高電壓技術(shù) 第11章 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓概述(快講)_XL

1、高電壓技術(shù)廣東工業(yè)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院徐亮徐email:電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓概述 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)1.了解發(fā)、變電所雷電過電壓來源及危害；2.了解發(fā)、變電所的直擊雷防護(hù)；3.掌握發(fā)、變電所的侵入波過電壓防護(hù)的主要措施。包括裝設(shè)避雷器和設(shè)置進(jìn)線段。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn) 發(fā)、變電所的侵入波過電壓防護(hù)的主要措施。教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn) 發(fā)、變電所的侵入波過電壓防護(hù)的主要措施。內(nèi)部過電壓的分類內(nèi)部過電壓的定義內(nèi)部過電壓的定義 電力系統(tǒng)中由于斷路器操作、故障發(fā)生及消失或其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化或傳遞所造成的電壓升高。內(nèi)部過電壓的特點(diǎn)內(nèi)部過電壓

2、的特點(diǎn) 過電壓的能量來源于系統(tǒng)本身，其幅值與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓成正比，用Kn表征過電壓的高低 影響因數(shù)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)運(yùn)行方式、元件的性能參數(shù)、故障性質(zhì)及操作過程等。 系統(tǒng)參數(shù)變化的原因是多種多樣的，因此內(nèi)部過電壓的幅值、振蕩頻率、持續(xù)時(shí)間不相同。內(nèi)部過電壓的分類內(nèi)部過電壓的分類 操作過電壓操作過電壓 因操作或故障引起的暫態(tài)電壓升高。 暫時(shí)過電壓暫時(shí)過電壓 暫態(tài)電壓后出現(xiàn)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的工頻電壓升高或諧振現(xiàn)象，過電壓具有穩(wěn)態(tài)性質(zhì)。 工頻過電壓工頻過電壓 在正?；蚬收蠒r(shí)出現(xiàn)幅值超過最大工作向電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高，或稱工頻電壓升高。 諧振過電壓諧振過電壓 由于操作或故障使系統(tǒng)電感元件與

3、電容元件參數(shù)匹配時(shí)，發(fā)生諧振，產(chǎn)生過電壓。值系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓幅內(nèi)過電壓幅值nK內(nèi)部過電壓)(1 . 0)()()(SwitchingsTemporaryoltageRiseFrequencyVPowerresonance弧光接地解列切空變切空線合空線以內(nèi)）操作過電壓（甩負(fù)荷不對(duì)稱的接地故障空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)工頻電壓升高參數(shù)鐵磁線性諧振諧振過電壓暫時(shí)過電壓 500kV、336km空載線路合閘過電壓倍數(shù)K 隨時(shí)間的變化曲線 合閘后0.1秒內(nèi)的電壓升高：是高幅值、強(qiáng)阻尼、高頻率的操作過電壓。 0.1秒至1秒內(nèi)的電壓升高：是由于發(fā)電機(jī)的調(diào)壓裝置的惰性和線路的電容效應(yīng)，稱為暫時(shí)工頻電壓升高。 大于1

4、秒后，發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)整器發(fā)生作用，電壓下降，2、3秒后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)主要是長(zhǎng)線路電容效應(yīng)引起的穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高。工頻過電壓概述工頻過電壓的定義工頻過電壓的定義 在正常或故障時(shí)出現(xiàn)幅值超過最大工作相電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高，或稱工頻電壓升高。工頻過電壓的分類工頻過電壓的分類按產(chǎn)生的原因分類有：空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng) 當(dāng)首端的輸入阻抗為容性，計(jì)及電源內(nèi)阻抗的影響(感性)時(shí)，不僅使線路末端電壓高于首端，而且使線路首、末端電壓高于電源電動(dòng)勢(shì)。不對(duì)稱接地故障不對(duì)稱接地故障 以單相接地故障最為常見，且引起的工頻電壓升高也最嚴(yán)重。負(fù)荷突變負(fù)荷突變 斷路器跳閘前輸送負(fù)

5、荷的大小、空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)及電壓調(diào)整器的特性、原動(dòng)機(jī)調(diào)速器及制動(dòng)設(shè)備的惰性。 研究工頻過電壓的意義研究工頻過電壓的意義直接影響操作過電壓的幅值（前合閘案例）。持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的工頻電壓升高仍可能危及設(shè)備的安全運(yùn)行（油紙絕緣局放、絕緣子污閃、電暈等）。在超高壓系統(tǒng)中，為降低電氣設(shè)備絕緣水平，不但要對(duì)工頻電壓升高的數(shù)值予以限制，對(duì)持續(xù)時(shí)間也給予規(guī)定。 母線側(cè) 1.3p.u. 線路側(cè) 1.4p.u. 500kV空載變壓器1.3p.u.允許持續(xù)1min 500kV并聯(lián)電抗器1.4p.u.允許持續(xù)1min 工頻過電壓的限制措施工頻過電壓的限制措施裝設(shè)并聯(lián)電抗器：電抗器的感性無功功率部分地補(bǔ)

6、償了線路的容性無功功率?？赏瑫r(shí)降低線路首端及末端的工頻電壓升高。選擇合適的電抗器容量和位置來控制工頻電壓的升高在允許范圍內(nèi)。決定避雷器額定電壓（滅弧電壓）的重要依據(jù)決定避雷器額定電壓（滅弧電壓）的重要依據(jù) 3 3、6 6、l0kVl0kV系統(tǒng)系統(tǒng) 工頻電壓升高可達(dá)系統(tǒng)最高運(yùn)行線電壓的1.1倍，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）規(guī)定為系統(tǒng)最高運(yùn)行線電壓的1.1倍，稱為110避雷器。例如10kV系統(tǒng)的最高運(yùn)行線電壓按1.15Ue考慮，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）為12.7kV。 35-60kV35-60kV系統(tǒng)系統(tǒng) 工頻電壓升高可達(dá)系統(tǒng)的最高運(yùn)行線電壓，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）規(guī)定為系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓

7、的100，稱為100避雷器。例如35kV閥型避雷器的額定電壓（滅弧電壓）為41kV。 110110、220kV220kV系統(tǒng)系統(tǒng) 工頻電壓升高可達(dá)系統(tǒng)最高電壓的0.8倍，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）則按系統(tǒng)最高電壓的80確定，稱為80避雷器。例如：FZ-110J的滅弧電壓為100kV。 330kV330kV及以上系統(tǒng)及以上系統(tǒng) 輸送距離較長(zhǎng)，計(jì)及長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)時(shí)，線路末端工頻電壓升高可能超過系統(tǒng)最高電壓的80，則根據(jù)安裝位置的不同分為：電站型避雷器（即80避雷器）及線路型避雷器（即90避雷器）兩種。諧振過電壓概述諧振過電壓特點(diǎn)及分類諧振過電壓特點(diǎn)及分類 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，電感、電容

8、元件可形成各種振蕩回路，如某一自由振蕩頻率等于外加強(qiáng)迫頻率，發(fā)生諧振，系統(tǒng)元件上出現(xiàn)過電壓。 電感元件： 電力變壓器、互感器、發(fā)電機(jī)、消弧線圈、 電抗器、線路導(dǎo)線電感等。 電容元件： 線路導(dǎo)線對(duì)地和相間電容、補(bǔ)償用的并聯(lián)和 串聯(lián)電容器組、高壓設(shè)備的雜散電容等。諧振是一種周期性或準(zhǔn)周期性的運(yùn)行狀態(tài)，直到破壞諧振的條件出現(xiàn)。諧振過電壓的嚴(yán)重性既取決于它的幅值，也取決于它的持續(xù)時(shí)間。諧振過電壓危及電氣設(shè)備的絕緣。持續(xù)的過電流燒毀小容量的電感元件，還影響保護(hù)裝置的工作條件，如避雷器的滅弧條件。系統(tǒng)中的有功負(fù)荷是阻尼振蕩和限制諧振過電壓的有利因素。對(duì)應(yīng)三種電感參數(shù)，在一定的電容參數(shù)和其他條件的配合下，可

9、能產(chǎn)生三種不同性質(zhì)的諧振現(xiàn)象。線性電感線性電感 線性諧振線性諧振 非線性電感非線性電感 鐵磁諧振鐵磁諧振周期性變化的電感周期性變化的電感 參數(shù)諧振參數(shù)諧振線性諧振線性諧振 諧振回路由不帶鐵芯的電感元件（如輸電線路的電感、變壓器的漏感）或勵(lì)磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件（如消弧線圈，其鐵芯中有氣隙）和系統(tǒng)中的電容元件所組成。在正弦電源作用下，系統(tǒng)自振頻率與電源頻率相等或接近時(shí)，可能產(chǎn)生線性諧振。 消弧線圈補(bǔ)償電網(wǎng)消弧線圈補(bǔ)償電網(wǎng)：消弧線圈與導(dǎo)線對(duì)地電容串聯(lián)諧振，或接近諧振，中性點(diǎn)出現(xiàn)危險(xiǎn)的過電壓 超高壓電網(wǎng)超高壓電網(wǎng)： 線路末端接并聯(lián)電抗器首端斷路器非全相操作線路末端接并聯(lián)電抗器首端斷路器非全

10、相操作 斷開相（A相）有工頻電容傳遞過電壓 （相間電容的耦合作用）； CBA、CCA與LA構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，參數(shù) 配合不當(dāng)時(shí)在斷開相出現(xiàn)較高的 工頻諧振過電壓。非線性諧振（鐵磁諧振） 諧振回路由帶鐵芯的電感元件（如空載變壓器、電壓諧振回路由帶鐵芯的電感元件（如空載變壓器、電壓互感器）和系統(tǒng)的電容元件組成?；ジ衅鳎┖拖到y(tǒng)的電容元件組成。因?yàn)殍F芯電感元件的飽和現(xiàn)象，使回路的電感參數(shù)是非線性的，在滿足一定諧振條件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，并有許多特有的性質(zhì)。斷線引起的鐵磁諧振過電壓斷線引起的鐵磁諧振過電壓 斷線后非全相運(yùn)行，可能組成多種串聯(lián)諧振回路，回路中的電感可以是電網(wǎng)中空載或輕載運(yùn)行的負(fù)載變壓器的勵(lì)磁

11、電感以及消弧線圈的電感，回路中的電容可以是導(dǎo)線對(duì)地和相間的部分電容，電感線圈對(duì)地雜散電容。電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓 電網(wǎng)出現(xiàn)某些擾動(dòng)，如電壓互感器的突然合閘、瞬間單相弧光接地使健全相電壓突升至線電壓、故障相接地消失時(shí)可能有電壓的突然上升，在這些暫態(tài)中的涌流使電壓互感器三相電感飽和，且飽和程度不同，電網(wǎng)三相對(duì)地阻抗明顯不同，此時(shí)與設(shè)備電容或?qū)Φ仉娙輼?gòu)成諧振回路，可能激發(fā)起各種諧波諧振。傳遞過電壓傳遞過電壓 當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生不對(duì)稱接地故障或斷路器不同期操作時(shí)，可能出現(xiàn)明顯的零序工頻電壓，通過靜電和電磁耦合在相鄰輸電線路之間或變壓器繞組之間產(chǎn)生工頻傳遞現(xiàn)象

12、。 若與接在電源中性點(diǎn)的消弧線圈或電壓互感器等鐵磁元件組成諧振回路，還可能產(chǎn)生線性諧振或鐵磁諧振傳遞過電壓。鐵磁諧振的特點(diǎn)鐵磁諧振的特點(diǎn) 相位反傾現(xiàn)象相位反傾現(xiàn)象：回路電流由電感性突變?yōu)殡娙菪浴?外激發(fā)現(xiàn)象外激發(fā)現(xiàn)象： 需要經(jīng)過過渡過程建立起諧振，維持很長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)衰減。如系統(tǒng)的突然合閘、發(fā)生故障以及故障的消除等，這些可造成鐵芯電感兩端的短時(shí)電壓升高、大電流的振蕩過程或電感中的涌流現(xiàn)象。 自激現(xiàn)象自激現(xiàn)象：沒有外界的“沖擊擾動(dòng)”，工作在諧振狀態(tài)。 參數(shù)諧振參數(shù)諧振 諧振回路由電感參數(shù)作周期性變化的電感元件（如凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗在Xd-Xq的周期性變化）和系統(tǒng)的電容元件（如空載長(zhǎng)線）組成回路，當(dāng)

13、參數(shù)配合時(shí)，通過電感的周期變化，不斷向諧振系統(tǒng)輸送能量，將會(huì)造成參數(shù)諧振過電壓。操作過電壓概述操作過電壓發(fā)生在由于操作過電壓發(fā)生在由于“操作操作”引起的過渡過程引起的過渡過程 “ “操作操作”：分、合閘空載線路 1.分、合閘空載變壓器、電抗器 2.各類故障，例如接地故障、斷線故障等 系統(tǒng)的運(yùn)行狀況發(fā)生突然變化，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電感元件和電容元件之間電磁能量的互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換常常是強(qiáng)阻尼的、振蕩性的過渡過程。特點(diǎn)特點(diǎn)（與工頻電壓升高和諧振過電壓相比）過電壓幅值高；強(qiáng)阻尼、高振蕩性；持續(xù)時(shí)間短（幾個(gè)到幾十個(gè)毫秒）；操作過電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、斷路器性能、系統(tǒng)接線、操作類型等因素有關(guān)，其中很

14、多因素具有隨機(jī)性，因此過電壓幅值和持續(xù)時(shí)間也具有統(tǒng)計(jì)性。決定電力系統(tǒng)絕緣水平的依據(jù)之一 對(duì)于電壓等級(jí)低一些的系統(tǒng)，操作過電壓雖不是決定絕緣水平的因素，但常因間隙電弧過電壓等引起事故。 隨著系統(tǒng)電壓的提高，操作過電壓的問題就突出出來，若不采取限壓措施，將導(dǎo)致設(shè)備絕緣費(fèi)用的迅速增加，因此330kV及以上超高壓、特高壓系統(tǒng)操作過電壓及其限制措施的研究就非常重要。 規(guī)程規(guī)定選擇絕緣時(shí)計(jì)算用操作過電壓倍數(shù): 相對(duì)地絕緣相對(duì)地絕緣相間絕緣35-220kV的相間操作過電壓可取相對(duì)地的1.3-1.4倍；330kV的相間操作過電壓可取相對(duì)地的1.4-1.45倍；500kV的相間操作過電壓可取相對(duì)地的1.5倍。系

15、 統(tǒng)過電壓倍數(shù)35-60kV及以下系統(tǒng)（非直接接地） 4.0110-154kV系統(tǒng)（非直接接地）3.5110-220kV系統(tǒng)（直接接地）3.0330kV系統(tǒng)（直接接地）2.75500kV系統(tǒng)（直接接地）2.0或2.2采取必要措施將操作過電壓限制在規(guī)定水平以下采取必要措施將操作過電壓限制在規(guī)定水平以下 線路上裝設(shè)并聯(lián)電抗器，限制工頻電升高改進(jìn)斷路器性能，采用帶有并聯(lián)電阻的斷路器采用金屬氧化物避雷器限制操作過電壓操作過電壓類型操作過電壓類型間歇電弧接地過電壓空載變壓器分閘過電壓（開斷電感性負(fù)載，還包括電抗 器、高壓電動(dòng)機(jī)等）空載線路分閘過電壓（開斷電容性負(fù)載，還包括電容器組等）空載線路合閘過電壓（

16、包括計(jì)劃性、重合閘）解列過電壓內(nèi)部過電壓案例內(nèi)部過電壓案例 -切空線操作過電壓切空線操作過電壓 原因是分閘過程中觸頭間電弧重燃現(xiàn)象所引起的 開斷空載線路等值電路主要影響因素 斷路器的性能 自能式斷路器（如多油斷路器和老式的少油斷路器）開斷小電流時(shí)，滅弧室壓力低，熄弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)慢，易發(fā)生多次重燃（67次）?；謴?fù)電壓低時(shí)重燃過電壓低，但重燃次數(shù)多增加了高幅值過電壓出現(xiàn)的可能性。斷路器觸頭重燃、熄弧具有明顯的隨機(jī)性 分閘時(shí)，不一定每次都重燃，即使重燃也不一定在電源到達(dá)最大值并與線路殘壓極性相反時(shí)發(fā)生。如果重燃提前發(fā)生，振蕩振幅和相應(yīng)的過電壓隨之降低，當(dāng)重燃在斷弧后的1/4工頻周期內(nèi)產(chǎn)生，則不會(huì)引

17、起過電壓。 熄弧不一定在高頻電流第一次過零時(shí)發(fā)生，在第二次過零或更后的時(shí)間才被切斷，線路上殘余電壓大大降低，斷路器觸頭間的恢復(fù)電壓和重燃過電壓都大大減小。限制措施 改進(jìn)斷路器結(jié)構(gòu)改進(jìn)斷路器結(jié)構(gòu) 切除電容負(fù)載時(shí)產(chǎn)生過電壓的根本原因是斷路器的重燃，改進(jìn)斷路器結(jié)構(gòu)，提高觸頭間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度，避免重燃，可從根本上消除這種過電壓。 采用外能式方法滅?。ú捎肧F6，壓縮空氣，帶壓油活塞的少油斷路器），切除空載線時(shí)可做到不重燃，老式的少油斷路器或多油斷路器還存在重燃。 裝分閘并聯(lián)電阻裝分閘并聯(lián)電阻 1.先斷主觸頭DL1，將R串入回路：一是泄放殘余電荷， 二是降低觸頭間電壓，此過程希望R值小；2.經(jīng)1.5-2周波，再斷開輔助觸頭DL2，此過程希望R大， 電容上分壓小，恢復(fù)電壓小，不易重燃。 限制措施 例如，KW-330型空氣斷路器所裝并聯(lián)電阻R為3000。 超高壓少油斷路器由于滅弧性能良好，考慮到少油斷路器加并聯(lián)電阻在結(jié)構(gòu)上有困難，所以未裝并聯(lián)電阻。 在110-220kV中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，切空線過電