电力系统内部过电压

1、第二篇第二篇 电力系统过电压及其防护电力系统过电压及其防护 第六章第六章 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。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，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。其大小由系统参数决定。 系统参数的变化原因是多种多样的，因系统参数的变化原因是多种多样的

2、，因 此内部过电压的幅值、振荡频率以及持此内部过电压的幅值、振荡频率以及持 续时间不尽相同，通常按产生原因的不续时间不尽相同，通常按产生原因的不 同可分为：同可分为： 暂态过电压是一种在一定位 置上的的相对地或相间的过 电压，具有一定的振荡频率， 由于无阻尼或弱阻尼，因此 持续时间较长。 操作过电压是电磁过渡过程 的过电压。 暂态过电压操作过电压 工频电压升高谐振过电压切空线过电压 合空线过电压 切空变过电压 间歇电弧接地 过电压 线性谐振过电压 铁磁谐振过电压 参数谐振过电压 空载长线的 电容效应 不对称短路引起的 工频过电压 甩负荷引起的 工频电压升高 工频电压升高，虽然其幅值不大，一般来

3、说，对正常工频电压升高，虽然其幅值不大，一般来说，对正常 绝缘的电气设备没有威胁。但工频电压的升高常伴随绝缘的电气设备没有威胁。但工频电压的升高常伴随 操作过电压，其大小直接影响操作过电压的幅值。操作过电压，其大小直接影响操作过电压的幅值。 谐振过电压是在系统进行操作或发生故障时系统中的谐振过电压是在系统进行操作或发生故障时系统中的 电感和电容元件可能形成各种不同的振荡回路，在一电感和电容元件可能形成各种不同的振荡回路，在一 定的能源作用下，产生振荡现象，引起谐振过电压。定的能源作用下，产生振荡现象，引起谐振过电压。 其持续时间较长。其持续时间较长。 操作过电压指由于操作过电压指由于“操作操作

4、”( (包括断路器的正常操作包括断路器的正常操作 也包括各类故障也包括各类故障) )导致导致 “电网参数的突变电网参数的突变”引起的过引起的过 渡过程中而产生的过电压，这一类过电压的幅值较大，渡过程中而产生的过电压，这一类过电压的幅值较大， 存在高频振荡、强阻尼、持续时间短。存在高频振荡、强阻尼、持续时间短。 分析内部的过电压的发展过程，可以采用分布参数等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的暂值电路及行波理论，也可采用集中参数等值电路的暂 态过程计算方法。态过程计算方法。 内部过电压的能量来自电网本身，它的幅值大小与内部过电压的能量来自电

5、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，用工作电压的电网的工作电压有一定的比例关系，用工作电压的 倍数倍数(过电压倍数过电压倍数)来表示。其基准值通常取电网的最来表示。其基准值通常取电网的最 大工作相电压幅值大工作相电压幅值Uph.m。(雷电过电压用幅值绝对值雷电过电压用幅值绝对值 来表示来表示)。 Un系统最高运行线电压有效值，系统最高运行线电压有效值，kV nmph 3 2 UU 6.1 电力系统操作过电压电力系统操作过电压 6.2 谐振过电压谐振过电压 6.1 电力系统操作过电压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电力系统中的电容、电感元件均为储能元

6、件。当系统正常操作或故障使其工作状态发件。当系统正常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。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。秒至几十毫秒后衰减消失的过电压。 可采用限压保护装置和其他技术措施来加以限可采用限压保护装置和其他技术措施来加以限 制。制。 电力系统常见操作过电压种类电力系统常见操作过电压种类 一、切除空载线路过电压一、切除空载线路过电压(中性点直接接地系统中性点直

7、接接地系统) 二、合空载线路过电压二、合空载线路过电压(中性点直接接地系统中性点直接接地系统) 三、切除空载变压器过电压三、切除空载变压器过电压(中性点直接接地系统中性点直接接地系统) 四、电弧接地过电压四、电弧接地过电压(中性点不直接接地系统中性点不直接接地系统) 五、解列过电压五、解列过电压(中性点直接接地系统中性点直接接地系统) 在不同电压等级中起主导作用的操作过电压类型：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：电弧接地过电压 110220kV：切空载变压器，切除空载线路过电压：切空载变压器，切除空载线路过电压 330500kV：合空载线路

8、过电压：合空载线路过电压 切除空载线路是电力系统中常见的操作之一。产生切除空载线路是电力系统中常见的操作之一。产生 过电压的原因是断路器分闸过程中的重燃现象。过电压的原因是断路器分闸过程中的重燃现象。 切除空载线路时引起的操作过电压幅值大、持续时切除空载线路时引起的操作过电压幅值大、持续时 间长。间长。 6.1.1 切除空载线路过电压切除空载线路过电压 发展过程发展过程 影响因素和限制过电压大小的措施影响因素和限制过电压大小的措施 切除空载线路等值电路切除空载线路等值电路 )90cos()( cos)( 0 t XX E ti tEte SC m m 容容 性电流，通常为性电流，通常为 几十到

9、几百安，几十到几百安， 比短路电流小得比短路电流小得 多。多。 此时断路器切断此时断路器切断 的是较小的电容的是较小的电容 电流电流 sc XX 空载线路分闸过电压的产生过程空载线路分闸过电压的产生过程 工频电弧电流过零时熄弧 电弧重燃电弧熄弧 电弧 重燃电弧熄弧 t=t1时，开关时，开关K发生第一次熄弧发生第一次熄弧 t=t2时，开关时，开关K发生第一次重燃发生第一次重燃 t=t3时，开关时，开关K发生第二次熄弧发生第二次熄弧 t=t4时，开关时，开关K发生第二次重燃发生第二次重燃 UC = +Em UCmax1 = -3Em UCmax1 = -3Em UCmax2 = +5Em Umax

10、 U稳态 稳态 (U稳态 稳态 U起始 起始) 2 U稳态 稳态 U起始 起始 线路最高暂态幅值：线路最高暂态幅值： ：断路器的电弧重燃：断路器的电弧重燃 断路器的灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值断路器的灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值 越高。越高。 ： 提高断路器的灭弧性能，减少或避免电弧重燃；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；（作用：降低断路器触头间的恢在断路器中加装并联分闸电阻；（作用：降低断路器触头间的恢 复电压和降低重燃后的过电压）复电压和降低重燃后的过电压） 装设避雷器。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

11、限制这种过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。电压的幅值。 6.1.2 合闸空载线路过电压合闸空载线路过电压 空载线的合闸分为两种情况，即正常合闸和自动重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。这时出现的操作过电压称为合空线过电压或 合闸过电压，合闸过电压， 由于两者的初始条件不同，重合闸由于两者的初始条件不同，重合闸 过电压是合闸过电压中最严重的一种。过电压是合闸过电压中最严重的一种。 合空载线路是电力系统中常见的一种操作。合空载线路是电力系统中常见的一种操作。 1、计划性合闸过电压、计划性合闸过电压 Um

12、ax U稳态 稳态 (U稳态 稳态 U起始 起始) 2 U稳态 稳态 U起始 起始 空载线路空载线路 U起始 起始 0； Umax 2 U稳态 稳态 2Em 0振荡回路的自振角频率振荡回路的自振角频率 A、B积分常数积分常数 实际上，回路存在电阻与能量实际上，回路存在电阻与能量 损耗，振荡将是衰减的，通常损耗，振荡将是衰减的，通常 以衰减系数以衰减系数来表示。来表示。 过渡过程： 分析表明：合闸过程是电源通过分析表明：合闸过程是电源通过L向向C充电的过程。充电的过程。Uc包括两个包括两个 分量，即角频率与电源角频率相同的稳态分量（其幅值与系统分量，即角频率与电源角频率相同的稳态分量（其幅值与系

13、统 参数密切相关，实际上反应了空载线路的电容效应）和角频率参数密切相关，实际上反应了空载线路的电容效应）和角频率 为为 0 的自由分量。自由分量的角频率取决于系统参数。的自由分量。自由分量的角频率取决于系统参数。 2、自动重合闸过电压、自动重合闸过电压 正常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初正常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初 始电压始电压 uc(0)=0 。 运行中的线路发生故障，由继电保护系统控制跳运行中的线路发生故障，由继电保护系统控制跳 闸后，经过一短暂时间后再合闸自动重合闸闸后，经过一短暂时间后再合闸自动重合闸 操作。操作。 如果是自动重合闸的情况，这时线路上有一定残如果是

14、自动重合闸的情况，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。余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加激烈。 非短路相在非短路相在Em或或Em峰值处熄弧峰值处熄弧(负载为空载线路负载为空载线路) 重合闸在重合闸在0.5s后进行，当电源极性与线路残余电压相后进行，当电源极性与线路残余电压相 反时，最大振荡电压为反时，最大振荡电压为3Em。 影响过电压产生的主要因素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，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。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；线路残余

15、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。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：限制过电压的措施： 在断路器中加装并联合闸电阻在断路器中加装并联合闸电阻(对自由分量起阻尼作用对自由分量起阻尼作用 降低过电压幅值）；降低过电压幅值）； 采用同步合闸；采用同步合闸； 消除和削弱线路残余电压消除和削弱线路残余电压(电磁式电压互感器电磁式电压互感器) 装设避雷器。装设避雷器。 空载变压器在正常运行时表现为一激磁电感。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，切除空载变压器就是开断一个小容量电感负荷， 会在变压

16、器和断路器上出现很高的过电压。在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。会引起类似的过电压。 6.1.3 切除空载变压器过电压切除空载变压器过电压 过电压产生的原因过电压产生的原因 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。能，导致电压的升高。 切空变容易发生截流现象。切空变容易发生截流现象。 切断切断100A以

17、上的交流电流时，电弧通常都是在工频电流自以上的交流电流时，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的激磁电流很小，一般只是额定电流的0.55，约数，约数 安到数十安），电弧提前熄灭，亦即电流会在过零之前就安到数十安），电弧提前熄灭，亦即电流会在过零之前就 被强行切断。被强行切断。 切除空载变压器等值电路及波形图切除空载变压器等值电路及波形图 电源内 电感 变压器 的激磁 电感 等值对 地电容 切除空载变压器的过电压分析切除空载变压器的过电压分析 LCL iiii 2 0 2

18、 0 2 1 , 2 1 UCWILW TCTL 2 0 2 0 2 max 2 1 2 1 2 1 UCILUC TTT 0,0 22 max00 0, T mT T TT mmT TT L II UZ C LL UIUIIZ CC 如果： ZT: 变压器特征阻抗；变压器特征阻抗； maxmmT UI Z TTC L f 2 1 振荡频率：振荡频率： m：磁场能转化：磁场能转化 为电场能系数为电场能系数; 影响因素：影响因素： 断路器的性能断路器的性能(灭弧能力越强，切断电流能灭弧能力越强，切断电流能 力越强，过电压越高力越强，过电压越高)； 变压器的参数变压器的参数(电感越大，电容越小，过

19、电电感越大，电容越小，过电 压越高压越高)。 限制措施：限制措施： 变压器侧加装阀式避雷器。变压器侧加装阀式避雷器。 电弧接地过电压主要发生在中性点不接地的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。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，这种电容电流在相的电流，这种电容电流在610kV系统系统 (30A)、3560kV系统系统(10A)中难以自行熄中难以自行熄 灭。由于电弧不稳定灭。由于电弧不稳定(间歇性电弧间歇性电弧)，引起系统，引起系统 强烈的电磁振荡过程，产生电弧接地过电压。强烈的

20、电磁振荡过程，产生电弧接地过电压。 6.1.4 间歇电弧接地过电压间歇电弧接地过电压 1、发展过程、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。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：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要等到工频电流过零时才能熄灭 故障点电流与电弧的关系故障点电流与电弧的关系 xg CUII3 32 2 33 j dGxg IIIC U 接地电流与故障相电压角差为接地电流与故障相电压角差为90度，其大小与线路的对地电容与系统度，其

21、大小与线路的对地电容与系统 的额定电压成正比的额定电压成正比 因为因为I2与与I3在相位上在相位上 相差相差60，所以故障，所以故障 点的电流幅值点的电流幅值 若系统较小，线路不长，线路对地电容电流小，若系统较小，线路不长，线路对地电容电流小， 流过故障点的电流也小，许多暂时性的单相电弧流过故障点的电流也小，许多暂时性的单相电弧 接地故障接地故障(如雷击等如雷击等)，故障过后电弧可以自动熄，故障过后电弧可以自动熄 灭。灭。 随着系统的发展和电压等级的提高，单相接地故随着系统的发展和电压等级的提高，单相接地故 障电流成比例地增加。障电流成比例地增加。 接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的接

22、地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的 电流，这种电容电流在电流，这种电容电流在610kV系统系统(30A)、 3560kV系统系统(10A)中难以自行熄灭。由于电弧中难以自行熄灭。由于电弧 不稳定不稳定(间歇性电弧间歇性电弧)，引起系统强烈的电磁振荡，引起系统强烈的电磁振荡 过程，产生电弧接地过电压。过程，产生电弧接地过电压。 工频电流过零时熄弧工频电流过零时熄弧 故障相故障相 健全相健全相 第一次熄弧第一次熄弧 注：实线为实际电压注：实线为实际电压 线电压线电压 相电压相电压 电弧重燃电弧重燃 t2时刻熄弧，三相导线电压对地偏移：时刻熄弧，三相导线电压对地偏移： 0 3C q Uxg 熄

23、弧后熄弧后t2 +作用在三相导线对地电容上作用在三相导线对地电容上 的电压为此时三相电源电压叠加上此直的电压为此时三相电源电压叠加上此直 流偏移电压。流偏移电压。 -相电压幅值相电压幅值 故障现象故障现象故障时间故障时间U1U2U3U2maxU3max 接地故障接地故障 t1- Uxg-0.5 Uxg-0.5 Uxg -2.5 Uxg-2.5Uxg t1 + 0-1.5 Uxg-1.5 Uxg 第一次熄弧第一次熄弧 t2 - 01.5 Uxg1.5 Uxg 1.5 Uxg （不会引起（不会引起 过渡过程）过渡过程） 1.5 Uxg （不会引起（不会引起 过渡过程）过渡过程） t2 + 01.5

24、 Uxg1.5 Uxg 电弧重燃电弧重燃 t3 - 2Uxg0.5 Uxg0.5 Uxg -3.5 Uxg-3.5 Uxg t3+ 0-1.5 Uxg-1.5 Uxg 影响过电压的因素影响过电压的因素 电弧熄灭与重燃的相位电弧熄灭与重燃的相位 系统的相关参数系统的相关参数 相间电容、线路损耗相间电容、线路损耗 中性点接地方式中性点接地方式 消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（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消弧线圈电流补偿线路容性电流 消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（2） . )3 1 ( xg LC

25、jdUC L III 补偿度补偿度k= IL / IC 脱谐度脱谐度=1-k 欠补偿欠补偿IL 1/3C k0 全补偿全补偿IL = IC L = 1/3C k=1, =0 过补偿过补偿IL IC L 1, 0 2 2 0 2 3 1 LC 2 2 0 1 LC3 1 0 自振角频率自振角频率 6.2 谐振过电压谐振过电压 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。谐波幅值

26、会急剧上升。 谐振回路中包含有电感谐振回路中包含有电感L、电容、电容C和电阻和电阻R，通，通 常认为系统中的常认为系统中的C和和R(避雷器例外避雷器例外)是线性元件，是线性元件， 而电感而电感L有三种不同的特性：线性电感、非线有三种不同的特性：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：路就具有三种不同特点的谐振现象： 6.2 谐振过电压谐振过电压 (一一) 线性谐振过电压线性谐振过电压 电路中的电感电路中的电感L与电容与电容C、电阻、电阻R一样，都是线性参数。限制这一样，都是线性参数。限制这 种过电流和过电

27、压的方法是使回路脱离谐振状态或增加回路的损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，应设法避开谐振条什以消除这种耗。在电力系统设计和运行时，应设法避开谐振条什以消除这种 线性谐振过电压。线性谐振过电压。 (二二) 参数谐振过电压参数谐振过电压 系统中某些元件的电感会发生周期性变化。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。进行自激的校核，避开谐振点。 (三三) 铁磁谐振铁磁谐振 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。点。 串联铁磁谐振等值回路