第十一章 電力系統(tǒng)暫時(shí)過電壓

第十一章電力系統(tǒng)暫時(shí)過電壓概述電力系統(tǒng)暫時(shí)過電壓是電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的一種。在電力系統(tǒng)中，由于斷路器操作、故障或其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的振蕩轉(zhuǎn)化或傳遞所造成的電壓升高，稱為電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓。內(nèi)部過電壓的能量來源于系統(tǒng)本身，所以其幅值與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓成正比。一般將內(nèi)部過電壓幅值與系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓幅值之比，稱為內(nèi)部過電壓倍數(shù)，表征過電壓的高低。值與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)運(yùn)行方式、各組成元件的性能參數(shù)、故障性質(zhì)及操作過程等因素有關(guān)，并具有明顯的統(tǒng)計(jì)性。操作過電壓電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓工頻過電壓暫時(shí)過電壓線性諧振諧振過電壓非線性諧振參數(shù)諧振11.1工頻過電壓電力系統(tǒng)在正常或故障運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)幅值超過最大工作相電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高，統(tǒng)稱工頻電壓升高或稱工頻過電壓。這種過電壓對(duì)系統(tǒng)正常絕緣的電氣設(shè)備一般沒有危險(xiǎn)，但在超高壓遠(yuǎn)距離輸電確定絕緣水平時(shí)，起著重要作用，主要有以下原因：（1）工頻電壓升高將直接影響操作過電壓的幅值。（2）工頻電壓升高將影響保護(hù)電器的工作條件和效果。（3）工頻電壓升高持續(xù)時(shí)間長，對(duì)設(shè)備絕緣及其運(yùn)行性能有重大的影響，如油紙絕緣內(nèi)部游離、污穢絕緣子閃絡(luò)、鐵芯過熱、電暈及其干擾等。在我國超高壓系統(tǒng)中，要求線路側(cè)工頻過電壓不大于最高運(yùn)行相電壓的1.4倍，母線側(cè)不大于1.3倍。下面分析產(chǎn)生工頻過電壓的物理過程及可采取的限制措施。由于空載線路的工頻容抗大于工頻感抗，在電源電動(dòng)勢的作用下，一、空載長線路電容效應(yīng)引起的工頻過電壓線路中通過的電容電流在感抗上的壓降將使容抗上的電壓高于電源電動(dòng)勢，。即空載線路上的電壓高于電源電壓，這就是空載線路的電感—電容效應(yīng)（簡稱電容效應(yīng)）引起的工頻過電壓。影響因素：線路長度系統(tǒng)電抗限制工頻過電壓的措施：（1）在超高壓系統(tǒng)中，通常采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償線路電容電流，削弱線路的電容效應(yīng)。（2）單電源供電系統(tǒng)，減少線路長度，限制。（3）對(duì)雙電源供電線路，線路合閘時(shí)，先合電源容量較大的一側(cè)，后合電源容量較小的一側(cè)；線路切除時(shí)，先切容量較小的一側(cè)，后切容量較大的一側(cè)。二、不對(duì)稱接地引起的工頻過電壓不對(duì)稱接地短路是輸電線路最常見的故障形式。發(fā)生故障時(shí)，由于相間的電磁耦合，可能使全相工頻電壓有所升高。統(tǒng)計(jì)表明，在不對(duì)稱接地中，以單相接地時(shí)非故障相的電壓升高最為嚴(yán)重。另外，單相接地時(shí)的工頻電壓升高值是確定閥式避雷器額定電壓的依據(jù)，故在此只討論單相接地故障。單相接地時(shí)，故障點(diǎn)三相電流和電壓是不對(duì)稱的，為計(jì)算非故障相電壓升高較方便，可采用對(duì)稱分量法，通過序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，是線路對(duì)地容抗，其值很大，而是感抗，所以必為負(fù)值。當(dāng)線路長度在250km以內(nèi)，相應(yīng)的k<－20，，即非故障相對(duì)地電壓會(huì)升高接近運(yùn)行電壓的1.1倍，故我國6~10kV電網(wǎng)中避雷器額定電壓大于1.1對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，不論是欠補(bǔ)償或是過補(bǔ)償，總有k→-或k→，故→，避雷器額定電壓大于。中性點(diǎn)宣接接地或經(jīng)低阻抗接地系統(tǒng)的是感抗，因此k值是正的。110~220kV中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，通常k<3，，避雷器額定電壓大于（0.75~0.8）。對(duì)超高壓系統(tǒng)，長度在200km以上的線路常裝有并聯(lián)電抗器，k，考慮到長線電容效應(yīng)，電站型避雷器額定電壓大于0.8，線路型大于0.9。三、甩負(fù)荷引起的工頻過電壓電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，某種故障會(huì)使系統(tǒng)電源突然失去負(fù)荷。例如，圖11－l－10所示線路末端斷路器QF突然開斷，發(fā)電機(jī)--變壓器只帶空載線路，此時(shí)將出現(xiàn)工頻過電壓。圖11－l－10運(yùn)行系統(tǒng)及向量圖11.2線性諧振過電壓諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等干外加強(qiáng)迫頻率的一種穩(wěn)態(tài)（或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）現(xiàn)象。在這種周期性或準(zhǔn)周期性的運(yùn)行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會(huì)急劇上升。電感元件：發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗器、消弧線圈、電磁式電壓互感器、導(dǎo)線電感等；電容元件：補(bǔ)償電容器、高壓設(shè)備雜散電容、導(dǎo)線對(duì)地電容、相間電容等。在正常運(yùn)行時(shí)，這些元件的參數(shù)不會(huì)形成串聯(lián)諧振，但當(dāng)發(fā)生故障或操作時(shí)，系統(tǒng)中某些回路被割裂、重新組合而構(gòu)成各種振蕩回路，在一定的能源作用下將產(chǎn)生串聯(lián)諧振，導(dǎo)致嚴(yán)重的諧振過電壓。諧振過電壓持續(xù)時(shí)間比操作過電壓長得多，甚至是穩(wěn)定存在，直到破壞諧振條件為止。但某些情況下，諧振發(fā)生一段時(shí)間后會(huì)自動(dòng)消失，不能自保持。危害性既決定于其幅值大小，也決定于持續(xù)時(shí)間長短。諧振過電壓會(huì)危及電氣設(shè)備的絕緣；也可能因持續(xù)過電流燒毀小容量的電感元件設(shè)備；諧振過電壓的持續(xù)性質(zhì)還給選擇過電壓保護(hù)措施造成困難。單頻線性電路諧振條件為：一、超高壓補(bǔ)償線路不對(duì)稱切合引起的工頻諧振超高壓輸電線路通常接有并聯(lián)電抗器，當(dāng)操作線路出現(xiàn)不對(duì)稱切合時(shí)，合閘相對(duì)開斷相的相間電容與開斷相的對(duì)地電抗會(huì)組成串聯(lián)諧振回路，可能產(chǎn)生線性諧振過電壓。單相開斷時(shí)產(chǎn)生諧振的條件是同理，可推得兩相開斷時(shí)諧振條件是限制諧振的發(fā)生，則需破壞其諧振條件，簡便的方法是人為地采取補(bǔ)償措施，使線路相間參數(shù)呈開路狀態(tài)，即使開斷相的電壓為零。阻止諧振的條件是措施：電抗器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗Xn接地.小電抗是二次補(bǔ)償；在兩相開斷時(shí)，小電抗仍然起到相間隔離的作用。圖11-2-4小電抗的接入二、消弧線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的工頻諧振圖11-2-6單相接地及向量圖10kV線路的Ig＜30A、35KV線路的Ig＜10A帆時(shí)，單相接地電弧能自動(dòng)熄滅，而超過此值后，易重燃，產(chǎn)為控制Ig小于一定值，在中性點(diǎn)N對(duì)地接一帶氣隙的鐵芯電感L。殘流：消弧線圈的脫諧度：欠補(bǔ)償：Ig>IL接地電容電流大于補(bǔ)償電流（電感電流）過補(bǔ)償：Ig<IL，全補(bǔ)償：Ig=IL無補(bǔ)償：IL=0，Ig=Ij，消弧線圈的兩大功能（電弧自熄的必要條件）：a.補(bǔ)償電容電流限制殘流；b.延緩故障相恢復(fù)電壓上升速度。通常，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)整在過補(bǔ)償狀態(tài)，脫諧度，網(wǎng)絡(luò)對(duì)地容抗大于感抗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生不對(duì)稱斷線故障時(shí)，則對(duì)地電容會(huì)更大，不會(huì)使網(wǎng)絡(luò)趨于諧振狀態(tài)。反之，若采用欠補(bǔ)償運(yùn)行，則有可能使網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入諧振狀態(tài)，使中性點(diǎn)及各點(diǎn)對(duì)地均出現(xiàn)較高的工頻線性諧振過電壓。11．3非線性諧振過電壓非線性諧振（鐵磁諧振）是指發(fā)生在含有非線性電感（如鐵心電感元件）的串聯(lián)振蕩回路中的諧振。它有與線性諧振很不同的特點(diǎn)。由于諧振回路總的鐵心電感會(huì)因磁飽和程度不同而相應(yīng)有不同的電感量，所以非線性振蕩回路的自振角頻率也不是固定的。研究表明，在不同的條件作用下，非線性振蕩回路可產(chǎn)生三種諧振狀態(tài)：基波諧振、高次諧波諧振和分次諧波諧振?，F(xiàn)通過基波諧振的分析，了解非線性諧振的基本特性。如圖11-3-1所示為最簡單的非線性振蕩電路，E為工頻電源電動(dòng)勢；電阻R、電容C、均為線性元件；L為鐵心電感，是非線性元件。圖11-3-1非線性諧振回路先令R=0，對(duì)圖11-3-1所示電路有，因和反相，所以有；（11-3-1）在圖11-3-2（a）中畫出電容C的伏安特性，這是一根斜率為Xc的直線。同時(shí)，也畫出非線性電感L的伏安特性，此特性曲線的起始段是一斜直線，其斜率為起始電抗XL0，隨電壓電流的增大，特性曲線將彎曲，這是因?yàn)殍F心飽和而使感抗減小。根據(jù)式（11-3-1）可在途中作出的伏安特性曲線，并知滿足的有三個(gè)工作點(diǎn)（a、b、c），這也說明非線性電路的解答具有多值性質(zhì)。圖11-3-2基波諧振圖解法(a)R=0；(b)R>0為了鑒別圖11-3-2（a）中a、b、c三個(gè)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，可采用小擾動(dòng)判別法判別，其中a、c點(diǎn)是穩(wěn)定的，b點(diǎn)是不穩(wěn)定的。當(dāng)回路工作在a點(diǎn)時(shí)，>，整個(gè)電路是電感性的，作用在電感和電容上的電壓不高，電流也不大，回路處于正常非諧振狀態(tài)；當(dāng)回路工作在c點(diǎn)時(shí)，<，回路變?yōu)殡娙菪缘?，回路電流急劇增大，在電容和電感上都出現(xiàn)較高的過電壓，此時(shí)，含有非線性電感的串聯(lián)諧振回路已處于諧振狀態(tài)。在電源電動(dòng)勢E較小時(shí)，如圖11-3-2（a）所示E<，回路可能有二個(gè)工作點(diǎn)（a、c），若要使回路從非諧振狀態(tài)a點(diǎn)轉(zhuǎn)移到諧振狀態(tài)c點(diǎn)，則必須給回路足夠強(qiáng)烈的沖擊擾動(dòng)，在擾動(dòng)過程中電流幅值達(dá)到諧振的數(shù)量級(jí)，才能使a點(diǎn)轉(zhuǎn)移至c點(diǎn)，激發(fā)起持續(xù)性的鐵磁諧振，這種一定程度的沖擊擾動(dòng)稱外激發(fā)。主要來源往往是系統(tǒng)發(fā)生故障、故障消失、合閘電源等，這些造成電感兩端短時(shí)電壓升高或鐵心電感出現(xiàn)涌流。并不是所有外激發(fā)時(shí)，每次都會(huì)引起諧振，而具有明顯的隨機(jī)性。若電源電動(dòng)勢E較大，大于的Um值，回路只有一個(gè)穩(wěn)定的諧振工作點(diǎn)，不需要外激發(fā)已處于諧振狀態(tài)，稱為自激現(xiàn)象。當(dāng)回路工作在飛諧振工作點(diǎn)時(shí)，電流為感性，與E同相；工作再諧振工作點(diǎn)時(shí)，電流轉(zhuǎn)為容性，與E反相，這種在諧振前后的相位相反的現(xiàn)象，稱為反傾。以上分析了非線性諧振的基本性質(zhì)?？芍a(chǎn)生諧振的必要條件是電感和電容的兩條特性線有交點(diǎn)，即要求電感伏安特性的起始斜率大于電容伏安特性線性斜率，可寫成：（11-3-2）這樣，在電感未飽和時(shí)，回路的自振頻率w0低于電源頻率w，而飽和時(shí)，電感值下降，回路w0會(huì)增加至接近或等于w。這是產(chǎn)生工頻諧振的必要條件?，F(xiàn)考慮非線性電感諧振回路中電阻R的作用，人為的增加R值，在圖11-3-2（b）中出現(xiàn)，在e點(diǎn)上移，高于電動(dòng)勢E值，即，可寫成（11-3-4）則此非線性諧振電路在相應(yīng)的E值作用下，只有非諧振工作點(diǎn)，消除了產(chǎn)生工頻諧振的可能性。現(xiàn)將產(chǎn)生非線性諧振的條件歸納如下：

（1）在含有非線性電感的諧振回路中，產(chǎn)生K次諧波諧振的必要條件是，對(duì)一定的初始電感值L0，諧振可在很大范圍內(nèi)產(chǎn)生。（2）諧振回路的損耗電阻小于臨界值。（3）施加于回路的電動(dòng)勢大小在一定范圍內(nèi)。（4）需要有一定的激發(fā)因素，即回路應(yīng)經(jīng)理足夠強(qiáng)烈的過度過程的沖擊擾動(dòng)。激發(fā)后，通常能自保持。一、斷線引起的諧振過電壓在此，“斷線”是泛指導(dǎo)線因故障折斷、熔斷器一相或兩相熔斷、斷路器非全相動(dòng)作或嚴(yán)重不同期等原因造成電力系統(tǒng)非全相運(yùn)行的現(xiàn)象。只要電源側(cè)或負(fù)載側(cè)有一側(cè)中性點(diǎn)不接地，斷線可能組成復(fù)雜多樣的非線性串聯(lián)諧振回路，出現(xiàn)諧振過電壓。斷線諧振會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中性點(diǎn)位移及繞組、導(dǎo)線對(duì)地有過電壓，嚴(yán)重時(shí)可使絕緣閃絡(luò)、避雷器爆炸、電器設(shè)備損壞，還有可能傳遞到低壓側(cè)，造成危害。現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)不接地，線路長度為L，線末接空載變壓器，發(fā)生單相（A相）斷線為例，對(duì)諧振回路的形成和避免產(chǎn)生諧振的條件進(jìn)行分析。圖11-3-4中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相斷線電源側(cè)接地三相電路；（b）等值單相電路通常，限制斷線諧振過電壓的措施有：加強(qiáng)線路巡視，及早發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線的機(jī)械損傷；提高檢修質(zhì)量，保證斷路器同期動(dòng)作；、不采用熔斷器操作，避免非全相運(yùn)行。不將空載變壓器長期接在線路上。采用環(huán)網(wǎng)或雙電源供電。二、電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起的過電壓電壓互感器低壓側(cè)負(fù)載很小，接近空載，高壓側(cè)的歷次感抗則很大，在合閘或接地故障突然消失時(shí)，會(huì)引起互感器鐵芯不同程度的飽和，此時(shí)，在設(shè)備電容或?qū)Ь€對(duì)地電容構(gòu)成特殊的諧振回路，激發(fā)起各種諧波的非線性諧振現(xiàn)象。中性點(diǎn)工頻位移電壓圖11-3-8電壓互感器鐵芯飽和引起的中性點(diǎn)工頻位移（a）三相電路；（b）等值原理電路電源中性點(diǎn)位移電壓為（11-3-13）顯然，當(dāng)時(shí)，。當(dāng)電磁式電壓互感器三相同期合閘于三相平衡堆成電動(dòng)勢的瞬間，通常會(huì)出現(xiàn)二相鐵芯飽和、一相鐵芯不飽和的現(xiàn)象。此時(shí)有，（11-3-14）此時(shí)，便出現(xiàn)了中性點(diǎn)工頻位移電壓，參考圖11-3-9，可以看出中性點(diǎn)的偏移程度很大，這種現(xiàn)象也成為虛幻接地現(xiàn)象。圖11-3-9電壓相量圖諧波諧振諧波諧振有高次諧波諧振和分次諧波諧振。3．限制電磁式電壓互感器飽和過電壓的措施可以從以下幾方面方面著手：設(shè)法改變互感器的感抗或系統(tǒng)對(duì)地容抗，避免匹配成諧振參數(shù)；在零序回路中添加電阻，阻尼諧振的產(chǎn)生。選用伏安特性較好的電壓互感器選用電容性電壓互感器盡量減少系統(tǒng)中性點(diǎn)接地的互感器數(shù)量，使熊中的互感器的等值總感抗值增加。三、傳遞過電壓當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地或非全相操作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零序電壓及零序電流分量，此分量將通過平行線路或繞組間的互電筒C12及互感M傳遞到另一側(cè)，形成傳遞過電壓，若傳遞回路中患有鐵芯電感元件，如空載變壓器、消弧線圈，中性點(diǎn)接地的電磁式電壓互感器等，則有可能產(chǎn)生非線性諧振過電壓。如課本圖11-3-12所示。繞組間的傳遞過電壓是指變壓器三相繞組中性點(diǎn)不接地時(shí)，零序電壓U0是不能按變比關(guān)系傳到另一側(cè)的，它將通過繞組間雜散電容C12和繞組對(duì)地電容3C0組成回路，傳遞到另一側(cè)，當(dāng)與另一側(cè)的電感滿足諧振條件時(shí)，回造成傳遞回路的諧振過電壓。如課本圖11-3-14所示。限制傳遞過電壓的措施：不采用高壓熔斷器盡量減小斷路器的非全相運(yùn)行動(dòng)作避免線路斷線導(dǎo)線段落及不對(duì)稱接地低壓側(cè)人為裝設(shè)電容器。11．4參數(shù)諧振過電壓當(dāng)串聯(lián)回路中含有周期性變化的電