内部过电压引发的电弧重燃

1.切除电容性负荷时产生的过电压

切断电容性负荷，主要是指断开或改变电力系统功率因数用的电容组或空载线路（包括架空线路和电力电缆），这是电力系统中最频繁的操作形式之一。这种过电压产生时会影响到全部空载线路电压的升高。

切除空载长线路是电网中最常见的操作过程之一。例如图中，切除负载时，可能断路器DL2先分闸，DL1后分闸，显然，DL1分闸就是切空线。又如图5-2中，在双端供电的线路中若发生接地故障，从实测知，断路器DL1和DL2分闸的时间总是存在着一定的差异，并可估计为0.01～0.05s。显然，不论哪个断路器先分闸，后分闸的断路器也是切除健全相的空载线路。

图5-2　切除空载长线路的系统图

切空线时，通过断路器的电流是线路的电容电流，一般只有几十到几百安，可达数十千安的短路电流的断路器却不一定能够不重燃地切除空载长线路，这是因为，在切除空载长线路的起始阶段，触头间的耐电强度受不住高幅值的恢复电压作用的缘故，此时，断路器的电弧重燃产生很高的过电压。切除空线产生的物理过程如下：

图5-3　电路图
（a）等值电路；（b）简化后的等值计算

式中：Xc、XL分别为电容C和电感L的容抗和感抗。

如图5-3所示，假定断路器在t1时刻动作，此时电源电压达负的最大值－Um，电容C上的电压亦为－Um，流过断路器工频电流恰好为零，断路器中发生第一次断弧。

断路器开断，电弧熄灭后电流为零，线路C上的电荷亦维持不变，则C上的残留电压－Em亦维持不变；而断路器电源侧触头上（A点）的电压仍按电源余弦规律变化。于是，断路器触头间的恢复电压uAB愈来愈高，其规律为

此时如果断路器触头间去游离能力很强，介质恢复耐电强度增长很快，则电弧不会重燃，线路被切除，无论在电源侧或线路侧都不会产生任何过电压。但是，如果断路器灭弧性能不好，而触头间的恢复电压uAB经0.01s后可达2Uxg值，在此时间内就有可能发生电弧重燃。电弧重燃的瞬间，电源电压Uxg加在电感L和具有初始值－Uxg的电容C组成的振荡电路上。

振荡产生的过电压可以按下式计算

图5-4　切除空载长线路过电压的发展过程

当线路上的电压振荡到最大值3Exg瞬间t3，断路器中流过的高频振荡电流恰好为零时，电弧再次熄灭，线路上保持3Exg的残留电压。

此后，触头间的距离越来越长，电源侧触头（A点）的电压继续按余弦规律变化，从而两触头间恢复电压越来越高。再经0.01s，到t4时刻，恢复电压uAB可达4Uxg，如在此时再次发生重燃和振荡，则由于C上电压的初始值为3Em，稳态值为－Em，故

依靠次类推，假若继续每隔半个工频周期就重燃一次和熄灭一次，则过电压将按3Uxg，－5Uxg，7Uxg…规律逐次增加而达到很大的数值。

但实际上由于种种因素的影响，过电压不会无限制地升高。这是因为断路器中电弧的重燃不一定发生在两触头间电压为最大的时刻，另外，电弧重燃时，流经断路器中的高频断路器中形成的电弧不一定在当高频第一次过零时就能熄灭，再加上目前电网中广泛采用了快速断开的断路器，触头断开速度很快，触头间的强度也恢复很快，电弧重燃的可能性很小，实际上一般在同一母线上往往有好几路出线，只拉开其中一路，过电压也是比较小的。当线路末端有负荷时，过电压的倍数亦将大为降低；如果线路有电晕，也将使过电压值降下来。国内外实际经验证明：这种过电压最大不会超过3倍相电压。

2.切除电感性负荷时产生的过电压

在电力系统中经常会遇到切断电感性负荷的操作，例如拉开空载变压器或工作中的消弧线圈等。断路器在切断大电流时，通常都是在工频电流过零时切断电弧。但是在切空变时，由于空载励磁电流很小（变压器空载励磁电流的1%～4%），断路器有可能在工频电流不过零时切断电弧，称为断路器的截流。这时就会产生过电压，主要是由于磁能被迫转变为电能时产生的振荡所引起的。

在未断开前，当工频电压作用时，断路器中流过的电流I.T变为I.L与电容电流I.c的矢量和，因L≫C则

（1）断路器电流自然过零时熄弧。如果断路器在工频电流自然过零时熄弧，这时电感上的电压ul恰好是工频电压最大值，当I.L过零时熄弧后电感中磁场能量等于零，电容可从其他地方得到能量，故电容电压最大不会超过工频电源电压。

（2）断路器在没有过零时断开。拉开空载变压器的等值接线图如图5-5所示，由于电感的特性，I.L不可能立刻降为零，具有一定值，电感中还具有相当大的磁场能量，可以看作L中有起始电流对C充电使电容中的电压急剧上升。可能达到的电压数值，决定于电感中的磁场能量。当其全部转变为电容上的电场能量时，电容上的电压便达最大值。

图5-5　拉开空载变压器时的等值接线图等值电压电流变化
（a）等值电路；（b）电压电流变化图

在实际中，要是在断路器之间有一电缆，使CT值增大，过电压值将显著降低。在二次侧如有长线段电缆或电容性负载，也同样可以使过电压降低。还可采用冷轧硅钢片铁芯和采用纠结式绕组的变压器，由于其激磁电流很小，等于对地电容较大，所以过电压很低，一般在2倍以下。此外，当变压器一次侧有电阻负载时，电阻将磁能消耗掉，从而降低过电压。

在中性点直接接地的电网中，一般不超过最高运行相电压的3倍；在中性点不接地电网中，一般不超过4倍。

通过实际试验，在中性点直接接地系统中拉开空载变压器时出现的过电压要比经中性点不接地系统低；当断路器装有并联电阻时，亦能使过电压显著降低；此外，当有电缆段时，也能降低过电压。拉开空载电抗器时出现的过电压是持续时间很短的高频振荡（一般只不过几分之一工频半周期），并且其能量也很小。对电气设备的绝缘来说，这种过电压与大气过电压相似，所以可用阀型避雷器或金属氧化物避雷器来限制。

3.中性点不接地系统中的弧光接地过电压

图5-6　中性点不接地系统单相电弧接地时的线图

中性点不接地系统单相电弧接地时的接线图如图5-5所示。为了防止电弧接地时的过电压，假设电弧是在该相工频电压达到峰值时发生，而当高频振荡经零值时熄灭，然后又在下半个工频周期电压达峰值时重燃，如此电弧循环地时燃时灭。

在图5-6中，C20、C10为导线对地电容，C20为1、2两相导线间的电容。在110kV及上的高压系统中，C10与C21的关系为

而在35kV及以下的较低电压的系统中，由于导线间的距离较近，所以C10与C21的关系则为

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根据计算，在键全相导线上的最大过电压U在110kV及以上时，U＝3.63Uxg；在35kV及以下时，U＝3.4Uxg；

在110kV及以上时，U＝3.42Uxg。

在35kV及以下时，U＝3.26Uxg。

由此可见，相间电容C21越大，则过电压越小。这是因为相同电容的存在可以使2C20的起始电压接近于稳态电压的缘故。

弧光接地过电压受各种因素的影响，实测最大不超过3.1U低于理论计算值，这是由于以下几个原因的影响：

（1）电弧不一定在电位达到最大值时重燃。

（2）电弧不一定在高频时就能熄灭，电容大时，即电网总长度越大时，更是这样。

（3）电弧本身也有电压降。

弧光接地过电压和电网的电容有直接关系。但在电容电流很大时，电弧就比较稳定，不致时燃时灭，这样实际发生的过电压就较低。

4.谐振产生的过电压

由于电网中电气设备和线路参数的不利组合，在断路器操作或故障引起的过渡过程中，在工频电压或者高次谐波电压作用下，系统中可能发生谐振现象，从而产生很高的过电压。常见的谐振过电压有以下几种。

（1）铁磁谐振过电压。含铁芯的电感与电容在工频或高次谐波作用下产生的谐振现象就叫做铁磁谐振。它有两个特点：

1）当电源频率一定时，L和C的参数在比较大的范围内都可能发生谐振。

2）发生铁磁谐振时，在电容和电感上的过电压虽然比电源电压高，但它们都是定值，不会趋向于无限大。

当一相导线在送电端断开时，并且在送电端一侧断头接地时，如图5-7所示，以及当三相导线不同时跳闸或合闸时，如图5-8所示，就会形成有铁芯电感和电容组成的串联回路。图5-7中C22、C11和L1构成回路，图5-8中C′22－C′11－L1和C12－L1构成回路，有可能产生铁磁谐振。

图5-7　一相导线在送电端断开，且在一侧断头接地时的等值线路

图5-8　断路器相导线不同时接入时的等值线路

由于铁磁谐振产生的过电压值主要受铁芯饱和的影响，如果铁芯越饱和，则过电压就越小。实测结果证明，这种过电压个别可达3.5倍相电压以上，但一般不会超过1.5～2.5倍相电压，尤其在中性点直接接地的110kV及其以上的电力系统中更是如此。

这种过电压按其本身的性质来说可能是持续性的，但是由于它是在系统运行不正常时发生的，而这种情况很快就会消除，所以事实上这种过电压只是短时间存在。

（2）工频谐振过电压。一般电力系统的参数是不会在工频情况下发生谐振的。但是若电力系统中有很长的电缆（即C值很大）同时又有不少架空线（即L值也不小），当线路上发生故障时，就有可能引起L和C回路的谐振。如果装有消谐装置就可避免这种过电压。

过电压对电力系统的危害性是很大的，如内部过电压关系到电力系统中各种电气设备绝缘水平的选择，直接影响造价和投资。如果没有适当的保护措施，万一引起设备事故，其后果不堪设想，将有可能造成长时间停电或主要设备事故，损失将无法估计。

大气过电压的危害性更大了，要是雷击到人或动物心脏和大脑会发生麻痹而造成伤亡。由于雷电流会产生大量的热能，雷电具有热的破坏效应，如果碰到易燃物品，就有造成火灾的危险。雷电流还会引起显著的机械破坏。对电力系统来说，雷电的危害性就更大，当电力系统遭到雷击时，有可能造成发电机、电力变压器、断路器和其他电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘子也会因雷击而发生闪络或碎裂、导线烧断和木质电杆被雷劈裂等事故。同时检修和更换损坏的设备亦要花很大的人力和物力。在电力系统中每年都有雷击事故发生，以上这些事故都将使电力系统长时间停电，给工农业生产造成巨大的经济损失。为了保证发供电的安全，对内部过电压和大气过电压都必须采取相应的保护措施。

（3）防止内部过电压的保护措施。

1）为了限制和降低切断空载长线路时的过电压，可使用有并联电阻的断路器（如图5-9），磁吹避雷器或金属氧化避雷器、并联电抗器、电压互感器以及自耦变压器。以上这些措施可将切断空载线路时的过电压限制到2.5倍相电压以下。

图5-9　装有并联电阻的断路器

装有并联电阻的断路器工作原理是在主触头旁并联一个辅助触头和一个电阻R。切除线路或变压器时，先断开K1，此时并联电阻R就被串入回路中。并联电阻R的作用为：

a.线路上的残余电荷可通过R泄放；

b.并联电阻能起阻尼振荡；

c.电流、电压相位差不再为90°；

d.K1两端的恢复电压也被固定。

2）为了限制切断电感负荷时的过电压，由于这种过电压多为持续时间甚短的高频振荡波，对绝缘的作用与雷电冲击波相似，所以完全可以用磁吹避雷器或金属氧化锌避雷器限制，必要时也可以用普通避雷器来限制。装有并联电阻的断路器，也可以有效地限制切断电感负荷时的过电压。

3）在中性点不接地的电力系统中发生单相接地电弧过电压时所产生的过电压，对电气设备和线路绝缘一般没有什么危险，要是中性点经消弧线圈接地，大部分情况下不会破坏正常运行而迅速消除单相的瞬时接地电弧，并且限制这种过电压值不超过2.3倍相电压。

4）消除由于变压器的一相“反倾”而产生的过电压的方法是改变电网中电感与电容之比，并利用电阻使回路中电能损耗增大，从而限制振荡。

5）在超高压远距离输电中，动态过电压有很大危害性，必要时应采用并联电抗器或速断继电保护措施予以限制。

6）为防止铁磁揩振引起设备烧损，除应保证断路器三相同期动作外，在中性点直接接地系统中，应尽量使电网在各种情况下，不致形成孤立的中性点不接地的电网。在中性点非直接接地系统中，则可根据具体情况采用下列措施。

a.采用励磁特性较好的电容式电压互感器或只使用电容式电压互感器。

b.在电磁式电压互感器的开口三角形中一般加装一个适当的电阻，电阻值R应不大于0.4Xm（Xm为互感器在线电压下单相绕组的励磁电抗）。对35kV及以下的电网，R值一般在10～100Ω的范围内。在中性点位移电压超过一定值时，可用零序电压继电器将电阻投入1min，然后再将它自动切除，也可加装消谐装置。

d.在选择消弧线圈安装位置时，应尽量避免电网的一部分失去消弧线圈运行的可能性。

e.采取临时性的倒闸措施，如有调度部门可根据系统接线的情况，投入事先规定好的某些线路或设备等，以改变系统参数避免发生共振。

f.特殊情况下，可将系统中性点瞬时改为经电阻接地。