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1、高电压工程基础 华南理工大学电力学院 第12章 暂时过电压 12.1 工频电压的升高 12.1.1 超高压系统中工频电压升高的重要性 12.1.2 工频电压升高的原因 12.1.3 工频电压升高的限制措施 12.2 谐振过电压 12.2.1 谐振的种类 12.2.2 铁磁谐振过电压 高电压工程基础 电力系统过电压 外部过电压 内部过电压 暂时过电压 操作过电压 在电力系统内部，由于 断路器的操作或发生故 障，使系统参数发生变 化，引起电网电磁能量 的转化或传递，在系统 中出现过电压，这种过 电压称为内部过电压。 操作过电压即电磁暂 态过程中的过电压； 一般持续时间在 0.ls （五个工频周波）
2、以 内的过电压称为操作 过电压。 暂时过电压包 括工频电压升 高及谐振过电 压；持续时间 比操作过电压 长。 高电压工程基础 12.1 工频电压升高 操作过电压 暂态工频过电压 稳态工频过电压 一般而言，工频电压升高对 220kV 等级以下、线路不 太长的系统的正常绝缘的电气设备是没有危险的。但对超高 压、远距离传输系统绝缘水平的确定却起着决定性的作用。 高电压工程基础 500kV空载线路合闸时，线路首末端电压波形实测曲线 12.1.1 超高压系统中工频电压升高的重要性 工频电压升高的数值是决定保护电器工作条件的主要依据 ，例如金属氧化物避雷器的额定电压就是按照电网中工频电 压升高来确定的。同
3、时，工频电压升高幅值越大，对断路器 并联电阻热容量的要求也越高，从而给制造低值并联电阻带 来困难。 操作过电压与工频电压升高是同时发生的，因此工频电压 的升高直接影响操作过电压的幅值。 工频电压升高持续时间长，对设备绝缘及其运行性能有重 大影响。例如，可导致油纸绝缘内部游离，污秽绝缘子的闪 络、铁芯的过热、电晕等。 高电压工程基础 12.1.2 工频电压升高的原因 空载长线的电容效应 高电压工程基础 一条空载长线可以看作由无数个串连的RLC回路构成，在工频电 压作用下，线路的总容抗一般远大于导线的感抗(电路中将流过容性 电流,电容上电压高于电源电势),因此线路各点的电压均高于线路首 端电压，而
4、且越往线路末端电压越高。 相位系数 Z：线路波阻抗 l：线路长度 若末端开路： 当 l = / 2时： 1/4波长谐振 （末端电压无穷大） 不考虑电源感抗，无穷大电源：E=U 若考虑电源感抗： ZR为线路末端开路时的首端输入阻抗： 电源容量越小，过电压越大，因此在计算工频过电压时， 应计及系统可能出现的最小运行方式，即XS 可能的最大值。 高电压工程基础 不对称短路引起的工频电压升高（A相短路为例） K(1） ：单相接地因 数，说明单相接地故 障时，健全相的对地 最高工频电压有效值 与故障前故障相对地 电压有效值之比。 高电压工程基础 n 中性点绝缘的3 10kV系统：X0 主要由线路容抗决定
5、，为负值。单相 接地时，健全相电压升高约为线电压的 1.1 倍。选择避雷器灭弧电压（ MOA的额定电压）时，取 110% 的线电压（110% 避雷器）。 n 中性点经消弧线圈接地的35 60kV系统：在过补偿状态运行时，X0 为很大的正值，单相接地时健全相电压接近线电压。选择避雷器灭弧电 压时，取 100% 的线电压（100% 避雷器）。 n 对中性点直接接地的110 220kV系统：X0 为不大的正值，一般K（1） 小于3，健全相上电压升高不大于1.4倍相电压，约为80% 的线电压（ 80% 避雷器）。 高电压工程基础 突然甩负荷引起的工频电压升高 n 根据磁链守恒原理，当甩负荷后，发电机中
6、通过激磁绕 组的磁通来不及变化，与其相应的电源电势Ed 不变。原来 负荷的电感电流对主磁通的去磁效应突然消失，而空载线路 的电容电流对主磁通起助磁作用，使Ed上升。因此加剧了 工频电压的升高。 n 其次，从机械过程来看，发电机突然甩掉一部分有功负 荷，而原动机的调速器有一定惯性，在短时间内输入给原动 机的功率来不及减少，主轴上有多余功率，这将使发电机转 速增加。转速增加时，电源频率上升，不但发电机的电势随 转速的增加而增加，而且加剧了线路的电容效应。 高电压工程基础 12.1.3 工频电压升高的限制措施 目前我国规定：220kV及以下不需采取措施限制；而330kV ，500kV，750kV 系
7、统，需采取措施将母线上的暂态工频过 电压升高不超过最高工作相电压的 1.3 倍，线路不超过 1.4 倍。 利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应 高电压工程基础 不考虑 电源感抗 末端接入 电抗器 考虑 电源感抗 n 线路的电容电流流过电源感抗也会造成电压升，同样会增 加电容效应，犹如增加了导线的长度一样。显然，电源容量 越小，电容效应越严重。 n 在线路末端接入电抗器，相当于减小了线路长度，因而降 低了电压传递系数，可以降低线路的末端电压。 n 电抗器可以安装在线路的末端、首端、中间，其补偿度及安 装位置的选择，必须综合考虑实际系统的结构、参数、可能出 现的运行方式及故障形式等因素，然后确定合
8、理的方案。 高电压工程基础 利用静止补偿器补偿限制工频过电压 可控硅开关投 切电容器组 可控硅相角控 制的电抗器组 SVC具有时间响应快、维护简单、可靠性高等优点。当 系统由于某种原因发生工频电压升高时，TSC断开，TCR导 通，吸收无功功率，从而降低工频过电压。根据需要，可改 变TCR，TSC的导通相角，达到调节系统无功功率，控制系 统电压，提高系统稳定性的目的。 高电压工程基础 采用良导体地线降低输电线路的零序阻抗 故障点健全相电压的升高，主要决定于由故障点看进去 的零序阻抗X0 与正序阻抗X1 的比值。X0 ，X1 既包含集中参 数的电机的暂态电抗、变压器的漏抗，又包含分布参数线路 的阻
9、抗。 一般情况下电源侧零序阻抗与正序阻抗之比小于1，而 线路的零序阻抗与正序阻抗之比则是大于1的。若采用良导 体地线，可降低X0 ，进而降低由故障点看进去的零序、正序 电抗的比值，达到限制工频过电压的目的。 计算表明，电源容量愈大，良导体地线降低工频过电压 愈明显。 高电压工程基础 12.2 谐振过电压 谐振 线性谐振 参数谐振 铁磁谐振 电感元件是线性的；完全满足线性谐 振的机会极少，但是，即使在接近谐 振条件下，也会产生很高的过电压。 线性谐振条件是等值回路中的自振频 率等于或接近电源频率。其过电压幅 值只受回路中损耗（电阻）的限制。 电感参数在某种情况下发生周期性的 变化 ；参数谐振所需
10、能量来源于改变 参数的原动机，不需单独电源，一般 只要有一定剩磁或电容的残余电荷， 参数处在一定范围内，就可以使谐振 得到发展。电感的饱和会使回路自动 偏离谐振条件，使过电压得以限制。 电路中的电感元件因带有铁芯，会产生饱和现象，这种含有非 线性电感元件的电路，在满足一定条件时，会发生铁磁谐振。 电力系统中发生铁磁谐振的机会是相当多的。国内外运行经验 表明，它是电力系统某些严重事故的直接原因。 12.2.1 谐振的类型 高电压工程基础 12.2.2 铁磁谐振过电压 UL UC 时，电 路中的电流是 感性的 UC UL 时，电 路中的电流是 容性的 E与U 三个交点： a1（稳定） a2 （不稳
11、定） a3 （稳定） 当E较小时，存在两个可能的工 作点a1，a3，而当E超过一定值 以后，可能只存在一个工作点。 当有两个工作点时，若电源电势 是逐渐上升的，为了建立起稳定 的谐振点a3，回路必须经过强烈 的扰动过程。这种需要经过过渡 过程建立的谐振现象称之谓铁磁 谐振的“激发”。而且一旦“激发” 起来以后，谐振状态就可以“保 持”，维持很长时间，不会衰减 高电压工程基础 铁磁谐振的特点 产生串联铁磁谐振的条件是：电感和电容的伏安特性必须 相交， （必要条件）；外界“激发”（强烈的扰动） ；等效电路电阻足够小（维持很长时间，不会衰减）。 对铁磁谐振电路，在同一电源电势作用下，回路可能有不 只
12、一种稳定工作状态。在外界激发下，回路可能从非谐振工 作状态跃变到谐振工作状态，电路从感性变为容性，发生相 位反倾，同时产生过电压与过电流。 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，回路中损耗， 也能使过电压降低，当回路电阻值大到一定数值时，就不 会出现强烈的谐振现象。 高电压工程基础 铁磁谐振的限制措施 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。 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。 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， 但从参数搭配上应该避免谐振。 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。 高电压工程基础
