过电压产生的危害及防止措施

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中国农业大学现代远程教育
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论文题目：过电压产生的危害及防止措施学生
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摘要 (3)
前言 (4)
1过电压的基本概念 (4)
1．1过电压的定义 (4)
1．2过电压的分类 (4)
2过电压的危害 (5)
2．1雷击过电压的危害 (5)
2．2操作过电压的危害 (6)
2．3暂态过电压 (7)
3过电压的防止措施 (8)
3．1变电站倒闸操作 (8)
3.1.1切断空载线路过电压 (8)
3.1.2切断空载变压器的过电压 (9)
3.1.3电弧接地过电压 (10)
3.1.4铁磁谐振过电压 (11)
3.1.5电磁式电压互感器饱和过电压 (11)
3．2雷电 (12)
4过电压保护设备及其保护原理、作用 (13)
4．1避雷器 (13)
4．2避雷针 (14)
4．3避雷线 (14)
4．4放电间隙 (15)
结束语 (15)
参考文献 (15)
摘要
电力系统过电压是危害电力系统安全运行的主要因素之一，过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积停电事故。

过电压来自两个方面，一种是遭受雷击产生的外部过电压，另一种是操作和事故时引起的内部过电压，主要是操作过电压。

过电压的数值与电力网和结构、系统容量及参数、中性点接地方式、断路器性能等有关。

通常采用避雷器、避雷针、避雷线等方法限制外部过电压。

而对于内部过电压，针对操作中产生过电压的形式可采取不同的控制措施，如对于谐振过电压，可采用并联电阻或改变系统运行参数的方法加以限制，对于电弧接地过电压，则产用将系统中性点直接接地的方法等，以达到保证设备安全、系统安全、人员安全的目的。

关键词：过电压危害防止限制
前言
本系统拥有近二十座110kV、35 kV微机综合自动化变电站，吸收xxx、xxx、xxx三个大型发电厂及若干小电厂的电能向xx区供电，并通过重庆xxx变电站同国网相联，是一个具有较高综合自动化水平的大中型电网。

但设备多，接线复杂，且各变电站的设备型号不一，如果发生过电压必将引起电网绝缘溥弱环节击穿，引发严重的电气事故。

因此，必须，采取防护措施。

本系统采用性能优良的避雷器、选用灭弧能力强的高压为路器，提高断路器动作的同期性，在断路器断口加装并联电阻、使电网中性点直接接地运行等方法对过电压加以限制。

1过电压的基本概念
电力系统中的各种设备在运行过程中，除了受到长期的工作电压的作用（要求它能长期耐受、不损坏、也不会迅速老化）外，还会受到比工作电压高得多的过电压的短时作用。

1．1过电压的定义
电力系统正常运行时，电气设备的绝缘处于电网的额定电压下，但是，由于雷电、操作、故障或参数配合不当等原因，会使电力系统中某些部分的电压突然升高，成倍地超过其额定电压，此种电压升高的即称为过电压。

1．2过电压的分类
过电压总体上可以分为外部过电压（又称为大气过电压）和内部过电压。

大气过电压是由直击雷引起的，特点是持续时间短暂，冲击性强，与雷电活动强度直接相关，而与设备电压等级无关。

它根据雷击的位置不同分为直击雷过电压、感应雷过电压侵入波过电压。

直击雷过电压。

是雷电放电进，直接击在输电线路、杆塔或建筑物。

大量雷电流通过被击中物体，经被击中物体的阻抗接地，在阻抗上产生电压降，使被击点出现很高的电位。

损坏电气设备或送电线路的绝缘。

变电站和送电线路通常采用避雷针、避雷线作为直击雷保护。

感应雷过电压。

雷雨季节空工出现雷云进，雷云带有电荷，对地及地面上的一些导电物体都会有静电感应，地面和附近输电线路都会感应出异种电荷，当雷云对地面或其他物体放电时，雷云的电荷迅速流动地中，输电线上的感应电荷不再受束缚而迅速流动，电荷的迅速流动产生感应雷电波，其电压也很高，其幅值可达500~600Kv，它对电气设备绝缘的破坏性很大。

这种情况下产生的就是感应雷过电压，感应过电压对35 kV以下的送电线路和电气设备威胁很大，常因感应雷而引起事故。

根据多年运行经验，变电所避雷针遭受直击雷时，附近三相母线将产生感应过电压，使35 kV的绝缘子和10 kV的绝缘子闪络引起事故的情况偶有发生，特别是配电系统由于感应过电压引起的事故是较多的，因此，对感应过电压的危害也应引起足够的重视。

内部过电压是由于操作（合闸、拉闸）、事故、（接地、断线等）或其他原因，引起电力系统的状态发生突然变化，出现从一种稳定状态转谈为另一种稳定状态的过程，在这个过程中可能产生对系统有威胁的过电压。

这些过电压是系统内部电磁能的振荡和积聚所引起的，所以叫内部过电压。

内部过电压可分为操作过电压和谐振过电压。

操作过电压出现在系统操作或故障情况下。

谐振过电压是由于电力网中的电容元件和电感元件（特别是带铁芯的电感元件）参数的不利组合谐振而产生的。

其中操作过电压还可细分为切除空载线路引起的过电压、空载线路合闸引起过电压、系统解列过电压以及电弧接地过压物切除空载变压器的过电压。

谐振过电压也可进一步细分为工频过电压（由长线电容效应、不对称接地故障、甩负荷引起）和谐振过电压（包括线性谐振、铁磁谐振和参数谐振）等。

内部过电压其幅值可达3~4倍相电压，常常会造成电气设备的损坏，引起事故。

因此必须采取相应的措施限制内部过电压的幅值，以保证电力系统安全运行。

2过电压的危害
2．1雷击过电压的危害
雷击过电压引起暂态高电压或过电压常常通过网络线路藕合或转移到网络设备上，造成设备损坏。

对于中性点不接地的分级绝缘变压器，当雷电波从线路侵入变电站到达变压器中性点、系统单相接地、非全相运行、特别是变压器励磁电感与线路电容谐振时，会产生较高的雷电过电压或工频过电压，对分级绝缘变压器中性构成威胁，甚至使绝缘损坏。

特别地，雷电放电所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，它将引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。

从电力工程的角度来看，最值得我们注意的有两个方面：首先，雷电放电在电国系统中引起很高的雷电过电压（亦称为大气过电压），它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一；其次雷电放电所产生的巨大电流，有可能使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。

雷击过电压又分为纵向过电和横向过电压
1）纵向过电压的：在平衡线路某点出现的对地过电压称为纵向过电压。

地电位上升起电压，可看作是从地系统侵入的纵向过电压。

2)横向过电压：在平衡电路线与线之间，或不平衡线路的线与地之间出现的过电压称为横向过电压。

连接对称平衡传输线路的设备由于线路中的两线分别对地的纵向过电压不平衡，或因纵向防护元件动作时间的差异，都会导致横向过电压的产生。

连接同轴电缆系统的电子设备，纵向过电压即为横向过电压。

本系统具有较高的自动化水平，多数变电站为微机综合自动化变电站。

电子元件越来越多地取代了老式的电磁元件。

过电压对电子元件的损坏已不容忽视。

纵向冲击对平衡电路中设备元件的损坏有：损坏跨接在线与地之间的元部件或其绝缘介质，击穿在线路和设备间起阻抗匹配作用的变压器匝间、层间或线对地绝缘等。

横向冲击则同信息一样，可在电路中传输，损坏内部电路的电容、电感、及耐冲击能力差的固体元件。

设备中元部件遭受雷击损坏的程度，取决于不同的绝缘水平及受冲击的强度。

对具有自行恢复能力的绝缘，击穿只是暂时的，一旦冲击消失，绝缘很快得到恢复，有些非自行恢复的绝缘介质，如果击穿后只流过很小的电流，常不会立即中断设备的运行，但随时间的推移，元部件受潮，其绝缘逐渐下降，电路特性变坏，最后将使电路中断。

有的设备元件如晶体管的集电极与发射极与基极，若发生反向击穿，就出现了永久性损坏。

对易受能量损坏的元器件，受损坏程度主要取决于流过其上的电流及持续时间。

2．2操作过电压的危害
电力系统改变设备的运行状态、系统运行方式以及事故处理均是通过倒闸操作实现的，而其本质是通过跳合开关（断路器）来达到目的。

倒闸操作是变电运行工作中不可或缺的重要组成部份。

随着电力系统物迅速发展，真空断路器在我国已经大批量地生产和使用，本站35 kV及10 kV均采用
真空断路器，真空断路器具有运行可靠性高、维护量少、操作方便等特点，但在运行操作过程中，过电压对其损害较大。

1）截流过电压：由于真空断路器具有良发的灭弧性能，当开断小电流时，电弧在过零前熄灭，由于电流被突然切断，其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组中的杂散电容充电，转变为电场能量。

对于电机和变压器，特别是空载或容量较小时，则相当于一个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生高的过电压，特别是开断空载变压器时更危险。

从理论上讲可以产生很高的过电压，但由于触头和回路中有一定的电阻，产生损耗以及发生击穿，对过电压值有相当的抑制作用。

但这种抑制作用是有限的，不能消除在切断小电流时出现的过电压。

因此特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时；应加装过电压保护设备。

2)多次重燃过电压。

多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电源充电而产生的。

在真空断路器切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为LC回路充放电的振荡电源，如果触头间的开距不够大，两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿，断路器的恢复电压就会升高。

如时触头开距不够大，就会发生第二次重燃，再灭弧，再重燃，以至发生多次重燃现象。

多次的充放电振荡，使触头间的恢复电压逐渐升高，负载端的电压也不断升高，致使产生多次重燃过电压，损坏电气设备。

3）三相开断过电压。

三相开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙产生重燃时，流过该相绵弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，致使末开断相随之被切断，在其他两相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，产生的过压加在相与相之间的绝缘上。

在开断中，小容量电机或轻负荷情下容易出现三相开断过电压。

对母线支撑件，套管以及所连接的二次设备产生影响。

2．3暂态过电压
分为工频过电压和谐振过电压。

其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害性较大，过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积停电事故。

许多运行经验表明，中、低压电网中过电压事故大多数都是谐振现象引起的。

由于谐振过电压的作用时间较长，在选择保护措施方面造成困难，为了尽可能地防止谐振过电压，在设计、操作电网时，应先事先进行必要的估算和安排，避免形成严重的串联谐振回路。

或采取适当的防止谐振的措施。

谐振过电压轻者令电压互感器和熔断器熔断、匝间短路或爆炸，重者发生避雷器爆炸、母线短路、厂用电失电等严重威胁电力系统和电气设备运行安全的事故。

3过电压的防止措施
3．1变电站倒闸操作
变电站是电力系统的重要组成部分，倒闸操作是变电运行工作的主要内容，分别针对变电站内部产生过电压的五种原因提出限制过电压措施及方法，能指导运行人员正确理解控制措施的原理和正确进行倒闸操作，以达到限制过电压的目的。

3.1.1切断空载线路过电压
切断空载线路是常见的倒闸操作，一条供电线路两端开关，其分闸时间总是存在着一定的差异（一般约为0。

01~0。

5秒），所以无论是正常操作或故障操作，都有可能出现切除空载线路的情况，实践证明，在使用断路器的灭弧能力不够强，以至电弧在触头间重燃时，切断空载空载线路过电压就比较多，电弧在触头间重燃是产生这种过电压的根本原因，过电压会使线路绝缘闪络或击穿。

在切除电容器组时也会发生类似的过电压。

切断一条不太长空载线路，可用图一的等值电路来代替。

其中L是线路电感和电源漏感，C是线路对地电容。

空载线路属于容性负荷，空载线路电流过零时，空载线路的电压恰好为最大值。

当断路器切断空载线路时，断路器触头的分离可能在电源相位角为任何数值时发生，如是此时的电流不为零，触头之间就会产生电弧，线路就没有被切断。

通常交流电弧要在电流过零时，加上断路器灭弧室的作用才能熄。

在断开空载线路时，由于断路器触头间的电弧可能出现反复重燃，从而使线路上产生较高的过电压，这种过电压有可能引起供电系统内部的绝缘薄弱点闪络造成绝缘薄弱部位击穿，甚至使断路器的触头烧毁。

图一
限制过电压措施：
（1）提高断路器的灭弧性能，特别是切断小电流的性能，可以减少甚至消除电弧重燃的可能性，从而降低或根本上消除空载线路过电压。

(2)采用带并联电阻的开关，如图二所示。

图二
断路器断开线路时，是逐级开断的。

主断口1先分，并联电阻自动并在主断口旁。

由于电阻R连接在电源与线路之间，线路上电荷经电阴R向电源泄放，泄放电流经R的压降即主断口的恢复电压。

如果R取得足够小，就可减少主断口的恢复电压，减少重燃的可能性。

在主断口开断后过一断时间（约1——2个工频周波），辅助断口2也分开，最后切断空载线路。

即使在分闸时电弧重燃，由于并联电阻R的阻尼作用，过电压也不会大。

当合闸时，先合2，使电源与空载线路先经过R接通，减少了1上的电位差，然后再合1，就会使合闸过电压降低。

当采用并联电阻后，在最不利的时刻发生重燃，过电压实际只有2。

28倍。

3.1.2切断空载变压器的过电压
断路器能在变压器有载，甚至二次侧短路的情况下切断电路，而不产生过电压，但在切断空载变压器的情况下，却可有出现过电压，这是因为切断有载变压器时，断路器强迫运行中变压器一次绕组中的电流中断时，由于磁场的变化，使二次绕组中感生很大的，阻挠磁场改变的电流，所以它的磁场能量变化得到了平衡，因此，不会发生过电压的现象。

但是，切断变压器的空载电流则不同，由于二次绕组中没有感应很大的、阻挠磁场改变的电流，使为数不大的变压器的空载电流被迫立即下降到零，于是在变压器的激磁电感上，一次将感生很高的电压，引起母线和线路上绝缘薄弱部分出现事故。

根据国内运行统计资料，在中性点接地系统一般不超过三倍相电压；在中性点不接地（或
经消弧线圈接地）系统一般不超过四倍相电压。

限制过电压措施：（1）切断空载变压器过电压，频率高，持续时间短，能量小，限制容易。

因此，可使用带并联电阻的开关（因为并联电阻能够使变压器磁场能量得以释放），或用防护大气过电压的避雷器来限制。

为此目的而装设的避雷器，冬季不宜退出运行。

（2）将被切空载变压器带有一段电缆或架空线，这就等于加大了开关中流过的电容电流，会使变压器的特性阻抗减小，故在截流值一定时，过电压将降低。

3.1.3电弧接地过电压
在中性点不接地系统中，当发生一相接地故障时，常出现电弧，由于系统中存在线路电容和电压互感器电感，极有可能引起线路某一部分振荡，当电流经振荡点或工频零点时，电弧可能暂时熄灭，之后当事故相上电压升高后，电弧则可能重燃，这种断断续续的、熄灭和重燃交替进行的对地放电，将造成在正常相及事故相上出现过电压，使系统内的绝缘薄弱部分有可能遭受击穿放电。

单相接地故障在系统中出现的机会较多，因而引起这种过电压的可能性是很大的，故应对其危害有足够重视。

限制过电压措施：（1）为消除电弧接地过电压，可以将中性点直接接地。

这样，电荷可以通过接地点放掉，从而消除这种过电压。

在发生单相接地故障时，形成很大的单相短路电流，使回路跳闸，切除故障后再恢复供电。

目前110Kv以上电网大都采用中性点直接接地的运行方式。

在采用了中性点直接接地的电网中，各种形式的操作过电压均比中性点绝缘的电网低。

但如在电压较低，电网中采用中性点直接接地的运行方式时，则会招致事故频繁、操作次数多，故采用中性点绝缘运行方式，当电容电流超过5A时，电弧不易熄灭，易采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。

（2）采用消弧线圈消除电弧接地过电压。

消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈，装设在变压器或发电机的中性点，当发生单相接地故障时，可形成一个与接地电容电流大小接近相等的而方向相反的电感电流，这个滞后电压90°的电感电流与超前90°的电容电流相互补偿，最后使流经接地处的电流变得很小以至于等于零，降低故障相上的恢复电压，减少重燃电弧的可能性，从而消除了接地处的电弧以及由它所产生的危害。

3.1.4铁磁谐振过电压
由于电力系统存在一些电感元件，形成了非线性电路，当满足谐振条件时，（操作、故障所致），会引起过电压，它是一种稳态现象，其持续时间较长，可以直到进行新的操作使谐振条件被破坏而终止。

因此，这类过电压，往往会造成严重后果。

故必须在操作前与设计时先进行必要的考虑，或采取一定措施来防止其发生或限制其存在的时间，以免形成谐振回路。

图三给出最简单的R 、C 和有关电感L 的电路。

假设在正常运行条件下，开始电路运行在感性工作状态，感抗大于容抗，电路不具备谐振的条件。

但是，当铁芯电感两端的电压有所升高时，电感线圈中出现涌流就可能使铁芯饱和，其电感将随之减少，当感抗等于容抗时，即达到串联谐振条件，在电感、电容两端形成过电压。

当电力系统中发生断线故障或不对称开断故障时，线路末端又接有空载（或轻载）的中性点不接地的变压器，将及易形成串联谐振，发生过电压。

发生这种过电压，常引起避雷器爆炸、烧坏电压互感器和绝缘子，或使接于该变压器的小功率电动机反转。

为防止此类事故，不使用分相操作的断路器及熔断器，并避免变压器空载或轻载（负荷在额定容量20%以下）运行。

3.1.5电磁式电压互感器饱和过电压
在中性点绝缘的系统中，母线上只带电压互感器而不带线路（或很短线路）的情况下，可能发生一些异常现象。

例如在2005年4月26日，本站因上级变电站事故停电，在恢复送电时，35K
L
图 三
v线路上只带电压互感器，发现电压互感器指示的相电压，有两相对地电压同时升高，并且电压表指针摆动严重，接地报警器发出接地报警，电压互感器的熔断器熔断。

长时间这种情况能引起绝缘闪络或避雷器爆炸，这是由于电压互感器饱和而产生的过电压现象。

当电网中发生冲击扰动时，使一相或两相电压瞬时升高，由于电压互感器的激磁抗是非线性的，可能使两相励磁电流突增而使其饱和，相应的它们的电感值也减小。

这样，由于三相对地负载不平衡，故使电网中性点出现位移电压，假设参数配合使感抗与容抗相等，便产生了串联谐振现象，使中性点位移电压急剧上升，此电压叠加于三相电源上，通常是使两相对地电压升高，一相对地电压降低。

这种过电压在线路发生短路、断路器突然将此线路切除，或利用断路器向母线充电时，均能激发。

而且持续时间长，直到操作断路器改变了系统工作状态，所以不能用避雷器限制它。

消除它的有效措施有：在互感器三角绕组开口端接入一个电阻R，使谐振不能产生，R的值35Kv以下电网中一般在10~100 欧姆的范
围内。

此外，选用激磁性能较好的电磁式电压互感器或电容式电压互感器；特殊情况下，可采用临时倒闸措施，如投入事先规定好的某些线路与设备或电容器，以增加对地电容，使谐振不能发生。

3．2 雷电
雷电是大自然中最宏伟壮观的气体放电现象，其放电时引起的过电压和短路电流，均对电力系统的安全运行构成巨大威胁。

电力系统外部过电压的形式主要有直击雷过电压、感应雷过电压和侵入雷电波过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故、及设备损坏的主要原因之一。

为了防止直击雷对变电站设备的侵害，变电站装有避雷针或避雷线和避雷器带等来保护被保护对象，但常用的量避雷针。

为了防止进行波的侵害，按照相应的等级装设阀型避雷器、磁吹避雷器和氧化锌避雷器和与此相配合的进线保护段，即架空地线、管型避雷器中火桦间隙，在中性点不直接接地系统装设消弧线圈可减少线路雷击跳闸次数。

通常采用保护间隙或避雷器等防雷保护设备与被保护设备并联连接，保护电气设备免遭入侵雷电波损坏。

为了防止感应过电压，旋转电机还装设有保护电容器。

同时为了可靠地防雷，所有以上设备都必须装设可靠的接装置。

防雷设备的功能是引雷、泄流、限幅，均压。

4过电压保护设备及其保护原理、作用
4．1避雷器
避雷器：广泛使用在电气设备及线路中，避免雷电和操作过电压下发生闪络或击穿，按结构可分为管型避雷器（包括一般管型和新型）、阀型避雷器（包括普通阀型和磁吹型）和氧化锌避雷器。

其保护原理是在过电压超过一定幅值时动作，给雷电流提供一个低阻抗的通路，使其泄放到大地，从而限制了电压的升高，保障了线路设备的安全。

管型避雷器。

它有两个间隙，一个装在产气管内，叫内部间隙；一个装在管外，叫外部间隙。

内部间隙又叫灭弧间隙，由装有管外的棒形电极和管口的环形电极组成。

成雷电波的作用下，内、外部间隙击穿放电。

间隙放电后，在工频电压作用下，工频短路电流（工频续流）继续通过间隙，其高温电弧使产气管内壁产生大量气体，压力很高，气体由放气孔急骤放出，电弧受到纵向吹动而熄灭。

其熄弧能力与工频续流大小以及所采用的管子材料、内径和内间隙大小有关。

因此使用时必须核算安装在各种运行情况下短路电流的最大值和最小值，其熄弧电流上、下限应分别大于和小于短路电流的最大值和最小值。

阀型避雷器。

它由放电间隙和阀片（非线性电阻）两个基本元件串联组成，全部装在密封的瓷套内，瓷套上端用引线与电网导线（或母线）相连，下端经引线接地。

在电力系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，避免由母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流使阀片烧坏。

当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地。

由于阀片的非线性特性，在阀片上的压降（称为残压）将得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，电气设备就得到了保护护。

当过电压消失，间隙中由于工作电压产生的工频电弧电流（称为工频续流）仍将继续流过避雷器，此续流受阀片电阻的非线性特性所限制，较冲击电流为小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时将电弧熄灭。

此后，依靠间隙的绝缘强度能够耐受电网恢复电压的作用而不发生重燃。

这样，避雷器从间隙击穿到工频续流的切断不超过半个工频周期的时间，继电保护来不及动作，电力系统已经恢复正常。

金属氧化锌避雷器。

是一种新型保护设备，其内部元件由中间穿孔的环形氧化锌电阻片构成，穿孔中穿有一根有机绝缘棒，两端用螺栓紧固而成，内部元件装入瓷套内，上、下两端一个压紧弹簧压紧。

瓷套两端法兰各有一压务释放出来，以防瓷套爆炸和损坏其他其他设备。

避雷器根据电压。