煤矿井下过电压产生的原因及措施

张晓燕

摘要：本文针对煤矿井下产生过电压的原因进行分析，并进一步提出了预防保护措施。

关键词；煤矿；过电压；原因分析

1概述

近年来，由于煤矿井下大量使用低压真空开关和真空断路器，造成了严重过电压现象，给电气设备带来了很大的危害。

煤矿井下过电压是由于操作、故障或系统的某些参数发生变化 ，系统由一种稳态过渡到另一种稳态。在过渡过程中，系统内部电磁能量振荡，互相转换和重新分布，在设备上造成了过电压。常见的过电压有：

1.1 操作变压器引起的过电压。

1.2 开断容性负载时产生的过电压。

1.3 操作真空开关引起的过电压。

1.4 中性点不接地系统中，间隙性接地产生的过电压。

1.5 谐振过电压

从技术上，精心设计供电系统，合理选择使用设备，可以减少过电压，但由于采煤工作面不断推进，电气设备布置频繁变化，设计人员考虑不周，过电压是难免的。这些问题应引起足够的重视。

2 过电压产生的原因分析

2.1 操作变压器引起的过电压

变压器的操作包括接通和分断，在正常情况下操作变压器在二次侧会产生高达2倍二次额定电压的瞬时电压，但由于 非正常操作会使变压器二次电压的瞬时值远大于2倍二次额定电压。例如变压器二次侧接有高阻抗负载可能产生大于额定电压十倍的瞬时操作过电压。

变压器的过电压与绕组的电容的激磁电流有关，当电流在瞬时值被迫切断，电感中的磁场能将转化为电能，储存在电容中。因此变压器的过电压与切断的电流值有关，与变压器的电感和绕组之间的电容有关。

另外切断变压器的过电压还压断路器的熄孤能力以及断路器内绝缘介质的恢复速度有关，切断速度越快产生的瞬态电压倍数越高。

2.2 开断空载长线路时产生的过电压

断路器在切断空载长线路时也能产生过电压，在电路开断前，可认为线路对地电容电压和电源电动势近似相等，而流过断口的工频电流领先电源电压90°。在电流过零电弧熄灭瞬间，线路对地电容上的电压恰好达电源电压的最大值。电弧熄灭后，电源与线路对地电容分开，线路对地电容C上的电荷无处泄放，所以线路对地电容电压将保持不变，而电源电压则将继续按工频变化。此时加在断口上的电压将逐渐增加，过了工频半个周波后，当电源电压到达反相的最大值时，断口电压达到2Em。如果断口的介质强度不够，而且刚好在2Em时被重新击穿，则重新击穿后线路对地电容上的电压幅值为2倍电源电压高频振荡，线路对地电容电压的最大值可达4倍电源电压。伴随着高频振荡电压的出现，断口间将有高频电流流过，它领先于高频电压90°。因此，线路对地电容电压达到3倍电源电压时，高频电流恰恰经过零点，于是电弧可能再一次熄灭。此时线路对地电容上将保持3倍电源电压，而电源电压则继续按工频变化。又过工频半个周波后，作用在断口上的电压将达3倍电源电压。假如断口又恰好在此时击穿，则由于线路对地电容的起始电压为3倍电源电压，振荡后线路对地电容上的最大电压可达5倍电源电压。

2.3 真空开关引起的过电压。真空开关具有分断能力强，分断速度快,介质恢复速度快，熄弧能力强的特点。同时，在分断时电流变化率也大,产生很大的过电压，其过电压有三种：

2.3.1 预击穿电压

这是产生在合闸过程中的过电压。当开关触头运动后，两触头间的距离越来越小，触头间介质不足以承受强电场作用而产生击穿，击后电弧电流在电路中产生高频振荡，因而引起过电压。当电流过零时，电弧又熄灭，在继续合闸的过程中又会二次击穿。产生过电压的频率取决于电路的电感电容值。过电压的幅值一般不超过相电压峰电压的三倍。但产生的几率是非常高的，几乎每次合闸都产生，如果调整不好,产生三相不同步，这种现象更为严重。

2.3.2 截流过电压

真空断路器有较好的熄弧性能，在开断时，可以使电弧在电流过零前开断，截断电流滞留在电动机或变压器中，此时剩余的能量在电动机或变压器电感绕组和散电容间振荡产生较高过电压。截流过电压有以下特点：

截流过电压与真空断路器的截流值，Ic大小有关，截流值越高，过电压值越高；截流只发生在开断小电流时，电流越大，陡度越大，截流值就越小；过电压的震荡频率很高，可达数千Hz，高的频率必然伴随着高的过电压；相对地过电压是按相对地电容和相间电容而分配的，通常相对地过电压为相间的2/3；电动机和变压器容量越小，过电压越高。电动机和变压器容量小，开断电流较小，回路电容小，电感大，因而波阻抗较大，造成过电压数值高；

回路的电缆在50~200m范围内过电压最高，而这一长度范围基本是开关柜到电动机或变压器的长度，电缆长度过短时，振荡频率高，熄弧困难，延长了熄弧时间，过电压低；电缆长度长时，回路电容量大，波阻抗下降也会使过电压降低。

2.3.3 重燃过电压

当真空断路器在电流过零前开断，触头的一侧是工频电网电源，一侧是高频振荡产生的过电压。触头间恢复电压为两者之合，在触头开距小、触头间耐压不充分的情况下发生第一次重燃。电源向回路中的电阻充电，出现类似空载长线路合闸的震荡过程。回路的参数决定了重燃的高电流频率高达数千Hz。这使得重燃的振荡电压高于截流电压，这种震荡过程直至绝缘介质的恢复强度超过电压恢复速度才终止。多次重燃过电压的特点：陡度大，幅值高；变压器和电机绕组的电压分布上，过电压陡度和频率关系很大，这种过电压对匝间绝缘威胁很大。

3 过电压危害

3.1 过电压对绝缘的危害

电气绝缘是供电安全、可靠、经济运行的一个关键因素，电气绝缘的恶化将危害整个煤矿井下供电系统。各种介质的安全性与施加在上的过电压值有关。操作过电压波形的峰值以及上升时间会恶化介质的绝缘强度，过电压脉冲越宽,持续时间越长，危害就越大。操作过电压也可破坏绝缘介质中分子的约束力，降低绝缘水平，过高的过电压会使缘瞬时击穿。

若电缆内层绝缘是薄弱还节，在瞬时操作过电压作用下，会造成爆炸或短路事故，其后果是造成停产，造成较大的经济损失。如果接线盒内电缆绝缘是弱环节，在瞬间操作过电压的作用下，使绝缘失去了作用，对人身安全造成了很 大的危险。所以过电压的是不可以忽视的。

3.2 减少过电压危害的保护措施

限制瞬时过电压应从合理设计供电系统,选择性能良好的设备入手，加强管理、提高操作人员的技术水平，同时供电系统中应加必要的过压保护。目前,对于井下操作过电压的保护一般有压敏电阻保护和阻容吸收保护。

压敏电阻是一个限幅元件，可以将电压的幅值限制在一定的范围内。对改变电压的频率几乎不起作用，它用在低压侧尤其是对真空开关的过压保护不是一个理想元件。一般用于高压侧。阻容吸收可以改变回路的阻抗，不但可以降低电压的幅值，还可以降低电压的频率，是低压侧较理想的保护元件。应当指出的是，目前真空开关内的阻容吸收是一个固定参数，而全国低压电网的参数是很多的，操作过电压又与电网的参数有关，以不变应万变是不可取的。而且如果电容值选择的不当还可以诱发过电压。所以建议使用阻容吸收保护过电压时一定要准确 计算电容值。

在高压侧为了防止过电压一般选用压敏电阻作为过压保护。除此之外建议一般情况不尽少使用真空断路器，改用SF6断路器，如果非用不可，应加长真空断路器和变压器之间的电缆这样可以增加分布电容，养活过电压，具有关资料介绍，真空断路器如变压器间的屏敝电缆的最短长度为150m。

4 结束语

过电压是易被人们忽视的问题，因为加强绝缘后过电压一般不会使绝缘击穿，只能使绝缘老化。也就是说不带来直接经济损失，所以它的危害往往被们忽视。