电感元件和电容元件的串联回路中，当线路上的电容值高于电感值时，线路上的容性电流在电感上产生的电压将会抬高电容上的电压的一种现象。2.2不对称接地引起的工频过电压当线路中发生不对称接地时，可能使键全相的工频电压有所升高。统计表明，单相接地是主要的故障形式，所引起的电压升高一般最为严重，仍是选择避雷器额定电压的主要依据。3配电网谐振过电压在电力系统中，存在着很多电感元件和电容元件，主要的电感元件有变压器，电抗器，互感器，消弧线圈，发电机和输电线路等，而主要的电容是线路对地和相间电容，并联电容器组提供的电容，串联电容器组提供的电容以及高压设备上的杂散电容。当电力系统发生操作故障或者发生短路故障时，这些电感元件和电容元件要形成振荡的回路，在电源电动势的作用下，会发生谐振的情况，从而导致谐振过电压在电力系统中发生。与操作过电压相比，谐振过电压的持续时间要相对较长些，有可能到谐振的条件被破坏后，接着才进行不稳定运行。其次，谐振过电压的幅值很大，理论值是无穷大的]5[。3.1线性谐振发生线性谐振的回路是由不带铁芯的电感元件或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件和电容元件构成的.在具有正弦信号的电源电动势作用下，当系统的谐振频率与电源的额定频率相等或相接近时，将会发生线性谐振。在消弧线圈中产生的线性谐振是类似于弧光接地过电压。对于接消弧线圈的系统，只要让消弧线圈处于脱谐度不大的工作状态，或者是事故时断路器处于非全相运行状态，使得容抗大于感抗，谐振条件不满足，线性谐振过电压就不会发生。3.2非线性的铁磁谐振过电压在电力系统中，发生铁磁谐振过电压往往是由于线路的折断，断路器发生非全相的运行等工作状态，并且这些都属于谐振过电压。若系统中发生中性点移动、负载变压器的相位方向发生反转、电流的大小突增、绕组铁芯中发出响声、电流流过导线时发出微弱的电晕声等现象时，很大程度上发生了传递过电压。发生非全相动作时，可以组成各式各样的谐振回路。由空载或轻载运行的负荷变压器的电感和消弧线圈的电感为谐振回路提供电感参数。回路的电容是由线路对地或相间电容以及绕组的杂散电容等提供。在不同的参数条件下，可能会出现基频谐振、分频谐振以及高频谐振的现象。当发生的是基频谐振时，将会产生三相对地的不平衡电压，将可能会出现两相降低、一相升高，或者是一相降低、两相升高，或者是三相升高的情况。在变压器的负载侧，由于三相绕组的负序电压是主要的部分，以致三相的相序出现反倾的现象。实践证明，有可能产生高次谐波。谐振过电压的理论幅值一般到无穷大。当发生分频谐振时，频率值是工频的二分之一倍，互感器的励磁阻抗变为原值的二分之一，以致铁芯中的励磁电流增幅很大，互感器出现过度饱和的现象，这样过电压的幅值倍数被限制到了2倍以下，这样就不可能出现危险的情况了。谐振过电压事故在各种电压的电网中都会产生，在不少电网中曾严重地影响安全运行。谐振过电压的持续时间长，一般可达十分之几秒以上，甚至长期存在。但是运行经验表明，只要能够正确掌握这种过电压的规律。认真做好预防工作，这种事故是完全可以避免的。对中性点不直接接地系统中的分频谐振过电压，提出了以下几点措施：（1）、采用励磁特性优良，铁芯不易饱和的电压互感器。电容式的电压互感器可考虑采用。（2）、对中性点经消弧线圈接地的10-35千伏系统，做到合理补偿，正确布置，避免出现孤立运行的情况。（3）、选用分频继电器。当发生谐振时，利用分频继电器将电压互感器的二次侧开口三角经电阻短接。（4）、电压互感器的二次开口三角形处串联接入500W的白炽灯或分频继电器，并加装消谐器。（5）、对于10千伏及以下的用电户，电压互感器的中性点应采用不接地的方式。（6）、采用零序互感器的接线方案。具体情况是：将三台单相电压互感器的一次侧接成星形接线，其中性点经一台零序互感器接地，而对于单相电压互感器的二次开口三角处不做任何处理。这种方法可以达到消除三次谐波的目的。（7）、一般情况下，中性点需采用经消弧线圈接地的方式。（8）、在电压互感器的一次侧的中性点上串以10—