電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓課件

1、第二篇電力系統(tǒng)過電壓及其防護(hù)第六章 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓 在電力系統(tǒng)中，由于斷路器操作、故障或其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的振蕩轉(zhuǎn)化或傳遞從而造成的電壓升高，稱為電力系統(tǒng)的內(nèi)部過電壓。 內(nèi)部過電壓的產(chǎn)生根源在電力系統(tǒng)內(nèi)部，其大小由系統(tǒng)參數(shù)決定。系統(tǒng)參數(shù)的變化原因是多種多樣的，因此內(nèi)部過電壓的幅值、振蕩頻率以及持續(xù)時(shí)間不盡相同，通常按產(chǎn)生原因的不同可分為：電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓暫態(tài)過電壓是一種在一定位置上的的相對(duì)地或相間的過電壓，具有一定的振蕩頻率，由于無阻尼或弱阻尼，因此持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。操作過電壓是電磁過渡過程的過電壓。電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓工頻電壓升高，雖然其幅值

2、不大，一般來說，對(duì)正常絕緣的電氣設(shè)備沒有威脅。但工頻電壓的升高常伴隨操作過電壓，其大小直接影響操作過電壓的幅值。諧振過電壓是在系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)中的電感和電容元件可能形成各種不同的振蕩回路，在一定的能源作用下，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，引起諧振過電壓。其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。操作過電壓指由于“操作”(包括斷路器的正常操作也包括各類故障)導(dǎo)致 “電網(wǎng)參數(shù)的突變”引起的過渡過程中而產(chǎn)生的過電壓，這一類過電壓的幅值較大，存在高頻振蕩、強(qiáng)阻尼、持續(xù)時(shí)間短。分析內(nèi)部的過電壓的發(fā)展過程，可以采用分布參數(shù)等值電路及行波理論，也可采用集中參數(shù)等值電路的暫態(tài)過程計(jì)算方法。內(nèi)部過電壓的能量來自電網(wǎng)本身，它的幅值大小與電網(wǎng)的

3、工作電壓有一定的比例關(guān)系，用工作電壓的倍數(shù)(過電壓倍數(shù))來表示。其基準(zhǔn)值通常取電網(wǎng)的最大工作相電壓幅值Uph.m。(雷電過電壓用幅值絕對(duì)值來表示)。Un系統(tǒng)最高運(yùn)行線電壓有效值，kV 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓第六章 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓6.1 電力系統(tǒng)操作過電壓6.2 諧振過電壓6.1 電力系統(tǒng)操作過電壓 電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為儲(chǔ)能元件。當(dāng)系統(tǒng)正常操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生電磁能量振蕩的過渡過程。在設(shè)備上將會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過渡過程過電壓。它是高頻振蕩、強(qiáng)阻尼、在幾毫秒至幾十毫秒后衰減消失的過電壓?？刹捎孟迚罕Ｗo(hù)裝置和其他技術(shù)措施來加以限制。電力系統(tǒng)常見操作過電壓種類一、切除

4、空載線路過電壓(中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng))二、合空載線路過電壓(中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng))三、切除空載變壓器過電壓(中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng))四、電弧接地過電壓(中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng))五、解列過電壓(中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng))在不同電壓等級(jí)中起主導(dǎo)作用的操作過電壓類型：610kV，3560kV：電弧接地過電壓110220kV：切空載變壓器，切除空載線路過電壓330500kV：合空載線路過電壓切除空載線路是電力系統(tǒng)中常見的操作之一。產(chǎn)生過電壓的原因是斷路器分閘過程中的重燃現(xiàn)象。切除空載線路時(shí)引起的操作過電壓幅值大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。6.1.1 切除空載線路過電壓發(fā)展過程 影響因素和限制過電壓大小的措施 切除空載線路等值電路

5、容性電流，通常為幾十到幾百安，比短路電流小得多。此時(shí)斷路器切斷的是較小的電容電流空載線路分閘過電壓的產(chǎn)生過程工頻電弧電流過零時(shí)熄弧電弧重燃電弧熄弧電弧重燃電弧熄弧t=t1時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第一次熄弧t=t2時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第一次重燃t=t3時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第二次熄弧t=t4時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第二次重燃UC = +EmUCmax1 = -3EmUCmax1 = -3EmUCmax2 = +5EmUmax U穩(wěn)態(tài) (U穩(wěn)態(tài)U起始) 2 U穩(wěn)態(tài)U起始線路最高暫態(tài)幅值：過電壓產(chǎn)生的根本原因：斷路器的電弧重燃 斷路器的滅弧能力越差，重燃幾率越大，過電壓幅值越高。限制過電壓的措施：提高斷路器的滅弧性能，減少或避免電弧

6、重燃；在斷路器中加裝并聯(lián)分閘電阻；（作用：降低斷路器觸頭間的恢復(fù)電壓和降低重燃后的過電壓）裝設(shè)避雷器。ZnO或磁吹避雷器安裝在線路首端和末端，能有效地限制這種過電壓的幅值。6.1.2 合閘空載線路過電壓空載線的合閘分為兩種情況，即正常合閘和自動(dòng)重合閘。這時(shí)出現(xiàn)的操作過電壓稱為合空線過電壓或合閘過電壓， 由于兩者的初始條件不同，重合閘過電壓是合閘過電壓中最嚴(yán)重的一種。合空載線路是電力系統(tǒng)中常見的一種操作。1、計(jì)劃性合閘過電壓Umax U穩(wěn)態(tài) (U穩(wěn)態(tài)U起始) 2 U穩(wěn)態(tài)U起始空載線路 U起始0； Umax 2 U穩(wěn)態(tài)2Em0振蕩回路的自振角頻率 A、B積分常數(shù)實(shí)際上，回路存在電阻與能量損耗，振蕩

7、將是衰減的，通常以衰減系數(shù)來表示。過渡過程：分析表明：合閘過程是電源通過L向C充電的過程。Uc包括兩個(gè)分量，即角頻率與電源角頻率相同的穩(wěn)態(tài)分量（其幅值與系統(tǒng)參數(shù)密切相關(guān)，實(shí)際上反應(yīng)了空載線路的電容效應(yīng)）和角頻率為 0 的自由分量。自由分量的角頻率取決于系統(tǒng)參數(shù)。2、自動(dòng)重合閘過電壓正常合閘的情況，空載線路上沒有殘余電荷，初始電壓 uc(0)=0 。運(yùn)行中的線路發(fā)生故障，由繼電保護(hù)系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)過一短暫時(shí)間后再合閘自動(dòng)重合閘操作。如果是自動(dòng)重合閘的情況，這時(shí)線路上有一定殘余電荷和初始電壓，重合閘時(shí)振蕩將更加激烈。非短路相在Em或Em峰值處熄弧(負(fù)載為空載線路)重合閘在0.5s后進(jìn)行，當(dāng)電源極

8、性與線路殘余電壓相反時(shí)，最大振蕩電壓為3Em。影響過電壓產(chǎn)生的主要因素：合閘相位；如果合閘不是在電源電壓接近幅值時(shí)發(fā)生，出現(xiàn)的合閘過電壓自然就較低了。線路殘余電壓的大小與極性；線路損耗。線路損耗能減弱振蕩，從而降低過電壓。限制過電壓的措施：在斷路器中加裝并聯(lián)合閘電阻(對(duì)自由分量起阻尼作用降低過電壓幅值）；采用同步合閘；消除和削弱線路殘余電壓(電磁式電壓互感器)裝設(shè)避雷器?？蛰d變壓器在正常運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為一激磁電感。切除空載變壓器就是開斷一個(gè)小容量電感負(fù)荷，會(huì)在變壓器和斷路器上出現(xiàn)很高的過電壓。在開斷并聯(lián)電抗器、消弧線圈等電感元件時(shí)，也會(huì)引起類似的過電壓。 6.1.3 切除空載變壓器過電壓過電壓產(chǎn)生

9、的原因截流現(xiàn)象：流過電感的電流在到達(dá)自然零點(diǎn)前被斷路器強(qiáng)行切斷，使得儲(chǔ)存在電感中的磁場(chǎng)能量被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，導(dǎo)致電壓的升高。切空變?nèi)菀装l(fā)生截流現(xiàn)象。切斷100A以上的交流電流時(shí)，電弧通常都是在工頻電流自然過零時(shí)熄滅的；但當(dāng)被切斷的電流較小時(shí)（空載變壓器的激磁電流很小，一般只是額定電流的0.55，約數(shù)安到數(shù)十安），電弧提前熄滅，亦即電流會(huì)在過零之前就被強(qiáng)行切斷。切除空載變壓器等值電路及波形圖電源內(nèi)電感變壓器的激磁電感等值對(duì)地電容切除空載變壓器的過電壓分析ZT: 變壓器特征阻抗；振蕩頻率：m：磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能系數(shù);影響因素：斷路器的性能(滅弧能力越強(qiáng)，切斷電流能力越強(qiáng)，過電壓越高)；變壓器的參

10、數(shù)(電感越大，電容越小，過電壓越高)。限制措施：變壓器側(cè)加裝閥式避雷器。電弧接地過電壓主要發(fā)生在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)。接地點(diǎn)產(chǎn)生接地電弧，并在其中流過非故障相的電流，這種電容電流在610kV系統(tǒng)(30A)、3560kV系統(tǒng)(10A)中難以自行熄滅。由于電弧不穩(wěn)定(間歇性電弧)，引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的電磁振蕩過程，產(chǎn)生電弧接地過電壓。6.1.4 間歇電弧接地過電壓1、發(fā)展過程過電壓的發(fā)展過程和幅值大小都與熄弧的時(shí)間有關(guān)。存在兩種熄弧時(shí)間：電弧在過渡過程中的高頻振蕩電流過零時(shí)即可熄滅 電弧要等到工頻電流過零時(shí)才能熄滅 故障點(diǎn)電流與電弧的關(guān)系 接地電流與故障相電壓角差為90度，其大小與

11、線路的對(duì)地電容與系統(tǒng)的額定電壓成正比因?yàn)镮2與I3在相位上相差60，所以故障點(diǎn)的電流幅值若系統(tǒng)較小，線路不長(zhǎng)，線路對(duì)地電容電流小，流過故障點(diǎn)的電流也小，許多暫時(shí)性的單相電弧接地故障(如雷擊等)，故障過后電弧可以自動(dòng)熄滅。隨著系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級(jí)的提高，單相接地故障電流成比例地增加。接地點(diǎn)產(chǎn)生接地電弧，并在其中流過非故障相的電流，這種電容電流在610kV系統(tǒng)(30A)、3560kV系統(tǒng)(10A)中難以自行熄滅。由于電弧不穩(wěn)定(間歇性電弧)，引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的電磁振蕩過程，產(chǎn)生電弧接地過電壓。工頻電流過零時(shí)熄弧故障相健全相第一次熄弧注：實(shí)線為實(shí)際電壓 線電壓 相電壓電弧重燃t2時(shí)刻熄弧，三相導(dǎo)線電壓對(duì)

12、地偏移：熄弧后t2 +作用在三相導(dǎo)線對(duì)地電容上的電壓為此時(shí)三相電源電壓疊加上此直流偏移電壓。-相電壓幅值故障現(xiàn)象故障時(shí)間U1U2U3U2maxU3max接地故障t1-Uxg-0.5 Uxg-0.5 Uxg-2.5 Uxg-2.5Uxgt1 +0-1.5 Uxg-1.5 Uxg第一次熄弧t2 -01.5 Uxg1.5 Uxg1.5 Uxg（不會(huì)引起過渡過程）1.5 Uxg（不會(huì)引起過渡過程）t2 +01.5 Uxg1.5 Uxg電弧重燃t3 -2Uxg0.5 Uxg0.5 Uxg-3.5 Uxg-3.5 Uxgt3+0-1.5 Uxg-1.5 Uxg影響過電壓的因素電弧熄滅與重燃的相位系統(tǒng)的相關(guān)

13、參數(shù)相間電容、線路損耗中性點(diǎn)接地方式消弧線圈及其對(duì)電弧接地過電壓的限制作用（1）消弧線圈電流補(bǔ)償線路容性電流消弧線圈及其對(duì)電弧接地過電壓的限制作用（2）補(bǔ)償度k= IL / IC脫諧度=1-k欠補(bǔ)償IL 1/3Ck0全補(bǔ)償IL = ICL = 1/3Ck=1, =0過補(bǔ)償IL ICL 1, 0自振角頻率6.2 諧振過電壓諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等于外加強(qiáng)迫頻率的一種穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在這種周期性或準(zhǔn)周期性的運(yùn)行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會(huì)急劇上升。諧振回路中包含有電感L、電容C和電阻R，通常認(rèn)為系統(tǒng)中的C和R(避雷器例外)是線性元件，而電感L有三種不同的特性：線性電感、非線性電感和周

14、期性變化電感，因此相應(yīng)地振蕩回路就具有三種不同特點(diǎn)的諧振現(xiàn)象：6.2 諧振過電壓(一) 線性諧振過電壓 電路中的電感L與電容C、電阻R一樣，都是線性參數(shù)。限制這種過電流和過電壓的方法是使回路脫離諧振狀態(tài)或增加回路的損耗。在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)設(shè)法避開諧振條什以消除這種線性諧振過電壓。 (二) 參數(shù)諧振過電壓 系統(tǒng)中某些元件的電感會(huì)發(fā)生周期性變化。 進(jìn)行自激的校核，避開諧振點(diǎn)。 (三) 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)而是隨看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，它具有一些不同于其他過電壓的特點(diǎn)。串聯(lián)鐵磁諧振等值回路鐵磁諧振過電壓串聯(lián)鐵磁諧振回路的特性曲線小擾動(dòng)判別法實(shí)際工作點(diǎn)：滿足電勢(shì)平衡條件；滿足穩(wěn)定工作條件。不穩(wěn)定點(diǎn)穩(wěn)定點(diǎn)穩(wěn)定點(diǎn)且為諧振點(diǎn)回路呈容性回路電流較大電感電容上出現(xiàn)較高過電壓諧振點(diǎn)但不是穩(wěn)定工作點(diǎn)基波的鐵磁諧振的特點(diǎn)： 產(chǎn)生串聯(lián)鐵磁諧振的必要條件是：電感和電容的伏安特性必須相交，鐵磁諧振可在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生；對(duì)鐵磁諧振電路，在同一電源電勢(shì)作用下，回路可能有不只一種穩(wěn)定工作狀態(tài)；鐵磁元件的非線性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但其飽和特性本身又