第15章电力系统的过电压

1、电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 电力系统中的各种绝缘在运行中除了受电力系统中的各种绝缘在运行中除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的作用。所谓作电压高得多的过电压的作用。所谓过电压过电压就是指电系统中出现的对绝缘有危险的电压就是指电系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位升高。升高和电位升高。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压n合闸后0.1秒内的电压升高：高幅值、强阻尼、高频操作过电压n0.1秒至1秒内的电压升高：是由于发电机的调压装置的惰性和线路的电容效应，称为暂态工频电压升高n大于1秒后，发电机自动电压调整器发生

2、作用，电压下降，2、3秒后，系统进入稳定状态，这时主要是长线路电容效应引起的稳态工频电压升高 500kV500kV、336km336km空载线路合闸过电压空载线路合闸过电压倍数倍数 K K 随时间的变化曲线随时间的变化曲线电气工程基础第十五章 电力系统的过电压电气工程基础第十五章 电力系统的过电压操作过电压：电力系统中由于开关操作或发生事故，使运行状态发生突变，引起电容和电感元件之间电磁场能量互相转换，出现一种振荡性过电压。切除空载线路过电压：工频电容电流超前电源电压90，电流为0时电弧熄灭，电压最大。合闸空载线路过电压：比切除空载线路过电压要小。切空载变压器过电压：电感电流突变感应高电压。弧

3、光接地过电压：中性点不接地系统：直接接地和间歇性电弧。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 工频过电压：线路参数匹配(电容效应) 工频稳态过电压：主要是指空载长线路上电压升高；此外，在三相中性点不接地系统中，当发生单相接地时，其他两个非故障相的对地电压升高也属于稳态过电压。 空载长线路加装并联电抗器的作用：可限制电压升高。 工频暂态过电压：对于超高压大容量线路，如果 从满负荷状态下突然甩掉全部负荷，则会引起暂 态工频过电压。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压（1）由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发）由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，所以它们有可能同时出现、相互叠加。生，所

4、以它们有可能同时出现、相互叠加。（2）工频电压升高是决定某些过电压保护装置工作）工频电压升高是决定某些过电压保护装置工作条件的重要依据，所以它直接影响到避雷器的保条件的重要依据，所以它直接影响到避雷器的保护特性和电力设备的绝缘水平。护特性和电力设备的绝缘水平。（3）由于工频电压升高是不衰减或弱衰减现象，持）由于工频电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大续时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大影响。影响。 工频电压升高的危害工频电压升高的危害: :电气工程基础第十五章 电力系统的过电压谐振过电压：L、C元件串联，谐振条件XL=XC。谐振过电压的危害：持续时间

5、长，造成严重后果。线性谐振过电压：电路的自振角频率=电源的谐波频率相等铁磁谐振过电压：正常运行情况下， XLXC，某种因数引起XLXC，相位相反，引起的铁磁谐振。参数谐振过电压：水轮发电机或汽轮发电机引起的电抗周期性变动线性谐振过电压趋于无穷大，铁磁谐振过电压有一固定值。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 输电线路空载并且在长度不很大时可简化如图所示的输电线路空载并且在长度不很大时可简化如图所示的等值电路。等值电路。.IRLUR.UL.EUCC.空载长线的简化等值电路 一般一般R要比要比XL和和XC小得多，可以忽略线路电阻小得多，可以忽略线路电阻R。另。另外，空载线路的工频容抗外，空载线路

6、的工频容抗XC又要大于工频感抗又要大于工频感抗XL，因此因此在工频电势的作用下，线路上流过的容性电流在感抗上在工频电势的作用下，线路上流过的容性电流在感抗上造成的压降将使容抗上的电压高于电源电势。造成的压降将使容抗上的电压高于电源电势。空载长线的电容效应空载长线的电容效应电气工程基础第十五章 电力系统的过电压211E11 -0()CcUELc)(.CLCLXXIUUE 由于电感与电容上的压降反相，且由于电感与电容上的压降反相，且UCUL，可，可见电容上的压降大于电源电势见电容上的压降大于电源电势.CCXIU21211cosUKUl 末端对首端电压升高倍数以电压传递系数表示：末端对首端电压升高倍

7、数以电压传递系数表示：电气工程基础第十五章 电力系统的过电压线路上个点电压由末端向始端按余弦函数分布。线路上个点电压由末端向始端按余弦函数分布。末端电压会随首端电压增加而成比例提高。末端电压会随首端电压增加而成比例提高。采用并联电抗器来补偿线路的电容电流以削弱电采用并联电抗器来补偿线路的电容电流以削弱电容效应。容效应。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 线路末端接入并联电抗器，由于电抗器的感性无功功率部分地补偿了线路的容性无功功率，相当于减小了线路长度，降低了末端电压升高n并联电抗器的接入可同时降低线路首端及末端的工频电压升高n补偿度（QL/QC）表示并联电抗器的容量，一般在60%左右n确

8、定合理的方案，涉及无功平衡、自激过电压、非全相状态下的谐振等方面的问题20040060090012001500 12 24 36 54 72 901.021.091.241.703.24 / l kml12K空载时线路末端电压升高与线路长度的关系电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 谐振过电压电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 一、线性谐振过电压 谐振回路由谐振回路由不带铁芯的电感元件不带铁芯的电感元件（如输电（如输电线路的电感、变压器的漏感）或线路的电感、变压器的漏感）或励磁特性接近励磁特性接近线性的带铁芯

9、线性的带铁芯的电感元件（如消弧线圈，其铁的电感元件（如消弧线圈，其铁芯中有气隙）和系统中的电容元件所组成。在芯中有气隙）和系统中的电容元件所组成。在正弦电源作用下，系统自振频率与电源频率相正弦电源作用下，系统自振频率与电源频率相等或接近时，可能产生线性谐振。等或接近时，可能产生线性谐振。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 电力系统中可能发生线性谐振的情况电力系统中可能发生线性谐振的情况n当空载线路到达一定长度时，会发生工频线当空载线路到达一定长度时，会发生工频线性谐振性谐振 不对称接地故障或非全相操作则使谐振时的不对称接地故障或非全相操作则使谐振时的导线长度更加缩短导线长度更加缩短p消弧线

10、圈补偿电网中的线性谐振消弧线圈补偿电网中的线性谐振p超高压补偿线路（并联电抗器）中不对称超高压补偿线路（并联电抗器）中不对称切合引起的工频谐振切合引起的工频谐振 n两种补偿电网中的线性谐振两种补偿电网中的线性谐振电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 空长线的电容效应以及中性点经消弧线圈空长线的电容效应以及中性点经消弧线圈接地时中性点位移属于线性谐振。接地时中性点位移属于线性谐振。 线性谐振的特点：线性谐振的特点： 非谐振点上也有过电压；非谐振点上也有过电压； 过电压受电阻限制；过电压受电阻限制； 过电压值随参数连续变化。过电压值随参数连续变化。 电气工程基础第十五章 电力系统的过电压二、铁磁

11、谐振过电压ULLEICUC 谐振回路由谐振回路由带铁芯的电感元件带铁芯的电感元件（如空载变压器（如空载变压器、电压互感器）和系统的电容元件组成。因为铁芯电、电压互感器）和系统的电容元件组成。因为铁芯电感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的，感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的，在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振。在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振。产生串联铁磁谐振的必要条件是：产生串联铁磁谐振的必要条件是： 电感和电容的伏安特性必须相交，铁磁元件的非电感和电容的伏安特性必须相交，铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因。线性是产生铁磁谐振的根本原因。电气工程基础第十五章 电力

12、系统的过电压在很大范围内铁磁谐振都可能发生在很大范围内铁磁谐振都可能发生；需要需要“激发激发”才会出现谐振才会出现谐振；电容越大时，出现铁磁谐振的可能性将减小电容越大时，出现铁磁谐振的可能性将减小；由于铁芯电感的饱和效应，铁磁谐振过电压幅值一由于铁芯电感的饱和效应，铁磁谐振过电压幅值一般不会很高，而电流却可能很大般不会很高，而电流却可能很大；谐振状态可能谐振状态可能“自保持自保持”；产生铁磁谐振时，电流的相角将有产生铁磁谐振时，电流的相角将有180的转变，的转变，即即电流的电流的“翻相翻相”；具有各次谐波谐振（实际上多为具有各次谐波谐振（实际上多为13、12、1和和3次）的可能次）的可能，和电

13、路的固有频率有关和电路的固有频率有关。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 由电感由电感参数作周期性变化的电感元件参数作周期性变化的电感元件（如旋转（如旋转电机的电感大小周期性变化）和系统的电容元件（如电机的电感大小周期性变化）和系统的电容元件（如空载长线）组成回路，当参数配合时，通过电感的周空载长线）组成回路，当参数配合时，通过电感的周期变化，不断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐期变化，不断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐振过电压。振过电压。三、参数谐振过电压电气工程基础第十五章 电力系统的过电压谐振所需的能量由改变参数的原动机所供给，不需谐振所需的能量由改变参数的原动机所供给，不需要

14、单独的电源电压要单独的电源电压实际电网中存在着一定的损耗电阻，所以每次参数实际电网中存在着一定的损耗电阻，所以每次参数变化所引入的能量应当足够大，以便不仅可以补偿电变化所引入的能量应当足够大，以便不仅可以补偿电阻中的能量损耗，并使回路中的储能愈积愈多，保证阻中的能量损耗，并使回路中的储能愈积愈多，保证谐振的发展谐振的发展若谐振发生后，回路中的电流和电压的幅值，理论若谐振发生后，回路中的电流和电压的幅值，理论上能趋于无穷大。上能趋于无穷大。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压参数谐振发生后，随着电流的增大，电感线圈达到参数谐振发生后，随着电流的增大，电感线圈达到磁饱和状态，电感值迅速变小，使回

15、路自动地偏离谐磁饱和状态，电感值迅速变小，使回路自动地偏离谐振条件，从而限制了谐振过电压和过电流的幅值振条件，从而限制了谐振过电压和过电流的幅值当参数变化的频率与谐振频率之比等于当参数变化的频率与谐振频率之比等于2时，谐振时，谐振最容易发生。最容易发生。 电气工程基础第十五章 电力系统的过电压采用快速自动调节励磁装置，一般能消除同步自励采用快速自动调节励磁装置，一般能消除同步自励磁；磁；增大回路中的阻尼电阻，可防止自励磁；增大回路中的阻尼电阻，可防止自励磁；若条件许可，空载线路的充电合闸，应在大容量的若条件许可，空载线路的充电合闸，应在大容量的系统侧进行，不在孤立电机侧进行。系统侧进行，不在孤

16、立电机侧进行。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压u空载线路的合闸可分为正常合闸和自动重合闸。这时出现的空载线路的合闸可分为正常合闸和自动重合闸。这时出现的操作过电压称为合空线过电压或合闸过电压，重合闸过电压操作过电压称为合空线过电压或合闸过电压，重合闸过电压是过电压中最严重的一种。是过电压中最严重的一种。u如果自动重合闸，那么过电压情况更加严重，原因在于这时如果自动重合闸，那么过电压情况更加严重，原因在于这时线路上有一定残余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加剧线路上有一定残余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加剧烈。烈。u如果采用的是单相自动重合闸，只切除故障相，而健全相不如果采用的是单相自

17、动重合闸，只切除故障相，而健全相不与电源电压相脱离，那么当故障相重合闸时，因该相导线上与电源电压相脱离，那么当故障相重合闸时，因该相导线上不存在残余电荷和初始电压，就不会出上述高幅值重合闸过不存在残余电荷和初始电压，就不会出上述高幅值重合闸过电压。电压。空载线路合闸过电压空载线路合闸过电压电气工程基础第十五章 电力系统的过电压0( )(0)cosccu tEuEt-过电压稳态值振幅稳态值 （稳态值 起始值）2倍稳态值 起始值电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 在计划性合闸过电压中，过电压理论在计划性合闸过电压中，过电压理论值可达值可达2U 计划性合闸（线路无剩余电荷）计划性合闸（线路无剩余

18、电荷）电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 在故障性合闸过电压中，过电压理论在故障性合闸过电压中，过电压理论值可达值可达3U 故障性合闸（重合闸）故障性合闸（重合闸）电气工程基础第十五章 电力系统的过电压影响因素影响因素（1）合闸相位：是随机量，遵循统计规律。）合闸相位：是随机量，遵循统计规律。（2）线路损耗：主要来源：线路及电源的电阻；当）线路损耗：主要来源：线路及电源的电阻；当过电压超过导线的电晕起始电压后，导线上出现电晕过电压超过导线的电晕起始电压后，导线上出现电晕损耗。损耗。（3）线路残余电压的变化。）线路残余电压的变化。合闸过电压的限制、降低措施主要有：合闸过电压的限制、降低措施主

19、要有： 装设并联合闸电阻装设并联合闸电阻 同电位合闸同电位合闸 利用避雷器来保护利用避雷器来保护电气工程基础第十五章 电力系统的过电压空载线路拉闸过电压QFz-Ul电气工程基础第十五章 电力系统的过电压影响因素影响因素: （1）中性点接地方式：中性点非有效接地电网的中性点电）中性点接地方式：中性点非有效接地电网的中性点电位有可能发生位移，所以某一相的过电压可能特别高；位有可能发生位移，所以某一相的过电压可能特别高； （2）断路器的性能：重燃次数对这种过电压的最大值有决）断路器的性能：重燃次数对这种过电压的最大值有决定性的影响；定性的影响；u分闸时，不一定每次都重燃，即使重燃也不一定在电源到分闸

20、时，不一定每次都重燃，即使重燃也不一定在电源到达最大值并与线路残压极性相反时发生。如果重燃提前发生达最大值并与线路残压极性相反时发生。如果重燃提前发生，振荡振幅和相应的过电压随之降低，当重燃在断弧后的，振荡振幅和相应的过电压随之降低，当重燃在断弧后的1/4工频周期内产生，则不会引起过电压工频周期内产生，则不会引起过电压 u熄弧不一定在高频电流第一次过零时发生，在第二次或更熄弧不一定在高频电流第一次过零时发生，在第二次或更后的时间才被切断，线路上残余电压大大降低，断路器触头后的时间才被切断，线路上残余电压大大降低，断路器触头间的恢复电压和重燃过电压都大大减小间的恢复电压和重燃过电压都大大减小 电

21、气工程基础第十五章 电力系统的过电压（3）电网的接线方式）电网的接线方式u断路器灭弧后，线路残余电荷经阻尼振荡释放，其直流断路器灭弧后，线路残余电荷经阻尼振荡释放，其直流电阻约电阻约3 15k ，几个工频周期内残余电荷释放掉，降低，几个工频周期内残余电荷释放掉，降低了重燃过电压，甚至可避免重燃。了重燃过电压，甚至可避免重燃。u线路的电晕损失，同样是降低过电压的有利因素。线路的电晕损失，同样是降低过电压的有利因素。u母线上有其他出线或大电容时使过电压降低，重燃时电母线上有其他出线或大电容时使过电压降低，重燃时电荷再分配，降低空载线路的初始电压荷再分配，降低空载线路的初始电压 ，另外，出线的有，另

22、外，出线的有功负荷，增强了阻尼效应，降低重燃过电压。功负荷，增强了阻尼效应，降低重燃过电压。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压切除空载变压器等值电路切除空载变压器等值电路一、发展过程切除空载变压器过电压ui=iL+iC电弧iLiLLTCTiC产生原因：流过电感的电流在到达自然零值之前就被产生原因：流过电感的电流在到达自然零值之前就被断路器强行切断，从而迫使储存在电感中的磁场能量断路器强行切断，从而迫使储存在电感中的磁场能量转为电场能量而导致电压升高。转为电场能量而导致电压升高。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压影响因素影响因素: （1）断路器性能）断路器性能 灭弧能力越强的断路器，其对

23、应的切空灭弧能力越强的断路器，其对应的切空变过电压最大值也越大。变过电压最大值也越大。 （2）变压器特性）变压器特性 变压器绕组除励磁电感外，还有电容。变压器绕组除励磁电感外，还有电容。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压过电压过电压电气工程基础第十五章 电力系统的过电压n就其本质而言，雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与就其本质而言，雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与金属电极间的长气隙放电是相似的。所不同的是由于雷云金属电极间的长气隙放电是相似的。所不同的是由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同，因而具有多次重复雷击等的物理性质毕竟与金属板不同，因而具有多次重复雷击等现象和特点。现象和特点。

24、n雷云下部大部分带负电荷，所以大多数的雷击是负极性，雷云下部大部分带负电荷，所以大多数的雷击是负极性，雷云中的负电荷会在地面感应出大量正电荷。这样地面与雷云中的负电荷会在地面感应出大量正电荷。这样地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间，会形成强大的电大地之间或两块带异号电荷的雷云之间，会形成强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压n通常通常“云云地地”之间的线状雷电在开始时往往是一微弱发光之间的线状雷电在开始时往往是一微弱发光的通道，从雷云向地面伸展，它以逐级推进的方式向下发展的通道，从雷云向地面伸展，它以逐级推进

25、的方式向下发展，每级长度约，每级长度约2550m，每级的伸展速度约，每级的伸展速度约104 km/s，平均，平均发展速度只有发展速度只有100800km/s的预放电称为先导放电。的预放电称为先导放电。n当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周围电场当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的迎面先导，当强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的迎面先导，当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随雷鸣和闪光。极大的电流，这就是雷电的主放电阶段

26、，伴随雷鸣和闪光。这段时间极短，只有这段时间极短，只有50100 s，它是沿着负的下行先导通，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展的，亦称道，由下而上逆向发展的，亦称“回击回击” 。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 雷电过电压是雷云中大量雷电荷倾注于电力系雷电过电压是雷云中大量雷电荷倾注于电力系统而形成的。雷击电力系统的线路或设备时，产生统而形成的。雷击电力系统的线路或设备时，产生的瞬时过电压成为直击雷过电压，其值将远远超过的瞬时过电压成为直击雷过电压，其值将远远超过线路或设备的正常工作电压，对绝缘构成威胁。甚线路或设备的正常工作电压，对绝缘构成威胁。甚至雷击电力系统附近地面物，由

27、于强大的电磁感应至雷击电力系统附近地面物，由于强大的电磁感应现象，也会产生感应雷过电压。现象，也会产生感应雷过电压。 直击雷过电压：雷云通过线路或电气设备放电，所直击雷过电压：雷云通过线路或电气设备放电，所以接地装置一定要合格。以接地装置一定要合格。 感应雷过电压：由于雷云感应使电气设备引起过电感应雷过电压：由于雷云感应使电气设备引起过电压。幅值的大小：雷电流的幅值、线路导线对地的压。幅值的大小：雷电流的幅值、线路导线对地的平均高度、线路距直击雷地点的距离等有关。平均高度、线路距直击雷地点的距离等有关。电气工程基础第十五章 电力系统的过电压 输电线路是电力系统的大动脉，一条长输电线路是电力系统的大动脉，一条长100m的的架空线路一年往往要遭到数十次雷击，因而线路的架空线路一年往往要遭到数十次雷击，因而线路的雷击事故在