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1、第第8章章 操作过电压及其防护操作过电压及其防护本章知识构架本章知识构架 8.l 概述概述内过电压内过电压：在电力系统运行中由于运行状态的突然变化，如正常操作或故障操作，会导致系统内电感和电容元件间电磁能的互相转换，引起振荡性的过渡过程，因而在某些设备或局部电网上会出现过电压，即操作过电压，也称内过电压 。常见的操作过电压常见的操作过电压 ：在中性点直接接地系统中，常见的操作过电压有合闸空载线路过电压、切除空载线路过电压、切除空载变压器过电压以及解列过电压等。 在中性点非直接接地系统中，主要是弧光接地过电压 。其他还有解列过电压、谐振过电压等。另外，由空载长线路的容生效应、不对称短路、突然甩负
2、荷等原因引起的工频电压升高 通常以发生过电压处设备的最高运行相电压（峰值）的倍数最高运行相电压（峰值）的倍数来表示操作过电压的大小。 对于220kV及以下系统，通常设备的绝缘结构设计允许承受可能出现的 34倍的操作过电压，因此不必采取专门的限压措施。 对于 330kV及以上超高压系统，如果仍按34倍的操作过电压考虑，势必导致设备绝缘费用的迅速增加 。因此，在超高压系统中必须采取措施将操作过电压强迫限制在一定水平以下。目前采取的有效措施有效措施主要有：线路上装设并联电抗器，采用带有并联电阻的断路器以及磁吹阀型避雷器或金属氧化物避雷器（MOA）等。 8.2 空载线路合闸过电压空载线路合闸过电压 8
3、.2.1 正常空载线路合闸过电压正常空载线路合闸过电压对8.l(b)所示电路在t=0时合闸，很容易解得当仅关心过电压幅值时，显然有：过电压幅值=稳态值十振荡幅值=稳态值十（稳态值一起始值）=2稳态值一起始值 UCmax=2Em 8.2.2 重合闸过电压重合闸过电压过电压幅值=2稳态值一起始值=2Em-（-Em）=3Em 8.2.3 空载线路合闸过电压空载线路合闸过电压的影响因素及限制措施的影响因素及限制措施1合闸相位 2线路损耗 3线路上残压的变化4单相自动重合闸 8.3 切除空载线路过电压切除空载线路过电压形成原因形成原因：在切空线的过程中，虽然断路器切断的是几十到几百安培的容性电流，比短路
4、电流小得多，但在分闸初期，由于断路器触头间恢复电压的上升速度超过绝缘介质恢复强度的上升速度，造成触头间电弧重燃，因而引起电磁振荡，造成过电压 。分析分析：措施措施 ：减少或消除电弧重燃。改进断路器的灭弧性能 ；采用带并联电阻的断路器。 8.4 切除空载变压器过电压（感性小电流切除空载变压器过电压（感性小电流 ) 原因原因：断路器灭弧能力过强将会导致切空变时的过电压。因为空载变压器的电流不大，电流未达过零点时即可熄弧，即发生截流现象，diL(t)/d(t)大，从而引起变压器线圈上的感应电压LdiL(t)d(t)达很高的数值。 实际的过电压将大大低于上述最大预期过电压。（多次重燃使电弧能量减少 ；
5、振荡过程中变压器铁心及铜线的损耗，相当部分的磁能将会损失 。）切空变过电压的主要限制措施主要限制措施是采用阀型避雷器。 8.5 操作过电压的限制措施操作过电压的限制措施 8.5.1 利用断路器并联电阻限制分合闸过电压利用断路器并联电阻限制分合闸过电压 8.5.2 利用避雷器限制操作过电压利用避雷器限制操作过电压 8.6 中性点接地方式对内过电压的影响中性点接地方式对内过电压的影响 8.6.1 中性点接地方式的分类中性点接地方式的分类 电力系统的中性点接地方式是一个综合的技术问题，它与电力系统的中性点接地方式是一个综合的技术问题，它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、过电压保护、继电系统的供
6、电可靠性、人身安全、设备安全、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地装置等问题有密切的关系。保护、通信干扰及接地装置等问题有密切的关系。有效接地系统有效接地系统非有效接地系统非有效接地系统（小电流接地)（大电流接地）中性点不接地中性点不接地中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地中性点直接接地中性点直接接地中性点经低电阻接地中性点经低电阻接地8.6.2 中性点接地方式的特点中性点接地方式的特点 1大电流接地系统的特点大电流接地系统的特点当发生单相接地故障时，由于采用中性点有效接地方式存在短路回路，所以接地相电流很大。为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相，因而供电可靠性低。由于故障时不会发
7、生非接地相对地电压升高的问题，对于系统的绝缘性能要求也相应降低。 2小电流接地系统的特点小电流接地系统的特点由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时，故障点不会产生大的短路电流。因此，允许系统短时间带故障运行。此系统对于减少用户停电时间提高供电可靠性非常有意义。当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升很高，容易引发各种过电压，危及系统绝缘，严重时会导致单相瞬时性接地故障发展成单相永久接地故障或两相故障。8.6.3 中性点接地方式对内过电压的影响中性点接地方式对内过电压的影响 1中性点直接接地的系统中性点直接接地的系统从经济角度看，中性点直接接地是一种投资最小的接地方式，其主要原因如下：
8、系统的过电压较低，可以采用保护特性较好的阀型避雷器，设备的绝缘水平可取得低一点。不需要任何附加的接地设备。在电压为 110kV以上的电力系统中，可以采用分级绝缘的电力变压器。但是在这种系统中，一切故障都将引起断路器的跳闸，且单相接地电流很大，有时还会超过三相短路电流，因此这要影响对断路器分断能力的选择。另外，接地电流过大有时还会严重烧坏导体和影响通信系统的正常工作。 2中性点不接地方式中性点不接地方式 中性点不接地方式，即中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需任何附加设备，投资省，适用于农村10kV架空线路长的辐射形或树状形的供电网络。 中性点不接地系统的主要优点是它能自动清除单相接地故障，
9、而不会跳闸。 中性点不接地系统的致命缺点是最大长期工作电压与过电压较高，特别是存在电弧接地过电压的危险。 中性点不接地方式系统弧光接地过电压的产生可分以下2种情况。 （1）电网对地电容电流小于熄弧临界值11.4A，此时接地电流由于能在电流过零时可靠熄灭，不形成间歇性的接地电弧，也就不容易产生弧光接地过电压。 （2）电网电容电流大于熄弧临界值11.4A，此时接地电弧在电流过零时短暂熄灭，在峰值附近重燃，形成时断时续的间歇性电弧。由于电网是由电感、电容和电阻等元件组成的网络，电弧间歇性的熄灭与重燃会导致网络强烈的电磁振荡，产生严重的过渡过程过电压，且过电压持续时间长，遍及全网，会使电网中绝缘弱点发
10、生击穿，如电缆头爆炸、避雷器爆炸等，此时过电压的幅值可达3.5 U，因而弧光接地过电压对电网构成了较大的危害。对于中性点不接地方式，电网中的电磁式电压互感器由于磁饱和可引起中性点位移，由于参数的配合不同可能产生工频谐振，也可能产生分频或高次谐波谐振，过电压的幅值最高可达3U，可引起绝缘弱点击穿，避雷器若在此期间动作，会因熄不了弧和过电压时间长而发生爆炸。另外，若产生分频谐振，虽然过电压幅值不高（2U），但由于谐振频率低，互感器的阻抗小，以及铁心元件的非线性特性，使电压互感器励磁电流大大增加。这时，容易使电压互感器的高压保险熔断，或使电压互感器严重过热、冒油、烧损、爆炸，因而造成较大的危害。3中
11、性点经消弧线圈接地方式中性点经消弧线圈接地方式中性点经消弧线圈接地又叫谐振接地（共振接地），采用这种接地方式的电网又称为补偿接地电网系统。这种系统中，用消弧线圈的目的目的是补偿或中和电网中的接地电容电流。经消弧线圈接地系统，单相接地电流将可以被补偿或中和到很小的数值，因此一般情况下接地电流不能维持，而且在电流经过零点使电弧熄灭后，消弧线圈的存在还能显著减小故障相电压的恢复速度，减小了电弧重燃的可能性。正是这样，单相接地故障将会自动消除。应用消弧线圈，不但可以使单相接地故障所引起的停电事故大大减小，还将大大减少发生多相短路故障的次数。缺点：补偿电网的运行比较复杂，接地投资也比较大，接地选线保护存
12、在一些困难。4中性点经电阻接地方式中性点经电阻接地方式 中性点经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。 中性点经电阻接地系统，可以直接消除中性点不接地系统的两个严重缺点，实现灵敏而有选择性的接地保护，并减小电弧接地过电压的危险。 该系统存在以下主要缺点： （1）同中性点不接地系统相似，要求有较高的绝缘水平。 （2）同大电流接地系统一样，发生单相接地故障时，必须开断线路。 （3）电阻器制造困难。8.7 绝缘配合的原则及方法绝缘配合的原则及
13、方法 8.7.l 绝缘配合的原则绝缘配合的原则电力系统的运行可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量。造成电力电力系统的运行可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量。造成电力系统故障、停电的原因不外乎电压升高和电压下降两大类，因此除了系统故障、停电的原因不外乎电压升高和电压下降两大类，因此除了尽可能限制电力系统出现的过电压外，还要尽量提高电气设备的绝缘尽可能限制电力系统出现的过电压外，还要尽量提高电气设备的绝缘水平。水平。如何选择采用合适的限压措施及保护措施，在不过多增加设备投资的如何选择采用合适的限压措施及保护措施，在不过多增加设备投资的前提下，既限制可能出现的高幅值过电压，保证设备与系统安全可靠前
14、提下，既限制可能出现的高幅值过电压，保证设备与系统安全可靠地运行，又降低对各种输变电设备绝缘水平的要求，减少主要设备的地运行，又降低对各种输变电设备绝缘水平的要求，减少主要设备的投资费用，已日益得到重视，这就是绝缘配合问题。投资费用，已日益得到重视，这就是绝缘配合问题。 所谓所谓绝缘配合绝缘配合就是根据设备在系统中可能承受的各种电压（工作电压就是根据设备在系统中可能承受的各种电压（工作电压及过电压），并考虑限压装置的特性和设备的绝缘特性来确定必要的及过电压），并考虑限压装置的特性和设备的绝缘特性来确定必要的耐受强度（绝缘水平），以便把作用于设备上的各种电压所引起的绝耐受强度（绝缘水平），以便把
15、作用于设备上的各种电压所引起的绝缘损坏和影响连续运行的概率，降低到在经济和运行上能接受的水平。缘损坏和影响连续运行的概率，降低到在经济和运行上能接受的水平。 所谓电气设备的所谓电气设备的绝缘水平绝缘水平是用设备可以承受（不发生闪络、放电或其是用设备可以承受（不发生闪络、放电或其他损坏）的试验电压值（耐受电压）表示的。分他损坏）的试验电压值（耐受电压）表示的。分:全波基本冲击绝缘全波基本冲击绝缘水平水平(对应于雷电冲击试验）、基本操作冲击绝缘水平（对应于操作对应于雷电冲击试验）、基本操作冲击绝缘水平（对应于操作冲击试验）以及工频绝缘水平冲击试验）以及工频绝缘水平(对应于短时（对应于短时（lmin
16、）工频试验以及特）工频试验以及特殊情况下的长时间工频试验殊情况下的长时间工频试验)。8.7.2 绝缘配合的基本方法绝缘配合的基本方法 1惯用法惯用法这种方法是按作用于绝缘上的最大过电压和最小绝缘强度的概念来配合的，即首先确定设备上可能出现的最危险的过电压；然后根据经验乘上一个考虑各种因素的影响和一定裕度的系数，从而决定绝缘应耐受的电压水平。 确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平（雷电冲击保护水平和操作冲击保护水平），因而需将设备的绝缘水平与避雷器的保护水平进行配合。雷电或操作冲击电压对绝缘的作用，在某种程度上可以用工频耐压试验来等价。 2统计法统计法统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐电强
17、度都是随机变量的实际情况，在已知过电压幅值和绝缘闪络电压的概率分布后，用计算的方法求出绝缘闪络的概率和线路的跳闸率，在进行了技术经济比较的基础上，正确地确定绝缘水平。这种方法不只定量地给出设计的安全程度，并能按照使设备费、每年的运行费以及每年的事故损失费的总和为最小的原则，确定一个输电系统的最佳绝缘设计方案。故障率 :增加绝缘强度，即曲线P(u)向右方移动，绝缘故障概率将减小，但投资成本将增加。对330kV及以上系统，设备的绝缘强度在操作过电压下的分散性很大，降低绝缘水平具有显著的经济效益。因而国际上自20世纪70年代以来，相继推荐采用统计法对设备的自恢复绝缘进行绝缘配合 .8.8 输电线路和
18、变电所的绝缘配合输电线路和变电所的绝缘配合 8.8.l 绝缘子串的选择绝缘子串的选择根据我国的运行经验，工作电压一般是确定绝缘子个数的决定条件。通常按工作电压所要求的泄漏距离确定线路绝缘子串每串的绝缘子片数（根据机械负载先选定绝缘子的型式），再按内、外过电压的要求进行验算。1按工作电压要求按工作电压要求2按操作过电压要求按操作过电压要求绝缘子串在操作过电压作用下也应不发生湿闪。n片XP17（或X4.5）型悬式型绝缘子的工频湿闪电压幅值UW经验公式 : UW=60n14 （811） 考虑工频湿闪电压 ：UW=1.1K0U （812） 再考虑到零值绝缘子片数，就可得到操作达电压所要求的绝缘子片数为
19、 n2=n2十n0 （813） 3按雷电过电压的要求按雷电过电压的要求按上面所得的n1和n2中较大的值，还需用雷电过电压进行复核。1线路上的空气间隙线路上的空气间隙 （1）导线对大地主要考虑的是穿越导线下面的最高物体与导线间的安全距离，在超高压下，还应考虑地面物体的静电感应问题。（2）导线对导线主要考虑导线弧垂的最低点在风力作用下。当导线发生摇摆时的最小间隙应能耐受工作电压。（3）导线对避雷线以雷击避雷线档距中央不引起对导线的空气间隙击穿的原则来确定。 （4）导线对杆塔和横担主要考虑的是线路上的空气间隙的问题。为了使绝缘子串和空气间隙的绝缘能力都能得到充分的发挥，显然应使气隙的击穿电压与绝缘子
20、串的闪络电压大致相等。 在具体实施时，应考虑导线受风力而使绝缘子串倾斜摇摆的不利因素计算其风偏角。2塔头上空气间隙的确定过程塔头上空气间隙的确定过程 （1）按工作电压选定绝缘子串风偏后的间隙S0时，应保证在工作电压下不发生闪络，即 ：U50=K1Uph （2）接操作过电压选定绝缘子串风偏后的间隙SS时，应保证其在操作过电压下不发生闪络。 U50 =K2 US= K2K0Uphm （3）按雷电过电压选定绝缘子串风偏后的间隙SL时，应使其冲击强度与非污秽地区绝缘子串的冲击放电强度相适应。 UCFD50=0.85 UCFD （816） 可求得绝缘子串在垂直位置时对杆塔的水平距离：三个距杆塔的水平距离
21、中的最大值即为最终选定的空气间隙。 8.8.3 变电站电气设备绝缘水平的确定变电站电气设备绝缘水平的确定 所谓某一电压等级电气设备的绝缘水平，就是指该设备可以承受（不发生闪络、击穿或其他损坏）的试验电压标准 1雷电过电压下的绝缘配合雷电过电压下的绝缘配合 电气设备在雷电过电压下的绝缘水平通常用它们的基本冲击绝缘水平（BIL）来表示，它可由下式计算 BIL=KIU p(L) （818）2操作过电压下的绝缘配合操作过电压下的绝缘配合 按内部过电压作绝缘配合实际上就是操作过电压下的绝缘配合。对220kV及以下的电网，变电站内的阀型或ZnO避雷器只用来保护雷电过电压而不保护操作过电压。对这一类变电站中
22、的电气设备而言，其操作冲击绝缘水平（BIL）可按下式求得 SIL=KSK0U （820）对 330kV及以上电网，变电站内的阀型或 ZnO避雷器同时用来保护雷电过电压和操作过电压，此时的最大操作过电压取决于避雷器的保护水平。对于这一类变电站内的电气设备，其操作冲击绝缘水平应按下式计算 SIL=KSU P（S） （821）3工频绝缘水平的确定工频绝缘水平的确定 对 220kV及以下电压等级的设备，往往采用比较简便的短时（lmin）工频耐压试验等效地代替雷电冲击与操作冲击试验。对300kV及以上的电气设备，绝缘在雷电波下的性能用雷电冲击耐压试验来检验。 4长时间工频高压试验长时间工频高压试验 8.
23、9 中性点接地方式对绝缘水平的影响中性点接地方式对绝缘水平的影响 中性点接地方式直接影响到设备绝缘水平的确定、系统运行的可靠性、保护设备的工作条件和对通信线路的干扰等。 8.9.1 中性点接地的优点中性点接地的优点 l最大长期工作电压（相对地所承受的电压）为相电压。2大气过电压低 。3内部过电压低 。8.9.2 中性点直接接地的缺点中性点直接接地的缺点1可靠性降低。 2感应过电压大 。3产生大的电动力 。8.10 电气设备试验电压的确定电气设备试验电压的确定电力设备在制造过程中的检测主要分为型式试验、例行试验和出厂试验；电力设备在运行前和运行中的检测主要有交流试验、预防性试验和在线监测。通过试
24、验，掌握电气设备绝缘的情况，可保证产品质量或及早发现缺陷，从而进行相应的维护与检修，以保证设备的正常运行。 电气设备的预防性试验是判断设备能否继续投入运行，预防设备损坏及保证安全运行的重要措施。 凡电力系统的设备，应根据规程的要求进行预防性试验。电气设备预防性试验规程对电气设备试验电压作出了相关的规定： （1）当采用额定电压较高的电气设备以加强绝缘者，应按照设备的额定电压标准进行试验。 （2）采用额定电压较高的电气设备，在已满足产品通用性的要求时，应按照设备实际使用的额定工作电压的标准进行试验。 （3）采用较高电压等级的电气设备，在已满足高海拔地区或污秽地区要求时，应在安装地点按照实际使用的额定工作电压的标准进行试验。
