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1、第二篇 电力系统过电压及其防护第8、9章 电力系统内部过电压在电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，使系统参数发生变化，引起系统内部电磁能量的振荡转化或传递从而造成的电压 升高，称为电力系统的内部过电压。内部过电压的产生根源在电力系统内部，其大小由系统参数决定。系统参数的变化原因是多种多样的，因 此内部过电压的幅值、振荡频率以及持 续时间不尽相同，通常按产生原因的不 同可分为：内部过电压内部过电压暂态过电压操作过电压工频电压升高谐振过电压切空线过电压合空线过电压切空变过电压间歇电弧接地 过电压线性谐振过电压铁磁谐振过电压参数谐振过电压空载长线的 电容效应不对称短路引起的 工频过电压甩负荷
2、引起的 工频电压升高暂态过电压是一种在一定位 置上的相对地或相间的过电 压，具有一定的振荡频率， 由于无阻尼或弱阻尼，因此 持续时间较长。操作过电压是电磁过渡过程 的过电压。电力系统内部过电压电力系统内部过电压第8章 谐振过电压第9章 电力系统操作过电压第8章 谐振过电压电力系统包含许多电感和电容元件，例如：电感 元件L: 发电机、变压器、互感器、电抗器、消弧线 圈等。电容元件C: 线路对地电容、导线间电容、补偿用的并、串电容、高压设备的杂散电容等。他们的 组合可以构成一系列的复杂的振荡电路，正常运行时 由于负载的阻尼或大功率电源的存在，不会发生严重 的振荡。但操作或事故时，某些振荡回路就有可
3、能与 外加电源发生谐振现象，导致系统中某些部分上出现 过电压，这就是谐振过电压。谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态或准稳态现象。在这种 周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐 波幅值会急剧上升。根据电感的特性把谐振分为：线性谐振、参数谐振、非线性（铁磁）谐振(一) 线性谐振过电压 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，应设法避开谐振条件以消除这种线性谐振过电压。 (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，如发电机转动时，其电感的大小随着转子位置
4、的不同而周期性变化。当发电机带有电容性负载（例如一段空载线路）时，如再存在不利的参数配合，就又可能引发参数谐振现象，有时将这种现象称为发电机的自励磁或自激过电压。(三) 铁磁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，它具有一些不同于其他过电 压的特点。铁磁谐振的谐振频率可能是电源频率的整数倍和分数倍，分 别称为高频谐振和分频谐振，振荡频率等于或接近电源频率时 产生的谐振过电压称为基波谐振过电压。下面以基波谐振为例，说明非线性谐振的基本特性：稳定工作点和谐振条件：下图为最简单的R,C和铁心电
5、感L的串联电路。在正常运 行条件下，感抗大于容抗，即，此时不具备谐振条件。 当铁心电感的电流增大或者磁通增大时会使铁心发生饱 和现象，使电感下降，满足串联谐振条件，发生谐振， 在电感和电容两端形成过电压，这就是铁磁谐振现象。串联铁磁谐振回路的特性曲线：与曲线相交于a1、a2、a3，但是不是都是稳定工作点？物理上判断是否是稳定工作点，用“小扰动”理论，即电源电压出现小的扰动后，工作点能否回到原来的工作点。实际工作点：满足电势平衡条件；满足稳定工作条件。不稳定点稳定点稳定点 且为谐振点回路呈容性 回路电流较大 电感电容上出现较 高过电压谐振点 但不是稳定工作点基波的铁磁谐振的特点： 产生串联铁磁谐
6、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 ；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；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，就不会出现强烈的的谐振现象。因此，基波铁磁谐振过电压必要条件限制和消除铁磁谐振过电压的措施：改善电磁式电压互感器的激磁特性或改用电容式电压 互感器采用阻尼电阻增大对地电容，从参数配合上避开谐振采用消弧线圈第9章、 电力系统操作过电压电力系统中的电容、电感元件均为储能 元件。当系统开关操作或故障使其工作
7、状态 发生变化时，各储能元件的能量重新分配发 生振荡就产生了操作过电压。在设备上将会 产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。电力系统常见操作过电压种类一、切除空载线路过电压二、合空载线路过电压三、切除空载变压器过电压四、电弧接地过电压在不同电压等级中起主导作用的操作过电压类型：610kV，3560kV：电弧接地过电压110220kV：切空载变压器，切除空载线路过电压330500kV：合空载线路过电压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重燃现象。切除空载线路时引起的操作过电压幅值大、持续时间长。9.1 切除空载线路过电压 发展过程 影响因素和限制过电压大小的
8、措施 切除空载过电压产生的物理过程：线路容抗远远大于感抗：稳定时，若假定：则：回路的自振角频率：1、断路器断开前，即t1时刻前，线路电压为u(t)，即电 容电压uc(t) 等于电源电压e(t)。设t1时刻断路器断开 ，断路器的工频电流过零点，电弧熄灭，此时电容C上的 电压为负的最大值-Em。2、由于线路绝缘，导线电压保持在-Em，但断路器触电A点 的电位仍然按余弦规律变化，断路器触头间出现不断增加 的恢复电压：3、t2时刻（过半个周期）：uc(t2)=-Em,电源电压e(t)=Em, uAB = 2Em，在t1t2之间就可能发生电弧重燃。4、按最严重情况考虑：t2时刻，uAB = 2Em。这时
9、形成 一个LC振荡回路。是一个初始值为Uc(0)=-Em的重合闸 过程，线路上过电压达到3Em。Umax U稳态 (U稳态U起始) 2 U稳态U起始线路最高暂态幅值：4、重燃后，伴随高频振荡电压的出现，回路中流过容性的高 频电流，在t3时刻Uc达到3Em时，高频容性电流恰好过零。t3时 刻电弧可能再次熄灭，电容C上将留有数值为3Em的残压4、再过半个周t4时刻，此时UAB达-Em。重燃后，过电压 可达-5Em 依次类推，每隔半个工频周期就重燃一次和熄弧一次， 过电压将按7Em，-9Em 逐次增加，直到触头间已有足够 的绝缘强度，电弧不再重燃为止过电压产生的根本原因过电压产生的根本原因：断路器的
10、电弧重燃断路器的灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值越高。限制过电压的措施限制过电压的措施：提高断路器的灭弧性能，减少或避免电弧重燃；在断路器中加装并联分闸电阻；（作用：降低断路 器触头间的恢复电压和降低重燃后的过电压）装设避雷器。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。9.2 合闸空载线路过电压空载线的合闸分为两种情况，即计划性合闸和故障 后的自动重合闸。由于线路电压在合闸前后发生突变，由此会引起合闸空载过电压。这时出现的操作过电压称为合 空线过电压或合闸过电压， 由于两者的初始条件 不同，重合闸过电压是合闸过电压中最严重的一种 。合闸空载线路是电力系统中常见
11、的一种操作。1、计划性合闸过电压计划性合闸又叫做正常合闸，即电力系统需要进行的经常性合闸操作。空载线路合闸前，线路不接地，三相对称，为零初始状态。不计导线间的电磁耦合，取一相线路进行研究，其等值电路如下：回路方程为因为可导出：解方程得：利用初始条件，t=0时，uc=0，求得A、B有：当 时， 达到最大值，即：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。可得其波形见下图，最大值 将略小于2、自动重合闸过电压正常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初 始电压 uc(0)=0 。运行中的线路发生故障，由继电保护系统控制跳 闸后，经过一短暂时间后再合闸自动重合闸 操作。如
12、果是自动重合闸的情况，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。影响过电压产生的主要因素：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。线路残余电压的大小与极性；线路损耗。线路损耗能减弱振荡，从而降低过电压 。限制过电压的措施：在断路器中加装并联合闸电阻(对自由分量起阻尼作 用降低过电压幅值）；采用同步合闸（是通过特殊装置使断路器触头两端 的电位位极性相同时完成合闸操作）；消除和削弱线路残余电压(电磁式电压互感器)装设避雷器。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
13、电 压。9.3 切除空载变压器过电压过电压产生的原因：截流现象：流过电感的电流在到达自然零点前 被断路器强行切断，使得储存在电感中的磁场能 量被强迫转化为电场能，导致电压的升高。可用下图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。切除空载变压器等值电路34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35此后即在 、 构成的振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36有：L大C小I0大过电压大设 为正值，则
14、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，如图所示。切除空载变压器过电压影响因素： 断路器的性能(灭弧能力越强，切断电流 能力越强，过电压越高)； 变压器的参数(电感越大，电容越小，过 电压越高)。 限制措施： 变压器侧加装阀式避雷器。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: 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
15、弧要等到工频电流过零时才能熄灭9.4 电弧接地过电压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(a)所示的等值电路。设接地故障发生于A相，而且是正当 经过正幅值 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 、 。 流过C2和C3的电流 和 分别较 和 超前90， 其幅值为因为 与 在相位上相差60，所以故障点的电流 幅值为电网的额定电压 线路总长度 C 每相导线的对地电容 单位长度的对地电容 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43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、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。故障相健全相第一次熄弧注：实线为实际电压 线电压 相电压电弧重燃1、t1时刻，A相电弧接地，A 相电容上电荷通过间隙电弧泄 放入地，其电压u1突降为零。 相应B,C相电容C2，C3上的电 压幅值从-0.5变至-1.5。而u2 ，u3电压的这种改变是要通过 电源线电压UBA,UCA经过电源电 感
