电气工程专业本科三年级：电力系统内部过电压抑制技术教案

电气工程专业本科三年级：电力系统内部过电压抑制技术教案

一、课程导引与定位

（一）课程性质与地位

本课程是电气工程及其自动化专业本科三年级的一门专业核心课程，属于【核心·重要】课程。它建立在《电路理论》、《电磁场理论》、《高电压技术》等先修课程的基础上，是连接高压基础理论与电力工程实际应用的桥梁。课程聚焦于电力系统安全运行的核心问题之一——内部过电压的产生机理、危害评估与抑制策略，旨在培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高阶思维。

（二）教学目标设定

依据工程教育认证的“以学生为中心、产出导向”理念，设定以下三维教学目标：

1、知识维度：【基础】掌握电力系统中各类内部过电压（包括暂态过电压、操作过电压、谐振过电压）的产生机理、波形特征、影响因素及关键数学描述；【重要】深刻理解金属氧化物避雷器、合闸电阻、同步断路器、可控电抗器等抑制装置的工作原理、保护特性及其选型原则；【高频考点】熟练掌握限制合闸过电压、切除空载线路过电压、间歇性弧光接地过电压等的具体技术措施。

2、能力维度：【非常重要】能够运用电磁暂态仿真软件（如ATP-EMTP、PSCAD/EMTDC），针对给定的实际电力系统（如某风电场升压站、长距离输电线路），搭建仿真模型，复现并分析内部过电压过程；能够结合具体工程案例，设计包含多种抑制手段的综合技术方案，并对方案的有效性进行初步的仿真验证与技术经济性评估。

3、素养维度：培育严谨求实的科学态度和精益求精的工匠精神；强化安全意识、规范意识与责任意识，深刻理解抑制内部过电压对于保障电网安全运行、维护社会经济稳定的重大意义；【热点】引导学生关注新型电力系统（高比例新能源、电力电子化）背景下内部过电压问题的新特征与挑战，树立终身学习和创新驱动的专业发展理念。

（三）教学重点与难点

1、教学重点：【核心概念·基础】切断小电感电流（空载变压器、电抗器）和切断电容性电流（空载线路、电容器组）产生过电压的物理过程及其数学描述；【重要·高频考点】空载线路合闸（包括计划性合闸和自动重合闸）过电压的产生机理及其影响因素（系统参数、合闸相位、线路残压等）；金属氧化物避雷器（MOA）在限制操作过电压中的动作特性和能量吸收要求。

2、教学难点：【难点】电感-电容回路中的高频振荡过程及其数学分析；电弧接地过电压中电弧的物理过程及其模型化描述（燃弧与熄弧的随机性）；【非常重要·难点】谐振过电压的产生条件（参数匹配）及其与线性谐振、铁磁谐振、参数谐振的区分；如何从能量的角度理解和计算过电压抑制装置（如合闸电阻）的容量和吸收能量；在新型电力系统中，电力电子设备（如换流阀、逆变器）与系统交互作用引发的新型过电压现象及其抑制思路。

二、教学实施过程（核心环节，占篇幅80%以上）

本课程总计32学时（理论28学时+实验/仿真4学时），以下是核心章节的教学实施过程设计。

（一）绪论：内部过电压概述（2学时）

1、课堂导入：【重要】以一个典型的电网事故案例开篇。例如，播放一段因操作过电压导致某变电站绝缘子闪络、设备爆炸的新闻视频片段或仿真动画。提问：“同学们，是什么看不见的力量导致了如此严重的后果？这背后蕴含着哪些电磁规律？我们如何驾驭它？”以此激发学生的探究欲和安全责任感。

2、核心内容讲授：

（1）内部过电压的定义与分类：【基础】明确区别于雷电过电压（外部过电压），定义内部过电压为因系统内部能量转化或参数变化引起的过电压。按照产生根源，清晰分类为：暂时过电压（包括工频过电压和谐振过电压）和操作过电压。【热点】引入电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中对各类过电压的倍数规定，建立工程概念。

（2）研究内部过电压的意义：【重要】从经济性（决定设备绝缘水平、影响设备造价）和安全性（防止电网大面积停电、保障人身安全）两个维度阐述。通过对比不同电压等级线路的绝缘子串长度和塔头尺寸，直观展示过电压水平对工程投资的决定性影响。

3、课堂互动与小结：提问：“雷电过电压能量来自外部，内部过电压能量来自何方？”引导学生思考能量来源（系统本身储存的电磁能量）。小结本讲核心：内部过电压的本质是系统内部电磁能量的振荡和再分配。布置课后思考：观察生活中开关电器通断时的现象（如灯光闪烁），尝试用本讲原理初步解释。

（二）暂时过电压及其抑制（4学时）

1、工频过电压：【高频考点·基础】

（1）产生机理：主要源于空载长线路的电容效应（即费兰梯效应）、不对称接地故障引起的健全相电压升高以及甩负荷导致的发电机转速上升和线路电容效应叠加。用等效电路图（Π型等值电路）和相量图，清晰推导出工频电压升高与线路长度、电源阻抗、输送功率的关系。公式推导不追求繁琐，重在物理意义的阐释。

（2）影响因素：重点分析线路分布电容、电源等值阻抗、负荷特性对工频过电压的影响。说明其幅值不高（一般在1.1-1.4p.u.），但持续时间长，对设备热稳定性和绝缘累积效应有重要影响。

（3）抑制措施：【重要】并联高压电抗器（高抗）的原理讲解——利用电抗器的感性电流补偿线路的容性电流，削弱电容效应。通过无高抗和有高抗两种工况下的沿线电压分布对比图，直观展示高抗的抑压效果。简要介绍静止无功补偿器（SVC）和调相机在动态抑制工频过电压中的作用。

2、谐振过电压：【难点·核心概念】

（1）谐振的基本概念：回顾RLC串联/并联电路的谐振条件（ωL=1/(ωC)）。强调谐振的本质是系统电感、电容参数达到特定匹配关系，激发持续振荡。

（2）线性谐振过电压：由不带铁芯的电感元件（如线路电感、变压器漏感）和电容元件参数匹配引起。以消弧线圈补偿电网中的参数谐振为例进行讲解。

（3）铁磁谐振过电压：【非常重要·高频考点】

a、产生机理：核心在于含有铁芯的电感元件（如变压器、电压互感器PT）因饱和导致电感参数非线性变化。当系统受到激发（如开关操作、接地故障消除），可能从非谐振状态跃变到谐振状态。用铁磁谐振的“跳跃”现象曲线和电压-电流波形图，生动展示其与线性谐振的区别（谐振可以在很大参数范围内发生，且谐振频率可以是基频、分频、高频）。

b、典型现象：重点讲解电磁式电压互感器（PT）引起的铁磁谐振。描述其现象：虚幻接地现象（三相对地电压同时升高，指针摆动）、PT高压熔丝频繁熔断、甚至PT烧毁。分析其发展过程：系统对地电容与PT励磁电感构成并联回路，当出现扰动（如合闸、弧光接地），PT饱和，感抗下降，满足谐振条件，产生过电压。

c、抑制措施：【重要·热点】从“破坏谐振条件”和“消耗谐振能量”两个角度出发。

——改变系统参数：选用励磁特性好、不易饱和的电容式电压互感器（CVT）替代电磁式PT；在PT一次侧中性点串接非线性电阻（消谐电阻器）；增加系统对地电容（如投入较长的线路）破坏参数匹配。

——增加阻尼消耗能量：PT开口三角绕组接入消谐装置（如微电脑控制的消谐器，实时监测并投入阻尼电阻）。通过电路图和波形图展示消谐器工作原理。

3、课堂研讨与案例教学：【难点·高频考点】提供一份某35kV变电站因铁磁谐振导致PT爆炸的事故调查报告。要求学生分组研讨，基于所学知识分析事故原因（是何种扰动激发？参数是否匹配？）、复现事故过程，并设计至少两套消谐改造方案（如更换CVT、加装消谐器、改变运行方式等），进行技术经济性初步比较。每组派代表陈述方案，教师点评，引导形成工程决策思维。

（三）操作过电压及其抑制（12学时，核心中的核心）

1、切断电感电流过电压：【基础·非常重要】

（1）物理过程剖析：以切断空载变压器为例。使用断路器开断电感的等效电路图。详细讲解“截流”现象（断路器灭弧能力过强，在电流自然过零前被强制切断，di/dt极大，电感中剩余磁场能无处释放）。能量转化过程：磁场能（1/2*L*I截流^2）向电容（变压器对地电容、匝间电容等杂散电容）充电，转化为电场能（1/2*C*U^2），从而产生过电压。推导过电压幅值U≈I截流*√(L/C)。【重要】强调截流值I截流和杂散电容C对过电压幅值的决定性影响。

（2）影响因素：断路器的灭弧性能（SF6、真空、油断路器截流水平不同）、负载侧的电感L和等效电容C。

（3）抑制措施：【重要·高频考点】

a、装设避雷器：重点讲解氧化锌避雷器（MOA）在此时的作用。强调MOA不是限制过电压的幅值（残压），而是吸收电感中储存的磁场能量，将过电压限制在设备绝缘可承受的水平。通过MOA的伏安特性曲线和动作时的电压、电流波形，说明其“钳位”和“吸能”过程。

b、阻容吸收装置：并联RC回路，利用电容吸收能量、电阻消耗能量、改变振荡频率，从而抑制过电压幅值和陡度。讲解RC参数选择的基本原则。

c、改进断路器性能：采用低截流或无截流的断路器，如SF6断路器。

2、切断电容电流过电压：【基础·重要】

（1）物理过程剖析：以切断空载线路为例。使用电路图描述。关键在于断路器电弧重燃。过程：电流过零时熄弧，线路电容上残存着电源电压峰值（+Um）。半个周期后，电源电压变为-Um，断路器触头间电压差高达2Um。若此时介质强度尚未恢复，触头间隙击穿（重燃），相当于电源-Um与线路侧+Um接通，产生极大的冲击电流，使线路电压从+Um振荡向-Um，并因振荡而可能过冲到-3Um。若再次熄弧、重燃，过电压将逐级累积（3Um,5Um...），直至间隙不再击穿。动画演示此过程至关重要。

（2）影响因素：断路器灭弧室内介质强度的恢复速度、线路侧电容大小。

（3）抑制措施：【非常重要·高频考点】

a、采用无重燃断路器：如压缩空气断路器、SF6断路器，其介质强度恢复极快，能有效避免重燃。

b、装设MOA：在线路侧装设MOA，限制过电压幅值。

c、并联分闸电阻：经典方法。详细讲解断路器主、辅触头动作时序。合闸时，辅触头先合，串联电阻R限制合闸涌流和振荡；分闸时，辅触头先分，电阻R接入振荡回路提供阻尼消耗能量，主触头在无电弧或小电弧情况下分断。通过波形对比图展示有/无分闸电阻的效果。

d、采用同步（选相）分断技术：【热点·前沿】讲解利用电力电子或智能控制技术，使断路器触头在电流过零前的最佳相位时刻精确分开，避免截流或重燃。介绍其在柔性交流输电系统（FACTS）和直流断路器中的应用前景。

3、空载线路合闸（含重合闸）过电压：【核心概念·高频考点·非常重要】

（1）计划性合闸：系统计划性操作合上空载线路。等效为电源（通常为工频正弦）与L-C振荡回路接通。初始条件为线路电压为0，稳态值取决于电源电压。过电压主要由暂态振荡分量叠加稳态分量引起，最大值可达2Um左右（忽略损耗）。推导其表达式，并指出合闸相位角是影响过电压幅值的【重要】因素。在电源电压峰值（90°或270°）合闸，振荡最剧烈，过电压最高。

（2）自动重合闸：系统发生单相或三相短路故障，线路跳闸，经无流间歇后再次合闸。此时线路残存有与电源电压可能反极性或同极性的电荷（取决于故障性质和跳闸时刻），初始条件复杂，可能导致比计划性合闸更严重的过电压。分析最严重工况：线路残存电压为-1.0p.u.，重合闸时刻电源电压为+1.0p.u.，相当于在2.0p.u.初始电压差下合闸，暂态过程加剧，过电压可达3.0p.u.及以上。

（3）影响因素：【重要】合闸相位角（随机性）、线路残压大小与极性、系统短路容量（电源阻抗）、线路损耗、MOA特性。

（4）抑制措施：【非常重要·高频考点·热点】

a、合闸电阻：最传统有效的措施之一。讲解带合闸电阻的断路器工作原理。合闸时，辅助触头通过电阻R先接通，限制涌流和振荡（初始电压被R分压），经过短暂延时（约8-15ms），主触头闭合，短接电阻R，系统进入稳态。通过波形图对比展示合闸电阻的效果（可将过电压从2.5-3.0p.u.限制到1.8p.u.以下）。强调电阻值的选择原则（兼顾限压效果和热容量）以及电阻接入时间的优化。

b、同步（选相）合闸技术：【热点·前沿】通过精确控制断路器的合闸时间，使其在电压过零或电压峰值等最佳相位时刻合闸，从根本上避免或减小暂态振荡。讲解其关键技术：断路器机械分散性的补偿、控制系统的实时性要求。展示其在改善电能质量、降低设备应力方面的优势。

c、线路型避雷器：在线路的关键点（如首端、末端、甚至沿线）装设线路型MOA，直接吸收能量，限制过电压幅值，是超/特高压线路的重要保护手段。

d、消除线路残压：在重合闸前，通过并联电抗器或专门放电装置，将线路上的残余电荷快速泄放掉，使其初始电压接近零，从而降低重合闸过电压。

4、电弧接地过电压：【难点·热点】

（1）物理过程描述：中性点不接地系统发生单相间歇性电弧接地。由于电弧的燃烧与熄灭具有随机性和间歇性，引起系统对地电容上电荷的多次重新分配，导致健全相和故障相产生严重的过电压。讲解两种经典理论：工频熄弧理论和高频熄弧理论，分析其对过电压发展的不同影响。

（2）抑制措施：【重要】

a、中性点经消弧线圈接地：核心原理是利用消弧线圈的电感电流补偿故障点的电容电流，使流过故障点的残流（无功分量和有功分量）很小，电弧易于自行熄灭，从而消除间歇性电弧。讲解消弧线圈的补偿方式（过补偿、欠补偿、全补偿），并分析过补偿运行的优点（避免串联谐振危险）。介绍自动跟踪补偿消弧装置，能实时检测系统电容电流并自动调整补偿度。

b、中性点经小电阻接地：【热点·应用】在中压配电网中，采用中性点经小电阻接地方式。发生单相接地时，形成较大的阻性电流，促使保护装置快速、有选择地切除故障线路，避免电弧长时间存在。对比消弧线圈接地（重在灭弧）和小电阻接地（重在跳闸）的优缺点，结合配电网发展（电缆化率提高、对供电可靠性要求提升）分析其应用趋势。

（四）内部过电压抑制装置及应用（4学时）

本讲对前述分散在各章节的抑制装置进行系统梳理和深化。

1、金属氧化物避雷器（MOA）：【核心·重要】

（1）结构与特性：详细讲解ZnO阀片的微观结构（晶界层形成的势垒）和宏观电气特性——优异的非线性（α值可达50以上）。展示其伏安特性曲线，清晰划分小电流区、非线性区（动作区）、饱和区。强调其无串联间隙的特点。

（2）主要参数及其工程意义：【高频考点·非常重要】额定电压（Ue）、持续运行电压（Uc）、残压（Ur，标称放电电流下的残压）、压比、荷电率、能量吸收能力。以选型为例，讲解如何根据系统最高电压确定Ue和Uc，如何根据设备绝缘水平（BIL）和期望的保护水平选择Ur。引入“保护水平/绝缘水平”的配合概念。

（3）在操作过电压中的应用：区别于限制雷电过电压，分析MOA在操作过电压下的工况特点（能量大、持续时间相对长）。重点讲解【重要·难点】能量吸收校核。以一个实际工程案例（如限制500kV线路合闸过电压），引导学生计算MOA需要吸收的能量（基于能量守恒：线路储存的磁场/电场能+电源注入的能量），并与MOA的额定吸能能力对比，验证选型合理性。

2、合闸/分闸电阻：【重要·高频考点】

（1）结构类型：切合电阻器的结构形式（陶瓷、铸铁、液体）及其热容量特点。

（2）参数设计与校核：讲解合闸电阻值R选择的两个核心原则：①足够小，以有效限制涌流和过电压幅值（最佳值约为线路波阻抗的0.5-1.0倍）；②在接入时间内（短时，如10ms）吸收的能量必须在其热容量允许范围内。推导电阻吸收能量的近似计算公式（E≈∫i^2Rdt）。

3、同步（选相）控制器：【热点·前沿】

（1）系统组成：由参考电压互感器、电流互感器、智能控制器和执行机构（断路器）组成。

（2）工作原理：控制器实时监测电压/电流波形，预测过零点或特定相位点，并根据断路器的预燃弧时间或分断时间（含分散性）进行补偿计算，在最佳时刻发出分合闸指令。讲解其关键技术：断路器的动作特性建模与自学习补偿。

（3）应用效果：通过仿真对比，展示同步合闸技术如何几乎完全消除合闸涌流和暂态过电压，实现电压的“软投入”。

4、高压并联电抗器及可控高抗：【重要·热点】

（1）并联电抗器：回顾其抑制工频过电压、降低潜伏电流、提高系统稳定性的多重作用。

（2）可控高抗：【前沿·挑战】介绍在特高压、长距离输电以及新能源并网场景下，系统无功和电压变化剧烈，固定容量高抗的局限性。引出可控高抗（包括磁控式、变压器式、晶闸管控制式等），讲解其基本原理——能够根据系统电压水平动态调整补偿容量，实现无功功率的灵活调节和工频过电压的动态抑制。

（五）内部过电压仿真与实践（4学时，含上机实验）

1、仿真软件入门：介绍ATP-EMTP或PSCAD/EMTDC等电磁暂态仿真软件的界面、基本元件库和建模方法。

2、基础仿真实验（2学时）：

（1）任务一：【基础】搭建一个简单的单相RLC串联/并联电路，观察其在不同频率下的阻抗特性和暂态响应（方波激励下的振荡），加深对谐振和过渡过程的理解。

（2）任务二：【重要】搭建单相空载线路合闸模型（用集中π型电路模拟分布参数线路）。观察在不同合闸相位角（0°、90°）下的过电压波形，记录过电压幅值，验证理论分析。

（3）任务三：【重要】在上述模型中并联MOA模型，观察其对合闸过电压的限制效果，并读取流过MOA的电流波形，积分计算其吸收的能量。

3、综合仿真项目（2学时，小组协作）：

（1）项目题目：【非常重要·高频考点·热点】“某风电场经110kV送出线路的内部过电压仿真与抑制方案设计”。

（2）项目背景：给定风电场参数（总容量、升压变参数）、送出线路参数（长度、型号）、对侧系统短路容量。任务要求分析该风电场在下列工况下的内部过电压水平：①空载线路合闸；②线路末端（风电场侧）变压器空载投入；③单相接地故障清除后的重合闸。要求过电压倍数不超过规程规定的2.0p.u.。

（3）项目实施：

a、模型搭建：小组协作，根据给定参数在ATP-EMTP中搭建包含风电场等值模型（可用同步发电机或异步发电机模型简化）、变压器、线路、系统电源的整体仿真模型。

b、仿真分析与诊断：运行仿真，记录每种工况下的过电压波形和幅值。分析过电压产生的主要原因。若某工况下过电压超标，则进行下一步。

c、抑制方案设计与验证：【非常重要】小组研讨并设计至少两套抑制方案（例如方案A：线路两端加装MOA；方案B：断路器加装合闸电阻；方案C：采用同步合闸技术）。修改仿真模型，分别验证各方案的有效性。比较各方案下的过电压抑制效果（幅值、陡度）、MOA吸收能量（验证设备选型）以及技术经济性。

d、撰写报告与答辩：提交仿真模型文件和项目报告，并进行课堂PPT展示和答辩。教师从方案完整性、仿真过程正确性、结果分析深度、团队协作等方面进行综合评价。

三、课程考核与评价

本课程采用形成性评价与终结性评价相结合的考核方式，全面衡量学生学习成效。

1、形成性评价（占比40%）：

（1）课堂表现与互动（5%）：鼓励学生提问和参与讨论，特别是对案例分析