《電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓概述》教案

《電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓概述》教案

《電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓概述》

一、教學目標

1.了解發(fā)、變電所雷電過電壓來源及危害：

2.了解發(fā)、變電所的直擊雷防護

3.掌握發(fā)、變電所的侵入波過電壓防護的主要措施。包括裝設(shè)避雷器和設(shè)置進線段。

二、教學重點

發(fā)、變電所的侵入波過電壓防護的主要措施。

三、教學難點

發(fā)、變電所的侵入波過電壓防護的主要措施。

四、教學內(nèi)容和要點

1.內(nèi)部過電壓的分類

1）內(nèi)部過電壓的定義

電力系統(tǒng)中由于斷路器操作、故障發(fā)生及消失或其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變

化，引起電網(wǎng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化或傳遞所造成的電壓升高。

2）內(nèi)部過電壓的特點

>過電壓的能景來源于系統(tǒng)本身，其幅值與系統(tǒng)標稱電壓成正比，用心表

征過電壓的高低

_內(nèi)過電壓幅值

”一系統(tǒng)最高運行相電壓幅值

>影響因數(shù)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中性點運行方式、元件的性能參數(shù)、故障性質(zhì)及操

作過程等。

>系統(tǒng)參數(shù)變化的原因是多種多樣的，因此內(nèi)部過電壓的幅值、振蕩頻率、

持續(xù)時訶不相同。

3）內(nèi)部過電壓的分類

>操作過電壓因操作或故障引起的暫態(tài)電壓升高。

>暫時過電壓暫態(tài)電壓后出現(xiàn)的持續(xù)時間較長的工頻電壓

升高或諧振現(xiàn)象，過電壓具有穩(wěn)態(tài)性質(zhì)。

?工頻過電壓在正?；蚬收蠒r出現(xiàn)幅值超過最大工作向電壓、頻率

為工頻或接近工頻的電壓升高，或稱工頻電壓升高。

＜諧振過電壓由于操作或故障使系統(tǒng)電感元件與電容元件參數(shù)匹配

時，發(fā)生諧振，產(chǎn)生過電壓。

［線性諧振

諧振過電壓鐵磁

［參數(shù)

暫“時…過電國—(resonance),

空載長線路的電容效應(yīng)

工頻電壓升司不對稱的接地故障

［甩負荷

內(nèi)部過電壓(PowerFrequencyVbltageRise)

(Temporary)

合空線

切空線

操作過電壓(0.1s以內(nèi)｛切空變

解列

［弧光接地

(Switching)

500kV.336km空載線路合閘過電壓倍數(shù)K隨時間的變化曲線

■合閘后0.1秒內(nèi)的電壓升高：是高幅值、強阻尼、高頻率的操作過電壓。

■0.1秒至1秒內(nèi)的電壓升高：是由于發(fā)電機的調(diào)壓裝置的惰性和線路的

電容效應(yīng)，稱為暫時工頻電壓升高。

■大于I秒后，發(fā)電機自動電壓調(diào)整器發(fā)生作用，電壓下降，2、3秒后,

系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，這時主要是長線路電容效應(yīng)引起的穩(wěn)態(tài)工頻電壓升

高。

2.工頻過電壓概述

1）工頻過電壓的定義

在正?；蚬收蠒r出現(xiàn)幅值超過最大工作向電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓

升高，或稱工頻電壓升高。

2）工頻過電壓的分類

按產(chǎn)生的原因分類有：

O空載長線路的電容效應(yīng)當首端的輸入阻抗為容性，計及電源內(nèi)阻

抗的影響（感性）時，不僅使線路末端電壓高于首端，而且使線路首、

末端電壓高廣電源電動勢。

O不對稱接地故障以單相接地故障最為常見，且引起的工頻電壓升

高也最嚴重。

令負荷突變斷路器跳閘前輸送負荷的大小、空載長線路的電容效應(yīng)、

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)及電壓調(diào)整器的特性、原動機調(diào)速器及制動設(shè)備的

惰性。

3）研究工頻過電壓的意義

>直接影響操作過電壓的幅值（前合閘案例）。

>持續(xù)時間長的工頻電壓升高仍可能危及設(shè)備的安全運行（油紙絕緣局放、

絕緣子污閃、電暈等）。

>在超高壓系統(tǒng)中，為降低電氣設(shè)備絕緣水平，不但要對工頻電壓升高的數(shù)

值予以限制,對持續(xù)時間也給予規(guī)定n

母線側(cè)1.3p.u.

線珞側(cè)1.4p.u.

5（N）kV空載變壓器1.3p.u.允許持續(xù)hnin

500kV并聯(lián)電抗器L4p.ii.允許持:續(xù)Imin

>決定避雷器額定電壓（滅弧電壓）的重要依據(jù)

■3、6、IOkV系統(tǒng)_L頻電壓升高可達系統(tǒng)最高運行線電壓的1.1倍，

避雷器的額定電壓（滅弧電壓）規(guī)定為系統(tǒng)最高運行線電壓的1.1

倍，稱為110%避雷器。例如10kV系統(tǒng)的最高運行線電壓按1.15Ue

考慮，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）為12.7kV。

■35?60kV系統(tǒng)，工頻電壓升高可達系統(tǒng)的最高運行線電壓，避雷器

的額定電壓（滅弧電壓）規(guī)定為系統(tǒng)最高運行電壓的100%,稱為

100%避雷器。例如35kV閥型避雷器的額定電壓（火弧電壓）為41kVo

■110、220kV系統(tǒng)，工頻電壓升高可達系統(tǒng)最高電壓的（）.8倍，避雷

器的額定電壓（滅弧電壓）則按系統(tǒng)最高電壓的80%確定，稱為80%

避雷器。例如：FZ-110J的滅弧電壓為100kV。

■330kV及以上系統(tǒng)，輸送距離較長，計及長線路的電容效應(yīng)時，線

路末端工頻電壓升高可能超過系統(tǒng)最高電壓的80%,則根據(jù)安裝位

置的不同分為：電站型避宙器（即80%避雷器）及線路型避雷器（印

90%避雷器）兩種.

4）工頻過電壓的限制措施

裝設(shè)并聯(lián)電抗器：電抗器的感性無功功率部分地補償了線路的容性無功功率。

>可同時驛低線路首端及末端的工頻電壓升高。

>選擇合適的電抗器容量和位置來控制工頻電壓升高在允許范圍內(nèi)。

3.諧振過電壓概述

1）諧振過電壓特點及分類

>當系統(tǒng)進行操作或發(fā)生故障時，電感、電容元件可形成各種振蕩回蹄，如

某一自由振蕩頻率等于外加強迫頻率，發(fā)生諧振，系統(tǒng)元件上出現(xiàn)過電壓。

電感元件：電力變壓器、互感瑞、發(fā)甩機、消弧線圈、電抗器、線路導

線電感等。

電容元件：線路導線對地和相間電容、補償用的并聯(lián)和串聯(lián)電容淵組、

高壓設(shè)備的雜散電容等.

>諧振是一種周期性或準周期性的運行狀態(tài)，直到破壞諧振的條件出現(xiàn)。

>諧振過電壓的嚴重性既取決于它的幅值，也取決于它的持續(xù)時間。

■諧振過電壓危及電氣設(shè)備的絕緣。

■持續(xù)的過電流燒毀小容量的電感元件，還影響保護裝置的工作條件,

如避雷器的滅弧條件。

>系統(tǒng)中的有功負荷是阻尼振蕩和限制諧振過電壓的有利因素。

>對應(yīng)三種電感參數(shù)，在一定的電容參數(shù)和其他條件的配合下，可能產(chǎn)生三

種不同性質(zhì)的諧振現(xiàn)象。

線性電感線性諧振

非線性電感鐵磁諧振

盾期性變化的電感參數(shù)諧振

2）線性諧振

>諧振【可路由不帶鐵芯的電感元件（如輸電線路的電感、變壓器的漏感）或

勵磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件（如消弧線圈，其鐵芯中有氣隙）

和系統(tǒng)+?的電容元件所組成。在正弦電源作用下，系統(tǒng)自振頻率與電源頻

率相等或接近時，可能產(chǎn)生線性諧振。

>消弧線圈補償電網(wǎng)：消弧線圈與導線對地電容串聯(lián)諧振，或接近諧振，中

性點出現(xiàn)危險的過電壓

>超高壓電網(wǎng)：

線路末端接并聯(lián)電抗器首端斷路器非全相操作

C,斷開相（A相）有工頻電容傳遞

'n過電壓（相間電容的耦合作用）

----------1ICBA、CCA與人構(gòu)成串聯(lián)諧振回

I"------------------------路’參數(shù)配合不當時在斷開相出

"1人現(xiàn)較高的工頻諧振過電壓

3）非線性諧振（鐵磁諧振）

>諧振回珞由帶鐵芯的電感元件（如空載變壓器、電壓互感器）和系統(tǒng)的電

容元件組成。因為鐵芯電感元件的飽和現(xiàn)象，使回路的電感參數(shù)是非線性

的，在滿足一定諧振條件時，會產(chǎn)生鐵磁諧振，并有許多特有的性質(zhì)。

>斷線引起的鐵磁諧振過電壓

斷線后非全相運行，可能組成多種串聯(lián)諧振回路，回路中的電感可

以是電網(wǎng)中空載或輕載運行的負載變壓器的勵磁電感以及消弧線圈的電

感，回路中的電容可以是導線對地和相間的部分電容，電感線圈對地雜

散電容。

>電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓

電網(wǎng)出現(xiàn)某些擾動，如電壓互感器的突然合閘、瞬間單相弧光接地

使健全相電壓突升全線電壓、故障相愛地消失時可能有電壓的突然上升，

在這些暫態(tài)中的涌流使電壓互感器三相電感飽和，且飽和程度不同，電

網(wǎng)三相對地阻抗明顯不同，此時與設(shè)備電容或?qū)Φ仉娙輼?gòu)成諧振回路，

可能激發(fā)起各種諧波諧振。

>傳遞過電壓

當系統(tǒng)中發(fā)生不對稱接地故障或斷路器不同期操作時，可能出現(xiàn)明

顯的零序工頻電壓，通過靜電和電磁耦合在相鄰輸電線路之間或變壓器

繞組之間產(chǎn)生工頻傳遞現(xiàn)象。

若與接在電源中性點的消弧線圈或電壓互感器等鐵磁元件組成諧振

回路，還可能產(chǎn)生線性諧振或鐵磁諧振傳遞過電壓。

＞鐵磁諧振的特點

■相位反傾現(xiàn)象：回路電流由電感性突變?yōu)殡娙菪浴?/p>

■外激發(fā)現(xiàn)象：需要經(jīng)過過渡過程建立起諧振，維持很長時間不會衰

減。如系統(tǒng)的突然合閘、發(fā)生故障以及故障的消除等，這些可造成

鐵芯電感兩端的短時電壓升高、大電流的振蕩過程或電感中的涌流

現(xiàn)象。

■自激現(xiàn)象：沒有外界的“沖擊擾動”，工作在諧振狀態(tài)。

4）參數(shù)諧振

諧振回路由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件（如凸極發(fā)電機的同

步電抗在Xd~Xq的周期性變化）和系統(tǒng)的電容元件（如空載長線）組成

回路，當參數(shù)配合時，通過電感的周期變化，不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量，

將會造成參數(shù)諧振過電壓

4.操作過電壓概述

1）操作過電壓發(fā)生在由于“操作”引起的過渡過程

“操作”：分、合閘空載線路

分、合閘空載變壓器、電抗器

各類故障，例如接地故障、斷線故障等

系統(tǒng)的運行狀況發(fā)生突然變化，導致系統(tǒng)內(nèi)部電感元件和電容元件之間

電磁能量的互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換常常是強，且尼的、振蕩性的過渡過程。

2）特點,與工頻電壓升高和諧振過電壓相比：

過電壓幅值高

強阻尼、高振蕩性

持續(xù)時間短（幾個到幾十個亳秒）

操作過電壓的幅值和持續(xù)時間與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、斷路器性能、系統(tǒng)

接線、操作類型等因素有關(guān)，其中很多因素具有隨機性，因此過電壓幅

值和持續(xù)時間也具有統(tǒng)計性

3）決定電力系統(tǒng)絕緣水平的依據(jù)之一

對丁電壓等級低些的系統(tǒng)，操作過電壓雖不是決定絕緣水平的因素,

但常因間隙電弧過電壓等引起事故

隨著系統(tǒng)電壓的提高，操作過電壓的問題就突出出來，若不采取限壓措

施，將導致設(shè)備絕緣費用的迅速增加，因此330kV及以上超高壓、特高

壓系統(tǒng)操作過電壓及其限制措施的研究就非常重要

4）規(guī)程規(guī)定選擇絕緣時計算用操作過電壓倍數(shù)

>相對地絕緣

系統(tǒng)過電壓倍數(shù)

35yokV及以下系統(tǒng)（非直接接地）4.0

110~154kV系統(tǒng)（非直接接地）3.5

110~220kV系統(tǒng)（直接接地）3.0

330kV系統(tǒng)（直接接地）2.75

500kV系統(tǒng)（直接接地）2.0或2.2

>相間絕緣

35~22（）kV的相間操作過電壓可取相對地的1.3~1.4倍；

330kV的相間操作過電壓可取相對地的1.4~1.45倍；

500kV的相間操作過電壓可取相對地的1.5倍。

5）采取必要措施將操作過電壓限制在規(guī)定水平以下

>線路上裝設(shè)并聯(lián)電抗器，限制工頻電升高

>改進斷路器性能，采用帶有并聯(lián)電阻的斷路器

>采用金屬氧化物避雷器限制操作過電壓

6）操作過電壓類型

>間歇電孤接地過電壓

>空載變壓器分閘過電壓（開斷電感性負載，還包括電抗器、高壓電動機

等）

>空載線路分閘過電壓（開斷電容性負載，還包括電容器組等）

>空載線路合閘過電壓（包括計劃性、重合閘）

>解列過電壓

5.內(nèi)部過電壓案例

---切空線操作過電壓

1)原因是分閘過程中觸頭間電弧重燃現(xiàn)象所引起的

2)過電壓產(chǎn)生、發(fā)展過程

開斷空載線路等值電路

L1：電源等值漏感

L2：線路電感

C1：母線側(cè)對地電容

C2：線路電容

e(t)：電源電勢e(t)=Emcos(69/+%)

——?coL

coC

h：第一次熄?。旱谝淮沃厝?/p>

6：第二次熄弧/4：第二次重燃t5：第三次熄弧

切空線過電壓發(fā)展過程

>斷路器的工頻電流(容性電流)，過零電弧熄滅，此時電容C上的電壓為

最大值=Eltl

>不考慮線路上殘余電荷泄漏，斷路器觸頭間恢復(fù)電壓“⑺為:

%S=e(t)-Em=Em[cos(at+90°)-1]

>經(jīng)過半個周期，恢復(fù)電壓達到最大值(2E〃)。如果斷路器斷口處介質(zhì)強

度恢復(fù)很快，電弧從此弧滅，分閘過程結(jié)束，不會產(chǎn)生過電壓，否則可能

重燃。

>按最嚴重情況考慮：當恢復(fù)電壓達2&時重燃,是一個初始值為Uc（O）=-Em

的重合閘過程，過電壓達到3E”

>重燃后，伴隨高頻振蕩電壓的出現(xiàn)，回路中流過容性的高頻電流，當a

達到3Em時，高頻容性電流恰好過零。電弧可能再次熄滅，電容。上將

留有數(shù)值為3￡m的殘壓

>再過半個周波，此時4Emo重燃后，過電壓可達-5Em（-2&-3以）

>依次類推，每隔半個工頻周期就重燃一次和熄弧一次，過電壓將按7反?,

-9Em……逐次增加，直到觸頭間已有足夠的絕緣強度，電弧不再重燃為止。

3）主要影響因素

>斷路器的性能

自能式斷路器（如多油斷路器和老式的少油斷路器）開斷小電流時，

滅弧室壓力低，熄弧后介質(zhì)強度恢復(fù)慢，易發(fā)生多次重燃（6~7次〕?；?/p>

復(fù)電壓低時重燃過電壓低，但重燃次數(shù)多增加了高幅值過電壓出現(xiàn)的可

能性。

>斷路器觸頭重燃、熄弧具有明顯的隨機性

分閘時，不一定每次都重燃，即使重燃也不一定在電源到達最大值

并與線路殘壓極性相反時發(fā)生。如果重燃提前發(fā)生，振蕩振幅和相應(yīng)的

過電壓隨之降低，當重燃在斷弧后的1/4工頻周期內(nèi)產(chǎn)生，則不會引起過

電壓。

熄弧不一定在高頻電流第一次過零時發(fā)生，在第二次過零或更后的

時間才被切斷，線路上殘余電壓大大降低，斷路器觸頭間的恢復(fù)電壓和

重燃過電壓都大大減小。

4）限制措施

>改進斷路器結(jié)構(gòu)

切除電容負載時產(chǎn)生過電壓的根本原因是斷路器的重燃，改進斷路

器結(jié)構(gòu)，提高觸頭間介質(zhì)強度的恢復(fù)速度，避免重燃，可從根本上消除

這種過電壓

采用外能式方法滅?。ú捎肧F6,壓縮空氣，帶壓油活塞的少油斷

路器），切除空載線時可做到不重燃，老式的少油斷路器或多油斷路器還

存在重燃

＞裝分閘并聯(lián)電阻

E(t)DL1

■先斷主觸頭DLL將R串入回路：一是泄放殘余電荷，二是降低觸

頭間電壓，此過程希望A值小

■經(jīng)1.5~2周波，再斷開輔