（电力系统及其自动化专业论文）中压配电网过电压保护与绝缘配合标准探讨.pdf

a b s t r a c t m e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sal a r g en e t w o r kt h a t d i s t r i b u t e s e l e c t r i c e n e r g yd i r e c t l y t o e l e c t r i c i t yc o n s u m e r s t h e r e f o r e ，i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt oi t ss e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y b e c a u s eo fi t sc o m p l e x n e t w o r ks t r u c t u r ea n dl o w 1 e v e li n s u l a t i o n ，v o l t a g et h a tf u n c t i o n sn o r m a l l yw i l l n o tc a u s es e r i o u sd a m a g et oe q u i p m e n t h o w e v e r ，o v e r v o l t a g ea p p e a r si nt h i s s y s t e mf o rv a r i o u sr e a s o n s t h eo v e r v o l t a g ec a nc a u s es o m ea c c i d e n t s ，s u c ha s i n s u l a t i o nb r e a k d o w n ，e q u i p m e n td a m a g ea n dl i n et r i p p i n ga n ds oo n t h e r e f o r e ， t h ea n a l y s i so fo v e r v o l t a g ea n dp r i n c i p l e so fi n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o ni so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo f e l e c t r i cs u p p l y t h i s p a p e r h a se s t a b l i s h e dav a r i e t yo fi n s t a n t a n e o u so v e r - v o l t a g e f i e l d c i r c u i ta n a l y s i sm o d e l sf o rs o m ec o m m o no v e r - v o l t a g e t h e nt h ep a p e rd o e s n u m e r i c a la n a l y s e so ft h e s em o d e l s u s i n gt h ed a t af r o mo v e r v o l t a g em o n i t o r i n g s y s t e m ，s u c hi n f o r m a t i o no fo v e r v o l t a g ea sw a v e f o r m ，a m p l i t u d ea n dd u r a t i o nh a s b e e nf i x e d b ym e a n so fl a b o r a t o r yt e s t sa n ds i m u l a t i o na n a l y s e su s i n ga t p d r a w , s o m ep r a c t i c a lp r o t e c t i o nm e a s u r e sh a v eb e e np u tf o r w a r dt od e a lw i t hs o m e c o m m o no v e r - v o l t a g e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o np r o b l e m si nm vd i s t r i b u t i o n n e t w o r kb yc o n v e n t i o n a lm e t h o d s o nt h eb a s i so fs t u d i e so nt h ep r o t e c t i o n p e r f o r m a n c ea n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm o a ，t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c hf r o m t h e s et h r e ef i e l d s ：p o w e rf r e q u e n c yv o l t a g e ，s w i t c h i n go v e r - v o l t a g ea n dl i g h t n i n g o v e r v o l t a g e t h ep a p e rs t u d i e sv a r i o u si n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n ，s u c h a st h e i n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o nb e t w e e np r o t e c t o r sa n dp r o t e c t e dd e v i c e s ，t h ei n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o na m o n gp r o t e c t e dd e v i c e s ，t h ei n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o nb e t w e e n o v e r h e a dl i n e sa n ds u b s t a t i o n s ，t h ei n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o nb e t w e e ni n t e r n a la n d e x t e r n a li n s u l a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n ta sw e l la st h ei n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n a m o n gv a r i o u se x t e r n a li n s u l a t i o n t h e nt h ep a p e rp u t sf o r w a r ds o m ep r i n c i p l e so f i n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o nf o rm vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a tp r e s e n t ，m vd i s t r i b u t i o nv o l t a g ei nc h i n am a i n l yu s e st h e10 k vv o l t a g e g r a d e w h i l e 1o k vd i s t r i b u t i o ns y s t e mh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha ss u p p l y r a d i u s i n a d e q u a c y ，h u g e n e t w o r kl o s sa n dp o o rp o w e rq u a l i t ya n ds oo n m e a n w h i l ei ti sa l s od i f f i c u l tt om e e tt h en e e do fh i g h - l o a ds u p p l y i no r d e rt o r e s p o n dt o t h en a t i o n a ls t r a t e g i cr e q u i r e m e n to fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n a b a t e m e n t ，u p g r a d et h es u p p l yc a p a c i t ya n da d a p t a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， i i r e d u c ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kl o s sa n de l e c t r i c i t yc o s t sa sw e l la sr e d u c er e s o u r c e s o c c u p i e db ye l e c t r i c i t yf a c i l i t y ，t h ep a p e rf i r s tm a k e sr e f e r e n c et o v o l t a g e h i e r a r c h i c a ls e q u e n c ea n de x p e r i e n c ei n u p g r a d i n gu r b a ng r i di ns o m ef o r e i g n c o u n t r i e s t h e ni tp r o p o s e sp r i n c i p l e so fo p t i m i z i n gt h ev o l t a g eg r a d ea n dv o l t a g e p r o m o t i o nt r a n s f o r m a t i o no fm vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e r e f o r ei ts o l v e st h e p r o b l e mo fs e l e c t i n gv o l t a g eg r a d eo fh i g h e rm e d i u mv o l t a g e b yc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n ge x a m p l e sf r o mv i e wo fe c o n o m ya n dt e c h n i q u e ，t h ep a p e rp r o v e st h e a c c u r a c y o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i m i z a t i o n a n d v o l t a g ep r o m o t i o n t r a n s f o r m a t i o no ft h ep r e s e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：o v e r - v o l t a g e ；p r o t e c t i o nm e a s u r e s ；i n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n ； d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o n ；v o l t a g ep r o m o t i o nt r a n s f o r m a t i o n i l l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：e 日期- 卅p 年j - 月膨日 学位论文版权使用授权书 胡 作者签名：r 移杉日期南衅广月尸日 翩签名护印吼肿川日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会向现代化、信息化方向的发展，人们对电能质量和供电可靠性的 要求越来越高。目前，我国的中压配电网主要采用1o k v 和3 5 k v 电压等级， 其中lo k v 配电网络占有大部分比例。中压配电网络结构复杂且电网的绝缘水 平较低，系统因过电压造成的绝缘击穿、设备损坏和线路跳闸等事故频繁发生， 特别是由雷电过电压引起的线路跳闸率达到配电网总跳闸率的6 0 以上 23 。 电力系统运行的安全性和可靠性在很大程度上取决于设备的绝缘水平、设 备之间的绝缘配合以及系统的工作状态。正常的运行电压对设备不会造成严重 损坏，但是由于各种原因，系统中的绝缘要承受各种过电压的作用。通过对各 种过电压的研究，不仅可以准确把握过电压的波形、幅值和持续时间等信息， 提出切实可行的过电压防护措施和科学经济的绝缘配合方式，而且还可为技术 改进提供有效的参考依据。 1 0 k v 供电系统存在供电半径不足、网损大、电能质量差、高负荷密度的 供电难以满足等问题。为了响应国家节能减排的号召，提升配电网的供电能力， 降低配电网损耗和减少电力设施占地资源，有必要对当前中压配电网电压等级 进行优化和升压改造。 目前国内正在对中压配电网进行大规模的建设与改造，为了解决在建设与 改造过程中遇到的技术难题以及对行业内一些具体问题的规范，国网电科院 ( 武汉高压研究所) 提出了制定“中压配电网过电压保护与绝缘配合标准 的 科研项目，项目重点研究了中压配电网的中性点接地方式、过电压保护与绝缘 配合原则以及中压配电网的电压等级优化与升压改造。 本文参阅了大量的中、英文资料，借鉴了国内外关于中压配电网的成功的 运行和改造经验，对规范中的具体条款进行了详尽的解释，对运用于配电网中 的新技术进行了说明。本文对解决我国电力行业中压配电网的生产实际问题， 具有直接的经济效益和社会效益。 1 2 研究现状分析 目前国内外对中压配电网过电压的研究主要有实验室模拟试验研究、计算 机仿真分析研究和过电压在线监测研究三种 33 。 实验室模拟试验研究：该方法是根据各种过电压的产生机理以及系统实际 的运行情况，在实验室中模拟雷电冲击过电压和操作过电压等。因为电网的实 际运行情况非常复杂，影响过电压的因素也很多，而且可能出现几种过电压同 时作用的情况，但是，实验室的模拟试验研究方法不可能考虑到所有的因素。 该种方法为过电压的研究做出了较大的贡献，但存在很大的局限性。 计算机仿真分析研究( 如a t p d r a w 暂态仿真软件) ：该方法就是根据电力 系统实际运行情况，搭建一个理想化的数学模型，给模型设置比较符合实际的 参数，在计算机上对此数学模型进行实验和研究，以达到对真实的过电压进行 研究的目的。 过电压在线监测研究：我国在2 0 世纪9 0 年代开始了对过电压在线监测装 置的研究和开发，它克服了以上两种方法的局限性，可以监测到各种过电压波 形、幅值和持续时间等信息。通过对各种不同电网结构的过电压数据进行收集 整理，获取第一手资料，可为过电压保护措施的制定提供有力的依据。 绝缘配合原则研究主要经历了以下几个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪4 0 年代以前，由于当时的避雷器保护性能与电气特性较差， 不能把它的保护特性作为绝缘配合的基础，所以当时采用的是多级配合的原 则，按照这一原则，采取的绝缘配合原则是变电所的绝缘水平高于线路绝缘水 平，设备内绝缘水平高于外绝缘水平等。 ( 2 ) 随着避雷器保护特性和稳定性的不断改善，从2 0 世纪4 0 年代后期 开始，很多国家开始采用两级保护的原则，即各种绝缘都接受避雷器的保护， 仅仅与避雷器进行绝缘配合，不再在各种绝缘之间寻求配合。这种两级配合的 方法我们称之为惯用法( 常规法) 。 ( 3 ) 随着输电电压的提高，绝缘水平要求也越来越高，绝缘费用急剧增 加，降低绝缘水平的经济效益也越来越明显。按照惯用法，绝缘强度应高于可 能出现的过电压，且需留有一定的裕度。这种做法的技术经济性较差。2 0 世 纪6 0 年代后，国际上出现了一种新的绝缘配合方法，称之为“统计法。它的 原则是：规定某一可以接受的绝缘故障率，允许冒一定的风险，用这种方法来 处理绝缘配合问题，可以获得优化的总经济指标。对于中压配电网的绝缘配合 问题，我们常用的方法是惯用法。 2 0 世纪8 0 年代，为了满足社会经济的发展，国际电工委员会( i e c ) 把2 0 k v 电压等级纳入了g b l5 6 2 0 0 7 标准电压，它认为使用2 0 k v 配电电压已是一 种发展的必然趋势。我国中压配电电压主要采用l0 k v 电压等级。10 k v 供电系 统存在供电半径不足、网损大、电能质量差、高负荷密度的供电难以满足等问 题。我国多数地区10 k v 配电网络经过多年规划发展已颇具规模，运行管理经 验比较成熟，此时引入2 0 k v 已有相当的困难，尤其是对现有成熟网架和不具 备直接升压条件的场合需增加建设投资，更重要的是运行管理模式上的转变， 这需要经过一段适应期。推广应用2 0 k v 配电网要本着实事求是、远近结合的 原则，根据城市发展规划和饱和负荷需求，综合考虑区域负荷性质和发展趋势 2 以及现状电网等因素，科学编制地区2 0 k v 中压配电网规划和分步、分区域建 设计划。 1 3 本研究课题的来源及主要研究内容 本课题研究工作源于长沙理工大学和国网电科院武汉高压研究所合作的 科研项目“中压配电网过电压保护与绝缘配合标准 制定。按照项目的要求， 查阅了大量的中、英文资料，借鉴了国内外关于中压配电网的成功运行经验， 做了相关的实验室试验和a t p d r a w 仿真研究，在分析总结这些参考数据的基 础上制定出了“中压配电网过电压保护与绝缘配合标准”。 本课题的研究的主要内容有： ( 1 ) 中压配电网过电压类型及中性点接地方式研究； ( 2 ) 各种过电压的理论分析与计算以及针对各种过电压的特点提出切实 可行的保护措施： ( 3 ) 用惯用法分析中压配电网的绝缘配合问题； ( 4 ) 中压配电网电压等级优化原则与升压改造措施。 第二章中压配电网过电压与中性点接地方式概述 2 1 中压配电网过电压概述 电力系统过电压是一种电磁扰动现象，是电力系统在一定条件下所出现的 超过正常工作电压的异常电压升高 4 j 5 3 。它们的产生机理、波形、电压幅值 和持续时间等都各不相同。 过电压可分为内过电压和外过电压两种类型。 内过电压是指由于电力系统故障、断路器操作或其他原因，使电力系统参 数发生变化，引起电网中电磁能量的转化或传递所造成的电压升高。根据内过 电压产生机理来分，它又可分为暂时过电压和操作过电压两种，其中暂时过电 压又分为工频过电压和谐振过电压。 外过电压又称大气过电压或雷电过电压，它是由大气中的雷电放电所引起 的电网电压异常升高。雷电过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压两种。 1 工频过电压 工频过电压是指电力系统在正常或故障时可能出现的幅值超过最大工作 相电压的电压升高，其频率为工频或接近工频。常见的工频电压升高包括空载 长线路的电容效应引起的工频电压升高、不对称短路时正常相上的工频电压升 高、甩负荷引起发电机加速而产生的电压升高等。 2 谐振过电压 电力系统中的电容和电阻元件一般认为是线性参数，而电感则可以是线 性、非线性或周期性变动的参数，它与电容、电阻元件配合就构成了三种不同 性质的谐振过电压，即线性谐振过电压、参数谐振过电压和铁磁谐振过电压。 3 操作过电压 一 操作过电压是在断路器正常操作或系统故障引起的瞬时过渡过程中产生 的，包括断路器的正常操作引起的过电压、各种故障及其清除过程所引起的过 电压。常见的操作过电压有间歇性弧光接地过电压和切、合空载线路过电压等 类型等。 4 雷电过电压 雷电放电是一种气体放电现象。当云中某一电荷密集处的场强达到2 5 3 0 k v c m 时，就可以引发雷电放电。根据产生机理来分，雷电过电压可以分为 直击雷过电压和感应雷过电压两种。其中直击雷可又为绕击和反击两种；感应 雷过电压可分为静电感应雷过电压和电磁感应雷过电压。 4 2 2 中压配电网中性点接地方式概述 对于中压配电网，一般采用中性点非有效接地方式。中性点非有效接地方 式包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地三种”。 2 2 1 中性点不接地方式 配电网中性点不接地是指中性点没有人为的与大地相连接，事实上，这样 的配电网是通过电网对地电容接地的。中性点不接地系统发生单相接地时，通 过接地点的电流i i d 是非故障相对地电容电流的总和，即： i j d = 3 0 c o u x g ( 2 1 ) 其中：u x g - 电源电势的有效值：c o 一架空线路对地的分布电容。 1 中性点不接地系统适应范围 这种接地方式对配电网的绝缘水平要求较高，最大可达相电压的3 5 倍。 ( 1 ) 适用于2 0 k v 架空线路长的辐射形或树状形的供电网络； ( 2 ) 适合于电网电容电流小于10 a 的架空线路系统和电容电流小于2 0 a 的电缆系统。 2 中性点不接地系统优缺点 ( 1 ) 优点 1 ) 电网发生单相接地故障时稳态工频电流小。如果是雷击绝缘闪络，瞬 时故障可自动消除，无需跳闸；如果是金属性接地故障，可带单相接地运行2 小时提高了供电可靠性。 2 ) 因为接地电流小，降低了地电位升高，减小了跨步电压和接触电压， 减少了对信号系统的干扰，减少了对低压电网的反击。 ( 2 ) 缺点 1 ) 与中性点经低值电阻接地系统相比，产生的过电压幅值高，对绝缘击 穿概率大。 2 ) 在间歇性电弧接地故障时产生的高频振荡电流大( 可达数百安培) ，可 能引发相间短路。 3 ) 故障定位难，不能及时切除接地故障线路。 2 2 2 中性点经消弧线圈接地方式 配电网中性点经消弧线圈接地是指配电网一个或多个中性点经消弧线圈 与大地连接，消弧线圈的稳态工频感性电流对电网稳态工频容性电流调谐，目 的是获得最小接地故障残流，使接地故障自动消除。 1 消弧线圈容量选择 消弧线圈的容量应根据系统5 1o 年的发展规划确定，并应按式( 2 2 ) 计算： w = 1 3 5 t ( 2 2 ) 式中：w 一消弧线圈的容量，k v a ；i c 一接地电容电流，a ；u 。一系统标 称电压，k v 。 2 自动跟踪补偿消弧装置的作用 目前，变电站普遍使用的是自动跟踪补偿消弧装置，其作用主要有： ( 1 ) 它能自动测量电网电容电流，对运行方式进行自动跟踪，自动调整补偿 电流。 ( 2 ) 自动跟踪补偿消弧装置使补偿后的残流控制在一定范围之内( 小于 l0 a ) ，降低配电网的故障建弧率，提高配电网的供电可靠性。 ( 3 ) 它能有效的限制弧光接地过电压，消除铁磁谐振过电压。配电网中弧光 接地过电压可达3 5 倍相电压，且持续时间较长，对电气设备危害相当大。 ( 4 ) 防雷害，防污闪，降低线路故障跳闸率。 3 适应范围 ( 1 ) 适合于电容电流大于10 a 的架空线路组成的网络，对于架空线路和 电缆组成的混合网络，要根据电缆所占的比例和电缆种类做技术经济分析，纯 电缆线路则不建议采用消弧线圈接地方式； ( 2 ) 2 0 k v 电缆线路构成的系统，当单相接地故障电流大于3 0 a ，又需在接 地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。 4 自动跟踪补偿消弧装置的选型 自动跟踪补偿消弧装置包括预调式消弧线圈和随调式消弧线圈两种： ( 1 ) 预调式消弧线圈 在电网运行方式变化后立即完成对电网电容电流的测量和补偿电流的输 出调整。在预定的状态下，当单相接地故障发生，补偿电流立即输出。这种消 弧线圈响应速度快，能及时处理接地故障问题。 ( 2 ) 随调式消弧线圈 随调式消弧线圈是由电网中性点位移电压来启动的消弧装置，在单相接地 故障发生时，消弧线圈达到预定的补偿状态，这个过程虽然很短，但往往也需 要零点几秒。在此期间，如雷击后的工频续流有可能使线路发展为相间短路或 产生弧光接地过电压。 综合消弧线圈在全国的实际应用情况看，消弧线圈应选用预调式的消弧线 圈，它可以有效的降低故障建弧率。 5 中性点经消弧线圈接地系统的优缺点 中性点经消弧线圈接地系统具有中性点不接地系统的优缺点，只是由于消 弧线圈降低了单相接地时的建弧率，使得出现最大幅值弧光过电压的概率更小 蝼。 6 2 2 3 中性点经电阻接地方式 在d l t6 2 0 19 9 73 1 4 中规定：“6 k v 3 5 k v 主要由电缆线路构成的送、配 电系统，单相接地故障电容电流较大时，可以采用低电阻接地方式，但应考虑 供电可靠性要求、故障时瞬态电压、瞬态电流对电气设备的影响、对通信的影 响和继电保护技术要求以及本地的运行经验等”。 为了有效切除接地故障线路，就必须降低电阻器的电阻值。根据运行经验， 一般采用的接地故障电流为10 0 10 0 0 a 。这种接地方式可以有效地降低发生 单相接地故障时的工频过电压，其最大值约为相电压的2 5 倍。 1 接地电阻值的选择 ( 1 ) 以电缆为主的配电网中，采用较大的一相接地阻性电流值，例如i n 为 10 0 0 - 2 0 0 0 a ；以架空线为主的配电网，采用较小的的一相接地阻性电流值， 例如i n 为3 0 0 a ； ( 2 ) 选择中性点接地电阻时，可以按照配电网远景规划可能达到的对地电 容电流来考虑中性点接地电阻值。例如在一个2 0 k v 电缆配电网中，它的对地 电容电流值为3 0 0 a ，考虑m = 2 ，则电阻电流取6 0 0 a ，r = 坚堕：1 9 q 。这 ” 3 6 0 0 是初步选择，还必须从继电保护、人身安全以及接地电阻的制造和运行特性等 方面加以验证，以最后确定取用电阻数值。 2 适应范围 结合我国具体实际，以电缆为主的电网，电容电流达到l5 0 a 以上，可以 考虑采用中性点经电阻接地方式，r x = 1o 2 0 t q 。 3 中性点经电阻接地系统的优缺点 ( 1 ) 优点 1 ) 内过电压水平低，提高了网络和设备的可靠性； 2 ) 接地电流较大( 大于15 0 a ) ，故障容易定位，可以正确迅速切除接地 故障线路。 ( 2 ) 缺点 1 ) 因接地故障电流大，地电位升高比中性点不接地、中性点经消弧线圈 接地更高，从而产生较高的跨步电压和接触电压，对周围人身和设备的安全构 成威胁； 2 ) 由于其能迅速切除接地故障线路，会增加有架空线路的配电网甚至全 电缆网络的单相接地跳闸次数，降低了供电的可靠性。 2 3 本章小结 本章讨论了中压配电网过电压的分类，介绍了每种过电压的常见的类型。 7 对中压配电网中性点非有效接地方式进行了探讨，对于怎样选择中性点的接地 方式进行了研究，详述了每种接地方式的适应范围以及优缺点。 8 第三章中压配电网过电压保护措施研究 3 1 过电压的理论分析与计算 中压配电网的过电压保护关系到配电网的安全和供电可靠性，为了实现对 中压配电网的过电压保护，首先要确定每种过电压的产生机理、波形、幅值和 持续时间等信息3 。下面采用等值电路分析和计算的方法对工频过电压、操作 过电压、谐振过电压和雷电过电压的几种常见类型进行理论计算分析，确定每 种过电压的参数。 3 1 1 工频过电压分析与计算 1 空载长线的电容效应引起的工频电压升高 我们采用图3 1 所示的分布参数等值电路对空载长线的电容效应引起的工 频电压升高进行分析。 图3 1 线路分布参数链型等值电路 由图3 1 求得空载无损线路上距开路的末端x 处的电压为： d ，：墨竺旦c o s 缎( 3 1 ) c o s ( 谢- 4 - 们 阳喀誓一搀口= 詈 其中：左为系统电源电压，z 为线路波阻抗，x s 为系统电源等值电抗， 为电源角频率，q 为相位系数，v 为光速。 由式( 3 1 ) 可知： ( 1 ) 线路上的工频电压自首端起按余弦曲线逐渐上升，在线路末端电压 最高。如图3 2 所示。 9 u 踢 u 0 u 2 图3 2 空载无损长线电压分布 设线路末端电压为d ，有： u t 7 1 = 墨! ! ! 翌c o s e z x l l = 墨1 2 1 旦 ( 3 2 ) = 一= 一 lj z ， 2 c o s ( a l + 8 ) l = o c o s ( a + 8 ) 将式( 3 2 ) 代入式( 3 1 ) ，得： u ，= u 2c o s c d f ( 3 3 ) 这表明d ，为0 c x 的余弦函数，且在x = 0 ( 即线路末端) 处达到最大。 ( 2 ) 工频电压升高受电源容量的影响。将式( 3 1 ) 展开，得： - -e c o s 8e c o s 目 u = 一c o s 口x = 一c o s 口x 3 c o s ( o c l + e 、 c o s 仅l c o s e s i n o d s i n 8 声声 = 二= 一c o s 仗x = 二；一c o s 口x ( 3 4 ) c o s a 一t g o s i n l z l c o s 耐一墨s i n a l z 由式( 3 4 ) 可知，电源容量越小，工频电压升高越大；当电源容量为无 穷大时，工频电压升高为最小。因此，在单电源供电的线路中，应取最小运行 方式时的x s 为依据。在双端电源供电的线路中，线路两端的断路器操作必须 遵循一定的顺序：线路合闸时，先合电源容量较大的一侧，后合电源容量较小 的一侧；线路切除时，先切容量较小的一侧，后切容量较大的一侧阳3 。 2 不对称短路引起的工频电压升高 当系统发生不对称对地短路时，短路电流的零序分量会使健全相的工频电 压升高们。下面以最常见的单相接地短路故障为例进行分析。 设系统中a 相发生单相接地故障，其边界条件为：故障点a 相电压矽。= 0 ，非故障相的故障电流j 。= j r - - - 0 。按对称分量关系可作出如图3 3 所示的复 合序网络。 l o 图3 3 单相接地的复合序网络 在图3 3 中，电流、电压的关系为： 亡1 厶= i 2 “。2 耳尝酉 ( 3 5 ) u 1 = e 彳一，l z l ，u 2 = 一1 2 2 2 ，u o = 一l o z oj 式中：重。为正常运行时故障点处的电压，z l 、z 2 、z o 分别为从故障点看 进去的网络正序、负序、零序阻抗( 相应的电抗分别为x j 、x 2 、x o ) ，矽，、d ：、矽。 和不不j 。分别为电网中电压和电流的正、负、零序分量。 故障点处非故障相的电压为： y b - 口2 口匕+ 鼍l ( 3 6 ) = a u l + 口2 + 砜j 2 厅 其中：口：p 了。 将式( 3 5 ) 代入式( 3 6 ) ，得： 吼= 牛謦篙韭t 0 c - - 盟z 辫z - t - z 邑o +1 2 。 ( 3 7 ) 对于电源容量较大的系统，z 。= z ：，忽略阻抗中的电阻分量，则上式可改 写成： u 口= u c = j 瓜 一j 1 i 】- i 上 由式( 3 8 ) 得d 驴d f 的模量为： 酬= m = k 刚 其中：k = 7 1 5 益、 2 五 i 2 + 益 4 x ( 3 8 ) ( 3 9 ) ，k 表示单相接地故障时健全相的最高对地工频 电压有效值与无故障时对地电压有效值之比。 k 与x o x j 的关系曲线如图3 4 所示。由图可知，系统中的零序电抗x o 的值与中性点接地方式有关。对中性点不接地系统，单相接地时健全相上的工 频电压升高约为额定线电压的1 1 倍1 1 ；对中性点经消弧线圈接地的系统，在 过补偿状态下运行时，单相接地时健全相上电压接近于额定线电压。 ) | 一一 |c _ ， l z 一i l i 一 _ _ ，= 一二暑- l 。- ，_，一一 ，一， k x 、 一7 - 6 5 4 3 2 10123456 7 2 l 图3 4 单相接地时非故障相的电压升高 3 甩负荷引起的工频电压升高 当线路传输较大容量时，由于短路故障等原因，线路末端断路器跳闸甩负 荷，会在原动机与发电机内引起一系列机电暂态过程，这些过程会造成工频电 压升高n 引。其主要原因如下： ( 1 ) 在线路输送较大功率时，发电机的电势必然高于母线电压。甩负荷 后，根据磁链守恒原理，激励绕组的磁通是不能突变的，故在短时间内维持输 1 2 “一置一“一置 5 一 + l 一2 “一托一k一_ m 一 送大功率时的暂态电势，而空载线路的电容电流对主磁通起着增磁作用，使暂 态电势上升。 ( 2 ) 甩掉有功负荷后，发电机的制动装置还来不及动作，将使发电机转 速上升，其相应的电势和频率也将上升，而且还会加剧线路的电容效应，从而 引起较大的电压升高。 ( 3 ) 由于电压调整器和制动装置等设备在甩负荷后不能立即起到调速作 用，使发电机转速增加，造成短时间内电压和频率都上升，此时工频电压升高 就更严重。 运行经验表明，若同时计及长线电容效应、单相接地及突然甩负荷三种情 况，工频过电压最大可达2 倍相电压。 3 1 2 操作过电压分析与计算 1 间歇性弧光接地过电压 中性点不接地系统发生单相接地时绝大多数是以电弧形式接地的，流过接 地点的电流为容性电流。当接地电流很小，不足以形成稳定电弧时，就会形成 时断时续的间歇性电弧，这将使系统电感、电容回路的产生振荡，造成电弧接 地过电压n 3 卜【1 6 。 为了简化分析，忽略线间电容的影响，且认为各相导线的对地电容相等， 即设c 。= c 8 = c c = c 。设a 相对地发生电弧接地，以d 点表示故障点发弧间 隙，则得到等值电路如图3 5 所示，e a 、e b 、c c 为三相电源电压，幅值为u x 2 ， u a 、u b 、u c 为三相线路对地电压。当a 相发生故障接地时，有d = 一左一，b 、 c 相对地电压矽曰、d f 升至线电压u 胪矽a 。 ( a ) 等值电路图( b ) 相量图 图3 5 中性点绝缘系统的单相接地 设t 。瞬间a 相电压达最大值时对地发生电弧，这是过电压最严重的情况。 发弧前瞬i 日- j 以t j 一表示， 线路上的电压分别为( ，- ) = ， ( 彳) = - 0 5 ，( 彳) = - 0 5 。发弧后瞬间以f ? 表示，a 相电容c a 上的电荷经 电弧泄入大地，其电压降为零，即”4 ( ，) = 0 。非故障相的电容c b 、c c 通过电源 的电感充电，对地电压由原来的一0 5 u x g 变为一1 5 u x g 。这个过程是一个高频 振荡过程，其振荡频率取决于电源的电感和导线对地电容，在振荡过渡过程中， b 、c 两相上出现的过电压幅值为：u 砌= u c = 2 ( 一1 5 u 稻) 一( _ o 5 u 昭) = 2 5 u 越 过渡过程结束后，u b 、u c 按u b a 、u c a 变化，如图3 6 所示。 纠掣一肜 2 0 门 一一 、 、 一 “：二l - b f 。 17 2卜7 2 一 i ： l h 一5 乡 卜严_ i 孓。 0 5 少 一 冬= ! ； 彩 、： ? f 一 。一 一 互 擘，爿& 一遵 - 0 5 乡 k a 孓 j 、一一一 ：j 图3 6 工频熄弧时弧光接地过电压的发展过程 故障点处的电弧电流包含了工频分量和逐渐衰减的高频分量，假定高频电 流分量过零时，电弧不熄灭，则电弧电流将持续半个工频周期，待工频电流过 零时才熄灭。由于电弧电流的工频分量l 与电源电压邑相差9 0 。( 见图3 5 ( b ) ) ，因此在t 2 时刻电流过零时，e _ ，；) = 一u 职，( ，i ) = o 5 ，e c ( ，i ) = o 5 。 在熄弧瞬间，= f ；时，“一( ) = o ，“占( ，i ) = 1 5 ，( 疗，= 1 5 。熄弧后，b 、c 相上储存电荷q = 2 c 。x 1 5 ，这些电荷无处泄放，于是在三相对地电容间平均 分配，其结果是三相导线对地有一个偏移电压。这样，在熄弧后瞬间，作 用在三相导线对地电容上的电压为叱( 哼) = + = o ， 1 4 ， o o 。 o “ “曰，；) = ( ，；) = o 5 + = 1 5 。这样第一次熄弧瞬间前后的电压值相同，熄弧 后不会引起过渡过程。 设又经过半个周期后( t = t ，时) ，u a 达到2 u x g ，电弧重燃。发弧前瞬间b ， c 相的对地电压均为o 5 u x g ，发弧后瞬间变为对彳相的线电压一1 5 u x g ，因此 振荡过程中的过电压幅值均为一3 5 u x 。 从以上分析可以看出，中性点不接地系统发生间歇性电弧接地时，非故障 相最大过电压为3 5 u x g ，而故障相上的最大过电压为2 0 u x g 。 一 2 切除空载线路过电压 在切除空载线路时，断路器切断的是较小的容性电流，通常只有几十安到 几百安，远小于短路电流。但是，在开关分闸初期，由于恢复电压较高，容易 引起断路器触头间的电弧的重燃。电弧重燃将引起电路内的电磁振荡，产生过 电压。 空载线路可用t 型等值电路代替，如图3 7 所示。l t 为线路电感，c t 为 线路对地电容，l 为电源系统等值电感( 发电机、变压器的漏感之和) ，e 为电源电势，c s 为电源侧对地电容( 变压器、母线等对地电容) ，u a b 为断路 器触头两端的电压。 图3 7 切除空载线路时的等值电路 设电源电势为e i ) - - - e m c o s t ，电路中的容抗大于感抗，流过容性电流，因 此，电流i 超前e 9 0 。忽略线路的容升效应，断路器分断之前线路电压u ( t ) ( 即电容c t 上的电压) 就等于电源电势。 在开断过程中，由于电弧的重燃和熄灭具有很大的随机性，本文在分析时， 以可能导致最大过电压的情况来决定电弧的熄灭和重燃时刻。设断路器动作以 后，触头开始分离，当t - t 1 时，工频电流过零，电弧熄灭，此时电容上的电 压为u = 一e m ，如图3 8 所示。不考虑线路的泄漏，断路器分断后，c t 上的 电压将保持一e m 不变。但电源侧触头( a 点) 上的电压仍按电源电势变化( 图 中虚线所示) ，于是断路器触头上恢复电压u a b ( 其值为 “彻= p ( ，) 一( 一e ) = 已( 1 + c o s t a t ) ，图中阴影部分) 越来越大。 如果断路器处介质强度恢复很快，则电弧从此熄灭，线路被断开，分闸过 程结束，不会产生过电压；否则，在t ，t ：的时间间隔内可能发生重燃。 ；5 一甄 t 】一第一次断弧，t 2 一第一次重燃，t 3 一第二次断弧， t 4 一第二次重燃，t 5 一第三次断弧。 图3 8 切空线过电压的发展过程 按最严重情况考虑，设重燃发生在恢复电压u a b 最大的时刻t 2 ，重燃前瞬 间“彻= 2 e 。电弧的重燃使c t 与c s 并联起来，两电容上的电荷重新分配，然 后电容c ( c = c 。+ c 丁) 上的电压过渡为电源电压e m 。而此回路是一振荡回路， 所以电弧重燃后将产生暂态的振荡过程，振荡频率为f o = 1 ( 2 石厶cj ，因网络 参数的不同可达数百至数千赫兹。 电荷重新分配后电容上的电压为振荡电压的起始值，可以用式( 3 1o ) 计算： u ，：墨里竺z ：! 二墨要! 璺5( 3 1 0 ) c r + c s 从式( 3 1 0 ) 可以看出，电源侧电容的存在使电压的起始值有所降低从而 更接近于稳态值e m ，这就减小了振荡产生的过电压幅值。但在一般情况下， c 。 c r ，因此在分析时忽略c 。的作用，仍设起始电压为一e m 。可以认为在高 频振荡过程中，电源电势保持e m 不变，由于回路中的损耗，c t 上的电压u 。， 会趋于电源电势e m 。高频振荡时u ( t ) 的最大值为e 。“l 一卜e 。) 】- 3 e 加。 由图( 3 8 ) 可知，t 3 时刻振荡电压到达最大值3 e m ，线路容性电流i i ) 刚 好过零点。从开关试验波形看，绝大多数是在高频电流第一次过零时熄弧，因 此高频电流一般只有半个周期。电弧熄灭后，线路电容电压保持在3 e m 。 此后，触头之间的距离越来越大，但恢复电压越来越高。到t 4 时刻，恢复 1 6 电压u a b 可达4 e m ，如在此时再次发生重燃，则c t 上的电压将由3 e m 振荡变 为一e m ，振荡时的最大值为一e 。+ 卜。一( 3 ，) 】= - 5 e 。假如每半个工频周期后 就重燃，则线路上的过电压将按3 e m 、5 e m 、7 e m 、的规律变化，直到触头 间已有足够的绝缘强度，断路器将不再重燃。 3