电气工程基础(第十一章)

1、主讲主讲: 吴吴 军军 Tel:Email:电气工程基础（下册）电气工程基础（下册） 第第11章章 电力系统内部过电压电力系统内部过电压 11.1 概述概述 11.2 操作过电压操作过电压 11.3 谐振过电压谐振过电压 11.4 电压互感器饱和过电压电压互感器饱和过电压11 电力系统内部过电压电力系统内部过电压 主要内容及重难点主要内容及重难点 主要内容：了解过电压的含义及分类、掌握产生各种内主要内容：了解过电压的含义及分类、掌握产生各种内部过电压的根本原因、物理过程及其影响因素和限制措部过电压的根本原因、物理过程及其影响因素和限制措施施 ； 重点：几种操作过电压的

2、形成过程；铁磁谐振过电压的重点：几种操作过电压的形成过程；铁磁谐振过电压的基本性质基本性质 ； 难点：断线谐振过电压简化等值电路的分析难点：断线谐振过电压简化等值电路的分析 。11.1 概述概述 过电压倍数过电压：超过正常运行的电压并使电力系统绝缘过电压：超过正常运行的电压并使电力系统绝缘或保护设备损坏的电压升高。或保护设备损坏的电压升高。最大工作电压最大工作电压 U m = Un (1+515%)例如：Un =110 kVUm=110 (1+15%)=127kV过电压倍数过电压倍数K =过电压幅值过电压幅值/最高运行相电压的幅值最高运行相电压的幅值 K 值与值与电网结构电网结构、系统容量系统

3、容量和和参数参数、中性点接地方式中性点接地方式、断路器性能断路器性能、母线上的出线数目母线上的出线数目、电网的运行接线电网的运行接线和和操作方操作方式式等有关。等有关。1.雷电过电压：雷电过电压：雷云中大量雷电荷倾注于电力系统而形成11.1 概述概述 过电压的分类2.内部过电压：内部过电压：由于电力系统内部能量的转化或传递引起的（操作或故障）（1）操作过电压：因操作或故障引起的暂态电压升高；（2）谐振过电压：因系统的电感、电容参数配合不当，出现的各种持续时间很长的谐振现象及其电压升高内部过电压内部过电压操作过电压操作过电压切空线切空线合空线合空线切空变切空变电弧接地电弧接地谐振过电压谐振过电压

4、线性谐振线性谐振铁磁谐振铁磁谐振参数谐振参数谐振空长线的电容效应空长线的电容效应不对称短路引起的不对称短路引起的工频电压升高工频电压升高突然甩负荷引起的突然甩负荷引起的工频电压升高工频电压升高传递过电压传递过电压消弧线圈补偿电网消弧线圈补偿电网中的线性共振现象中的线性共振现象断线断线互感器饱和互感器饱和非全相拉合闸非全相拉合闸11.1 概述概述 过电压的分类11.2 操作过电压操作过电压 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压1. 切空变的等值电路切空变的等值电路变压器励磁电感变压器励磁电感绕组对地电容绕组对地电容与断路器灭弧能力过强有关与断路器灭弧能力过强有关励磁电流励磁电流I0( (

5、小电流小电流 几安到十几安几安到十几安) )eIII%00额定电流额定电流exgxgeeUPUUII333三相功率三相功率额定线电压额定线电压例: 35 kV变压器 P=10MVA I0%=4%eUPI3%I00 A58. 610353101004. 03611.2 操作过电压操作过电压 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压2. 切空变过电压的形成切空变过电压的形成截流：截流：电流在自然过零前的某一瞬间强行被截断电流在自然过零前的某一瞬间强行被截断11.2 操作过电压操作过电压 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压3. 过电压的大小过电压的大小截流时的总能量截流时的总能量202

6、02121UCILWBB全部转换为静电电能全部转换为静电电能20202212121UCILUCBBBmB2020UICLUBBBm时mII 0BBmmBCLIU11.2 操作过电压操作过电压 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压00U时mII 03. 过电压的大小过电压的大小电感中的电流：电感中的电流：tIimL0cos电容上的电压：电容上的电压：tCLIuBBmC0sinBBCL1011.2 操作过电压操作过电压 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压电流在幅值截断后，如不计衰减：电流在幅值截断后，如不计衰减： 因此，截流过电压的大小与因此，截流过电压的大小与变压器励磁电流变压

7、器励磁电流的大小以的大小以及及变压器绕组电容变压器绕组电容的大小有关。的大小有关。4. 影响因素影响因素 断路器的性能：断路器的性能：灭弧性能好，灭弧性能好，Um 电容电容C的的影响：影响：空变带长线，空变带长线，C U m 电感电感L的影的影响响( (铁芯材料铁芯材料) )， 新式新式: :冷轧硅钢片，冷轧硅钢片，I0 Um 老式老式: :热轧硅钢片，热轧硅钢片，I0 Um 因此，用用熄弧性能好的熄弧性能好的开关去切开关去切不带线路不带线路的的老式老式变压器变压器才会有切空变过电压的危害才会有切空变过电压的危害11.2 操作过电压操作过电压 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压5.

8、限制措施限制措施用避雷器保护用避雷器保护( (注意接法注意接法) )11.2 操作过电压操作过电压 空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压1. 关合空载长线关合空载长线11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压直流电压作用在直流电压作用在LC 回路上回路上tiCtiLEd1ddC2C2ddutuLCE11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压1. 关合空载长线关合空载长线当 时)cos1 (0CtEu11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压1. 关合空载长线关合空载长线fLC1000C

9、u过电压过电压 = 稳态值稳态值 + 振幅振幅 = 稳态值稳态值 + (稳态值稳态值 初始值初始值) = 2 稳态值稳态值 初始值初始值11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压结论：结论：1.当不计及长线电容效应，长线电容上出现的最大过电压为电源当不计及长线电容效应，长线电容上出现的最大过电压为电源电压电压E的的2倍；倍；2.只要回路中存在电阻只要回路中存在电阻R ,电源电压最终一定衰减到电源电压最终一定衰减到稳态值稳态值电源电压电源电压E；3.当当Uc00时，由于电感电压叠加到电容电压上（即考虑电容效时，由于电感电压叠加到电容电压上（即考虑电容效应应)，过

10、电压将大于，过电压将大于2E。)2(CLR 1. 关合空载长线关合空载长线设o90时合闸o0mEB0点由00 点由BmcmEU2无过电压 计划性合闸最大过电压为计划性合闸最大过电压为2Em11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压1. 关合空载长线关合空载长线（1）计划性合闸）计划性合闸(线路上无剩余电荷线路上无剩余电荷)设时合闸假设假设A 相相 开断开断时时 Ub = -Em 重合时重合时 Ua = +Em mmmmEEEU3)(2 重合闸过电压最大值为重合闸过电压最大值为3Em11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压1.

11、 关合空载长线关合空载长线（2）故障性合闸故障性合闸 (重合闸重合闸)电源电感电源电感长线的总电容长线的总电容2. 开断空载长线（开断电容性负载）开断空载长线（开断电容性负载）11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压最严重情况：过电压按照最严重情况：过电压按照-3Em，5Em，-7Em逐次振荡增加逐次振荡增加2. 开断空载长线（开断电容性负载）开断空载长线（开断电容性负载）影响因素影响因素（1）重燃的随机性）重燃的随机性一般：重燃次数多，过电压高一般：重燃次数多，过电压高同时，重燃发

12、生在同时，重燃发生在1/4工工频周期以内并不引起过电压频周期以内并不引起过电压课后问题：为什么重燃发生在课后问题：为什么重燃发生在1/4工工频周期以内并不引起过电压？频周期以内并不引起过电压？（2）熄）熄弧的随机性弧的随机性11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压2. 开断空载长线（开断电容性负载）开断空载长线（开断电容性负载）电弧不一定在高频电流第一次过零点时熄灭电弧不一定在高频电流第一次过零点时熄灭（3）线路上的电晕及电阻等损耗）线路上的电晕及电阻等损耗中性点不接地系统：不超过中性点不接地系统：不超过3.54倍（中性点偏移）；倍（中性点偏移）；中性点接地

13、系统：不超过中性点接地系统：不超过3倍（中性点接地，三相回路形成倍（中性点接地，三相回路形成独立回路）独立回路）3. 重合空载长线：母重合空载长线：母线上有其他出线线上有其他出线设设: :21ll 2211CC 分析重合闸分析重合闸-Em时，时，K断开断开， l1 1上残余电荷上残余电荷在在Em时合闸时合闸， C22上储存电荷上储存电荷11CEm22CEm11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压合闸后：合闸后： C11与与C22并联并联合闸瞬间：合闸瞬间： C11 ， C22上电荷重新分配上电荷重新分配022112211cccEcEumml1 1上起始电压上

14、起始电压为为 0，而而不是不是 - Em 过电压为过电压为 2Em，而不是，而不是 3Em11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过电压操作空载长线路的过电压3. 重合空载长线：母重合空载长线：母线上有其他出线线上有其他出线4. 操作操作过电压倍数（线路绝缘设计过电压倍数（线路绝缘设计）（1）相对地绝缘相对地绝缘（2）相间绝缘）相间绝缘 35220 kV 对地操作过电压的对地操作过电压的1.31.4倍；倍； 330kV 对地操作过电压的对地操作过电压的1.41.45倍；倍； 500 kV 对地操作过电压的对地操作过电压的1.5倍。倍。 11.2 操作过电压操作过电压 操作空载长线路的过

15、电压操作空载长线路的过电压3566 kV 以下（电网中性点经消弧线圈接地或不接地以下（电网中性点经消弧线圈接地或不接地) 4.0110154 kV（电网中性点经消弧线圈接地（电网中性点经消弧线圈接地 ） 3.5110220kV（电网中性点直接接地）（电网中性点直接接地） 3.0330kV（电网中性点直接接地）（电网中性点直接接地） 2.75500 kV （电网中性点直接接地）（电网中性点直接接地） 20 改善改善开关熄弧性能开关熄弧性能 无重燃无重燃 无过电压无过电压目前断路器己可基本消除重燃现象目前断路器己可基本消除重燃现象线路设计中可不考虑切空线过电压220kV及以下及以下: 不需要采用限

16、制重合空闸过电压的不需要采用限制重合空闸过电压的措施措施330 kV 以上以上: 断路器断口加并联电阻断路器断口加并联电阻11.2 操作过电压操作过电压 空载长线操作过电压的限制措施空载长线操作过电压的限制措施Rb 限制合空线过电压的作用限制合空线过电压的作用断路器断口并联电阻原理断路器断口并联电阻原理主触头主触头辅助触头辅助触头合闸合闸: : 先合先合D2 接入 Rb 阻尼振荡,约约715ms后后,再合再合D1 短接短接 RbRb=400 1200Rb 限制切空线过电压的作用限制切空线过电压的作用分闸分闸: : 先分先分D1Rb 接入，流过残余电荷接入，流过残余电荷Rb两端电压两端电压URb

17、即为主断口即为主断口D1上的恢复电压上的恢复电压一般不重燃11.2 操作过电压操作过电压 空载长线操作过电压的限制措施空载长线操作过电压的限制措施1.产生切空变过电压的根本原因是截流；可以用普通阀式避雷器来限制。3.产生切空线过电压的根本原因是开关电弧重燃；4.开关并联电阻可以限制切、合空线过电压。11.2 操作过电压操作过电压 小结小结2.产生合空线过电压的根本原因是：稳态值与起始值有电位差，以及LC震荡；11.2 操作过电压操作过电压 电弧接地过电压电弧接地过电压1. 过电压的产生过电压的产生( (发生在中性点不接地系统发生在中性点不接地系统) )2. 过电压的形成过电压的形成 (工频熄弧

18、理论工频熄弧理论)11.2 操作过电压操作过电压 电弧接地过电压电弧接地过电压时0tA相接地B(C)相5 . 15 . 0过电压2.5时1tt A相工频电流过零,电弧熄灭A相:1) 1(0B(C)相:5 . 0) 1(5 . 1时2tt A相电压达2Uxg第一次重燃B(C)相:5 . 15 . 0过电压3.511.2 操作过电压操作过电压 电弧接地过电压电弧接地过电压3. 影响因素影响因素 重燃和熄弧的随机性重燃和熄弧的随机性 振荡有阻尼振荡有阻尼, ,残余电荷有泄漏残余电荷有泄漏 相间电容的影响相间电容的影响第一次重燃时: B相相:C0与与C12并联并联,电荷重新分配电荷重新分配120120

19、5 . 15 . 0CCCUCUxgxgxgxgUU1 . 01415 . 145 . 03560kV C04C12B相初始值1 . 05 . 0过电压下降11.2 操作过电压操作过电压 电弧接地过电压电弧接地过电压4.实测过电压的大小和危害性实测过电压的大小和危害性xgmUU5 . 3一般小于一般小于xgU3而中性点不接地系统绝缘水平为而中性点不接地系统绝缘水平为xgU4危害性不大危害性不大( (其持续时间较长对老设备有危害其持续时间较长对老设备有危害)5.限制措施限制措施（1） 加强绝缘监督加强绝缘监督（2） 分网运行分网运行（3）利用改善功率因数的电容器组）利用改善功率因数的电容器组(接

20、于线间接于线间)（4） 加装消弧线圈加装消弧线圈11.2 操作过电压操作过电压 电弧接地过电压电弧接地过电压补偿电容电流补偿电容电流降低弧道恢复电压升高速度降低弧道恢复电压升高速度 保证熄弧保证熄弧11.2 操作过电压操作过电压 电弧接地过电压电弧接地过电压11.3 谐振过电压谐振过电压 相关定义相关定义谐振：谐振：系统中电感、电容元件形成的多种频率的振荡回路中系统中电感、电容元件形成的多种频率的振荡回路中, ,当外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振当外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振荡频率时，出现的周期性或准周期性的谐振现象。荡频率时，出现的周期性或准周期性的谐振现象。性质

21、：性质：稳态稳态危害：危害： 幅值的大小及持续时间的长短幅值的大小及持续时间的长短 持续过电流烧毁小容量电感原件（如电压互感器）持续过电流烧毁小容量电感原件（如电压互感器）系统元件系统元件 R L C 变压器的漏感，线路电感变压器的漏感，线路电感 线性线性, ,自振频率与电源频率相等或自振频率与电源频率相等或接近时造成接近时造成线性谐振；线性谐振； 变压器的励磁电抗变压器的励磁电抗 受铁心饱和影响，电感参数非线性，满足受铁心饱和影响，电感参数非线性，满足一定条件时，造成一定条件时，造成铁磁谐振；铁磁谐振； 水轮发电机（凸极机水轮发电机（凸极机)正常工作时的同步电抗正常工作时的同步电抗 XdXq

22、间周期性变间周期性变化，与空载长线电容构成谐振回路，造成化，与空载长线电容构成谐振回路，造成参数谐振。参数谐振。11.3 谐振过电压谐振过电压 相关定义相关定义 一般认为电阻与电感为线性元件)/1j(jCLEI) 1/( j202CE11.3 谐振过电压谐振过电压 线性谐振过电压线性谐振过电压) 1/(1) 1/(202202CECjjCEU)/(1/) 1/(202202202LELjjCEU当当CL/1即即0时，时，ICL,UU特点：特点：1.非谐振非谐振点上也有过电压点上也有过电压2.过电压受电阻过电压受电阻R限制限制3.过电压值随参数连续变化过电压值随参数连续变化11.3 谐振过电压谐

23、振过电压 线性谐振过电压线性谐振过电压LR220220222024)1 (EUCLCR201.铁磁谐振的一般特性（忽略回路电阻）铁磁谐振的一般特性（忽略回路电阻）UUUE|CL11.3 谐振过电压谐振过电压 铁磁谐振过电压铁磁谐振过电压铁磁谐振的特性铁磁谐振的特性（1）谐振参数是一个范围谐振参数是一个范围CL10（2）在一般情况下，谐振需要外界在一般情况下，谐振需要外界“激发激发”（3）C值太大时，出现谐振的可能性减小值太大时，出现谐振的可能性减小（4）过电压主要受电感非线性特性的限制）过电压主要受电感非线性特性的限制(小于电源电压的三倍小于电源电压的三倍) 但电流却可能很大但电流却可能很大（

24、5）谐振状态能自保持）谐振状态能自保持11.3 谐振过电压谐振过电压 铁磁谐振过电压铁磁谐振过电压（6）从感性到容性是从感性到容性是“突变突变”， 电压、电流要电压、电流要“翻相翻相”小型电动机反转小型电动机反转（7）在工频电压作用下，回路中可能出现谐波谐振在工频电压作用下，回路中可能出现谐波谐振条件：条件：CKLK10即：即：0K1K21K2K、3、5、3151基频谐振基频谐振分频谐振分频谐振高频谐振高频谐振11.3 谐振过电压谐振过电压 铁磁谐振过电压铁磁谐振过电压22)()(IRUUUCL11.3 谐振过电压谐振过电压 铁磁谐振过电压铁磁谐振过电压2.铁磁谐振的一般特性（计入电阻铁磁谐振

25、的一般特性（计入电阻R）断线是泛指：导线断落、断路器非全相动作 严重不同期操作、熔断器单相或两相熔断 造成的非全相运行谐振参数： 线路电容(相间，对地) 空载（轻载）变压器的励磁电感 消弧线圈电感分析方法：根据具体情况用等效发电机原理把三相电路化为等值单相回路来分析11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压简化1）电源侧12C 去掉去掉去掉2）负载侧 11C被短接11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压确定打开点：以 为负荷、其余部分作电源11C12111CCC1）求等值电源电势即D，F间电压值C

26、CCE.U5111.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压第一次简化单相等值回路11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压第二次简化单相等值回路25 . 111111CCCEEC2111CCCBLL5 . 111.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压第二次简化单相等值回路25 . 111111CCCEEC2111CCCBLL5 . 1 铁磁谐振条件:CL1即:)2(15 . 1111BCCL11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压11C愈大，愈易满足谐振条件即负载

27、端断线，负载侧接地最易谐振lCCC01111012C11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压当导线在紧靠受电变电站附近断线时：铁磁谐振条件:121C)2(15 . 1111BCCL11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压121C)2(15 . 1111BCCLNNB%PIUL021112111CCCClCCC01111产生谐振的线路长度2003NNUC%PI2005 . 4NNUC%PIl11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压例：线路额定电压 kVUN10励磁电流百分数受电变压器容量导线单位长度对地电容求产生谐振的线路长度kVAPN

28、100%I5 .30kmPFC/5000011.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压解：2003NNUC%PI2005 .4NNUC%PIl)(5)1010(1050003145 .410100035.023123kmllkm23123)1010(105000314310100035.0)(5 .7kmlkm55 .7即时，可能产生断线谐振过电压11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压危害性：危害性：1) 危及保护分级绝缘变压器中性点的避雷器2) 传递过电压，危及低压侧设备绝缘3) 可能使低压侧翻相小型电动机反转11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电

29、压断线谐振过电压限制措施：限制措施：1）预防和避免发生断线：加强巡视,注意压接管处2）断路器的维修质量：不同期度三相不大于10ms少用熔断器（35kV及以下用）3）不要将空载变压器长期挂在线路上4）若断路器操作后有异常现象，可立即复原并进行检查 11.3 谐振过电压谐振过电压 断线谐振过电压断线谐振过电压11.4 电压互感器饱和过电压电压互感器饱和过电压 中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压定义：在中性点不接地的635kV配电网络中，由于电压互感器饱和而产生的内部过电压。主要表现：（1）两相（基波）或三相（谐波时）的对地电压升高；（2）分谐波时,相电

30、压以每秒一次的低频摆动；（3）高次谐波时，引起绝缘破坏或避雷器爆炸；（4）虚幻接地现象；（5）电压互感器过电流，导致熔丝熔断或电压互感器烧坏。11.4 电压互感器饱和过电压电压互感器饱和过电压 中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压性质： 零序性质1. 工频过电压中性点位移电压0UCBACCBBAAYYYYEYEYEU011.4 电压互感器饱和过电压电压互感器饱和过电压 中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压未饱和时:CLXX /呈容性其值为： C饱和时:CLXX /呈感性其值为： L设：B，C相饱和 A相未饱

31、和LYY1jCBCYjALCLCELCEELECU2)1(2jj)(1jjACBA011.4 电压互感器饱和过电压电压互感器饱和过电压 中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压?0U设：AEU 00CBAIII不能平衡设：AEU 0两相高 (饱和相)一相低 (未饱和相)虚幻接地现象11.4 电压互感器饱和过电压电压互感器饱和过电压 中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压2.谐波谐振过电压谐波谐振过电压 谐波源:非线性元件 谐振条件:CKLKB1 特点1) 三相对地电压同时升高三相对地电压同时升高 高频：电压较高，指示稳定 分频：指针摆动2) 可自保持，也可持续一段时间后自行消失可自保持，也可持续一段时间后自行消失11.4 电压互感器饱和过电压电压互