高電壓工程基礎(chǔ)(施圍)課件第12章 暫時過電壓

1、高電壓工程基礎(chǔ)高電壓工程基礎(chǔ)華南理工大學電力學院第第12章章 暫時過電壓暫時過電壓 12.1 工頻電壓的升高工頻電壓的升高 12.1.1 超高壓系統(tǒng)中工頻電壓升高的重要性超高壓系統(tǒng)中工頻電壓升高的重要性 12.1.2 工頻電壓升高的原因工頻電壓升高的原因 12.1.3 工頻電壓升高的限制措施工頻電壓升高的限制措施 12.2 諧振過電壓諧振過電壓 12.2.1 諧振的種類諧振的種類 12.2.2 鐵磁諧振過電壓鐵磁諧振過電壓 高電壓工程基礎(chǔ)電力系統(tǒng)過電壓外部過電壓內(nèi)部過電壓暫時過電壓操作過電壓在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器的操作或發(fā)生故障，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)電磁能量的轉(zhuǎn)化或傳遞，在系統(tǒng)中出

2、現(xiàn)過電壓，這種過電壓稱為內(nèi)部過電壓。操作過電壓即電磁暫態(tài)過程中的過電壓；一般持續(xù)時間在 0.ls（五個工頻周波）以內(nèi)的過電壓稱為操作過電壓。 暫時過電壓包括工頻電壓升高及諧振過電壓；持續(xù)時間比操作過電壓長。 高電壓工程基礎(chǔ)12.1 工頻電壓升高工頻電壓升高操作過電壓暫態(tài)工頻過電壓穩(wěn)態(tài)工頻過電壓 一般而言，工頻電壓升高對 220kV 等級以下、線路不太長的系統(tǒng)的正常絕緣的電氣設(shè)備是沒有危險的。但對超高壓、遠距離傳輸系統(tǒng)絕緣水平的確定卻起著決定性的作用。 高電壓工程基礎(chǔ)500kV空載線路合閘時，線路首末端電壓波形實測曲線12.1.1 超高壓系統(tǒng)中工頻電壓升高的重要性超高壓系統(tǒng)中工頻電壓升高的重要性

3、 工頻電壓升高的數(shù)值是決定保護電器工作條件的主要依據(jù)，例如金屬氧化物避雷器的額定電壓就是按照電網(wǎng)中工頻電壓升高來確定的。同時，工頻電壓升高幅值越大，對斷路器并聯(lián)電阻熱容量的要求也越高，從而給制造低值并聯(lián)電阻帶來困難。 操作過電壓與工頻電壓升高是同時發(fā)生的，因此工頻電壓的升高直接影響操作過電壓的幅值。 工頻電壓升高持續(xù)時間長，對設(shè)備絕緣及其運行性能有重大影響。例如，可導致油紙絕緣內(nèi)部游離，污穢絕緣子的閃絡(luò)、鐵芯的過熱、電暈等。高電壓工程基礎(chǔ)12.1.2 工頻電壓升高的原因工頻電壓升高的原因 空載長線的電容效應空載長線的電容效應 高電壓工程基礎(chǔ)一條空載長線可以看作由無數(shù)個串連的RLC回路構(gòu)成，在工

4、頻電壓作用下，線路的總?cè)菘挂话氵h大于導線的感抗(電路中將流過容性電流,電容上電壓高于電源電勢),因此線路各點的電壓均高于線路首端電壓，而且越往線路末端電壓越高。122212cosjsinjsincosUUlI ZlUIlIlZ相位系數(shù)00L CZ：線路波阻抗l：線路長度若末端開路：20I 21/cosUUl當 l = / 2時： 1/4波長諧振（末端電壓無窮大）不考慮電源感抗，無窮大電源：E=U若考慮電源感抗：1R1j ctgUZZlI ZR為線路末端開路時的首端輸入阻抗：1RSRS(ctg )jctgEEUZZlXZXZl011Sctg/ctgZlKUEZlX212020112S11coss

5、inUU UKK KXEE UllZSarctgXZ02coscos()KlRZ 電源容量越小，過電壓越大，因此在計算工頻過電壓時，應計及系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最小運行方式，即XS 可能的最大值。 高電壓工程基礎(chǔ) 不對稱短路引起的工頻電壓升高不對稱短路引起的工頻電壓升高（A相短路為例）相短路為例） 2202012202012(1)()(1)()BACAaZaa ZUEZZZaZaa ZUEZZZ010101011.53j221.53j22BACAXXUEXXXXUEXX 20011(1)01()() 13()2BCXXXXUUEKEXXK(1） ：單相接地因數(shù)，說明單相接地故障時，健全相的對地最高工頻

6、電壓有效值與故障前故障相對地電壓有效值之比。高電壓工程基礎(chǔ)n 中性點絕緣的3 10kV系統(tǒng)：X0 主要由線路容抗決定，為負值。單相接地時，健全相電壓升高約為線電壓的 1.1 倍。選擇避雷器滅弧電壓（MOA的額定電壓）時，取 110% 的線電壓（110% 避雷器）。n 中性點經(jīng)消弧線圈接地的35 60kV系統(tǒng)：在過補償狀態(tài)運行時，X0 為很大的正值，單相接地時健全相電壓接近線電壓。選擇避雷器滅弧電壓時，取 100% 的線電壓（100% 避雷器）。n 對中性點直接接地的110 220kV系統(tǒng)：X0 為不大的正值，一般K（1） 小于3，健全相上電壓升高不大于1.4倍相電壓，約為80% 的線電壓（ 8

7、0% 避雷器）。 高電壓工程基礎(chǔ) 突然甩負荷引起的工頻電壓升高突然甩負荷引起的工頻電壓升高n 根據(jù)磁鏈守恒原理，當甩負荷后，發(fā)電機中通過激磁繞組的磁通來不及變化，與其相應的電源電勢Ed 不變。原來負荷的電感電流對主磁通的去磁效應突然消失，而空載線路的電容電流對主磁通起助磁作用，使Ed上升。因此加劇了工頻電壓的升高。n 其次，從機械過程來看，發(fā)電機突然甩掉一部分有功負荷，而原動機的調(diào)速器有一定慣性，在短時間內(nèi)輸入給原動機的功率來不及減少，主軸上有多余功率，這將使發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加。轉(zhuǎn)速增加時，電源頻率上升，不但發(fā)電機的電勢隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，而且加劇了線路的電容效應。 高電壓工程基礎(chǔ)12.1.3 工

8、頻電壓升高的限制措施工頻電壓升高的限制措施目前我國規(guī)定：目前我國規(guī)定：220kV及以下不需采取措施限制；及以下不需采取措施限制；而而330kV，500kV，750kV 系統(tǒng)，需采取措施將母線上的暫態(tài)工頻過電壓升高不超過最高工作相電壓的 1.3 倍，線路不超過 1.4 倍。 利用并聯(lián)電抗器補償空載線路的電容效應利用并聯(lián)電抗器補償空載線路的電容效應2p2jUX I122212cosjsinjsincosUUlI ZlUIlIlZ2121coscos()UKUlRj ctg()ZZl parctgZX1R01RSSctg()jctg()UZZlKEZXXZl020112coscoscos()KK K

9、l高電壓工程基礎(chǔ)2021cosUKEl不考慮電源感抗202coscoscos()UKEl末端接入電抗器202coscos()UKEl考慮電源感抗n 線路的電容電流流過電源感抗也會造成電壓升，同樣會增加電容效應，猶如增加了導線的長度一樣。顯然，電源容量越小，電容效應越嚴重。 n 在線路末端接入電抗器，相當于減小了線路長度，因而降低了電壓傳遞系數(shù)，可以降低線路的末端電壓。 n 電抗器可以安裝在線路的末端、首端、中間，其補償度及安裝位置的選擇，必須綜合考慮實際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、可能出現(xiàn)的運行方式及故障形式等因素，然后確定合理的方案。 高電壓工程基礎(chǔ) 利用靜止補償器補償限制工頻過電壓利用靜止補償器補償

10、限制工頻過電壓可控硅開關(guān)投切電容器組 可控硅相角控制的電抗器組 SVC具有時間響應快、維護簡單、可靠性高等優(yōu)點。當系統(tǒng)由于某種原因發(fā)生工頻電壓升高時，TSC斷開，TCR導通，吸收無功功率，從而降低工頻過電壓。根據(jù)需要，可改變TCR，TSC的導通相角，達到調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率，控制系統(tǒng)電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。高電壓工程基礎(chǔ) 采用良導體地線降低輸電線路的零序阻抗采用良導體地線降低輸電線路的零序阻抗 故障點健全相電壓的升高，主要決定于由故障點看進去的零序阻抗X0 與正序阻抗X1 的比值。X0 ，X1 既包含集中參數(shù)的電機的暫態(tài)電抗、變壓器的漏抗，又包含分布參數(shù)線路的阻抗。 一般情況下電源側(cè)零序阻抗與

11、正序阻抗之比小于1，而線路的零序阻抗與正序阻抗之比則是大于1的。若采用良導體地線，可降低X0 ，進而降低由故障點看進去的零序、正序電抗的比值，達到限制工頻過電壓的目的。 計算表明，電源容量愈大，良導體地線降低工頻過電壓愈明顯。高電壓工程基礎(chǔ)12.2 諧振過電壓諧振過電壓諧振線性諧振參數(shù)諧振鐵磁諧振電感元件是線性的；完全滿足線性諧振的機會極少，但是，即使在接近諧振條件下，也會產(chǎn)生很高的過電壓。線性諧振條件是等值回路中的自振頻率等于或接近電源頻率。其過電壓幅值只受回路中損耗（電阻）的限制。電感參數(shù)在某種情況下發(fā)生周期性的變化 ；參數(shù)諧振所需能量來源于改變參數(shù)的原動機，不需單獨電源，一般只要有一定剩

12、磁或電容的殘余電荷，參數(shù)處在一定范圍內(nèi)，就可以使諧振得到發(fā)展。電感的飽和會使回路自動偏離諧振條件，使過電壓得以限制。 電路中的電感元件因帶有鐵芯，會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，這種含有非線性電感元件的電路，在滿足一定條件時，會發(fā)生鐵磁諧振。電力系統(tǒng)中發(fā)生鐵磁諧振的機會是相當多的。國內(nèi)外運行經(jīng)驗表明，它是電力系統(tǒng)某些嚴重事故的直接原因。12.2.1 諧振的類型諧振的類型高電壓工程基礎(chǔ)12.2.2 鐵磁諧振過電壓鐵磁諧振過電壓LCEUUUL UC 時，電路中的電流是感性的 UC UL 時，電路中的電流是容性的 LCEUUU E與U 三個交點：a1（穩(wěn)定）a2 （不穩(wěn)定）a3 （穩(wěn)定）當E較小時，存在兩個可能的工

13、作點a1，a3，而當E超過一定值以后，可能只存在一個工作點。當有兩個工作點時，若電源電勢是逐漸上升的，為了建立起穩(wěn)定的諧振點a3，回路必須經(jīng)過強烈的擾動過程。這種需要經(jīng)過過渡過程建立的諧振現(xiàn)象稱之謂鐵磁諧振的“激發(fā)”。而且一旦“激發(fā)”起來以后，諧振狀態(tài)就可以“保持”，維持很長時間，不會衰減 高電壓工程基礎(chǔ) 鐵磁諧振的特點鐵磁諧振的特點 產(chǎn)生串聯(lián)鐵磁諧振的條件是：電感和電容的伏安特性必須相交， （必要條件）；外界“激發(fā)”（強烈的擾動）；等效電路電阻足夠?。ňS持很長時間，不會衰減）。 對鐵磁諧振電路，在同一電源電勢作用下，回路可能有不只一種穩(wěn)定工作狀態(tài)。在外界激發(fā)下，回路可能從非諧振工作狀態(tài)躍變到諧振工作狀態(tài)，電路從感性變?yōu)槿菪?，發(fā)生相位反傾，同時產(chǎn)生過電壓與過電流。 鐵磁元件的非線性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但其飽和特性本身又限制了過電壓的幅值，此外，回路中損耗，也能使過電壓降低，當回路電阻值大到一定數(shù)值時，就不會出現(xiàn)強烈的諧振現(xiàn)象。高電壓工程基礎(chǔ)CL1 鐵磁諧振的限制措施鐵磁諧振的限制措施 改善