高電壓技術(shù)：第13章_操作過電壓

1、操作過電壓是由系統(tǒng)中斷路器操作或故障產(chǎn)生的過渡過程引起的。與暫時(shí)過電壓相比，操作過電壓通常具有幅值高，存在高頻振蕩、強(qiáng)阻尼和持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。常見的操作過電壓有：切除空載線路過電壓，合閘空載線路過電壓，切除空載變壓器過電壓,以及中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中電弧接地過電壓等。限制操作過電壓的方法有：在低壓系統(tǒng)中安裝消弧線圈，在高壓線路上裝設(shè)并聯(lián)電抗器，采用帶有并聯(lián)電阻的斷路器以及避雷器等。預(yù)備知識(shí)：當(dāng)直流電源E通過電感L作用到初始電壓為Uc0的電容C上時(shí)，通過解電路方程，可得到電容C上的電壓瞬時(shí)值為： 更普遍的估計(jì)最大過電壓的式子為： 過電壓最大值穩(wěn)態(tài)值振蕩振幅 穩(wěn)態(tài)值（穩(wěn)態(tài)值起始值） 2倍穩(wěn)態(tài)值起始值振

2、蕩部分穩(wěn)態(tài)值振蕩部分由起始狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)有差別而引起13.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電弧接地引起的過電壓13.2 合閘空載線路引起的過電壓 13.3 切除空載線路引起的過電壓13.4 切除空載變壓器引起的過電壓 13.5 GIS中的快速暫態(tài)過電壓VFTO 13 電力系統(tǒng)操作過電壓13.4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電弧接地過電壓 當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時(shí)，經(jīng)過故障點(diǎn)將流過數(shù)值不大的接地電容電流。 隨著電網(wǎng)的發(fā)展和電壓等級(jí)的提高，單相接地電容電流隨之增加。一般 6 l0kV 電網(wǎng)的接地電流超過30A、35 60kV 電網(wǎng)的接地電流超過10A 時(shí)電弧便難以熄滅。 但這個(gè)電流還不至于大到形成穩(wěn)定燃燒電弧，

3、因此可能出現(xiàn)電弧時(shí)燃時(shí)滅的不穩(wěn)定狀態(tài)，引起電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的瞬時(shí)變化，導(dǎo)致電磁能量的強(qiáng)烈振蕩，并在健全相和故障相上產(chǎn)生過電壓，這就是間歇性電弧接地過電壓。 過電壓發(fā)展的物理過程中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)A相接地uA, uB uC：三相電源電壓C相導(dǎo)線的對(duì)地電容A相單相短路接地電弧熄滅電弧重燃 每隔半個(gè)工頻周期依次發(fā)生熄弧和重燃，健全相最大過電壓3.5p.u.，故障相最大過電壓2.0 p.u.。過電壓產(chǎn)生原因： 當(dāng)發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)，健全相對(duì)地電壓的起始值與穩(wěn)態(tài)值不同，電容與電感振蕩引起過電壓。無(wú)泄漏途徑，電荷重新分配（1）t1時(shí)刻發(fā)生A相短路短路前，初始值：u1(t1)=1,u2(t1)= -0.5,u3

4、(t1)=-0.5發(fā)生單相短路后：u1(t1+) 0 u2(t1+) u2(t1)-u1(t1)=-0.5-1.0=-1.5 u3(t1+) u3(t1)-u1(t1)=-0.5-1.0=-1.5t1時(shí)刻前后C2,C3上的電壓發(fā)生變化，要經(jīng)歷振蕩過程。在此振蕩過程中，健全相上將出現(xiàn)最大為2.5p.u.的過電壓。（2）t2時(shí)刻息弧熄弧時(shí)，初始值：u1(t2)=0, u2(t2)=1.5, u3(t2)=1.5熄弧后，電容上的電荷無(wú)處泄漏將重新分配到C1,C2,C3.即電容電壓應(yīng)是三相對(duì)稱交流電源電壓與直流分量的疊加。t2時(shí)刻與t2時(shí)刻各電壓值相同，不會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩過程。（3）若t3時(shí)刻電弧重燃熄

5、弧后0.01s后，即t3=t2+T/2時(shí)刻，原A相故障點(diǎn)的電壓又達(dá)到最大值（疊加了直流分量21.5/3=1），此時(shí)： u1(t3)=1+1=2.0， u2(t3)=1-0.50.5， u3(t3)=0.5假定這個(gè)時(shí)刻，故障點(diǎn)電弧重燃，t3時(shí)刻新的穩(wěn)態(tài)值為：u1(t3 +) 0, u2(t3 +) -1.5, u3(t3+) -1.5C2,C3經(jīng)電源電感從0.5充電到-1.5。其過渡過程中出現(xiàn)的最大過電壓為： U2max=-1.5+(-1.5-0.5)=-3.5 U3max=-1.5+(-1.5-0.5)=-3.5第二次發(fā)弧后，健全相的過電壓最大值為3.5p.u.(相電壓幅值)，故障相的過電壓最

6、大值為2.0倍。按工頻電流過零時(shí)熄弧的理論所作的分析結(jié)論是：1）兩健全相的最大過電壓倍數(shù)為3.5；2）故障相最大過電壓倍數(shù)等于2.0。長(zhǎng)期以來(lái)大量試驗(yàn)研究表明：故障點(diǎn)電弧在工頻電流過零時(shí)和高頻電流過零時(shí)熄滅都是可能的。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)生在大氣中的開放性電弧往往要到工頻電流過零時(shí)才能熄滅；而在強(qiáng)烈去電離的條件下（如斷路器），電弧往往在高頻電流過零時(shí)就能熄滅。電弧的燃燒和熄滅會(huì)受到發(fā)弧部位周圍媒質(zhì)和大氣條件等的影響，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性質(zhì)，因而它所引起的過電壓值具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。 限制過電壓的措施消除間歇性電弧110kV 及以上電網(wǎng)大都采用中性點(diǎn)直接接地方式，單相短路后斷路器跳閘切除故障；經(jīng)過短時(shí)電弧熄滅后再

7、自動(dòng)重合。不能成功合閘，斷路器將再次跳閘，不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)電弧現(xiàn)象。對(duì)于單相故障事故率高的低壓電網(wǎng)，中性點(diǎn)直接接地將引起斷路器頻繁跳閘，經(jīng)濟(jì)性差。我國(guó) 35kV 及以下電壓等級(jí)的配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（電感可調(diào)的電抗器）接地方式（補(bǔ)償電容電流）消弧線圈的基本作用： 補(bǔ)償流過故障點(diǎn)的短路電流(容性)，使電弧能自行熄滅，系統(tǒng)自行恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。 降低故障相上的恢復(fù)電壓上升的速度，減小電弧重燃的可能性。13.2 合閘空載線路引起的過電壓空載線路的合閘分為兩種情況，即正常合閘和自動(dòng)重合閘。由于兩者初始條件的差異，如電源電勢(shì)的幅值及線路上的殘余電荷，使正常合閘和自動(dòng)重合閘空載線路線過電壓幅值有較大的

8、差別。一般來(lái)說(shuō)，重合閘過電壓是合閘過電壓中最嚴(yán)重的一種。合閘空載線路過電壓在超高壓系統(tǒng)的絕緣配合中上升為主要矛盾，成為選擇超高壓系統(tǒng)絕緣水平?jīng)Q定性因素。 合閘空載線路產(chǎn)生過電壓的物理過程輸電線T電路電源頻率 等值回路自振頻率 若0遠(yuǎn)大于，在電源電壓最大值時(shí)合閘，電容上的電壓最大可達(dá)2Ucm。在超高壓系統(tǒng)中，01.53.0 ，電容效應(yīng)使得UcmEm。線路上電壓要超過2倍電源電勢(shì)。若計(jì)及損耗，過電壓有所降低。 重合閘過電壓嚴(yán)重！重合閘時(shí)，線路上有殘余電荷，相當(dāng)于電容CT上有初始電壓Uco，電容上的電壓表達(dá)式為： 在重合閘的情況下，線路上的過電壓最大值可達(dá)3Ucm。若計(jì)及損耗，過電壓有所降低。 空載

9、線路合閘時(shí)，產(chǎn)生過電壓的根本原因是電容、電感的振蕩，其振蕩電壓疊加在穩(wěn)態(tài)電壓上所致。 影響過電壓的因素（1）合閘相位。合閘相位是隨機(jī)的，有一定的概率分布，與斷路器合閘過程中的預(yù)擊穿特性及斷路器合閘速度有關(guān)。（2）殘余電荷。過電壓大小與線路上殘余電荷數(shù)值和極性有關(guān)。（3）斷路器合閘的不同期。由于三相線路之間有耦合，先合相相當(dāng)于在另外兩相上產(chǎn)生殘余電荷。（4）回路損耗。實(shí)際輸電線路中，能量損耗（電阻、電暈）會(huì)引起振蕩分量的衰減。（5）電容效應(yīng)。合閘空載長(zhǎng)線時(shí)，由于電容效應(yīng)使線路穩(wěn)態(tài)電壓增高，導(dǎo)致了合閘過電壓增高。 限制過電壓的措施（1）降低工頻電壓升高 空載線路上的操作過電壓是在工頻穩(wěn)態(tài)電壓的基礎(chǔ)

10、上由振蕩產(chǎn)生的。顯然，降低工頻電壓升高會(huì)使操作過電壓下降。目前超高壓電網(wǎng)中采取的裝設(shè)并聯(lián)電抗器和靜止補(bǔ)償裝置（SVC）以削弱電容效應(yīng)。（2）斷路器裝設(shè)并聯(lián)電阻 將線路合閘分為兩個(gè)階段。第一階段：帶電阻 R 合閘，將 R 與輔助觸頭串聯(lián)。由于 R 對(duì)振蕩回路起阻尼作用，使過渡過程中的過電壓降低。主觸頭輔助觸頭 第二階段：大約經(jīng) 8 15 ms，主觸頭閉合，將 R 短接，電源直接與線路相連。（3）控制合閘相位 空載線路合閘過電壓的大小與電源電壓的合閘相位有關(guān)，可以通過電子裝置來(lái)控制斷路器的動(dòng)作時(shí)間，以達(dá)到降低合閘過電壓的目的。 （4）消除線路上的殘余電荷 在線路側(cè)接電磁式電壓互感器，可在幾個(gè)工頻周

11、波內(nèi)，將全部殘余電荷通過互感器泄放掉。（5）裝設(shè)避雷器 在線路首端和末端裝設(shè)磁吹避雷器或金屬氧化物避雷器，當(dāng)出現(xiàn)較高的過電壓時(shí)，避雷器應(yīng)能可靠動(dòng)作，將過電壓限制在允許的范圍內(nèi)。13.3 切除空載線路引起的過電壓 我國(guó)在 35 220 kV 電網(wǎng)中，都曾因切除空載線路時(shí)過電壓引起過多次故障。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明：若使用的斷路器的滅弧能力不夠強(qiáng)，以致電弧在觸頭間重燃時(shí)，切除空載線路的過電壓事故就比較多，因此，電弧重燃是產(chǎn)生這種過電壓的根本原因。 產(chǎn)生過電壓的物理過程第一次重燃第二次重燃 若電弧繼續(xù)重燃，則可能出現(xiàn) -7Em ，+ 9Em ， 的過電壓。電弧多次重燃是切除空載線路過電壓的根本原因。 系

12、統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，超過 3Em 的過電壓概率是很小的，這是因?yàn)檫^電壓受多種因素影響的緣故。 斷開 線路電壓保持，電源側(cè)電壓變化 容性電流超前電壓90度切除空載長(zhǎng)線重燃前線路電壓Em, 重然后為Em，最大： 影響過電壓的因素（1）斷路器的性能 隨著斷路器制造質(zhì)量的提高，斷路器已能做到基本上不重燃，使得這類過電壓降到了次要的位置。（2）中性點(diǎn)接地方式 中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中，三相斷路器分閘不同期會(huì)構(gòu)成瞬間不對(duì)稱電路，使中性點(diǎn)產(chǎn)生位移，相間耦合使過電壓增高。 （3）損耗 電暈要消耗能量，電源及線路損耗使過電壓降低。（4）其它 若母線上有很多出線時(shí)，過電壓降低。此外，當(dāng)線路裝有電磁式電壓互感器時(shí)，將泄放

13、線路上的殘余電荷，降低了過電壓。 限制過電壓的措施（1）采用不重燃斷路器（2）在斷路器裝設(shè)分閘電阻 切除線路時(shí)，先打開主觸頭，線路上電荷通過輔助觸頭泄漏，R 上的壓降就是主觸頭兩端的恢復(fù)電壓。一段時(shí)間后，輔助觸頭才打開，此時(shí)它的恢復(fù)電壓也較低，不會(huì)發(fā)生電弧的重燃，即使發(fā)生重燃，R 的阻尼使過電壓降低。（3）線路上裝設(shè)泄流設(shè)備 在線路側(cè)若接有并聯(lián)電抗器或電磁式電壓互感器，都能使線路上的殘余電荷得以泄放或產(chǎn)生衰減振蕩，達(dá)到降低過電壓的目的。（4）裝設(shè)避雷器 主觸頭輔助觸頭13.4 切除空載變壓器引起的過電壓空載變壓器正常運(yùn)行時(shí)為一激磁電感。切除空載變壓器就是開斷一個(gè)小容量電感負(fù)荷，會(huì)在變壓器和斷路

14、器上出現(xiàn)很高的過電壓。切除并聯(lián)電抗器、消弧線圈、大型電動(dòng)機(jī)等也屬于切除電感性負(fù)載，也會(huì)引起類似的過電壓。在切斷小電感電流（空載變壓器的激磁電流很小，是額定電流0.55，約數(shù)安到數(shù)十安）時(shí)，能量小，通?；〉乐须婋x并不強(qiáng)烈，電弧很不穩(wěn)定；加之?dāng)嗦菲魅ル婋x作用很強(qiáng)，可能在工頻電流過零前使電弧電流截?cái)喽鴱?qiáng)制熄弧。弧道中電流被突然截?cái)嗟默F(xiàn)象稱為“截流”（切除大電流一般工頻過零時(shí)息弧，不出現(xiàn)截流）。由于截流留在電感中磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電容上的電場(chǎng)能量，從而產(chǎn)生了過電壓。 產(chǎn)生過電壓的物理過程L：變壓器激磁阻抗；C：變壓器及線路對(duì)地電容很小，忽略變壓器特征阻抗，很大，超過104全部的電磁場(chǎng)能力都轉(zhuǎn)化為電容上的電

15、場(chǎng)能量 若計(jì)及損耗，過電壓有所降低。 切除空載變壓器產(chǎn)生過電壓的根本能原因是由于截流留在電感中的磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)化為電容上的電場(chǎng)能量。 影響過電壓的因素（1）斷路器的性能 切除空載變壓器引起的過電壓與截流I0數(shù)值成正比，斷路器截?cái)嚯娏鞯哪芰τ?，過電壓 UCmax 就越高。（2）變壓器的參數(shù) 變壓器 L 愈大，C 愈小，則過電壓愈高。當(dāng)電感中的磁場(chǎng)能量不變，電容 C 愈小時(shí)，過電壓也愈高。（3）變壓器的相數(shù)、線組接線方式、鐵芯結(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)接地方式、斷路器的斷口電容，以及與變壓器相連的電纜線段、架空線段等，都會(huì)對(duì)切除空載壓器過電壓產(chǎn)生影響。 限制過電壓的措施 切斷空載變壓器過電壓的特點(diǎn)是：幅值高、

16、頻率高，但持續(xù)時(shí)間短、能量小。 只要在變壓器任一側(cè)裝上普通閥式避雷器就可以有效限制這種過電壓。計(jì)算表明：普通閥型避雷在雷電過電壓下動(dòng)作后所吸收的能量，要比變壓器線圈中貯藏的能量大一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際運(yùn)行中也未發(fā)現(xiàn)因切空載變壓器而引起避雷器損壞的情況。 由于這種避雷器安裝的目的是用來(lái)限制切除空載變壓器過電壓的，所以在非雷雨季節(jié)也不應(yīng)退出運(yùn)行。 13.5 GIS中快速暫態(tài)過電壓 VFTO產(chǎn)生的機(jī)理 GIS中隔離開關(guān)和斷路器在操作中觸頭運(yùn)動(dòng)速度慢（大約1cm/s數(shù)量級(jí)），斷口在SF6氣體中會(huì)發(fā)生多次預(yù)、重?fù)舸?。在每一個(gè)電壓跳變處將產(chǎn)生波前為ns級(jí)的階躍電壓波，向斷口兩側(cè)傳播，并在GIS內(nèi)不斷地發(fā)生復(fù)雜的

17、折射、反射和疊加，最終暫態(tài)振蕩頻率劇增，可高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz。 VFTO的特性a. 幅值：GIS中開關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO幅值一般低于2.0p.u.，也可能超過2.5p.u.。在同一時(shí)刻不同節(jié)點(diǎn)的電壓幅值不同。 b. 陡度：對(duì)于正常設(shè)計(jì)的GIS，電壓上升時(shí)間可為320ns，隨電場(chǎng)的非均勻度而異。c. 頻率 1) 幾十至數(shù)百kHz的基本振蕩頻率，此頻率電壓由整個(gè)系統(tǒng)決定，與GIS的絕緣設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)； 2) 數(shù)十MHz的高頻振蕩，由行波在GIS內(nèi)發(fā)展形成，是構(gòu)成VFTO的主要部分，決定于GIS絕緣設(shè)計(jì)； 3) 高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的特高頻振蕩，幅值較低。 VFTO的影響因素(1) 殘余電荷 當(dāng)DS開斷帶電的GIS

18、母線時(shí)，母線上可能存在的殘余電荷，會(huì)影響到VFTO的幅值。電源側(cè)、母線側(cè)以及支撐絕緣子上的過電壓幅值與殘余電荷近似呈線性關(guān)系，殘余電荷越多幅值越高。 (2) 變壓器的入口電容 VFTO的幅值隨入口電容的增加而增加，有計(jì)算表明： 每增加1000pF，VFTO幅值約增加0.2p.u.。但進(jìn)一步研究表明：隨著入口電容增加，VFTO的幅值不一定始終增加，這決定于GIS的結(jié)構(gòu)，特別是所操作母線的尺寸，以及操作的方式。 (3) 電壓的上升時(shí)間 GIS中沖擊電壓的上升時(shí)間增加使VFTO幅值下降，因?yàn)榇藭r(shí)會(huì)表現(xiàn)出一種阻尼作用，使那些較小時(shí)出現(xiàn)的暫態(tài)電壓的極高頻分量消失。(4) GIS的支路長(zhǎng)度 GIS支路的長(zhǎng)度對(duì)VFTO幅值的影響沒有明顯的規(guī)律。 (5) 開關(guān)弧道電阻的影響 DS起弧時(shí)弧道電阻為一時(shí)變電阻，對(duì)過電壓有阻尼作用。 (6) 其它因素的影響 GIS的布置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接線方式及外部設(shè)備等。 VFTO的危害(1) 暫態(tài)地電位升高TGPR 1983年CIGRE調(diào)查表明有半數(shù)以上的電站曾發(fā)生TGPR引起的事故。盡管TGPR衰減快，但若無(wú)限制會(huì)產(chǎn)生火花放電，甚至外殼擊穿，危及人身安全。(2) 對(duì)二次設(shè)備