电气工程基础-第18章

电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,第十八章 电力系统的过电压,电力系统中的各种绝缘在运行中除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的作用。所谓过电压就是指电系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位升高。通常过电压有以下分类：,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,第一节 稳态过电压的电路基础,（1）由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，所以它们有可能同时出现、相互叠加。（2）工频电压升高是决定某些过电压保护装置工作条件的重要依据，所以它直接影响到避雷器的保护特性和电力设备的绝缘水平。（3）由于工频电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大影响。,工频电压升高的危害:,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,输电线路空载并且在长度不很大时可简化如图所示的等值电路。,空载长线的简化等值电路,一般R要比XL和XC小得多，可以忽略线路电阻R。另外，空载线路的工频容抗XC又要大于工频感抗XL，因此在工频电势的作用下，线路上流过的容性电流在感抗上造成的压降将使容抗上的电压高于电源电势。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,由于电感与电容上的压降反相，且UCUL，可见电容上的压降大于电源电势.,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,线路上个点电压由末端向始端按余弦函数分布。末端电压会随首端电压增加而成比例提高。采用并联电抗器来补偿线路的电容电流以削弱电容效应。,空载长线的电容效应:,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,第二节 谐振过电压,电力系统中存在大量电感和电容元件电感元件：电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路导线电感等电容元件：线路导线对地和相间电容、补偿用的并联和串联电容器组、高压设备的杂散电容。,当系统进行操作或发生故障时，电感、电容元件可形成各种振荡回路，如某一自由振荡频率等于外加强迫频率，发生谐振。谐振是一种周期性或准周期性的运行状态。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,发生谐振时谐波的振幅会急剧上升，且持续时间长，甚至稳定存在，性质上属于暂时过电压谐振过电压的严重性既取决于它的幅值，也取决于它的持续时间 谐振过电压危及电气设备的绝缘 持续的过电流烧毁小容量的电感元件，还影响保护装置的工作条件，如避雷器的灭弧条件系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压得有利因素。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,电力系统中的电容和电阻元件，一般可认为是线性参数。可是电感元件则不然。由于振荡回路中包含不同特性的电感元件，谐振将有三种不同的类型： （1）线性谐振 （2）铁磁谐振 （3）参数谐振,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,一、线性谐振过电压 谐振回路由不带铁芯的电感元件（如输电线路的电感、变压器的漏感）或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件（如消弧线圈，其铁芯中有气隙）和系统中的电容元件所组成。在正弦电源作用下，系统自振频率与电源频率相等或接近时，可能产生线性谐振。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,电力系统中可能发生线性谐振的情况,当空载线路到达一定长度时，会发生工频线性谐振 不对称接地故障或非全相操作则使谐振时的导线长度更加缩短,消弧线圈补偿电网中的线性谐振超高压补偿线路（并联电抗器）中不对称切合引起的工频谐振,两种补偿电网中的线性谐振,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,空长线的电容效应以及中性点经消弧线圈接地时中性点位移属于线性谐振。 线性谐振的特点： 非谐振点上也有过电压； 过电压受电阻限制； 过电压值随参数连续变化。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,二、铁磁谐振过电压,谐振回路由带铁芯的电感元件（如空载变压器、电压互感器）和系统的电容元件组成。因为铁芯电感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的，在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振。产生串联铁磁谐振的必要条件是： 电感和电容的伏安特性必须相交，铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,在很大范围内铁磁谐振都可能发生；需要“激发”才会出现谐振；电容越大时，出现铁磁谐振的可能性将减小；由于铁芯电感的饱和效应，铁磁谐振过电压幅值一般不会很高，而电流却可能很大；谐振状态可能“自保持”；产生铁磁谐振时，电流的相角将有180的转变，即电流的“翻相”；具有各次谐波谐振（实际上多为13、12、1和3次）的可能，和电路的固有频率有关。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,由电感参数作周期性变化的电感元件（如旋转电机的电感大小周期性变化）和系统的电容元件（如空载长线）组成回路，当参数配合时，通过电感的周期变化，不断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐振过电压。,三、参数谐振过电压,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,参数谐振的特点谐振所需的能量由改变参数的原动机所供给，不需要单独的电源电压实际电网中存在着一定的损耗电阻，所以每次参数变化所引入的能量应当足够大，以便不仅可以补偿电阻中的能量损耗，并使回路中的储能愈积愈多，保证谐振的发展若谐振发生后，回路中的电流和电压的幅值，理论上能趋于无穷大。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,参数谐振的特点参数谐振发生后，随着电流的增大，电感线圈达到磁饱和状态，电感值迅速变小，使回路自动地偏离谐振条件，从而限制了谐振过电压和过电流的幅值当参数变化的频率与谐振频率之比等于2时，谐振最容易发生。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,消除参数谐振的措施采用快速自动调节励磁装置，一般能消除同步自励磁；增大回路中的阻尼电阻，可防止自励磁；若条件许可，空载线路的充电合闸，应在大容量的系统侧进行，不在孤立电机侧进行。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,第三节 空载线路合闸过电压,空载线路的合闸可分为正常合闸和自动重合闸。这时出现的操作过电压称为合空线过电压或合闸过电压，重合闸过电压是过电压中最严重的一种。如果自动重合闸，那么过电压情况更加严重，原因在于这时线路上有一定残余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加剧烈。如果采用的是单相自动重合闸，只切除故障相，而健全相不与电源电压相脱离，那么当故障相重合闸时，因该相导线上不存在残余电荷和初始电压，就不会出上述高幅值重合闸过电压。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,在计划性合闸过电压中，过电压理论值可达2U,计划性合闸（线路无剩余电荷）,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,在故障性合闸过电压中，过电压理论值可达3U,故障性合闸（重合闸）,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,影响因素和限制措施,影响因素（1）合闸相位：是随机量，遵循统计规律。（2）线路损耗：主要来源：线路及电源的电阻；当过电压超过导线的电晕起始电压后，导线上出现电晕损耗。（3）线路残余电压的变化。合闸过电压的限制、降低措施主要有： 装设并联合闸电阻 同电位合闸 利用避雷器来保护,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,第四节 切断空载线路过电压,QF,z,-U,l,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,影响因素: （1）中性点接地方式：中性点非有效接地电网的中性点电位有可能发生位移，所以某一相的过电压可能特别高； （2）断路器的性能：重燃次数对这种过电压的最大值有决定性的影响； （3）母线上的出线数：当母线上同时接有几条出线，而只切除其中一条时产生过电压，但这种过电压较小。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,切除空载变压器等值电路,一、发展过程,第五节 切除空载变压器过电压,产生原因：流过电感的电流在到达自然零值之前就被断路器强行切断，从而迫使储存在电感中的磁场能量转为电场能量而导致电压升高。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,二、影响因素与限制措施,影响因素: （1）断路器性能 灭弧能力越强的断路器，其对应的切空变过电压最大值也越大。 （2）变压器特性 变压器绕组除励磁电感外，还有电容。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,过电压,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,一 雷电放电过程,就其本质而言，雷电放电是一种超长气隙的火花放电，与金属电极间的长气隙放电是相似的。所不同的是由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同，因而具有多次重复雷击等现象和特点。雷云下部大部分带负电荷，所以大多数的雷击是负极性，雷云中的负电荷会在地面感应出大量正电荷。这样地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间，会形成强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。,第六节 雷电放电和雷电过电压,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,通常“云地”之间的线状雷电在开始时往往是一微弱发光的通道，从雷云向地面伸展，它以逐级推进的方式向下发展，每级长度约2550m，每级的伸展速度约104 km/s，平均发展速度只有100800km/s的预放电称为先导放电。当先导放电接近地面时，地面上一些高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离程度，会发出向上的迎面先导，当它与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随雷鸣和闪光。这段时间极短，只有50100 s，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展的，亦称“回击” 。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,二 雷云过电压 雷电过电压是雷云中大量雷电荷倾注于电力系统而形成的。雷击电力系统的线路或设备时，产生的瞬时过电压成为直击雷过电压，其值将远远超过线路或设备的正常工作电压，对绝缘构成威胁。甚至雷击电力系统附近地面物，由于强大的电磁感应现象，也会产生感应雷过电压。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,三 架空输电线路防雷保护,输电线路是电力系统的大动脉，一条长100m的架空线路一年往往要遭到数十次雷击，因而线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的比重。输电线路防雷保护的根本目的就是尽可能的减少线路雷害事故的次数和损失。 降低杆塔接地电阻，架设避雷线是提高线路耐雷水平的主要方法，自动合闸是减少雷击跳闸而形成供电中断的有效措施。,电气工程基础第十八章 电力系统的过电压,四 变电所的防雷保护,变电所是多条输电线路的交汇点和电力系统的枢纽。因此其防雷保护是非常重要的。 对变电所而言，出现的雷电过电压有两个来源： （1）雷电直击变电所； （2）沿输电线路入侵的雷电过电压波。,变电站的直击雷防护主要依靠避雷针，侵入波保护主要依靠阀式避