操作过电压与绝缘配合

1、 第九章 操作过电压与绝缘配合电力系统过电压外部过电压内部过电压暂时过电压操作过电压在电力系统内部，由于断路器的操作或发生故障，使系统参数发生变化，引起电网电磁能量的转化或传递，在系统中出现过电压，这种过电压称为内部过电压。操作过电压即电磁暂态过程中的过电压；一般持续时间在 0.ls（五个工频周波）以内的过电压称为操作过电压。 在瞬时过程完毕之后出现的稳态性质的包括工频电压升高及谐振过电压；持续时间比操作过电压长。 操作过电压暂时过电压切除空载线路过电压合闸空载线路过电压切除空载变压器过电压中性点不接地系统中的电弧接地过电压工频过电压谐振过电压线性谐振过电压非线性（铁磁）谐振过电压参数谐振过电

2、压空载长线的电容效应不对称短路引起的工频电压升高突然甩负荷引起的工频电压升高内部过电压操作过电压的类型空载线路分闸过电压（开断电容性负载，还包括电容器组等）空载线路合闸过电压（包括计划性、重合闸）空载变压器分闸过电压（开断电感性负载，还包括电抗器、高压电动机等）间歇电弧接地过电压解列过电压操作过电压的特点：幅值高、存在高频振荡、强阻尼和持续时间短，危害性极大。由于操作过电压的能量来源于系统本身，故其幅值与额定电压大致有一定倍数关系，通常以系统最高运行相电压的幅值作为基值来计算过电压倍数K0决定电力系统绝缘水平的依据之一对于电压等级低一些的系统，操作过电压虽不是决定绝缘水平的因素，但常因间隙电弧

3、过电压等引起事故随着系统电压的提高，操作过电压的问题就突出出来，若不采取限压措施，将导致设备绝缘费用的迅速增加，因此330kV及以上超高压、特高压系统操作过电压及其限制措施的研究就非常重要规程规定选择绝缘时计算用操作过电压倍数相对地绝缘系统 过电压倍数 3560kV及以下系统（非直接接地）4.0110154kV系统（非直接接地）3.5110220kV系统（直接接地）3.0330kV系统（直接接地）2.75500kV系统（直接接地）2.0或2.2 相间绝缘35220kV的相间操作过电压可取相对地的1.31.4倍330kV的相间操作过电压可取相对地的1.41.45倍500kV的相间操作过电压可取相

4、对地的1.5倍研究操作过电压方法 理论分析和数值计算模拟试验、现场测试、运行纪录，暂态网络分析仪（TNA）、数字模拟混合实时仿真系统以及先进的仪器仪表本课程主要介绍几种典型的操作过电压形成的原理，影响因素及主要防护措施 9.1 切断空载线路过电压9.2 空载线路合闸过电压（最严重）9.3 切除空载变压器过电压9.4 断续电弧接地过电压9.5 绝缘配合习题和参考答案本章内容是指综合考虑系统中可能出现的各种作用电压、保护装置特性及设备的绝缘特性，最终确定电气设备的绝缘水平。本节内容9.1.1 产生原理9.1.2 影响因素和降压措施返回9.1 切断空载线路过电压9.1.1 产生原理在切空载线路的过程

5、中，虽然断路器切断的是几十安到几百安的电容电流，比短路电流小的多，但如果使用的断路器灭弧能力不强，在切断这种电容电流时就可能出现电弧的重燃，从而引起电磁振荡，造成过电压。因此，电弧重燃是产生这种过电压的根本原因。 多年的运行经验证明：我国在 35 220 kV 电网中，都曾因切除空载线路时过电压引起过多次故障。这种过电压不仅幅值高，持续时间也较长，目前被作为选择超高压长线路绝缘水平的重要因素之一1、 产生原因2、 产生过电压的物理过程 用单相集中参数的简化等效电路来分析，e(t)-电源电动势 ；LS-电源等值漏感；CS-电源侧对地电容（可不考虑）； CT-线路等值电容；LT-线路等值电感，LT

6、1/CT；S-线路电源侧断路器；等效电路简化电路电路SS电流是容性电流，超前线路电压90电容上（线路即）电压UC(t)=e(t),(1)、 在断路器开关S打开前图9-1 切除空载线路时的等值计算电路图设第一次熄弧（设时间为t1）发生断路器的工频电容电流ic(t)过零时，线路上电荷无处泄放，相当于一个直流电源，断路器与线路相连的出头保持此电压即uc(t)保留为Em；断路器与电源相连的出头随电源电动势仍按余弦变化，触头间电压ur(t)为: (2)、 当断路器断开后第一次重燃Ur(t)=e(t)-Em=Em(coswt-1)半周期后，e(t)=-Em，两触头间电压即恢复电压2Em。此时若触头间的介质

7、绝缘强度没有很好恢复，或绝缘恢复强度的上升速度不够快，可能在t2时电弧重燃，相当于一次反极性重合闸。第二次重燃 若电弧继续重燃下去，则可能出现 -7Em ，+ 9Em ， 的过电压，可见电弧的多次重燃是切除空载线路时产生危险的过电压的根本原因。系统实测结果表明，超过 3Em 的过电压概率是很小的，这是因为过电压受多种因素影响的缘故。 高频电容电流过零时（t3）熄弧，uc(t) 保持- 3Em，又过T2，e(t)又达最大值Em，触头间恢复电压ur(t)为4Em。电弧第二次冲然后，出现的最大过电压：（1）断路器的性能 随着断路器制造质量的提高，断路器已能做到基本上不重燃，使得这类过电压降到了次要的

8、位置。（2）中性点接地方式 中性点非直接接地电网中，三相断路器分闸不同期会构成瞬间的不对称电路，使中性点产生位移，相间的耦合，使过电压增高。 9.1.2 影响因素和降压措施1.影响过电压的最大值的因素(3)母线上的出线数母线上有其他出线或大电容时使过电压降低，重燃时电荷重新分配，降低空载线路的初始电压 ，另外，出线的有功负荷，增强了阻尼效应，降低重燃过电压（5）损耗 电晕要消耗能量，电源及线路损耗使过电压降低。(4)在断路器外侧装有电磁式电压互感器等设备 线路侧装电磁式PT时，断路器灭弧后，线路残余电荷经PT阻尼振荡释放，其直流电阻约315k，几个工频周期内残余电荷释放掉，降低了重燃过电压，甚

9、至可避免重燃;无电磁式电压互感器 有电磁式电压互感器220kV切空线过电压倍数K的统计曲线2、消除或降低操作过电压的措施（1）改善断路器的结构，避免发生重燃现象（2）断路器加装并联电阻（3）采用避雷器保护 （4）泄流设备的装设改进断路器结构，提高触头间介质强度的恢复速度，避免重燃，可从根本上消除这种过电压；采用外能式方法灭弧（采用SF6，压缩空气，带压油活塞的少油断路器），切除空载线时可做到不重燃，老式的少油断路器或多油断路器还存在重燃（1）采用不重燃断路器 2、消除或降低操作过电压的措施先断主触头1，将R串入回路：一是泄放残余电荷，二是降低触头间电压，此过程希望R值小经1.52周波，再断开辅

10、助触头2，此过程希望R大，电容上分压小，恢复电压小，不易重燃 （2）装分闸并联电阻 图9-3 带并联电阻断路器1主触头 2辅助触头 R并联电阻分闸电阻的大小根据两触头间的恢复电压及R的热容量确定，一般在K以上；例如，KW-330型空气断路器所装并联电阻R为3000超高压少油断路器由于灭弧性能良好，考虑到少油断路器加并联电阻在结构上有困难，所以未装并联电阻在110220kV中性点直接接地的电网中，切空线过电压最大值(2.8Uphm)是低于线路绝缘水平(3.0Uphm)的，所以我国生产的110220kV各种断路器一般不加并联电阻（3）线路上装设泄流设备 在线路侧若接有并联电抗器或电磁式电压互感器，

11、都能使线路上的残余电荷得以泄放或产生衰减振荡，达到降低过电压的目的。（4）装设避雷器 在线路的首、末端装设可以限制操作过电压的磁吹避雷器或金属氧化物避雷器，可有效的限制过电压的幅值。要求在断路器并联电阻失灵或其他意外情况出现较高幅值的过电压时应能可靠动作，将过电压限制在允许范围内 氧化锌避雷器在限制操作过电压时具有以下特点： 避雷器的操作波放电电压波形可能与工频放电电压不同，且分散性较大 流过避雷器的电流一般小于雷电流，但持续时间长，对避雷器的通流容量要求严 操作过电压作用下避雷器可能多次动作，对阀片及间隙的要求苛刻氧化锌避雷器作为后备保护实测结果：空气断路器，出现2.6倍过电压的概率为0.7

12、3%；油断路器，最大过电压2.8倍；采用中值并联电阻时，过电压小于2.2倍；中性点不接地系统，过电压不超过3.5倍超高压系统采用分闸电阻，过电压倍数最大仅为1.19倍标准中的规定：空载线路开断时，如断路器发生重击穿，将产生操作过电压。a)对Um=252kV等级的线路断路器，应要求在电源对地电压为1.3p.u.条件下开断空载线路不发生重击穿。b)对3.6kVUm252kV等级，110kV 及220kV 开断架空线路该过电压不超过3.0p.u.；开断电缆线路可能超过3.0p.u.。为此，开断空载架空线路宜采用不重击穿的断路器；开断电缆线路应该采用不重击穿的断路器。c)对范围，66kV 及以下系统中

13、，开断空载线路断路器发生重击穿时的过电压一般不超过3.5p.u.。开断前系统已有单相接地故障，使用一般断路器操作时产生的过电压可能超过4.0p.u.。为此，选用操作断路器时，应该使其开断空载线路过电压不超过4.0p.u.。小结：引起切空线过电压的根本原因是断路器断口发生重燃；切空线过电压受多种因素影响，实际过电压倍数不会超过某一数值；限制切空线过电压的根本措施是改善断路器性能，避免重燃；切空线过电压与开断并联电容器组过电压物理过程类似。产生原理原理优点缺点影响因素和降压措施影响过电压的最大值的因素（4点）消除或降低操作过电压采取的措施小 结（本节完）9.2 空载线路合闸过电压空载线路合闸过电压

14、也是一种常见的操作过电压。通常分为两种情况：正常操作（计划性合闸）：零初始条件自动重合闸：非零初始条件由于初始条件的差别，重合闸过电压的情况更为严重。近年来由 于采用了种种措施（如采用不重燃断路器、改进变压器铁芯材料等）限制或降低了其他幅值更高的操作过电压，空载线路合闸过电压的问题就显得更加突出。在超高压、特高压系统中，是决定绝缘水平的重要因素本节内容9.2.1 发展过程9.2.2 影响因素和降压措施线路检修后的试送电;新线路按计划投入运行；此时线路上的情况：不存在任何异常（如接地）；线路电压的初始值为零。若三相接线完全对称，且三相断路器完全同步动作，则可按照单相电路进行分析研究。1. 正常合

15、闸的情况9.2.1 发展过程（a）集中参数等值电路 （b）简化等值电路图9-4 合闸示意图用集中参数的T型等值电路的方法分析这种过电压的发展机理。RT、LT、CT分别为线路等值电阻、电感和电容，R0、L0为电源的电阻和电感。在作定性分析时，可忽略电源和线路电阻的作用，得简单振荡回路，其中电感 。若取合闸瞬间为时间起算点(t0)，则电源电压的表达式为 简化等效回路方程为考虑最不利的情况，即在电源电动势正好经过幅值U时合闸。解方程振荡回路的自振角频率初始值：t=0时，uc=0，i=0，得A=0,B=- U;求得稳态分量自由振荡分量0 / 在1.54的范围内仅关心过电压幅值时：过电压幅值稳态值振荡幅

16、值稳态值（稳态值起始量）2稳态值起始量=2U回路存在电阻和能量损耗，存在衰减的振荡，以衰减系数来表示：一般情况时：电源是工频交流电压u(t),这时uc(t)表达式将为图9-5 合闸过电压波形(a)电源电压为直流电压 (b)电源电压为工频交流电压 由于回路中存在的损耗，我国实测的过电压的最大倍数为1.91.96倍。空载线路合闸时，产生过电压的根本原因：电容、电感的振荡，其振荡电压叠加在稳态电压上所致。 自动重合闸是线路发生跳闸故障后，由自动装置控制而进行的合闸操作。自动重合闸的情况，条件将更为不利，因为：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。在合闸过电压中，以三相重合闸的情况最

17、为严重，其过电压理论幅值可达3U2. 自动重合闸的情况在中性点直接接地系统中，A相发生对地短路，短路信号先后到达断路器Q2, Q1。断路器Q2先跳闸，三相跳闸后，线路成为带接地故障的空载线路，流过断路器Q1中键全相的电流是线路电容电流，当电压电流相位相差900时，断路器Q1跳闸。健全相分别在电容电流过零时熄弧，非故障线路上留有残余电压，图9-6 重合闸示意图 考虑空载线路的容升效应，残余电压为(1.31.4 )U设Q1重合闸之前，线路残余电压已下降30，即(10.3）(1.31.4 U)=(0.910.98 )U。考虑最严重的情况，重合闸时电源电压为U，重合闸时暂态过程中过电压为：U-U-(0

18、.91.98 )U=(-2.912.98) U。实际过程中，过电压还要低些。自动重合闸 9.2.2 影响因素和降压措施 以上对合闸过电压的分析也是考虑最严重的条件、最不利的情况。实际出现的过电压幅值会受到一系列因素的影响，最主要的有：合闸时电源电压的相位角线路损耗线路残余电压的变化（极性和大小）母线上接有其他线路1.影响因素1）.合闸相位合闸相位是随机的，有一定的概率分布，与断路器合闸过程中的预击穿特性及断路器合闸速度有关。 合闸时电源电压的瞬时值取决于它的相位，相位的不同直接影响着过电压幅值，最严重的情况：合闸是相角90， u（0）= Um需要在较有利的情况下合闸：通过专门的控制装置选择合闸

19、相位，使断路器在触头间电位极性相同或电位差接近于零时完成合闸。改进高压断路器的机械特性，提高触头运动速度，防止触头间预击穿的发生；2）线路损耗能量损耗引起自由分量的衰减，使过电压降低。来自两个方面：线路存在电阻，包括电源内阻及线路电阻；电晕损耗，过电压越高，冲击电晕现象越强烈，反过来限制过电压的作用也越显著；电源容量小（xs大）、线路长，线路电容效应显著，合闸于空载长线路是，稳态电压和过电压幅值上升 ，导致了合闸过电压增高；3）电容效应装有并联电抗器，残余电荷经电抗器的阻尼振荡放电，但其电阻阻值小，呈现的是弱阻尼，且补偿度高，振荡频率接近工频，重合闸时可能形成反相合闸 。在自动重合闸的过程中（

20、0.5秒），残余电荷的释放可降低重合闸过电压 ：线路绝缘子存在一定的泄漏电阻，按指数关系衰减，在0.30.5秒内残压下降1030%线路侧电磁式PT，由线路电容、PT的激磁电感及等值电阻（约315k）构成阻尼振荡回路，几个工频周波内，残余电荷几乎可全部释放4）. 线路上残压（残余电荷）的变化 在自动重合闸过程中，由于绝缘子存在一定的泄漏电阻，大约有0.5s的间歇期，线路残压会下降1030。从而有助于降低重合闸过电压的幅值。另外如果在线路侧接有电磁式电压互感器，那么它的等值电感和等值电阻与线路电容构成一阻尼振荡回路，使残余电荷在几个工频周期内泄放一空。4）. 线路上残压（残余电荷）的变化5) 三相

21、断路器不同期合闸断路器合闸时，存在一定程度的三相不同期，因而形成三相电路瞬时的不对称，在中性点非直接接地或中性点绝缘系统更为严重 三相之间存在互感及电容的耦合作用，在未合闸相上感应出与已合闸相极性相同的电压，待该相合闸时可能出现反极性合闸的情况，产生高幅值的过电压断路器的不同期合闸会使过电压幅值增高1030 针对合空线过电压的形成及其影响因素，限制合闸过电压的措施主要有：（1）采用带有合闸电阻的断路器；（2）同步合闸 （3）采用避雷器保护（4）采用单相（故障相）自动重合闸；（5）降低工频电压升高2. 合闸过电压的限制、降低措施(1)装设并联合闸电阻最有效的措施图9-3 带并联电阻断路器第一阶段

22、：带电阻 R 合闸，将 R 与辅助触头串联。由于 R 对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的过电压降低。 R愈大过电压愈低。在重合闸时，残余电荷有泄放通路第二阶段：大约经 8 15 ms，主触头闭合，将 R 短接，电源直接与线路相连。由于第一阶段，回路振荡受阻尼而消弱，使1两端电压差比无并联电阻时小，这样1短接引起的振荡过程也就较弱，R愈小，1两端电位差愈小，过电压愈低辅助触头2先接通，并联电阻R串入回路，经过12个工频周期后，主触头1闭合，并联电阻短接，完成了合闸过程 合闸过电压的高低与电阻值有关，某一适当的电阻值下可将合闸过电压限制到最低。通常为400600，称低值并联电阻，接入时间通常为8

23、15ms ；图9-7为500kV开关并联电阻与合闸过电压的关系曲线，当采用450的并联电阻时，过电压可限制在2倍以下。图9-7 合闸电阻R与过电压倍数K0的关系第一阶段第二阶段（2）控制合闸相位 通过一些电子装置来控制断路器的动作时间，在各相合闸时，将电源电压的相位角控制在一定范围内，以达到降低过电压的目的。具有这种功能的同电位合闸断路器在国外已研制成功它既有精确、稳定的机械特性、又有检测触头间电压(捕捉向电位瞬间)的二次选择回路。（3）利用避雷器来保护 安装在线路首端和末端(线路断路器的线路侧)的ZnO或磁吹避雷器，均能对这种过电压进行限制，如果采用的是现代ZnO避雷器，就有可能将这种过电压

24、的倍数限制到1.51.6。利用避雷器限制合闸 利用避雷器限制操作过电压是有一定保护范围的自线路首端发出的过电压波使线路末端避雷器动作，而后者发出的反极性过电压波需要在l/v时间后才到达首端。例如300km长的线路需时1ms，这时首端过电压可能已经越过最大值。一般情况下，末端避雷器不能限制首端过电压幅值，只是缩短其持续时间而已。同样，首端避雷器一般也不能限制末端过电压利用避雷器限制合闸 模拟计算表明，通常磁吹避雷器限制操作过电压的保护范围只有百公里左右，而氧化锌避雷器由于“动作”电压低，“放电”早，它的保护范围可达(200300)km，在超高压系统中，线路较长，都是双端供电，因此在线路首、末端同

25、时装设避雷器。这时，必须注意到超高压系统长线路的电容效应，合理选择避雷器的参数利用避雷器限制合闸 目前，超高压网络限制操作过电压的首要措施（第一道防线）是采用断路器并联电阻，后备保护（第二道防线）是采用氧化锌避雷器（或磁吹避雷器）。避雷器在断路器并联电阻失灵或其他意外情况出现较高幅值的过电压时应能可靠动作，将过电压限制在容许范围内（5）降低工频电压升高 目前超高压电网中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补偿装置（SVC），其主要作用是削弱电容效应。降低因线路电容效应等引起的工频电压的升高 （6）消除线路上的残余电荷 在线路侧接电磁式电压互感器，可在几个工频周波内，将全部残余电荷通过互感器泄放

26、掉。（4）采用单相自动重合闸，避免线路残压的影响 故障相被切除后，线路上没有残余电荷，而且系统零序回路的阻尼作用大于正序回路，甚至会使单相重合闸过电压低于正常合闸过电压发展过程正常合闸的情况自动重合闸的情况影响因素和降压措施合闸相位线路损耗线路残余电压的变化小 结（本节完）9.3 切除空载变压器过电压切除空载变压器、消弧线圈、并联电抗器、电动机等电感性负荷是常见的操作，正常运行时,空载变压器表现为一励磁电感。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。产生过电压的原因:分断感性小电流时，发生截流现象。截流现象：超高压系统中的断路器采用外能式方法灭弧，且灭弧能

27、力是按切断短路电流来设计的，分断这样的电流时，电弧被迅速拉长，弧阻剧增，发生不稳定现象，在工频电流过零前发生强制熄弧，有时甚至在电流的最大值时电流突然截断，称为截流由于截流流在电感中的磁场能量转化为电容上的电场能量，从而产生过电压以切除空载变压器为例分析 本节内容9.3.1 发展过程9.3.2 影响因素与限制措施9.3.1 发展过程u：电源电压LT：空载变压器的励磁电感CT：变压器绕组及引线等值 电容，几十几千PF 图 9-8 切除空载变压器的理想简化等值电路假如空载电流 时发生截断（即由 突然降到零），此时电源电压为 ，则切断瞬间在电感 和电容 中所储存的能量分别为:此后即在 、 构成的振荡

28、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 ，则式中 变压器的特性阻抗由上式可见： 由于截流，留在电感中的磁场能量转化为电容上的电场能量；截流瞬间的I0越大，变压器励磁电感越大，则磁场能量越大；寄生电容越小，使同样的磁场能量转化到电容上，则可能产生很高的过电压。一般情况下，Io并不大，可是变压器的特征阻抗ZT很大，可达上万欧姆，故能产生很高的过电压。实际磁场能量转化为电场能量的高频振荡过程中变压器具有铜耗和铁耗，因此，过电压幅值有所下降。 产生过电压的物理过程过电压产生原因：由于截流留在电感中的磁场能量转化为电 容上的电

29、场能量。截流现象通常发生在电流曲线的下降部分，设 为正值，则相应的 必为负值。当开关中突然灭弧时， 中的电流 不能突变，将继续向 充电，使电容上的电压从“ ”向更大的负值方向增大，如图9-9所示。此后，在 回路中出现衰减性振荡，其频率为图9-9 截流前后变压器上的电压和电流波形（a） （b）图99 截流前后变压器的电流、电压波形（a）在i0上升部分截流；（b）在i0下降部分截流9.3.2 影响因素和限制措施影响因素及对应的限制措施主要有：1、断路器性能 切断小电流的电弧时性能越好的断路器，其切空变过电压的幅值越高。2、变压器特性 优质导磁材料应用日益广泛，变压器的激磁电流减小很多； 变压器绕组

30、改用纠结式绕法以及增加静电屏蔽等措施，使过电压有所降低。1. 影响过电压的因素（1）断路器的性能 切除空载变压器引起的过电压与截流数值成正比，断路器截断电流的能力愈大，过电压 UCmax 就越高。（2）变压器的参数 变压器 L 愈大，C 愈小，则过电压愈高。当电感中的磁场能量不变，电容 C 愈小时，过电压也愈高。（3）变压器的相数、线组接线方式、铁芯结构、中性点接地方式、断路器的断口电容，以及与变压器相连的电缆线段、架空线段等，都会对切除空载压器过电压产生影响。 具体来说：2、 限制过电压的措施 切断空载变压器过电压的特点是：幅值高、频率高，但持续时间短、能量小。1）、改善变压器的性能变压器的

31、空载励磁电流IL，或电感LT的大小会对Umax会有一定的影响；空载励磁电流大小与变压器的容量有关，也与变压器铁心所采用的导磁材料有关。优质导磁材料应用日益广泛，变压器的激磁电流减小很多； 变压器绕组改用纠结式绕法以及增加静电屏蔽等措施，使过电压有所降低。2）、采用避雷器保护 只要在变压器任一侧装上普通阀式避雷器就可以有效限制这种过电压。计算表明：普通阀型避雷在雷电过电压下动作后所吸收的能量，要比变压器线圈中贮藏的能量大一个数量级。实际运行中也未发现因切空载变压器而引起避雷器损坏的情况。由于这种避雷器安装的目的是用来限制切除空载变压器过电压的，所以在非雷雨季节也不应退出运行。3）、装设并联电阻

32、在断路器的主触头上并联一线性或非线性电阻，其限值应接近于被切电感的工作激磁阻抗（数万欧）。发展过程影响因素和限制措施断路器性能变压器特性采用避雷器保护装设并联电阻小 结（本节完）9.4 断续电弧接地过电压 中性点不接地电网中的单相接地电流(电容电流)较大，接地点的电弧将不能自熄，而以断续电弧的形式存在，就会产生另一种严重的操作过电压断续电弧接地过电压。 断续电弧接地过电压出现在下列三种情况下后果比较严重：系统中有一些弱绝缘的电气设备设备绝缘在运行中可能急剧下降设备绝缘中有某些潜伏性故障本节内容9.4.1 发展过程9.4.2 防护措施返回 这种过电压的发展过程和幅值大小都与熄弧时间有关。存在两种

33、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的熄灭发生在工频电流过零的时刻9.4.1 发展过程 下面假定电弧的熄灭发生在工频电流过零的时刻，来说明这种过电压的物理发展过程：作如下简化：1）略去线间电容的影响；2）设各相导线的对地电容均相等，即C1=C2=C3=C。就可得如图9-10(a)所示的等值电路。 设接地故障发生于A相，而且是正当 经过幅值 时发生，这样A相导线的电位立即变为零，中性点电位 由零升至相电压，即 ，B、C两相的对地电压都升高到线电压 、 。图9-10 单相接地故障电路图和向量图 如以uA，uB，uC代表三相电源电压；以u1，u2，u3代表三相导线的对地电压，即

34、C1、C2、C3上的电压，则通过分析可得如图所示的过电压发展过程。按工频电流过零时熄弧的理论分析得出的结论是： 1）非故障相上的最大过电压为3.5倍； 2）故障相上的最大过电压为2.0倍。 长期以来大量试验研究表明：故障点电弧在工频电流过零时和高频电流过零时熄灭都是可能的。 发生在大气中的开放性电弧往往要到工频电流过零时才能熄灭；在强烈去电离的条件下，电弧往往在高频电流过零时就能熄灭。 电弧的燃烧和熄灭会受到发弧部位的周围媒质和大气条件等的影响，具有很强的随机性质，因而它所引起的过电压值具有统计性质。返回9.4.2 防护措施为了消除电弧接地过电压，最根本的途径就是消除间歇性电弧，可以通过改变中

35、性点接地方式来实现。1、采用中性点直接接地方式若中性点接地，单相接地故障将在接地点产生很大的短路电流，断路器将跳闸，从而彻底消除电弧接地过电压。目前，110kV及以上电网大多采用中性点直接接地的运行方式。2、采用中性点经消弧线圈接地方式 采用中性点直接接地方式虽然能够解决断续电弧问题，但每次发生单相接地故障都会引起断路器频繁跳闸，严重影响供电的连续性。所以，我国35kV及以下电压等级的配电网采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。 消弧线圈是一个具有分段铁芯、电感可调的电抗器，其伏安特性不易饱和，如图9-12所示。图9-12 中性点经消弧线圈接地后的电路图及向量图 (a)电路图 (b)向量图根据补

36、偿度的不同，消弧线圈可以处于三种不同的运行状态：1、欠补偿 消弧线圈的电感电流不足以完全补偿电容电流，此时故障点流过的残流为容性电流。2、全补偿 消弧线圈的电感电流恰好完全补偿电容电流，此时流过故障点的残流为泄露电流。3、过补偿 消弧线圈的电感电流不仅完全补偿电容电流且还有数量超出，此时流过故障点的残流为感性电流。发展过程防护措施采用中性点直接接地方式采用中性点经消弧线圈接地方式小 结返回（本节完）9.5.1 绝缘配合的原则与方法9.5.2 变电站电气设备绝缘水平的确定9.5.3 架空输电线路绝缘水平的确定9.5 绝缘配合返回 电力系统的运行可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量。造成停电的主要

37、原因之一是绝缘的击穿，因此电力系统运行的可靠性，在很大程度上取决于设备的绝缘水平和工作状况。在不过多增加设备投资的前提下，如何选择采用合适的限压措施及保护措施，就是绝缘配合问题。9.5.1 绝缘配合的原则与方法 绝缘配合问题的提出： 1、绝缘配合的原则原则：根据设备在系统中可能承受的工作电压及过电压，考虑限压装置的特性和设备的绝缘特性来确定必要的耐受强度（绝缘水平），以便把作用于设备上的各种电压所引起的绝缘损坏和影响连续运行的概率，降低到在经济上和运行上能接受的水平。要求： 在技术上处理好各种电压、限压措施和设备绝缘耐受能力三者之间的配合关系； 在经济上协调设备投资费、运行维护费和事故损失费（

38、可靠性）三者之间的关系。电气设备绝缘水平的确定在330kV及以上的超高压绝缘配合中，考虑到设备在运行时要承受运行电压、工频过电压及操作过电压，对电气设备绝缘规定了短时工频试验电压，对外绝缘还规定了干状态和湿状态下的工频放电电压；考虑到在长期工作电压和工频过电压作用下内绝缘的老化和外绝缘的抗污秽性能，规定了设备的长时间工频试验电压；对于220kV及以下的设备和线路，考虑到雷电过电压对绝缘的作用，规定了雷电冲击试验电压等 。从电力系统绝缘配合的发展阶段来看，大体经历了三个过程：（1）多级配合（1940以前）由于当时所用的避雷器保护性能及电气特性较差，不能把它的特性作为绝缘配合的基础，因此采用多级配

39、合的方法。多级配合的原则：价格越昂贵、修复越困难、损坏后果越严重的绝缘结构，其绝缘水平应选的越高。2、绝缘配合的方法 多级配合的缺点：由于冲击闪络和击穿电压的分散性，为了使上一级伏秒特性的下限高于下一级伏秒, 采用多级配合的方法会把处于图9-13中最高位置的内绝缘水平提得很高。 图9-13 变电站绝缘水平的四等级示意图 （2）惯用法 按作用于绝缘上的最大过电压和最小绝缘强度这两个随机变量进行配合。采用这一原则时，常要求有较大的安全裕度，且不能定量地估计可能的事故率。 确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平。雷电或操作冲击电压对绝缘的作用可按图9-14用工频耐压试验等价。图9-14 确定工

40、频试验电压“统计法”：根据过电压幅值和绝缘的耐电强度都是随机变量的实际情况，在已知过电压幅值和绝缘闪络电压的概率分布后，用计算的方法求出绝缘闪络的概率和线路的跳闸率，在进行了技术经济比较的基础上，正确地确定绝缘水平。（3）统计法（20世纪70年代以来） 绝缘故障率为绝缘在过电压下遭到损坏的可能性，等于图9-15中阴影部分的总面积，计算公式如下：图9-15 绝缘故障概率的估算（4）简化统计法 假定图9-15中的过电压概率曲线 和绝缘特性概率曲线 呈正态分布，并已知其标准偏差，根据这些假定，上述两条概率分布曲线就可以用与某一参考概率相对应的点表示出来，称为“统计过电压”和“统计耐受电压”。在此基础

41、上可以计算绝缘的故障率。 绝缘配合的统计法只能用于自恢复绝缘，主要是输变电的外绝缘。返回9.5.2 变电站电气设备绝缘水平的确定1、雷电过电压下的绝缘配合2、操作过电压下的绝缘配合3、工频绝缘水平的确定4、长时间工频高压试验1、雷电过电压下的绝缘配合 电气设备在雷电过电压下的绝缘水平通常用它们的基本冲击绝缘水平（BIL）来表示： 为阀式避雷器在雷电过电压下的保护水平， 为雷电过电压下的配合系数。我国使用的经验公式： 在电气设备与避雷器相距很近时取1.25，相距较远时取1.4。 在按内部过电压作绝缘配合时，通常不考虑谐振过电压，因为在系统设计和选择运行方式时均应设法避免谐振过电压的出现；此外，也

42、不单独考虑工频电压升高，而把它的影响包括在最大长期工作电压内，这样一来，就归结为操作过电压下的绝缘配合了。2、操作过电压下的绝缘配合分两种情况来讨论：对于范围这一类变电所中的电气设备来说，其操作冲击绝缘水平（SIL）可按下式求得 式中 为操作过电压下的配合系数。对于范围（EHV）这一类变电所的电气设备来说，其操作冲击绝缘水平按下式计算： 式中操作过电压下的配合系数 3、工频绝缘水平的确定 为了检验电气设备绝缘是否达到了以上所确定的BIL和SIL，就需要进行雷电冲击和操作冲击耐压试验。它们对试验设备和测试技术提出了很高的要求。对于330kV及以上的超高压电气设备来说，这样的试验是完全必需的，但对

43、于220kV及以下的高压电气设备来说，应该设法用比较简单的高压试验去等效地检验绝缘耐受雷电冲击电压和操作冲击电压的能力。 短时工频耐压试验所采用的试验电压值往往要比额定相电压高出数倍，它的目的和作用是代替雷电冲击和操作冲击耐压试验、等效地检验绝缘在这两类过电压下的电气强度。图9-16 短时工频试验电压确定流程图 凡是合格通过工频耐压试验的设备绝缘在雷电和操作过电压作用下均能可靠地运行。为了更加可靠和直观，国际电工委员会（IEC）规定：1、对于300kV以下的电气设备（1）绝缘在工频工作电压、暂时过电压和操作过电压下的性能用短时（1min）工频耐压试验来检验；（2）绝缘在雷电过电压下的性能用雷电

44、冲击耐压试验来检验。2、对于300kV及以上的电气设备（1）绝缘在操作过电压下的性能用操作冲击耐压试验来检验；（2）绝缘在雷电过电压下的性能用雷电冲击耐压试验来检验。4、长时间工频高压试验 当内绝缘的老化和外绝缘的污染对绝缘在工频工作电压和过电压下的性能有影响时，尚需作长时间工频高压试验。 我国国家标准对各种电压等级电气设备以耐压值表示的绝缘水平作出了规定，见表9-3。 由于试验目的不同，长时间工频高压试验时所加的试验电压值和加压时间均与短时工频耐压试验不同。返回9.5.3 架空输电线路绝缘水平的确定本节以惯用法作架空输电线路的绝缘配合，主要内容为：绝缘子串中绝缘子片数的确定、导线对杆塔的空气

45、间距的确定。1、绝缘子串中绝缘子片数的确定在工作电压下不发生污闪；雨天时在操作过电压下不发生闪络（湿闪）；具有一定的雷电冲击耐压强度，保证一定的线路耐雷水平。线路绝缘子串应满足三方面的要求：按工作电压要求 线路的闪络率与该线路的爬电比距 密切相关，根据线路所在地区的污秽等级来选定 值，就能保证必要的运行可靠性。设每片绝缘子的几何爬电距离为 （cm），即可按爬电比距的定义得n为绝缘子片数， 为系统最高工作电压有效值， 为绝缘子爬电距离有效系数。为了避免污闪事故，所需的绝缘子片数应为按内部过电压进行验算 绝缘子串在操作过电压的作用下，也不应发生湿闪。即绝缘子串的湿闪电压在考虑大气状态等影响因素并保

46、持一定的裕度后，应大于可能出现的操作过电压。通常取10的裕度则绝缘于的工频或操作湿闪电压 为 1.1为综合考虑各种影响因素和必要裕度的一个综合修正系数。 我国规定预留的零值绝缘子片数为：35220kV线路，直线杆1片，耐张杆2片；对于330kV及以上线路，直线杆12片，耐张杆23片。 按大气过电压进行验算 一般情况下，大气过电压对确定绝缘子串的片数影响是不大的，因为耐雷水平不完全取决于绝缘子片数，而主要取决于各项防雷措施的综合效果，因此它仅作验算条件。即使耐雷水平达不到规程的下限值，也不一定必须增加绝缘子的片数，因为还可以采用降低杆塔接地电阻等措施来提高线路的耐雷水平。但在特殊高杆塔或高海拔地

47、区，雷电过电压则成为确定绝缘子片数的决定因素。 2、导线对杆塔的空气间距的确定 输电线路的绝缘水平不仅取决于绝缘子的片数，同时也取决于线路上各种空气间隙的极间距离空气间距，而且后者对线路建设费用的影响远远超过前者。输电线路的空气间隙主要有：（1）导线对大地：在选择其空气间距时主要考虑地面车辆和行人等的安全通过、地面电场强度及静电感应等问题。（2）导线对导线：应考虑相间过电压的作用、相邻导线在大风中因不同步摆动或舞动而相互靠近等问题。导线与塔身之间的距离也决定着导线之间的空气间距。（3）导线对架空地线：按雷击于档距中央避雷线上时不至于引起导、地线间气隙击穿这一条件来选定。（4）导线对杆塔及横担：

48、这将是下面要探讨的重点内容。 为了使绝缘子串和空气间隙的绝缘能力都得到充分的发挥，显然应使气隙的击穿电压与绝缘子串的闪络电压大致相等。但在具体实施时，会遇到风力使绝缘子串发生偏斜等不利因素。 就塔头空气间隙上可能出现的电压幅值来看，一般是雷电过电压最高、操作过电压次之、工频工作电压最低；但从电压作用时间来看，情况正好相反。由于工作电压长期作用在导线上，所以在计算它的风偏角 时，应取该线路所在地区的最大设计风速 。操作过电压持续时间较短，通常在计算其风偏角时，取计算风速等于 。雷电过电压持续时间最短，而且强风与雷击点同在一处出现的概率极小，因此通常取其计算风速等于1015 m/s。三种情况下空气

49、间距的计算方法如下：（1）按工作电压确定风偏后的间隙 的工频击穿电压幅值 为综合考虑工频电压升高、气象条件、必要的安全裕度等因素的空气间隙工频配合系数。（2）按操作过电压确定风偏后的间隙 要求 的正极性操作冲击波下的50击穿电压 计算用最大操作过电压 空气间隙操作配合系数，对范围取1.03，对范围取1.1。在缺乏空气间隙50操作冲击击穿电压的实验数据时，亦可采取先估算出等值的工频击穿电压 ，然后求取应有的空气间距 的办法。由于长气隙在不利的操作冲击波形下的击穿电压显著低于其工频击穿电压，其折算系数 ，如再计入分散性较大等不利因素，可取 ，即（3）按雷电过电压确定绝缘子串风偏后的空气间隙通常取

50、的50雷电冲击电压 等于绝缘子串的50雷电冲击闪络电压 的85，即 其目的是减少绝缘子串的沿面闪络，减少釉面受损的可能性。 表9-11示出了各级电压线路的最小空气间隙 。当海拔高度超过1000m时，应按有关规定对净间距值进行校正；对于发电厂变电所，各个s值应再增加10的裕度，以策安全。绝缘配合的原则与方法绝缘配合的原则绝缘配合的方法（1）多级配合（1940以前） （2）惯用法 （3）统计法（20世纪70年代以来） （4）简化统计法小 结变电站电气设备绝缘水平的确定雷电过电压下的绝缘配合操作过电压下的绝缘配合工频绝缘水平的确定长时间工频高压试验架空输电线路绝缘水平的确定绝缘子串中绝缘子片数的确定

51、导线对杆塔的空气间距的确定返回（本节完）9-1试用集中参数等值电路来分析切空载线路过电压。答：我们用单相集中参数的简化等效电路来进行分析，如图9-1所示，在S断开之前线路电压UC(t)=e(t),设第一次熄弧（设时间为t1）发生断路器的工频电容电流ic(t)过零时，如图所示，线路上电荷无处泄放，uc(t)保留为Em，触头间电压ur（t）为Ur(t)=e(t)-Em=Em(coswt-1)经过半个周期以后，e(t)变为-Em，这时两触头间的电压，即恢复电压2Em。此时，如果触头间的介质的绝缘强度没有得到很好恢复，或绝缘恢复强度的上升速度不够快，则可能在t2时刻发生电弧重燃，相当于一次反极性重合闸，UCmax将达到-3Em，设在tt3时，高频(重合闸过程，回路振荡的角频率为，大于工频下的M)电容