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过电压保护原理及防护措施 天津继电保护培训班2011 7 28 广州石化黎德初lidc 过电压保护原理及防护措施今天讲的过电压原理及防护措施这一节课 实际上是大学电力专业所学的 高电压技术 这门课程的主要内容 利用一个上午的时间 主要帮助大家恢复和重新建立对电力系统过电压全面系统的理解 同时希望大家有一次理论升华和再认识的过程 在实际工作中出现的一次设备的绝缘故障问题 首先要想到 系统是否存在过电压 是哪一类过电压 参数配合是否合理 对于新建项目 它的各种防过电压措施和绝缘配合是否合理 重在培养意识和观念 重点在于加强提高认识和应用方面的知识 着眼于解决实际问题 至于理论上的公式推导和数学模型 大家手上可常备几本参考书 便于碰到问题时查阅 同时对于更深层次的问题 知道用什么手段和途径去解决 过电压保护原理及防护措施1明确跟过电压有关的几个重要概念2对过电压的形成机理再认识3对过电压知识进行系统的梳理4结合实际 分析过电压的防护措施5收集整理过电压的事故和实例6总结出一些重要结论 并给出一些思考题 过电压保护原理及防护措施目录第一章前言第二章内部过电压第一节操作过电压的成因及其特点第二节工频电压升高 工频过电压 第三节谐振过电压的成因及其特点 消弧线圈补偿网络的线性谐振 断线谐振过电压 电压互感器因饱和谐振过电压 第三章雷电过电压第一节有关雷电的一些知识第二节防雷设施第三节架空线路防雷第四节变电站防雷第四章绝缘配合原则总结参考书 第一章前言1什么是电力系统的过电压 2电力系统的过电压是怎样产生的 3电力系统过电压的分类 1什么是电力系统的过电压 超过电力系统最高工作电压 Um 称为电力系统的过电压 两层意思 这里讲的电力系统最高工作电压 是指各个电压等级的最高电压Um 各个电压等级的最高电压Um 同该等级的额定电压有对应关系 Um 对于研究过电压问题 是一个很重要的参数和符号 几个电压的关系 系统标称电压UN 线路额定电压 同步发电机额定电压 降压变一二次绕组额定电压 升压变一二次绕组额定电压 电力系统最高工作电压 Um 系统标称电压 kV 0 3836l015203566110220330500750将超过220kV的系统成为超高压电力系统 线路额定电压线路额定电压跟系统标称电压完全相同 发电机的额定电压发电机的额定电压 kV 一般比直配线路 36l0 额定电压高5 3 156 310 513 815 7517 20222426 大容量的发电机 超过100MW 接入系统方式为发电机 变压器组的接线方式 其额定电压为13 8kV及以上 同系统和厂用电连接都有变压器隔离 分析过电压问题和角度有所不同 降压变压器对于降压变压器一次绕组的额定电压 与相连线路的额定电压相同 发电厂厂用降压变压器 一次绕组的额定电压与发电机额定电压相同降压变压器二次绕组的额定电压 需要比所连接的系统标称电压高10 两个原因正常运行时降压变二次电压较线路高5 额定负载下降压变内部的电压降约为5 升压变压器升压变压器一次绕组的额定电压 与发电机额定电压相同升压变压器二次绕组的额定电压 需要比所连接的系统标称电压高10 原因同降压变压器二次绕组的额定电压 我国各种电压等级使用情况如下 3 6kV用于发电厂厂用电和配电网电压 10kV广泛用于配电网电压 35 66kV为大城市 大工业企业内部的配电网和农村输电网电压 110 220kV用于电网主干输电线电压 330 500kV用于大电网主网网架电压 500 包括直流输电 750kV用于系统之间联络线 其中330750kV为西北电网所特有 我国已经建成1000kV交流 800kV直流的特高压输电线路的示范工程 系统标称电压同最高工作电压对应关系为 UN UmkV UN361015203566110220Um3 67 212182440 572 5126252系统最高工作电压Um是很重要的参数和指标 研究过电压问题时经常要用到 请牢记各个电压等级的最高工作电压Um 过电压的概念系统中的运行电压 如超过该电压等级下相对应的Um 称为过电压 2过电压的产生过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象 电力系统中电路状态或电磁状态的突然变化是产生过电压的根本原因 过电压分为外过电压和内过电压两大类 研究电力系统中各种过电压的起因 预测其幅值 并采取措施加以限制 是确定电力系统绝缘配合的前提 对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义 制造厂商的电工设备绝缘水平必须保证 长期耐受工作电压的考验 必须能够承受在一定时间内的一定幅度过电压冲击 3过电压的分类 直击雷过电压 雷电过电压 雷击感应过电压 雷电波侵入过电压 雷电地电位反击过电压 长线路电容效应过电压 工频过电压 不接地系统发生不对称接地 甩负荷 暂时过电压 线性谐振 谐振过电压 铁磁谐振 内部过电压 参数谐振 线路合闸和重合闸过电压 空载线路分闸过电压 开断并联电容补偿装置的过电压 操作过电压 操作空载变压器和并联电抗器等 开断高压感应电动机的过电压 发生单相接地故障的过电压 各类过电压的示意图 小结介绍了过电压的概念 各电压等级的最高工作电压 过电压的大概分类 思考题 1各电压等级的最高工作电压 Um 分别为多少 2电力系统过电压的分类 第二章内部过电压内部过电压是由于电力系统故障 或开关操作 或参数配合不当而引起的电网运行状态变化 导致电网中电磁能量发生转化 从而产生瞬时或持续高于电网额定允许电压 并对电气装置可能造成威胁的电压升高 内部过电压分为三大类 操作过电压 工频过电压 谐振过电压 在故障或操作时瞬间发生的过电压称为操作过电压 其持续时间一般在几十毫秒之内 在暂态过渡过程结束以后出现的 持续时间大于0 1秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压 暂时过电压又可以分为工频过电压和谐振过电压 电力系统内部的过电压主要有 1 操作过电压 由于断路器操作 或出现故障保护动作引起 的过电压 2 工频过电压 由于电网运行方式的突然改变 引起某些电网工频电压的升高 3 谐振过电压 由系统电感和电容组成的谐振回路引起的过电压 电力系统的过电压值 1 相对地暂时过电压和操作过电压的标么值 工频过电压1 0p u Um 3 谐振过电压和操作过电压1 0p u 2Um 3 2 系统的工频过电压水平线路断路器的变电所侧1 3p u 线路断路器的线路侧1 4p u 对110kV及220kV系统工频过电压一般不超过1 3p u 3kV 10kV系统一般不超过1 1 3p u35kV 66kV系统 一般分别不超过1 1 3p u和 3p u 3 系统的操作过电压水平110 220kV中性点直接接地 3 0p u 66kV及以下中性点不接地 3 5p u消弧线卷接地 3 2p u电阻接地 2 5p u 第一节操作过电压几种描述 E L di dt 所谓操作过电压是指当断路器 刀闸进行操作或发生系统故障时 电力系统从一种稳定工作状态通过振荡转变到另一种稳定工作状态的过渡过程中所产生的暂态性质的过电压 电流通过导体时在其周围建立一个磁场 将能量储存起来 当电流断开或接通时 特别是当导线较长或者切合感性负载 开断容性负载时 磁场的能量将急速释放 形成瞬态过电压 投切设备或切换线路引起的动态过电压 是指在电网中 有大量的电感电能贮能元件 用开关接通或切断电路时 发生故障性短路或断路时 均将引起动态过电压 是电磁能量发生振荡的过渡过程 操作过电压 由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短 是毫秒级暂态过程的过压 常见的有 切除空载线路过电压 空载线路合闸和重合闸过电压 切断空载变压器过电压 切断电动机等电感性负载的过电压 弧光接地过电压 切除电容器过电压 其他操作过电压 1 切除空载线路时的过电压切断空载线路或并联电容器组时 可能引起 电感 电容 回路振荡过程 引起过电压 产生电弧重燃 引起电气设备的多次绝缘闪络或击穿事故 用开关切除空载线路时 可能在线路或母线侧出现危险的过电压 在工频条件下 由于 空载线路表现为一个等值的电容负荷 所以切除空载长线时产生的过电压与切除电容器组时产生的过电压性质完全相同 切除空载线路过电压 空载线路属于电容性负载 由于切断过程中交流电弧的重燃而引起更剧烈的电磁振荡 使线路出现过电压 其原理如图所示 t1时刻工频电流熄灭 此时线路仍保持残余电压Uc Em t2 t3时高频电弧第一次重燃又熄灭 使线路电压经过振荡达到 3Em t4 t5时电弧第二次重燃并熄灭 使线路电压达到5Em 如此推演 直至电弧不再重燃 电流最终切断为止 切除电容器等其他电容性负载 都会因电弧重燃而引起上述过程的 电弧重燃具有强烈的统计性 过电压幅值 稳态值 稳态值 初始值稳态值 Em 初始值 Em t3时刻的过电压幅值 Em Em Em 3Em以此类推 t5时刻的过电压幅值为5Em 限制措施 改善断路器性能 增大触头灭弧能力 采用带并联电阻 约3000 的开关 线路上装电磁式放电PT 并联电抗器 采用专门的磁吹避雷器 2 空载线路合闸和重合闸的过电压系统在合闸初瞬间的暂态过程中 电源电压通过系统的电感和电容 在回路中会发生谐振 因起过电压 合闸过电压有计划性合闸操作和故障后自动重合闸 限制措施 采用带并联电阻的开关 图中L为电源和线路的等值电感 C为线路的等值电容 e t 为交流电源 当开关K突然合上时 在回路中会发生以角频率的高频振荡过渡过程 电容C 即线路 上的电压UC t 可能达到最大值 即 2Em Em为交流电源电压幅值 如果合闸前电容C上还有初始电压 合闸后振荡过程中的过电压还可能达到3Em 线路自动重合闸时就会有这种情况 3 切除空载变压器引起的过电压切除空载变压器是电网中常见的一种操作形式 在正常运行的情况下 空载变压器表现为一个励磁电感 它的漏感较小得多 可以忽略 因此切除空载变压器也即是切除电感负载 切除电动机 电抗器时 开关中的电感电流突然被切断 电感中储存的磁能将在被切除的电器和开关上引起过电压 限制措施 采用带并联电阻的开关或高性能的开关 变压器是电感性负载 同时对地还有等值电容 当断路器K突然切断电流时 电流变化率甚大 使变压器上产生甚高的感应过电压 电流切断以后 变压器中残余的电磁能又向对地电容C充电 形成振荡过程 因而出现过电压 称为截流过电压 其波形如图所示 断路器操作切除其他电感性负载也会出现类似的过电压 4 切断电动机等电感性负载的过电压真空断路器切断变压器 电动机等感性负载时 将产生操作过电压 这是因为真空断路器优越的绝缘性能在电弧电流过零点前就被强行切断 引起线路产生感应过电压 同时在感性负载与分布电容之间发生高频振荡 使得电动机等电感性负载端部产生过电压 由于电感电流不在零点时被迫截断 在电感电路中电流突变会感应很高电压 其过电压值与截留值有关 有数值显示这种电感电路中的操作过电压可达7倍额定值以上 如果电动机在起动时断路器跳闸 此时过电压倍数更高 5 弧光接地过电压在中性点不接地系统中发生单相接地故障时 各相的相电压升高 则流过故障点的接地电流也随着增加 许多暂时性的单相弧光接地故障往往能自行熄灭 在接地电流不大的系统中 不会产生稳定的电弧 这种间歇性的电弧引起系统运行方式瞬息变化 导致多次重复性电磁振荡 在无故障相和故障相上产生严重的弧光过电压 限制措施 采用消弧线圈接地或电阻接地方式 6 切除电容器过电压多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃 电源多次向电容进行充电而产生的 在真空断路器切断电流的过程中 触头的一侧为工频电源 另一侧为LC回路充放电的振荡电源 如果触头间的开距不够大 两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿 断路器的恢复电压就会升高 就会发生第二次重燃 再灭弧 再重燃以致发生多次重燃现象 多次的充放电振荡 触头间的恢复电压逐级升高 负载端的电压也不断升高 致使产生多次重燃过电压 7 其他形式的操作过电压 操作刀闸引起的过电压 二次回路的操作过电压重点介绍二次回路的操作过电压 二次回路的操作过电压 产生的原因 一是分布电容的传递作用 二次回路突然切断电感电路的电流时 所产生的操作过电压 一方面会通过触点间的电弧传入直流系统 另一方面原来线圈的磁场能量会转换成分布电容的电场能量 其次 磁场的耦合作用也会传递过电压 过电压器具的振荡电流产生交变磁场 有部分磁力线与受干扰回路耦合 在其中产生感应电势 这是由磁场耦合而传递过电压的 第三 控制回路常采用多芯电缆 缆芯平行且靠得很近 静电互感系数比较大 而磁力线绝大部分集中在断路器 继电器 跳合闸线圈等铁心线圈回路中 与之相比缆芯之间交链的磁力线很少 互感系数较小 因此 操作过电压比感应电压大得多 这也说明过电压主要是通过分布电容进行传递 二次回路操作过电压的危害当电网发生事故跳闸或停电操作时 突然切断二次回路电感的电流时会产生过电压 在开关断开过程中 触点间的距离尚未到达足够大时就已经被击穿 高电压进入直流操作电源系统 电压承受水平较低的半导体器件就会受到不同程度的破坏及影响 因为半导体器件的过电压承受水平较低 反应灵敏 会造成损坏或无法正常工作 PLC输出及仪表输出至电气接点耐压水平对电磁元件影响不大 因为其绝缘水平较高 并且其动作过程有一定的惰性 所以不会造成误动作影响正常工作 防范措施a 线圈两端并联非线性电阻二极管是常用的非线性电阻 为防止操作时的过电压 常用方法是在线圈两端并联一个非线性电阻 当突然切断电感电路的电流时 往往会产生较大的反电势 由于并联二极管 反电势通过二极管被短路 线圈中的自由分量电流是按指数形式衰减 线圈的端电压等于二极管的压降 其值远小于电源电压 这样 二极管就能消除振荡过电压的产生 但这种办法不适用于交流电路 b线圈两端并联阻容支路这种办法不仅适用于直流电路也适用于交流电路 其结线方式是把阻容支路并联在线圈两端 在增加的并联支路所组成的回路中 电阻被调整到临界值 因而当开关切断载流线圈电流时不产生振荡 另一方面 由于两支路的时间常数相等 因而不管总电流随时间如何变化 两支路中的自由电流分量总是大小相等 方向相反 电源支路中自由电流分量等于零 也就是说 当开关切断线圈电流时 线圈两端的电压为零 所以这种结线方式 不仅可消除操作过电压 同时也消除了在切断感性负载时 开关触点间产生的电弧及火花 c 采用具有金属屏蔽层的电缆 总屏和分屏电缆 当二次回路中的电缆靠得比较近时 一根电缆的高频电压 会通过分布电容传递到附近另一根电缆缆芯上 为减少过电压的传递 最好采用有金属屏蔽层的电缆 并将屏蔽层在电缆两端分别接地 从而使操作过电压的磁力线绝大部分集中在屏蔽层 不会进入电缆内部 从而避免了过电压的传递 如果电缆没有金属屏蔽层时 将电缆内备用缆芯接地 同样也能起到减少操作过电压传递的效果 在采取防止操作干扰过电压的措施时 同时还应注意不能影响装置的正常工作 小结 操作过电压原因 操作过电压是由于故障和断路器操作引起的过渡过程过电压 由于 操作 使电力系统中的电容 电感的贮能元件的工作状态发生了变化 从而导致电磁能量在电容 电感间的振荡 在振荡的过渡过程中 产生了数倍于电源电压的操作过电压 特点 操作过电压具有幅值高 存在高频振荡 强阻尼 持续时间短 暂态过程 它的发生有一定的随机性等特点 由于操作过电压的能量来自系统本身 所以过电压的幅值与额定电压存在一定的倍数关系 系统的标称电压愈高 操作过电压幅值愈高 但其过电压倍数愈低 对于220kV及以下系统 通常电气设备的绝缘结构设计容许承受3 4倍的过电压 只要选择设备符合绝缘配合的原则 一般不必采取专门的限制措施 在中性点直接接地的系统中 常见的操作过电压有 合 分闸空载线路过电压 切除空载变压器过电压 解列过电压等 在中性点不接地系统中 有单相弧光接地过电压 投 切电容器过电压 开断电动机过电压等 第二节工频过电压由于电网运行方式的突然改变 引起某些电网工频电压的升高 工频电压升高包括 1 突然甩负荷引起的工频电压升高2 长线路空载末端的电压升高3 系统不对称短路时的电压升高4 解环操作引起的过电压 1 突然甩负荷引起的工频电压升高发电机电枢反应的变化引起的工频电压升高 1 一般系统所带的是感性负荷 感性负荷的电流对发电机起去磁的电枢反应 当系统突然甩掉负荷时 这个去磁的电枢反应也随之消失 但根据磁链守恒原理 穿过励磁绕组的磁通来不及变化 故发电机端电压将升高到 2 甩掉感性负荷的长线路呈容性 容性的电流又对发电机起助磁的电枢反应 3 发电机转速上升引起的工频电压升高 发电机突然甩负荷后 由于发电机的调速器及调压器来不及起作用 发电机的转速将要上升 而电压几乎随着转速的上升成正比增加 母线及输电线上的电压 由于突然甩负荷 可达额定值的1 2 1 3倍 当线路电容较大时 此值还可能更高 这种电压上升时间约为几分之一秒 但实际上受机组调压器 调速器以及变压器 发电机磁饱和的限制 实际电压上升视具体情况而定 发电机突然甩负荷引起的过电压跟以下因素有关 断路器跳闸前送出的负荷大小 空载长线路的电容效应 发电机励磁调节及电压调整器的特性 原动机的调速特性及制动设备性能 2 空载线路末端的电压升高当输电线路空载运行及线路末端带电容器空载运行 空载线路末端电压比首端要高 这也就是常说的长线路的电容效应 这是由于长线路是由许多串联的LC回路组成 愈往终端电压愈高 电力系统安全稳定导则 规定 线路末端电压不能超过系统额定电压的1 15倍 持续时间不应大于20min 因此 在给线路充电时 必须估算可能产生的过电压 当可能产生的过电压超过允许值时 要采取相应措施 对于石化企业工频电压升高问题 主要考虑 长电缆线路空载充电 避免带电容器充电 避免由受电端向电缆线路反充电等带来的过电压问题 3 不对称短路时的电压升高在发生不对称短路时 非故障相电压将升高 当中性点接地系统发生单相接地故障时 非故障相的电压升高一般不超过1 3 1 4倍相电压的数值 当中性点不接地或经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时 非故障相的电压升高达1 73倍相电压的数值 利用对称分量法 通过时序网络方便的进行分析 有专业书详细介绍 应避免在110kV及220kV有效接地系统中偶然形成局部不接地系统 并产生较高的工频过电压 对可能形成这种局部系统 低压侧有电源的110kV及220kV变压器不接地的中性点应装设间隙放电及其保护 因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作 系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时间隙不应动作 间隙距离的选择除应满足这两项要求外 还应兼顾雷电过电压下保护变压器中性点标准分级绝缘的要求 4 解环操作过电压电磁环网的解列操作 会由于潮流的变化 导致无功分布的变化 可能会引起过电压 另外 由于变压器档位调节不当 电容器过量投入 发电机无功调节过调或强行励磁时间长等都会引起运行电压升高 在运行中是尽量避免的 小结 工频过电压由于断路器操作或发生短路故障 使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压 运行方式突然改变而导致的相对缓慢变化的过渡过程 持续时间较长 衰减过程较慢 故又称工频电压升高 常见的工频过电压有突然甩负荷 长线路空载 系统不对称短路等几种形式 工频电压升高一般不会对系统中正常设备造成直接的绝缘损伤 但在工频电压发生之前 往往发生了操作过电压 两者的叠加使得操作过电压的数值很大 因此需认真研究 例如 发电机运行中跳闸 长空载线路送电都伴随上述两种过电压 思考题 发电机经升压变接入110kV系统 厂用电接入升压变低压侧 当升压变110kV侧跳闸出现发电机甩负荷时 发电机端电压是怎样变化的 动力中心 6kV 110kV升压站 100MW机组 第三节谐振过电压在额定频率和电压下 电力系统中变压器 发电机 导线电感的漏感 均基本恒定 可认为这些参数是线性的 同时发电机和变压器的励磁电感 铁芯电感 与磁通密度的大小有关 在额定工况下绕组的励磁电感也是线性的 当系统的频率电压异常或发生励磁涌流时 铁芯趋于饱和 电感呈现出非线性 它们和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路 可能激发起持续时间较长的谐振过电压 谐振过电压有 线性谐振 参数谐振 铁磁谐振三种类型 1 线性谐振线性谐振中电路的参数是常数 不随电压或电流的变化而变化 不带铁心的电感元件 线路的电感 变压器的漏感 或励磁特性接近线性的带铁心的电感元件 消弧线圈 和系统中的电容元件形成的谐振回路 有以下特点 自振频率 0固定 当它与电源频率相等或接近时 容易发生线性谐振 当 0时 过电压只能由回路电阻来限制 避雷器不起作用 线性谐振要求有严格的参数配合 发生不对称短路或非全相操作时可诱发线性谐振过电压例如 在有些大容量的配电变压器10 0 4kV空载运行时如低压侧带有电容器 很有可能产生线性谐振 进而损坏设备 这样的情形时有发生 用消弧线卷进行补偿的电网 在发生单相接地和切除时 及发生单相断线时 伴随着不同程度的线性谐振现象 2 参数谐振过电压水轮发电机在同步运行状态下 其电抗将在 之间周期性地变动 如果外接负载的容抗满足条件 或且损耗R足够小时 就有可能在此电感参数周期变化的震荡电路中激发起一种特殊性质的参数谐振现象 另外当同步发电机接呈容性的负载 如空载线路 如果参数配合不当 容性电流的助磁作用 也会使发电机的端电压和定子电流急剧上升 这种现象称为发电机的自激磁 所产生的过电压称为自激过电压 因此发电机要极力避免带空载长线路或电容器等呈容性负载运行 2 非线性谐振 铁磁谐振 在电力系统的振荡回路中 由于铁芯电感的饱和作用而激发起较高幅值得过电压 即铁磁谐振过电压 它具有与线性谐振完全不同的特点和性能 由于谐振回路中铁芯电感会因饱和程度不同而相应有不同的电感量 所以非线性振荡回路的自振角频率也不是固定的 铁磁谐振回路可产生三种谐振状态 谐振频率等于工频的工频谐振 也称基波谐振 谐振频率等于工频倍数 2 3 5倍等 的高次谐波谐振 谐振频率等于工频分数倍 1 2 1 3 1 5 2 3 2 5等 的分频谐振 也称为分次谐波谐振 即使是基波谐振 也还有可能有高次谐波 这是铁磁谐振的重要特点 基波铁磁谐振分析 带铁心的电感元件的伏安特性是一条曲线 正常时工作在线性段 当某种原因出现饱和时工作在饱和段 电容的伏安特性一直是一条直线 在基波频率下 L0 1 c即 0 1 L0c 当电感为饱和时 回路的自振频率 0小于电源频率 电网不会发生谐振 而发生饱和时 电感值下降 L L0 回路的 0会增加接近或等于 这是发生的工频谐振的必要条件 另外还需要一定的程度外界能量 冲击激发持续的铁芯谐振 这种现象称为外激现象 外激原因有 电网的突然合闸 三相不同期 发生故障和故障消除等 这些都有可能在短时间内电感两端电压升高大电流的振荡过程或铁芯电感励磁涌流 一旦激发起来 谐振可以自保持 维持很长时间不会衰减 高频和分频铁磁谐振分析 将基波铁磁谐振公式 L0 1 c即 0 1 L0c 中的 换成 i k k n mnm为自然数 当k为正数时 此时谐振为高频谐振 当k为分数时 此时谐振为分频谐振 对于高频铁磁谐振来说 最易发生的是二次和三次谐波谐振 五次也有可能 三次谐波因为变压器通常由一侧绕组接成三角形 对三次谐波形成短路 由于电感对高频的高阻抗作用 七次谐波已很少见 另外电网的有功负载也能起到抑制谐波的作用 对于分频谐波 由于谐振频率很低 励磁感抗急剧减少 使得励磁电流迅速增大 因此分频谐振不仅具有一定幅值得过电压 还会在电感线卷中出现极大的电流 从而造成温升和电动力 铁磁谐振的共同特性 产生铁磁谐振的根本原因是电感元件的铁芯的非线性特性 当电感元件的励磁电流增大到一定数值时 超过铁芯的线性区间而进入饱和区 在饱和区波形产生严重的畸变 畸变的波形根据傅立叶变换 可分解成若干个频率不同的正弦波 在这一系列的正弦波中 有非常大的可能性找到某一频率 i 使得在 i之下发生电感同外部电路中的电容发生L C谐振 使电感元件的铁芯由线性区间进入非线性饱和区间 是由于电网在某种原因下 产生了一定幅值的不平衡电压 这个不平衡电压加在PT等电感元件上 使得PT铁芯饱和 在多种情形下 电网会产生不平衡电压 如 单相接地故障 断路器的三相不同期合闸 变压器的投入 元件发生断相运行 系统中三相参数不平衡等因素 当不平衡电压超过一定数值 PT就极有可能会饱和 进而极有可能引发铁磁谐振 铁磁谐振回路可产生三种谐振状态 谐振频率等于工频的工频谐振或基波谐振 谐振频率高于工频的高频谐振 谐振频率低于工频的分频谐振 当回路中的某一参数 电容C 或外加电势E虽然作平滑变化 但回路的工作状态可能会发生突变 谐振振荡可能会突变式地产生或消失 这种现象称为铁磁谐振的跃变 当电网中存在一定的损耗电阻的情况下 铁磁谐振过电压的幅值会受到电感铁磁芯饱和效应的限制 电网中的避雷器 对铁磁谐振过电压不能起到限制作用 相反很有可能因铁磁谐振过电压长时间不消除导致避雷器爆炸的事故 常见的发生铁磁谐振过电压有以下几种情形 1 断线谐振过电压这里所谓的断线 是指由于导线因故障折断 断路器非全相动作或严重不同期 熔断器一相或两相熔断等原因造成电力系统非全相运行的现象 只要电源侧或负荷侧有一侧中性点不接地 断线可能组成复杂多样的非线性串联谐振回路 出现谐振过电压 断线谐振会导致系统中性点位移及绕组 导线对地产生过电压 严重时发生绝然闪络 避雷器爆炸 小电动机反转 还有可能将过电压传递到低压侧 在6 35kV系统中 断线引起的过电压事故是较为频繁的 通常最大过电压发生在断线相上 使得该处的绝然易遭受破坏及避雷器爆炸 在中性点直接接地的110 220kV系统中 因断路器不同期和拒动 断线所引起的铁磁谐振过电压也经常发生 对中性点分级绝然的变压器来说 由于中性点避雷器的灭弧电压很低 常在谐振过电压下动作而爆炸 断线引发的铁磁谐振大部分情况是激发电磁式PT谐振 也有一部分是激发空载或轻载变压器谐振 防止断线过电压的措施 加强线路巡视和检修 及早发现导线的机械损伤 避免发生架空线断线 提高检修质量 保证断路器的三相同期性 避免发生某一项拒动 不用熔断器设备 避免非全相运行 或采用三相联动的负荷开关 在中性点直接接地的电网中 操作时应将负载变压器的中性点临时接地 不将空载变压器长期挂在线路上运行 必要时在中性点加间隙保护 保护中性点设备绝然 中性点经消弧线卷接地的电网 要运行在过补偿状态 消弧线卷应装在电源侧 避免装在负荷侧 增加系统阻尼 消弧线卷串联或并联一个电阻或经电阻接地 都能减低铁磁谐振过电压的幅值 2 多台PT中性点接地引发的分频谐振过电压如果一个系统中有多台电压互感器的中性点接地 会恶化PT的特性 极易造成谐振过电压 研究表明 它的谐振以分频谐振最为常见 防范措施 运行方式上 可采用分段供电 一段母线接一台中性点接地的电压互感器 尽量减少同一系统中性点接地的电压互感器 特别是负荷侧 应明确不应采用中性点接地的电压互感器 增加消谐电阻 在开口三角加消谐器 3 主变压器送空载母线出现虚假接地现象110kV主变压器向35kV 10kV 6kV空母线 或35kV主变压器向10kV 6kV空母线送电 经常发生35kV 10kV 6kV空母线的电压互感器的中性点电压发生位移 并发生接地信号 但实际上母线侧并没有接地现象 这种现象称为虚假接地现象 是一种铁磁谐振过电压 母线虚假接地 是由于工频谐振造成的 其原因为 在高压断路器合闸时 有不平衡电压的 激发 作用于母线PT 母线PT的二相铁芯严重饱和而导纳呈感性 另一相仍为容性 呈感性的二相电压升高 中性点偏移至电压三角形之外 为了保持三相电压向量之和为零得平衡条件 呈容性的一相电压降低并同原来反方向 母线虚假接地或称为虚幻接地是由于PT饱和及工频谐振引起电压位移的重要标志 至于具体是哪一相接地具有随机性 防范措施 在主变合闸时 中性点临时接地 4 双电源定相过电压在双电源电网内 当某一电源侧的线路检修之后或新设备投运之前 必须事先确定其相位 以防非同期合闸 但定相测试时 如采取不正确的做法 也会引起铁磁谐振 产生严重的过电压 危及人身和设备安全 如果用电磁式PT定相 无论是一个单相PT 还是两台单相或两台三相PT 当PT接入系统时 它改变了系统中原来的电磁状态 当接入的PT刚好同系统中的电容形成谐振条件 再加上系统中或多或少都存在不平衡电压 此时就会引发PT饱和而发生铁磁谐振 防止定相过电压 在中性点不接地系统进行时 应采用电阻定相杆法 在中性点直接接地系统进行定相时 无论采用哪一种方法都不会产生谐振过电压 如果不是中性接点直接接地系统 但被定相的两个电网的电源变压器中性点均已引出 则定相时可将两台变压器的中性点临时接地 以防谐振过电压的产生 当必须利用外接电压互感器进行定相时 可用35kVPT在10 6 kV电网中进行 也可用电容式电压互感器进行定相 当利用两台中性点接地的电压互感器进行定相时 如电源变压器中性点不接地 为了消除互感器引起的铁磁谐振过电压 可将互感器的中性点临时不接地 或在开口三角绕组上接入适当的电阻 5 消谐装置失效引起的谐振过电压我国的配电网络为了防止谐振过电压作了大量的预防工作 特别在消谐装置应用方面作出了突出贡献 但是在实践中也发现 现行的消谐装置故障或选用不当 会导致或加剧铁磁谐振 对消谐装置失效的防范措施 各种消谐器投入运行前应进行交接试验 投运后还要进行测试 消谐器选型要注意同PT相配合 对已安装的微机二次消谐器 要加强管理 包括试验 巡检及故障原因分析等 同一组PT的三相绕组特性应尽量相同 6 单相接地引发的铁磁谐振过电压由于单相接地故障 导致中性点出现位移 常常在接入电磁式的PT的系统中引起铁磁谐振 7 中性点绝缘系统中电磁式PT引起的铁磁谐振过电压系统中即使没有大的扰动 但由于几种因素叠加作用 使得中性点位移电压达到某一数值 从而发生铁磁谐振 对电磁式PT谐振的防范措施 选用伏安特性较好不易饱和的PT 可明显降低谐振概率 尽量减少系统中中性点接地的PT的数量 增加互感器中总感抗值 增大对地电容 有利于减少铁磁谐振的可能 在零序回路中增加阻尼电阻或利用高性能的消谐装置 如有可能 使用电容式PT 8 开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过电压当母线较短 且接有电磁式电压互感器 母线在空载充电状态下 当线路开关跳闸 线路上的电源电压作用于开关的断口并联电容和电压互感器上 对于系统电源中性点直接接地系统 PT也是三相分立中性点直接接地的 网络在正常运行条件下 和并联于系统电源 回路是稳定的 当断路器断开后 断口的均压电容和PT的电感构成了铁磁谐振回路条件 9 传递过电压电网中发生不对称接地故障 开关非全相或不同期动作时 网内将出现零序电压和三相电流不对称 通过电容的静电耦合和电感的电磁耦合 或直接传递作用 在相邻的送电线路之间或变压器绕组之间会产生电压的传递现象 当系统接有电压互感器等铁磁元件时 还可能构成串联谐振回路 产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压 传递过电压的传递方式 相邻架空或电缆线路之间 变压器绕组之间 直接传递传递过电压预防措施 临时将变压器低压侧的中性点接地 避免变压器高压侧有较长时间的三相不同期或高压侧端路器不对称拒动 避免在高压侧使用熔断器 在低压侧不装设消弧线卷和C0很小的情况下 可在低压侧装设电容器 装设消弧线卷后 应保持一定的脱谐度或中性点加装电阻 低压侧装设避雷器可以阻止传递过电压 10 减少铁磁谐振发生机率的措施 110kV及220kV系统采用带有均压电容的断路器开断连接有电磁式电压互感器的空载母线 经验算有可能产生铁磁谐振过电压时 宜选用电容式电压互感器 已装有电磁式电压互感器时 运行中应避免可能引起谐振的操作方式 必要时可装设专门消除此类铁磁谐振的装置 由单一电源侧用断路器操作中性点不接地的变压器出现非全相或熔断器非全相熔断时 如变压器的励磁电感与对地电容产生铁磁谐振 能产生2 0p u 3 0p u 的过电压 有双侧电源的变压器在非全相分合闸时 由于两侧电源的不同步在变压器中性点上可出现接近于2 0p u 的过电压 如产生铁磁谐振 则会出现更高的过电压 操作时变压器中性点接地 经验算如断路器操作中因操动机构故障出现非全相或严重不同期时产生的铁磁谐振过电压可能危及中性点为标准分级绝缘 运行时中性点不接地的110kV及220kV变压器的中性点绝缘 宜在中性点装设间隙及保护 在操作过程中 应先将变压器中性点临时接地 有单侧电源的变压器 如另一侧带有同期调相机或较大的同步电动机 也类似有双侧电源的情况 3kV 66kV不接地系统或消弧线圈接地系统偶然脱离消弧线圈的部分 当连接有中性点接地的电磁式电压互感器的空载母线 其上带或不带空载短线路 因合闸充电或在运行时接地故障消除等原因的激发 使电压互感器过饱和则可能产生铁磁谐振过电压 为限制这类过电压 可选取下列措施 a选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器 b减少同一系统中电压互感器中性点接地的数量 除电源侧电压互感器高压绕组中性点接地外 其它电压互感器中性点尽可能不接地 c个别情况下 在10kV及以下的母线上装设中性点接地的星形接线电容器组或用一段电缆代替架空线路以减少XC0 使XC0 0 01Xm 注 Xm为电压互感器在线电压作用下单相绕组的励磁电抗 d在互感器的开口三角形绕组装设 的电阻 K13为互感器一次绕组与开口三角形绕组的变比 或装设其它专门消除此类铁磁谐振的装置 10kV及以下互感器高压绕组中性点经Rp n 0 06Xm 容量大于600W 的电阻接地 e3kV 66kV不接地及消弧线圈接地系统 应采用性能良好的设备并提高运行维护水平 以避免在下述条件下产生铁磁谐振过电压 e 1配电变压器高压绕组对地短路 e 2送电线路一相断线且一端接地或不接地 f有消弧线圈的较低电压系统 应适当选择消弧线圈的脱谐度 以便避开谐振点 无消弧线圈的较低电压系统 应采取增大其对地电容等措施 如安装电力电容器等 以防止零序电压通过电容 如变压器绕组间或两条架空线路间的电容耦合 由较高电压系统传递到中性点不接地的较低电压系统 或由较低电压系统传递到较高电压系统 或回路参数形成串联谐振条件 产生高幅值的转移过电压 减少出现中性点位移电压的可能性a加强设备管理 减少设备故障率 b提高断路器检修质量 严格控制三相合闸不同期 c严格控制发电机 电动机 变压器三相绕组的直流电阻的不平衡率 d密切注意架空线路的三相参数不平衡造成的中性点位移 必要时采取措施 f在投运主变时 要合上中性点接地刀闸 g用于无功补偿的电容器组 在接入10 6kV母线时 对抑制谐振和减少不平衡电压位移有双重作用 小结谐振过电压电力系统中包含有许多电感电容元件 它的组合可以构成一系列不同自振频率的振荡回路 在发生故障或开关操作时 电力系统的振荡回路与电源产生串联谐振 导致在系统中的某些部分或元件上出现严重的谐振过电压 谐振是一种稳态现象 它比操作过电压的持续时间长得多 一旦形成造成的后果也要严重得多 由于中性点出现位移 零序回路参数配合不当 容易形成铁磁谐振过电压 对于线性谐振和参数谐振 电力系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压的有利因素 但有功负荷对铁磁谐振不起作用 根据电感量的变化与否及怎样变化 可将系统中的谐振分为三种 电感量不变化的线性谐振 电感量作周期变化的参数谐振 电感量因铁芯饱和产生非线性变化的铁磁谐振 每种谐振的防范措施都有所不同 思考题 1在中性点不接地系统中 如果发生单相接地 往往会发生哪几种过电压 2防止铁磁谐振的措施有哪些 3防止传递过电压的措施有哪些 第三章雷电过电压雷电过电压或称为大气过电压 也叫电力系统的外部过电压 是由于雷击电力系统或雷电感应而引起 这种外部过电压在电力系统中占的比重极大 雷电过电压的幅值取决于雷电参数和防雷措施 与电网的额定电压无直接关系 具有脉冲特性 持续时间一般只有数十微秒左右 第一节有关雷电的一些知识1雷雨云是如何形成的 雷电放电是由带电荷的雷云引起的 雷云带电原因的解释很多 但还没有获得比较满意的一致认识 一般认为雷云是在有利的大气和大地条件下 由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果 强烈的上升气流穿过云层 水滴被撞分裂带电 轻微的水沫带负电 被风吹得较高 形成大块的带负电的雷云 大滴水珠带正电 凝聚成雨下降 或悬浮在云中 形成一些局部带正电的区域 实测表明 在5 10km的高度主要是正电荷的云层 在1 5km的高度主要是负电荷的云层 但在云层的底部也有一块不大区域的正电荷聚集 雷云中的电荷分布很不均匀 往往形成多个电荷密集中心 每个电荷中心的电荷约为0 1库仑 10库仑 而一大块雷云同极性的总电荷则可达数百库仑 这样 在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间 或雷云和大地之间就形成了强大的电场 随着雷云的发展和运动 一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度 大气中的电场强度约为30kV cm 有水滴存在时约10kV cm 时 就会发生云间或对地的火花放电 放出几十乃至几百千安的电流 产生强烈的光和热 放电通道温度高达15000 至20000 使空气急剧膨胀震动 发生霹雳轰鸣 这就是闪电伴随雷鸣叫做雷电的原故 2 云对云放电与云对地的放电比例如何 大多数雷电放电发生在雷云之间 它对地面没有什么直接影响 雷云对大地的放电虽然只占少数 雷暴日数越多 云间放电的比重越大 云间放电与云地放电之间比 在温带约为 1 5 3 0 1 在热带约为 3 6 1 3 雷电暴发时的临界状态 雷云的底部大多数是带负电 它在地面上会感应出大量的正电荷 在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间 或雷云和大地之间就形成了强大的电场 随着雷云的发展和运动 一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时 就会发生云间或对大地的 火花放电 强大的电流 强烈的光和热 空气急剧膨胀震动 发生霹雳轰鸣 4 雷电对地放电的基本过程是怎样的 雷云中的负电荷逐渐积累 同时在附近地面上感应出正电荷 当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时 就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展 先导放电 先导放电发展的平均速度较低约150km s 表现出的电流不大 约为数百安培 先导通道具有导电性 因此雷云中的负电荷沿通道分布 并继续向地面延伸 地面上的感应正电荷也逐渐增多 先导通道发展临近地面时 由于局部空间电场强度的增加 常在地面突起出现正电荷的先导放电向天空发展 迎面先导 先导通道到达地面或与迎面先导相遇后 在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区 自下而上迅速传播 形成一条高导电率的等离子通道 使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和 主放电过程 主放电的发展速度很快 约为2万km s 15万km s 出现很强的脉冲电流 可达20kA 300kA 主放电到达云端结束 云中的残余电荷经过主放电通道流下来 余光放电 5 有人企图收集雷电能量加以利用 这种做法是否妥当 实际上 雷电放电瞬间功率极大 但是雷电的能量却很小 即破坏力极大 实际利用的价值却很小 以中等雷为例 雷云电位以50000kV计 电荷Q 8C 则能量为W UQ 40 kWh 约等值于4kg的汽油 但雷电主放电的瞬时功率P极大 以I 50kA 弧道压降E 6kV m 雷云为1000m高度计 主放电功率P UI 50 6 1000 300000MW 它比目前全世界任一电站的功率还要大 6 雷电流的波形和极性是怎样的 雷电流是单极性的脉冲波 75 90 的雷电流是负极性的 7 球雷的机理一般常见的都是线状雷电 有时在云层中能见到片状雷电 个别情况下会出现球状雷电 球雷是在闪电时由空气分子电离及形成各种活泼化合物而形成的火球 直径约20cm 个别可达10m 它随风滚动 存在时间约3 5s 个别可达几分钟 速度约2m s 最后会自动或遇到障碍物时发生爆炸 防球雷的办法是关上门窗 或至少不形成穿堂风 以免球雷随风进入屋内 8 雷击的选择性哪些地方最容易遭受雷击 雷云的形成与气象条件及地形有关 当雷云形成之后 雷云对大地哪一点放电 虽然因素复杂多变 但客观上仍存在一定的规律 通常雷击点选择在地面电场强度最大的地方 也就是在地面电荷最集中的地方 从那里升起迎面先导 地面上导电良好和地形特别突出的地方 比附近其它地方密集了更多的电荷 那里的电场强度也就越大 成为遭受雷击的目标 地面上特别突出的地方 离雷云最近 其尖端电场强度最大 例如旷野中孤立的大树 高塔或单独的房屋 小丘顶部 房屋群中最高的建筑物的尖顶 屋脊 烟囱 避雷针 避雷线等 都是最容易遭受雷击的地方 在地面电阻率发生突然变化的地方 局部特别潮湿的地方或地形突变交界边缘之处 例如河边 湖边 沼泽地 山谷的风口等地带 也都是最容易遭受雷击的地方 凡具有一定的地形 地貌 地质等特征且容易遭受雷击的地方称为易击点或易击段 这些情况 通常就叫做雷击的选择性 9避雷针的发明时间和发明人1744 1750年富兰克林进行的关于一系列实验 例如著名的风筝实验 第一次向人们揭示了雷电只不过是一种大气火花放电现象的秘密 1749年富兰克林创议 接地的高耸的尖形铁棒可以用来保护建筑物 并设计了避雷针的实验 到18世纪末 避雷针获得公认 被普遍采用 1 2 3 6 7 8 9 10 11 11 12 13 14 15 第二节雷电参数 1 雷电日为了表示不同地区雷电活动的频繁程度 通常利用每年平均雷电日为计量单位 雷电日的定义是在一天内只要听到雷声 一次或一次以上 就算一个雷电日 在不同年份观测到的雷电日数变化较大 一般是取多年的平均值 即年平均雷电日 我国根据年平均的雷电日划分雷区 少雷区 不超过15天的地区 中雷区 超过15天但不超过40天地区 多雷区 超过40天不超过90天地区 强雷区 超过90天或根据运行经验雷害特殊重地区 2 地面落雷密度雷云对地放电的频繁程度 用地面落雷密度表示 其定义是每个雷电日每平方公里上的年平均落雷次数 式中 年平均密度 次 km2 a 年平均雷暴日 d a 3雷电流与雷电过电压的近似表示 对于单极性的雷电流和雷电暂态过电压脉冲波形 通常采用幅值 波头时间和波长时间等三个参数加以描述 对于振荡型波形 还要附加上主振频率这个参数 雷电流幅值的累积概率对于年平均雷电日大于20的地区 我国传统采用以下经验公式来表示雷电流幅值累积概率 式中 雷电流幅值 kA 表示雷电流幅值超过的概率 波头与波长时间定义的作图方法示意 波头时间先由纵轴上的0 1 0 9和1 0三个刻度分别作三条平行于横轴的平行线 前两条平行线分别与波形曲线的波头部分相交于A B两点 过A B两点作一条直线 该直线与第三条平行线和横轴分别交于C D两点 由C点引横轴的垂线 其垂足E点与D点之间的时间即定义为波头时间 用表示 为了定义波长时间 再由纵轴上0 5刻度作横轴的平行线 该平行线与波形曲线的波尾部分相交于F点 从F点引横轴的垂线 其垂足G点与D点之间的时间即定义为波长时间 用表示 由于波长时间也是波形曲线衰减到半幅值所需要的时间 它习惯上也被称为半幅值时间 4 什么是雷电流的幅值 波头 波长和陡度 雷电流的幅值是指脉冲电流所达到的最高值 波头是指电流上升到幅值的时间 波长 波尾 是指脉冲电流的持续时间 幅值