电力系统过电压研究新进展(2013博士班讲座)

1、P 1武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 电力系统过电压研究新进展P 2武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 目 录1、 概 述2、配电网过电压 2.1 配电网的内部过电压 2.1.1 配电网中的铁磁谐振过电压 2.1.2 配电网中的电弧接地过电压 2.1.3 配电网中的CVT过电流现象 2.1.

2、4 配电网的无功补偿系统操作电磁暂态现象 2.1.5 配电网中心点的接地方式 P 3武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2.2 配电网的雷电过电压 2.2.1 配电网的雷电侵入波过电压 2.2.2 配电网的输电线路雷电过电压 3、高压电网过电压 4、超高压电网过电压 4.1 超高压电网的内部过电压 4.1.1 超高压电网的工频过电压 4.1.2 超高压电网中的潜供电流与恢复电压 4.1.3 超高压电网的操作过电压 P 4武汉大学高电压与绝缘技术

3、研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 4.2 超高压电网的雷电过电压 4.2.1 雷击输电线路杆塔的雷电过电压 4.2.2 雷电绕击输电线路的雷电过电压 4.2.3 变电站雷电侵入波过电压 5、特高压电网过电压P 5武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 1、概 述 在电力系统中，由于雷电、电磁能量的转换会使系统电压产生瞬间

4、升高，其值超过电气设备的最高工频运行电压，这就是过电压。 过电压会造成电气设备的绝缘损坏、使系统供电中断等重大事故。 电力系统过电压，研究各种过电压产生的机理，及相应的电气设备保护和限制过电压的措施，并对系统中电气设备绝缘水平提出相应的要求。 电力系统过电压按其不同的能量来源可分为两大类。一类为雷电过电压，即雷击电力系统或雷击电力系统附近地区而形成的系统电压升高；另一类为内部过电压，由于电网系统内部在故障和开关操作时，发生电磁振荡所引起的系统电压升高。 P 6武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSU

5、LATION RESEARCH INSTITUTE 雷电过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压两种。电力系统防雷工 作分两方面： 1）输电线路防雷，雷击杆塔的直击雷防护和雷电绕击导线的防护； 2）变电站侵入波防护，进线段和避雷器保护。 内部过电压按其持续作用的时间，可分稳态性质的暂时过电压和暂态性 质的操作过电压两种。暂时过电压作用时间可达秒级以上，其形式有工频 过电压和谐振过电压；操作过电压的持续作用时间一般为几毫秒至几十毫秒， 但在特殊条件下，可能产生纳秒级的操作过电压波。 电力系统过电压总的可看作为系统发生的电磁暂态过程，主要研究方法： 1）理论分析； 2）模拟试验和现场过电压实测 ； 3

6、）计算机仿真 电磁暂态仿真计算平台EMTP 机理研究、影响因素分析和防护措施P 7武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2、配电网过电压 配电网的电压等级有: 6kV 、 10kV 、 35kV 和60kV。 这类电网特点：系统中性点接地方式较复杂、绝缘水平较低、系统规模大、电缆线路大量采用。 配电网的中性点接地方式有： 中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式、中性点经小电阻接地方式、中性点经中值电阻接地方式、消弧线圈与电阻的组合方式和采用消

7、弧柜接地方式。 正由于这类电网的特点，故系统产生的电磁暂态现象较复杂、输电线路雷击跳闸率较高和变电站防雷保护较困难。P 8武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2.1.1 配电网中的铁磁谐振过电压 配电网发生铁磁谐振主要有两种形式： PT饱和引起的铁磁谐振 、 断线引起的铁磁谐振 配电网一般采用JDZ型电磁式PT，铁磁谐振会造成熔断器熔丝频繁熔断或烧毁PT的事故。 仿真计算结果表明：当系统线路较短（线路等值对地电容较小）时，系统带母线合闸或线路发

8、生单相弧光接地自动消失时，会激发起基频谐振或分频谐振，引起系统过电压与PT过电流；当系统线路较长（线路等值对地电容较大）时，系统发生单相弧光接地自动消失时，其产生的暂态冲击会在PT和三相线路对地电容回路中，引发超低频振荡，这会在PT中产生极大的过电流。 2.1 配电网内部过电压 铁磁谐振过电压、弧光接地过电压P 9武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 仿真计算数据表明：对于3PT接线方式，当系统突然合闸或单相接地消失时，系统会发生谐振或超低频振荡

9、。 当系统参数处于0.3637XCo/ XLe1.8174范围时（ XCo是系统对地电容的容抗；XLe是系统额定电压下的PT励磁感抗），系统可能发生基频谐振，最大谐振过电压为3.05p.u，最大过电流为0.0571A； 当系统参数处于0.1212XCo/ XLe0.9087范围时，系统可能发生分频谐振，最大谐振过电压为1.96p.u，最大过电流为0.1711A； 当系统参数处于XCo/ XLe0.091范围时，系统可能发生超低频振荡（包括三分之一频），最大振荡过电压为2.00p.u，过电流随线路对地电容的增大而增加。 当系统电容电流20A时，由超低频振荡产生的过电流，就会大于PT高压熔断器的熔

10、断电流（0.5A）。P 10武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 仿真计算数据表明：对于4PT接线方式，其可以有效抑制基频或分频谐振； 4PT可以抑制超低频振荡过电流，但存在闭口三角形环流过大的问题，当系统电容电流50A时，由超低频振荡引起的闭口三角形绕组中的环流，就将大于其最大允许电流值(12A)。建议在每组PT的闭口三角形回路中串入功率为200W、阻值100的电阻，就可以限制闭口三角形绕组中的环流。 PT高压侧中性点经线性电阻或者是非线性电阻

11、（LXQ型消谐器）接地，可以消除谐振以及抑制超低频振荡现象。推荐使用LXQ型消谐器，但在系统间歇电弧接地持续较长或其他恶劣运行条件下，它的热容量问题有待考核。 电网中性点经消弧线圈接地，可以消除谐振以及抑制超低频振荡现象。P 11武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2.1.2 配电网的电弧接地过电压 当系统发生单相接地故障时，其表现为在接地电流（即系统的电容电流）过零时电弧暂时熄灭，随后在故障点恢复电压作用下，又出现电弧重燃，这种故障点电弧重燃

12、和熄灭的间歇性现象，引起电力系统状态瞬间改变，从而导致整个系统发生电磁振荡，引起电弧接地过电压。 电弧的熄灭和重燃时间是决定电弧接地过电压的重要因素。 分析电弧接地过电压产生机理有：高频熄弧理论、工频熄弧理论。 典型的电弧接地过电压仿真计算典型波形,见图2-2和图2-3。 图2-2 系统三次重燃产生的典型过电压波形（依据高频熄弧理论)P 12武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 图2-2中： 在5ms处，即A相正峰值处对地燃弧，系统开始高频振荡，

13、在单相接地高频电流第一个过零点5.556ms熄弧，这时由于系统产生了一个负的直流分量，它与电源电压叠加的结果使得三相电压波形下移； 在15ms处，A相电压达负峰值处发生第二次重燃，并在15.554 ms处第二次高频熄弧，系统产生了一个正的直流分量，它与电源电压叠加的结果使得三相电压波形开始向上移； 在25ms处第三次重燃，之后A相电压趋于零，非故障相电压则按系统线电压变化。 图2-3 系统三次重燃产生的典型过电压波形（依据工频熄弧理论）P 13武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION R

14、ESEARCH INSTITUTE 2.1.3 配电网中的CVT过电流现象 一般面向用户的配电网都采用电磁式的电压互感器，用以监测系统电压、保护和计量。在电磁式电压互感器中产生过电流，主要是系统中发生了铁磁谐振引起的。 而在超高压变电站的35kV补偿系统中，一般采用电容式电压互感器(简称CVT)进行测量和保护。 在超高压变电站的补偿系统中，由于系统有操作频繁、系统参数变化大的特点，流过CVT的暂态电流很大，从而可能造成CVT熔断器的熔丝频繁熔断。 根据CVT的特性分析，可能引起过电流的系统操作方式有： 1）系统单相接地故障引起CVT的过电流； 2）系统合闸操作引起CVT的过电流； 3） 35k

15、V无功补偿系统操作引起CVT的过电流。P 14武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 1)系统单相接地故障引起CVT的过电流 某35kV补偿系统参数，当A相发生单相接地故障(设故障点距CVT为5km)时，流经CVT熔断器过电流的仿真计算波形如图2-4所示。 图2-4 单相接地故障时流经CVT的过电流 图2-4中，由左到右依次为流经B、C 相CVT熔断器的过电流波形。 由图可以看出，在系统发生单相接地故障时，会引起CVT过电流，有可能造成CVT熔断器

16、熔断。P 15武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2) 系统合闸操作引起CVT的过电流 本站主变给补偿系统供电操作引起CVT的过电流 根据某500kV变电站的实际参数，当系统A相电压为峰值时合闸操作，流经CVT的电流波形见图2-5。 图2-5 流经 A、B和C相CVT熔断器的电流波形 由图2-5分析可知，进行系统合闸操作时CVT会产生较大的过电流，且持续时间很长，有可能造成CVT熔断器熔断。(file 彻底修正合闸.pl4; x-var t)

17、c:XX0093-X0001A 0.00.20.40.60.81.0s-12-8-404812AA相熔断器电流波形(file 彻底修正合闸.pl4; x-var t) c:XX0115-X0001B c:XX0155-X0001C 0.00.20.40.60.81.0s-6-4-20246ABC相熔断器电流P 16武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 由理论分析可知：合闸操作造成CVT过电流原因是电容电压不能突变引起的， CVT过电流的大小应与施

18、加电压的瞬时值有关，即与合闸相角有关。当合闸相角为0度时，即A相电源为额定电压峰值时合闸，此时的过电流最大，过电流的持续时间也最长；当合闸相角为90度时，此时电源电压过零点，过电流最小。 仿真计算表明，主变漏抗大小对CVT过电流有影响。 当考虑加入母线电容进行仿真，结果表明:三相CVT投入合闸操作过电流明显减小，且对地电容越大，过电流越小。P 17武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 由输电线路给补偿系统供电操作引起CVT的过电流 当线路已经带电

19、，由本站进行合闸操作对35kV补偿系统供电，仿真计算得到的过电流波形见图2-6。 图2-6 带线路本站对CVT进行合闸操作产生的过电流波形 由图2-6分析可知，这种对CVT进行合闸操作产生的过电流，在起始阶段有个尖峰，这是因为长距离传输线存在对地电容，合闸瞬间已充电的传输线的对地电容对CVT的电容放电会产生一个高频的冲击电流。同样产生的过电流会造成CVT熔断器的熔断。(file CVT模型.pl4; x-var t) c:X0001A-XX0113 1820222426283032msP 18武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN

20、 UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 3）35kV无功补偿系统操作引起CVT的过电流 无功补偿系统合闸操作时CVT过电流的仿真计算波形见图2-7。 图2-7 无功补偿合闸操作引起的CVT过电流波形 这种合闸操作引起CVT过电流的原因是：无功补偿系统合闸操作产生了过电压，从而引起CVT的过电流。 无功补偿系统合闸操作引起的CVT过电流，虽然达不到CVT投入和经输电线路合闸时的过电流水平，但仍大于0.5A，持续时间较长，有可能致使熔断器熔断。(file 咸宁变CVT模型.pl4; x-var t) c:X0001A-X

21、X0129 c:X0001B-XX0151 c:X0001C-XX0191 0.000.020.040.060.080.100.12s-20-15-10-505101520AP 19武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2.1.4 配电网的无功补偿系统操作引起的电磁暂态现象 超高压变电站中35kV无功补偿设备是调节电压、维持电网安全稳定运行的重要设备，无功补偿装置投切的频繁性使其经常承受操作过电压和过电流。 35kV无功补偿系统操作频繁，运行环境

22、复杂，事故频发。近年来在电力系统超高压变电站中发生了多起无功补偿电容器损毁事故，系统安全形势较为严峻。 无功补偿装置故障产生因素：无功补偿装置的运行条件（系统操作产生的电磁暂态）和无功补偿装置质量。 无功补偿装置运行条件研究早已开始，但是侧重点在于理论解释和定性分析电磁暂态现象的产生与趋势，缺乏定量的计算，无法给出基于过电压和过电流的无功补偿装置选型与保护提供依据。P 20武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 无功补偿装置有感性补偿装置和容性补偿

23、装置。在实际系统中，容性补偿装置出现的故障概率最高。 对无功补偿电容器组操作有两种形式： 1）对无功补偿电容器组进行合闸操作 2）对无功补偿电容器组进行分闸操作 仿真计算表明： 对无功补偿电容器组进行合闸操作会产生严重的过电流现象，过电流的大小与电源的合闸相角、串抗率大小、系统阻抗及变压器运行方式、电容器组的容量大小和已经投入运行的电容器组数等因素有关。合闸操作会产生过电流倍数最大约8倍，过电压倍数在1.51.9之间。P 21武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH I

24、NSTITUTE 对无功补偿电容器组进行分闸操作，由于断路器的重燃会产生严重的过电压和过电流现象。断路器的重燃分单相重燃、两相重燃和三相重燃。断路器的三相重燃产生的过电压和过电流最严重，而且重燃次数越多产生的过电压也越高。断路器的三相三次重燃产生的过电压可高达6倍。图2-8 电容器组合闸操作产生的典型过电压与过电流波形P 22武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2.1.5 配电网中心点的接地方式 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，

25、它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰(电磁环境)及接地装置等问题均有十分密切的关系。 因此，中性点接地方式的正确选择，是防止电力系统事故的一项重要技术措施，是电力系统实现安全与经济运行的技术基础。 配电网直接面向用户,故系统的供电可靠性是第一位的,所以一般其中性点采用高阻抗接地方式。 目前，我国配电网采用的接地方式就有:中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地、中性点经消弧线圈与并联电阻接地方式和近段时期出现的消弧柜系统、ZN05A装置等。P 23武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSIT

26、Y HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 最近正在审核的国标GB50064 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范将配电网中性点接地方式分为五类： 1）中性点不接地系统； 2）中性点低电阻接地系统； 3）中性点高电阻接地系统； 4）中性点谐振接地系统； 5）中性点谐振-低电阻接地系统。 配电网的单相接地故障电流、配电网的过电压与中性点接地方式有关，而单相接地引起的过电压又是引发事故的重要原因，故对配电网中性点接地方式的分析与评估，应以配电网的单相接地故障电流、过电压和供电可靠性为主要考核指标。P 24武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉

27、大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 配电网各种中性点接地方式在不同国家的配电网系统中都有应用。然而，各个国家甚至同一个国家的不同地区的配电网中性点使用的接地方式都不尽相同，而这主要取决于各系统的运行经验和传统做法。 以德国和俄罗斯为代表的一些国家，在配电网系统中广泛采用了消弧线圈接地方式，即使系统电容电流高达几百安培；美国和英国在配电网系统中，采用电阻接地方式居多；日本配电网中性点采用消弧线圈接地、电阻接地、直接接地和不接地等多种接地方式。 我国南方某供电公司10kV配电网中性

28、点采用的接地方式统计情况，见图2-9。图2-9 各种接地方式应用统计 P 25武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 如此众多的接地方式，它们都有着自己明显的优点和相应的适应性，但有些接地方式的缺点也很突出。 1）配电网中性点采用不接地方式 配电网中性点采用不接地方式的系统发生单相接地故障时，单相接地过电压水平高，单相接地故障电流较小。而弧光接地过电压发生概率高，弧光接地过电压水平高。 2）配电网中性点采用消弧线圈接地方式 配电网中性点采用消弧线圈

29、接地方式的系统发生单相接地故障时，单相接地过电压水平较高，单相接地故障电流小。经随调式消弧线圈接地系统的弧光接地过电压发生概率和弧光接地过电压水平，由消弧线圈装置的动作响应时间决定。P 26武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 3）配电网中性点采用小电阻接地方式（电阻阻值小于20 ） 配电网中性点采用小电阻接地方式的系统发生单相接地故障时，单相接地过电压水平低，单相接地故障电流很大。小电阻接地系统的单相接地故障电流很大，继电保护装置在发生接地故障

30、时会立即动作，切断故障线路，发生弧光接地过电压的概率很低。 4）配电网中性点采用中值电阻接地方式 （电阻值介于20150 之间 ） 配电网中性点采用中值电阻接地方式的系统发生单相接地故障时，单相接地过电压水平低，单相接地故障电流大。弧光接地过电压发生概率低，弧光接地过电压水平低。P 27武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 5）配电网中性点采用消弧线圈和中值电阻并联的接地方式 这种接地方式是当系统发生接地故障时，消弧线圈投入补偿电容电流，随后并联

31、电阻投入利于故障选线。单相接地故障电流在电阻投入前较小，投入后很大。投入后电流值与投入的电阻值有关，电阻值越大电流越小。 6）配电网母线采用ZN05A装置接地方式 配电网母线采用ZN05A装置接地方式的变电站，其弧光接地过电压水平取决于ZN05A装置的响应时间，响应时间慢则过电压水平高。故障相电压随着小电抗器取值的减少而减少。P 28武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 配电网安全、可靠运行，对中性点接地方式的期望： 1）系统发生单相接地时，保证

32、用户端三相电压对称、不产生电压暂降、 希望故障能自动消失绝缘恢复、希望能只切除故障线路； 2）系统发生单相接地故障时，弧光接地过电压水平较低； 3）系统发生单相接地时，能有效选取故障线路； 4）系统发生单相接地时，能控制接地电流在安全的范围内； 5）与系统现有的接地方式兼容性强。 配电网中性点接地方式，都是围绕系统发生单相接地而起作用的！P 29武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 2.2 配电网的雷电过电压 2.2.1 配电网的雷电侵入波过电压

33、 输电线路遭受雷击后，变电站母线的雷电过电压水平分别与雷电流的大小、杆塔接地电阻值、母线设备等效入口电容及其变电站母线的出线数目等因素有关。 在配备优良防雷保护装置的情况下，遭受输电线路侵入波过电压作用时，变电站10kV母线的雷电过电压水平在40kV左右，正常的设备绝缘（其冲击耐受电压水平为6075kV）能够承受这种雷电过电压的作用。 但是，当变电站10kV出线断路器在雷电活动时由于各种原因开断时，就应充分考虑雷电侵入波的危害。P 30武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEA

34、RCH INSTITUTE 当发生雷电波入侵时，会在处于热备用的断路器处发生雷电波的全反射。雷电波的陡度越大，这种全反射的雷电波的危害就越大，可能造成断路器处绝缘击穿。 热备用断路器处的雷电过电压 与其至变电站母线避雷器的距离和雷电侵入波的陡度正比关系。 10kV母线：当雷击线路的雷电流取1.2/50us的波形时，热备用断路器距避雷器100m，作用于热备用断路器处的雷电过电压 达78.9kV。 2.2.2 配电网的输电线路雷电过电压 配电线路上出现的雷电过电压有两种形式：直击雷过电压和感应雷过电压。对于35kV及以下的配电线路，大量研究结果表明感应雷过电压已成为线路雷害跳闸增多的主要原因。P

35、31武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 对于架空配电线路感应雷过电压的防护包括两个方面：从限制感应雷过电压的角度进行防护；从降低感应雷过电压危害的角度进行防护。系统实际采用的防护措施包括：安装线路避雷器、加强线路绝缘和装设自动重合闸装置等。 线路避雷器已经在电力系统配网架空输电线路防雷保护中得到初步应用，并取得了一定效果。但是对具体线路避雷器安装数量和安装位置需仔细研究。 对降低感应雷过电压，一般观点认为可以在输电线路上安装避雷线。 从感应雷防

36、护角度考虑，每6基杆塔安装一组线路避雷器优于架设避雷线的技术经济性能。P 32武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 3、高压电网过电压 高压电网过电压亦有雷电过电压和内部过电压两种形式。在这介绍两个案例。 案例一：某供电局220kV变电站进行220kV西竹甲线母线倒闸操作过程中，由于1M母线25441隔离开关动、静触头没有夹紧，在拉开2M母线25442隔离开关时，隔离开关拉弧形成的“火球”发生两相短路故障。与此同时，该供电局500kV变电站35k

37、V无功补偿系统23C、43C、42C电容器组发生跳闸故障，故障造成23C电容器爆炸，烧毁整组电容器，43C串抗B相匝间短路烧损三相串抗。 分析： 500kV是系统电源，通过自耦变压器给220kV系统供电，自耦变压器的35kV侧带无功补偿系统和变电站负载。P 33武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 1）电弧“火球”引起220kV侧相间短路，通过电路分析这种相间短路不会引 起35kV侧电压升高，而是降低，即不会引发事故 2）电弧“火球”是一种在空气

38、中燃烧的开放性电弧，电弧是不稳定的，随着工 频电源的相角而变化，当短路电流过零时会发生瞬间熄弧现象，这种冲 击会对系统产生严重影响，可在系统35kV侧电容器出现很高幅值的暂态 过电压与过电流。 35kV系统的23C、43C、42C电容器组采用的电抗率不同，前两组电容器采用的是12%电抗率， 42C电容器组采用的是6%电抗率，电抗率越大其运行时电容器上的工作电压越高。 仿真计算表明，电抗率为12%的电容器的过电压最大值为故障前母线相电压值的4.121倍，过电流最大值为8.496kA，为其额定电流值的7.192倍。 P 34武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN U

39、NIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 案例二：某供电局500kV变电站的220kV同杆两回线路的杆塔遭受雷击， 引起两回线路的A相同时发生冲击闪络，并沿闪络通道形成了单相接地故障， 发生接地故障的同时引起了变压器的重瓦斯保护误动作，造成了主变压器的各 侧开关跳闸。 分析：该500kV主变压器是三菱公司生产的紧凑型变压器，当变压器出口 短路电流达到13kA时，会产生变压器中的油流涌动，引起瓦斯保护误动作。 很显然，该事故是雷击引起系统短路而产生的。通过仿真可以计算出，该 变电站220kV线路在很大范围内雷击闪络可能引起类

40、似事故发生，并依据相关 概念可提出防止事故发生的措施。P 35武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 4、超高压电网过电压 4.1 超高压电网的内部过电压 4.1.1 超高压电网的工频过电压 工频过电压产生的原因包括：空载长线路的电容效应、不对称接地故障引起的健全相电压升髙； 工频过电压与系统结构、容量、参数及运行方式有关。一般工频过电压的幅值不高，但持续时间较长。 工频过电压在超、特高压电网中有重要影响： 直接影响操作过电压的幅值； 避雷器额定电

41、压选择的重要依据； 影响电气设备的耐压水平。 P 36武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 表4-1 中国各电压等级电网工频过电压倍数与持续时间中国各电压等级电网工频过电压倍数与持续时间 表4-2 各国特高压系统工频过电压水平各国特高压系统工频过电压水平电压等级1066kV110/220kV330kV500kV750kV1000kV电压倍数（ p.u. ）1.731.31.41.31.41.31.41.31.41.31.4持续时间2h0.20.5

42、s0.1s0.1s0.1s0.1s国别前苏联日本意大利最高工作电压（kV ）120011001050工频过电压（ p.u. ）1.41.41.35P 37武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 1) 空载长线路的电容效应 线路末端电压与电源电势的关系式为： 沿线电压分布式为： 2) 输电线路轻载引起的工频过电压 当 U1 =U2 = 时，线路中间电压最高，有：20coscoscoscosXXXEUU20coscoscossinpcEEUXZU2co

43、s2cos2lUUP 38武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 3）电网单相接地，健全相电压值为： 式中Kj1为单相接地系数，而K值取决于系统零序阻抗与正序阻抗的比值。 4）系统两相接地，非故障相电压值为： 式中Kj2为两相接地系数。XAOjXAOXCXBUKUKKKUU122)1 (3XAOjXAOXAOXAUKUKKUKKU2123)1211 (P 39武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSIT

44、Y HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 4.1.2 避雷器额定电压的选择避雷器额定电压的选择 避雷器额定电压Ur：在动作负载试验中，能够耐受10s的最大工频电压。 避雷器持续运行电压Uc：能够长期耐受的最大工频电压。 对110kV及以上中性点有效接地系统，工频过电压 为1.31.4p.u.， 持续时间T 0.5s，选择避雷器额定电压Ur 。 表4-3 各电压等级电网中避雷器的额定电压UrTOVU1.31.4/3TOVmUU电压等级110/220kV330kV500kV750kV1000kV电压倍数（ p.u. ）1.31.41.31.4

45、1.31.41.31.41.31.4额定电压（kV）100/200300420/444600/648828（889）P 40武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 4.1.3 工频过电压限制措施工频过电压限制措施 使用高压并联电抗器补偿超、特高压线路电容； 使用良导体地线(或光纤复合架空地线OPGW)； 使用良导体地线可降低K值（Zr0/Zr1 ），有利于减少单相接地过电压。 使用线路两端联动跳闸或过电压继电保护； 选择合理的系统结构和运行方式，以

46、降低工频过电压。P 41武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 4.1.2 超高压电网中的潜供电流与恢复电压 在超高压电网中，为了限制重合闸过电压，当系统发生单相电弧接地故障时，一般操作会采取跳开接地相线路两侧断路器的方式来排除故障。 断路器跳开后由于健全相上的电压和电流的作用，将会给接地故障点提供感应电流。该电流被称之为潜供电流，或称作二次电流。 潜供电流以电弧的形式存在，而潜供电流的自熄是单相自动重合闸成功的必要条件。 潜供电流的自熄取决于潜供

47、电流的大小及电弧熄灭后作用于故障点的恢复电压。P 42武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 当超高压电网中长线路发生不对称开断时，健全相线路上的电压与电流通过相间阻抗传递到开断相上。 若开断相的故障尚在，则会产生潜供电流，使接地电弧不能熄灭，造成单相重合闸不能成功。 若开断相上的故障已消失，则会在开断相上产生感应电压（恢复电压）； 若系统参数配合不当，则会引起工频谐振过电压； 因此，在超高压电网中限制不对称开断引起的潜供电流、感应电压与谐振，必须

48、采取措施隔断三相导线的相间联系。 实际超高压电网中采用中性点带小电抗并联电抗器限制，见下图：P 43武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 4.1.3 超、特高压电网的操作过电压 电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发 生变化时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于系统电源供给能量，而 且储存在电感中的磁能会在某一瞬间转化为以静电场能量的形式储存于系统 的电容之中，所以可能产生数倍与电源电压的操作过电压。 操作过电压幅值高、

49、持续时间短，决定着输变电设备的绝缘水平。 超、特高压电网中可能发生的主要操作过电压： 合空载线路过电压； 电网解列过电压；切、合空载变压器过电压 ； 快速暂态过电压； 故障清除过电压 。P 44武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE （1） 各级电网操作过电压允许水平 表4-4 中国各电压等级电网操作过电压倍数 表4-5 各国特高压系统操作过电压水平电压等级1066kV110/220kV330kV500kV750kV1000kV操作过电压（ p.u

50、. ）4.03.02.22.01.81.6(1.7)国别前苏联日本意大利最高工作电压（kV ）120011001050操作过电压（ p.u. ）1.61.81.61.71.7P 45武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 在超高压电网中，合空载线路过电压是最主要的操作过电压。 影响这种合闸操作过电压的主要因素有： 合闸相角（其具有随机 ，与断路器触头运行速度有关） 电源容量（电源容量小，电源等值漏抗就大，过电压高） 母线上的出线数（母线上出线多，过

51、电压下降） 限制这种合闸操作过电压的措施有： 降低工频稳态电压； 同步合闸（受控合闸）； 氧化锌避雷器 ； 采用带合闸电阻的断路器 ，见下图：P 46武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHAN UNIVERSITY HIGH VOLTAGE AND INSULATION RESEARCH INSTITUTE 研究工作表明，对超、特高压系统的空长线合闸过电压的限制，若仅使用MOA限制合闸过电压水平如下表。 因此，对大部分超、特高压线路仅靠MOA限制合闸过电压是不够的。 若使用断路器合闸电阻及MOA限制合闸过电压，当断路器合闸电阻阻值 400欧姆，投入时间10ms ，单段线路长度不超过500km，操作过电压倍数在允许范围之内。线路长度相对地过电压200km 1.8p.u.400-600km1.952.10p.u.P 47武汉大学高电压与绝缘技术研究所武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUH