发电厂防雷与过电压保护ppt课件.ppt

第十一章发电厂防雷与过电压保护 雷电放电 雷电流及雷过电压一 雷电放电地面湿气受热上升 凝成水滴或冰晶 形成积云 积云在运动过程中受到强烈气流的作用 形成了带有正 负不同电荷的带电积云称为雷云 在上下气流的强烈撞击和摩擦下 雷云中的电荷越聚越多 一方面在空中形成了正 负不同雷云间的强大电场 另一方面雷云与大地或建筑物之间也形成了强大的电场 当雷云中电荷密集处的场强达25 30kv cm时 就会发生放电 这个过程叫先导放电 当先导放电的头部接近异性雷云电荷中心或地面感应电荷中心就开始进入放电的第二阶段 即主放电阶段 其放电的电流即雷电流 可达几十万安 电压可达几百万伏 温度可达2万摄氏度 在几个微秒时间内 使周围的空气通道烧成白热而猛烈膨胀 并出现耀眼的光亮和巨响 这就是通常所说的 打闪 和 打雷 对地放电的雷云90 左右是负极性 云带负电 的 雷云对地放电通常分为先导放电 主放电和余光放电 通常 不只发生一个三阶段的放电过程 而是一个接一个的多次重复过程 一般是第一分量幅值最大 后续分量幅值依次减小 各分量中的最大电流和电流增长最大陡度 是造成被击物体上的过电压 电动力和爆破力的主要因素 而在余光阶段中流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素之一 二 雷过电压雷过电压又称为大气过电压 雷过电压有两种 一种是雷直接击于输电线路或设备引起的 称为直击雷过电压 另一种是雷击输电线路附近的地面或设备时 由于电磁感应引起的 称为感应雷过电压 同时 雷电波沿输电线路入侵变电所或升压所 也对其中设备造成威胁 最危险的是直击雷过电压 雷击输电线路往往造成跳闸事故 避雷针与避雷线为了防止设备受到直接雷击 最常用的措施是装设避雷针或避雷线 它由金属制成 高于被保护物 具有良好的接地装置 其作用是将雷电引向自身并安全地将雷电流导入地中 从而保护其附近比它低的设备免受直接雷击 单支避雷针的保护范围 见图11 3 避雷针包括接闪器 针头 引下线和接地体三部分 避雷线是悬挂在空中的水平的接地导线 又称架空地线 主要用于保护架空输电线路 也可用于发电厂 升压所作直击雷保护 第三节避雷器避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备 避雷器的类型主要有保护间隙 阀型避雷器和氧化锌避雷器 保护间隙主要用于限制大气过电压 一般用于配电系统 线路和变电所进线段保护 阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护 在220kV及以下系统主要用于限制大气过电压 在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护 一 保护间隙一般由两个相距一定距离的 敞露于大气的电极构成 将它与被保护设备并联 如图12 7所示 适当调整电极间的距离 间隙 使其击穿放电电压低于被保护设备绝缘的冲击放电电压 并留一定的安全裕度 当雷电波入侵时 主间隙先击穿 形成电弧接地 过电压消失后 主间隙中仍有正常工作电压作用下的工频工频续流 由于这种间隙的熄弧能力较差 间隙电弧往往不能自行熄灭 对中性点接地系统而言 这种间隙的工频续流就是间隙处的接地短路电流 将引起断路器跳闸 这是保护间隙的主要缺点 此外 由于间隙敞露 其放电特性也受气象和外界条件的影响 正常情况下 火花间隙将带电部分与阀片隔开 当雷电波的幅值超过避雷器的冲击放电电压时 火花间隙被击穿 冲击电流经阀片流入大地 阀片上出现电压降 残压 只要使避雷器的冲击放电电压和残压低于被保护设备的冲击耐压值 设备就可得到保护 而避雷器的灭弧电压必须高于所在系统的最高工作电压 这样才能保证雷电波过后顺利熄灭工频续流电弧 二 阀型避雷器由装在密封瓷套中的火花间隙和非线性电阻 又称阀片 串联构成 如图11 8所示 阀片的电阻值与流过的电流有关 电流愈大电阻愈小 阀型避雷器分普通型和磁吹型两类 普通型的火花间隙由许多如图12 10所示的单个间隙串联而成 避雷器动作后 工频续流电弧被许多单个间隙分割成许多段短弧 减小工频续流有利于间隙电弧的熄灭 因此在工频电压下 希望阀片有较大的电阻 磁吹型 利用磁场使每个间隙中的电弧产生运动 如旋转或拉长 来提高灭弧能力 其原理接线见图 辅助间隙 是为了消除磁吹线圈在冲击电流通过时产生过大的压降 阀片的作用是限制工频续流 在冲击电压作用下 主间隙被击穿 放电电流通过磁吹线圈 其上的压降使辅助间隙击穿 放电电流便经过辅助间隙 主间隙和阀片流入大地 使避雷器的压降不致增大 当工频续流通过时 磁吹线圈上的压降减小 迫使辅助间隙中的电弧熄灭 工频续流也就很快转入磁吹线圈 产生磁场起吹弧作用 电阻阀片都是金刚砂 SIC 和结合剂烧结而成 称为碳化硅阀片 普通型避雷器的阀片是在低温下烧结而成 不能承受持续时间较长的内过电压冲击电流 磁吹型避雷器的阀片 是在高温下烧结而成 能用于限制内部过电压 目前我国生产的普通型避雷器有FS型和FZ型两种型号 FS型避雷器 其通流容量较小 主要用于保护小容量的3一l0kV配电装置中的电气设备 如变压器等 FZ型避雷器 其特性较好 通流容量较大 主要用于保护发电厂 大中型变电所的变压器和电容器等设备 磁吹型避雷器主要有FCZ电站型和保护旋转电机用的FCD型 氧化锌避雷器氧化锌避雷器 实际上也是一种阀型避雷器 其阀片以氧化锌 ZnO 为主要材料 加入少量金属氧化物 在高温下烧结而成 金属氧化锌阀片电阻的伏安特性如图所示 伏安特性曲线分为小电流区 非饱和区和饱和区三个区域 在额定电压 或灭弧电压 下 运行在小电流区 其阀片电阻的通过电流仅数百微安 氧化锌阀片电阻呈高阻状态 当加过电压之后 电阻片的通过电流逐渐增加 其过程与一个放电间隙与非线性电阻串联的阀型避雷器击穿相似 氧化锌阀片电阻的通过电流急剧增大 过渡到非饱和区 电压降至起始电压时 氧化锌阀片电阻终止 导通 又恢复到小电流区运行 可视为无续流通过 ZnO避雷器与SiC避雷器相比较 由于ZnO避雷器采用了非线性优良的ZnO阀片 使其具有许多优点 1 无间隙 无续流 在工作电压下 ZnO阀片呈现极大的电阻 续流近似为零 所以一般不用串联间隙来隔离工作电压 2 通流容量大 由于续流能量极少 仅吸收冲击电流能量 故ZnO避雷器的通流容量较大 更有利于用来限制作用时间较长 与大气过电压相比 的内部过电压 3 可使电气设备所受过电压降低 在相同雷电流和相同残压下 SiC避雷器只有在串联间隙击穿放电后才泄放电流 而ZnO避雷器 无串联间隙 在波头上升过程中就有电流流过 这就可降低作用在设备上的过电压 4 在绝缘配合方面可以做到陡波 雷电波和操作波的保护裕度接近一致 5 ZnO避雷器体积小 质量轻 结构简单 运行维护方便 目前生产的ZnO避雷器 大部分是无间隙的 对于超高压避雷器 也采用并联或串联间隙的方法 图11 15表示ZnO避雷器有并联间隙的原理图 图11 14示出SiC避雷器 ZnO避雷器及理想避雷器的伏安特性曲线 以作比较 图中假定ZnO SiC阀片在10kA电流下的残压相同 但在额定电压 或灭弧电压 下 ZnO伏安特性曲线所对应的电流一般在10 5A以下 可以近似认为其续流为零 而SiC伏安特性曲线所对应的续流却为100A左右 也就是说 在工作电压下ZnO阀片可看作是绝缘体 2 1220kV避雷器额定值 2 2220kV避雷器保护特性 表11 3给出Y5WZ系列电站用无间隙氧化锌避雷器的技术数据 表11 4给出Y10W5系列中部分氧化锌避雷器的技术数据 发电厂的接地装置按接地的目的 电气设备的接地可分为 工作接地 防雷接地 保护接地和仪控接地 1 工作接地 是为了保证电力系统正常运行所需要的接地 例如变压器中性点接地 其作用是稳定电网对地电位 从而可使对地绝缘降低 2 防雷接地 是针对防雷保护的需要而设置的接地 例如避雷针 线 避雷器的接地 目的是使雷电流顺利导入大地 以利于降低雷过电压 故又称为过电压保护接地 3 保护接地 也称安全接地 是为了人身安全而设置的接地 即电气设备的外壳 包括电缆皮 必须接地 以防外壳带电危及人身安全 4 仪控接地 发电厂的热力控制系统 数据采集系统 计算机监控系统 晶体管或微机型继电保护系统和远动通信系统等 为了稳定电位 防止干扰而设置的接地 仪控接地亦称电子系统接地 一 接地电阻基本概念接地电阻是指电流经接地体进入大地并向周围扩散时所遇到的电阻 当没有接地电流通过时 大地各处的电位是相等的 并认为其电位为零 但大地不是理想导体 它具有一定的电阻率 称为大地电阻率或土壤电阻率 大地电阻率在不同的地质条件下是不同的 如果有电流流过 则大地各处就出现了不同的电位 注人大地的电流 它以电流场的形式向四处扩散 如图11 16所示 离电流注入点愈远 半球形的散流面积愈大 地中的电流密度就愈小 一般认为在较远处 15 20m以外 单位扩散距离的电阻及地中电流密度已接近零 该处电位已近似为零电位 显然 当接地点有电流流入大地时 接地点电位最高 离接地点愈远 电位愈低 图11 16中曲线V F r 表示地表面的电位分布情况 人们把接地点处的电位VM与接地电流I的比值定义为该点的接地电阻R VM I 当接地电流为定值时 接地电阻R愈小 则电位VM愈低 反之则愈高 接地装置的接地电阻R主要决定于接地装置的结构 尺寸 埋入地下的深度及当地土壤的电阻率 因金属接地体的电阻率远小于土壤电阻率 故接地体本身的电阻在接地电阻R中可以忽略不计 二 接地电阻允许值接地电阻的允许值是根据接地电流的大小 接地装置上出现电压时间的长短和接触几率多少 并考虑不同土壤电阻率下投资的合理性而制定 在大电流接地系统中 接地电流都是由接地短路故障引起的 电流值较大 但故障切除时间快 接地装置上出现电压的持续时间也很短 所以规定接地网电压不得超过2000V 其接地装置的接地电阻为 式中I 流经接地装置的 短路 电流 当I 4000A时 可取R 0 5 在大地电阻率很高时允许将R值放宽到R 5 但在这种情况下 必须验证人身安全 在小电流接地系统中 接地故障电流I较小 继电保护常动作于信号 不切除故障 接地装置上出现电压的持续时间较长 因此 接地电压应限制得较低 当接地装置仅用于高压设备时 规定接地电压不得超过250v 即当接地装置为高低压设备所共用时 考虑到人与低压设备接触的机会更多 规定接地电压不得超过120V 即 一般在小电流接地系统中 接地电阻不应超过10 大地电阻率较高时 接地电阻允许取大些 对工作接地及人身安全保护接地而言 接地电阻是指直流或工频电流流过时的电阻 对过电压保护接地而言 是指雷电冲击电流流过时的电阻 简称冲击接地电阻 同一接地装置在工频电流和冲击电流作用下 将具有不同的电阻值 通常用冲击系数 表示两者的关系一般情况下 a l 也有时a 1 这与接地体的几何尺寸 雷电流的幅值和波形及土壤电阻率等因素有关 三 接触电压和跨步电压从人身安全考虑 一般人体通过50mA以上电流就有生命危险 人体皮肤处于干燥 洁净和无损伤时 人身电阻高达几十千欧以上 而皮肤有伤口或处于潮湿状态时 可降到1000 左右 因此在最不利的情况下 人接触的电压只要达0 05X1000 50 V 左右 即有致命危险 在电气设备发生接地故障 外壳带电时 人可能有两种方式触及不同电位点而受到电压的作用 人站在离设备外壳0 8m的地面上 手触及设备外壳离地面高为1 8m处所受到的电压 人的两脚 着地点跨距为0 8m时 两脚之间所受到的电位差 前者称为接触电压 后者称为跨步电压 如图12 16中所示的U和Uk 四 发电厂的接地装置除利用自然接地体或各种人工接地体之外 还应敷设人工接地网 在避雷器 避雷针附近采用垂直接地体 并在其中敷设若干均压带 还可采取以下均压措施 1 因接地网边角外部电位梯度较高 边角处应做成圆弧形 2 在接地网边缘上经常有人出入的走道处 应在该走道下不同深度装设与地网相连的帽檐式均压带或者将该处附近铺成具有高电阻率的路面 对于600MW机组电厂 其500kV和220kV配电装置 汽轮机房 锅炉房等主要电气建筑物下面常将深埋的水平接地体敷设成方格网 一般在主厂房接地网和升压变电所接地网连接处设有可拆部件 以便分别测试各个主接地网的接地电阻 主接地网的接地电阻一般在0 5 以内 地下接地网在一些适当部位连接有多股绞线 引出地面 以便连接需要接地的设备或接地母线 总地线排 或与厂房钢柱连接并形成整个建筑物接地 室外防雷保护接地引下线与接地体的连接点通常设在地表下0 3 0 5m以下 发电厂中大量电气设备或其他非载流金属部分都必须接地 如配电盘的框架 开关柜或开关设备的支架 电动机底座 金属电缆架 导线的金属外包层 开关和断路器的外壳或其他电气设备的外壳 移动式或手持式电动工具等 电气设备的接地 可用直接的金属接触固定在已接地的建筑金属结构上 也可用适当截面的接地线连接到已接地的接地端子或接地母线上 还可用单独的绝缘地线与电路导线敷设在同一条电缆走道 管道 电缆或软线内再接到适当的接地端子或接地母线上 五 电子系统接地要求和接地方式电子系统本身对于噪声或干扰是敏感的 必须通过适当的接地来降低噪声或干扰电平 电子系统的接地必须遵循以下各项要求 1 所有安装有电子设备的建筑物或综合机房 必须设置专用的低阻抗参考地或总地线排 接地母线 2 不同类型的系统必须相互绝缘 防止地电位差产生飞弧 3 装有电子设备的机架或机箱 必须有效地直接连接到专用的参考接地点 也可采用树干式接地中的一分支 4 必须避免形成闭合回路 5 当灵敏的电子设备与电磁干扰源设置在同一建筑物内时 电缆和机箱必须屏蔽 并且在这些屏蔽体与电磁干扰源之间提供低阻抗通路 电子设备接地时 有两项重要的原则 一是安全 二是通过公共接地部分的干扰减至最小 一般认为电子设备的接地有两种方式 即多点接地方式和一点接地方式 在多点接地方式中 要求有一个供系统使用的等电位的地面 在一点接地方式中 全部设备都以一点作为参考点 而这个参考点是与建筑物的地下接地网连接的 电子系统 分支系统和设备可用节点型的接地分配系统 要求接地分配系统按树干形或星形结构设置 以免形成磁场敏感环路 引起干扰 如图12 18所示 典型的布置是将接地母线 总地线排 作为第一级节点 第二级节点是分区接地馈线分配点 接地汇流排 第三级节点是机架和机箱的接地分配点 第四级节点是底盘或面板的接地分配点 电子设备室 楼 综合机房或通信楼一般都有许多十分不同的设备 包括电源系统 配电系统 采暖通风系统 电子系统 通信设备等 将要接地的设备都接到一个单独的共用地线上 效果最好 一点接地为楼室所有设备提供一个公共参考点 就是系统接地点 亦称总地线排或接地母线 一般用铜排或铜板构成 从地下接地网引出的铜辫连接到这个总地线排 如果用适当粗的馈线与接地网连接 也可以设置在其他地方 如楼上 在预计会有干扰的地方 接地馈线应设置在铁管内 而总地线排则要装设在屏蔽箱内 屏蔽箱连接总地线排 馈线管道直接连接在屏蔽箱上 各种设备的接地馈线必须按照接地设备的位置 并根据设备产生干扰或对干扰的灵敏度特性分群设置 图12 19是典型接地馈线的配置情况 一个总地线排 接地母线 与设备之间的最大空间距离一般不宜超过30m 否则需要设置第二个总地线排 在600MW机组电厂中 一般每个单元控制室及其附近的一些相关设备要设置一个总地线排 并构成一个相对独立的接地系统 六 阴极保护发电厂和变电所的接地装置是埋入地中的大量金属接地体 角钢 扁钢 钢管等 为了防止地下钢构件的腐蚀 需要利用电化学腐蚀原理进行阴极保护 使接地体寿命要求达到40年以上 发电厂的防雷保护发电厂遭受雷害有两种形式 一种是雷直击于发电厂 升压变电所 主厂房 烟囱 水冷塔等 另一种是雷击输电线路时沿线路传向发电厂的入侵雷电波 对直击雷的保护 除对发电厂内建筑物的防雷措施外 配电装置一般采用避雷针或避雷线 应使所有设备都处于避雷针 线 的保护范围之内 独立设置的避雷针与被保护物之间应有一定距离 以免雷击避雷针时造成反击 雷电通过避雷针再侧击到附近设备 二 发电厂入侵波与避雷器保护作用雷直击输电线路远比直击发电厂的概率大 所以沿线路入侵发电厂升压所的雷电过电压是很常见的 即使沿线路全长都装有避雷线 雷击避雷线时 线路上的感应过电压波也会入侵发电厂 因线路的绝缘水平要比升压所内变压器或其他设备的冲击耐压强度高得多 所以发电厂防入侵波的保护也十分重要 发电厂配电装置中 必须装设阀型避雷器或氧化锌避雷器 以限制雷电波入侵时的过电压 避雷器一般应装设在被保护设备的前面 指面对入侵波方向 才能起到较好的保护作用 配电装置中有很多电气设备 不可能在每个设备旁都装设一组避雷器 一般只在母线上装设避雷器 由于主变压器和启动 备用变压器离母线上的避雷器较远 往往还必须在这些变压器旁加装避雷器 否则会由于波的反射而使变压器得不到保护 发电机变压器组的防雷保护采用发电机变压器组接线时 由于变压器的保护作用 使得发电机上的过电压比直配线电机低得多 通常将传递过电压限制到不危险的程度 因此 只要可靠地保护了变压器 一般不需要对发电机再采取其他防雷保护措施 但有时传递过电压幅值过高 为防止发电机绝缘损坏 在多雷区 200MW及其以上的机组 宜在发电机出口装设一组FCD型磁吹避雷器或金属氧化锌避雷器 电力系统过电压1 大气过电压 也称为外部过电压 2 内过电压内过电压 是电力系统内部能量的传递或转化而引起的过电压 过电压幅值与电网额定电压有直接关系 常见的内过电压有 1 操作过电压 因断路器分合操作及短路或接地故障引起的暂态电压升高 称为操作过电压 例如投切空载线路或空载变压器引起的过电压 2 谐振过电压 因断路器操作导致回路感抗和容抗符合谐振条件 电网回路被分割 带铁芯元件饱和等 引起谐振而出现的电压升高 称为谐振过电压 例如电压互感器合闸时 因其出现励磁涌流和铁心磁饱和而引起的谐振过电压 内部过电压的能量来源于电网本身 所以它的幅值大体上随着电网额定电压的升高成比例增大 在220kV及以下电压等级的系统中 系统的绝缘水平主要决定于雷过电压 大气过电压 在超高压系统中 系统的绝缘水平主要由内部过电压决定 工频电压升高在内部过电压中 频率为工频的过电压 称为工频过电压或称工频电压升高 常见的几种工频过电压有 空载线路电容效应引起的电压升高 不对称短路时正常相上的电压升高 甩负荷时引起发电机加速而产生的电压升高等 工频电压升高对系统中绝缘正常的电气设备一般是没有危险的 但伴随着工频电压升高而同时发生的操作过电压却会达到很高的幅值 它等于升高后的工频电压叠加上高频分量 可能影响到要求提高设备的绝缘水平 另一方面 工频电压升高又是决定保护电器工作条件的重要因素 例如避雷器的最大允许工作电压就是按照电网中单相接地时非故障相的工频电压升高来决定的 工频电压升高幅值越大 要求避雷器的灭弧电压越高 即在同样保护比的条件下 就要提高设备的绝缘水平 一 空载长线路的电容效应超高压输电线路 线路容抗远大于感抗 在空载的情况下 线路中对地电容电流 使线路末端电压U2高于首端 即电源侧 电压U1 这种由于线路对地电容的作用 引起线路末端电压高于首端电源电压的现象 称为空载线路的电容效应 电容效应引起的电压升高 除与线路长度有关外 还与电源容量有关 当电源容量有限时 其内阻抗会增强电容效应 犹如增加了导线长度一样 电源容量愈小 工频电压升高愈严重 对于由两端电源供电的长线路 为了减小工频电压升高 线路两端的断路器必须遵循一定的操作步骤 当线路合闸时 先合电源容量较大的一侧 后合电源容量较小的一侧 当线路切除时 则先分电源容量小的一侧 后分电源容量大的一侧 这种操作顺序或者采取其他措施 由电力系统调度规程中规定 当电容效应引起工频电压升高超过一定限度时 可在线路上加装并联电抗器来补偿电容电流 使线路上流通的容性电流减小 从而减小其在线路电感上引起的压降 以限制这种工频过电压的升高 二 不对称短路引起的工频电压升高不对称短路是电力系统中最常见的故障 在单相或两相接地短路时 非故障相的电压一般都会升高 其中单相对地短路时可能达到更高的数值 不对称短路往往是由于雷击引起 因此应该考虑非故障相的避雷器动作后 必须能在不对称短路引起的工频电压升高下熄弧 所以单相对地短路时的电压升高是确定避雷器灭弧电压的依据 三 突然甩负荷引起的电压升高突然甩负荷引起工频电压升高的主要因素有 1 线路输送大功率时 发电机的电动势高于母线电压 甩负荷后 发电机磁链不能突变 将在短暂时间内维持其暂态电动势E d 跳闸前输送的功率愈大 则E d愈高 甩负荷时的工频电压升高就愈大 2 原动机的调速器和制动设备有惰性 甩负荷后它们不能立即起作用 使发电机转速增加 造成电动势和频率都上升 于是工频电压升高更严重 二 切除空载长线路时的过电压切除空载线路是电网中最常见的操作之一 对空载长线路而言 通过断路器的电流乃是线路的电容电流 在高压系统中通常只有几十安到几百安 比开断短路时的电流要小得多 但是 某些依靠电弧能量灭弧的断路器 如油断路器 在切断小电流时或断路器在开断纯容性 纯感性电流时 却不一定能够在电流第一次过零时不重燃地切断 这是因为灭弧能量不足或在电流第一次过零时 弧隙电压正好是最大值时 断路器触头间的抗电强度耐受不住高幅值的恢复电压作用而引起电弧重燃 电弧多次重燃是切除空载线路产生过电压的根本原因 切除空载线路时的等值电路如图11 21 a 所示 QF代表断路器 Ls为系统电源等值电感 线路以T形等值电路表示 LL为线路电感 C为线路对地电容 分析时可用图11 21 b 进行分析 L代表Ls与LL 2合并后的等值电感 通常 L 1 C 在切除空载长线路 或电容负荷 的过程中 断路器触头之间若发生电弧多次重燃 将引起电磁能的强烈振荡 对电容进行反复充电 可能使其电压愈升愈高 且作用在全部线路上 图11 22表示了切除空载线路时过电压的发展过程 u为电源电压 Uc为电容上的电压 即线路对地电压 b为电弧电流 在t t0时 断路器QF开断 产生电弧 当t t1时 电流过零电弧熄灭 假若略去电感和电阻上的压降 则此时的电容电压Uc 一Um 电源电压幅值 熄弧后 电容上的电荷无处泄漏 其电压将保持不变 而电源电压u仍按正弦规律变化 由一Um向Um变化 加在断路器两触头间 称弧隙 的电压 即恢复电压uhf u一uc随着增大 在电流过零熄弧后再经半个周波 即图11 22中t2 弧隙恢复电压升高至2Um 假设此时弧隙被击穿 接通电路 相当于电源电压为Um的直流电源经电感L突然加在充有电压为一Um的电容上 将产生以电源电压Um为基准 幅值为2Um的振荡充放电过程 电容上的最高电压可达Um 2Um 3Um 另一方面 弧隙击穿后将出现高频电流 h 当高频电流过零时 电容上的电压已达最大值3Urn 如果高频电流过零后电弧又熄灭 Uc将保持3Um不变 此后随着电源电压又向负方向变化 依此类推 在最不利的条件下 电容电压将按三 五 七 倍增长 实际上 由于受到一系列复杂因素的影响 过电压幅值不可能无限增大 首先是开断空载线路时 电弧是否会重燃及重燃次数有多少与断路器的性能有关 一般而言 油断路器的重燃次数较多 压缩空气断路器的重燃次数较少或不重燃 六氟化硫断路器一般不会重燃 即使发生重燃 也不一定在电源电压为最大值并与线路残余电压Uc呈反极性的时刻 还有线路电阻的阻尼作用 因此每次电弧重燃时 电容上的电压升高不会像上述极端条件那么大 在实际工程中 切除空载线路时曾出现幅值为相电压幅值4倍多的过电压 在超高压电网中 由于使用了SF6断路器或带并联电阻的断路器 基本上消除了电弧重燃现象 也基本上消除了这种过电压 我国330kV线路上的试验结果表明 切除空载长线路多次均未发生电弧重燃 最大过电压只测到1 2倍左右 而最大合闸过电压却达2倍多一些 国外的实测试验结果也与此大致相符 这就表明 在超高压电网中 合闸空载线路时的过电压成了主要矛盾 成为对超高压电网绝缘水平起决定性作用的因素 三 空载线路的合闸过电压空载线路的合闸有两种情况 一种是按计划接通线路的合闸操作 简称计划性合闸或正常合闸 另一种是故障跳合后的自动重合闸 1 计划性合闸引起的过电压对正常合闸 合闸前线路正常 线路上初始电压为零 在合闸后 电源电压通过系统等值电感L对空载线路电容C充电 回路中将产生高频振荡过程 若不计电阻的阻尼作用 线路上的最高电压可达2Em Em为电网工频相电压的幅值 这种合闸过电压并不严重 2 自动重合闸引起的过电压自动重合闸是线路发生故障跳闸后 断路器靠重合闸装置 经 t 约0 3一0 5s 再自动重合 在中性点直接接地系统中 发生单相接地故障时 非故障相的对地电压将上升为 1 3 1 4 Em 设上升到1 3Em 断路器跳闸后非故障相电流过零熄弧时 线路上的残余电压Uo也为1 3Em 若不考虑线路的残余电荷泄漏 则U0 1 3Em 保持不变 若经 t时间断路器重合时刻的电源电压恰好与线路残余电压U0反极性 且为峰值 Em 如图12 23所示的t1时刻 则重合闸时的过渡过程中 在不考虑电阻的阻尼作用下 最大过电压将为Um 一Em 一Em一1 3Em 一3 6Em 若考虑重合时 线路残压一般比熄弧时已下降了30 则U 一Em十 一Em一1 3EmX30 一2 91Em若考虑到重合闸时刻电源电压不一定恰好为最大值 也不一定和线路残压反极性 还有回路电阻的阻尼作用 过电压就较上述计算值低 限制合闸过电压特别是重合闸过电压的主要措施是 采用带并联电阻或合闸电阻的断路器 目前我国500kV断路器上使用的合闸电阻多为400 国外500kV断路器的合闸电阻在400 1200 范围内 对于更高电压等级的电网 要求操作过电压限制在两倍以下 断路器可采用多级并联 或合闸 电阻 以更好的限制合闸过电压 采用接在线路侧的电磁式电压互感器 以泄放线路残余电荷 作为降低线路残留电压的措施 也能限制此类过电压 值得指出 有些国家的高压断路器一般没有合闸电阻 操作过电压比较严重 以氧化锌避雷器作过电压保护的第一道防线 为此要求正常运行时 500kV避雷器不得退出运行 以作为操作过电压的主保护 四 切除空载变压器引起的过电压切除空载变压器等纯电感小电流时 都有可能在被切除的电器和断路器上出现过电压 因为开断的电流小 输入电弧中的能量少 而断路器的灭弧能力又很强 因此往往在电流过零之前的某一电流值 见图11 24中i 时 电弧会突然熄灭 这种现象称为 截流 电感电路中电流的突变 就会产生很高的过电压 过电压的大小与变压器本身及附近线路的分布电容有关 也与电压升高过程中电弧是否会重燃有关 电容增大 电弧重燃 电感中的磁场能返回给电源 都将使过电压降低 我国对110 220kV空载变压器进行的不少试验表明 在中性点直接接地电网中 这种过电压一般不超过相电压幅值的3倍 在中性点不接地电网中 一般不超过相电压幅值的4倍 这种过电压可用避雷器加以限制 采用带并联电阻的断路器也可限制这种过电压 五 间歇电弧过电压间歇电弧接地过电压 一般对中性点不接地系统而言 在中性点不接地电网中发生单相金属接地时 非故障相电压升高到线电压 如果单相接地为不稳定的电弧接地 即接地点的电弧间歇性地熄灭和重燃 则在电网非故障相和故障相将会出现很高的过电压 限制这种过电压的措施 通常采用中性点经消弧线圈接地 以补偿电容电流 或采用中怛电经高电阻接地 以利于电弧熄灭 通过分析计算可知 当接地点发生间歇性电弧时 在最不利的情况下 非故障相的最大过电压可达相电压幅值的3 5倍 故障相最大过电压为相电压幅值的2倍 第七节谐振过电压电力系统中含有许多电感和电容 包括分布电容 元件 当系统进行断路器操作或发生故障时 某些电感 电容元件构成的回路可能发生串联谐振 从而在有关元件上出现严重的谐振过电压 电力系统中的谐振过电压不仅会在操作或事故的过渡过程中产生 而且还可能在过渡过程结束以后较长时间内稳定存在 直到进行新的操作或谐振条件受到破坏为止 所以谐振过电压的持续时间比操作过电压的长得多 出现串联谐振时 过电压可能危及电气设备的绝缘 也可能因持续的过电流而烧坏小容量的电感元件 如电压互感器等 还可能影响保护装置的工作条件 如影响避雷器的灭弧条件等 谐振过电压可在各种电压等级的电网中产生 尤其是在35kV及以下电压的电网中 由谐振造成的事故较多 已成为普遍注意的问题 必须在设计和操作时事先进行必要的计算和安排 避免形成不利的谐振回路或采取一定的附加措施 如装设阻尼电阻等 以防止谐振的产生或降低谐振过电压的幅值及缩短其存在时间 电力系统中的有功负载能起阻尼振荡和限制谐振过电压的作用 因此通常只是在空载或轻载下可能发生谐振 但对零序回路参数配合不当形成的谐振 是不受系统的正序有功负载影响的 电力系统中的电容和电阻元件 一般可认为是线性参数的 而电感元件则不然 有的电感元件可认为是恒定不变 如输电线的 消弧线圈的 其铁芯有气隙 的 有的元件 如空载变压器 电压互感器 电感是非线性的 此外 还有一些元件的电抗是周期性变化的 例如水轮发电机 凸极机 的同步电抗就是在直轴电抗Xd与交轴电抗xq之间周期性地变动着 每经过一个电周期电抗将变动两个周期 按谐振回路中电感元件特性的不同 谐振可分为三种不同的类型 即线性谐振 铁磁谐振 非线性揩振 和参数谐振 线性谐振 就是通常的线性参数R L C串联回路的谐振 在一般电工书中都有分析 电感周期变化的参数谐振较少遇到 图12 26所示为最简单的铁磁谐振电路 由电阻R 电容C和非线性铁芯电感L串联而成 假设在正常运行条件下 铁芯未饱和 工作于线性段 电感较大 其初始