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操作過電壓與諧振過電壓的不同,如何防止過電壓的產生?

電氣系統的內部過電壓觸發的原因很多,既有線路參數匹配引起的工頻過電壓,也有開關操作時電弧復燃引起的操作過電壓;此外還有電感負載負荷截流引起的過電壓和電感電容串聯引起的諧振過電壓。內部過電壓,特別是操作過電壓引起的事故時有發生;據統計資料,一般工頻過電壓不會超過2倍相電壓,管狀電加熱器切除空載線路引起的操作過電壓和間歇性電弧引起的過電壓不會超過3. 5倍相電壓,鐵磁諧振過電壓不會超過3倍相電壓。但是,實際運行經驗證明,事故的發生往往是幾種過電壓疊加在一起, 過電壓倍數有時高達額定相電壓的7~8倍。

操作過電壓

在6~35kV的中性點非直接接地系統中,當進行負載的起動或停止操作或發生事故時,由于開關觸頭間電弧重燃,運行狀態發生突變,引起電容和電感元件之間電磁能量相互轉換,出現一種振蕩性過電壓,即產生操作過電壓。

(1)電動機起動合閘過電壓

理論上認為,電動機合閘起動時,電動機機端產生的過電壓為式中, 為合閘電壓瞬時值;z為電動機沖擊波阻抗;Z 為電纜沖擊波阻抗。一般地,Z=100~5000Q,z =20~50Q,因此電動機合閘起動時,電動機機端產生的過電壓可達2倍相電壓。對于真空開關,觸頭閉合前往往會發生預擊穿,電弧的燃弧和熄滅可達數十次,這種預燃過電壓幅值較大且波前很陡,對電動機的絕緣可造成較大的威脅,電機產生過電壓可裝設電機型過電壓保護器。

(2) 電動機起動狀態分閘過電壓

運行經驗表明,在斷開感性負載時,由于感性電流不在零點就被迫截斷即所謂的截流,造成開關觸頭間電弧燃燒很不穩定,波形產生高頻振蕩,在電感回路中產生的突變電流會感應出很高的電壓。

1)截流過電壓由于真空斷路器有良好的滅弧性能,當斷開小電流時,真空電弧在過零前就熄滅。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,轉變為電場能量。對于電機和變壓器,特別是空載或容量小時,則相當于一個大的電感,且回路電容較小,因此會產生大的過電壓??梢援a生很高的過電壓,但由于觸頭和回路中有一定的電阻產生損耗以及發生擊穿,對過電壓值有相當的抑制作用。但這種抑制作用是有限的,不能消除過電壓。因此,特別是對電感負載在采用真空斷路器作為操作元件時,應加裝過電壓保護器,過電壓保護器型號有很多種,用戶可根據自己的保護對象來選型。

2)三相同時斷開過電壓是由于斷路器首先斷開相弧隙產生重燃時,流過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零,致使未開斷相隨之被切斷,在其余兩相弧隙中產生類似較大水平的截流現象,從而產生更高的操作過電壓。所產生的過電壓是加在相與相之間的絕緣上。在開斷中小容量電機或輕負載情況下容易出現三相開斷過電壓,所以要安裝三相組合過電壓保護器。

諧振過電壓

對于復雜的電氣系統,由一系列具有不同自振頻率的振蕩回路組成,其振蕩條件為感抗和容抗相等,即 一 ,或∞L= , 因此諧振頻率(固有自振頻率)fo = 。管狀電加熱器在進行開關操作或發生系統單相接地時,由于瞬變過程電源波形會引起某種變化,非正弦的電源波形含有一系列的諧波。當電路中的自振頻率之一與電源諧波頻率之一恰好相等時,就會發生這一頻率的諧振過電壓。諧振是一種穩定現象,諧振過電壓的持續時間可能很長,一旦發生,往往造成嚴重的后果。

鐵磁諧振過電壓,正常情況下,電路中電感大于電容,但由于某種原因使電感電壓升高, 電感磁飽和,感抗減小,出現感抗與容抗相等,甚至感抗小于容抗形成相位反轉,引起鐵磁諧振,激發產生持續的較高幅值的鐵磁諧振過電壓,鐵磁諧振過電壓不會超過3倍相電壓,實踐表明,大多在1.5~2倍之間。鐵磁諧振可以是基波諧振、高次諧波諧振、分次諧波諧振。這種諧振產生的過電壓的幅值雖然不高,但因過電壓頻率往往遠低于額定頻率,鐵心處于高度飽和狀態,其表現形式可能是相對地電壓升高、勵磁電流過大或以低頻擺動,引起絕緣閃絡、避雷器炸裂、高值零序電壓分量產生、虛幻接地現象出現和不正確的接地指示。嚴重時還可能誘發保護誤動作或在電壓互感器中出現過電流引起TV燒壞。盡管10kV裝設了一次消諧器,但一次消諧器是在發生諧振以后才會起作用,鐵磁諧振可以持續較長時間,只是由于一次消諧器的作用,諧振持續時間很短,但并不能從源頭杜絕諧振。

無論是操作過電壓、線性諧振,還是鐵磁諧振,都應在10kV母線側裝設了過電壓保護器、一次消諧器。

電力系統中,負載起停頻繁,操作過電壓特別是真空開關操作時極易產生過電壓。由于電路是由電感、電容和電阻構成的復雜電路,可以組合成一系列具有不同自振頻率的振蕩回路。在進行開關操作或出現其他異常時,由于瞬變過程電源波形會引起某種變化,非正弦的電源波形含有一系列的諧波。當電路中的自振頻率之一與電源諧波頻率正好相等時,就會出現這一頻率的諧振過電壓。過電壓一旦發生,往往造成嚴重的后果。因此在中性點不接地系統中,管狀電加熱器除應在每組電壓互感器的高壓繞組中性點裝一只一次消諧器,進行有效地限制弧光接地過電壓和消除鐵磁諧振外,還應在相應部位裝設合適的過電壓保護器來限制各種過電壓。此外,設備選型也很重要,如果選型不合適和質量存在問題,即便采取再好的措施也難避免事故的發生。

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