高電壓技術(shù)-第九、十章

第九章

電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓

中國石油大學(xué)薛永端內(nèi)部過電壓：電力系統(tǒng)中，因為斷路器的操作、事故或其它原因，系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電磁能量振蕩轉(zhuǎn)換或傳遞所出現(xiàn)的超過正常運行電壓的電壓升高。由于引起內(nèi)部過電壓的電磁能量來自電力系統(tǒng)內(nèi)部，其幅值與額定電壓成正比，工程上內(nèi)部過電壓的大小用內(nèi)部過電壓倍數(shù)kn表示。最高運行相電壓幅值＝內(nèi)部過電壓內(nèi)部過電壓工頻電壓升高諧振過電壓空載長線容升效應(yīng)甩負(fù)荷不對稱短路操作過電壓切除小電感負(fù)荷斷開小電容負(fù)荷空載線路合閘間歇性、弧光接地過電壓暫時過電壓線性諧振非線性諧振參數(shù)諧振單相接地內(nèi)部過電壓分類電力系統(tǒng)操作過電壓〔1〕操作過電壓屬于內(nèi)部過電壓。操作是廣義的：方案性斷路器的合閘和跳閘故障時斷路器的跳閘切：L〔空變、L、電動機〕C〔空線、電容器組〕解列合：空線35kV及以下中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地時，不大的電容電流流經(jīng)接地點，產(chǎn)生時燃時滅的電弧。相當(dāng)于開關(guān)的反復(fù)操作弧光接地過電壓操作引起暫態(tài)過程，電磁能量發(fā)生轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)過電壓。由于操作過電壓幅值與系統(tǒng)額定電壓有關(guān)，因此電壓等級越高的系統(tǒng)操作過電壓值越高。系統(tǒng)的絕緣水平220kV及以下330kV及以上雷電過電壓操作過電壓主要我國規(guī)程規(guī)定：操作過電壓倍數(shù)35－60kV及以下〔非直接接地〕系統(tǒng)≯4.0110－220kV〔直接接地〕系統(tǒng)≯3.0330kV系統(tǒng)≯2.75500kV系統(tǒng)≯2.0〔或2.2〕750kV及1000kV系統(tǒng)≯1.6限制操作過電壓措施：斷路器帶并聯(lián)電阻、MOA、高壓并聯(lián)電抗器電力系統(tǒng)操作過電壓〔2〕主要內(nèi)容主要內(nèi)容： 第一節(jié)切除小電感負(fù)荷過電壓 第二節(jié)斷開小電容負(fù)荷過電壓 第三節(jié)空載線路合閘過電壓 第四節(jié)間歇電弧接地過電壓 第五節(jié)諧振過電壓 第六節(jié)工頻電壓升高9.1切除小電感負(fù)荷過電壓

斷路器開斷特點常見的操作：切除空載變壓器、消弧線圈、并聯(lián)電抗器。斷路器開斷特點：大電流時，過零點自然滅弧；如100A以上的負(fù)荷電流或短路電流小電流時，強行斷開，即呈現(xiàn)“截流”現(xiàn)象如為額定電流0.5%~5%的勵磁電流截流時，電感中儲存的磁能將轉(zhuǎn)為電場能被容量很小的分布電容吸收，致電壓升高產(chǎn)生切空變過電壓的根本原因是斷路器的截流現(xiàn)象過電壓產(chǎn)生的過程〔1〕等值電路斷路器閉合時，可忽略CT作用斷路器斷開時，勵磁線圈的電流不能突變，只能和電容構(gòu)成回路設(shè)截流瞬間，勵磁電流為I0，電壓為U0，此時的總能量為：

LT為變壓器勵磁電感CT為變壓器和連接母線對地電容，數(shù)百~數(shù)千pF過電壓產(chǎn)生的過程〔2〕變壓器上的最大過電壓，出現(xiàn)在磁場能量全部轉(zhuǎn)為電場能量的時刻，有：最大過電壓是勵磁電流最大時截斷，即I0=Im〔勵磁電流的峰值〕，U0=0，有ZT稱為變壓器的特性阻抗過電壓產(chǎn)生的過程〔3〕其它解決方法還有其它解決方法？方法比照。例題9-1某變壓器PN=31500kVA，UN=121kV，空載電流為IN的4%，對地電容為5000pF。計算切除空載變壓器的最大可能過電壓值。過電壓影響因素影響過電壓的因素斷路器性能：斷路器的截流能力越強，過電壓就越高。即I0max成為一個重要指標(biāo)觸頭分開過程中，電弧重燃可使變壓器能量向電源釋放，過電壓降低變壓器性能變壓器LT越大、CT越小，那么過電壓越高變壓器的相數(shù)、繞組連接方式、鐵芯結(jié)構(gòu)、中性點接地方式、斷口電容，以及連接線等過電壓限制措施限制過電壓的措施在斷路器的主觸頭上并高值電阻〔線性或非線性，數(shù)萬歐姆〕為何要兩個開關(guān)？注意分析，合閘和分閘的先后順序。先合電阻、再合主觸頭減小變壓器的特性阻抗：增大電容：改變繞組結(jié)構(gòu)、增加靜電屏蔽減小電感：鐵芯使用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)磁材料采用避雷器保護9.3空載線路合閘過電壓

根本狀況空載線路合閘操作分為：正常合閘與自動重合閘，二者起始條件不同，出現(xiàn)的過電壓幅值差異較大。其中三相重合閘產(chǎn)生的過電壓最嚴(yán)重。在超高壓和特高壓電網(wǎng)中，空載合閘已成為電網(wǎng)絕緣水平的決定性因素緣由：切除空載線路的過電壓曾經(jīng)是電網(wǎng)絕緣的決定性因素，隨著斷路器滅弧性能改善，切除空載線路的過電壓幅值已顯著降低。切空線過電壓最大過電壓只測到1.19倍而合空線最大過電壓達2.03倍正常合閘的過電壓〔1〕過渡過程中，電源通過L向CT充電?；芈钒l(fā)生高頻振蕩，角頻率為：根據(jù)等值電路〔b〕，建立微分方程組正常合閘的過電壓〔2〕設(shè)合閘時電源電壓為峰值初始條件：外加直流電源時，有：考慮交變電源，那么一般表達式為：

當(dāng)，依然有：在超高壓線路中，一般有，且線路很長有顯著的電容效應(yīng)，那么有最大電壓計及損耗，振蕩將是衰減的最大電壓仍近似為2Uφ自動重合閘過電壓模型與正常合閘時相同重合閘前，如果線路剩余電荷沒被泄放，那么相當(dāng)于電容CT上有起始電壓，通解為時，最大過電壓可達3計及回路損耗當(dāng)，依然有：為簡化計算，進行必要的近似工程上允許過電壓計算的通用公式空載線路合閘過電壓的本質(zhì)原因：電感、電容間電磁振蕩造成的振蕩電壓以穩(wěn)態(tài)電壓為軸，以穩(wěn)態(tài)值到起始值之差為振幅最大過電壓=2倍穩(wěn)態(tài)值-起始值

這是一個近似結(jié)果可以適用相似模型的各種情況應(yīng)熟練掌握不同合閘的過電壓大小綜合分析，單相重合閘過電壓最低，合閘次之，三相重合閘過電壓最高單相重合閘時，無不同期問題、耦合電壓低；暫態(tài)分量將通過一個損耗大、衰減快的零序回路。合閘：先合相過電壓將耦合到后合相，使之帶有一定初始值。三相重合閘：初始值最大。影響合閘過電壓的因素合閘相角：是一個隨機值，遵從統(tǒng)計規(guī)律。與斷路器合閘速度、合閘過程中的預(yù)擊穿特性有關(guān)。線路剩余電壓值：剩余電荷的極性、大小。合閘電源電壓為峰值且剩余電壓異極性時，過電壓最大線路側(cè)PT具有阻尼作用，可使線路電荷在重合前釋放，可降低過電壓回路損耗：線路電阻損耗、電暈損耗。另：斷路器的同期性、母線出線數(shù)、空載線路的電容效應(yīng)等限制合閘過電壓措施控制合閘相角?？刂坪祥l時電源電壓的角度，在兩端電位同極性時合閘國外已研制成功：檢測端口，在同電位瞬間合閘的斷路器在斷路器主觸頭上并聯(lián)合閘電阻R一般取值：400~1000歐姆，低值電阻為何要兩個開關(guān)？注意分析，合閘的先后順序。先合電阻、再合主觸頭電阻熱容量大，壽命有限，維修工作量大線路首末端裝設(shè)避雷器線路側(cè)PT，超高壓電網(wǎng)中并聯(lián)電抗器、靜止無功補償裝置〔削弱長線電容效應(yīng)〕9.2切除小電容負(fù)載過電壓

切除小電容負(fù)載過電壓產(chǎn)生機理常見操作：切除空載長線、電纜，斷開電容器組。過電壓的產(chǎn)生：在恢復(fù)電壓作用下，觸頭一次或?qū)掖沃厝?，產(chǎn)生過電壓斷路器觸頭別離后，電弧熄滅，觸頭兩極間存在兩個相互競爭的過程：電壓的上升&絕緣的恢復(fù)二者都和時間有關(guān)如果觸頭間電壓上升速度小于絕緣恢復(fù)速度，電弧就不重燃如果觸頭間恢復(fù)電壓上升速度超過了介質(zhì)強度的恢復(fù)速度，電弧就可能發(fā)生重燃，在線路上出現(xiàn)過電壓。如果斷路器滅弧能力越差，重燃概率越大，過電壓幅值就越高〔3倍以上〕且持續(xù)時間很長〔0.5－1個周期〕。220kV及以下系統(tǒng)絕緣水平考慮過電壓時，主要以切空線過電壓為依據(jù)切除小電容負(fù)載過電壓的產(chǎn)生〔1〕斷路器閉合時，因感抗<<容抗，電流呈現(xiàn)容性，故Uc約等于電源電壓忽略容升效應(yīng)觸頭分開時，電弧在工頻電流過零時熄滅，此時線路電壓U為最大值，設(shè)為+Um電弧熄滅后，電容電荷無處泄漏，使觸頭B和線路維持殘壓+Um半個周期后，觸頭A隨電源變?yōu)?Um，兩個觸頭間的恢復(fù)電壓為2UmU(t),Ls為電源電勢和電感LT,CT為線路電感和電容切除小電容負(fù)載過電壓的產(chǎn)生〔2〕如果觸頭不能耐受恢復(fù)電壓、發(fā)生復(fù)燃，將引起電磁振蕩，形成過電壓復(fù)燃后的電壓電流為高頻振蕩過程，振蕩頻率根據(jù)起始電壓為+Um，將具有的穩(wěn)態(tài)電壓為-Um，那么振蕩過程的最大過電壓〔瞬時值〕為：如果在高頻振蕩電流首次過零時，電弧熄滅，那么電容CT保持過電壓-3Um切除小電容負(fù)載過電壓的產(chǎn)生〔3〕如果電弧屢次重燃，那么電容〔線路〕電壓將按照+5，-7，+9變化電弧屢次重燃是切除空載線路產(chǎn)生危險過電壓的根本原因影響過電壓的因素實際過電壓沒有理論分析的嚴(yán)重。實測數(shù)據(jù)說明：超過3的過電壓概率很小電弧重燃時，電源電壓不一定是反極性的最大值重燃后的電弧不一定在高頻電流首次過零時熄滅，如第二次過零或工頻過零時熄滅，那么殘壓將小很多，且極性也可能相反。線路存在電暈及電阻等損耗影響過電壓的因素斷路器性能：觸頭的重燃次數(shù)。近年已大幅減少。電網(wǎng)中性點接地方式：中性點非有效接地方式中，三相斷路器不同期將使中性點發(fā)生偏移，使某相過電壓特別高一些，約高20%母線有多條出線時，過電壓較小：電弧重燃瞬間，電容電荷將分配給其他線路，降低起始電壓線路側(cè)裝有電磁式電壓互感器〔PT〕等設(shè)備，過電壓低：電容電荷有放電通道限制過電壓的措施采用不重燃斷路器：壓縮空氣斷路器、SF6斷路器等并聯(lián)分閘電阻R〔1000—3000歐〕。兩種接法分析兩個開關(guān)的動作先后順序線路首末端裝設(shè)避雷器9.4間歇電弧接地過電壓

根底知識我國中壓配電網(wǎng)主要是非有效接地單相接地是最主要故障形式單相接地故障點電弧電流大小與電弧的開展關(guān)系接地電流<5A時，電弧會迅速自行熄滅，電網(wǎng)即可恢復(fù)正常運行；接地電流較大〔30A以上〕時，一般形成持續(xù)性電弧接地；接地電流大于5A但小于30A時，將會出現(xiàn)間歇性電弧接地。間歇性電弧將引起電力系統(tǒng)狀態(tài)瞬息改變，導(dǎo)致線路電感電容產(chǎn)生電磁振蕩，在健全相和故障相均產(chǎn)生過電壓間歇電弧接地過電壓的分析過程故障點首次擊穿時的過電壓設(shè)定擊穿時刻：按最嚴(yán)重情況設(shè)計計算故障瞬間的初始值計算故障后的穩(wěn)態(tài)值計算過電壓：=2倍的穩(wěn)態(tài)值-初始值電流過零時滅弧后的對地電容上的剩余電荷分為：工頻電流過零熄滅、暫態(tài)電流過零熄滅故障點重燃后的過電壓按最嚴(yán)重情況設(shè)定重燃時刻計算重燃瞬間的初始值計算重燃后的穩(wěn)態(tài)值計算過電壓：=2倍的穩(wěn)態(tài)值-初始值故障點首次擊穿時的過電壓設(shè)故障相電壓峰值時〔t1〕發(fā)弧，發(fā)弧前瞬間三相電壓〔初始值〕為：發(fā)弧后瞬間三相電壓〔穩(wěn)態(tài)值〕：如何求得？發(fā)弧瞬間為高頻振蕩過程，健全相最大電壓為：熄弧后對地電容上的剩余電荷〔1〕設(shè)為工頻電流過零時熄滅。對于故障后的容性電流，工頻電流將在T/2后，即t2=t1+T/2時刻熄弧熄弧前瞬間三相電壓起始值為對于中性點不接地系統(tǒng)，熄弧后健全相對地電荷重新分配到三相中，使三相對地電荷及電位相等，那么中性點電壓：通過變壓器繞組實現(xiàn)電荷重新分配忽略重新分配時的暫態(tài)過程熄弧后對地電容上的剩余電荷〔2〕熄弧后瞬間，三相電壓分別為三相交流電壓與中性點電壓的疊加：正常三相交流電疊加一Um直流量在熄弧前后，各相電壓沒有突變，不產(chǎn)生高頻振蕩過程應(yīng)注意：三相電容正常運行時總電荷為0；接地后通過故障點注入不平衡電荷；熄弧后無泄漏通道，不平衡電荷將在三相間平均分布。熄弧后三相電壓變化電弧重燃時的過電壓熄弧后T/2，在t3=t2+T/2、故障相電壓峰值時刻，如再次發(fā)弧，那么再有過渡過程電弧重燃前，三相電壓起始值為電弧重燃后，三相新的穩(wěn)態(tài)電壓分別為與首次發(fā)弧后穩(wěn)態(tài)值相同電弧重燃過渡過程中，健全相最大電壓為：間歇性接地故障過電壓總體特點故障相不存在振蕩過程，最大過電壓為以此類推，每過半個周期發(fā)生一次熄弧和重燃，那么過程相同。如果高頻電流過零時熄滅，過電壓將比工頻電流熄弧時更嚴(yán)重高頻電流過零時，暫態(tài)電壓正處于最大值。熄弧后的電容電荷將更大。實際間歇電弧過電壓的特點：過電壓最大值比理論分析小。發(fā)弧、熄弧、重燃時刻具有隨機性，不一定在最大值時刻。相間電容，線路電阻損耗、電暈損耗等危害性很大：持續(xù)時間長、涉及范圍廣限制間歇性接地過電壓的措施過電壓的根本原因：中性點電位偏移。消除過電壓，應(yīng)改變中性點接地方式方法一：采用中性點有效接地方式。110kV及以上電網(wǎng)多采用有效接地增加線路跳閘率，對中壓電網(wǎng)不可取。方法二：中性點經(jīng)消弧線圈接地。補償接地電流，使故障點殘流減小，促使電弧自行熄滅，防止間歇性弧光出現(xiàn)消弧線圈的根本工作原理〔1〕消弧線圈是一電感線圈，提供電感電流補償線路對地電容電流。消弧線圈補償度〔調(diào)諧度〕：電感電流與電容電流之比脫諧度故障點電容電流（THPQiiii+++）10kV110kVTCCCLRLRLR消弧線圈消弧線圈電流（Qi）故障點消弧線圈的根本工作原理〔2〕欠補償：故障電流呈現(xiàn)容性。K<1，γ>0過補償：故障電流呈現(xiàn)感性。K>1，γ<0全補償：故障電流僅余電阻電流。K=1，γ=0弧線圈和電容處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，正常時易引起諧振，應(yīng)防止。為平安起見，一般采用過補償。脫諧度過大，補償效果不理想脫諧度過小，正常運行時易引起諧振消弧線圈可以降低間歇性接地過電壓作用機理：降低熄弧后線路電壓10kV110kVTCCCLRLRLR消弧線圈不接地系統(tǒng)消弧線圈接地系統(tǒng)正常故障熄弧后9.5諧振過電壓

諧振過電壓的產(chǎn)生機理諧振過電壓：由電容元件、電感元件、電阻元件構(gòu)成的帶阻尼的振蕩回路，在操作或故障鼓勵下，產(chǎn)生諧振過程，并引起嚴(yán)重的、持續(xù)時間很長的過電壓。電容元件：串聯(lián)、并聯(lián)補償電容器組，過電壓保護用的電容器電感元件：變壓器、發(fā)電機、消弧線圈、電動機、PT等屬于暫時過電壓，持續(xù)時間大于操作過電壓的持續(xù)時間〔0.1S〕。諧振類型電阻和電容元件均為線性，電感元件分：線性、非線性和周期性變化的特性線性諧振：線性電感、電容和電阻間?；芈冯娏髦饕呻娮铔Q定。限制過電壓的方法是增加回路阻尼〔電阻〕參數(shù)諧振：參數(shù)周期性變化的電感，與線性電容電阻間。所需能量由改變參數(shù)的原動機提供，參數(shù)變化從原動機吸收的能量大于回路損耗時，諧振將持續(xù)開展。理論上，諧振振幅將無限大。但一定程度后，電感進入飽和使回路自動偏離諧振條件，限制過電壓幅值。鐵磁諧振：含鐵芯的電感元件，與線性電容和電阻之間。由于鐵芯的飽和現(xiàn)象，電感不再是常數(shù)，而是電流或磁通的非線性函數(shù)。影響較為嚴(yán)重鐵磁諧振過電壓典型振蕩電路及其電感和電容的特性低電流區(qū)段，電感值大，電流為感性；高電流區(qū)段，電感值減小，電流為容性?；芈返墓ぷ鼽c共有三個：a1，a2，a3。分析：a1，a3為穩(wěn)定工作點，a2為不穩(wěn)定工作點。正常工作時，一般穩(wěn)定在a1工作點當(dāng)遭受巨大電流沖擊，那么可能由a1轉(zhuǎn)達a3工作點，伴隨諧振過程鐵磁諧振的特點及抑制措施鐵磁諧振的特點：必要條件：電感和電容的伏安特性必須相交有自激：參數(shù)均勻變化時產(chǎn)生諧振；他激：操作產(chǎn)生的暫態(tài)鼓勵產(chǎn)生諧振。鐵磁元件的非線性是鐵磁諧振的根本原因。但它的飽和特性有限制了過電壓的幅值。限制鐵磁諧振的措施：改善電磁式電壓互感器的激磁特性，或改用電容式電壓互感器在電壓互感器開口三角形繞組中接入阻尼電阻，或在電壓互感器一次繞組的中性點對地接入電阻增大對地電容，防止諧振〔10KV以下〕。裝設(shè)對地電容器，用電纜代替架空線等投入消弧線圈9.6工頻電壓升高

空載線路的電容效應(yīng)空載線路的電容效應(yīng)：當(dāng)XC>XL時，由于電容電流在電感上的電壓升作用，電容電壓將比電源電壓高。對于分布參數(shù)的線路，每一段dx上，都有同樣的效應(yīng)。對于有限大電源，有：線路末端電壓>線路首端電壓>電源電壓估算最嚴(yán)重的工頻電壓升高時，電源內(nèi)阻應(yīng)按最小運行方式取。屬于暫時過電壓不對稱短路引起的工頻電壓升高不對稱短路故障分為：單相接地，兩相接地并短路兩相接地短路故障概率較小，一般以單相接地故障為主健全相上工頻電壓升高的原因：長線的電容效應(yīng)，短路電流的零序分量作用對3~10kV中性點絕緣系統(tǒng)，零序阻抗為容性，健全相工頻電壓升高約為額定線電壓的1.1倍避雷器滅弧電壓按110%UN選擇，稱為110%避雷器中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，過補償狀態(tài)下，零序阻抗為感性、幅值大，健全相工頻電壓接近額定線電壓采用100%避雷器對中性點直接接地的系統(tǒng)，零序阻抗為感性、幅值較小，健全相工頻電壓升高約為額定線電壓的0.8倍采用80%避雷器對于330kV以上系統(tǒng)，線路距離長，由于電容效應(yīng)，線路末端可能超過80%UN

突然甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高機電暫態(tài)過程。而非電磁暫態(tài)過程。電壓升高的機理一：磁鏈?zhǔn)睾悖瑒畲爬@組磁通不變，感應(yīng)電流的去磁突變機理二：機械響應(yīng)慢，機械能大于輸出能，同時計及三個因素：長線電容效應(yīng)、單相接地、甩負(fù)荷，那么工頻電壓升高可達2倍相電壓限制工頻電壓升高的措施220kV以下電網(wǎng)，一般不需要采取特殊措施。330kV及以上系統(tǒng)那么需采取措施抑制措施：合理電網(wǎng)接線科學(xué)的操作程序正確設(shè)置并聯(lián)電抗器或采用新型靜止無功補償裝置我國規(guī)定：母線電壓升高不超過最高工頻相電壓的1.3倍，線路不超過1.4倍第十章

電力系統(tǒng)絕緣配合10.1絕緣配合的根本概念絕緣配合的根本任務(wù)、根本原那么和核心問題絕緣配合的根本任務(wù)：正確處理過電壓和絕緣這一矛盾，以到達優(yōu)質(zhì)、平安、經(jīng)濟供電的目的絕緣配合的根本原那么：綜合考慮電氣設(shè)備在系統(tǒng)中可能承受的各種作用電壓〔工作電壓和過電壓〕、保護裝置的特性和設(shè)備絕緣對電壓的耐受特性，合理確定設(shè)備必要的絕緣水平，使設(shè)備造價、維護費用和絕緣故障損失的總體效益最高。技術(shù)上：處理好各種作用電壓、限壓措施、設(shè)備絕緣耐受能力之間的相互配合關(guān)系經(jīng)濟上：協(xié)調(diào)投資、維護和事故損失三局部費用關(guān)系。核心問題：確定各種電氣設(shè)備的絕緣水平絕緣設(shè)計的首要前提設(shè)備所承受的電壓：運行電壓、工頻過電壓，雷電和操作過電壓試驗電壓分：短時工頻和長時間工頻試驗電壓、雷電沖擊試驗電壓目標(biāo)：作用電壓與絕緣強度的全伏秒特性配合絕緣配合中存在的問題〔1〕架空線路與變電所之間的絕緣配合早期，取輸電線路絕緣水平低于變電所設(shè)備絕緣水平線路絕緣自恢復(fù)，而變電所設(shè)備絕緣不可自恢復(fù)大多數(shù)過電壓源于輸電線路線路作為變電所設(shè)備的“避雷器”現(xiàn)在，輸電線路絕緣水平高于變電設(shè)備通過避雷器〔特別是MOA〕，變電所防雷水平大幅提高通過避雷器保護，可以降低變電所設(shè)備的絕緣水平通過線路將雷電波引入變電所避雷器，同時保護線路和設(shè)備但需要限制