第九章内部过电压

1、内部过电压的产生根源在电力系统内部，通常都是由系统内部电磁能量的积聚和转换而引起。第九章 内部过电压分类图解如下：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。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。nUkU32 分析内部的过电压的发展过程，

2、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。U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，用工作电压的倍数来表示。其基准值通常取电网的最大工作相电压幅值 Un系统额定电压有效值，kVk 容许电压偏移系数第一节 空载线路的分闸过电压发展过程 影响因素和降压措施 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。一、发展过程采用分布参数等值电路和行波理论来分析设被切除的空载线路的长度为 ，波阻抗为Z，电源容量足够大，工作相电压u的幅值为 。lU如图9-1（a）所示，当断路器QF闭合时，流过的电

3、流将是空载线的充电（电容）流 ，它比电压u超前90，如图9-1（b）所示。当断路器在任何瞬间拉闸时，其触头间的电弧总是要到电流过零点附近才能熄灭，这时电源电压正好处于幅值 的附近，触头间的电弧熄灭后，线路对地电容上将保留一定的剩余电荷，如忽略泄漏，导线对地电压将保持等于电源电压的幅值。ciU切空线时电压沿线分布如图9-2所示。二、影响因素和降压措施影响过电压的最大值的因素：1)中性点接地方式；2)断路器的性能；3)母线上的出线数；4)在断路器外侧是否接有电磁式电压互感器。切空线过电压在220kV及以下高电压线路绝缘水平的选择中有重要的影响，消除或降低这种操作过电压采取的措施如下：(一)采用不重

4、燃断路器(二)加装并联分匝电阻 降低触头间的恢复电压、避免重燃。(三)利用避雷器来保护 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。小 结采用分布参数等值电路和行波理论来分析切断空载线路过电压的发展机理。 切空线过电压在220kV及以下高压线路绝缘水平的选择中有重要的影响，采取措施消除或降低这种操作过电压有重大的技术、经济意义。主要措施如下：1）采用不重燃断路器 2）加装并联分闸电阻 3）利用避雷器来保护。第二节 空载线路的合闸过电压发展过程 影响因素和限制措施 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。 空载线的合闸

5、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。一、发展过程用集中参数等值电路暂态计算的方法来分析。在正常合闸时，若断路器的三相完全同步动作，则按单相电路进行分相研究，可得到图9-6（a）所示的等值电路。在做定性分析时，还可忽略电源合线路电阻的作用，这样就可以进一步简化成图9-6（b）所示的简单振荡回路。图9-6（b）的回路方程为)(tuuddLcti考虑最不利的情况，即在电源电压正好经过幅值 时合闸。U可得tBtAUuc00cossin 振荡回路的自振角频率 A、B 积分常数0当 时， 达到最大值，即：0tcuU

6、UC2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。可得)cos1 (0teUutc其波形见下图，最大值 将略小于CUU2电源电压并非直流电压 ，而是工频交流电压 ，这时的 表达式将为U)(tu)(tuc)cos(cos0tetUutc其波形如下图所示如果按分布参数等值电路中的波过程来处理，设合闸也发生在电源电压等于幅值 的瞬间，且忽略电阻与能量损耗，则沿线传播到末端的电压波 将在开路末端发生全反射，使电压增大为 ，这与按集中参数等值电路计算的结果是一致的。UUU2以上是正常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初始电压 。如果是自动重合闸的情况，那么条件将更为不利，主

7、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。0)0(cu 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，就不会出现高幅值重合闸过电压。 在合闸过电压中，以三相重合闸的情况最为严重，其过电压理论幅值可达 。 U3二、影响因素和降压措施 以上对合闸过电压的分析也是考虑最严重的条件、最不利的情况。实际出现的过电压幅值会受到一系列因素的影响，最主要的有：U1)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。 2)线路损耗 线路损耗能减弱振荡，从而降低过电压。 3

8、)线路残余电压的变化 合闸过电压的限制、降低措施主要有（一）装设并联合闸电阻 （二）同电位合闸 （三）利用避雷器来保护小 结正常合闸时，最不利的情况，电源电压正好经过幅值 时合闸，沿线传播到末端的电压波 将在开路末端发生全反射，使电压增大为 。 如果是自动重合闸的情况，由于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。 在合闸过电压中，以三相重合闸的情况最为严重，其过电压理论幅值可达 。UUU2U3影响过电压幅值的主要因素有：合闸相位、线路损耗和线路残余电压的变化。 限制、降低合闸过电压的措施主要有：装设并联合闸电阻、同电位合闸和利用避雷器保护。第三节 切除空载变压器过电压发展过程

9、影响因素与限制措施 产生这种过电压的原因是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化为电场能量而导致电压的升高。 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。 一、发展过程 实验研究表明：在切断100A以上的交流电流时，开关触头间的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），电弧往往提前熄灭，亦即电流会在过零之前就被强行切断

10、（截流现象）。 可用图9-10所示的简化等值电路来说明这种过电压的发展过程。图中 为变压器的激磁电感， 为变压器绕组及连接线的对地电容。TLTC 假如电流 是在其自然过零时被切断的，电容 和电感 上的电压正好等于电源电压u的幅值 。 被切断后的情况是电容 上的电荷通过电感 作振荡性放电，并逐渐衰减至零（因为存在铁心损耗和电阻损耗），可见这样的拉闸不会引起大于 的过电压。LiTCTLUTCTLULi 如果电流 在自然过零之前就被提前切断，设此时 的瞬时值为 ， 的瞬时值为 ，则切断瞬间在电感和电容中所储存的能量分别为LiLi0Icu0U2021ILWTL2021UCWTC 此后即在 、 构成的振

11、荡回路中发生电磁振荡，在某一瞬间，全部电磁能量均变为电场能量，这时电容 上出现最大电压TLTCTCmaxU2020maxUICLUTT若略去截流瞬间电容上所储存的能量 ， 则2021UCT020maxIZICLUTTT式中 变压器的特性阻抗TTTCLZ 截流现象通常发生在电流曲线的下降部分，设 为正值，则相应的 必为负值。当开关中突然灭弧时， 中的电流 不能突变，将继续向 充电，使电容上的电压从“ ”向更大的负值方向增大，如图9-11所示。0I0UTLLiTC0U 以上介绍的是理想化了的切除空载变压器过电压的发展过程，实际过程往往要复杂得多，断路器触头间会发生多次电弧重燃，不过与切空线时相反，

12、这时电弧重燃将使电感中的储能越来越小，从而使过电压幅值变小。二、影响因素和限制措施 主要影响因素： (一)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越大。 (二)变压器特性 优质导磁材料应用日益广泛，变压器的激磁电流减小很多 变压器绕组改用纠结式绕法以及增加静电屏蔽等措施，使过电压有所降低。小 结在切断100A以上的交流电流时，开关触头间的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，电弧往往提前熄灭，亦即电流会在过零之前就被强行切断（截流现象）。 电容 上出现的最大电压 影响切除空载变压器过电压的因素主要有：断路器性能和变压器特性。TC2020maxUIC

13、LUTT第四节 电弧接地过电压发展过程 防护措施 中性点不接地电网中的单相接地电流(电容电流)较大，接地点电弧将不能自熄，而以断续电弧的形式存在，就会产生另一种严重的操作过电压断续电弧接地过电压 一、发展过程这种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 下面以工频电流过零时熄弧的情况来说明这种过电压的发展机理： 作如下简化：1）略去线间电容的影响；2）设各相导线的对地电容均相等，即C1=C2=C3=C。就可得如图9-12(a)所示的等值电路。nU 设接地故障发生于A相，而且是正当 经过正幅值

14、 时发生，这样A相导线的电位立即变为零，中性点电位 由零升至相电压，即 ，B、C两相的对地电压都升高到线电压 、 。 AUNUANUUBAUCAUU 流过C2和C3的电流 和 分别较 和 超前90，其幅值为2I3IBAUCAUCUII332因为 与 在相位上相差60，所以故障点的电流幅值为2I3IlUCUIInC332由此可知:1)流过故障点的电流是线路对地电容所引起的电容电流2）故障电流的大小与电网额定电压和线路总长度成正比 电网的额定电压 线路总长度 每相导线的对地电容 单位长度的对地电容nUl0CC 如以uA，uB，uC代表三相电源电压；以u1，u2，u3代表三相导线的对地电压，即C1、

15、C2、C3上的电压，则通过分析可得如下图所示的过电压发展过程。 按工频电流过零时熄弧的理论所作的分析结论是：1）两健全相的最大过电压倍数为3.5；2）故障相上不存在振荡过程，最大过电压倍数等于2.0。 长期以来大量试验研究表明：故障点电弧在工频电流过零时和高频电流过零时熄灭都是可能的。一般来说，发生在大气中的开放性电弧往往要到工频电流过零时才能熄灭；而在强烈去电离的条件下，电弧往往在高频电流过零时就能熄灭。 电弧的燃烧和熄灭会受到发弧部位的周围媒质和大气条件等的影响，具有很强的随机性质，因而它所引起的过电压值具有统计性质。二、防护措施 对付这种过电压，最根本的防护办法就是不让断续电弧出现，可以

16、通过改变中性点接地方式来实现。 (一)采用中性点有效接地方式 这时单相接地将造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸，切断故障，经过一段短时间歇让故障点电弧熄灭后再自动重合。如能成功，可立即恢复送电；如不能成功，断路器将再次跳闸，不会出现断续电弧现象。(二)采用中性点经消弧线圈接地方式 采用中性点有效接地方式虽然能解决断续电弧问题，但每次发生单相接地故障都会引起断路器跳闸，大大降低了供电可靠性。当单相接地流过故障点的电容电流不大时，不能维持断续电弧长期存在，因而可采用中性点不接地的方式；当电网的电容电流 达到一定数值时，单相接地点的电弧将难以自熄，需要装设消弧线圈来加以补偿，方能避免断续电弧的

17、出现。 CI关于消弧线圈的应用场合，我国标准有如下规定：（1）对于35kV和66kV系统，如单相接地电容电流 不超过10A时，中性点可采用不接地方式；如 超过上述容许值时（10A），应采用经消弧线圈接地方式；CICICI（2）对于不直接与发电机连接的310kV系统， 的容许值如下： 1) 由钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成者：10A 2) 由非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成者：3kV、6kV30A；10kV20A 3) 由电缆线路构成者：30A（3）对于与发电机直接连接的320kV系统，如 不超过表9-2所示容许值，其中性点可采用不接地方式；如超过容许值，应采用经消弧线圈接地方式。CI

18、消弧线圈是一只具有分段铁心、电感可调的电抗器，接在电网中性点与大地之间。全补偿时的电感值为CL312 消弧线圈的运行主要就是调谐值的整定。在选择消弧线圈的调谐值（即L值）时，应满足下述两方面的基本要求： 实际上，这两个要求是互相矛盾的，因而我们只能采取折衷的方案来同时满足两方面要求。NU（1）单相接地时流过故障点的残流应符合能可靠地自动消弧的要求； （2）在电网正常运行和发生故障时，中性点位移电压 都不可升高到危及绝缘的程度。小 结一般来说，发生在大气中的开放性电弧往往要到工频电流过零时才能熄灭；而在强烈去电离的条件下，电弧往往在高频电流过零时就能熄灭。 电弧的燃烧和熄灭会受到发弧部位的周围媒

19、质和大气条件等的影响，具有很强的随机性质，因而它所引起的过电压值具有统计性质。 对付断续电弧接地过电压的防护措施有：采用中性点有效接地方式和采用中性点经消弧线圈接地方式。第五节 工频电压升高空载长线电容效应引起的工频电压升高 不对称短路引起的工频电压升高 甩负荷引起的工频电压升高工频电压升高在绝缘裕度较小的超高压输电系统中受到很大的工频电压升高在绝缘裕度较小的超高压输电系统中受到很大的注意的原因如下：注意的原因如下： 1) 由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，与多种由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，与多种操作过电压的发生条件相同或相似，所以它们有可能同时操作过电压的发生条件相

20、同或相似，所以它们有可能同时出现、相互，叠加。所以在设计高电压的绝缘时，应计及出现、相互，叠加。所以在设计高电压的绝缘时，应计及它们的联合作用；它们的联合作用； 2) 工频电压升高是决定某些过电压保护袈置工作条件的重要工频电压升高是决定某些过电压保护袈置工作条件的重要依据，所以它直接影响避雷器的保护特性和电力设备的绝依据，所以它直接影响避雷器的保护特性和电力设备的绝缘水平；缘水平； 3) 由于工顿电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续的时间很由于工顿电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续的时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大的影响。长，对设备绝缘及其运行条件也有很大的影响。一、空载长线电容效应引起

21、的工频电压升高 输电线路在长度不很大时，可用集中参数的电阻、电感和电容来代替，图9-15（a）给出了它的T型等值电路。由于线路空载，可简化成一R、L、C串连电路，如图9-15（b）所示。 由于电感与电容上的压降反相，且 ，可见电容上的压降大于电源电势，如图9-15（c）所示。LCUU 随着输电电压的提高、输送距离的增长，在分析空载长线的电容效应时，也需要采用分布参数等值电路，但基本结论与前面所述者相似。为了限制这种工频电压升高现象，大多采用并联电抗器来补偿线路的电容电流以削弱电容效应，效果十分显著。二、不对成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形式，当发生单相或两相对地短

22、路时，健全相上的电压都会升高，其中单相接地引起的电压升高更大一些。此外，阀式避雷器的灭弧电压通常也就是根据单相接地时的工频电压升高来选定的，所以下面只讨论单相接地的情况。 单相接地时，故障点各相的电压、电流是不对称的，为了计算健全相上的电压升高，通常采用对称分量法和复合序网进行分析，不仅计算方便，且可计及长线的分布特性。0ACBKUUU21)()(31010210XXXXXXK当A相接地时，B、C两健全相上电压的模值为：系数K为接地系数。它表示单相接地故障时健全相的最高对地工频电压有效值与无故障时对地电压有效值之比。按电网中性点接地方式分析健全相电压升高的程度： 对中性点不接地的电网，采用“1

23、10避雷器”。 对中性点经消弧线圈接地的3560kV电网，采用“100避雷器”。 对中性点有效接地的110220kV电网，采用“80避雷器”。 当输电线路在传输较大容量时，断路器因某种原因而突然跳闸甩掉负荷时，会在原动机与发电机内引起一系列机电暂态过程，它是造成工频电压升高的又一原因。三、甩负荷引起的工频电压升高三、甩负荷引起的工频电压升高在一般情况下，220kV及以下的电网中不需要采取特殊措施来限制工频电压升高 在330500kV超高压电网中，应采用并联电抗器或静止补偿装置等措施，将工频电压升高限制到1.31.4倍相电压以下 在考虑线路的工频电压升高时，如果同时计及空载线路的电容效应、单相接

24、地及突然甩负荷等三种情况，那么工频电压升高可达到相当大的数值。实际运行经验表明：小 结工频电压升高的倍数虽然不大，一般不会对电力系统的绝缘直接造成危害，但是它在绝缘裕度较小的超高压输电系统中仍受到很大的注意。 电力系统中常见的几种工频电压升高为：1）空载长线电容效应引起的工频电压升高 2）不对称短路引起的工频电压升高 3）甩负荷引起的工频电压升高。第六节 谐振过电压谐振过电压的类型 铁磁谐振过电压 电力系统中存在着大量储能元件，即储存静电能量的电电力系统中存在着大量储能元件，即储存静电能量的电容元件和储存磁能的电感元件。当系统中出现扰动时，这些容元件和储存磁能的电感元件。当系统中出现扰动时，这

25、些电感、电容元件就有可能形成各种不同的振荡回路，引起谐电感、电容元件就有可能形成各种不同的振荡回路，引起谐振过电压。振过电压。一、谐振过电压的类型 通常认为，系统中的电阻元件和电容元件均为线性元件，而电感元件则可分为三类：一类是线性的，第二类是非线性的，还有一类是电感值呈周期性变化的电感元件。与之相对应，可能发生三种不同形式的谐振现象：(一)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。 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

26、开谐振条什以消除这种线性谐振过电压。 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着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，它具有系列不同于其他谐振过电压特点。(三)铁磁谐振二、铁磁谐振过电压 为了探讨这种过电压最基本的物理过程，可利用图9-17中最简单的LC串连谐振电路。不过这时的L是一只带铁心的非线性电感，电感值是一个变数，因而回路也就没有固定的自振频率，同一回路中，既可能产生振荡频率等于电源频率的基频谐振，也可以产生高次谐波和分次谐波谐振，具有各种谐波谐振的可能性是铁磁谐振的一个重要特点。 在图9-18中分别画出了电感上的电压UL及电容上的

27、电压UC与电流 的关系。由于电容是线性的，所以 是一条直线 ；随着电流的增大，铁心出现饱和现象，电感L不断减小，设两条伏安特性相交于P点。I)(IUCICUC1基波的铁磁谐振的特点：基波的铁磁谐振的特点： 1)产生串联铁磁谐振的必要条件是：电感和电容的伏安特性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；必须相交，铁磁谐振可在较大范围内产生； 2)对铁磁谐振电路，在同一电源电势作用下，回路可能有不对铁磁谐振电路，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；只一种稳定工作状态； 3)铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因，但其饱和铁磁元件的非

28、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。现强烈的的谐振现象。 限制和消除铁磁谐振过电压的有效的措施为： （1）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。 （2）在电压互感器开口三角绕组中接入阻尼电阻，或在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻。 （3）在有些情况下，可在10kV及以下的母线上装设一组三相对地电容器，或用电缆段代替架空线段，以增大对地电容，从参数搭配上

29、避开谐振。 （4）在特殊情况下，可将系统中性点临时经电阻接地或直接接地，或投入消弧线圈，也可以按事先规定投入某些线路或设备以改变电路参数，消除谐振过电压。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。有关操作过电压若干总的概念与结论有关操作过电压若干总的概念与结论 通过前面对4种常见的典型操作过电压及其防护措施的分析与介绍，我们可得到下面一些有关操作过电压的总的概念与结论。1、电力系统中各种操作过电压的产生原因和发展过程各、电力系统中各种操作过电压的产生原因

30、和发展过程各异、影响因素很多，但其根源均为电力系统内部储存的异、影响因素很多，但其根源均为电力系统内部储存的电磁能量发生交换和振荡。其幅值和波形与电网结构及电磁能量发生交换和振荡。其幅值和波形与电网结构及参数、中性点接地方式、断路器性能、运行接线及操作参数、中性点接地方式、断路器性能、运行接线及操作方式、限压保护装置的性能等多种因素有关。方式、限压保护装置的性能等多种因素有关。2、操作过电压具有多种多样的波形和持续时间，较长的持续、操作过电压具有多种多样的波形和持续时间，较长的持续时间对应于线路较长的情况。时间对应于线路较长的情况。两种典型的波形：两种典型的波形： 在工频电压分量上叠加在工频电压分量上叠加 一高频衰减性振荡波。一高频衰减性振荡波。 在工频电压分量上叠加在工频电压分量上叠加 一非周期性冲击波，后一非周