变电站过电压研究

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摘要：变电站是输配电网的枢纽，是整个电力系统中的能量传输分配中心，在整个电力系统中具有重要的地位。然而随着运行方式的灵活多变、天气的复杂使得变电站过电压遭受过电压现象尤为突出，为了有效控制、防治过电压，本文分析了变电站过电压产生机理、过电压的防治等相关知识，从而促进电力系统的可靠、高效、经济运行具有重要的实践意义。

关键词：变电站；过电压；措施；

中图分类号：TM63文献标识码： A

引言

变电站是电力系统的枢纽，站内的变压器、断路器等电力设备如遭受过电压的侵害，将会给电力设备的绝缘和使用寿命造成严重的后果，一旦绝缘损坏，将造成大面积停电；并且站内变压器等主要电气设备的内绝缘大多没有恢复能力，万一绝缘损坏，修复起来十分困难，势必造成严重的后果。

1、过电压的分类

过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象，是电力系统在一定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，其类型有很多种。其电压幅值、波形、持续时间和产生原因各不相同，但是根据过电压的产生根源，可将过电压分为两大类:外部过电压和内部过电压。外部过电压又称大气过电压或雷电过电压，是由于大气中的雷云对地面或地面上的物体放电而引起的电网电压异常升高。雷电过电压的持续时间极短，幅值高，雷电流的幅值最高可达到数百千安以上，具有脉冲特性。雷电过电压又可分为直击雷过电压和感应雷过电压，雷电过电压具有的特点是持续时间短，幅值大，对220kV及以下电力系统危害性大。

内部过电压是电力系统内部的能量转化或传递引起的，由于内过电压的能量来自电网本身，所以其幅值和电网的工频相电压基本上成正比，通常把过电压的幅值与电网该处最大运行相电压幅值的比值称为内过电压倍数。由于产生的原因不同，内过电压可分为暂时过电压和操作过电压，其中暂时过电压又分为工频电压升高和谐振过电压。操作过电压的持续时间一般较短，而工频过电压的持续时间较长。

2、过电压原理和控制

2.1、雷电过电压

（1）雷电过电压的产生

雷电是雷云与雷云之间或者雷云与大地之间的气体放电现象，并且伴随着强烈的闪光和雷声。雷云与雷云之间的放电称为云中放电或云闪，雷云对大地的放电称为云一地放电或地闪。雷云的形成机理及放电过程及其复杂，并具有随机统计特性。

长期的观测数据表明，雷击大地时，多数是负极性的下行雷，这种雷电放电具有三个阶段:先导放电、主放电、余光放电。

1）先导放电

雷云中的电荷将会使大地表面感应出等量的异号电荷，在雷云与大地之间将建立起空间电场。由于雷云电荷分布不均，在某些电荷集中的地方，电场强度将达到空气击穿强度(根据空气中水分含量和密度不同，约为，导致空气电离，产生一个向地面发展的等离子通道，成为先导。

2）主放电

当下行先导到达地面，或与地面上的突出物上产生的迎面先导相遇，就会产生贯穿雷云与大地的放电通道。此时，地面感应的正电荷将向上与先导通道中的负电荷产生强烈的中和，通道中的雷电流将达到几十到几百千安，称为主放电过程。

3）余光放电

主放电结束以后，附近的电荷中心将沿着主放电通道释放电荷，此时通道的温度下降，导电性降低，因此余光放电速度慢(约为光速的1/100)，电流不大，但持续时间长约0.03S-0.15S。如果有多个电荷中心，雷电持续的时间可达1S，主放电最大的雷电流幅值可达250kA以上。

雷电放电的特征是电流大、持续时间短，主放电过程的瞬时功率非常大。雷电造成的危害型式主要分为以下部分:

A、直击雷

雷直击地面上的人或动物将造成伤亡。雷击的热效应能造成火灾如森林大火、油库爆炸等，雷击输电线路或建筑会引起金属烧烛，产生强大的雷电流，雷电流过物体产生的过电压会引起电击穿或热击穿，造成设备导体损坏。

B、感应雷

雷击大地后，强大的电磁脉冲会使附近的物体产生电磁感应和静电感应，这种感应雷可能破坏电力系统电气设备损伤。

C、侵入波

雷电击中输电线路或建筑物后，雷电波可以沿着输电线路进入变电站，或沿着电缆(包括电源或通信线)进入建筑物内，损坏电气设备损伤。

D、跨步电压和接触电压

雷击地面后，雷电流将由雷击点或流过地面上的被击物后入地。由于大地具有一定导电率，电流入地点及电流流经的地方就会出现一定的电势。雷电流入地点附近的地表将会呈现一定的电位分布，若此时雷击点附近正好有人或动物，由于站立或行走于地表的不同两点，这两点之间的电位差作用于人或动物身上，可能会造成伤亡。如果与被击物有身体接触，则接触点与站立点之间也会有电位差，也可能造成伤亡。

E、高电位引外

雷电流进入大地后，引起地电位升高，若有自接地极引出的金属管，就有可能将接地极的高电位传到较远的地方，危及远处的设备及人或动物的生命财产安全。

雷电是频繁发生的自然现象，破坏力极大，对人类的生活产生极大影响，因此电力系统必须有专门的防雷装置，以防止雷电放电对电网和电力设备的破坏，这些装置包括避雷针(线)、避雷器或浪涌保护器和接地装置等。

（2）防雷措施

1）防雷保护

雷电波沿近线段入侵是变电站受损害的主要原因，在110kV及以上线路全线架设避雷线，变电站设置避雷针或避雷线可有效的降低线路和变电站遭受雷击的概率，减少雷电侵入波的影响。

2）合理设计变电站接地网

周所周知，强大的短路电流经接地体流入大地，由于每个接地体埋入地中后固有的接地电阻，短路电流将在此上产生一定的电位升，电位升的大小同入地电流和接地电阻成正比。如此时设备接地接地接到接地体上，在接地体上流过电流时，设备将承受此电压，当此电压达到一定的数值时将危及设备绝缘；如人在接地体地面上走动，将承受跨步电压；由此可见，良好的接地对设备及人身安全极为重要。

通常变电站的水平接地网有等间距布置和不等间距布置，通过计算模拟和实际工程经验，不等间距布置对接地电阻和均压有良好的效果。另外在避雷针、避雷线、避雷器及主要电气设备的接地部分，可以适当地增加垂直接地极，可有效的增加泄流，从而减小入地电位升；在设备或人经常活动地方增加均压措施，来改善电位分布状况，防止在遭受到雷击时，较大的电流入地造成电位升高，损坏电人身和设备安全。电缆敷设沟合理的设置接地带，设置与电缆沟平行的均压带，以防止地电位不均，干扰二次回路的动作。对于接地网表面电位的分布也要尽量满足跨步电压和接触电压的要求。

3）降低杆塔接地电阻

为防止雷电流反击导线，使得雷击杆塔时电位不至于升得太高，可以适当地降低杆塔的接地电阻，这种方法对于110kV及以上的线路具有很好的防雷作用。35～60kV的线路杆塔，一般也需要避雷线逐塔接地，这样在某相遭到直击雷后，其他两相可以得到保护，防止闪络的发生。在年雷暴日超过40天的地方，一般来说，接地电阻以不超过30Ω为宜。线路杆塔的接地电阻，在土壤电阻率低的地区，应当充分考虑其应用，当然，变电所进线段单独考虑。在工程实践中，应当根据实际情况，采取有效合理的降阻措施。如：延长接地体，杆塔基部施加降阻剂降低电阻，填充电阻率比较低的物质。对于某些山区以及高原地区，要想降低接地电阻较为不易，而且效果往往极其有限。

2.2、变电站变压器空载产生的操作过电压原理及其有效防控

（1）变压器空载操作过电压原理

在变电站的工作运行中，变压器空载主要是指其一次绕组连接电源、二次绕组处于开路的工作状况。变压器处于空载运行状态时，一次绕组在接通交流电压后便会在绕组之中引发电流，该电流被称为空载电流或励磁电流。当将处于空载运行的变压器切除时，由于产生的空载电流较小，而断路器在小电流切断环节的开关进程中却会产生较强的游离作用，这就使得不为0的电流产生强制熄弧现象，即所谓“截流”。这种现象很可能令变压器产生过电压。

（2）变压器空载过电压的有效防控

变压器空载运行过程中产生的截流现象是无法避免的，并会令断路器节流引发操作过电压。依据截流过电压计算公式，我们可通过科学地降低空载电流、提升变压器相应寄生电容、抑制变压器产生绕组电感等措施来有效防控过电压现象，具体措施为：

1）首先，通过改善铁芯的方式降低空载电流。由于空载电流包含铁损电流与磁化电流，前者产生于铁芯损耗，后者产生于磁通，因而降低空载电流的核心关键点便是改善变压器铁芯。所以，有效提升铁芯质量、合理改进铁芯结构不失为操作过电压的有效防控措施。例如，我们可采用具有较高导磁系数的冷轧晶粒代替硅钢片，并在大修变压器阶段科学、严格地依据质量标准检修铁芯，及时进行维修更换等。

2）同时，我们可采用纠结式绕组来合理提升变压器的相应寄生电容。基于220kV变压器主体为芯式变压器，我们采用纠结式绕组，在电气相邻线匝间准确插入绕组中另一线匝，进而适应性提升绕组纵向电容，并令相邻实际匝间电位差提高。这样一来，在过电压进程中，起始电压就能够较为均匀地分布于各线匝间，进而防控过电压现象。

3）再者，我们可科学地应用具有并联电阻的开关来有效抑制变压器产生绕组电感。在截流的瞬间，电感中的磁场可转变为电能并对电容进行充电，在此过程中，倘若我们采用的开关带有并联电阻，便可有效释放电感中含有的磁场能量。在截流前我们先闭合开关，则并联于开关的电阻被短接；而在截流之后断开开关，便会令电感中含有的电势在电阻辅助下形成电流，进而合理消耗电感内含有的磁场能量，令过电压现象得到良好控制。

（3）甩负荷过电压

输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压，常见的有：①空载线路合闸和重合闸过电压。②切除空载线路过电压。③切断空载变压器过电压。④弧光接地过电压。

发电机突然甩负荷后，由于发电机的调速器及调压器来不及起作用，发电机的 转速将要上升，而电压几乎随着转速的上升成正比增加。母线及输电线上的电压，由于突然甩负荷，可达额定值的1.2～1.3倍。当线路电容较大时，此值还可能更高。这种电压上升时间约为几分之一秒，但实际上受机组调压器、调速器以及变压器、发电机磁饱和的限制，实际电压上升视具体情况而定。 发电机突然甩负荷引起的过电压跟以下因素有关：①断路器跳闸前送出的负荷大小； ②空载长线路的电容效应； ③发电机励磁调节及电压调整器的特性； ④原动机的调速特性及制动设备性能；

（4）切空线

由于空载线路的电容效应，在被切除空载线路的末端高压高于首端电压的现象称为切空线过电压。切空线过电压产生的原因是分闸过程中触头间电弧重燃现象所引起的。主要影响因素：1）断路器的性能；2）电网中性点接地方式；3）空载线路的型号及空间布局 。

限制措施：1）改进断路器结构产生过电压的根本原因是断路器的重燃，改进断路器结构，提高触头间介质强度的恢复速度，避免重燃， 可从根本上消除这种过电压。2）采用并联电抗器。降低重燃后的工频稳态分量，并使断弧后线路上残压不再是直流电压，而是交流衰减正弦电压。3） 装分闸并联电阻。先断主触头，将R串入回路：一是泄放残余电荷，二是降低触头间电压，此过程希望R值小。经1.5～2周波，再断开辅助触头，此过程希望R大，电容上分压小，恢复电压小，不易重燃。

结束语

变电站是电力系统中重要的组成部分，是电力系统中能量分配中心，过电压直接危及变电站电力设备安全运行，本文通过分析过电压的产生机理、危害，并提出过电压的防治措施，从而保障电力系统的安全运行。

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