化工企业供电系统过电压防护培训

化工企业供电系统过电压防护培训勇于跨越追求卓越CONTENTS目录01过电压基本概念与分类02外部过电压类型与特性03内部过电压类型与特性04化工企业过电压事故案例解析CONTENTS目录05过电压防护基本原理06过电压防护设备选型与应用07化工企业防护系统设计要点08防护设备运行维护与管理01过电压基本概念与分类过电压的定义过电压定义与危害

过电压是指电力系统中出现的电压超过正常运行电压的现象，可用数字表示瞬态过电压条件，此概念适用于直接由低压电网供电的设备，按危害程度分为I、II、III和IV类过电压类别。过电压的分类

过电压主要分为外部的雷电过电压和内部过电压，雷电过电压包括直击雷电电压、感应雷过电压及雷电侵入波过电压；内部过电压主要分为暂时过电压及操作过电压，操作过电压又分为操作电容负荷过电压、操作电感负荷过电压以及间歇性电弧接地过电压。过电压的危害

过电压会使输配电线路及电气设备的绝缘发生击穿或闪络，造成停电，如山东某化肥厂因操作过电压导致电机匝间绝缘击穿，因间歇性弧光接地引起真空开关柜爆炸，严重时还会危害人的生命安全。过电压类别划分外部过电压（雷电过电压）由直击雷或雷电感应引起，包括直击雷电电压、感应雷过电压及雷电侵入波过电压。其特点是持续时间短暂，冲击性强，与雷击活动强度直接相关，与设备电压等级无关，220KV以下系统的绝缘水平常由其决定。内部过电压——暂时过电压系统操作或接地故障时发生的频率等于或接近工频的过电压，持续时间可达数十分钟甚至更长，波及范围广。主要由空载长线路电容效应、不对称接地、系统甩负荷等原因引起，过电压倍数一般不高，但在超高压、远距离输电绝缘水平确定中起重要作用。内部过电压——操作过电压因开关操作、故障等导致系统参数突变，电磁能振荡产生，具有随机性，最不利情况下过电压倍数较高。常见类型包括操作电容负荷过电压、操作电感负荷过电压（如开断空载变压器、高压电动机）及间歇性电弧接地过电压，在化工企业因真空断路器和电缆使用增多而问题突出。内部过电压——谐振过电压系统中电感、电容元件形成振荡回路，在操作或故障时因谐振条件满足产生，持续时间长。分为线性谐振过电压（由线性电感和电容组成）、铁磁谐振过电压（含铁芯电感元件，如空载变压器、电压互感器）及参数谐振过电压（由电感参数周期性变化引起）。

化工企业过电压特点分析

真空断路器操作过电压突出化工企业广泛采纳真空断路器，其操作空载变压器及高压电动机等电感负荷时，易产生操作过电压。如电机合闸起动时过电压可达2倍相电压，预击穿导致的过电压幅值大、波前陡，易造成电机绝缘积存性损伤；断开时的截流现象及三相同时断开更会引发高幅值过电压，对设备绝缘构成严重威胁。

间歇性弧光接地过电压危害严重随着化工企业电网规模扩展及电缆使用增多，单相接地时电弧不易自熄，易形成间歇性弧光接地过电压。该过电压持续时间可达数十分钟甚至更长，波及范围广，相间过电压数值为相地过电压的二倍左右，曾导致山东某化肥厂真空开关柜爆炸等严重事故。

过电压叠加风险增高化工企业电力系统中，操作过电压、谐振过电压等多种类型过电压可能叠加，实际运行中过电压倍数有时高达额定相电压的7～8倍，远超单一类型过电压的危害程度，对电气设备绝缘的破坏作用显著增强。

谐振过电压影响设备稳定运行化工企业电力系统负载起停频繁，易因开关操作等原因引发铁磁谐振等过电压。铁磁谐振过电压虽幅值多在1.5～2倍相电压，但持续时间较长，可能导致绝缘闪络、避雷器炸裂、电压互感器烧坏，还可能诱发保护误动作，影响系统稳定运行。02外部过电压类型与特性直击雷过电压形成机理直击雷过电压的定义直击雷过电压是由直击雷或雷电感应突然加到电力系统中，使电气设备所承受的电压远远超过其额定值的现象。直击雷过电压的形成过程雷电直接击中输电线路、杆塔或电气设备时，强大的雷电流通过被击物体，在阻抗上产生很高的电压降，形成直击雷过电压。其特点是持续时间短暂，冲击性强。直击雷过电压的危害电力系统遭受大气过电压后，可使输配电线路及电气设备的绝缘发生击穿或闪络，造成停电以致危害人的生命安全。220KV以下系统的绝缘水平往往由防止大气过电压决定。

感应雷过电压传播特性感应雷过电压的产生机理感应雷过电压是由于雷电击中线路附近地面或物体时，在导线上感应出的过电压。其形成主要与雷电放电过程中产生的强大电磁场变化有关，可分为静电感应和电磁感应两种机制。

传播途径与衰减规律感应雷过电压主要通过输电线路、电缆等导体传播，在传播过程中会因线路电阻、电感、电容的作用而逐渐衰减。一般情况下，随着传播距离的增加，过电压幅值会显著降低。

对化工企业供电系统的影响化工企业中广泛使用的电缆线路，由于其分布电容较大，更容易感应产生过电压。感应雷过电压可能导致电气设备绝缘受损，影响生产装置的安全稳定运行，如山东某化肥厂曾因过电压问题导致电机绝缘击穿和开关柜爆炸等事故。雷电侵入波的形成与危害雷电侵入波过电压防护要点雷电侵入波是雷电击中线路或设备时，沿线路传播的过电压波，可导致电气设备绝缘击穿，如山东某化肥厂因操作过电压引发电机绝缘击穿事故。避雷器的选型与安装规范应选用氧化锌避雷器（MOA），如10kV系统MOA操作冲击电流残压应≤25kV，采用三星型接法，安装于线路入口及重要设备前端，执行国标GB11032-89。电缆线路的防护措施化工企业电缆使用增多，需缩短电缆长度以降低波阻抗，电缆终端头处加装避雷器，同时采用金属铠装电缆并可靠接地，减少侵入波幅值。接地系统的配合要求避雷器接地电阻应≤10Ω，与设备接地、防雷接地形成联合接地网，确保雷电流快速泄放，避免地电位反击，保障系统安全。03内部过电压类型与特性

操作过电压产生条件01开关操作引发电磁能量振荡在6～35kV中性点非直接接地系统中，进行负载起动或停止操作时，开关触头间电弧重燃，导致电容和电感元件间电磁能量相互转换，形成振荡性过电压。

02电感负载截流导致电压突变真空断路器断开感性负载时，电流在过零前被截断，电感绕组中滞留能量向杂散电容充电，尤其在开断空载变压器、高压电动机等小容量电感负载时，易产生高幅值过电压。

03三相开断不同期形成相间过电压断路器首先断开相弧隙重燃时，高频电流使其余两相工频电流迅速过零并被切断，在未开断相产生截流现象，导致相间过电压，在开断中小容量电机或轻负载时更易发生。

04系统参数匹配不当诱发谐振操作或故障导致系统参数变化，当电路自振频率与电源谐波频率相等时，形成谐振过电压，如铁磁谐振中因电感磁饱和使感抗与容抗匹配，产生持续较高幅值过电压。

谐振过电压分类与特征线性谐振过电压由不带铁芯的电感元件（如输电线路电感、变压器漏感）或励磁特性接近线性的带铁芯电感元件（如消弧线圈）与系统电容元件组成谐振回路，在一定能源作用下产生串联谐振现象导致的过电压。

铁磁谐振过电压由带铁芯的电感元件（如空载变压器、电压互感器）和系统电容元件组成回路，因铁芯电感元件的饱和现象使回路电感参数呈非线性，满足谐振条件时产生的过电压，幅值通常在1.5～3倍相电压之间，可表现为基波、高次谐波或分次谐波谐振。

参数谐振过电压由电感参数作周期性变化的电感元件（如凸极发电机的同步电抗在Xd～Xq间周期变化）和系统电容元件（如空载线路）组成回路，当参数配合时，通过电感的周期性变化不断向谐振系统输送能量而造成的过电压。间歇性弧光接地过电压危害持续时间长，波及范围广间歇性弧光接地过电压持续时间可达数十分钟甚至更长，能在较大范围的电网中传播，对多台电气设备绝缘造成威胁。相间过电压数值高其相间过电压数值可达相地过电压的两倍左右，山东某化肥厂曾因此导致真空开关柜发生爆炸事故。对设备绝缘破坏严重可使电气设备绝缘承受较高过电压，造成绝缘积存性质损伤，最终可能导致绝缘击穿，影响设备安全运行。01工频过电压持续时间分析暂时工频过电压持续时间系统操作、接地跳闸后的数百毫秒之内，由于发电机中磁链不可能突变，发电机自动电压调节器的惯性作用，使发电机电动势保持不变，这段时间内的工频过电压称为暂时工频过电压。02稳态工频过电压持续时间随着时间的增加，发电机自动电压调节器产生作用，使发电机电动势有所下降并趋于稳定，这时的工频过电压称为稳态工频过电压，其持续时间较暂时工频过电压更长。03工频过电压持续时间影响因素持续时间长短与发电机自动电压调节器的惯性、系统参数、操作类型等因素相关，一般暂时工频过电压持续数百毫秒，稳态工频过电压可持续更长时间。04工频过电压持续时间与绝缘的关系工频过电压特点是持续时间长，过电压倍数不高，一般对设备绝缘危险性不大，但在超高压、远距离输电确定绝缘水平时起重要作用。04化工企业过电压事故案例解析

操作过电压导致电机绝缘击穿案例案例背景与故障现象山东某化肥厂发生高压电机绝缘击穿事故，经专家分析确认由操作过电压导致。事故前电机曾多次承受操作过电压冲击，最终造成绝缘积存性质损伤并击穿。

过电压产生机理该厂采用真空断路器开断空载高压电动机，断路器灭弧性能强，切断小电流时易发生截流现象，使电机绕组电感中的能量向杂散电容充电，产生高幅值操作过电压。

绝缘损伤过程分析操作过电压幅值可达额定相电压的3-4倍，远超电机绝缘耐受值。多次操作冲击下，电机匝间绝缘逐步老化，形成局部放电通道，最终导致绝缘击穿。

防范措施启示针对此类故障，应在电机端加装电机型过电压保护器，限制操作过电压幅值；同时优化真空断路器操作流程，避免频繁启停电感负荷，降低过电压累积效应。弧光接地引发开关柜爆炸案例

事故背景与现象山东某化肥厂曾发生因间歇性弧光接地过电压导致真空开关柜爆炸的事故。该类过电压因单相接地时电弧不能自熄形成，持续时间可达数十分钟甚至更长，波及范围广。

事故原因分析事故分析表明，开关柜爆炸直接由间歇性弧光接地过电压引起。在中性点非直接接地系统中，单相接地电弧间歇性熄灭与重燃，导致系统参数突变，产生高频振荡过电压，其幅值可达相电压的3.5倍以上，远超设备绝缘耐受能力。

事故后果与教训此次事故造成开关柜损坏，中断化工生产流程，暴露出化工企业对弧光接地过电压危害认识不足、防护措施单一的问题。传统三星型接法避雷器对相间过电压限制效果有限（残压达50kV），难以有效防护此类故障。

防范改进方向针对弧光接地过电压，应采取设置消弧线圈消除弧光接地条件、安装三相组合式过电压保护器等措施，同时加强电网参数监测与绝缘状态评估，避免类似事故重演。

事故原因统计与分析操作过电压致设备绝缘损伤山东某化肥厂事故分析表明，高压电机匝间绝缘击穿系操作过电压导致绝缘积存性损伤，真空断路器操作空载变压器及高压电动机时，因截流产生的过电压可达额定相电压的7-8倍，超过设备绝缘耐受值。

间歇性弧光接地引发设备爆炸化工企业中性点非直接接地系统中，单相接地时电弧不能自熄形成间歇性弧光接地过电压，可导致真空开关柜爆炸。该类过电压持续时间长、波及范围广，相间过电压可达相对地过电压的2倍。

防护措施单一化问题突出目前化工企业多仅采用三星型接法的氧化锌避雷器（MOA）防护，虽能将相对地过电压限制在25kV左右，但相间过电压残压达50kV，超过高压电动机相间绝缘耐受值，且对谐振过电压防护不足。

多类型过电压叠加放大危害统计显示，事故中常出现操作过电压、铁磁谐振过电压等多类型叠加，过电压倍数可达额定相电压的7-8倍。如铁磁谐振过电压虽幅值多在1.5-2倍，但与操作过电压叠加后易引发绝缘闪络、避雷器炸裂等严重后果。05过电压防护基本原理

能量泄放与消耗机制避雷器的能量泄放原理避雷器（如氧化锌避雷器MOA）通过非线性伏安特性，在过电压发生时迅速导通，将雷电流或操作冲击电流引入大地，限制过电压幅值。例如10kVMOA可将相对地过电压限制在25kV左右，其残压值需满足国标GB11032-89要求。

断路器并联电阻的能量消耗作用在断路器断口加装并联电阻，可在操作过程中消耗回路中的电磁振荡能量，有效限制操作过电压。尤其在开断空载变压器、高压电动机等电感负荷时，能降低截流过电压的幅值和陡度。

消弧线圈对弧光能量的抑制中性点绝缘系统中设置消弧线圈，通过产生感性电流补偿单相接地故障时的容性电流，使电弧快速熄灭，避免间歇性弧光接地过电压的持续发展，减少能量积聚对设备的危害。

接地装置的能量导泄功能接地装置连接于避雷针、避雷器等设备下部，将泄放的过电压能量安全引入大地，其接地电阻需符合规范要求，确保雷电流和操作冲击电流的快速扩散，防止地电位升高造成二次危害。

谐振条件抑制方法提高开关动作同期性许多谐振过电压在非全相运行条件下引起，提高开关动作的同期性，防止非全相运行，可有效防止谐振过电压的发生。

加装小电抗限制传递在并联高压电抗器中性点加装小电抗，可阻断非全相运行时工频电压传递及串联谐振，从而抑制谐振过电压。

破坏自励磁谐振条件针对参数谐振过电压，通过合理设计，破坏发电机产生自励磁的条件，可防止参数谐振过电压的出现。

安装过电压保护装置在10kV母线侧装设过电压保护器、一次消谐器，可对操作过电压、线性谐振及铁磁谐振进行有效防护，虽一次消谐器在谐振后起作用，但能缩短谐振持续时间。过电压防护技术发展历程早期防护阶段（20世纪初-中期）以避雷针、避雷线等直击雷防护为主，主要针对大气过电压，通过将雷电流引入大地实现保护，绝缘水平多由大气过电压决定，如220KV以下系统。避雷器应用阶段（20世纪中后期）避雷器成为发电厂、变电所核心防护设备，从传统阀型避雷器发展到氧化锌避雷器（MOA），可同时防护雷电侵入波过电压和操作过电压，显著提升防护水平。综合防护体系阶段（21世纪至今）形成包含避雷器、断路器并联电阻、消弧线圈、接地装置、电抗器等的多层次防护体系，结合智能化监测技术，如过电压波形自动记录装置，实现对操作过电压、谐振过电压等的全面防护。化工企业防护技术演进特点针对真空断路器操作过电压、间歇性弧光接地过电压等突出问题，从单一MOA三星型接法，发展到加装电机型过电压保护器、三相组合过电压保护器、一次消谐器等专用设备，强化针对性防护。06过电压防护设备选型与应用氧化锌避雷器工作原理氧化锌避雷器的核心元件氧化锌避雷器（MOA）的核心元件为氧化锌阀片，其主要成分为氧化锌（ZnO），并添加少量金属氧化物（如Bi₂O₃、Sb₂O₃等）作为添加剂，通过烧结工艺制成具有非线性伏安特性的电阻片。非线性伏安特性原理氧化锌阀片在正常工作电压下，呈现极高电阻（兆欧级），仅有微弱泄漏电流通过；当系统出现过电压（如雷电过电压、操作过电压）时，其电阻急剧下降（欧姆级），能迅速将过电压限制在规定水平，并泄放过电压产生的能量，保护电气设备绝缘。无间隙结构特点氧化锌避雷器采用无间隙设计，无需传统避雷器的火花间隙触发，可在过电压发生时立即响应，缩短保护动作时间；过电压消失后，阀片能迅速恢复高阻状态，避免工频续流，确保系统正常运行。能量吸收与残压特性氧化锌避雷器具有优异的能量吸收能力，可承受多次过电压冲击；在规定的冲击电流（如10kA雷电流）作用下，其残压值较低且稳定，例如10kVMOA的操作冲击电流残压U残≥25kV，能有效限制相对地过电压，保护高压电动机等设备绝缘。避雷器接线方式选择

星形接法（三星型接法）执行国标GB11032-89，如10kV的MOA操作冲击电流残压U残≥25kV，可将相对地过电压UAD、UBD、UCD限制在25kV左右；对相间过电压UAB、UAC、UBC的保护由两只MOA叠加完成，其残压为U残=2×25kV=50kV。

相间过电压防护考量化工企业中，相地过电压数值仅为相间过电压的二分之一左右，而高压电动机相对地及相间绝缘所能承受的过电压需通过公式UR=〔2Ue+1〕××k计算，需关注星形接法下相间过电压保护的残压水平是否满足设备绝缘要求。

选型与保护对象匹配电机产生过电压可装设电机型过电压保护器；在开断中小容量电机或轻负载情况下易出现三相开断过电压，要安装三相组合过电压保护器，根据保护对象的不同选择合适类型的避雷器及接线方式。

消弧线圈配置原则适用系统范围主要用于中性点非直接接地的电力系统，特别是6～35kV化工企业电网，可有效限制弧光接地过电压。

容量匹配要求消弧线圈的额定容量应根据系统单相接地电容电流确定，确保对电容电流的补偿度达到要求，以快速熄灭电弧。

安装位置选择宜安装在变电站的中性点处，便于对整个系统的接地故障进行补偿，同时需考虑与其他保护设备的配合。

运行方式要求应采用自动调谐方式，可根据系统运行方式的变化自动调整电感值，保证在不同工况下均能有效抑制弧光接地过电压。过电压保护器分类与选型按保护对象分类包括电机型过电压保护器，用于抑制电动机起动合闸、分闸等操作过电压；三相组合过电压保护器，适用于开断中小容量电机或轻负载时出现的三相开断过电压防护。按电压类别适配过电压类别I适用于有低水平瞬态过电压限制措施的电子电路设备；类别II针对配电装置供电的耗能设备；类别III用于配电装置中安全可靠性有特殊要求的设备；类别IV则使用在配电装置电源端设备。选型核心参数考量需关注操作冲击电流残压，如10kV的MOA操作冲击电流残压U残≥25kV时，可将相对地过电压限制在25kV左右；同时结合保护对象，如真空断路器操作电感负荷时，应选用能有效限制截流过电压的保护器。与系统配合原则在10kV母线侧可装设过电压保护器与一次消谐器配合使用，针对谐振过电压，需避免谐振条件，确保保护器能快速响应并抑制过电压，如氧化锌避雷器利用其非线性伏安特性快速泄流。07化工企业防护系统设计要点防雷接地系统构建

防雷接地系统组成要素防雷接地系统由接闪器（避雷针、避雷线）、引下线、接地装置三部分构成，协同作用将雷电流安全引入大地，是化工企业电力系统雷电过电压防护的基础工程。接闪器选型与布置原则接闪器应根据建筑物高度、面积及雷电活动强度选型，避雷针保护范围按滚球法计算，化工装置区宜采用独立避雷针，与被保护设备保持不小于3米安全距离，避免反击。接地装置设计要求接地电阻值需满足：避雷针≤10Ω，避雷器≤5Ω，保护接地≤4Ω；采用水平与垂直接地体联合布置，土壤电阻率较高时可采用降阻剂或深井接地，确保雷电流快速扩散。系统施工与验收标准施工应符合GB50169《接地装置施工及验收规范》，焊接接头需防腐处理，隐蔽工程留存影像资料；验收时需实测接地电阻值、检查各连接点牢固性及接地体埋深是否达标。

真空断路器过电压抑制方案

安装电机型过电压保护器针对真空断路器操作电动机等电感负荷时产生的过电压，可装设电机型过电压保护器。其能有效限制电动机合闸及分闸过程中因预击穿、截流等产生的过电压，保护电机绝缘。

配置三相组合过电压保护器在开断中小容量电机或轻负载情况下，易出现三相同时断开过电压，该过电压加在相间绝缘上。安装三相组合过电压保护器可对此类过电压进行有效防护。

断路器并联电阻在断路器断口加装并联电阻，可限制操作过电压。尤其在分断空载变压器等感性负载时，能抑制因强制熄弧产生的过电压，降低过电压幅值。

选用灭弧能力强、同期性好的断路器选用灭弧能力强、开关动作同期性高的真空断路器，可减少电弧重燃现象，从源头降低操作过电压的产生概率，如确保断路器在电源对地电压为1.3UXG条件下分闸时不重燃。电缆终端头过电压防护电缆线路过电压保护措施

在电缆终端头处应装设金属氧化物避雷器（MOA），其残压需满足电缆绝缘耐受要求，例如10kV电缆终端处MOA操作冲击电流残压应≤25kV，以限制雷电侵入波和操作过电压对电缆终端的损害。电缆中间接头过电压防护

对于较长电缆线路，中间接头处应采用加强绝缘设计，并根据线路长度和过电压风险评估，考虑加装中间接头专用避雷器或过电压限制器，防止过电压在接头处击穿绝缘。接地系统优化配置

电缆金属屏蔽层和铠装层应采用两端接地或交叉互联接地方式，接地电阻应≤4Ω，确保雷电流和故障电流能快速泄放，降低地电位升高对电缆绝缘的影响。操作过电压抑制措施

针对真空断路器操作电缆线路产生的操作过电压，可在断路器端口并联RC阻容吸收装置或选用带合闸电阻的断路器，将过电压倍数限制在3倍相电压以下，避免电缆绝缘累积损伤。谐振过电压预防措施

在电缆与变压器、电抗器等感性设备连接处，应装设一次消谐器或过电压保护器，防止因参数匹配不当产生铁磁谐振过电压，同时避免非全相操作引发的谐振现象。

接地装置设计规范01接地电阻值要求化工企业接地装置的接地电阻应根据设备类型和电压等级确定，一般要求工频接地电阻不大于4Ω，对于雷电保护接地，冲击接地电阻通常要求不大于10Ω，以确保雷电流能够快速泄入大地。

02接地体材质与规格选择接地体宜选用热镀锌钢材，水平接地体可采用截面积不小于48mm²的扁钢或直径不小于12mm的圆钢，垂直接地体宜采用长度2.5m、直径不小于14mm的圆钢或截面积不小于100mm²的角钢，以保证足够的机械强度和耐腐蚀性能。

03接地网布局设计要点接地网应采用闭合环形结构，以降低接地电阻并保证电位分布均匀。对于重要设备如高压电动机、变压器等，应设置独立的接地引下线，并与接地网可靠连接，引下线截面积应满足热稳定要求。

04腐蚀性环境处理措施在化工企业腐蚀性较强的环境中，接地体应采取防腐处理，可采用镀锌层加厚、涂覆防腐涂料或选用铜质接地体等措施。同时，应定期对接地装置进行检测，确保接地电阻值符合规范要求，一般每年至少检测一次。08防护设备运行维护与管理避雷器定期检测项目