高電壓技術(shù)：第12章_暫時(shí)過電壓

1、在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于由于某原因系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)中電磁能量轉(zhuǎn)化，在系統(tǒng)的內(nèi)部過電壓操作過電壓即電磁暫態(tài)過程中過電壓，一般持續(xù)時(shí)間在 0.ls以內(nèi)的過電壓稱為操作過電壓。 12.1 工頻電壓的升高 12.1.1 工頻電壓升高的原因 12.1.2工頻電壓升高的限制措施 12.2 諧振過電壓 12.2.1 諧振的種類 12.2.2 鐵磁諧振過電壓 第12章 暫時(shí)過電壓12.1 工頻電壓升高 一般而言，工頻電壓升高對(duì) 220kV 等級(jí)以下、線路不太長(zhǎng)的系統(tǒng)的正常絕緣的電氣設(shè)備是沒有危險(xiǎn)的。但對(duì)超高壓、遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)絕緣水平的確定卻起著決定性的作用。 0.1s內(nèi)高幅值高頻強(qiáng)阻尼操作過電壓0.1-

2、1s發(fā)電機(jī)慣性長(zhǎng)線容升效應(yīng)暫態(tài)工頻過電壓大于1s長(zhǎng)線電容效應(yīng)穩(wěn)態(tài)工頻過電壓我國(guó)第一個(gè)500kV輸變電系統(tǒng)中實(shí)測(cè)的336km空載架空線路合閘過電壓 末端首端過電壓倍數(shù) 超高壓系統(tǒng)中工頻電壓升高的重要性 工頻電壓升高的數(shù)值是決定保護(hù)電器工作條件的主要依據(jù)，例如金屬氧化物避雷器的額定電壓就是按照電網(wǎng)中工頻電壓升高來確定的。 操作過電壓與工頻電壓升高是同時(shí)發(fā)生的，因此工頻電壓的升高直接影響操作過電壓的幅值。 工頻電壓升高持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備絕緣及其運(yùn)行性能有重大影響。例如，可導(dǎo)致油紙絕緣局放、污穢絕緣子閃絡(luò)、鐵芯過熱、電暈等。工頻電壓升高的原因： 空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)、不對(duì)稱短路引起的工頻電壓升高、突然甩

3、負(fù)荷引起的工頻電壓升高12.1.1 工頻電壓升高的原因（1）空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng) 在集中參數(shù)LC串連電路中，若容抗大于感抗（1/wC wL),電路中將流過容性電流。容性電流流過電感將使得電容電壓高于電源電勢(shì)。 工頻電壓升高的原因：空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)、不對(duì)稱短路引起的工頻電壓升高、突然甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高一條空載長(zhǎng)線可以看作由無數(shù)個(gè)串連的RLC回路構(gòu)成，在工頻電壓作用下，空載線路總?cè)菘挂话氵h(yuǎn)大于導(dǎo)線感抗，線路中將流過容性電流, 因此線路各點(diǎn)的電壓均高于線路首端電壓，而且越往線路末端電壓越高。 列寫分布參數(shù)線路方程，據(jù)末端開路邊界條件： 無窮大電源系統(tǒng)(Xs=0):相位系數(shù)線路末端電壓：任一點(diǎn)x

4、處的電位為：對(duì)于長(zhǎng)度一定的線路，任一點(diǎn)處的對(duì)地電壓是其位置x的余弦函數(shù) 非無限大系統(tǒng)，電源內(nèi)阻（漏抗）的存在加劇了這種容升效應(yīng)。 因?yàn)榫€路電容電流流過電源漏抗產(chǎn)生集中參數(shù)的容升效應(yīng)，使線路首端電壓高于電源電壓。內(nèi)阻的存在猶如增加了線路的長(zhǎng)度。當(dāng) （即 ）時(shí)，當(dāng) l = / 2時(shí)： 1/4波長(zhǎng)諧振（末端電壓無窮大）線路末端電壓：不對(duì)稱短路是電力系統(tǒng)中最常見的故障形式。當(dāng)空載線路發(fā)生單相或兩相接地故障時(shí)，會(huì)使健全相電壓升高。其中單相接地引起的電壓升高更大一些。單相接地時(shí)，故障點(diǎn)各相的電壓、電流是不對(duì)稱的，為了計(jì)算健全相上的電壓升高，通常采用對(duì)稱分量法和復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行分析，不僅計(jì)算方便，且可計(jì)及長(zhǎng)線的

5、分布特性。當(dāng)A相接地時(shí)，B、C兩健全相上電壓的模值為：（2） 不對(duì)稱短路引起的工頻電壓升高其中UA0正常運(yùn)行時(shí)故障點(diǎn)處A相電壓；K為單相接地系數(shù)，與線路的零序電抗X0、正序電抗X1有關(guān)。對(duì)中性點(diǎn)絕緣的310kV系統(tǒng)，X0主要由線路容抗決定。單相接地時(shí)，健全相的工頻電壓升高約為線電壓的1.1倍。因此，在選擇避雷器滅弧電壓時(shí)，取110的線電壓，這時(shí)避雷器稱為110避雷器。對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的35 60kV系統(tǒng)，在過補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行時(shí)X0為很大的正值。單相接地時(shí)，健全相上電壓接近線電壓。因此，在選擇避雷器滅弧電壓時(shí)，取100的線電壓，這時(shí)避雷器稱為100避雷器。對(duì)中性點(diǎn)直接接地的110 220kV系

6、統(tǒng)，X0為不大的正值。由于繼電保護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的要求，需要對(duì)不對(duì)稱短路電流加以限制，故而選用了較大的X0/X1（一般3）。因此，健全相上電壓升高不大于1.4倍相電壓，約為80的線電壓，故采用80避雷器。滅弧電壓：允許作用在避雷器上的最高工頻電壓（3） 突然甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高 線路輸送大功率時(shí)，發(fā)電機(jī)電勢(shì)高于母線電壓。甩負(fù)荷后，發(fā)電機(jī)的磁通不能突變，短時(shí)間內(nèi)將維持較高的電源電勢(shì)不變。 原來負(fù)荷的電感電流對(duì)主磁通的去磁效應(yīng)突然消失，而空載線路的電容電流對(duì)主磁通起助磁作用，使電源電勢(shì)上升, 加劇了工頻電壓的升高。 其次，原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器有一定慣性，發(fā)電機(jī)突然甩掉一部分有功負(fù)荷后，短時(shí)間內(nèi)輸入

7、給原動(dòng)機(jī)的功率來不及減少，主軸上有多余功率，這將使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電源頻率上升，不但發(fā)電機(jī)的電勢(shì)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，而且加劇了線路的電容效應(yīng)。 12.1.2 工頻電壓升高的限制措施在一般情況下，220kV及以下的電網(wǎng)中不需要采取特殊措施來限制工頻電壓升高. 目前我國(guó)規(guī)定：330kV，500kV，750kV 系統(tǒng)，母線上的暫態(tài)工頻過電壓升高不超過最高工作相電壓的 1.3 倍，線路不超過 1.4 倍。 利用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償空載線路的電容效應(yīng)電抗器可以安裝在線路的末端、首端、中間，其補(bǔ)償度及安裝位置的選擇，必須綜合考慮實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式及故障形式等因素，然后確定合理的

8、方案。 在線路末端接入電抗器，相當(dāng)于減小了線路長(zhǎng)度，因而降低了電壓傳遞系數(shù)，可以降低線路的末端電壓。 利用靜止補(bǔ)償器補(bǔ)償限制工頻過電壓 采用并聯(lián)電抗器增加了系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)無功的要求，理想情況是當(dāng)進(jìn)行某操作或發(fā)生事故時(shí)，才投入并聯(lián)電抗器，以降低工頻過電壓。 當(dāng)系統(tǒng)由于某種原因發(fā)生工頻電壓升高時(shí)，可控硅開關(guān)投切電容器組 TSC斷開電容器組，可控硅相角控制的電抗器組TCR導(dǎo)通電抗器組，吸收無功功率，從而降低工頻過電壓。根據(jù)需要，可改變TCR、TSC的導(dǎo)通相角，達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率，控制系統(tǒng)電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。 采用良導(dǎo)體地線降低輸電線路的零序阻抗 故障點(diǎn)健全相電壓的升高，主要決定于由故障點(diǎn)

9、看進(jìn)去的零序阻抗X0 與正序阻抗X1 的比值。X0 ，X1 既包含集中參數(shù)電機(jī)的暫態(tài)電抗、變壓器的漏抗，又包含分布參數(shù)線路的阻抗。 一般情況下電源側(cè)零序阻抗與正序阻抗之比小于1，而線路的零序阻抗與正序阻抗之比則是大于1的。若采用良導(dǎo)體地線，可降低X0 ，進(jìn)而降低由故障點(diǎn)看進(jìn)去的零序、正序電抗的比值，達(dá)到限制工頻過電壓的目的。 計(jì)算表明，電源容量愈大，良導(dǎo)體地線降低工頻過電壓愈明顯。12.2 諧振過電壓12.2.1 諧振的類型電力系統(tǒng)中存在著大量?jī)?chǔ)能元件，即儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的電容元件和儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的電感元件。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，這些電感、電容元件就有可能形成各種不同的振蕩回路，引起諧振過電壓。通常認(rèn)

10、為系統(tǒng)中的電阻元件和電容元件均為線性元件，而電感元件則可分為三類：線性的、非線性的、電感值呈周期性變化的電感元件。與之相對(duì)應(yīng)，可能發(fā)生三種不同形式的諧振現(xiàn)象：（1）線性諧振：電路中的電感L與電容C、電阻R一樣，都是線性參數(shù)。當(dāng)?shù)戎祷芈分械淖哉耦l率等于或接近電源頻率。其過電壓幅值只受回路中損耗（電阻）的限制。在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)設(shè)法避開諧振條件以消除這種線性諧振過電壓。（2）鐵磁諧振：當(dāng)電感元件帶有鐵心時(shí)。一般都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)電感不再是常數(shù)而是隨電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象，它具有系列不同于其他諧振過電壓特點(diǎn)。（3）參數(shù)諧振 ：系統(tǒng)中某些元件的電感會(huì)

11、發(fā)生周期性變化，如發(fā)電機(jī)電感隨轉(zhuǎn)子位置的不同而變化。當(dāng)電機(jī)帶容性負(fù)載時(shí)，在某些參數(shù)搭配下，可能發(fā)生諧振現(xiàn)象（也稱自激），在發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行前，應(yīng)進(jìn)行自激的校核，避開諧振點(diǎn)。諧振線性諧振參數(shù)諧振鐵磁諧振電感元件是線性的；完全滿足線性諧振的機(jī)會(huì)極少，但即使接近諧振條件，也會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓。在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)法避開諧振條件。電感參數(shù)在某種情況下發(fā)生周期性的變化 ；參數(shù)處在一定范圍內(nèi)，就可以使諧振得到發(fā)展。電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行前需進(jìn)行校核，且電感的飽和會(huì)使回路自動(dòng)偏離諧振條件，使過電壓得以限制。 電路中帶有鐵芯的電感元件（變壓器、消弧線圈、電磁式互感器），會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。這種含有非線性電感元件的電路，在滿足一定條件時(shí)，會(huì)與系統(tǒng)中的電容元件（導(dǎo)線對(duì)地電容、相間電容、線圈對(duì)地雜散電容）發(fā)生鐵磁諧振（包括基波和高次諧波的鐵磁諧振）。電力系統(tǒng)中發(fā)生鐵磁諧振的機(jī)會(huì)相當(dāng)多。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它是電力系統(tǒng)某些嚴(yán)重事故的直接原因。改善電磁式電壓互感器激磁特性，或改用電容式電壓互感器； 在電壓互感器開口三角繞組中接入阻尼電阻，或在電