作者：吉晓宏 姜晓光 胡恩平 来源：煤炭工业西安设计研究院电力所
摘要：电气设备的过电压，将会造成装置的损坏以及影响电网的正常运行，根据可能出现的过电压，确定设备的绝缘水平以及采取措施，限制过电压或尽可能消除过电压。
关键词：过电压 措施 绝缘水平
小型火力发电厂内的电压等级一般为110KV、35KV、10KV、6KV、0.4KV。本文仅从这几个电压等级在小型火力发电厂电气设备可能出现的过电压产生加以分析，以及设计中采用哪些限制措施加以论述。
小型火力发电厂一般电气部分由升压站、主变压器、组合导线或共箱母线、发电机小间、高低压厂用电及辅助车间变配电室组成。各个区域的电气设备均有可能产生过电压。
过电压的产生将会造成烧毁设备，危及绝缘，破坏保护设备的保护性能甚至危及人身安全。根据可能出现的过电压和保护装置的特性，来确定设备的绝缘水平；或根据已有设备的绝缘水平，选择适当的保护装置，以便把作用于设备的各种电压所引起的设备损坏和影响连续运行的概率，降低到在经济上和技术上能接受的水平。正确处理各种过电压、各种限制措施和设备绝缘耐受能力三者之间的配合关系，全面考虑设备造价、维修费用以及故障损失三个方面，力求取得较高的经济效益。
电气设备在运行中涉及的过电压，可分为雷电过电压和内部过电压。以下从产生原因和采取措施加以分析。
一、雷电过电压消除或抑制措施
雷电过电压形成的原因比较简单，由雷电产生。雷电过电压可分为直击雷过电压、感应雷过电压、侵入雷电波过电压。
1、 防止直击雷的保护，主要发生在110KV或35KV升压站、组合导线、主变压器及厂房等，可采用避雷针、避雷线、避雷带和钢筋焊接成网等。由引下线加强分流；加强接地，以及防止反击。针对不同对象，依据火力发电厂有关规范采取不同措施。
2、 防感应雷的保护，对一些特殊危险环境，由感应雷造成爆炸、燃烧、设备损坏以及人身安全等，除采用防止直击雷的保护外，还应按规范要求设置正常的接地和重复接地泄流。特别对电源进线，不允许采用架空进线，而采用电缆进线，电缆的铠装不但在供电端进行接地，而且在进入建筑物的电缆铠装需与防感应雷的接地网连接。
3、 防止浸入雷电波过电压采用避雷器及与避雷器相配合的进线保护段，对配电装置进行保护。
二、内部过电压消除或抑制措施
内部过电压可分为工频过电压、谐振过电压、操作过电压。以下由这三种过电压的危害加以分析，以及采取相应措施来消除和抑制过电压。
2.1工频过电压
工频过电压的频率接近工频，幅值不变，在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，约为工频电压的√3倍；在中性点不接地系统，一般不允许超过1.5倍。工频过电压经常发生在故障引起的切合过程。工频过电压对220KV及以下电网的电气装置没有危险，本文不再论述。
2.2谐振过电压
谐振过电压可分为线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。
1）线性谐振的产生和消除或抑制措施
当不带铁心或带气隙的铁心电感元件，在电网自振频率与电源频率接近时，发生线性谐振过电压。产生原因多为空载线路不接地故障的谐振、消弧线圈补偿网络的谐振和某些传递的过电压的谐振等。
消弧线圈网络在全补偿运行状态（脱谐度v=0），当发生单相接地、网络中出现零序电压时，便发生消弧线圈与导线对地电容的串联线性谐振。一般线性的阻尼率不超过5%。因此，这种谐振将会使中性点位移达0.5Uxg。消除这中谐振的方法，采用欠补偿或过补偿运行方式。
一般装在电网的变压器中性点的消弧线圈，以及具有直配线的发电机中性点的消弧线圈，采用过补偿方式（即v<0）。这样可以保证在线路进行切除操作时或发生线路断线时，使容抗更大，不会发生谐振。
对于采用单元连接的发电机中性点的消弧线圈，采用欠补偿方式（即v>0）。单元接线的网络容抗比较固定，不易发生断线；而采用欠补偿方式，发电机回路电容量较大，对于限制电容耦合传递过电压有利。
变压器传递过电压的限制，变压器的高压侧发生不对称接地故障、短路器非全相或不同期动作而出现零序电压时，将通过电容耦合传递给低压侧。这种过电压具有工频性质，将会危机绝缘或损坏避雷器。避免零序过电压是防止变压器传递过电压的根本措施。这就要求尽量使断路器三相同期动作、避免在高压侧采用熔断器设备等。
2）铁磁谐振的产生和消除或抑制措施
由带铁心的电感元件和系统电容元件组成。因铁心电感元件的饱和，使回路电感参数呈现非线性。可能出现基波共振、分次谐波共振、高次谐波共振。它可自激产生，但大多数为受激产生，当激发消除后，常能自保持。在一定的情况下，其幅值主要受到非线性电感本身严重饱和的限制。
断线引起的铁磁谐振过电压：电网因断线、断路器非全相动作、熔断器一相或两相熔断等而造成的非全相运行时，电网电容与空载或轻载运行的变压器的励磁电感可能组成多种多样的串联谐振回路，产生基频、分频或高频谐振。它可能使电网的中性点位移、绝缘闪络、避雷器爆炸。在设计中，应注意线路上不采用熔断器；采取措施，保证断路器不发生非全相拒动，若发生时，利用保护装置作用于上一级跳闸，在中性点接地电网中，操作中性点不接地的负载变压器时，将变压器中性点临时接地。
电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压：在中性点不接地系统中，由于电压互感器突然合闸，一相或两相绕组出现涌流，线路单相弧光接地时，可能使电磁式电压互感器三相电感程度不同地产生严重饱和，形成三相或单相共振回路，激发各次谐波谐振过电压。其中以分频谐振过电压危害最大，严重时可能使电压互感器爆炸。在设计中，应选用励磁较好的电磁式电压互感器，或只用电容式电压互感器；在零序回路中加阻尼电阻；增大对地电容，在10KV及以下母线上装设中性点接地的星型接线电容器组；在电压互感器一次绕组的中性点或开口三角绕组装设消谐装置，或采用消弧消谐装置，这是目前普遍采用的两种有效方法。
3）参数谐振的产生和消除或抑制措施
发电机的电抗与外电路具有容抗性质（如空载线路）的回路，参数配合得当，产生谐振。很小的励磁电流，可引起发电机端电压和电流急剧上升，产生参数谐振。理论上谐振电压和电流趋于无穷大，但受电感铁心的磁饱和限制，过电压值不会超过1.5~2Uxg,但其作用时间会很长。设计中应采用快速自动励磁装置，用于消除同步自励磁，但由于异步自励磁上升速度很快，无法消除。应设置必要的自动装置或保护装置，保证对空载线路的充电合闸在大容量系统侧，以及增大投入发电机的容量，使其大于空载线路的充电功率，破坏产生自励磁的条件，而不发生参数谐振。
2.3操作过电压的产生和消除或抑制措施
电网中的电容、电感等储能元件，在发生故障或操作时，由于工作状态发生突变，将产生充电、再充电或能量的转换的过渡过程，电压的强制分量叠加以暂态分量形成操作过电压，其作用时间约在几秒或几十秒，倍数一般不超过4 Uxg。操作过电压的幅值与波形与电网的运行方式、故障类型、操作对象有关。操作过电压是决定电网绝缘水平的依据之一。
目前，我国有关规定选择绝缘水平时，计算用操作过电压水平如下：
a、 相对地
35~63KV及以下（非直接接地）内的过电压4 Uxg
110~154 KV（非直接接地）内的过电压3.5Uxg
b、 相间
3~220KV相对地的过电压1.3~1.4 Uxg。确定相间绝缘时，两相的电位宜分别取相间过电压的60%和40%。
在3~10KV电网的电容电流超过30A，35KV及以上电网的电容电流超过10A，接地电弧不易自行熄灭，常形成熄灭和重燃交替的间歇性电弧。因而导致电磁能的强烈震荡，使故障相、非故障相和中性点都产生过电压。这种过电压倍数一般不超过3 Uxg，低于绝缘的耐受水平，但它波及电网，持续时间长，易发展为相间故障，特别对绝缘较弱的旋转电机构成威胁。对于电容电流在该范围内时，可在中性点接入消弧线圈，减少单相接地电流，使形成的电弧自行熄灭，缩短燃弧时间，减少重燃次数，降低高幅值的过电压。
空载变压器在开断时，励磁电流在某一值被强制切断，高低压侧产生过电压。设计中对于变压器高低压侧电网中性点接地一致的系统，在高低压侧只装一只避雷器；对于不一致的系统，而且采用低压侧的避雷器保护高压侧时，低压侧应装磁吹式避雷器。对于6~10KV容量较小的干式变压器，当采用真空断路器时，可在一次侧安装0.1uF左右的电容器，若安装在低压侧，应安装0.1K2（K为变压器的变比）的电容器。
并联开断电抗器的过程中，若出现截流，就会产生过电压，由于开断电流为电抗器的额定电流，断路器断口间的瞬态恢复电压的固有频率为数百Hz或更大，使断路器更难断开。大的开断电流一般不会过电压，但高频率的恢复电压会带来断路器的熄弧困难，容易产生重燃，可能产生高频重燃过电压，损坏断路器。在设计中可选择带分闸并联电阻的断路器；在断路器与并联电抗器间装设磁吹式避雷器或氧化锌避雷器。
开断高压电动机，可产生截流过电压、三相同时开断过电压、高频重燃过电压。其过电压容易损坏断路器，并严重危害电动机的主绝缘和匝间绝缘。电动机容量越小，过电压越高，慎选6KV、10KV等级200KW以下的电动机，若选用，需采用保护措施。在电动机与断路器之间选用合适的避雷器，并可在避雷器旁并联一组0.5uF左右的电容器；在回路中支接电容-电阻限压装置，消耗过电压能量，并限制重燃时的高频电流。
作者简介：吉晓宏（1971-），男，陕西华县人，1995年毕业于安徽工业大学自动化系工业企业电气自动化专业，工程师，从事小型火力发电厂电气设计、煤矿电气设计、民用建筑电气设计。
参考文献：
1、《火力发电厂设计技术规程》(DL 5000-2000)
2、《电力工程电气设计手册》 | 
