操作过电压实用教案

1、高电压(diny)工程基础13.1 中性点不接地系统电弧中性点不接地系统电弧(dinh)接接地过电压地过电压 当中性点不接地系统中发生单相接地时，经过故障点将流过数值不大的接地电容电流。 随着电网的发展和电压等级的提高，单相接地电容电流随之增加，一般 6 l0kV 电网的接地电流超过30A，35 60kV 电网的接地电流超过10A 时电弧便难以熄灭(xmi)。 但这个电流还不至于大到形成稳定燃烧电弧，因此可能出现电弧时燃时灭的不稳定状态，引起电网运行状态的瞬时变化，导致电磁能量的强烈振荡，并在健全相和故障相上产生过电压，这就是间歇性电弧接地过电压。 过电压发展的物理过程过电压发展的物理过程第1

2、页/共26页第一页，共27页。高电压(diny)工程基础中性点不接地系统A相接地时的等值电路及相量图UA ，UB ，UC：三相电源电压C1，C2 ，C3：A，B，C三相导线的对地电容(dinrng)（三相对称C1 = C2 = C3 = C） 健全相升高至线电压第2页/共26页第二页，共27页。高电压(diny)工程基础A相单相短路接地电弧熄灭电弧重燃maxSS0()UUUU 每隔半个工频(n pn)周期依次发生熄弧和重燃，健全相的最大过电压为 p.u.，故障相的最大过电压为 2.0 .。过电压产生过电压产生(chnshng)原因：原因： 当发生间歇性电弧当发生间歇性电弧接地时，健全相对地电接

3、地时，健全相对地电压的起始值与稳态值不压的起始值与稳态值不同，电容与电源电感产同，电容与电源电感产生生(chnshng)振荡引振荡引起过电压。起过电压。第3页/共26页第三页，共27页。高电压工程(gngchng)基础 限制限制(xinzh)过电压的过电压的措施措施途径(tjng)：消除间歇性电弧110kV 及以上电网大都采用中性点直接接地的运行方式（单相短路电流，断路器跳闸切除故障）我国 35kV 及以下电压等级的配电网采用中性点经消弧线圈接地的运行方式（补偿电容电流）消弧线圈的基本作用消弧线圈的基本作用： 补偿流过故障点的短路电流，使电弧能自行熄灭，系统自行恢复到正常工作状态。 降低故障相

4、上的恢复电压上升的速度，减小电弧重燃的可能性。第4页/共26页第四页，共27页。高电压工程(gngchng)基础13.2 合闸空载合闸空载(kn zi)线路引起的过电压线路引起的过电压 产生产生(chnshng)过电压过电压的物理过程的物理过程输电线输电线T电路电路CCm0( )(coscos)UtUtt计划合闸2Cmm0/1 () UE电源频率 自振荡频率 0T1/LCCCm00( )(coscos)UtUtAt重合闸C0Cm1UU严重！严重！空载线路合闸时，产生过电压的根本原因：电容、电感的振荡，其振荡电压叠加在稳态电压上所致。 第5页/共26页第五页，共27页。高电压(diny)工程基础

5、 影响影响(yngxing)过电压的过电压的因素因素（1）合闸相位 合闸相位是随机的，有一定的概率分布，与断路器合闸过程中的预击穿特性及断路器合闸速度有关。（2）残余电荷 过电压的大小与线路上残余电荷数值和极性有关。（3）断路器合闸的不同期 由于三相线路之间有耦合，先合相相当于在另外两相上产生(chnshng)残余电荷。（4）回路损耗 实际输电线路中，能量损耗（电阻、电晕）会引起振荡分量的衰减。（5）电容效应 合闸空载长线时，由于电容效应使线路稳态电压增高，导致了合闸过电压增高。第6页/共26页第六页，共27页。高电压工程(gngchng)基础 限制限制(xinzh)过电压的措过电压的措施施（

6、1）降低工频电压升高）降低工频电压升高 目前超高压电网中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补目前超高压电网中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补偿偿(bchng)装置（装置（SVC），其主要作用是削弱电容效应。），其主要作用是削弱电容效应。（2）断路器装设并联电阻）断路器装设并联电阻 第一阶段：带电阻 R 合闸，将 R 与辅助触头串联。由于 R 对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的过电压降低。 第二阶段：大约经 8 15 ms，主触头闭合，将 R 短接，电源直接与线路相连。主触头辅助触头第7页/共26页第七页，共27页。高电压工程(gngchng)基础（3）控制合闸相位）控制合闸相位 空载

7、线路合闸过电压的大小与电源电压的合闸相位有空载线路合闸过电压的大小与电源电压的合闸相位有关，可以通过电子装置来控制断路器的动作关，可以通过电子装置来控制断路器的动作(dngzu)时间，时间，以达到降低合闸过电压的目的。以达到降低合闸过电压的目的。 （4）消除线路上的残余电荷）消除线路上的残余电荷 在线路侧接电磁式电压在线路侧接电磁式电压(diny)互感器，可在几个工频周波互感器，可在几个工频周波内，将全部残余电荷通过互感器泄放掉。内，将全部残余电荷通过互感器泄放掉。（5）装设避雷器）装设避雷器 在线路首端和末端装设磁吹避雷器或金属氧化物避雷器，当出现较高的过电压时，避雷器应能可靠动作，将过电压

8、限制在允许的范围内。第8页/共26页第八页，共27页。高电压(diny)工程基础13.3 切除切除(qich)空载线路引起的过电压空载线路引起的过电压 我国在 35 220 kV 电网中，都曾因切除空载(kn zi)线路时过电压引起过多次故障。多年的运行经验证明：若使用的断路器的灭弧能力不够强，以致电弧在触头间重燃时，切除空载(kn zi)线路的过电压事故就比较多，因此，电弧重燃是产生这种过电压的根本原因。 产生过电压的物理过程产生过电压的物理过程第9页/共26页第九页，共27页。高电压工程(gngchng)基础Cmax1mmmm()3UEEEE Cmax2mmmm( 3)5UEEEE 第一次

9、重燃第一次重燃第二次重燃第二次重燃 若电弧继续重燃下去，则可能(knng)出现 -7Em ，+ 9Em ， 的过电压，可见电弧的多次重燃是切除空载线路时产生危险的过电压的根本原因。系统实测结果表明，超过 3Em 的过电压概率是很小的，这是因为过电压受多种因素影响的缘故。 第10页/共26页第十页，共27页。高电压工程(gngchng)基础 影响影响(yngxing)过电压过电压的因素的因素（1）断路器的性能）断路器的性能 随着断路器制造质量随着断路器制造质量(zhling)的提高，断路器已能做到的提高，断路器已能做到基本上不重燃，使得这类过电压降到了次要的位置。基本上不重燃，使得这类过电压降到

10、了次要的位置。（2）中性点接地方式）中性点接地方式 中性点非直接接地电网中，三相断路器分闸不同期会构成瞬间的不对称电路，使中性点产生位移，相间的耦合，使过电压增高。 （3）损耗）损耗 电晕要消耗能量，电源及线路损耗使过电压降低。（4）其它）其它 若母线上有很多出线时，过电压降低。此外，当线路装有电磁式电压互感器时，将泄放线路上的残余电荷，降低了过电压。 第11页/共26页第十一页，共27页。高电压工程(gngchng)基础 限制限制(xinzh)过电压的过电压的措施措施（1）采用不重燃断路器）采用不重燃断路器（2）在断路器装设分闸电阻）在断路器装设分闸电阻 切除线路时，先打开主触头，切除线路时

11、，先打开主触头，R 上的压降就是主触头两上的压降就是主触头两端的恢复电压。经过一段时间后，辅助触头才打开，此时它端的恢复电压。经过一段时间后，辅助触头才打开，此时它的恢复电压也较低，不会的恢复电压也较低，不会(b hu)发生电弧的重燃，即使发发生电弧的重燃，即使发生重燃，生重燃，R 的阻尼使过电压降低。的阻尼使过电压降低。（3）线路上装设泄流设备）线路上装设泄流设备 在线路侧若接有并联电抗器或电磁式电压互感器，都能在线路侧若接有并联电抗器或电磁式电压互感器，都能使线路上的残余电荷得以泄放或产生衰减振荡，达到降低过使线路上的残余电荷得以泄放或产生衰减振荡，达到降低过电压的目的。电压的目的。（4）

12、装设避雷器）装设避雷器 第12页/共26页第十二页，共27页。高电压(diny)工程基础13.4 切除空载切除空载(kn zi)变压器引起的过变压器引起的过电压电压 产生产生(chnshng)过电压过电压的物理过程的物理过程2L012WLI2C012WCULCLIIII222Cmax00111222CULICU22Cmax00LUIUCCmax00mLUII ZC过电压产生原因过电压产生原因：由于截流留在电感中的磁场能量转化为电 容上的电场能量。第13页/共26页第十三页，共27页。高电压工程(gngchng)基础 影响影响(yngxing)过电过电压的因素压的因素（1）断路器的性能）断路器的

13、性能 切除空载变压器引起切除空载变压器引起(ynq)的过电压与截流数值成正比，断的过电压与截流数值成正比，断路器截断电流的能力愈大，过电压路器截断电流的能力愈大，过电压 UCmax 就越高。就越高。（2）变压器的参数）变压器的参数 变压器变压器 L 愈大，愈大，C 愈小，则过电压愈高。当电感中的磁场能愈小，则过电压愈高。当电感中的磁场能量不变，电容量不变，电容 C 愈小时，过电压也愈高。愈小时，过电压也愈高。（3）变压器的相数、线组接线方式、铁芯结构、中性点接地方式、）变压器的相数、线组接线方式、铁芯结构、中性点接地方式、断路器的断口电容，以及与变压器相连的电缆线段、架空线段等，断路器的断口电

14、容，以及与变压器相连的电缆线段、架空线段等，都会对切除空载压器过电压产生影响。都会对切除空载压器过电压产生影响。 第14页/共26页第十四页，共27页。高电压(diny)工程基础 限制限制(xinzh)过电压的过电压的措施措施 切断空载变压器过电压的特点是：幅值高、频率高，但持续时间短、能量小。 只要在变压器任一侧装上普通阀式避雷器就可以有效限制这种过电压。计算表明：普通阀型避雷在雷电过电压下动作后所吸收的能量，要比变压器线圈中贮藏的能量大一个数量级。实际运行(ynxng)中也未发现因切空载变压器而引起避雷器损坏的情况。由于这种避雷器安装的目的是用来限制切除空载变压器过电压的，所以在非雷雨季节

15、也不应退出运行(ynxng)。 第15页/共26页第十五页，共27页。高电压(diny)工程基础13.5 GIS中快速中快速(kui s)暂态过电压暂态过电压 VFTO产生产生(chnshng)的的机理机理 GIS中隔离开关和断路器在操作中触头运动速度慢（大约1cm/s数量级），断口在SF6气体中会发生多次的预、重击穿。在每一个电压跳变处将产生波前很陡（一般为320ns）的阶跃电压波，并向断口两侧传播，并在GIS内不断地产生、来回地传递，并且发生复杂的折射、反射和叠加，最终暂态振荡的频率剧增，可高达数百MHz。 第16页/共26页第十六页，共27页。高电压(diny)工程基础第17页/共26页

16、第十七页，共27页。高电压(diny)工程基础 VFTO的特性的特性(txng)a. 幅值幅值 GIS中开关操作产生的中开关操作产生的VFTO幅值一般低于幅值一般低于p.u.，也有可，也有可能超过能超过(chogu)p.u.。在同一时刻不同节点的电压幅值不同。在同一时刻不同节点的电压幅值不同。 b. 陡度陡度 对于正常设计的对于正常设计的GIS，电压上升时间可为，电压上升时间可为320ns，随电，随电场的非均匀度而异。场的非均匀度而异。c. 频率频率 1) 几十至数百几十至数百kHz的基本振荡频率，此频率电压由整个的基本振荡频率，此频率电压由整个系统决定，绝缘设计不取决于其数值；系统决定，绝缘

17、设计不取决于其数值； 2) 数十数十MHz的高频振荡，由行波在的高频振荡，由行波在GIS内发展形成，是内发展形成，是构成构成VFTO的主要部分，决定绝缘设计；的主要部分，决定绝缘设计； 3) 高达数百高达数百MHz的特高频振荡，幅值较低。的特高频振荡，幅值较低。第18页/共26页第十八页，共27页。高电压(diny)工程基础 VFTO的影响的影响(yngxing)因素因素(1) 残余电荷残余电荷(dinh) 当当DS开断带电的开断带电的GIS母线时，母线上可能存在的残余电母线时，母线上可能存在的残余电荷荷(dinh)，会影响到，会影响到VFTO的幅值。电源侧、母线侧以及的幅值。电源侧、母线侧以

18、及支撑绝缘子上的过电压幅值与残余电荷支撑绝缘子上的过电压幅值与残余电荷(dinh)近似呈线近似呈线性关系，残余电荷性关系，残余电荷(dinh)越多幅值越高。越多幅值越高。 (2) 变压器的入口电容变压器的入口电容 VFTO的幅值随入口电容的增加而增加，有计算表明：每增加1000pF，VFTO幅值约增加p.u.。但进一步研究表明：随着入口电容增加，VFTO的幅值不一定始终增加，这决定于GIS的结构，特别是所操作母线的尺寸，以及操作的方式。 第19页/共26页第十九页，共27页。高电压(diny)工程基础(3) 电压的上升时间电压的上升时间 GIS中冲击电压的上升时间增加使中冲击电压的上升时间增加

19、使VFTO幅值下降，幅值下降，因为此时会表现出一种因为此时会表现出一种(y zhn)阻尼作用，使那些较小时阻尼作用，使那些较小时出现的出现的暂态电压的极高频分量消失。暂态电压的极高频分量消失。(4) GIS的支路长度的支路长度 GIS支路的长度对支路的长度对VFTO幅值的影响没有幅值的影响没有(mi yu)明显的规明显的规律。律。 (5) 开关弧道电阻的影响开关弧道电阻的影响 DS起弧时弧道电阻为一时变电阻，对过电压有阻尼作用。 (6) 其它因素的影响其它因素的影响 GIS的布置、内部结构、接线方式及外部设备等。第20页/共26页第二十页，共27页。高电压(diny)工程基础 VFTO的危害的

20、危害(wihi)(1) 暂态地电位升高暂态地电位升高TGPR 1983年年CIGRE调查表明有半数以上的电站曾发生调查表明有半数以上的电站曾发生TGPR引起的事故引起的事故(shg)。尽管。尽管TGPR衰减快，但若无限制会产生火花放衰减快，但若无限制会产生火花放电，甚至外壳击穿，危及人身安全。电，甚至外壳击穿，危及人身安全。(2) 对二次设备的影响对二次设备的影响 VFTO可以通过电压互感器或电流互感器内部的杂散电可以通过电压互感器或电流互感器内部的杂散电容传入与其相连的二次电缆进而进入二次设备，另外，还容传入与其相连的二次电缆进而进入二次设备，另外，还可以通过接地网进入二次电缆的屏蔽层，进而

21、感应到二次可以通过接地网进入二次电缆的屏蔽层，进而感应到二次电缆的芯线。电缆的芯线。(3) 对变压器的影响对变压器的影响 系统中主变直接和系统中主变直接和GIS相连，受相连，受VFTO影响很大。例如我影响很大。例如我国一核电站的国一核电站的500kV GIS，曾先后两次发生了，曾先后两次发生了VFTO导致变导致变压器绝缘损坏和线饼烧损的严重事故压器绝缘损坏和线饼烧损的严重事故(shg)。第21页/共26页第二十一页，共27页。高电压工程(gngchng)基础 VFTO的防护的防护(fngh)(1) 快速动作隔离开关快速动作隔离开关 使用快速动作隔离开关缩短切合时间，可以减小重击穿使用快速动作隔

22、离开关缩短切合时间，可以减小重击穿的次数，降低的次数，降低VFTO出现的几率。出现的几率。(2) 合闸电阻合闸电阻 开关操作时先串入电阻，阻尼作用使行波上升时间下开关操作时先串入电阻，阻尼作用使行波上升时间下降、幅值降低。对一个降、幅值降低。对一个1100kV GIS进行了仿真计算及实进行了仿真计算及实测，发现测，发现200的的DS合闸电阻可将过电压幅值降低到合闸电阻可将过电压幅值降低到pu以下，当合闸电阻为以下，当合闸电阻为1000时，降低为时，降低为pu左右。左右。(3) 铁氧体磁环铁氧体磁环 铁氧体是高频导磁材料，将铁氧体磁环套在铁氧体是高频导磁材料，将铁氧体磁环套在GIS隔离开隔离开关两端的导电杆上，相当于在开关断口和空载母线关两端的导电杆上，相当于在开关断口和空载母线(mxin)间串入间串入了一个阻抗，使了一个阻抗，使VFTO的幅值和陡度降低，同时也减弱行的幅值和陡度降低，同时也减弱行波波折反射的叠加。折反射