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1、操作过电压操作过电压1.1. 电力系统操作过电压电力系统操作过电压n n操作过电压发生在由于操作过电压发生在由于“操作操作”引起的过渡过程引起的过渡过程 系系统统的的运运行行状状况况发发生生突突然然变变化化，导导致致系系统统内内部部电电感感元元件件和和电电容容元元件件之之间间电电磁磁能能量量的的互互相相转转换换，转转换常常是强阻尼的、振荡性的过渡过程换常常是强阻尼的、振荡性的过渡过程n n操作：操作：uu分、合闸空载线路分、合闸空载线路uu分、合闸空载变压器、电抗器分、合闸空载变压器、电抗器uu各类故障，例如接地故障、断线故障等各类故障，例如接地故障、断线故障等1.11.1 操作过电压的特点操
2、作过电压的特点uu与工频电压升高和谐振过电压相比：与工频电压升高和谐振过电压相比：uu过电压幅值高过电压幅值高uu强阻尼、高振荡性强阻尼、高振荡性uu持续时间短持续时间短uu由由于于操操作作过过电电压压的的能能量量来来源源于于系系统统本本身身，故故其其幅幅值值与与额额定定电电压压大大致致有有一一定定倍倍数数关关系系，通通常常以以系系统统最最高高运运行行相相电电压压的的幅幅值值U Uphmphm作作为为基基值值来来计计算过电压倍数算过电压倍数K Kn nn n操操作作过过电电压压的的幅幅值值，持持续续时时间间与与电电网网结结构构参参数数，断断路路器器性性能能，系系统统接接线线，操操作作类类型型等
3、等因因素素有有关关，其其中中很很多多因因素素具具有有随随机机性性，因因此此过过电压幅值持续时间也电压幅值持续时间也具有统计性具有统计性1.21.2 操作过电压的特点操作过电压的特点1.31.3 操作过电压的类型操作过电压的类型uu空载线路分闸过电压（开断电容性负载，还包括空载线路分闸过电压（开断电容性负载，还包括电容器组等）电容器组等）uu空载线路合闸过电压（包括计划性、重合闸）空载线路合闸过电压（包括计划性、重合闸）uu空载变压器分闸过电压（开断电感性负载，还包空载变压器分闸过电压（开断电感性负载，还包括电抗器、高压电动机等）括电抗器、高压电动机等）uu间歇电弧接地过电压间歇电弧接地过电压u
4、u解列过电压解列过电压1.41.4 决定电力系统绝缘水平的依据之一决定电力系统绝缘水平的依据之一 uu对对于于电电压压等等级级低低一一些些的的系系统统，操操作作过过电电压压虽虽不不是是决决定定绝绝缘缘水水平平的的因因素素，但但常常因因间间隙隙电电弧弧过过电电压压等等引引起起事故事故uu随随着着系系统统电电压压的的提提高高，操操作作过过电电压压的的问问题题就就突突出出出出来来，若若不不采采取取限限压压措措施施，将将导导致致设设备备绝绝缘缘费费用用的的迅迅速速增增加加，因因此此330kV330kV及及以以上上超超高高压压、特特高高压压系系统统操操作过电压及其限制措施的研究就非常重要作过电压及其限制
5、措施的研究就非常重要1.51.5 规程规定选择绝缘时规程规定选择绝缘时计算用操作过电压倍数计算用操作过电压倍数uu相对地绝缘相对地绝缘系统系统 过电压倍数过电压倍数 3535 60kV60kV及以下系统（非直接接地）及以下系统（非直接接地）4.04.0110154kV110154kV系统（非直接接地）系统（非直接接地）3.53.5110220kV110220kV系统（直接接地）系统（直接接地）3.03.0330kV330kV系统（直接接地）系统（直接接地）2.752.75500kV500kV系统（直接接地）系统（直接接地）2.02.0或或2.22.2 1.5 1.5 规程规定选择绝缘时规程规定
6、选择绝缘时计算用操作过电压倍数计算用操作过电压倍数n n相间绝缘相间绝缘uu35220kV35220kV的的相相间间操操作作过过电电压压可可取取相相对对地地的的1.31.41.31.4倍倍uu330kV330kV的的 相相 间间 操操 作作 过过 电电 压压 可可 取取 相相 对对 地地 的的1.41.451.41.45倍倍uu500kV500kV的相间操作过电压可取相对地的的相间操作过电压可取相对地的1.51.5倍倍1.6 1.6 限制操作过电压措施限制操作过电压措施uu线路上装设并联电抗器，限制工频电压升高线路上装设并联电抗器，限制工频电压升高uu改进断路器性能，采用带有并联电阻的断路器改
7、进断路器性能，采用带有并联电阻的断路器uu采用氧化锌避雷器限制过电压采用氧化锌避雷器限制过电压1.7 1.7 研究操作过电压方法研究操作过电压方法 uu理论分析和数值计算理论分析和数值计算uu模模拟拟试试验验、现现场场测测试试、运运行行纪纪录录，暂暂态态网网络络分分析析仪仪（TNATNA）、数数字字模模拟拟混混合合实实时时仿仿真真系系统统以以及及先先进进的的仪器仪表仪器仪表uu本本课课程程主主要要介介绍绍几几种种典典型型的的操操作作过过电电压压形形成成的的原原理理，影响因素及主要防护措施影响因素及主要防护措施 2.2. 合闸空载线路的过电压合闸空载线路的过电压uu正常合闸:零初始条件uu自动重
8、合闸: 非零初始条件uu在超高压、特高压系统中，是决定电网绝缘水平的重要因素2.12.1 产生合闸过电压的物理过程产生合闸过电压的物理过程 2.22.2 产生合闸过电压的物理过程产生合闸过电压的物理过程 n正常合闸 采用集中参数的采用集中参数的 型等值电路进行计算分析型等值电路进行计算分析单相集中参数等值电路单相简化电路如忽略回路电阻，如忽略回路电阻， = = 0 0，设设 ，则，则稳态分量最大值稳态分量最大值 U Ucmcm，反映空载线路的电容效应，反映空载线路的电容效应0 / 在1.53的范围内 n 正常合闸时电路方程的解n n可能出现的最大过电压值可能出现的最大过电压值正常合闸 ， n过
9、电压倍数 为工频电压升高系数， 为操作冲击系数2.32.3 合闸过电压倍数合闸过电压倍数 n n发发生生单单相相接接地地故故障障，DL2DL2三三相相跳跳闸闸，线线路路成成为为带带接接地地故故障障的的空空载载线线路路，DL1DL1三三相相跳跳闸闸后后，健健全全相相分分别别在在电电容容电电流流过过零零时时熄熄弧弧，线线路路上上留留有有残残余余电电压，数值为压，数值为 n n约约0.50.5秒秒后后，DL1DL1自自动动重重合合闸闸，如如果果线线路路上上的的残残余余电电荷荷没没有有释释放放掉掉，且且健健全全相相中中有有一一相相的的电电源源电电势势达达最最大大、极极性性与与残残余余电电压压相相反反，
10、则则该该相相将将出出现现的的过电压幅值为过电压幅值为 2.42.4 自动重合闸自动重合闸自动重合闸过电压波形自动重合闸过电压波形影响因素 n n合闸相位（随机）合闸相位（随机） 正常合闸，正常合闸， ， ，时最严重，时最严重 合合闸闸速速度度愈愈低低的的断断路路器器愈愈容容易易发发生生较较大大断断口口电电压压下下的的预预击击穿穿（如如油油断断路路器器）， 0 0 多多处处在在最最大大值值附附近近 ，幅值（反相）合闸几率较高，过电压高，幅值（反相）合闸几率较高，过电压高合合闸闸速速度度较较高高时时，预预击击穿穿可可在在任任何何相相位位下下发发生生（如如空空气气断断路路器器），产产生生高高幅幅值值
11、过过电电压压的的概概率率就就小一些小一些 采采用用选选相相合合闸闸，使使断断路路器器在在两两触触头头电电位位极极性性相相同同或电位差接近于零时完成合闸操作或电位差接近于零时完成合闸操作2.5 限制措施 n n合合理理装装设设并并联联电电抗抗器器，降降低低因因线线路路电电容容效效应应等等引引起的工频电压的升高起的工频电压的升高 n n采用单相自动重合闸，避免线路残压的影响采用单相自动重合闸，避免线路残压的影响 故故障障相相被被切切除除后后，线线路路上上没没有有残残余余电电荷荷，而而且且系系统统零零序序回回路路的的阻阻尼尼作作用用大大于于正正序序回回路路，甚甚至至会会使使单相重合闸过电压低于正常合
12、闸过电压单相重合闸过电压低于正常合闸过电压n n断路器带并联合闸电阻断路器带并联合闸电阻 辅助触头B2先接通，并联电阻R串入回路，经过12个工频周期后，主触头B1闭合，并联电阻短接，完成了合闸过程 合闸过程的等值电路2.5 限制措施 n利用避雷器限制合闸 避避雷雷器器动动作作后后有有工工频频电电源源的的作作用用，对对避避雷雷器器的的通流容量要求较高通流容量要求较高 3.3. 切除空载线路过电压切除空载线路过电压 uu原因：断路器分闸过程中的重燃现象uu切除空载线路，断路器切除的是较小的容性电流（几十几百安），比短路电流小得多uu取决于触头间恢复电压上升速度与介质强度恢复速度3.1 3.1 开断
13、空载线路等值电路L L1 1：电源等值漏感：电源等值漏感L L2 2： 线路电感线路电感C C1 1： 母线侧对地电容母线侧对地电容C C2 2： 线路电容线路电容e(t)e(t)：电源电势：电源电势 e(t)=Ee(t)=Emmcos(cos( t+t+ 0 0) )uu断断路路器器的的工工频频电电流流（容容性性电电流流），过过零零电电弧弧熄熄灭灭，此此时时电电容容C C上上的的电电压压为为最最大大值值 ，不不考考虑虑线线路上残余电荷泄漏，断路器触头间恢复电压路上残余电荷泄漏，断路器触头间恢复电压Ur(t)Ur(t)为为 uu经经过过半半个个周周期期，恢恢复复电电压压达达2E2Emm，此此时
14、时，如如果果断断路路器器断断口口处处介介质质强强度度恢恢复复很很快快，电电弧弧从从此此弧弧灭灭，分分闸闸过程结束，不会产生过电压，否则可能重燃过程结束，不会产生过电压，否则可能重燃 断路器触头间恢复电压3.2 3.2 切空线过电压发展过程切空线过电压发展过程t1 第一次熄弧，t2 第一次重燃，t3 第二次熄弧T4 第二次重燃，t5 第三次熄弧每每隔隔半半个个工工频频周周期期就就重重燃燃一一次次和和熄熄弧弧一一次次，过过电电压压将将按按7E7Emm，- -9 9 E Emm . . 逐逐次次增增加加，直直到到触触头头间已有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止间已有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止 发
15、生了两次重燃，最大过电压倍数为2.72 少油断路器切切除220kV 330km长线路时的实测波形 3.2 3.2 切空线过电压发展过程切空线过电压发展过程3.3 3.3 影响因素影响因素 n n断路器的性能断路器的性能 自自能能式式断断路路器器（如如多多油油断断路路器器和和老老式式的的少少油油断断路路器器）开开断断小小电电流流时时，灭灭弧弧室室压压力力低低，熄熄弧弧后后介介质质强强度度恢恢复复慢慢，易易发发生生多多次次重重燃燃（6 67 7次次），恢恢复复电电压压低低时时重重燃燃过过电电压压低低，但但重重燃燃次数多增加了高幅值过电压出现的可能性次数多增加了高幅值过电压出现的可能性 n断路器触头
16、重燃、熄弧具有明显的随机性uu分分闸闸时时，不不一一定定每每次次都都重重燃燃，即即使使重重燃燃也也不不一一定定在在电电源源到到达达最最大大值值并并与与线线路路残残压压极极性性相相反反时时发发生生。如如果果重重燃燃提提前前发发生生，振振荡荡振振幅幅和和相相应应的的过过电电压压随随之之降降低低，当当重重燃燃在在断断弧弧后后的的1/41/4工工频频周周期期内内产产生生，则则不不会会引起过电压引起过电压 uu熄熄弧弧不不一一定定在在高高频频电电流流第第一一次次过过零零时时发发生生，在在第第二二次次或或更更后后的的时时间间才才被被切切断断，线线路路上上残残余余电电压压大大大大降降低低，断断路路器器触触头
17、头间间的的恢恢复复电电压压和和重重燃燃过过电电压压都都大大大大减小减小 n电网接线方式 uu线线路路侧侧装装电电磁磁式式PTPT时时，断断路路器器灭灭弧弧后后，线线路路残残余余电电荷荷经经PTPT阻阻尼尼振振荡荡释释放放，其其直直流流电电阻阻约约3 3 1515k k，几几个个工工频频周周期期内内残残余余电电荷荷释释放放掉掉，降降低低了了重重燃燃过过电压，甚至可避免重燃电压，甚至可避免重燃uu线路的电晕损失，同样是降低过电压的有利因素线路的电晕损失，同样是降低过电压的有利因素uu母母线线上上有有其其他他出出线线或或大大电电容容时时使使过过电电压压降降低低，相相当当于于图图中中C C1 1值值增
18、增大大，重重燃燃时时电电荷荷分分配配，降降低低空空载载线线路路的的初初始始电电压压 ，另另外外，出出线线的的有有功功负负荷荷，增增强强了阻尼效应，降低重燃过电压了阻尼效应，降低重燃过电压无电磁式电压互感器 有电磁式电压互感器312220kV切空线过电压倍数K的统计曲线3.5 3.5 限制措施限制措施 n改进断路器结构 uu切切电电容容负负载载时时产产生生过过电电压压的的根根本本原原因因是是断断路路器器的的重重燃燃，改改进进断断路路器器结结构构，提提高高触触头头间间介介质质强强度度的的恢恢复复速速度度，避避免免重重燃燃，可可从从根根本本上上消除这种过电压消除这种过电压uu采采用用外外能能式式方方
19、法法灭灭弧弧（采采用用SF6SF6，压压缩缩空空气气，带带压压油油活活塞塞的的少少油油断断路路器器），切切除除空空载载线线时时可可做做到到不不重重燃燃，老老式式的的少少油油断断路路器器或或多多油油断断路器还存在重燃路器还存在重燃 n n采用并联电抗器 降降低低重重燃燃后后的的工工频频稳稳态态分分量量，并并使使断断弧弧后后线线路路上上残残压压不不再再是是直直流流电电压压，而而是是交交流流衰衰减减正正弦弦电电压压 ，恢复电压上升速度大为降低恢复电压上升速度大为降低 , ,可避免电弧重燃可避免电弧重燃 3.5 3.5 限制措施限制措施uu先先断断主主触触头头DL1DL1，将将R R串串入入回回路路：
20、一一是是泄泄放放残残余余电电荷，二是降低触头间电压，此过程希望荷，二是降低触头间电压，此过程希望R R值小值小uu经经1.51.52 2周周波波，再再断断开开辅辅助助触触头头DL2DL2，此此过过程程希希望望R R大，电容上分压小，恢复电压小，不易重燃大，电容上分压小，恢复电压小，不易重燃 n装分闸并联电阻 3.5 3.5 限制措施限制措施n n氧化锌避雷器作为后备保护氧化锌避雷器作为后备保护 4. 4. 切除电感性负荷过电压切除电感性负荷过电压 uu切切除除空空载载变变压压器器、消消弧弧线线圈圈、并并联联电电抗抗器器、电电动动机机等等电电感感性性负负荷荷是是常常见见的的操操作作，产产生生过过
21、电电压压的的原原因因是是分分断断感感性性小小电电流流时时，发发生生截截流流现现象象。由由于于截截流流流流在在电电感感中中的的磁磁场场能能量量转转化为电容上的电场能量，从而产生过电压化为电容上的电场能量，从而产生过电压uu超超高高压压系系统统中中的的断断路路器器采采用用外外能能式式方方法法灭灭弧弧，且且灭灭弧弧能能力力是是按按切切断断短短路路电电流流来来设设计计的的，分分断断这这样样的的电电流流时时，电电弧弧被被迅迅速速拉拉长长，弧弧阻阻剧剧增增，发发生生不不稳稳定定现现象象，在在工工频频电电流流过过零零前前发发生生强强制制熄熄弧弧，有有时时甚甚至至在在电电流流的的最最大大值值时时电电流流突突然
22、然截截断，称为截流断，称为截流uu以切除空载变压器为例分析以切除空载变压器为例分析 4.1 过电压产生原理过电压产生原理 过电压产生原理过电压产生原理 LS：电源等值电感CS：电源对地杂散电容LK：母线至变压器联系电感L：空载变压器的励磁电感C：变压器绕组及引线等值 电容，几十几千PF DL：断路器简化等值电路 电电流流截截流流时时，激激磁磁电电流流为为I I0 0，对对地地电电容容上上的的电电压压为为U U0 0，因因电电感感中中的的电电流流不不能能突突变变，向向C C充充电电，当当全全部部磁磁场场能能量量都都转转到到电电容容的的电电场场中中时时，由由于于C C值值小，电容电压很高小，电容电
23、压很高 5. 间歇电弧接地过电压间歇电弧接地过电压 中中性性点点不不接接地地电电网网中中，10kV10kV电电网网，l l 1000km1000km，I Ijdjd 30A30A；35kV35kV电电网网， l l 100km100km， I Ijdjd 10A10A，接接地地电电弧弧在在几几秒秒至至几几十十秒秒内内自自熄熄，继继续续增增大大，电电弧弧不不能能自自熄熄，且且不不形形成成稳稳定定电电弧弧（几几百百安安），此此时时出出现现时时燃燃时时灭灭的的不不稳稳定定状状态态，产产生生间间歇歇性性电电弧弧接接地地过电压过电压5.1 间歇性电弧的产生 产生过电压的机理 n nIjd 有两个分量：工
24、频电流（强制）分量和高频电流（自由）分量n n通常认为，油中电弧可能在过渡过程中高频过零熄弧，空气中的开放电弧大多在工频电流过零时熄弧，前者称为高频熄弧理论，过电压值较高，后者称为工频熄弧理论，过电压值较低n n采用工频熄弧理论分析间歇性电弧接地过电压的形成过程5.2 5.2 间歇电弧接地过电压的发展间歇电弧接地过电压的发展 电荷重新分配n短路故障前后的电压值不同引起的振荡n振荡幅值=2稳态值-初始值5.3 影响因数 n发生电弧部位的介质（空气、油、固体介质）、外界气象条件（风、雨、湿度、温度 )，这些随机因数，直接影响过电压的发展过程，过电压数值具有统计性影响因数n回路损耗 电源内阻抗，线路
25、阻抗中的电阻损耗，电弧本身的弧阻损耗，使高频振荡很快衰减，过电压降低 5.4 限制措施限制措施n中性点直接接地n中性点采用消弧线圈5.5 5.5 消弧线圈的应用消弧线圈的应用 n n中性点不接地的360kV电网中，在单相接地 电 流 超 过 30A（ 310kV电 网 ） 或 者10A（35kV及以上电网），需要在电网中性点和地之间接入消弧线圈n n作用：减小单相接地电流，缓减接地故障点恢复电压的上升速度，从而增大接地故障点自熄的概率，以防止发展成相间短路或烧伤导线适当选择电感适当选择电感 L L的数值，的数值，I Ijd jd 将减小到零将减小到零 物理意义：接地的电容电流分量完全被消弧线圈
26、的电感电流补偿，接地电弧消灭，这是完全协调的情况。实际中，用补偿度 k 和脱谐度 来描述消弧线圈的补偿程度消弧线圈的作用消弧线圈的作用 补偿度K和脱谐度 n n补偿度补偿度k kn n脱谐度脱谐度 n 当 k1、0，即ILIC时， 为过补偿状态n 当k1、0 ，即ILIC时， 为欠补偿运行状态n 当k=1、=0，即IL=IC时， 为全补偿运行状态n中性点位移电位中性点位移电位n n 为为中中性性点点不不接接地地（无无消消弧弧线线圈圈）电电网网，因因三三相相对对地地电电容容不不等等而而引引起起的的电电网网中中性性点点位位移移电电位，称电网不对称电压位，称电网不对称电压n nU U0 0 的的大大
27、小小主主要要决决定定于于K KC C及及 ，以以K KC C=1.5%=1.5%为为例例，无无消消弧弧线线圈圈，U Ubdbd=0.015=0.015E EA A，接接消消弧弧线线圈圈，若若 =3%=3%，则则U U0 0=0.5=0.5E EA A，中中性性点点电电位位移移电电压压增增大大3333倍倍。若若 =0=0，电电网网处处于于谐谐振振状状态态，但但电电网网存存在在损损耗耗电电阻阻，所所以以U U0 0不趋于无穷大不趋于无穷大 消弧线圈的调谐n n调谐原则uu在在正正常常情情况况下下，中中性性点点长长时时间间位位移移电电位位不不超超过过额额定定相相电电压的压的15%15%uu310kV310kV和和20kV20kV及及以以上上电电网网，故故障障点点残残余余电电流流不不宜宜超超过过10A10A和和5A5A。对对于于与与发发电电机机有有电电气气连连接接的的310kV310kV电电网网，若若要要求求发发电电机机在在发发生生内内部部单单相相接接地地故故障障时时运运行行，补补偿偿后后的的残余电流应小于残余电流应小于3A3Auu应应采采用用过过补补偿偿运运行行方方式式。当当消消弧弧线线圈圈容容量量不不足足时时，允允许许在在一一定定期期限限内内以以欠欠补补偿偿方方式式运运行行，但但脱脱谐谐度度不不宜宜大大于于10%10%
