供配电系统的过电压保护

9.1 过电压及其分类

供配电系统在正常运行时，电气设备或线路上所受电压为其相应的额定电压。但由于某些原因，使电气设备或线路上所受电压超过了正常工作电压要求，并对其绝缘构成威胁，甚至造成击穿损坏，这一高电压称为过电压（over voltage）。

过电压按产生原因，可分为外部过电压和内部过电压。外部过电压（亦称为大气过电压或雷电过电压）是供配电系统的设备或建筑物由于受到大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压；内部过电压是由于供配电系统正常操作、事故切换、发生故障或负荷骤变时引起的过电压。

9.1.1 大气过电压

大气过电压又称雷电过电压，是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，因其能量来自系统外部，故又称为外部过电压。

雷电过电压有两种基本形式：直击雷过电压和感应雷过电压。 1．直击雷过电压

直击雷（direct lightning）过电压是指雷云直接对电气设备或建筑物放电而引起的过电压。强大的雷电流通过这些物体导入大地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，造成设备损坏，建筑物破坏。

— — —雷云 ———————----雷电先导 I/kA波头波尾504030201005101520 25 30 t/μs波幅值ImIm/2 放电 +++迎雷先导 图9.1.1 直击雷的放电

图9.1.2 雷电流波形

关于雷电产生原因的学说较多，一般认为：地面湿气受热上升，或空气中不同冷、热气团相遇，凝成水滴或冰晶，形成云。云在运动中使电荷发生分离，带有负电荷或正电荷的云称为雷云。当空中的雷云靠近大地时，雷云与大地之间形成一个很大的雷电场。由于静电感应作用，使地面出现异号电荷。当雷云电荷聚集中心的电场达到25~30kV/cm时，周围空气被击穿，雷云对大地放电，形成一个导电的空气通道，称为“雷电先导”。大地的异性电荷集中的上述方位尖端上方，在雷电先导下行到离地面100~300m时，也形成一个上行的“迎雷先导”。雷电先导和迎雷先导相互接近，正负电荷迅速中和，产生强大的\"雷电流\"，并伴

有电闪雷鸣，这就是直击雷的“主放电阶段”。主放电电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只有50~100μs。主放电阶段之后，雷云中的剩余电荷继续沿主放电通道向大地放电，就是直击雷的“余辉放电阶段”。这一阶段电流较小，约几百安，持续时间约为0.03~0.15s。

雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流，其特征以雷电流波形表示，如图9.1.2所示。雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头τwh(wave head)。雷电流从幅值衰

雷电波的陡度α用雷电流波头部分的增减到幅值的一半的一段波形称为波尾τwt(wave tail)。长速度来表示，即α=压U=L

di

。对电气设备的绝缘来说，雷电流的波陡度越大，则产生的过电dt

di

越高，对绝缘的破坏越严重。因此，应当设法降低雷电流的波陡度，保护设备dt

绝缘。

2．感应雷过电压 所谓感应雷过电压，是指当架空线附近出现对地雷击时，在输电线路上感应的雷电过电压。感应雷过电压的形成过程可以用图9.1.3来表示，在雷云放电的起始阶段，雷云及其雷电先导通道中的电荷所形成的电场对线路发生静电感应，逐渐在线路上感应出大量异号的束缚电荷Q。由于线路导线和大地之间有对地电容C存在，从而在线路上建立一个雷电感应电压U=Q/C。当雷云对地放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷，向线路两端冲击流动。这就是感应雷过电压冲击波。

- - 雷电先导 - ＋ ＋ —————雷云 —————＋ ＋ ＋ ---＋ ＋ -＋ -———雷云———————主放电通道＋ ＋ ＋线路线路

高压线路上的感应过电压，可高达几十万伏，低压线路上的感应过电压，也可达几万伏。如果这个雷电冲击波沿着架空线路侵入变电站或厂房内部，对电气设备的危害很大。

图9.1.3 感应雷过电压的形成过程

9.1.2 内部过电压

内部过电压是由于电力系统本身的开关操作、短路等原因，使系统参数发生变化时电磁能产生振荡，积聚而引起的过电压。

内部过电压按其电磁振荡的起因、性质和形成不同，又可分为工频电压升高、谐振过电压和操作过电压。其中工频过电压的幅值不高，一般不超过工频电压的2倍，对220kV及以下的系统的电气设备绝缘没有危险。

1．操作过电压

操作过电压是由于电力系统中开关操作或故障，使电容、电感等储能元件运行状态发生突变，引起的电场、磁场能量转换的过渡过程中出现的振荡性过电压。其作用时间约在几毫秒到数十毫秒之间。倍数一般不超过4倍的工频电压。常见的操作过电压有切、合空载长线路的过电压，切空载变压器过电压和电弧接地过电压等。

2．谐振过电压

电力系统中的电路参数（R、L、C）配合不当，可能会构成某一自振频率的振荡回路，在开关操作或故障的激发下，形成周期性或准周期性的剧烈振荡，电压幅值急剧上升，形成谐振过电压。谐振过电压的持续时间较长，甚至稳定存在，因此危害性很大。

3．限制内部过电压的措施

（1）采用灭弧能力强的快速高压断路器，在断路器主触头上并联电阻(约3000Ω)，在并联电阻上串联一个辅助触头，以减少电弧重燃的次数，控制操作过电压的倍数。 （2）装设磁吹避雷器或氧化锌避雷器。

（3）对于对地电容电流大的网络，中性点经消弧线圈接地，限制电弧接地过电压。 （4）增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数，即增加母线对地的感抗，从而减小固有自振频率，避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压。