高電壓技術講義

1、第八章 內 部 過 電 壓內容提要：1、電力系統(tǒng)工頻過電壓2、切空載線路過電壓3、合空載線路過電壓4、切空載變壓器過電壓5、中性點不接地系統(tǒng)弧光接地過電壓6、其他形式過電壓簡介前 言 電力系統(tǒng)中，由于斷路器操作、故障或其他原因，系統(tǒng)參數(shù)會發(fā)生變化，從而引起電網內部電磁能量的轉移或傳遞，這種形成的電壓升高叫做內部過電壓內部過電壓。內部過電壓分成工頻電壓升高、諧振過電內部過電壓分成工頻電壓升高、諧振過電壓和操作過電壓三種。通常以系統(tǒng)的最高壓和操作過電壓三種。通常以系統(tǒng)的最高運行相電壓幅值運行相電壓幅值Umpm為基礎來計算過電壓為基礎來計算過電壓的倍數(shù)的倍數(shù)K。 工頻電壓升高：在電力系統(tǒng)正常工作或故

2、障時出現(xiàn)的一種幅值超過最大工作相電壓、頻率為工頻或接近工頻的過電壓。引起工頻電壓升高的主要因素有：空載長線末斷電壓升高、不對稱短路和發(fā)電機突然甩負荷等。 諧振過電壓：系統(tǒng)進行某些操作或故障后形成的回路中，其自振蕩頻率與電源頻率滿足了一定關系，出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象而引起的過電壓。電力系統(tǒng)中包含許多電感、電容元件，它們可以組成一系列的串聯(lián)振蕩回路。諧振過電壓是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，它持續(xù)的時間比操作過電壓要長得多，可達十分之幾秒甚至可能穩(wěn)定存在，直到新的操作破壞諧振條件為止。這種過電壓不僅危及設備絕緣，而且可能產生持續(xù)過電流而燒壞設備，造成比較嚴重的后果。通常、電力系統(tǒng)中電阻電容是線性常數(shù)，而電感則可能是線性的

3、、非線性的或周期性變化的。依據電感的類型不同，諧振分線性諧振、非線性諧振和參數(shù)諧振三種。操作過電壓：電力系統(tǒng)內進行開關操作或系統(tǒng)出現(xiàn)操作過電壓：電力系統(tǒng)內進行開關操作或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電力系統(tǒng)將由一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種故障時，電力系統(tǒng)將由一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，在轉變過程中出現(xiàn)很高的過電壓。引起穩(wěn)定狀態(tài)，在轉變過程中出現(xiàn)很高的過電壓。引起操作過電壓的主要原因有：切、合空載線路過電壓、操作過電壓的主要原因有：切、合空載線路過電壓、切空載變壓器過電壓、中性點不接地系統(tǒng)弧光接地切空載變壓器過電壓、中性點不接地系統(tǒng)弧光接地過電壓等。過電壓等。操作過電壓倍數(shù)操作過電壓倍數(shù)K的大小及過電壓持續(xù)

4、時間與電網的大小及過電壓持續(xù)時間與電網結構及參數(shù)、斷路器性能、系統(tǒng)接線方式及運行結構及參數(shù)、斷路器性能、系統(tǒng)接線方式及運行操作方式等有關，具有顯著的統(tǒng)計性。操作方式等有關，具有顯著的統(tǒng)計性。 隨著輸電系統(tǒng)額定電壓的升高，操作過電壓對電力系統(tǒng)的影響隨之加大。220kV及以下系統(tǒng)的絕緣水平由雷電過電壓決定，可能出現(xiàn)（34）Umpm的操作過電壓對電力設備并不構成威脅，但在超高壓系統(tǒng)中，如果過電壓倍數(shù)相同的話，絕緣費用將迅速增加。8.1 空載長線的電容效應 與操作過電壓相比，工頻電壓升高倍數(shù)K并不大，它本身對系統(tǒng)中正常絕緣的電氣設備一般沒有危險的，但由于下列原因，使它成為超高壓輸電中確定系統(tǒng)絕緣水平的

5、重要因素。1、工頻過電壓和操作過電壓往往同時發(fā)生，后者的高頻部分常疊加在前者之上。所以工頻過電壓的升高直接影響到操作過電壓的數(shù)值。2、工頻過電壓是決定保護電器工作條件的重要因素。3、工頻過電壓使斷路器操作時流過其并聯(lián)電阻的電流增大。這就要求并聯(lián)電阻的熱容量增大，使得低值并聯(lián)電阻的制造難于實現(xiàn)。4、工頻過電壓持續(xù)時間長。為了保證安全，超高壓電網的工頻過電壓必須予以限制。目前、我國500kV電網要求母線上的工頻過電壓不超過最高工作電壓（有效值）的1.3倍,線路上不超過1.4倍。一、空載長線末斷電壓升高1、理論依據：正弦電勢作用在L-C電路，當XCXL時，由于電容電流在感抗上的電壓與電容上電壓反相，

6、電容電壓將比電源電勢為高。因此，可以聯(lián)想到無損耗導線，它是由均勻分布的電感電容所組成的鏈型電路。當它連接于正弦電勢時，由于每一段dX段上有 成立，也會出現(xiàn)類似的電壓升高現(xiàn)象，稱此為空載長線的電容效應。001LcLCUUELCUEUlUUKcos11221 相位常數(shù)（ =/v，當f=50Hz =100 ,v為光速時， =100 /3105=0.060/km），2、不考慮電源容量的影響：造成空載長線末端電壓升高的原因是：電容效應，即空載線路中的容性電流充電造成的。2、考慮電源容量的影響)cos(cos220lEUkZXtgs1考慮電源容量時，相當于延長了線路長度，使末端電壓升高現(xiàn)象更嚴重，取=21

7、0，則l=1150km時發(fā)生諧振。其中：XS 為電源電抗 Z 為波阻抗例題一條長度為300千米的500千伏輸電線路，電源電抗XS=263.2.線路參數(shù)是:L0=0.9mH/km,C0=0.01275uF/km。求線路開路時，末端電壓對于電源電勢的升高比。解：l=0.06300=180若不計XS,則考慮XS后,051. 118cos1021K2661001275. 0109 . 063Z06 .442662 .263arctan547. 1)186 .44cos(6 .44cos0020K二、如何限制空載長線末端電壓升高其物理意義：電抗器的感性無功功率部分補償了線路的容性無功功率，相當于減小了線

8、路長度，故過電壓降低。并聯(lián)電抗器可同時降低長輸電線路首斷和末端的工頻電壓升高。8.2 切空載長線電壓升高其原因是由于斷路器的重燃。一、分析二、影響過電壓的因素二、影響過電壓的因素 1、斷路器的性能：重燃的次數(shù)：重燃次數(shù)越多，產生高幅值過電壓的概率也越大。油斷路器的重燃次數(shù)較多，壓縮空氣斷路器的重燃次數(shù)較少或不重燃。近年來，由于不斷改善斷路器的滅弧性能，使得現(xiàn)代斷路器已能防止或減少電弧重燃的次數(shù)。 2、母線出線次數(shù)的影響：當母線上有多回路出線時，只拉開一路，過電壓也比較小。是由于電弧重燃時殘余電荷迅速重新分配，改變了電壓的起始值，因而降低了過電壓。 3、電暈、負載的影響： 線路電暈將使過電壓降低

9、。特別是高壓線路，電壓升高會產生電暈，電暈可使導線上的電荷泄漏，同時電暈損耗將消耗過電壓能量，限制了過電壓倍數(shù)。 線路末端帶有負載時（如空載變壓器），當線路首端斷路器熄弧后，三相導線上的電荷將通過負載相互中和，導線上電位為零。 當線路側裝有電磁式電壓互感器時，它的等值電感、電阻與線路電容構成一個阻尼振蕩電路，并由于電壓升高引起磁路飽和后阻抗降低，將使線路上的殘余電荷有了泄放的附加路徑，因而降低過電壓。我國220kV線路側加裝電磁式電壓互感器時可使過電壓降低30%。 中性點運行方式的影響：中性點直接接地系統(tǒng)中，各相有自己獨立回路，相間電容影響不大，切空載線路過電壓與上面分析的情況相同。當中性點不

10、接地或經消弧線圈接地時，由于三相斷路器分閘的不同期性，會形成瞬間的不對稱電路，使中性點發(fā)生偏移。三相間相互影響使分閘時斷路器中電弧的重燃和熄滅變得更復雜，在不利的情況下，會使過電壓顯著增高。一般地說它比中性點直接接地時過電壓要高20%左右。限制措施： 選用滅弧能力強的快速斷路器。如壓縮空氣斷路器、壓油活塞的少油斷路器以及SF6斷路器。2、采用并聯(lián)電阻斷路器實測表明：采用并聯(lián)電阻斷路器后，這種過電壓倍數(shù)的最大值不高于2.28。從降低恢復電壓和熱容量的角度考慮，分閘電阻取一中值電阻，通常取1000-3000歐。 1、改進斷路器性能：一、分析合空載長線分計劃性合閘和自動重合閘兩種。8.2 合空載長線

11、電壓升高1、計劃性合閘過電壓形成的原因是初始電壓和穩(wěn)態(tài)電壓不一致。2、自動重合閘二、影響因素：主要因素有電源電壓的合閘相角、線路上的殘余電壓值和回路損耗等。三、限制措施 通過專門裝置，控制斷路器的動作時間，在各相合閘時，將電源電壓的相角控制在一定范圍內?；蚩刂茢嗦菲髟趦啥穗娢煌瑯O性時合閘，甚至要求觸頭間電位差接近于零時完成合閘操作，使合閘暫態(tài)過程降低到最微弱的程度。國外已研制成功檢測斷口在同電位瞬間合閘的斷路器。1、控制合閘相角 綜合考慮合閘的兩個階段對電阻值的不同要求，目前國內設計多取400-1000歐，與分閘中值電阻比，合閘電阻屬于低值范圍。2、采用并聯(lián)電阻斷路器：8.3 切空載變壓器電壓

12、升高切空載變壓器相當于切一個小容量電感負荷。通常斷路器在切斷大于100A以上的交流電流時，斷路器觸頭間的電弧是在工頻電流自然過零時斷弧，這種情況下，電氣設備電感上儲藏磁場能量為零，不會產生過電壓。但在切空載變壓器時，由于變壓器激磁電流很小，一般只有額定電流的0.5% 4%，而斷路器的去游離作用很強，故當電流未達到零時，可能發(fā)生強烈熄弧，這樣儲藏的磁場能量就全部轉化成電場能量，而產生過電壓。22222cos21sin2121mTmTCLCTUCILWWUC2222sincosmTTmCICLUU截流多數(shù)發(fā)生在電流由幅值下降到零的過程中，也有可能發(fā)生在電流上升階段。設電流在幅值處、即=900時截流

13、，則：mTTCICLUmTTCICLU將TTCL稱為變壓器的特性阻抗，變壓器的激磁電感越大，特性阻抗越大，變壓器的電容越小，特性阻抗越大。變壓器的特性阻抗很大，可達幾萬歐。分析1、截流時電流的大小2、TTCL國內外大量實測數(shù)據表明：通常過電壓倍數(shù)為2-3倍，有10%左右可能超過3.5倍，極少數(shù)更高達4.5-5.0倍，甚至更高。二、影響過電壓的因素： 過電壓的大小受到斷路器的性能、變壓器的參數(shù)和結構形式以及與變壓器的連接線路的影響。 1、 斷路器的性能：斷路器的截流能力越強，過電壓倍數(shù)越高，因而截流的最大值成了斷路器的一個重要指標。 2、 變壓器的激磁電感越大，對地電容越小，過電壓倍數(shù)越高。因為

14、當電感中磁場能量不變時，電容越小，過電壓也越高。三、限制措施： 1、從斷路器入手，在斷路器的主觸頭并聯(lián)電阻能有效地降低過電壓。該電阻選擇必須具有足夠的阻尼作用和限制激磁電流的作用，其大小應接近于被切電感的工頻激磁阻抗（數(shù)萬歐姆），顯然比前面講過的并聯(lián)電阻要大，是高值電阻。 2、從變壓器入手，減小變壓器的特性阻抗。減小特性阻抗從兩方面著手，從繞組角度，改用糾結式繞組以及增加靜電屏蔽等措施使對地電容有所增加；從鐵芯角度用優(yōu)質導磁材料，使空載激磁電流減小或電感減小。 3、采用避雷器保護（1）避雷器裝設在斷路器與變壓器之間；（2）當變壓器高低壓電網中性點接地方式一致時，可以只在低壓側裝閥型避雷器；（3

15、）當變壓器高壓電網中性點直接接地而低壓電網中性點不接地時，可以只在低壓側裝避雷器，但應該裝磁吹避雷器或氧化鋅避雷器。 運行經驗表明：電力系統(tǒng)中故障至少有65%是單相接地故障。在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，健全相電壓升高為線電壓，由于電源線電壓的對稱關系不改變，所以不必立即切除線路中斷供電，允許運行一段時間，以便查明原因。8.4 間歇電弧接地過電壓 接地故障分金屬性接地和電弧接地（閃絡）兩種。電弧接地時點燃的電弧可能在電流過零時熄滅并且不再重燃而使接地故障消失、電弧可能出現(xiàn)一會熄滅一會又重燃的間歇性電弧、電弧也可能一直點燃。 電弧的特點取決于單相接地電流的大小。當接地電流較小時，由于電動力

16、和熱空氣的作用，接地電弧被拉長，一般能在幾秒到幾十秒內自行熄滅；當6-10kV電網的對地電容電流超過30A，35-60kV電網的對地電容電流超過10A時電弧難以自動熄滅，形成間歇性電??；電流增大到幾百安時會形成穩(wěn)定的電弧。 在電網較小，線路不太長、中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，流過故障點電容電流是很小的，在故障消失后，電弧一般可以自行熄滅。隨著電網的發(fā)展 電壓等級的提高，單相接地的電容電流隨之增加，但這種電容電流又不會大到形成穩(wěn)定電弧的程度，因此在故障點可能出現(xiàn)電弧“熄滅-重燃”的間歇性現(xiàn)象，引起電力系統(tǒng)狀態(tài)瞬息改變，導致電網中電感、電容回路的電磁振蕩，系統(tǒng)中性點發(fā)生偏移，健全相和故障相都

17、產生過電壓,這種過電壓稱為弧光接地過電壓。 弧光接地過電壓不會使符合標準的良好電氣設備絕緣發(fā)生損壞，但對絕緣較弱或存在絕緣缺陷而沒被發(fā)現(xiàn)的設備構成威脅。 弧光接地過電壓出現(xiàn)的機會多，并且一旦發(fā)生，持續(xù)時間極長，所以危害性不能忽視。 以工頻電流過零時電弧熄滅來分析，并做以下簡化： 1、略去線間電容的影響； 2、設各相導線對地電容均相等。一、分析 1、 設t=0-時，各相電源電壓的瞬時值為： mpmCBmpmAUuuUu5 . 0,各相線路上的電壓瞬時值u1、u2、u3與此相同。 t=0時，A相線路發(fā)生電弧接地，則u1=0, u2、u3過渡到線電壓，過渡過程產生2.5倍的電壓升高。 t=0+時，

18、u1=0,u2、u3過渡到線電壓，過渡過程產生2.5倍的電壓升高很快衰減并穩(wěn)定在線電壓上運行，接地點流過電容電流。 t2時刻， u1=0, u2=u3=1.5Umpm， 各相線路上的電量分別是 0 、1.5C2Umpm、1.5C3Umpm， 各相對地電壓變?yōu)樵陔娫措妷褐席B加一個直流電壓分量 mpmmpmmpmUCUCUC35 . 15 . 1 t3時刻,UI=2Umpm，電弧可能重燃，健全相上可能出現(xiàn)3.5倍的過電壓，故障相上可能出現(xiàn)2倍過電壓。從t3時刻以后，每個半個周期電弧重燃，產生過電壓。根據實測，弧光接地過電壓一般不會超過3 Umpm，個別可達3.5 Umpm限制措施： 1、采用中性

19、點有效接地方式運行。當發(fā)生單相接地時將造成很大的單相短路電流，斷路器將立即跳閘，切斷故障，經過一段時間間歇讓故障點的電弧熄滅后再自動重合閘。如果成功，就立即恢復送電；如果不成功，斷路器將再次跳閘，不會出現(xiàn)間歇電弧現(xiàn)象。因而110kV及以上電網均采用這種中性點接地方式，除可避免這種過電壓外，還因為能降低所需的絕緣水平，縮減建設投資。 2、采用中性點經消弧線圈接地。在電壓等級較低電網中采用中性點直接接地運行方式時，因為單相接地故障率太高而造成事故頻繁，操作次數(shù)太多。所以在電容電流超過規(guī)定值（610kV電網30A，2060kV及以上電網10A），電弧不易熄滅時采用中性點經消弧線圈接地的運行方式，利用

20、消弧線圈中流過的感性電流來補償對地電容電流。 消弧線圈是一個鐵芯帶有許多間隙、伏安特性不易飽和、外形象單相變壓器的可調電感線圈。將電感電流補償電容電流的百分數(shù)稱為消弧線圈的補償度（或調諧度K）。 用K表示，有K=IL/IC 電感電流IL=Umpm/L 電容電流IC=3CUmpm K=1/32LC 用來表示脫諧度：=1-K 當K0時ICIL，表示故障點流過容性殘流，此時稱為欠補償； K1時0時，ICIL, 表示故障點流過感性殘流，此時稱為過補償； K=1時=0時，IC=IL, 表示故障點不流過殘流，此時稱為全補償； 由于多種原因，一般希望以過補償為主的運行方式，過補償5%10%。 3、采用并聯(lián)連

21、接的無功補償用電容器 4、從運行經驗知，定期做好電氣設備的絕緣監(jiān)測工作，及時發(fā)現(xiàn)絕緣隱患和消除絕緣弱點，保證電力系統(tǒng)設備具有良好的絕緣性能，即使產生間歇電弧過電壓，一般也不會引起事故。8.5 諧振過電壓 諧振過電壓：系統(tǒng)進行某些操作或故障后形成的回路中，其自振蕩頻率與電源頻率滿足了一定關系，出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象而引起的過電壓。 電力系統(tǒng)中包含許多電感、電容元件，它們可以組成一系列的串聯(lián)振蕩回路。諧振過電壓是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，它持續(xù)的時間比操作過電壓要長得多，可達十分之幾秒甚至可能穩(wěn)定存在，直到新的操作破壞諧振條件為止。這種過電壓不僅危及設備絕緣，而且可能產生持續(xù)過電流而燒壞設備，造成比較嚴重的后果。 通

22、常、電力系統(tǒng)中電阻電容是線性常數(shù)，而電感則可能是線性的、非線性的或周期性變化的。依據電感的類型不同，諧振分線性諧振、非線性諧振和參數(shù)諧振三種。 線性諧振是電路中元件參數(shù)是常數(shù)，不隨電壓或電流而變化，這里主要是指不帶鐵芯的電感元件，如輸電線路的電感，變壓器的漏電感或勵磁特性近于線性時的帶鐵芯電感。在正弦交流電壓下，當電源頻率和系統(tǒng)自振頻率相等或接近時，可能產生強烈的線性諧振。 鐵磁諧振是振蕩回路中由于帶鐵芯電感（如變壓鐵磁諧振是振蕩回路中由于帶鐵芯電感（如變壓器、電壓互感器、消弧線圈等）的磁路飽和作用，器、電壓互感器、消弧線圈等）的磁路飽和作用，使它們的電感減小，激發(fā)起來的持續(xù)性的鐵磁諧使它們的

23、電感減小，激發(fā)起來的持續(xù)性的鐵磁諧振過電壓。這種過電壓可以是基波諧振、高次諧振過電壓。這種過電壓可以是基波諧振、高次諧波諧振，也可以是分次諧波諧振。其表現(xiàn)形式可波諧振，也可以是分次諧波諧振。其表現(xiàn)形式可能是單相、兩相或三相對地電壓升高；或以低頻能是單相、兩相或三相對地電壓升高；或以低頻擺動，引起絕緣閃絡或避雷器爆炸或產生高值零擺動，引起絕緣閃絡或避雷器爆炸或產生高值零序電壓分量；出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象和不正確的接地序電壓分量；出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象和不正確的接地指示，或使電壓互感器中出現(xiàn)過電流引起熔斷器指示，或使電壓互感器中出現(xiàn)過電流引起熔斷器熔斷；或互感器燒毀；甚至可能使小容量的異步熔斷；或互感器燒毀；甚至可能使小容量的異步電動機發(fā)生反轉等現(xiàn)象。電動機發(fā)生反轉等現(xiàn)象。 參數(shù)諧振是指水輪發(fā)電機在正常