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1、HUST_CEEE 第十二章 电力系统内部过电压 u第一节 概 述 u第二节 操作过电压 u第三节 谐振过电压 u第四节 工频电压升高 HUST_CEEE 第一节 概 述 过电压是指超过正常运行电压并可使电力系统绝缘或保护 设备损坏的电压升高。 过电压可以分为内部过电压和雷电(外部)过电压。 内部过电压（简称内过电压）是由于电力系统 内部能量的转化或传递引起的。内部过电压可 按其产生原因分为操作过电压和暂时过电压， 而后者又包括谐振过电压和工频电压升高。 操作过电压：因操作引起的暂态电压升高。 谐振过电压：因系统中电感、电容参数配合不 当，在系统进行操作或发生故障时出现的各种 持续时间很长的谐
2、振现象及其电压升高。 工频过电压：电力系统中在正常或故障时还可 能出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频 或接近工频的电压升高。这种电压升高统称为 工频电压升高。 HUST_CEEE 第一节 概 述 内部过电压倍数：内部过电压的幅值与电网该处最高 运行相电压的幅值之比，用字母K来表示。 K值与电网结构、系统容量和参数、中性点接地方式、 断路器性能、母线上的出线数目、电网的运行接线和操作方式 等因素有关，它具有统计性质。 通常在中性点直接接地的电网中，如果不采取限压措 施，操作过电压的最大幅值可达最高运行相电压幅值 的3倍以上； 在中性点非直接接地的电网中，最大操作过电压可达 最高运行相电压的4
3、倍以上； 谐振过电压的幅值则在2倍以上。 HUST_CEEE 第二节 操作过电压 电力系统中常见的操作过电压有： 切除电感性负载过电压； 切除电容性负载过电压； 空载线路合闸过电压以及系统解列过电压； 中性点绝缘电网中的电弧接地过电压等。 操作过电压持续时间：几ms几十ms。 一、空载变压器的分闸过电压 二、空载长线路的操作过电压 三、电弧接地过电压 HUST_CEEE 第二节 操作过电压空载变压器的分闸过电压 一、空载变压器的分闸过电压 1. 切空载变压器(大L)过电压机理 在实际电路中diL/dt是不会 达到无穷大的。这是因为变压 器绕组除励磁电感LT外，还有 电容CT，如上图所示。断路器
4、 截断电流后，电感中的电流可 以以电容为回路继续流通，对 电容进行充电，将电感中的磁 能转化为电容中的电能。 在切空载变压器时，断路器常常会 在工频电流自然过零之前强行切断电 弧，称这种现象为“截流”。 在切除空载变压器励磁电流的截流 瞬间，电弧电流被迫很快下降到零， 造成： diL/dt (-) 于是在变压器励磁电感L上将感应出过 电压 uLdiL/dt (-) 即过电压有可能达到很高的数值。 HUST_CEEE 如右图所示，如果截流发生在某一瞬时值I0时 ，电容上的电压为U0，此时变压器的总储能W为 ： WWLWC(LTI02CTU02)/2 按能量不灭定律，当磁能全部转化为静电电能 时，
5、电容上的电压将达其最大值UTm ，由截流而 引起的变压器上的过电压可达 ： UTm（U02I02LT/CT）1/2 截流值愈大则过电压愈高，当截流发生在励磁 电流的幅值Im（即I0Im，U00）时，有： UTm Im (LT/CT)1/2 图12-2 截流时刻 第二节 操作过电压空载变压器的分闸过电压 图12-3 截流后的电流和电压波形 图12-3给出了电流在幅值截断后,电感中的 电流iL和电容上的电压（也即电感上的电压） uC的波形。如不计衰减，iL和uC可写成： iLImcos0t uCUmsin0t Im (LT/CT)1/2sin0t HUST_CEEE 第二节 操作过电压空载变压器的
6、分闸过电压 2. 影响因素及限制措施 （1）断路器性能 切空载变压器引起的过电压幅值近似地与截流值I0成正比。 降低断路器的截流能力能够限制过电压UTm的大小。 通过在断路器的主触头上并联高值电阻，能有效地降低这种 过电压。 （2）变压器参数和结构 LT愈大，CT愈小，过电压愈高； 相数、绕组连接方式、铁心结构、中性点接地方式、断路器 断口电容、相连的电缆和架空线路段等 均有影响。 绕组连接方式：采用纠结绕组及增加静电屏蔽措施； 铁心：采用优质导磁材料（冷轧硅钢片）； 其他：采用普通阀式避雷器吸收绕组储存的磁能等。 HUST_CEEE 第二节 操作过电压 二、空载长线路的操作过电压 1切除空载
7、长线路(大C)过电压的产生过程及限制措施 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电弧 重燃 产生过程 u 图12-4是断路器切除空载长 线时的接线图和等值线路图。通 常L1/(C)，因此在电路切除 前，可认为电容电压uC和电源电 势e近似相等，而流过断口的工频 电流iC超前电源电压90。 图12-4 切除空载长线 HUST_CEEE 当QF触头分离后，触头间电弧将在iC0时熄灭（t t1），此时线路电容上uCEm。电弧熄灭后，电 源与电容分开，uC维持残余电压Em，而电源电压e 则将继续按工频变化。此时加在QF断口上的电压 将逐渐增加。 在tt2时刻，当电
8、源电压e到达-Em时，QF断口间 的恢复电压达到2Em。如果此时QF断口间介质的抗 电强度不够被击穿，电弧第一次重燃，此时uC将由 Em以0的角频率围绕(-Em)振荡，其振幅为2Em。因 此，uC的最大值可达(-3Em) 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 图12-5 切除空载长线时的电流和电压波形 图12-4 切除空载长线 伴随着高频振荡电压的出现，QF断口间将 有高频电流流过，它超前于高频电压90 。因此，当uC达到(-3Em)时（tt3时刻） ，高频电流恰恰经过零点，于是电弧可能 再一次熄灭。 又经过工频半个周波后（tt4时刻），作 用在断口上的电压将达4Em。假如断口又 恰好在此
9、时击穿，则由于电容的起始电压 为 (-3Em)，电源电压为Em，振幅为4Em， 振荡后电容上的最大电压可达5Em HUST_CEEE 限制措施 国内外大量实测数据表明，在中性点不接地系统中， 过电压倍数一般不超过3.54倍，在中性点直接接地系统 中一般不超过3倍。 （1）采用不重燃断路器 在现代断路器设计中通过提高触头之间的介质绝缘强度使 熄弧后触头间隙的电气强度恢复速度大于恢复电压的上升 速度，使电弧不再重燃。 （2）并联分闸电阻R 在断路器主触头上并联分闸电阻R，也是降低触头间的恢 复电压、避免重燃的有效措施。 （3）线路首末端装设避雷器 装设金属氧化物避雷器（MOA）或磁吹阀式避雷器能有
10、 效地限制这种过电压的幅值。 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 HUST_CEEE 2合闸空载线路过电压的产生过程及限制措施 图12-7 关合空载长线 (a)接线图；(b)单相等值电路图 （1）正常合闸 由于正常的运行需要而进行的 合闸操作称为正常合闸。如图12- 7(a)所示。在线路一侧断路器断开 的情况下，关合另一侧断路器就会 遇到关合空载线路的操作。 一般情况下0要比工频高得多。 假设在求过渡过程中电容C上的电压 时，电源电压近似地保持不变。空 载线路的关合可以简化成图12-8的 直流电源合闸于LC振荡回路的情况 ，图中EUpm。据此可以写出： EuLuC uLLdi/dt uC
11、q/C1/Ci dt E C uC L uL 图12-8 直流电压作用在LC回路上 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 HUST_CEEE 从图12-9可见，回路中电 流为一正弦波形，电压则为 一围绕电源电压发生周期振 荡的波形。可见不计长线电 阻效应，关合空载长线时， 长线电容上出现的过电压可 达电源电压E的2倍。 图12-9 图12-8回路中i和uC随时 间的变化曲线 电路方程可写成 ： ELdi/dt 1/Ci dt 或 LCd2uC/dt2uCE 当电容C上无起始电压时 ，即t0，uC0，则上式的 解为： uCE(1cos0t) 可得电流的解为： iCduC/dtEsin0t/(
12、L/C)1/2 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 HUST_CEEE 当电容C上的起始电压uC(0)U0时，由于稳态电压为E， 振荡的振幅将为E(U0)EU0，此时uC的波形将如图12- 10（b）所示。据此不难写出当电容C上有起始电压时，uC的数 学表达式： uCEEuC(0)cos0t 图12-10 直流电源E通过电感L加到起始电压为(U0)的电容C上 （a）等值电路图； （b）uC随时间的变化 由于振荡而产 生的过电压可以用 下列更普遍的式子 求出： 过电压稳态值振 荡幅值稳态值( 稳态值起始值) 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 HUST_CEEE 当雷击线路而使线路两
13、端的断路器跳闸时，其中后动作的断路 器将切断空载长线的电容电流，而在线路电容上保留数值等于电源 电压幅值（例如+Em）的残留电压。当开关重合时，如果电源电压 恰好达到极性相反的幅值（例如-Em），则重合闸过电压将达2(-Em) Em-3Em。相当于开关第一次重燃时的过电压。 在切、合(重合)空载线路的操作中，切空载线路时重燃所引起的 过电压最高。如果采用切空载线路无重燃断路器，则最大过电压将 发生在重合空载线路时。 （2） 自动重合闸 为了减少鸟害和雷害等暂时性 故障引起的线路跳闸事故，运行 中的线路发生故障，由继电保护 系统控制断路器跳闸后，经过一 短暂时间后再合闸，即为自动重 合闸操作。
14、图12-7 关合空载长线 (a)接线图；(b)单相等值电路图 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 HUST_CEEE 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 （3） 影响因素及限制措施 1）影响因素 合闸空载线路过电压以重合闸最为严重。理论上重合闸过电压可 达3Em。但实际中过电压的幅值受到很多因素的影响，如系统参数、 结构及运行方式等；此外如合闸相位、三相断路器合闸动作不同期 等随机性的因素，不但影响过电压数值，还使其具有统计性质。 合闸相位：e(t)Emsin(t0) ；正常合闸时，若090，即 e(0)Em是其中最严重的情况； 线路残压：在自动重合闸的过程中，由于线路残余电荷的泄
15、放，实 际上线路残压是下降的。 线路损耗：实际输电线路的能量损耗会引起自由分量的衰减，使过 电压幅值降低。 三相断路器不同期合闸：会使过电压幅值增高1030。 单相自动重合闸：单相重合闸过电压低于正常重合闸过电压。 母线上接有其他出线时：过电压将越小。 HUST_CEEE 第二节 操作过电压空载长线路的操作过电压 2）限制合闸过电压的措施： 合理装设并联电抗器以及适当安排合闸操作 程序，降低因线路电容效应等引起的工频电 压升高； 采用单相自动重合闸避免线路残压的影响； 断路器主触头上并联合闸电阻； 线路首末端装设磁吹阀式避雷器或金属氧化 物避雷器（MOA）。 我国在线路设计时所取的操作空载线路过电压倍数为： 相对地绝缘（相应设备最高运行相电压的倍数）： 3566kV及以下（电网中性点经消弧线圈接地或不接地）4.0 110154kV（电网中性点经消弧线圈接地） 3.5 110220kV（电网中性点直接接地） 3.0 330kV（电网中性点直接接地）
