關(guān)鍵詞：雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、鐵磁諧振過(guò)電壓、弧光接地過(guò)電壓
3～35KV電力供電系統上，過(guò)電壓現象十分普遍。如果沒(méi)有防范措施，隨時(shí)都可能發(fā)生，也隨時(shí)都可以發(fā)現。過(guò)電壓將對電氣或電子裝置，其中的電路，元器件，造成直接破壞，這種破壞，依據其嚴重程度，大體可分為以下四種情況： ?、偈乖O備、裝置短時(shí)間工作錯亂； ?、谠斐蓾摴收?，即使得電路和器件的性能下降，壽命縮短，提前失效；
③造成電路或器件的******性損壞； ?、軐е缕鸹?，觸電等安全事故。
異常過(guò)電壓可能是外來(lái)的，也可能是設備，裝置內部自生的。外侵過(guò)電壓的侵入途徑，可以通過(guò)導線(xiàn)、電路傳導進(jìn)入，也可以通過(guò)靜電感應，電磁感應侵入。過(guò)電壓的出現可能是有規律的周期性的，但更多則是隨機的。因此在大多數情況下，很難準確的把握它。異常過(guò)電壓，依據其成因的不同，可以分為雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、鐵磁諧振過(guò)電壓及弧光接地過(guò)電壓。
雷電及操作過(guò)電壓
一、雷電過(guò)電壓形成及分類(lèi)
雷電過(guò)電壓，是由于電力系統的設備或建(構)筑物遭受來(lái)自大氣中的雷擊或雷電感應而引起的過(guò)電壓，因其能量來(lái)自系統外部，故又稱(chēng)為外部過(guò)電壓。
雷電過(guò)電壓有兩種基本形式：直擊雷過(guò)電壓和感應雷過(guò)電壓。
1．直擊雷過(guò)電壓
直擊雷（direct lightning）過(guò)電壓是指雷云直接對電氣設備或建筑物放電而引起的過(guò)電壓。強大的雷電流通過(guò)這些物體導入大地，從而產(chǎn)生破壞性極大的熱效應和機械效應，造成設備損壞，建筑物破壞。
圖1.1 直擊雷的放電 圖1.2 雷電流波形
2．感應雷過(guò)電壓
所謂感應雷過(guò)電壓，是指當架空線(xiàn)附近出現對地雷擊時(shí)，在輸電線(xiàn)路上感應的雷電過(guò)電壓。感應雷過(guò)電壓的形成過(guò)程可以用圖9.1.3來(lái)表示，在雷云放電的起始階段，雷云及其雷電先導通道中的電荷所形成的電場(chǎng)對線(xiàn)路發(fā)生靜電感應，逐漸在線(xiàn)路上感應出大量異號的束縛電荷Q。由于線(xiàn)路導線(xiàn)和大地之間有對地電容C存在，從而在線(xiàn)路上建立一個(gè)雷電感應電壓U=Q/C。當雷云對地放電后，線(xiàn)路上的束縛電荷被釋放而形成自由電荷，向線(xiàn)路兩端沖擊流動(dòng)。這就是感應雷過(guò)電壓沖擊波。
圖1.3感應雷過(guò)電壓的形成過(guò)程
高壓線(xiàn)路上的感應過(guò)電壓，可高達幾十萬(wàn)伏，低壓線(xiàn)路上的感應過(guò)電壓，也可達幾萬(wàn)伏。如果這個(gè)雷電沖擊波沿著(zhù)架空線(xiàn)路侵入變電站或廠(chǎng)房?jì)炔?，對電氣設備的危害很大。
二、操作過(guò)電壓的產(chǎn)生及分類(lèi)
操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓是指電路中的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、繼電器、可控硅開(kāi)關(guān)等通斷轉接時(shí)，在系統電路中、電路對地以及開(kāi)關(guān)兩端所產(chǎn)生的過(guò)電壓。產(chǎn)生操作過(guò)電壓的原因是由于線(xiàn)路及其中的元器件都帶有電感和電容，儲存在電感中磁能和儲存在電容中的靜電場(chǎng)能量，在電路狀態(tài)突變時(shí)產(chǎn)生能量轉換，過(guò)度的振蕩過(guò)程，由振蕩而出現過(guò)電壓。操作過(guò)電壓的持續時(shí)間比雷擊過(guò)電壓長(cháng)，比暫態(tài)過(guò)電壓短，在數百微妙到100mS之間，并且衰減很快。
常見(jiàn)的真空斷路器操作過(guò)電壓又可以分為截流過(guò)電壓、多次重燃過(guò)電壓、三相開(kāi)斷過(guò)電壓。
1. 截流過(guò)電壓。由于真空斷路器有良好的滅弧性能，當開(kāi)斷小電流時(shí)，電弧在過(guò)零前就會(huì )熄滅，由于電流被突然切斷，其滯留于電機等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電，轉變?yōu)殡妶?chǎng)能量。對于電機和變壓器，特別是空載或容量較小時(shí)，則相當于一個(gè)大的電感，且回路電容量較小，因此會(huì )產(chǎn)生高的過(guò)電壓，特別是開(kāi)斷空載變壓器時(shí)更危險。從理論上講可以產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，但由于觸頭和回路中有一定的電阻產(chǎn)生損耗以及發(fā)生擊穿，對過(guò)電壓值有相當的抑制作用，但這種抑制作用是有限的，不能消除在切斷小電流時(shí)出現的過(guò)電壓。因此特別對感應負載在采用真空斷路器作為操作元件時(shí)，應加裝過(guò)電壓保護設備。
2.多次重燃過(guò)電壓。多次重燃過(guò)電壓是由于弧隙發(fā)生多次重燃，電源多次向電機電容進(jìn)行充電而產(chǎn)生的。在真空斷路器切斷電流的過(guò)程中，觸頭的一側為工頻電源，另一側為L(cháng)C回路充放電的振蕩電源，如果觸頭間的開(kāi)距不夠大，兩個(gè)電壓疊加后就會(huì )使弧隙之間發(fā)生擊穿，斷路器的恢復電壓就會(huì )升高。如果觸頭開(kāi)距不夠大，就會(huì )發(fā)生第二次重燃，再滅弧、再重燃以致發(fā)生多次重燃現象，多次的充放電振蕩，觸頭間的恢復電壓逐級升高，負載端的電壓也不斷升高，致使產(chǎn)生多次重燃過(guò)電壓，損壞電氣設備。
3.三相開(kāi)斷過(guò)電壓。三相開(kāi)斷過(guò)電壓是由于斷路器首先開(kāi)斷相弧隙產(chǎn)生重燃時(shí)，流過(guò)該相弧隙的高頻電流引起其余兩相弧隙中的工頻電流迅速過(guò)零，致使未開(kāi)斷相隨之被切斷，在其他兩相弧隙中產(chǎn)生類(lèi)似較大水平的截流現象，從而產(chǎn)生更高的操作過(guò)電壓，所產(chǎn)生的過(guò)電壓是加在相與相之間的絕緣上。在開(kāi)斷中小容量電機或輕負載情況下容易出現三相開(kāi)斷過(guò)電壓。
三、雷電及操作過(guò)電壓防治
以上可以看出，雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓產(chǎn)生是隨機的而且每次過(guò)電壓的波形（頻率、幅值）都有所不同。目前國內采取的措施有：
1 、裝設金屬氧化物避雷器(MOA)， 此保護器保護值高，對限制雷電壓有保護作用，但對電動(dòng)機這樣絕緣弱的設備起不到保護作用。
2、裝設三相組合式過(guò)電壓保護器，此保護器主要材料也是氧化鋅，其保護設定值較低不僅可以保護相對地過(guò)電壓還可保護相間過(guò)電壓。但氧化鋅響應速度慢，對高幅值，高陡度的過(guò)電壓限制效果不理想。
3、阻容吸收裝置(RC) 響應速度快，能夠緩和過(guò)電壓波形的陡度，對設備匝間絕緣有好處，缺點(diǎn)是沒(méi)有固定的殘壓值及吸收過(guò)電壓能量太小。
通過(guò)實(shí)踐我們認為，復合式過(guò)電壓保護器是將阻容吸收器和避雷器有機的結合在一起，具有了阻容吸收器和避雷器的雙重功能：阻容吸收有效地降低了振蕩頻率和過(guò)電壓波頭的上升陡度，保護了設備的匝間絕緣，解決了MOA對高頻過(guò)電壓信號響應速度較慢而起不到保護作用的問(wèn)題，電阻的接入有效阻尼和衰減了過(guò)電壓振蕩；金屬氧化物避雷器則發(fā)揮通流量大的優(yōu)點(diǎn)，解決了阻容吸收器不能隨較大能量的沖擊而損壞的缺陷。
鐵磁諧振過(guò)電壓
一、鐵磁諧振過(guò)電壓產(chǎn)生條件、特點(diǎn)和危害
電力系統中許多元件是屬于電感性的或電容性的,如電力變壓器、互感器、發(fā)電機、消弧線(xiàn)圈為電感元件，補償用的并或串聯(lián)電容器組、高壓設備的寄生電容為電容元件，而線(xiàn)路各導線(xiàn)地和導線(xiàn)間既存在縱向電感又存在橫向電容，這些元件組成復雜的LC震蕩回路,在一定的能源作用下,特定參數配合的回路就會(huì )出現諧振現象.
下列幾種激發(fā)條件可以造成鐵磁諧振；
a.電壓互感器的突然投入；
b.線(xiàn)路發(fā)生單相接地；
c.系統運行方式的突然改變或電氣設備的投切；
d.系統負荷發(fā)生較大的波動(dòng)；
e.電網(wǎng)頻率的波動(dòng)；
f.負荷的不平衡變化等。
在我國6～35KV配電網(wǎng)內，發(fā)生電壓互感器引起的諧振過(guò)電壓情況甚為頻繁，但在某些切換操作如斷路器合閘或接地故障消失后，由于三相互感器在擾動(dòng)后電感飽和程度不一樣而形成對地電阻不平衡，它與線(xiàn)路對地電容形成諧振回路，可能激發(fā)起鐵磁諧振過(guò)電壓。電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁最常見(jiàn)和造成事故最多的一種內部過(guò)電壓。在實(shí)際運行設備中，由于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中設備絕緣低，單相接地故障相對頻繁，一般說(shuō)來(lái)，單相接地故障是鐵磁諧振最常見(jiàn)的一種激發(fā)方式。
二、解決措施
在電力系統中，由于電壓互感器的非線(xiàn)性電感與線(xiàn)路對地電容的匹配而引起鐵磁諧振過(guò)電壓，直接威脅電力系統的運行，嚴重時(shí)會(huì )引起電壓互感器（PT）的爆炸，造成事故。電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去，如果抑制或消耗這部分能量，鐵磁諧振就可以抑制或消除。通常解決的辦法是在開(kāi)口三角繞組中并一個(gè)電阻，從理論上講對頻率越低的鐵磁諧振應取的阻值越小，但太小的電阻并在PT開(kāi)口三角上會(huì )影響其正常運行，嚴重時(shí)會(huì )造成PT燒毀。因為鐵磁諧振的頻率往往不是單一的，所以這種方法就難于消除所有的諧振。在實(shí)際設計中，我們采用下列方法來(lái)解決：
1〉.采用激磁特性好的PT，并使PT組中3臺PT激磁特性相近，限制同一系統中PT并聯(lián)臺數，或選用容性PT（如在220 kV及以上系統中用電容式電壓互感器）。
2〉.消耗諧振能量，阻尼抑制或消除諧振發(fā)生。在多臺并聯(lián)運行PT中性點(diǎn)加裝阻尼電阻R0，只要滿(mǎn)足R0≥6％XL即可消除諧振LXQ（D3）-10型消諧電阻器阻值大于6%壓變額定勵磁電抗，爬電距離滿(mǎn)足適用場(chǎng)合電壓等級要求，能夠有效限制、消除一般諧振能量。
3〉.在以上基礎上,還應在PT開(kāi)口三角側加裝用于限制高次諧波諧振裝置的微機消諧器，能夠連續、有效消除諧振過(guò)電壓。
弧光接地過(guò)電壓的限制措施
一、弧光接地過(guò)電壓的產(chǎn)生及危害
中心點(diǎn)非直接接地系統發(fā)生單相間歇性弧光接的（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“弧光接地” ）原因主要有：a、隨著(zhù)我國電網(wǎng)的發(fā)展具有固體絕緣的電纜線(xiàn)路逐漸取代架空線(xiàn)路，由于固體絕緣擊穿的累積效應，局部放電會(huì )造成絕緣的累積性損傷。b、真空斷路器的大量采用使操作過(guò)電壓的概率大大提高，且得不到有效限制使絕緣壽命降低。按照國標GS311.1的規定，220KV以下的系統以雷電過(guò)電壓作為防護重點(diǎn)，對于3～35KV的中壓系統中大多場(chǎng)合還在采用傳統避雷器來(lái)限制過(guò)電壓。避雷器接在相對地的，且放電電壓為相電壓的4倍以上，對相間操作過(guò)電壓起不到限制作用。在操作過(guò)電壓長(cháng)期持續作用下，固體絕緣設備的運行壽命降低，容易形成絕緣的薄弱環(huán)節。
弧光接地故障發(fā)生時(shí)，由于不穩定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在非故障相的電感—電容回路上引起高頻振蕩過(guò)電壓，過(guò)電壓幅值一般可達3.1～3.5倍相電壓，以電纜線(xiàn)路為主的供電電網(wǎng)，絕緣擊穿或電弧重燃時(shí)過(guò)渡過(guò)程中的高頻電流可達數百甚至上千安培。電纜線(xiàn)路弧光接地時(shí)非故障相的過(guò)電壓可達4～70倍。其在電力系統危害主要表現在：
1>、在高幅值的弧光接地過(guò)電壓持續作用下，加劇了電纜等固體絕緣的累積損傷，在非故障相的絕緣的薄弱環(huán)容易造成對地擊穿進(jìn)而發(fā)展成為相間短路。
2>、普通的電壓互感器飽和點(diǎn)一般為1.6 ～1.8倍，在弧光接地過(guò)電壓作用下，使電壓互感器嚴重飽和，激磁電流劇烈增加。電壓互感器飽和也很容易激發(fā)鐵磁諧振，導致電壓互感器燒毀或高壓保險熔斷。
3>、弧光接地過(guò)電壓的能量由電源提供，持續時(shí)間較長(cháng)，能量很大，當過(guò)電壓能量超過(guò)避雷器所能承受的400A2mS的能量時(shí)，就會(huì )造成避雷器的爆炸事故。
二、消弧線(xiàn)圈的使用
消弧線(xiàn)圈對架空線(xiàn)路的供電可靠性起了很大作用。
在3～35KV中性點(diǎn)非直接接地系統中發(fā)生單相接地時(shí)，三相電壓是對稱(chēng)的，仍然可以繼續供電，由于消弧線(xiàn)圈的電感電流補償了電容電流，使得故障點(diǎn)的電弧能夠自行熄滅，一旦電弧自行熄滅后，架空線(xiàn)路的絕緣又可以完全恢復。
消弧線(xiàn)圈對以電纜為主的供電電網(wǎng)已不能發(fā)揮積極作用。
正因為消弧線(xiàn)圈對架空線(xiàn)路的積極作用，幾十年來(lái)人們誤認為消弧線(xiàn)圈能夠限制弧光接地過(guò)電壓，其實(shí)不然，消弧線(xiàn)圈不僅不能抑制弧光接地過(guò)電壓，有時(shí)反而加大了過(guò)電壓的幅值。 隨著(zhù)我國城網(wǎng)改造的進(jìn)行，架空線(xiàn)路逐步被電纜線(xiàn)路取代，中壓電網(wǎng)固體絕緣的設備逐年增多，以及現有電纜線(xiàn)路隨著(zhù)運行時(shí)間的加長(cháng)絕緣逐漸老化，近幾年來(lái)弧光接地過(guò)電壓的問(wèn)題越來(lái)越突出，以至于電纜放炮等絕緣事故成為影響企業(yè)內部電網(wǎng)和供電電網(wǎng)安全運行的主要因素，從弧光接地過(guò)電壓產(chǎn)生的過(guò)程來(lái)看，與系統對地電容電流的大小并無(wú)關(guān)系。電纜線(xiàn)路發(fā)生單相電弧接地時(shí)，電弧電流以高頻電流為主，而消弧線(xiàn)圈只能補償工頻電流的90～95%，對于高頻電流根本起不到補償作用，消弧線(xiàn)圈無(wú)法減輕電纜線(xiàn)路中高頻電流對故障點(diǎn)的破壞。大量的事故表明，電纜線(xiàn)路發(fā)生單相接地警報之后，少則幾秒鐘多則幾分鐘最多十幾分鐘就發(fā)展成為相間短路事故。
消弧線(xiàn)圈在實(shí)際運行中還存如下弊端：
正常時(shí)消弧線(xiàn)圈的電感和電容運行在串聯(lián)諧振點(diǎn)附近，會(huì )使電網(wǎng)中性點(diǎn)不平衡電壓放大，產(chǎn)生虛幻接地或串聯(lián)諧振過(guò)電壓。
消弧線(xiàn)圈的補償作用，使故障點(diǎn)的電流減小，相位發(fā)生變化，選線(xiàn)的靈敏度降低甚至無(wú)法選線(xiàn)。
在某些情況下不能有效地消除弧光接地過(guò)電壓。
三、新型消弧裝置的使用
為能有效抑制弧光接地過(guò)電壓，防止電纜事故的發(fā)生，避免企業(yè)因被迫停電帶來(lái)的經(jīng)濟損失，經(jīng)過(guò)到用戶(hù)和相關(guān)廠(chǎng)家的實(shí)地認真考察比較，我們設計中經(jīng)常微機型消弧裝置，當發(fā)生單相弧光接地時(shí)該裝置能快動(dòng)作速轉化為金屬性接地，能達到如下效果：
1）盡快熄滅電弧，防止故障進(jìn)一步發(fā)展；
2）盡快將過(guò)電壓限制在安全水平，避免固體絕緣累積性破壞；
3）允許用戶(hù)在完成轉移負荷的倒閘操作之后再處理故障線(xiàn)路，避免被迫停電。
新型消弧裝置應用于中性點(diǎn)非直接接系統中，發(fā)生單相弧光接地時(shí)裝置動(dòng)作，快速轉化為金屬性接地，具有如下功能：
由于故障相直接與地網(wǎng)連接，對地電壓等于零，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅。
金屬性接地后，非故障相上的過(guò)電壓立即穩定在線(xiàn)電壓，系統中的設備可以在這個(gè)電壓下安全運行。
由于電弧被熄滅，過(guò)電壓被限制在安全水平，故障不會(huì )再繼續發(fā)展，為用戶(hù)倒閘操作贏(yíng)得了時(shí)間，可以避免造成被迫停電。
由于弧光接地的持續時(shí)間大大縮短，過(guò)電壓的能量降低到過(guò)電壓保護器允許的400A 2ms能量指標以?xún)?，避免了避雷器、過(guò)電壓保護器的爆炸事故。
由于母線(xiàn)過(guò)電壓被限制在較低水平，可避免激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓。
消弧裝置中的電壓互感器可以向計量?jì)x表和繼電保護提供電壓信號，可取代常規PT柜，并配置RS485接口，可按照用戶(hù)提供的通訊規約進(jìn)行數據遠傳。若有特殊要求也可以設置后臺控制終端。
實(shí)踐運行經(jīng)驗和試驗證明，盡管企業(yè)供電電網(wǎng)總降上加裝了自動(dòng)跟蹤消弧線(xiàn)圈來(lái)限制弧光接地過(guò)電壓，但系統弧光接地過(guò)電壓仍時(shí)有發(fā)生，對企業(yè)電網(wǎng)安全運行產(chǎn)生危害，而通過(guò)在電網(wǎng)6KV、10KV母線(xiàn)上架裝微機型消弧裝置后，系統發(fā)生單相接地時(shí)新型消弧裝置能準確動(dòng)作，電氣設備特別是電纜絕緣不會(huì )由于持續過(guò)電壓造成絕緣累積損傷，導致的相間短路事故的發(fā)生。
小結 由以上我們可以看出,每種過(guò)電壓產(chǎn)生的機理不同,有著(zhù)不同的特點(diǎn),應采用不同防范措施,才能保證企業(yè)電網(wǎng)的安全運行。
