系统过电压分析及解决方案

系统过电压分析及解决方案

一、系统过电压的主要类型

系统中产生过电压的类型主要有大气雷击过电压、操作过电压、弧光接地过电压及铁磁谐振过电压。

二、系统过电压的解决方案

（一）大气雷击过电压

由于早期我国电力系统是以架空线路为主，遭到雷击（直击雷、感应雷等）产生的大气雷击过电压。

对系统绝缘有很大的危害，70 年代我国从日本引进了氧化锌技术，生产出避雷器解决了大气雷击过电压。

（二）操作过电压

1、操作过电压的产生和普通避雷器的防制效果。

操作过电压是由于真空断路器的大量使用而产生的。操作过电压包括截流过电压、多次重燃过电压。及三相同时开断过电压。

操作过电压不仅在开关合上有，在开关打开时也有，并且在开关打开时产生的过电压

幅值比开关合上时更高，对系统的危害也更大。在一定时期内使用的是普通避雷器来解决的。

注：开关时产生的操作过电压幅值更高，而且打开后是在小系统里，如果没有过电压吸收装置，过电压对线路和终端设备的危害更大。

避雷器 过电压保护器

由于避雷器原理上的缺陷，避雷器只能解决相对地的过电压，而操作过电压当中的相

间过电压是解决不了的。

90 年代出现了带间隙的组合式过电压保护器，既解决了相对地的操作过电压也解决了相间的操作过电压问题,特别是保护电动机的绝缘起到了很好的作用。

2、过电压保护器的产生解决了以下问题：

1）荷电率问题，过电压保护器带间隙正常运行时荷电率为零，不存在老化问题；

2）不仅解决了操作过电压中的相对地过电压，而且还解决了相间过电压，使操作过电压可靠在被保护设备绝缘允许范围内，更好地保护了终端设备的绝缘；

3）每个真空断路器出线端装一组过电压保护器，更好地解决了真空断路器打开时在小系统里存在过电压，保护线路和终端设备，特别是对电动机的绝缘起到了很好的保护作用。

3、现行过电压保护器实际使用存在的问题以及我公司的改进

1）问题：

过电压保护器吸收过电压容量不够，过电压保护器出现阀片直接击穿或炸裂，现象为阀片中心有黑点或阀片有裂纹；

过电压保护器密封不严，产生呼吸现象导致内部短路发生爆炸事故，甚至于有的时候出现过正常运行时发生过电压保护器事故；

2）原因：

现在过电压保护器一般用的Ø42 阀片，通流量为400A 2ms，根据阀片直径和密度不同，有的根本达不到这个通流量，甚至有的厂家用 Ø16 阀片,通流量只有50A 2ms ，不能吸收系统过电压时能量比较大的过电压；

间隙和阀片通过环氧筒套装，内部有大量的空气会产生呼吸现象，在内部产生凝露；放电间隙被氧化使放点距离变小；

生产环境工艺控制不严，密封不好，阀片受潮导致内部短路出现爆炸事故。

3）我公司过电压保护器的改进

加大阀片的通流量（用Ø52 的阀片），达到600-800A 2ms；

使用我公司专有的“抑流”技术-阀片整体模压、间隙下沉,不采用的传统方式-环氧筒套装，防止产生呼吸现象；

现场生产环境严格控制，保持恒温恒湿的干燥环境，不至使元器件受潮；

带三相六路智能数字计数器。

（三）弧光接地过电压

1、弧光接地过电压的产生及危害

1）形成弧光接地过电压的基础是间歇性电弧。

当中性点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接地（以下简称“弧光接地”）故障时，由于电弧多次不断的熄灭和重燃，导致系统对地电容上的电荷多次不断的积累和重新再分配，在非故障相的电感—电容回路上引起高频振荡过电压。

对于架空线路，过电压幅值一般可达3.1～3.5 倍相电压。以电缆线路为主的供电电网， 绝缘击穿或电弧重燃时过渡过程中的高频电流，可达数百安培甚至上千安培。电缆线路弧光接地时，非故障相的过电压可达4～7 倍。

2）弧光接地过电压的危害

①高幅值的过电压加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏。

对于中性点非直接接地系统，在高幅值的弧光接地过电压的持续作用下，加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏，最终在非故障相绝缘的薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为相间短路事故。

②弧光接地过电压导致烧PT 或保险熔断。

普通的电压互感器饱和点一般为1.6～1.8 倍，在弧光接地过电压作用下，使电压互感器严重饱和，激磁电流剧烈增加。另一面，电压互感器饱和，也很容易激发铁磁谐振，导致电压互感器过载。

上述两种情况，都将造成电压互感器烧毁或高压保险熔断。

③弧光接地过电压导致避雷器、过电压保护器爆炸。

弧光接地时，过电压的能量由电源提供持续时间较长，能量很大。当过电压的能量超过避雷器或者过电压保护器所能承受的能量指标时，就会造成避雷器的爆炸事故（能量越小爆炸的可能性越大）。

2、我国弧光接地过电压的措施分析

1）消弧线圈的作用

① 消弧线圈曾经对提高3～35kV 架空线路供电可靠性起到了积极的作用；

由于消弧线圈的电感电流补偿了电容电流，使得故障点的电弧能够自行熄灭，这就大大减小了因受风吹、电动力等影响而引起直接的相间弧光短路的可能性。一旦电弧自行熄灭后，架空线路的绝缘又可以完全恢复。

②消弧线圈对于以电缆线路为主的供电网络已不能继续发挥作用。

随着城网改造的进行，架空线路逐步被电缆线路取代，中压电网中固体绝缘的设备逐年增多，以及现有电缆线路随着运行时间的加长绝缘逐渐老化。近几年来弧光接地过电压的问题越来越突出，以至于电缆放炮等绝缘事故成为影响企业内部电网和供电电网安全运行的主要因素。

在以电缆线路为主的系统当中消弧线圈来消除弧光过电压存在如下缺陷：

a、选线灵敏度降低甚至无法选线；

中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，应尽快选出故障线路，以便检查处理。

由于消弧线圈的补偿作用，使故障点的电流减少，相位发生变化，必然会降低选线的灵敏度，甚至使选线工作根本无法进行。

b、现行消弧线圈自动跟踪补偿或自动调谐是在工频下完成的；

在高频振荡过渡过程中，由于消弧线圈和电网电容这两者频率特性相差悬殊，两者是不可能完全互相补偿或调谐的。单相间歇性电弧接地时刻通过接地故障点的总电流是高频振荡电流，运行中单相接地情况，一般是：间歇性电弧接地→稳定电弧接地→金属性接地。根据实测，间歇性电弧接地，持续时间可达0.2～2s，频率可达300-3000HZ ；然后呈稳定电弧接地，持续时间可达2～10s；最后，故障点导线被烧熔成为金属性接地。

c、消弧线圈采用的是过补偿原理，过补偿后有残流，加上间歇性弧光接地时的高频电流会产生重燃现象；

d、熄弧的时间不确定。

2）中性点经小电阻接地

正因为消弧线圈不但不能避免电缆事故，在正常运行时还存在上述诸多问题，我国北京、上海、广州等地区已逐步将中性点经消弧线圈接地改为经小电阻接地方式，我国石油化工系统也提出了采用小电阻接地方式的建议。中性点经小电阻接地，从根本上解决了消弧线圈正常运行中带来的问题，缓解了弧光接地时的过电压，但扩大了单相接地时的故障电流，加剧了故障点的烧伤，牺牲了对用户供电的可靠性。对于用电企业，被迫停电将会造成巨大的经济损失。

3）熔丝加接触器型式直接接地的消弧装置将弧光接地快速转化为金属接地

①直接接地的消弧装置不论是高频电流还是工频电流完全转移，即故障相直接与地网连接，对地电压等于零，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭；

②金属性接地后，非故障相上的过电压立即稳定在√3倍，系统中的设备可以在这个电压下安全运行；

③由于母线过电压被在较低的水平，可避免激发铁磁谐振过电压。

消弧消谐装置一次原理图

4）将故障相经氧化锌非线性电阻或电感接地

①由于氧化锌非线性电阻导通电压不为零，装置动作后不能保证立即熄灭电弧，电弧

熄灭后也不能保证不重燃；

②电弧一旦熄灭并不再重燃，则系统电容电流将全部流过氧化锌非线性电阻，若容量太小时，长时间承受过高的过电压能量，将造成氧化锌爆炸的事故。

5）使用单相断路器直接接地消除弧光

该装置和熔丝加接触器直接接地消弧装置的共同点和区别：

共同点：

①都是直接接地的原理来消除弧光；

②发生短路都要断开，防止因消弧装置给母线造成短路而跳闸。

区别：

①发生短路时，熔丝加接触器直接接地消弧装置利用熔丝的物理特性使接地相的熔丝在

1-2ms 内快速熔断，没有经过峰值电流，对系统的冲击几乎没有影响，而单相断路器要通过控制部分进行分析判断后发命令再跳闸，时间至少需要2个周波以上，对系统的短路冲击比较大；

②控制部分的抗干扰能力不同，短路时熔丝熔断不受干扰影响，而单相断路器要通过控制部分进行分析判断后发命令再跳闸，控制器和单相断路器的充放电电源都会受到现场

环境及开关合分对二次元器件的干扰，多而复杂的元器件只要有一个元器件损坏都会导致断不开或合不上,造成事故扩大。因此对于消弧装置的使用我公司建议能选择到熔丝的情况下我公司不建议采用单相断路器型式的直接接地的消弧装置，而是采用物理特性来防止短路的熔丝加接触器型式的消弧装置。

综上所述，直接接地消弧装置是目前在适合安装的系统当中所起的熄弧作用是比较明显的。但通过十来年的实践证明，消弧装置也出现过很多问题。

主要表现在以下方面：

1、消弧消谐装置误动频繁发生现象：

a、在变电站空母线送电时；

b、发生弧光过电压时合真空接触器合错相。

原因分析：

a、判据不合理；

b、消弧消谐控制器受电磁干扰引起的误判，即抗干扰能力不够。

2、高压限流熔断器熔断的问题

现象：高压熔断器经常熔断

分析：

★设计时熔断器选择过小，消弧消谐装置动作后，造成熔丝熔断。

★消弧控制器抗干扰不行误发信号，发生弧光接地时该合故障相直接把故障相弧光接地转换成金属接地消除弧光即可，但是合闸合错了相，引起了相间短路。

★消弧消谐装置动作后，运行值班人员不知道情况（后台通讯联不上），故障情况下长时间运行，如另一相再有接地，引起短路。

★高频电流的影响导致高压限流熔断器熔断。

★消弧消谐装置重复使用导致同一变压器下同一电压等级下的各段母线都使用了消弧装置，会出现如图

所示情况。

3、PT 选择不合理

现象：★ＰＴ保险经常熔断；

★电压互感器出现漏油、烧坏、爆炸事故。

分析：★互感器饱和点不满足要求，即系统出现接地时，因电压升高 倍以后，超过互感器本身的饱和点（一般电压互感器饱和点在1.6-1.8 倍相电压)，激磁涌流过大，导致保险熔断、长时间运行后出现的漏油。

★故障点恢复时，瞬间电流对电压互感器及熔断器的冲击，引起电压互感器熔丝熔断（严重时可能造成PT 损坏）。

三、我公司的改进措施:

1、消弧消谐装置误动频繁发生

不采用传统的单片机来控制（单片机的抗干扰能力最多做到抗干扰III 级）而是采用抗干扰能力更好的32 位DSP、双CPU 技术。抗干扰能力达IV 级,这是我公司在06 年将控制器送至国家继电器质量监督检验中心做了IV 级抗干扰型式试验，通过电气性能、环境及安

全检验和电磁兼容检验。使控制器减少受环境和电磁干扰的影响，防止装置的误动,动作更迅速，2 个周波之内快速合闸熄弧，避免事故扩大，让用户放心。

2、高压限流熔断器熔断的问题

a、针对电容电流选小问题，我公司要求技术人员及项目经理与设计院及用户落实好系统参数，以保证对消弧消谐装置的参数满足系统要求；

b、不在不合理的系统中使用消弧装置，防止因消弧装置的重复使用导致熔丝经常熔断；

c、提高装置的抗干扰能力，防止装置误合闸导致熔丝熔断。

★针对消弧动作后，用户不知道情况，故障情况下长时间运行造成另一相接地，引起短路。目前的主要原因是后台通讯问题，很多厂家在与后台通讯时有连不上的情况导致用户运行检修人员监测不到。

★所以我公司将控制器送至国家继电器质量监督检验中心做了通信及规约检验，以满足用户使用过程中出现的不必要的麻烦。这样当现场出现接地后，主控制室可以了解现场情况，减少了上述问题的发生。

3、电压互感器烧损及所配高压限流熔断器熔断的问题

针对第一种原因，设计在满足系统要求的参数的情况下，提高电压互感器的饱和点。我公司目前将互感器饱和点提高2.0~3.5 倍，以防止此类问题的发生。

针对第二种原因，公司研发了一个新的产品，以防止接地电流对互感器及熔断器的冲

击。

此原理简述：当系统发生接地以后，PT 中性点对地为高阻状态，待接地复位后,延时将高阻状态转变为低阻状态，从而保护电压互感器及PT 熔芯。

消弧改进总结:

一、从一次元器件上

1、提高电压互感器的饱和特性；

2、根据系统参数选择高压限流熔断器，不是想当然配置；

3、不选择质量差、成本低的一次元器件（如铜的熔丝、铝做的真空接触器）。

二、消弧控制器

1、抗干扰达到IV 级；

2、为了能给增容扩容的用户系统或初设时选择的不合理，能对高压限流熔断器进行升级，控制器里增加电容电流记忆功能；

3、利用母联接点增加闭锁功能，防止消弧装置重复使用；

4、通讯规约通过国家继电器检测试验；

5、增加故障录波功能，可以通过波形反映是否发生弧光接地，并判断消弧装置是否动作；

6、增加了零序接地保护，以保护有发电机及大电机的电力系统。

针对不同系统消弧装置使用情况：

1、装置的保护功能不受电网大小和运行方式的影响；

2、对于中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经高阻接地系统可以使用消弧装置；

3、对于中性点经小电阻接地、中性点直接接地系统不适合使用消弧装置；

4、对于一台主变同一电压等级下的各母线段不能重复安装消弧装置，只要使用一台消弧装置就能起到保护作用。

建议：

1、对于固体绝缘可恢复的纯架空线路可以使用消弧线圈；

2、对于架空和电缆的混合线路及纯电缆线路建议使用直接接地的消弧装置，防止事故扩大，引起电缆放炮、终端设备绝缘击穿。

3、消弧装置也可和消弧线圈配合使用。

四、铁磁谐振过电压

在中性点不接地系统中，虽然电源侧的中性点不直接接地，但电压互感器的高压侧中性点是接地的。电压互感器的铁心线圈相当于与电容器并联，构成了可能产生谐振的并联电路，由于相对地电压升高√3 倍，有可能使得电压互感器的铁心出现饱和或接近饱和，阻抗变小，电路中出现容抗和阻抗相等的情况，从而产生了铁磁谐振，导致烧PT 或保险熔断。

五、各类过电压保护装置的缺陷

由于系统当中过电压类型比较多，能量大小不确定，现有的产品解决系统过电压还不是很完善，存在保护盲区并且还有不完善的地方，体现在以下几方面：

1、三相组合式过电压保护器：虽然解决了操作过电压、但是间隙放电产生的短时尖峰，会给系统带来一定的损伤；

2、消弧装置：消弧装置动作前（最快也要40ms 左右）的过电压无法解决，消弧装置动作后复归，如果是永久性电弧接地会产生重燃过电压；

3、消弧线圈：解决弧光过电压不彻底，会产生重燃现象；

4、许多解决谐振过电压的产品（二次微机消谐、一次消谐）在解决PT 谐振和保护PT 都起不到很好的作用；

5、直接接地系统、小电阻接地系统发生接地时跳闸之前的过电压，特别是弧光接地时的过电压没有过电压类产品吸收；

6、大气、雷击过电压直接击穿避雷器的能量比较大的过电压。

7、对于中性点不直接接地系统，接地恢复时（包括消弧装置复归）接地电流对PT 及PT 保险的冲击，是导致PT 保险熔断、PT 损坏的最主要原因。

针对以上几方面的问题我公司研发了新的产品 ——过电压抑制柜

1、配电过电压抑制柜的作用

这是一种新型的系统过电压抑制设备，安装在配电站系统用来优化系统的过电压保护曲线，弥补现有配电站系统中过电压解决方案的不足，同时解决PT 和PT 熔断器在谐振情况下的损坏问题，可以取代PT 柜，具有PT 功能，既可以做成固定柜，也可做成手车式。

配电过电压抑制柜（SPVOS）一次原理图

2、配电过电压柜装置特点

1）由于不同企业系统的复杂性，致使过电压还不能彻底的消除，存在着保护盲区或死区。

过电压抑制装置采用本公司研制的专用大容量过电压抑制元件，能够更好的消除系统过电压。

A、过电压抑制柜——具有过电压保护器的特性，优化过电压的保护曲线，目前在系统中使用的过电压保护类产品，不是很完善，不能有效的解决系统过电压，装置当中的YZQ是大能容吸收器，通流量达3200A 2ms，能更好抑制其它产品解决不了的过电压，吸收的能量更大；

B、瞬间切断电压互感器发生铁磁谐振的激磁涌流，如果消除了则立即复位，即电压互感器如果发生铁磁谐振，利用YZQ 装置中的智能消谐装置彻底保护电压互感器，不会发生PT 保险断、烧PT 事故，利用32 位DSP 技术、双CPU 的全频智能消谐能有效消除无论是接地时发生的谐振还是不接地时发生的谐振，更好地保护PT。

C、用饱和点比较高的PT。

2）装置本身通过了以下几个型式试验：

A、整柜通过西高所的型式试验；

B、大能容吸收器通过西瓷所型式试验；

C、智能消谐装置通过国家继电器检测中心的IV 级抗干扰试验

3、配电过电压抑制柜应用范围

配电过电压抑制柜具体对对接地方式没有特殊的要求，不同的系统均可以：

1）子站或分母线；

2）电厂厂用电系统；

3）供电局直配系统；

4）小电阻接地系统等。