过电压事故原因分析及其防止措施

过电压事故的原因分析及其防止措施
【摘要】因南方天气多雾、空气潮湿，220kv供电系统输送电线路绝缘强度差，绝缘子容易发生污闪，变配电容易发生单相接地短路跳闸，220kv系统产生内部过电压，通过传递在供电低压系统形成过电压，损坏直流测量变换器（cm4017）。

本文分析了220kv系统内部过电压怎样形成？过电压是如何传递？以及设备损坏的机理。

通过事故原因的分析，结合变配电的实际情况，提出4条防止措施：加强检查和试验，提高绝缘弱点的绝缘强度；采用技术手段，提高耐压水平低设备的防过压能力；采用具有金属屏蔽层的电缆，设备的金属外壳可靠接地；在低压系统中安装电涌保护器（spd），实现三级保护，有效抑制过电压带来的危害。

【关键词】过电压；内部过电压；静电耦合；电磁耦合；三级保护
一、事故情况
变配电容易发生绝缘子污闪事故，造成该变电所所带负荷中断，供电低压系统发生过电压事故，直流测量变换器（cm4017）中的压敏电阻全部烧坏，造成较大经济损失。

二、原因分析
峰值大于正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压，统称为过电压。

在供电系统中，过电压按其产生原因的不同，分为大气过电压和内部过电压。

大气过电压是指供电系统内的电气设备和构筑物受直接雷击或
雷电感应而产生的过电压，引起这种过电压的能量来源于外界，故也称为外部过电压。

它所形成的雷电冲击电流幅值可高达几十万安，雷电冲击电压幅值最高可达百万伏，破坏性极大。

内部过电压是指电力系统内部的开关操作或出现其它故障原因，使电力系统的工作状态突然改变，从而在其过渡过程中出现电磁能在系统内部振荡和积累所引起的电压升高。

内部过电压是在电网额定电压基础上产生的，其幅值大体上随着电网额定电压的升高按比例增大，在一般情况下，内过电压幅值约为2.5～4uxg（uxg为系统最大运行相电压）。

内部过电压包括操作过电压和谐振过电压两大类。

通过以上叙述可知供配电低压系统过电压事故属于内部过电压事故，高压系统产生的过电压向低压系统传递，在低压系统中形成瞬间升高的电压，破坏设备。

具体原因如下：
1.220kv系统中内部过电压的形成
因南方天气多雾、空气潮湿，220kv变配站两输电线路上绝缘强度差，绝缘子容易发生污闪，变配站变发生单相接地短路跳闸。

在中性点接地的系统中，x0是感抗，x0>0， x0/ x1≈3的电力系统称作为有效接地系统，由于继电保护的要求，不是每台变压器的中性点都是直接接地，故x0/ x1≤3，健全相b相和c相工频电压要升高，但不超过1.4倍相电压。

单相接地形成接地短路，变配站两输电线路正常工作时电流就较大，发生短路时其故障电流可达到上万安培。

断路器突然跳闸，瞬
间将产生极大的电流变化率di/dt，系统中存在电感性设备，如电抗器、变压器和互感器线圈，根据电磁感应定律可知：在这些设备上将产生很大的感生电动势e=l*di/dt， 220kv系统中产生操作过电压。

断路器跳闸突然甩负荷，使发电机瞬间加速，考虑空载线路的电容效应，则系统工频电压可达到2倍相电压。

在开关断开和熄弧的过渡过程中，将产生高频振荡，振荡的频率与某个回路或系统的自振频率相近时，在这一回路或系统中将产生谐振过电压，同时由于电流的急剧变化也可能引起变压器、电压互感器、消弧线圈等铁芯电感的磁路饱和而产生铁磁谐振过电压。

由于开关断开时刻的随机性和电弧熄灭时刻不确定性（通常认为电弧熄灭在工频电流过零时刻或高频振荡电流过零时刻），造成这种谐振过电压的产生和幅值具有随机统计性。

内部过电压的幅值与电网结构、系统容量及参数、中性点接地方式、断路器的性能、母线上的回路数以及电网运行接线、操作方式等因素有关。

通过上面的分析可知，鸡场变220kv系统在污闪跳闸时产生了内部过电压。

2.过电压的传递
内部过电压幅值一般不大，有时不足以让防止大气过电压的避雷器动作，泄入地中。

由于变压器、互感器接线形式不同，防过电压设备装配不完善，即使避雷器动作，也会产生过电压。

如供电一车间变比为10kv/0.4kv的变压器均为y.yn0接线，高压侧装有zno 避雷器，低压侧未装电涌保护器，高压侧过电压，避雷器动作，避
雷器上流过很大的电流，在接地装置上产生压降，此电压降同时作用在低压绕组中性点，低压绕组将流过电流，通过电磁感应在高压绕组感应出一高电动势，即为“高压进波逆变换”，若高压侧未装避雷器，同样存在“低压进波正变换”。

此外高压侧避雷器动作，使高压侧冲击电压波发生截断，变压器高压侧绕组对地电容通过绕组放电形成振荡，通过静电耦合和电磁耦合，低压侧也会产生过电压，不过其幅值比避雷器未动作时要小。

过电压的传递过程就是电磁场传播的过程。

冲击电压波在线路上传播时，在线路的轴平面形成了电磁场，冲击电压波在线路上传播就是平面电磁场的传播。

系统中存在电感性、电容性元件，在电感性元件中电流的变化产生电动势e=l*di/di，即磁场能转变成电场能；在电容性元件中电压的变化产生电流i=c*du/dt，即电场能转变成磁场能；电场能和磁场能的相互转化，使冲击电压波向前传播。

高低压系统主要是通过变压器、互感器联系在一起的，冲击电压波在这些绕组间传递主要是通过静电耦合和电磁耦合。

静电耦合是指变压器高、低压绕组由于对地和绕组间存在电容，通过电容耦合，冲击电压波在高、低压绕组间传递。

如下图所示，当冲击电压入侵绕组ⅰ时，绕组ⅰ的对地电位为u0，由于静电电容耦合，在绕组ⅱ上出现的静电电压u2g，式中c12、c2分别为绕组ⅰ、ⅱ间的电容和绕组ⅱ的对地电容（包括与绕组ⅱ相连的设备和线路的对地电容）。

电磁耦合是指在冲击电压波入侵到变压器绕组的瞬间，由于电感
中电流不能突变，初始时刻绕组间电压的传递以静电耦合形式进行，以后电流流经绕组产生磁通，将在未受冲击电压入侵的绕组中产生感应电压。

电磁耦合按绕组的变比传递，它与绕组的接线形式和冲击电压波相数有关。

在变压器、互感器中主要是通过静电耦合来传递过电压。

通过传递，220kv变配站系统的过电压就传递到供电低压系统，在低压系统形成过电压。

3.抗冲击能力差的设备损坏
在220kv及以下系统中，内部过电压由系统本身绝缘来承担，内部过电压水平是确定电力系统内各种类型电器设备正常绝缘水平的主要依据。

随着科学技术的发展，大量的电子产品应用在低压系统的测量、控制、通讯等各个综合自动化环节，虽然这些电子产品在实际应用中有许多不可替代的优点，但是这些电子产品抗电压、电流冲击能力差，在冲击电压的作用下，抗冲击能力差的设备较易损坏，绝缘较薄弱地方被击穿，形成放电而烧坏设备。

在冲击电压的作用下，也会引起保护误动作。

直流测量变换器（cm4017）在第一次污闪中，电网侵入的冲击电压对其绝缘进行了破坏，绝缘水平下降，在第二次的冲击下，直流测量变换器（cm4017）绝缘被击穿而烧坏。

三、防止措施
在供电高、中压系统中，设备绝缘水平均较高，高、中压母线上均装有避雷器，他不仅防止大气过电压，对幅值较高的内部过电压
也兼有防护作用。

而低压系统中装设防过电压装置少，而其低压系统中用于控制、通讯的微电子产品多，提高整个低压系统的防过电压水平十分必要，根据车间实际应采取如下措施：
1.加强检查和试验，提高绝缘弱点的绝缘强度
在低压系统中，加强定期检查和耐压试验，及时排除绝缘弱点，如每年对电机的定子绕组进行一次绝缘测定，定期检查各低压开关抽屉绝缘部分是否良好。

对那些绝缘强度较弱的电子设备，能采用绝缘安装尽量绝缘安装。

在这次事故后，对供电系统所有直流测量头均采用绝缘安装。

2.采用技术手段，提高耐压水平低设备的防过压能力
耐压水平低设备如电子器件、继电器线圈等，在这些设备的两端并联zno压敏电阻、阻容支路和续流二极管，提高其防过电压能力。

zno压敏电阻具有良好的非线性伏安特性、残压低、体积小和便于安装等优点.把被保护设备的工作电压钳制在规定电位上，在低压设备、电子仪器、电子设备及通信设备上得到广泛应用，如直流测量变换器（cm4017）内部就并联有压敏电阻。

在直流回路中，继电器线圈两端常并联续流二极管，当继电器突然失电时，在继电器线圈中会产生较大的反电势，反电势通过续流二极管被短路，使回路中的电流按指数形式衰减，线圈的端电压等于二极管的压降，其值远小于工作电压。

并联阻容支路电阻r的作用是一方面避免产生振荡，另一方面当被保护的器件突然断电时电容c可向保护的器件通过电阻r放电，可有效地抑制di/dt值。

上面所采取的措施，有些
器件的生产厂家已考虑，器件本身已具有。

在幅值较高的冲击电压作用下，器件所在的系统没有合理的配备过电压保护器，这些防过电压的元件也会被损坏，如供电整流机组直流测量变换器（cm4017）中的压敏电阻。

3.采用具有金属屏蔽层的电缆，设备的金属外壳可靠接地
低压系统的配线均为电缆沟敷设，采用具有金属屏蔽层的电缆，并将屏蔽层在电缆两端分别接地，可以防止电缆间通过分布电容来传递过电压，也能很好防止雷电感应过电压，取到屏蔽效应。

设备的金属外壳，配电柜可靠接地也是基于同样的原因，定期检查接地线是否良好。

4.在低压系统中安装电涌保护器（spd）
电涌保护器（spd）除具备有防雷的功能外，还具有抑制投切过电压的作用。

选用电涌保护器（spd）时，坚持电涌保护器（spd）的额定工作电压与被保护设备工作电压接近、泄放电流不要太小、在线阻抗不要太大、残压要低等原则，根据防护分区、利用分流、划分等级、区分系统和分别安装的原则，供电低压系统可采用三级保护。

第一级（b类）直接雷击保护：采用德国phoenix contact公司生产的b类电涌保护器—雷击电流放电器flt-plusctrt，安装在400v配电室、低压配ⅰ、ⅱ端母线上以及主控室直流屏、220v直流母线上。

第二级（c类）过电压保护：采用c类电涌保护器—浪涌保护器
val-ms，安装在供配电总配和各分配的交、直流控制电源上及水泵房400vⅰ、ⅱ端母线上。

在就地控制屏内的ac380v、ac220v进线上安装第二级（c类）过电压保护。

第三级（d类）浪涌吸收保护：采用d类电涌保护器
pt2-pe/s-230ac-st，安装在车间抗冲击能力差的器件前。

四、结束语
上述1至4防止措施在供配电低压系统的大部分回路已实施，经部分运行可靠，提高供配电低压系统的整体防过电压能力，有效抑制过电压带来的危害。

参考文献：
[1]《高电压技术》水利电力出版社，周泽存主编.
[2]《高电压技术》重庆大学出版社，胡国根主编.
[3]《工业企业供电》冶金工业出版社，耿毅主编.
[4]《变电运行现场技术问答》中国电力出版社，张金元主编.
[5]《模拟电子技术》高等教育出版社，童诗白主编.。