6 电力系统内部过电压 2009ppt课件

第二篇电力系统过电压及其防护,第六章电力系统内部过电压,电力系统内部过电压,在电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，使系统参数发生变化，引起系统内部电磁能量的振荡转化或传递从而造成的电压升高，称为电力系统的内部过电压。内部过电压的产生根源在电力系统内部，其大小由系统参数决定。,电力系统内部过电压,内部过电压及其分类,电力系统内部过电压,操作过电压所指的操作应理解为“电网参数的突变”，这一类过电压的幅值较大，可采用限压保护装置和其他技术措施来加以限制。谐振过电压的持续时间较长，而现有的限压保护装置的通流能力和热容量都很有限，无法防护谐振过电压。一般在选择电力系统的绝缘水平时，要求各种绝缘均能可靠地耐受尚有可能出现的谐振过电压的作用，而不再专门设置限压保护措施。工频电压升高，虽然其幅值不大，本身不会对绝缘构成威胁，但其他内部过电压是在它的基础上发展的，所以仍需加以限制和降低。,分析内部的过电压的发展过程，可以采用分布参数等值电路及行波理论，也可采用集中参数等值电路暂态计算的方法。,内部过电压的能量来自电网本身，它的幅值大小与电网的工作电压有一定的比例关系，用工作电压的倍数（过电压倍数）来表示。其基准值通常取电网的最大工作相电压幅值U。（雷电过电压用幅值绝对值来表示）。,Un系统额定电压有效值，kV,电力系统内部过电压,电力系统内部过电压,6.1电力系统操作过电压6.2谐振过电压,6.1电力系统操作过电压,电力系统中的电容、电感元件均为储能元件。当系统操作或故障使其工作状态发生变化时，将产生电磁能量振荡的过渡过程。在设备上将会产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。它是高频振荡、强阻尼、在几毫秒至几十毫秒后衰减消失的过电压。,6.1电力系统操作过电压,电力系统常见操作过电压种类一、切除空载线路过电压二、合空载线路过电压三、切除空载变压器过电压四、电弧接地过电压（中性点不直接接地系统）五、解列过电压,6.1电力系统操作过电压,在不同电压等级中起主导作用的操作过电压类型：610kV，3560kV：电弧接地过电压110220kV：切空载变压器，切除空载线路过电压330500kV：合空载线路过电压,切除空载线路时引起的操作过电压幅值大、持续时间长，是按操作过电压选择绝缘水平的重要因素之一。,6.1电力系统操作过电压,一、切除空载线路过电压,发展过程影响因素和降压措施,6.1电力系统操作过电压,切除空载线路等值电路,空载线路分闸过电压的产生过程,6.1电力系统操作过电压,6.1电力系统操作过电压,t=t1时，开关K发生第一次熄弧t=t2时，开关K发生第一次重燃t=t3时，开关K发生第二次熄弧t=t4时，开关K发生第二次重燃,UC=+EmUCmax1=-3EmUCmax1=-3EmUCmax2=+5Em,UmaxU稳态(U稳态U起始)2U稳态U起始,线路最高暂态幅值：,6.1电力系统操作过电压,过电压产生的根本原因：断路器的电弧重燃限制过电压的措施：提高断路器的灭弧性能，减少或避免电弧重燃；在断路器中加装并联分闸电阻；装设避雷器。ZnO或磁吹避雷器安装在线路首端和末端，能有效地限制这种过电压的幅值。,二、合空载线路过电压,6.1电力系统操作过电压,空载线的合闸分为两种情况，即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，重合闸过电压是合闸过电压中最严重的一种。合闸过电压在超高压系统的绝缘配合中，上升为主要矛盾，成为选择超高压系统绝缘水平的决定性因素。,6.1电力系统操作过电压,1、计划性合闸过电压,UmaxU稳态(U稳态U起始)2U稳态U起始空载线路U起始0；Umax2U稳态2Em,6.1电力系统操作过电压,0振荡回路的自振角频率A、B积分常数,实际上，回路存在电阻与能量损耗，振荡将是衰减的，通常以衰减系数来表示。,2、自动重合闸过电压,6.1电力系统操作过电压,正常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初始电压uc(0)=0。如果是自动重合闸的情况，那么条件将更为不利，主要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激烈。,6.1电力系统操作过电压,非短路相在Em或Em峰值处熄弧（负载为空载线路）重合闸在0.5s后进行，当电源极性与线路残余电压相反时，最大振荡电压为3Em。,影响过电压产生的主要因素：合闸相位；如果合闸不是在电源电压接近幅值时发生，出现的合闸过电压自然就较低了。线路残余电压的大小与极性；线路损耗。线路损耗能减弱振荡，从而降低过电压。限制过电压的措施：在断路器中加装并联合闸电阻；采用同步合闸；消除和削弱线路残余电压(电磁式电压互感器)装设避雷器。,6.1电力系统操作过电压,三、切除空载变压器过电压,6.1电力系统操作过电压,空载变压器在正常运行时表现为一激磁电感。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。在开断并联电抗器、消弧线圈等电感元件时，也会引起类似的过电压。,6.1电力系统操作过电压,过电压产生的原因：截流现象：流过电感的电流在到达自然零点前被断路器强行切断，使得储存在电感中的磁场能量被强迫转化为电场能，导致电压的升高。切空变容易发生截流现象。切断100A以上的交流电流时，电弧通常都是在工频电流自然过零时熄灭的；但当被切断的电流较小时（空载变压器的激磁电流很小，一般只是额定电流的0.55，约数安到数十安），电弧提前熄灭，亦即电流会在过零之前就被强行切断。,切除空载变压器等值电路及波形图,6.1电力系统操作过电压,切除空载变压器的过电压分析,ZT:变压器特征阻抗；m：磁场能转化为电场能系数;,振荡频率：,6.1电力系统操作过电压,影响因素：断路器的性能（灭弧能力越强，切断电流能力越强，过电压越高）；变压器的参数（电感越大，电容越小，过电压越高）。限制措施：变压器侧加装阀式避雷器。,6.1电力系统操作过电压,电弧接地过电压概述电弧接地过电压主要发生在中性点不接地的电网中系统出现单相接地故障时。接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的电流，这种电容电流在610kV系统（30A）、3560kV系统（10A）中难以自行熄灭。由于电弧不稳定（间歇性电弧），引起系统强烈的电磁振荡过程，产生电弧接地过电压。,6.1电力系统操作过电压,四、间歇电弧接地过电压,6.1电力系统操作过电压,1、发展过程,过电压的发展过程和幅值大小都与熄弧的时间有关。存在两种熄弧时间：电弧在过渡过程中的高频振荡电流过零时即可熄灭电弧要等到工频电流过零时才能熄灭,电弧与故障点电流关系,接地电流与故障相角差为90度,6.1电力系统操作过电压,因为I2与I3在相位上相差60，所以故障点的电流幅值,工频电流过零时熄弧的条件下，续断电弧接地过电压的发展过程,6.1电力系统操作过电压,6.1电力系统操作过电压,影响过电压的因素电弧熄灭与重燃的相位系统的相关参数(相间电容、线路损耗)中性点接地方式,6.1电力系统操作过电压,消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（1）,消弧线圈电流补偿线路容性电流，减小接地电阻,6.1电力系统操作过电压,消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（2）,自振角频率,6.1电力系统操作过电压,6.2谐振过电压,6.2谐振过电压,谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态或准稳态现象。在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐波幅值会急剧上升。谐振回路中包含有电感L、电容C和电阻R，通常认为系统中的C和R（避雷器例外）是线性元件，而电感L有三种不同的特性：线性电感、非线性电感和周期性变化电感，因此相应地振荡回路就具有三种不同特点的谐振现象：,6.2谐振过电压,(一)线性谐振过电压电路中的电感L与电容C、电阻R一样，都是线性参数。限制这种过电流和过电压的方法是使回路脱离谐振状态或增加回路的损耗。在电力系统设计和运行时，应设法避开谐振条件以消除这种线性谐振过电压。(二)参数谐振过电压系统中某些元件的电感会发生周期性变化。进行自激的校核，避开谐振点。(三)铁磁谐振当电感元件带有铁心时。一般都会出现饱和现象，这时电感不再是常数，而是随看电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件时，就会产生铁磁谐振现象，它具有一些不同于其他过电压的特点。,6.2谐振过电压,串联铁磁谐振等值回路,铁磁谐振过电压,6.2谐振过电压,串联铁磁谐振回路的特性曲线,小扰动判别法,6.2谐振过电压,基波的铁磁谐振的特点：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，铁磁谐振可在较大范围内产生；对铁磁谐振电路，在同一电源电势作用下，回路可能有不只一种稳定工作状态；铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因，但其饱和特性本身又限制了过电压的幅值。此外，回路中的损耗会使过电压降低，当回路电阻值大到一定数值时，就不会出现强烈的的谐振现象。,6.2谐振过电压,因此，基波铁磁谐振过电压必要条件铁磁谐振过电压“稳定工作点”分析铁磁谐振过电压特点及限制措施改善电磁式电压互感器的激磁特性或改用电容式电压互感器采用阻尼电阻增大对地电容，从参数配合上避开谐振采用消弧线圈,小结,谐振过电压可分为如下三种形式：线性谐振过电压、参数谐振过电压和铁磁谐振。具有各种谐波谐振的可能性是铁磁谐振的一个重要特点。电力系统中的铁磁谐振过电压常发生在非全相运行状态中。,第二篇电力系统过电压及其防护,第七章电力系统的绝缘配合,主要内容,7.1绝缘配合的原则和方法7.2输变电设备绝缘水平的确定7.3架空输电线路绝缘水平的确定,7.1绝缘配合的原则和方法,绝缘配合的根本任务：正确处理过电压和绝缘这一对矛盾，以达到优质、安全、经济供电的目的。绝缘配合的定义：综合考虑电气设备在电力系统可能承受的各种电压（工作电压和过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对各种电压的耐受特性，合理地确定设备必要的绝缘水平，以使设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失，这三方面综合费用最小，从而在经济上和安全运行上达到总体效益最高的目的。绝缘配合的核心问题：绝缘配合的核心问题是确定电气设备的绝缘水平。,7.1绝缘配合的原则和方法,电气设备的绝缘水平：设备绝缘能耐受的试验电压值（耐受电压），在此电压下，绝缘不发生闪络、击穿或其它损坏现象。同一绝缘对于不同的作用电压有不同的绝缘水平。确定电气设备绝缘水平的试验类型短时（1分钟）工频耐压试验长时间工频耐压试验操作冲击耐压试验雷电冲击耐压试验,7.1绝缘配合的原则和方法,电力系统绝缘配合典型例子同杆架设的双回路之间的绝缘配合各种保护装置的绝缘配合各种外绝缘之间的绝缘配合被保护装置与保护装置在各种电压等级电网对绝缘水平选取起主要作用过电压220kV及以下：大气过电压330kV及以上超高压：操作过电压1000kV及以上特高压：工频过电压,7.1绝缘配合的原则和方法,中性点接地方式对绝缘水平的影响,电力系统绝缘配合的本质是合理处理作用电压和绝缘强度的关系，而电力系统中各类作用电压与电力系统的中性点的运行方式有关。电力系统中性点接地方式分为非有效接地和有效接地两大类。在这两类接地方式不同的电网中，过电压水平和绝缘水平都有很大的差别.,1、最大长期工作电压在非有效接地系统中，由于单相接地故障时并不需要立即跳闸，而可以继续带故障运行一段时间，这时健全相上的工作电压升高到线电压，再考虑最大工作电压Un高10%-15%，因此最大长期工作电压为（1.1-1.15)Un。,7.1绝缘配合的原则和方法,2、雷电过电压实际作用到绝缘上的雷电过电压幅值取决于阀式避雷器的保护水平。由于阀式避雷器的灭弧电压是按最大长期工作电压选定的，因而有效接地系统中所用避雷器的灭弧电压约比同一电压等级、中性点为非有效接地系统中的避雷器低20左右。3、内部过电压在有效接地系统中，内部过电压是在相电压的基础上产生和发展的，而在非有效接地系统中，则有可能在线电压的基础上发生和发展，因而前者要比后者低2030左右。,结论：中性点有效接地系统的绝缘水平可比非有效接地系统低20左右。,7.1绝缘配合的原则和方法,在110kV及以上的系统中，采用有效接地方式以降低系统绝缘水平在经济上好处很大；在66kV及以下的系统中，供电可靠性上升为首要考虑因素，一般均采用中性点非有效接地方式。随着635kV配电网的迅速发展，以电缆网络为主的610kV大城市或大型企业配电网有一部分改用了中性点经低值或中值电阻接地的方式，它们属于有效接地系统。,7.1绝缘配合的原则和方法,惯用法统计法简化统计法,7.1绝缘配合的原则和方法,在惯用法中，以绝缘的电气强度下限与过电压的上限作配合，还要留出足够大的安全裕度。实际上，过电压和绝缘的电气强度都是随机变量，无法严格地求出他们的上、下限，而且根据经验选定的安全裕度带有一定的随意性。这些做法从经济的视角去看，特别是对超、特高压输电系统来说，是不能容许的、不合理的。,惯用法,7.1绝缘配合的原则和方法,从20世纪60年代起，国际上开始探索新的绝缘配合思路，并逐步形成“统计法”，IEC于70年代初期对此作出正式推荐，目前已在一些国家采用于超高压外绝缘的设计中。采用统计法作绝缘配合的前提是充分掌握作为随机变量的各种过电压和各种绝缘电气强度的统计特性（概率密度、分布函数等）。利用统计法进行绝缘配合时，安全裕度不再是一个带有随意性的量值，而是一个与绝缘故障率相联系的变数。,统计法,7.1绝缘配合的原则和方法,在实际工程中采用上述统计法来进行绝缘配合，是相当繁复和困难的。为此IEC推荐了一种“简化统计法”，以利实际应用。在简化统计法中，对过电压和绝缘电气强度的统计规律作了某些假设，