高课件电力系统过电压

第九章内部过电压内部过电压

在电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，使系统参数发生变化，引起系统内部电磁能量的振荡转化或传递从而造成的电压升高，称为电力系统的内部过电压。

内部过电压的产生根源在电力系统内部，其大小由系统参数决定。系统参数的变化原因是多种多样的，因此内部过电压的幅值、振荡频率以及持续时间不尽相同，通常按产生原因的不同可分为：内部过电压暂态过电压工频电压升高空载长线的电容效应不对称短路引起的工频过电压甩负荷引起的工频电压升高谐振过电压线性谐振过电压铁磁谐振过电压参数谐振过电压操作过电压切空线过电压合空线过电压切空变过电压间歇电弧接地过电压电力系统内部过电压暂态过电压是一种在一定位置上的的相对地或相间的过电压，具有一定的振荡频率，由于无阻尼或弱阻尼，因此持续时间较长。操作过电压是电磁过渡过程的过电压。电力系统内部过电压工频电压升高，虽然其幅值不大，一般来说，对正常绝缘的电气设备没有威胁。但工频电压的升高常伴随操作过电压，其大小直接影响操作过电压的幅值。谐振过电压在电感和电容元件间形成的振荡，持续时间较长。而现有的限压保护装置的通流能力和热容量都很有限，无法防护谐振过电压。确定绝缘水平时，要求各种绝缘均能可靠地耐受尚有可能出现的谐振过电压的作用，而不再专门设置限压保护措施。操作过电压所指的操作应理解为由于“操作”导致

“电网参数的突变”引起的过渡过程，这一类过电压的幅值较大，持续时间短。分析内部的过电压的发展过程，可以采用分布参数等值电路及行波理论，也可采用集中参数等值电路的暂态过程计算方法。内部过电压的能量来自电网本身，它的幅值大小与电网的工作电压有一定的比例关系，用工作电压的倍数（过电压倍数）来表示。其基准值通常取电网的最大工作相电压幅值UΦ

。（雷电过电压用幅值绝对值来表示）。Un－系统额定电压有效值，kV

电力系统内部过电压操作过电压

电力系统中的电容、电感元件均为储能元件。当系统操作或故障使其工作状态发生变化时，将产生电磁能量振荡的过渡过程。在设备上将会产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。它是高频振荡、强阻尼、在几毫秒至几十毫秒后衰减消失的过电压。可采用限压保护装置和其他技术措施来加以限制。电力系统常见操作过电压种类一、切除空载线路过电压（中性点直接接地系统）二、合空载线路过电压（中性点直接接地系统）三、切除空载变压器过电压（中性点直接接地系统）四、电弧接地过电压（中性点不直接接地系统）在不同电压等级中起主导作用的操作过电压类型：6～10kV，35～60kV：电弧接地过电压110～220kV：切空载变压器，切除空载线路过电压330～500kV：合空载线路过电压切除空载线路是电力系统中常见的操作之一。产生过电压的原因是断路器分闸过程中的重燃现象。切除空载线路时引起的操作过电压幅值大、持续时间长。9.1切除空载线路过电压发展过程影响因素和限制过电压大小的措施

切除空载线路等值电路

容性电流，通常为几十到几百安，比短路电流小得多。此时断路器切断的是较小的电容电流充电（电容）电流比电压u超前90°，触头间的电弧总是要到电流过零点附近才能熄灭，这时电源电压正好处于幅值的附近，触头间的电弧熄灭后，线路对地电容上将保留一定的剩余电荷，导线对地电压将保持等于电源电压的幅值。空载线上的电压与电流11切空线时电压沿线分布分析切空线时电压沿线分布图（1）设第一次熄弧（t=0）发生在熄弧后全线对地电压将保持（2）t=T/2(T为正弦电源电压的周期)时，电源电压变为，触头间电位差（3）电弧重燃，对地电压由变成相当于一个幅值为的电压波和相应的电流波i()从线路首端向末端传播，所到之处电压变为，电流由0变为(b)12切空线时电压沿线分布图(4)的电压波传到线路的开路末端发生全反射，电压变为电流波发生负的全反射，反射波所到之处，合成电流为0

（c）(5)反射波到达线路首端时（），触头间的电流反向,因而必然有一过零点，电弧再次熄灭。13（6）熄弧后，线路再次与电源分离，其对地电压为，电源电压按正弦规律变化，当t=T时，电源电压u又由变为，作用在触头间的电位差增大为，电弧再次重燃。（7）线路对地电压由转变为，相当于一个幅值等于的电压波由线路首端向末端传播，相应的电流（d）14依此类推，线路上的过电压将不断增大(8)当这个电压波和电流波到达开路末端时，又将发生全反射，线路上的合成电压将等于(e)15t=t1时，开关K发生第一次熄弧t=t2时，开关K发生第一次重燃t=t3时，开关K发生第二次熄弧t=t4时，开关K发生第二次重燃UC=-UφUCmax1=3UφUCmax1=3UφUCmax2=-5UφUmax

＝U稳态＋(U稳态－U起始)＝2U稳态－U起始线路最高暂态幅值：过电压产生的根本原因：断路器的电弧重燃

断路器的灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值越高。限制过电压的措施：提高断路器的灭弧性能，减少或避免电弧重燃；采用不重燃断路器加装并联分闸电阻（先打开主触头K1,1.5~2周期后再将辅助触头K2打开，完成整个拉闸动作）降低触头间的恢复电压、避免重燃。

利用避雷器来保护

ZnO或磁吹避雷器安装在线路首端和末端，能有效地限制这种过电压的幅值。9.2合闸空载线路过电压空载线的合闸分为两种情况，即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，由于两者的初始条件不同，重合闸过电压是合闸过电压中最严重的一种。合空载线路是电力系统中常见的一种操作。1、计划性合闸过电压Umax

＝U稳态＋(U稳态－U起始)＝2U稳态－U起始空载线路U起始＝0；

Umax

＝2U稳态＝2Emω0振荡回路的自振角频率A、B—积分常数过渡过程：分析表明：合闸过程是电源通过L向C充电的过程。Uc包括两个分量，即角频率与电源角频率相同的稳态分量（其幅值与系统参数密切相关，实际上反应了空载线路的电容效应）和角频率为ω0

的自由分量。自由分量的角频率取决于系统参数。

实际上，回路存在电阻与能量损耗，振荡将是衰减的，通常以衰减系数来表示。可得其波形见下图，最大值将略小于21电源电压并非直流电压，而是工频交流电压，这时的表达式将为其波形如下图所示222、自动重合闸过电压正常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初始电压uc(0)=0

。运行中的线路发生故障，由继电保护系统控制跳闸后，经过一短暂时间后再合闸－－自动重合闸操作。如果是自动重合闸的情况，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激烈。非短路相在Em或－Em峰值处熄弧（负载为空载线路）重合闸在0.5s后进行，当电源极性与线路残余电压相反时，最大振荡电压为3Em。影响过电压产生的主要因素：合闸相位如果合闸不是在电源电压接近幅值时发生，出现的合闸过电压自然就较低了。线路损耗线路损耗能减弱振荡，从而降低过电压。线路残余电压的变化：在自动重合闸之前，大约有0.5s的间歇期，导线上的残余电荷在这段时间内会泄放掉一部分，从而使线路残余电压下降，因而有助于降低重合闸过电压的幅值限制过电压的措施：在断路器中加装并联合闸电阻(对自由分量起阻尼作用降低过电压幅值）；采用同步合闸；消除和削弱线路残余电压(电磁式电压互感器)装设避雷器。(安装在线路首端和末端的氧化锌或磁吹避雷器)空载变压器在正常运行时表现为一激磁电感。切除空载变压器就是开断一个小容量电感负荷，会在变压器和断路器上出现很高的过电压。在开断并联电抗器、消弧线圈等电感元件时，也会引起类似的过电压。

9.3切除空载变压器过电压过电压产生的原因截流现象：流过电感的电流在到达自然零点前被断路器强行切断，使得储存在电感中的磁场能量被强迫转化为电场能，导致电压的升高。切空变容易发生截流现象。切断100A以上的交流电流时，电弧通常都是在工频电流自然过零时熄灭的；但当被切断的电流较小时（空载变压器的激磁电流很小，一般只是额定电流的0.5％～5％，约数安到数十安），电弧提前熄灭，亦即电流会在过零之前就被强行切断。切除空载变压器等值电路及波形图电源内电感变压器的激磁电感等值对地电容电流自然过零时被切断，电容和电感上的电压正好等于电源电压u的幅值。电容上的电荷通过电感作振荡性放电，并逐渐衰减至零（因为存在铁心损耗和电阻损耗），这样的拉闸不会引起大于的过电压。如果电流在自然过零之前就被提前切断，设此时的瞬时值为，的瞬时值为，则切断瞬间在电感和电容中所储存的能量分别为切除空载变压器等值电路30此后即在、构成的振荡回路中发生电磁振荡，在某一瞬间，全部电磁能量均变为电场能量，这时电容上出现最大电压若略去截流瞬间电容上所储存的能量，则电容上出现的最大电压式中—变压器的特性阻抗31影响因素：断路器的性能(灭弧能力越强，切断电流能力越强，过电压越高)；变压器的参数(电感越大，电容越小，过电压越高)。通常过电压倍数为2～3，有10%可超过3.5，极少数可达4.5～5.限制措施：变压器侧加装阀式避雷器。从变压器入手，减小变压器的特性阻抗。使CT增大或电感LT减小。电弧接地过电压主要发生在中性点不接地的电网中系统出现单相接地故障时。接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的电流，这种电容电流在6～10kV系统(>30A)、35～60kV系统(>10A)中难以自行熄灭。由于电弧不稳定(间歇性电弧)，引起系统强烈的电磁振荡过程，产生电弧接地过电压。7.4间歇电弧接地过电压1、发展过程过电压的发展过程和幅值大小都与熄弧的时间有关。存在两种熄弧时间：电弧在过渡过程中的高频振荡电流过零时即可熄灭电弧要等到工频电流过零时才能熄灭故障点电流与电弧的关系

接地电流是线路对地电容所引起的电容电流2）故障电流的大小与电网额定电压和线路总长度成正比因为I2与I3在相位上相差60º，所以故障点的电流幅值若系统较小，线路不长，线路对地电容电流小，流过故障点的电流也小，许多暂时性的单相电弧接地故障(如雷击等)，故障过后电弧可以自动熄灭。随着系统的发展和电压等级的提高，单相接地故障电流成比例地增加。接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的电流，这种电容电流在6～10kV系统(>30A)、35～60kV系统(>10A)中难以自行熄灭。由于电弧不稳定(间歇性电弧)，引起系统强烈的电磁振荡过程，产生电弧接地过电压。工频电流过零时熄弧故障相健全相第一次熄弧注：实线为实际电压线电压相电压电弧重燃t2时刻熄弧，三相导线电压对地偏移：熄弧后t2

+作用在三相导线对地电容上的电压为此时三相电源电压叠加上此直流偏移电压。--相电压幅值故障现象故障时间U1U2U3U2maxU3max接地故障t1-Uxg-0.5Uxg-0.5Uxg-2.5Uxg-2.5Uxgt1+0-1.5Uxg-1.5Uxg第一次熄弧t2-01.5Uxg1.5Uxg1.5Uxg（不会引起过渡过程）1.5Uxg（不会引起过渡过程）t2+01.5Uxg1.5Uxg电弧重燃t3-2Uxg0.5Uxg0.5Uxg-3.5Uxg-3.5Uxgt3+0-1.5Uxg-1.5Uxg影响过电压的因素电弧熄灭与重燃的相位系统的相关参数相间电容、线路损耗中性点接地方式消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（1）消弧线圈电流补偿线路容性电流消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（2）欠补偿IL<IC全补偿IL=IC过补偿IL>IC7.7谐振过电压

电力系统中存在着大量储能元件，即储存静电能量和储存磁能的元件电容元件：电场效应（串补，并补电容器，过电压保护用的电容器）;线性元件43电感元件：磁场效应（变压器，发电机，消弧线圈）；在不同条件下，可分为线性，非线性和呈周期变化的特性元件电阻元件：热能效应；阻尼；线性元件谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态或准稳态现象。在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐波幅值会急剧上升。(一)线性谐振过电压

电路中的电感L与电容C、电阻R一样，都是线性参数。限制方法使回路脱离谐振状态或增加回路的损耗。在电力系统设计和运行时，应设法避开谐振条什以消除这种线性谐振过电压。

(二)参数谐振过电压

系统中某些元件的电感会发生周期性变化（发电机），和电容性负荷（空载线路）参数配合，产生参数谐振。这种现象叫作发电机的自激或自励磁。发电机投运前：自激校核，以避开谐振点。

(三)铁磁谐振

当电感元件带有铁心时。一般都会出现饱和现象，这时电感不再是常数．而是随看电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件时，就会产生铁磁谐振现象，

运行经验表明，它是电力系统某些严重事故的直接原因，在设计和运行时避开它。

铁磁谐振的谐振频率可能是电源频率的整数倍和分数倍，分别称为高频谐振和分频谐振，振荡频率等于或接近电源频率时产生的谐振过电压称为基波谐振过电压1.稳定工作点和谐振条件46

由于UL与UC的相位相反，当UL>UC时，电路中的电流是感性的，反之电流就是容性的。E和ΔU曲线相交点，就是满足上述平衡方程的点与曲线相交于a1、a2、a3，但是不是都是稳定工作点？物理上判断是否稳定工作点，用“小扰动”理论，即电源电压出现小的扰动ΔE后，工作点能否回到原来的工作点47a1:IΔU>E→Ia’1

→a1;IΔU<E→Ia’’1

→a1

a3：具有与a1相同的性质∴a1和a3点都是稳定工作点（能经受小扰动）48a2：IΔU<E→Ia2→a’2

→a3点

IΔU>E→Ia2→a’’2