带电作业过电压类型与空气间隙的放电问题

有关带电作业过电压的类型与空气间隙的放电问题，过电压的类型，包括操作过电压、暂时过电压等，空气间隙的放电，介绍了U50与操作冲击电压波形的关系，以及空气放电的主要特点。

一、过电压的类型

在带电作业过程中，作业人员除了受到正常工作电压的作用外，还可能遇到内部过电压和雷击过电压。在《电业安全工作规程》中规定：“雷电天气时不允许进行带电作业”。因此，带电作业中只考虑内部过电压和工作电压的作用。

内部过电压又分为操作过电压和暂时过电压，操作过电压是由系统内的正常操作、切除故障操作或因故障(弧光接地等)所造成的过电压。暂时过电压又称短时过电压，它包括工频电压升高和谐振过电压。

一般将内部过电压幅值与系统最高运行相电压幅值之比，称为内部过电压倍数K0。K0与电网结构、系统中各元件的参数中性点运行方式、故障性质及操作过程等因素有关，并具有明显的统计性。

1．操作过电压

操作过电压的特点是幅值较高，持续时间短、衰减快。电力系统中常见的操作过电压有中性点绝缘电网中的间歇电弧接地过电压；开断电感性负载(空载变压器、电抗器、电动机等)过电压；开断电容性负载(空载线路、电容器组等)过电压；空载线路合闸(包括重合闸)过电压以及系统解列过电压等。操作过电压的大小是确定带电作业安全距离的主要依据。

(1)间歇电弧接地过电压。单相电弧接地过电压只发生在中性点不直接接地的电网(一般lOkV系统都是中性点不直接接地)，如发生单相接地故障时，流过中性点的电容电流，就是单相短路接地电流。

当电网线路的总长度足够长、电容电流很大时，单相接地弧光不容易自行熄灭，又不太稳定，出现熄弧和重燃交替进行的现象即间歇性电弧，这时过电压会较严重，所以一相接地多次发生电弧，不但会使另两相也短路接地，还会引起另两相对地电容的振荡。

理论上如果间歇电弧一直发生，过电压会达到很高，而实际上，每次发弧不一定都在幅值，还有其他损耗衰减，所以一般不超过3 Uxg,个别达3．5 Uxg 以上。

(2)开断电感性负载过电压。进行切断空载变压器、电抗器、电动机、消弧线圈等电感性负载的操作时，储存在电感元件w- =1/2LI2要转化为电场能量，而系统又无足够的电容 二来吸收磁能，而且开关的灭弧性太强，在t→0时，激磁电流变化率di0/dt→∞(无穷大)，将在激磁电感L上感应过电压U1=-L×di/dt →∞.在中性点不直接接地电网中，一般不大于4 Uxg；中性点直接接地电网中，一般不大于3 Uxg。其过电压倍数和断路器结构、回路参数、变压器结构接线、中性点接地方式等因素有关。

(3)空载线路切合(包括重合闸)过电压。切合电容性负载，如空载长线路(包括电缆)和改善系统功率的电容器组，由于电容的反向充放电，使断路器触头断口间发生了电弧的重燃。

这是因为纯电容电流在相位上越前电压900，过l／4周期电弧电流经0点时熄灭，但此时电压正好达到最大值，若开关断口弧隙的绝缘尚未恢复正常，电容电荷充积断口，U= Uxg，再经过半周期电压反向达到最大值，U=2 Uxg，并伴随高频振荡过程。按每重燃一次增加2 Uxg，理论上过电压将按3、5、7、9倍相电压增加，而实际上过电压只有(3～4) Uxg。

因为断路器如果灭弧性能好，断口绝缘恢复快的，不一定都重燃，而每次重燃时也不一定是电压最大值时。母线有多条比只有一条时过电压也较小，另外线路上也有电晕和电阻损耗起阻尼作用。

一般中性点直接接地或经消弧线圈接地的系统过电压不大于3 Uxg，中性点不接地系统过电压的最大值达(3—3．5) Uxg。

2．暂时过电压

暂时过电压包括工频电压升高和谐振过电压。

工频电压升高的幅值不大，但持续时间较长、能量较大，所以在考虑带电作业绝缘工具的泄漏距离时常以此为依据。 造成工频电压升高的原因主要为不对称接地故障、发电机突然甩负荷、空载长线路的电容效应等。

不对称接地故障是线路常见的故障形式，其中以单相接地故障为最多，引起的工频电压一般也最严重。对于中性点绝缘的系统，单相接地时非故障相的对地工频电压可升高到1．9倍相电压，对于中性点接地的系统可升高到l．4倍。

电网系统内一系列的电气设备(线路、变压器、发电机等)组成复杂的电感、电容振荡回路。在正常的情况下，由于负载的存在或线路两端与系统电源连在一起，自由振荡不可能发生。

在操作或故障时，不对称状态下(如断线、非全相拉合闸、电压互感器饱和等)，适当的参数组成了共振回路(ωL=1/ωC)，激发很高的过电压，其必要条件是电路固有自振频率与外加电源频率相等f0=f(即 )或成简单分次谐波，电路中就出现了电压谐振。

常见谐振过电压有参数谐振、非全相拉合闸谐振、断线谐振等。谐振过电压事故是最频繁的，在3～330kV电网中都会发生，一般不会大于3 Uxg但持续时间比较长，会严重影响系统安全运行。

在我国GB311．1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》中，对各电压等级下的过电压倍数作出了规定，见表3—1。

表3-1 各电压等级下操作过电压的倍数KO

由于操作过电压可以达到较高的数值，所以在带电作业中比较重视它。在330kV及以上电压等级的超高压系统内，空气间隙和绝缘工具的绝缘水平通常都由操作过电压决定。

操作过电压的波形具有各种形状。为了便于统一比较，在国家标准中规定了一种标准波形作为衡量电气设备绝缘水平的依据。

国际电工委员会(IEC)推荐的标准操作冲击电压波形已为我国所采用，并列入国家标准GBl6929--97。

图3-1是操作冲击电压波形图。图中Tcr，为波前时间(通常称为波头时间)，即电压从零开始到达最大峰值Umax，所需的时问；T2为半峰值时间(通常称为波尾时间)，即电压从零开始经过最大峰值后有下降到峰值的一半《1/2Umax)所需的时间。标准操作冲 图3-1操作冲击电压波形

击电压的波形参数规定如下：

Tcr/T2=250/2500μs

在规定值与实测值之间允许偏差为：

波前时间 △Tcr=±20％

半峰值时间 △T2=±60％

故通常以250／2500μs表示标准操作冲击电压的波形。

二、空气间隙的放电

(1)空气放电的特点

空气间隙是以空气作为绝缘介质的。空气放电的特点之一是击穿电压具有较大的分散性。因此，在研究空气间隙放电特性时必须建立统计的观点，50％放电电压就是以统计的观点来表达某一空气间隙耐受操作冲击电压的平均绝缘性能。

这意味着可能发生这样的实际情况：当施加电压低于U50时，间隙也可能被击穿，只是击穿的概率低于50％，(www.dgjs123.com)且施加电压越低，击穿概率也越低；而当施加电压高于U50时，间隙也可能不被击穿(称为耐受)，只是间隙耐受的概率低于50％，且施加电压越高，耐受概率越低。

(2)50％放电电压的含义

选定某一固定幅值的标准冲击电压，施加到一个空气间隙上，如果施加电压的次数足够多，且该间隙被击穿的概率为50％时(即有50％的次数间隙被击穿)，则所选定的电压即为该间隙的50％放电电压，并以U50表示。

(3) U50与操作冲击电压波形的关系

大量的试验结果表明：空气间隙的U50与操作冲击电压的波形有关，且主要与波头时间Tcr，有密切关系，因为间隙的击穿，一般都发生在波头时间内。

对于同一间隙，U50随波头的时间而变化，并在某一波头时间下出现最低值U50.MIN，该波头称为临界波头。对于棒一板间隙，一般可使用经验公式(3-1)估算棒极为正极性时的临界放电电压

式中 U50.min —临界放电电压（KV）;

L——间隙长度(m)。

该经验公式适用于间隙长度为2-5m的范围。

对于其他电极形状的间隙，首先可按式(3-1)估算出相同长度的棒一板间隙U50.min，然后在乘以所求电极形状的间隙系数Kg，即可得所求间隙的U50.min估算值。

计算公式为 U50.min =Kg. (3-2)

式中 U50.min——所求间隙的临界放电电压(kV)；

L——该间隙的长度(m)；

Kg——该间隙的间隙系数。

不同电极系统的间隙系数，可参见表3—2。

表3-2 常见间隙的间隙系数Kg参考值

带电作业间隙耐受操作冲击电压的绝缘特性，可以用U50来反映，但由于间隙放电电压具有分散性，所以还需要用另一个参数标准偏差σ来反映击穿电压的分散性。