输电线路分闸操作过电压研究

PAGEPAGEII输电线路分闸操作过电压研究摘要：现在电网电压的水平原来越高了，因此对传输线过电压容许值的要求也比以前更加的严格。由线路故障，空载线路开关，隔离开关操作空载母线，空载变压器的操作或系统中由相对或相间瞬态过电压引起的电压又被称作是操作过电压。特高压输电技术的一个重要技术和经济参数是绝缘水平，绝缘水平与过电压倍数的联系非常的密切。特高压长距离传输线的长距离电容效应可能会造成比较高的工频过电压，这种情况下继续操作输电线路开关的话就会引起高频过电压，并且其连接的设备具有更高的过电压，怎么样让操作的特高压输电线路电压倍数保持在一个相对稳定的范围内，对于我们来说是迫切需要解决的问题。在国内外超高压系统中使用避雷器和闭合电阻来限制过电压，但是得到的结果并不是很理想。关键词：330KV；输电线路；操作过电压；抑制措施

目录引言 11操作过电压分析 11.1间隙电弧接地过电压 21.2切除电感性负载过电压 31.2.1切除空载变压器(简称切空变)过电压 31.2.2开断电动机过电压 31.3切除电容性负载过电压 41.3.1切除空载线路(简称切空线)过电压 41.3.2开断电容器组过电压 51.4解列过电压 52.330kV输电线路操作过电压的抑制 62.1断路器附加单级合闸电阻 62.1.1断路器附加单级合闸电阻的模型 62.1.2断路器合闸电阻值及接入时间选取 72.2安装金属氧化物避雷器（MOA） 82.2.1金属氧化物避雷器的结构特性 82.2.2金属氧化物避雷器的优点 9结论 10致谢 10参考文献 10PAGE2引言对于330kV及以上的电压电平来说，工作过电压是确定绝缘水平和设备选择很重要的一个原因。为了限制工作过程中过电压的增加，国内外已经进行了很多的调查和分析，提出采用金属氧化物避雷器（MOA），闭合电阻等工作来对其进行限制。安装闭合电阻会使断路器的结构更加复杂，降低断路器的可靠性和成本，同时国内外的经验表明，随着运行时间的延长，断路器合闸电阻运动机构故障概率大。所以说，规定了：330kV线路空载关闭的过电压不应该要比2.2P.U.小，如果线路小于200km的时候，只能用MOA限制闭合过电压。另一方面，当线路长度超过200km时，我们到底应该怎么办还没有明确的解决方案，我们把330kV实际线路看成是一个例子，使用EMTP研究在不同的线路长度，不同的工作模式，不同的测量过电压抑制的电压操作，希望可以得到一个很好的结果。1操作过电压分析电力系统是稳定的系统，如果系统中有的任何干扰（例如电气部件的操作，各种故障的发生等）都会造成系统的一部分或甚至整个系统的电量变化。由于操作模式调整，设备维修等原因，电源系统往往会将设备进入或不进行操作;或由于输电线路故障，继电保护装置动作故障消除，自动重合闸装置动作，线路进行再投资。当系统中的断路器由于上述任何原因而操作时，电力系统将从一个稳定状态转换到另一个。进行转换的时候，产生高于电源电位的过电压，因为电源继续供应能量，并且存储在电感器中的磁能或电容器中的静电场能量被释放或转换。它们在几毫秒到几十毫秒内瞬间过电压消失，这种瞬态过电压从工频电压和系统的振荡频率叠加到电压上，过电压被称为过电压电压操作。操作过电压是电力系统内由系统中的断路器操作和由各种故障导致的瞬变引起的另一种类型的过电压。与瞬态过电压相比，工作过电压通常具有高幅度，高频振荡，强阻尼和比较短的持续时间。工作过电压有下面这几种：（1）间隙电弧接地过电压;（2）去除容性负载过电压;（3）去除电感性负载过电压;（4）解列过电压;为了提高传输容量和降低电压损耗，特高压输电线路参数的分布电阻和电感与EHV传输线路的参数相比相对较小，分布电容相对较大，超高压传输线一般较长。EHV输电线路上单相重合闸的过电压通常低于空载线路，我国的过电压系统一般不采用三相重合闸，过电压绝缘过压的运行时间比较长，并且具有高振幅，高频振荡，阻尼大，持续时间短等优点，是最严重的高压电网过电压，在最不利的情况下，过电压倍数会得到很大程度的提高。1.1间隙电弧接地过电压单相接地是主要故障形式的运行电网，在中性点不电网中，单相接地不改变三相绕组电压互感器的对称性，而接地电流一般不大，不立即切断线路，电源，操作人员可通过设备接地的要求尽量找到故障位置，尽快的做出相应的反应，大大提高了供电的可靠性。然而，单相接地操作将导致非故障相电压升高。通过接地点的电流Ijd是非故障对地电容电流的总和。令A接地，取电源电位e（t）的幅度为Em，相电压同相：当接地电流通过零时，电弧必须暂时熄灭，当恢复电压超过其恢复强度时将再次发生在接地故障。随着每次再击穿，将引起电磁能量在强振荡的电源，非故障相，系统中性点甚至故障相变过程过电压。如果A相电压以-Em的幅度地对地，则A相电流刚好过零，并且非故障对地电容上的电压从初始电压0.5Em转换到新的稳态瞬时值1.5Em。根据LC串联振荡电路的数学解，在转换期间可出现在非故障相中的最大电位电压可近似为：其中：UW是新的稳态电压，U0是初始电压。所以说，在这种情况下从正常操作到A相对于闪络转换过程，非故障相呈现最高电压：A相电压逐渐恢复，然后在半个功率周期后，A相恢复电压可高达-2风，这将导致电弧重新点火，导致非故障相电压从初始值0.5风线电压瞬时值为1.5E，过渡过程中最大过电压：根据上面提到的内容，在不接地电网的中性点出现单相电弧接地故障，过渡过程产生的最大电压是1.5Em。1.2切除电感性负载过电压在电力系统里面往往由于感性负载运行中断，进行正常工作的时候，空载变压器可以相当于一个磁化电感，所以取出空载变压器相当于去除了一个小容量感性负载。类似地，去除消弧线圈，并联电抗器，大电机也去除电感负载，在这些操作中可能发生较高幅度的过电压，对工作的进度产生一定的影响。1.2.1切除空载变压器(简称切空变)过电压切断空载变压器也是电网里面经常会见到的一种操作的方法，在开路负载变压器运行前，电路由工频电压提供压力，通过c（变压器等效电容和无负载变压器侧的线路和所有电气设备的接地并联电容的值）远小于流经z的电流（空载变压器励磁电感），因此c的存在可以忽略不计。通过断路器的电流是电感器电流i，一般来说对于变压器额定电流为0.5-4，有效值大概有几安。空载变压器的拆卸由断路器来实现其操作，断电过程与断路器断路器的能力有明显的关系。当使用具有灭火能力和电流大小的断路器时，由于当小电流被切断时熄弧能力并不是很强，所以在电流通过零之前不会发生熄弧现象。在使用熄弧能力和高压断路器的电流大小时，因为断路器的容量被切断了大电流设计，当使用该断路器切断较小的励磁电流时，可能会出现励磁电流在到达零点之前（或者，如果磁化电流小，甚至在电流接近最大时突然截断），发生强制灭火，这是断路器的闭合。在去除空载变压器的时候，主绕组由主振荡产生的主电流通过铁芯连接，因此变压器的另一端电容也参与振荡电路的变换，应该支付注意变压比降低电容到同一侧。如果变压器连接到较长的连接电缆，特别是电缆，地的电容值增加的复读很明显，大大降低了截止电压。作为电磁接触的结果，跨接变压器绕组的电压以获得相同倍数的过电压值。考虑到高压绕组的绝缘裕度，低边较小，因此在变压器中，低压侧的断路，同样会威胁到高压绕组的绝缘。1.2.2开断电动机过电压高压感应电动机是一种感性的负载，在断路的过程里面，断路器也应该切断感性电流，将类似于切换已经产生过的电压。但是电机的参数与滑差率的变化，断开开路负载电机和制动器的制动状态不同，电机的过电压不一样。打破高压电机的过电压除了电机的容量，工作条件和电网参数外，还要与使用断路器类型。对于小型油路断路器，主要是由于闭合引起的过电压关闭，带有真空断路器，除了截止过电压外，还产生三相开关过电压和高频过电压。如果电机启动，启动电流非常大，导致继电器保护动作，断路器切断电机，转子绕组速度接近零，电磁暂态过程和短路变压器相似。转子绕组等效于变压器次级绕组的短路。定子绕组的起动电流通常为额定电流的5-6倍。断路器的截止值的数值非常大。转子绕组电流远大于空载。电机过电压将远远大于负载切断电机。紧接着，相同的时候断开过电压实际项目一般通过三相电源电缆和电源连接，并在电缆芯线之间的相间电容。当第一次开路闭合或重新点火过电压时，瞬态高频电流通过电磁耦合在另外两个同时感应出高频电流。这些高频电流叠加在原始工频电流上，因此，两相电流是零交叉的。对于频率，高频过程非常快，可以认为三相闭合是同一时间，所以称为三相同时过电压。如果电机容量较大或处于制动状态，工频电流的断开相应增加，使叠加的高频电流不足为零，那么其他两相不会同时闭合。所以这种过电压只有在关断小容量空载电动机时才会发生。过电压运行经验我们可以发现，断开电机的制动状态，电流非常大，很难发生闭合。如果开关电弧频率在零弧后，接触距离非常小，介质恢复强度不高，可能无法承受恢复电压电弧再起弧的作用。这种再点火电压不仅是高振幅，而且主绝缘和相电机绝缘的陡度是一个很大的威胁。假设在再点火振荡时在高频电流的第一过零点处电弧熄灭，这是过电压发展的严重情况。事实上，在高频过烧过电压的开发中，在高频电流的第一过零点的时候并没有总是发生电弧熄灭，并且这种现象通过几个穿过零点的高频电流产生。然而，再点火过电压的幅度和陡度并没有和前面提到的问题一样严重，带来的后果还是比较轻的。1.3切除电容性负载过电压断开开路或电容器组，由于断路器触点重新燃烧，使线路或电容器从电源获得能量并积累，这样的话就变成了过电压。1.3.1切除空载线路(简称切空线)过电压切断线在系统里面是非常普遍的一种操作，这个时候如果断路器重新点火将产生过电压。中国在35-220kV电网里面，一直由于空载线路的去除而造成多次故障引起的过电压。通过很长时间的操作经验表明：如果使用断路器的电弧容量不够强，使得触点之间的电弧重新点火，去除空载线路的过电压会发生更多的安全隐患，所以，产生这种电压的根本原因是电弧的重新燃烧。切线过电压不仅振幅高，线路侧过电压持续时间可达0.5-1个频率周期甚至还会更高。空载线路可以是电感器和电容器串联的近似等效。由于电弧的重新点火和熄灭由于过电压的进行并不具有太大的规律，所以过电压可能由分析时的过电压引起。因此在实际操作的过程中我们需要确定电弧的熄灭和再点燃时间。第一点，断路器触点重新点火具有显着的随机性，实际操作的过程中不必每次都重新燃烧，即使重新点火不一定达到最大电源线电压并且发生反向极性。如果提前发生再起弧，则振荡幅度和相应的过电压减小;当再起燃发生在电弧中断后的工频频率周期的四分之一内（这种情况称为重新点火）时，再点火不发生电压。恰恰是因为这种现象，在电弧断开之后，油断路器触头的触头之间的电介质的介电强度可能非常慢，并且可能发生几次重燃，但不一定是严重的过电压。第二点，电弧具有明显的随机性，在再燃烧后不一定是高频电流过零弧中的第一次，显然，如果第二零个或更多时间内的高频电流被切断，线路上残余电压大大降低，使断路器触点之间的恢复电压和重新点火电压大大降低。同样，当总线上存在其它条件时，其可以在再充电时降低空载线路的初始电压，并且可以吸收部分振荡能量。此外，有源负载的出现，增强的阻尼效应，也可以减少重新点火过电压。中性点接地方法对切线的过电压有很大的影响。在中性点直接接地，三相基本上形成自己的独立回路，因此断路过程分析可以用单相电路近似。然而，当中性点不接地或消弧线圈接地时，由于三相断路器动作的差异和熄弧时间的差异而形成瞬态不对称电路。中性点具有位移电压，相互影响，在不利条件下，使得过电压浪涌显着增加。一般来说，比中性点直接对地过电压网格增加约20％。更严重的是线路单相接地，声相电压上升到线电压，子栅极电压将接近线路直接到地线时间。1.3.2开断电容器组过电压在电源的中性点未接地的系统里面，断开电容器组的过电压有两种类型，这里不做详细的说明。1.4解列过电压在多源电源系统里面，异步或对称短路会导致系统反序列化，从而在单端电源的空载线路上产生反序列化过电压。系统处于异步操作状态，电源线两端的电势差可以为0-180°之间的任意值，如果环境不是很理想，两端接近反向电势（即接近180°）在这一点上，过电压是最严重的。如果系统不同步，则断路器K的线路侧电压为-Uk，因为两端的电源的电位接近相反。当K跳闸并且系统解除对准时，由于存在具有长线的功率e（t），线路端部处的电压增加。稳态值为+Uw。所以K断开，断路器两侧的电压振荡，线路侧从-U，转变到+Uw，转换期间的最大电压是:分析这个式子的时候，断路器K的触头间恢复电压最大值为:从上述可以看出，影响过电压解的主要因素是两端电位差之间的差值8，考虑到不同的断路器和补偿所造成的一些干扰因素，导致最大解过电压的功角差8<1800。第二点，线路长度，工作条件，以及溶液仍然空置后与长线电源容量也有很大关系。对于某一网络而言，其中击穿的能力也会影响过电压的大小，影响故障位置前后的冲击断线U和U的值，如断点零电位，电压和不高，同时切断短路等都会收到一定的干扰。产生最大序列化过电压的概率非常的小，因为不容易同时满足几个缺点。除了这些，可以使用自动化设备，使得在该范围的两端处的电位摆动的振荡的异步操作不超过一定的断开范围，这可以限制过电压的击穿。2.330kV输电线路操作过电压的抑制2.1断路器附加单级合闸电阻电力线传输线开关的操作，如果不是有适当地阻尼，不然将导致传输线和连接到其的设备的高过电压。很长一段时间，超高压系统配备有带断路器的闭合电阻器，作为控制系统闭合或重合闸操作的过电压措施，即在开关闭合或重合闸过程中，主触头闭合前，首先在负载电路中串联一个短时闭合电阻，缓冲瞬态过电压。2.1.1断路器附加单级合闸电阻的模型断路器合闸电阻图如图2.1所示。关闭时，辅助触点K1首先闭合，然后过一段时间（称为闭合电阻的存取时间），主触点K闭合。从而可以更好的限制开关的过电压。图2.1断路器附加合闸电阻示意图2.1.2断路器合闸电阻值及接入时间选取断路器并联电阻具有不同的电阻，限制了过电压的影响带来了不同的差距。例如，几十千欧（高值）的闭合电阻可以限制截止电压的变化;几千欧的（中值）闭合电阻可以限制切割线和系统过压击穿;闭合电阻可以限制开路过电压。考虑到截止电压可以随着一般的避雷器的保护而改变，可以使用截止过压来提高断路器的灭弧能力，避免同样的问题再一次的发生，因此迫切的需要我们想出一个办法来解决上面提到的问题。图2.1里面进行了一定的描述，闭合电路时，第一辅助断路器辅助触点K1，接通闭合电阻，然后闭合主断路器K，短路接通电阻R，完成闭合线操作。因此，关闭过程可以分为两个阶段，过渡过程中每个阶段的开始值和稳态值之间的差值减小，这样的现象降低了振荡分量的幅度。并且由于电阻的阻尼效应，加速了振荡过程的衰减，这样就限制了过电压的幅值。对机器的工作会带来很大的影响。从限制过电压的角度来看，两级所需的电阻值并不一样。第一级闭路断路器辅助触点K1，电阻R值越大，过电压越小;电阻R为零，相当于没有并联闭合电阻的线路，最大过电压。第二相主触头断路器K，相反，电阻值R越大，过电压也越大，当电阻R变得越来越大没有限制的时候，相当于没有并联闭合电阻，达到了最大的过电压，因此两个闭合相的过电压和闭合电阻之间的关系是一个V形曲线，最低过电压出现在两条线交点的位置上，这点需要我们关注。对于某种类型的断路器，最大闭合过电压将随着电网结构，功率容量，线路长度，相应的闭合过电压V形曲线的变化而发生一定的改变，如果在各种具体情况下，所需并联电阻值对应的最低电阻的过电压值，这一点是不现实的。一般对于某一电压电平来说，经过综合比较技术经济研究，限制过电压的水平，但为了尽量减少通过电阻的电流，保证热稳定性，关闭电阻值的选择更好，较大的栅极电阻，辅助触点的电弧要求也可以降低。所以说，闭合电阻器的实际选择由第二闭合阶段决定。为了确定用于特高压断路器的合适的闭合电阻值，对于特定系统模式的不同闭合电阻器值的值在图2.2中有了一定的解释说明，表示了在国内研究中断路器合闸电阻的相对闭合状态。从数据中我们可以发现不同系统和线路的长度，不同闭合电阻器的闭合过电压电平有所不同，但图2.2并不代表所有UHV线路闭合电阻和过压关系，特别是不能反映各种工作条件过电压实际幅度。然而，从图和其他计算表明，当闭合电阻为300-400时，过压之间相对较低。虽然电阻值低，所需能量比较大，综合比较，考虑采用400的闭合电阻。通过调查发现，并联电阻的作用非常的巨大，为了充分发挥闭合电阻的作用，要求有足够的闭合电阻器存取时间使断路器主触头K闭合，转换过程的前一阶段基本结束，对第二阶段就不会带来什么不好的后果。我们国家的500kV断路器并联闭合电阻的存取时间大概在10-15ms，继续增加闭合电阻的存取时间，以减少闭合统计的过压，影响传输系统和运行模式，有一些明显的效果，有些方式不明显，可是电阻的能量得到了很大程度上的提高，引起了人们的广泛关注。图2.2某种运行方式下不同合闸电阻的合闸操作统计过电压值2.2安装金属氧化物避雷器（MOA）很长的一段时间，避雷器一直在限制电力系统的雷电过电压方面得到了广泛的使用，逐渐的阀式避雷器的改进和金属氧化物避雷器（MOA）得到了一定的发展被越来越多的人所接受，限制放电器的工作过电压活动也得到了更多人的关注。金属氧化物避雷器是20世纪开始的，发展在70年过电压保护的新技术在中国发展的时间还并不是很长，发展的还不是很完善。尽管它出现时间很短，可是它的优点非常的多，可以有效地限制各种高压输电线路的瞬态过电压现象的发生，使电气设备从电器的保护危险中解放出来，现在被越来越多的人所关注到。所以说，近年来金属氧化物避雷器发展潜力巨大，随着金属氧化物避雷器水平的提高其限制工作电压的能力也在上升，对于未来各种避雷器的发展有着决定性的作用。2.2.1金属氧化物避雷器的结构特性金属氧化物避雷器是阀片的基本结构，阀片的主要材料是氧化锌（ZnO），和一部分的别的金属氧化物添加剂混合制成高温焙烧，具有良好的非线性压敏电阻特性，它还有一个名字是压力敏感避雷器。该烧结体的基本结构是氧化锌晶粒的高导电性，电阻率为1.在更高的电压的环境下面，金属氧化物加合物的晶界层中的价电子被拉出，或者电子由于碰撞电离而崩塌，导致载流子的数量得到很大程度的提升。当电场强度为104-105V/cm的时候，电阻率降为1;当施加的电压下降的时候，由于载流子减小复合材料，电阻提升，所以说非线性非常的号。并且其非线性伏安特性在正极性和负极性上是并没有太的差异。金属氧化物阀片在正常工作的环境下，通过的电阻电流并没有很大，通常大概实在10-15uA的范围里面，基本上我们可以把它看做是绝缘的。电压对阀门的作用增加，电流也会增加。当通过阀片的电阻电流为1mA时，作用在避雷器上的电压被识别为起始工作电压。由于氧化锌阀片的非线性特性非常的好，通过10kA的冲击电流的时候对残余电压进行识别，比率一般不大于1.9，压力和保护性能是正相关的关系。2.2.2金属氧化物避雷器的优点压敏电阻新型避雷器是一种非常好的工作，压敏电阻是氧化锌等金属氧化物烧结多晶半导体陶瓷元件，它的阀特性非常的好。压敏电阻新型避雷器的线性系数小，保护特性好，能量吸收能力强，流量大，结构简单，稳定性好，对于研究来说可以提供很多优秀的经验。非线性系数值小。金属氧化物阀片通过1mA-10kA这个范围的电流，a值一般在0.02到0.06的范围里面。在额定电压的作用下，通过的电流非常小，所以可以使无间隙避雷器。保护性能。它不需要清除动作，一旦电压升高，就可以快速吸收过电压能量，避免过电压的情况发生;陡度响应特性非常的优秀;无间隙的氧化物避雷器的性能非常的稳定，和外界环境中温度，湿度，污染等的变化没有什么关系，不受其影响。金属氧化物避雷器基本无流动，动作负载轻，可以进行反复多次的操作。伏安特性是对称的，没有极性问题，操作性能非常良好。流量。避雷器对能量具有很强的吸收能力，没有串联间隙控制，只和阀片自己的强度有一定的而联系。和碳化硅阀片作比较的话，要比氧化阀片流量每单位面积的流量大到4-4.5倍。所以说，使用这种阀门进入避雷器，不仅可以限制大气过电压，而且可以达到实现限制过电压的操作，另一方面还能够承受短时间（频率）过电压。在很多特殊的场合都可以被使用。金属氧化物避雷器具有良好的抗污染性，并且不会由于污染或带电而改变夹套的表面电位分布而影响避雷器的性能。另一方面，由于阀门从大气环境的方面来看对于各种绝缘介质都没有什么排斥现象，所以应用前途非常广泛。结语能够影响内部过电压的原因有很多种，所以对于内部过电压的研究进行的很困难，因为它的种类特别多，很难进行具体的分析。特高压系统除了超高压系统以外和超高压系统有些方面是一样的，他们的传输容量越大距离越远，线路充电功率越大。我们想要让特高压电气设备的绝缘水平得到一定程度上的降低，这就有必要降低工频过电压。因为过电压与系统的额定电压有着一定的关系，特高压输电系统中的工作过电压问题变得更严重。基于文献综述，这篇文章研究了电弧过电压，容性负载过电压，电感负载过电压和过电压的形成机理，以及把330kV输电线路的过电压当成是一个例子。通过与UHV传输线的继电保护和重合闸的配置以及相关自动装置的动作协作来对过电压进行一定程度的限制，实施证明这种方法是可取的，有着一定的价值。致谢本文中实验方案的制定和实验数据的测量记录工作是在×××集团有限公司×××、×××、×××等工作人员的大力支持下完成的，在此向他(她)们表示衷心的感谢。参考文献[1]周浩，余宇红.我国发展特高压输电中一些重要问题的讨论[J].电网技术，2005，29（12）：1-9.ZhouHao,YuYuhong.DiscussiononsomeimportantissuesinthedevelopmentofUHVpowertransmissioninChina[J].powersystemtechnology,2005,29(12):1-9.[2]谷定燮.对我国特高压输电系统过电压和绝缘配合的建议[J].高电压技术，1999，25（1）：29—32.YuDingXie.Overvoltageandinsulationcoordination[J].Highvoltaget