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高电压技术电气工程学院第九章

电力系统内部过电压

中国石油大学薛永端内部过电压：电力系统中，因为断路器的操作、事故或其它原因，系统参数发生变化，引起电磁能量振荡转换或传递所出现的超过正常运行电压的电压升高。由于引起内部过电压的电磁能量来自电力系统内部，其幅值与额定电压成正比，工程上内部过电压的大小用内部过电压倍数kn表示。最高运行相电压幅值＝内部过电压内部过电压工频电压升高谐振过电压空载长线电容效应甩负荷不对称短路操作过电压切除小电感负荷断开小电容负荷空载线路合闸间歇性、弧光接地过电压暂时过电压线性谐振非线性谐振参数谐振单相接地内部过电压分类电力系统操作过电压（1）操作过电压属于内部过电压。操作是广义的：计划性断路器的合闸和跳闸故障时断路器的跳闸切：L（空变、L、电动机）

C（空线、电容器组）解列合：空线35kV及以下中性点不接地系统发生单相弧光接地时，不大的电容电流流经接地点，产生时燃时灭的电弧。相当于开关的反复操作弧光接地过电压操作引起暂态过程，电磁能量发生转化，出现过电压。由于操作过电压幅值与系统额定电压有关，因此电压等级越高的系统操作过电压值越高。系统的绝缘水平220kV及以下330kV及以上雷电过电压操作过电压主要我国规程规定：操作过电压倍数35－60kV及以下（非直接接地）系统≯

4.0110－220kV（直接接地）系统≯3.0330kV系统≯2.75500kV系统≯2.0（或2.2）750kV及1000kV系统≯1.6限制操作过电压措施：断路器带并联电阻、MOA、高压并联电抗器电力系统操作过电压（2）主要内容主要内容： 第一节切除小电感负荷过电压 第二节断开小电容负荷过电压 第三节空载线路合闸过电压 第四节间歇电弧接地过电压 第五节谐振过电压 第六节工频电压升高9.1切除小电感负荷过电压

断路器开断特点常见的操作：切除空载变压器、消弧线圈、并联电抗器。断路器开断特点：大电流时，过零点自然灭弧；如100A以上的负荷电流或短路电流小电流时，强行断开，即呈现“截流”现象如为额定电流0.5%~5%的励磁电流截流时，电感中储存的磁能将转为电场能被容量很小的分布电容吸收，致电压升高产生切除空载变压器过电压的根本原因是断路器的截流现象过电压产生的过程（1）等值电路断路器闭合时，可忽略CT作用断路器断开时，励磁线圈的电流不能突变，只能和电容构成回路设截流瞬间，励磁电流为I0，电压为U0，此时的总能量为：

LT为变压器励磁电感CT为变压器和连接母线对地电容，数百~数千pF过电压产生的过程（2）变压器上的最大过电压，出现在磁场能量全部转为电场能量的时刻，有：最大过电压是励磁电流最大时截断，即I0=Im（励磁电流的峰值），U0=0，有ZT称为变压器的特性阻抗

例题9-1某变压器PN=31500kVA，UN=121kV，空载电流为IN的4%，对地电容为5000pF。计算切除空载变压器的最大可能过电压值。过电压影响因素影响过电压的因素断路器性能：断路器的截流能力越强，过电压就越高。即I0max成为一个重要指标触头分开过程中，电弧重燃可使变压器能量向电源释放，过电压降低变压器性能变压器LT越大、CT越小，则过电压越高变压器的相数、绕组连接方式、铁芯结构、中性点接地方式、断口电容，以及连接线等过电压限制措施限制过电压的措施在断路器的主触头上并高值电阻（线性或非线性，数万欧姆）为何要两个开关？注意分析，合闸和分闸的先后顺序。先合电阻Q2、再合主触头Q1减小变压器的特性阻抗：增大电容：改变绕组结构、增加静电屏蔽减小电感：铁芯使用优质导磁材料采用避雷器保护9.2切除小电容负载过电压

切除小电容负载过电压产生机理常见操作：切除空载长线、电缆，断开电容器组。过电压的产生：在恢复电压作用下，触头一次或多次重燃，产生过电压断路器触头分离后，电弧熄灭，触头两极间存在两个相互竞争的过程：电压的上升&绝缘的恢复二者都和时间有关如果触头间电压上升速度小于绝缘恢复速度，电弧就不重燃如果触头间恢复电压上升速度超过了介质强度的恢复速度，电弧就可能发生重燃，在线路上出现过电压。如果断路器灭弧能力越差，重燃概率越大，过电压幅值就越高（3倍以上）且持续时间很长（0.5－1个周期）。220kV及以下系统绝缘水平考虑过电压时，主要以切空线过电压为依据切除小电容负载过电压的产生（1）断路器闭合时，因感抗<<容抗，电流呈现容性，故Uc约等于电源电压忽略容升效应触头分开时，电弧在工频电流过零时熄灭，此时线路电压U为最大值，设为+Um电弧熄灭后，电容电荷无处泄漏，使触头B和线路维持残压+Um半个周期后，触头A随电源变为-Um，两个触头间的恢复电压为2UmU(t),Ls为电源电势和电感LT,CT为线路电感和电容切除小电容负载过电压的产生（2）如果触头不能耐受恢复电压、发生复燃，将引起电磁振荡，形成过电压复燃后的电压电流为高频振荡过程，振荡频率根据已知起始电压为+Um，将具有的稳态电压为-Um，则振荡过程的最大过电压（瞬时值）为：

如果在高频振荡电流首次过零时，电弧熄灭，则电容CT保持过电压-3Um切除小电容负载过电压的产生（3）如果电弧多次重燃，则电容（线路）电压将按照+5，-7，+9变化电弧多次重燃是切除空载线路产生危险过电压的根本原因影响过电压的因素实际过电压没有理论分析的严重。实测数据表明：超过3的过电压概率很小电弧重燃时，电源电压不一定是反极性的最大值重燃后的电弧不一定在高频电流首次过零时熄灭，如第二次过零或工频过零时熄灭，则残压将小很多，且极性也可能相反。线路存在电晕及电阻等损耗影响过电压的因素断路器性能：触头的重燃次数。近年已大幅减少。电网中性点接地方式：中性点非有效接地方式中，三相断路器不同期将使中性点发生偏移，使某相过电压特别高一些，约高20%母线有多条出线时，过电压较小：电弧重燃瞬间，电容电荷将分配给其他线路，降低起始电压线路侧装有电磁式电压互感器（PT）等设备，过电压低：电容电荷有放电通道限制过电压的措施采用不重燃断路器：压缩空气断路器、SF6断路器等并联分闸电阻R（1000—3000欧）。两种接法分析两个开关的动作先后顺序线路首末端装设避雷器

9.3空载线路合闸过电压

基本状况空载线路合闸操作分为：正常合闸与自动重合闸，二者起始条件不同，出现的过电压幅值差异较大。其中三相重合闸产生的过电压最严重。在超高压和特高压电网中，空载合闸已成为电网绝缘水平的决定性因素缘由：切除空载线路的过电压曾经是电网绝缘的决定性因素，随着断路器灭弧性能改善，切除空载线路的过电压幅值已显著降低。切断空载线路过电压最大过电压只测到1.19倍而合闸空载线路最大过电压达2.03倍不同合闸的过电压大小综合分析，单相计划性重合闸过电压最低，自动重合闸次之，三相重合闸过电压最高单相重合闸时，无不同期问题、耦合电压低；暂态分量将通过一个损耗大、衰减快的零序回路。合闸：先合相过电压将耦合到后合相，使之带有一定初始值。三相重合闸：初始值最大。影响合闸过电压的因素合闸相角：是一个随机值，遵从统计规律。与断路器合闸速度、合闸过程中的预击穿特性有关。线路残余电压值：残余电荷的极性、大小。合闸电源电压为峰值且残余电压异极性时，过电压最大线路侧PT具有阻尼作用，可使线路电荷在重合前释放，可降低过电压回路损耗：线路电阻损耗、电晕损耗。另：断路器的同期性、母线出线数、空载线路的电容效应等

限制合闸过电压措施控制合闸相角。控制合闸时电源电压的角度，在两端电位同极性时合闸国外已研制成功：检测端口，在同电位瞬间合闸的断路器在断路器主触头上并联合闸电阻R一般取值：400~1000欧姆，低值电阻为何要两个开关？注意分析，合闸的先后顺序。先合电阻、再合主触头电阻热容量大，寿命有限，维修工作量大线路首末端装设避雷器线路侧PT，超高压电网中并联电抗器、静止无功补偿装置（削弱长线电容效应）

9.4间歇电弧接地过电压

基础知识我国中压配电网主要是非有效接地单相接地是最主要故障形式单相接地故障点电弧电流大小与电弧的发展关系接地电流<5A时，电弧会迅速自行熄灭，电网即可恢复正常运行；接地电流较大（30A以上）时，一般形成持续性电弧接地；接地电流大于5A但小于30A时，将会出现间歇性电弧接地。间歇性电弧将引起电力系统状态瞬息改变，导致线路电感电容产生电磁振荡，在健全相和故障相均产生过电压间歇电弧接地过电压的分析过程故障点首次击穿时的过电压设定击穿时刻：按最严重情况设计计算故障瞬间的初始值计算故障后的稳态值计算过电压：=2倍的稳态值-初始值电流过零时灭弧后的对地电容上的残余电荷分为：工频电流过零熄灭、暂态电流过零熄灭故障点重燃后的过电压按最严重情况设定重燃时刻计算重燃瞬间的初始值计算重燃后的稳态值计算过电压：=2倍的稳态值-初始值故障点首次击穿时的过电压设故障相电压峰值时（t1）发弧，发弧前瞬间三相电压（初始值）为：发弧后瞬间三相电压（稳态值）：如何求得？发弧瞬间为高频振荡过程，健全相最大电压为：熄弧后对地电容上的残余电荷（1）设为工频电流过零时熄灭。对于故障后的容性电流，工频电流将在T/2后，即t2=t1+T/2时刻熄弧熄弧前瞬间三相电压起始值为对于中性点不接地系统，熄弧后健全相对地电荷重新分配到三相中，使三相对地电荷及电位相等，则中性点电压：通过变压器绕组实现电荷重新分配忽略重新分配时的暂态过程熄弧后对地电容上的残余电荷（2）熄弧后瞬间，三相电压分别为三相交流电压与中性点电压的叠加：正常三相交流电叠加一Um直流量在熄弧前后，各相电压没有突变，不产生高频振荡过程应注意：三相电容正常运行时总电荷为0；接地后通过故障点注入不平衡电荷；熄弧后无泄漏通道，不平衡电荷将在三相间平均分布。熄弧后三相电压变化电弧重燃时的过电压熄弧后T/2，在t3=t2+T/2、故障相电压峰值时刻，如再次发弧，则再有过渡过程电弧重燃前，三相电压起始值为

电弧重燃后，三相新的稳态电压分别为与首次发弧后稳态值相同

电弧重燃过渡过程中，健全相最大电压为：

间歇性接地故障过电压总体特点故障相不存在振荡过程，最大过电压为以此类推，每过半个周期发生一次熄弧和重燃，则过程相同。如果高频电流过零时熄灭，过电压将比工频电流熄弧时更严重高频电流过零时，暂态电压正处于最大值。熄弧后的电容电荷将更大。实际间歇电弧过电压的特点：过电压最大值比理论分析小。发弧、熄弧、重燃时刻具有随机性，不一定在最大值时刻。相间电容，线路电阻损耗、电晕损耗等危害性很大：持续时间长、波及范围广限制间歇性接地过电压的措施过电压的根本原因：中性点电位偏移。消除过电压，应改变中性点接地方式方法一：采用中性点有效接地方式。110kV及以上电网多采用有效接地增加线路跳闸率，对中压电网不可取。方法二：中性点经消弧线圈接地。补偿接地电流，使故障点残流减小，促使电弧自行熄灭，避免间歇性弧光出现

消弧线圈的基本工作原理（1）消弧线圈是一电感线圈，提供电感电流补偿线路对地电容电流。消弧线圈补偿度（调谐度）：电感电流与电容电流之比脱谐度故障点电容电流（THPQiiii+++）10kV110kVTCCCLRLRLR消弧线圈消弧线圈电流（Qi）故障点消弧线圈的基本工作原理（2）欠补偿：故障电流呈现容性。

K<1，γ>0过补偿：故障电流呈现感性。K>1，γ<0

全补偿：故障电流仅余电阻电流。K=1，γ=0弧线圈和电容处于并联谐振状态，正常时易引起谐振，应避免。为安全起见，一般采用过补偿。脱谐度过大，补偿效果不理想脱谐度过小，正常运行时易引起谐振消弧线圈可以降低间歇性接地过电压作用机理：降低熄弧后线路电压10kV110kVTCCCLRLRLR消弧线圈不接地系统消弧线圈接地系统正常故障熄弧后9.5谐振过电压

谐振过电压的产生机理谐振过电压：由电容元件、电感元件、电阻元件构成的带阻尼的振荡回路，在操作或故障激励下，产生谐振过程，并引起严重的、持续时间很长的过电压。电容元件：串联、并联补偿电容器组，过电压保护用的电容器电感元件：变压器、发电机、消弧线圈属于暂时过电压，持续时间大于操作过电压的持续时间（0.1S）。谐振类型电阻和电容元件均为线性，电感元件分：线性、非线性和周期性变化的特性线性谐振：线性电感、电容和电阻间。回路电流主要由电阻决定。限制过电压的方法是增加回路阻尼（电阻）参数谐振：参数周期性变化的电感，与线性电容电阻间。所需能量由改变参数的原动机提供，参数变化从原动机吸收的能量大于回路损耗时，谐振将持续发展。理论上，谐振振幅将无限大。但一定程度后，电感进入饱和使回路自动偏离谐振条件，限制过电压幅值。铁磁谐振：含铁芯的电感元件，与线性电容和电阻之间。由于铁芯的饱和现象，电感不再是常数，而是电流或磁通的非线性函数。影响较为严重铁磁谐振过电压典型振荡电路及其电感和电容的特性低电流区段，电感值大，电流为感性；高电流区段，电感值减小，电流为容性。回路的工作点共有三个：a1，a2，a3。分析：a1，a3为稳定工作点，a2为不稳定工作点。正常工作时，一般稳定在a1工作点当遭受巨大电流冲击，则可能由a1转达a3工作点，伴随谐振过程

铁磁谐振的特点及抑制措施铁磁谐振的特点：必要条件：电感和电容的伏安特性必须相交有自激：参数均匀变化时产生谐振；他激：操作产生的暂态激励产生谐振。铁磁元件的非线性是铁磁谐振的根本原因。但它的饱和特性有限制了过电压的幅值。限制铁磁谐振的措施：改善电磁式电压互感器的激磁特性，或改用电容式电压互感器在电压互感器开口三角形绕组中接入阻尼电阻，或在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻增大对地电容，避免谐振（10KV以下）。装设对地电容器，用电缆代替架空线等投入消弧线圈9.6工频电压升高

空载线路的电容效应空载线路的电容效应：当XC>XL时，由于电容电流在电感上的电压升作用，电容电压将比电源电压高。对于分布参数的线路，每一段dx上，都有同样的效应。对于有限大电源，有：线路末端电压>线路首端电压>电源电压估算最严重的工频电压升高时，电源内阻应按最小运行方式取。属于暂时过电压不对称短路引起的工频电压升高不对称短路故障分为：单相接地，两相接地并短路两相接地短路故障概率较小，一般以单相接地故障为主健全相上工频电压升高的原因：长线的电容效应，短路电流的零序分量作用对3~10kV中性点绝缘系统，零序阻抗为容性，健全相工频电压升高约为额定线电压的1.1倍避雷器灭弧电压按110%UN选择，称为110%避雷器中性点经消弧线圈接地的系统，过补偿状态下，零序阻抗为感性、幅值大，健全相工频电压接近额定线电压采用100%避雷器对中性点直接接地的系统，零序阻抗为感性、幅值较小，健全相工频电压升高约为额定线电压的0.8倍采用80%避雷器对于330kV以上系统，线路距离长，由于电容效应，线路末端可能超过80%UN

突然甩负荷引起的工频电压升高机电暂态过程。而非电磁暂态过程。电压升高的机理一：磁链守恒，励磁绕组磁通不变，感应电流的去磁突变机理二：机械响应慢，机械能大于输出能，同时计及三个因素：长线电容效应、单相接地、甩负荷，则工频电压升高可达2倍相电压

限制工频电压升高的措施220kV以下电网，一般不需要采取特殊措施。330kV及以上系统则需采取措施抑制措施：合理电网接线科学的操作程序正确设置设置并联电抗器或采用新型静止无功补偿装置我国规定：母线电压升高不超过最高工频相电压的1.3倍，线路不超过1.4倍

第十章

电力系统绝缘配合10.1绝缘配合的基本概念绝缘配合的根本任务、基本原则和核心问题绝缘配合的根本任务：正确处理过电压和绝缘这一矛盾，以达到优质、安全、经济供电的目的绝缘配合的基本原则：综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压（工作电压和过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对电压的耐受特性，合理确定设备必要的绝缘水平，使设备造价、维护费用和绝缘故障损失的总体效益最高。技术上：处理好各种作用电压、限压措施、设备绝缘耐受能力之间的相互配合关系经济上：协调投资、维护和事故损失三部分费用关系。核心问题：确定各种电气设备的绝缘水平绝缘设计的首要前提设备所承受的电压：运行电压、工频过电压，雷电和操作过电压试验电压分：短时工频和长时间工频试验电压、雷电冲击试验电压目标：作用电压与绝缘强度的全伏秒特性配合绝缘配合中存在的问题（1）架空线路与变电所之间的绝缘配合早期，取输电线路绝缘水平低于变电所设备绝缘水平线路绝缘自恢复，而变电所设备绝缘不可自恢复大多数过电压源于输电线路线路作为变电所设备的“避雷器”现在，输电线路绝缘水平高于变电设备通过避雷器（特别是MOA），变电所防雷水平大幅提高通过避雷器保护，可以降低变电所设备的绝缘水平通过线路将雷电波引入变电所避雷器，同时保护线路和设备但需要限制雷电波的陡度、幅值：进线段保护同杆架设的双回线之间的绝缘配