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1、第二篇第二篇电力系统过电压及其防护电力系统过电压及其防护第六章第六章 电力系统内部过电压电力系统内部过电压电力系统内部过电压电力系统内部过电压 在在电电力力系系统统中中，由由于于断断路路器器操操作作、故故障障或或其其他他原原因因，使使系系统统参参数数发发生生变变化化，引引起起系系统统内内部部电电磁磁能能量量的的振振荡荡转转化化或或传传递递从从而而造造成成的的电电压压升高，称为电力系统的升高，称为电力系统的内部过电压内部过电压。 内内部部过过电电压压的的产产生生根根源源在在电电力力系系统统内内部部，其大小由其大小由系统参数系统参数决定。决定。系统参数的变化原因是多种多样的，因系统参数的变化原因是
2、多种多样的，因此内部过电压的此内部过电压的幅值幅值、振荡频率振荡频率以及以及持持续时间续时间不尽相同，通常按产生原因的不不尽相同，通常按产生原因的不同可分为：同可分为：内部过电压内部过电压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引起的工频电压升高电力系统内部过电压电力系统内部过电压暂态过电压是一种在一定位置上的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
3、系统内部过电压电力系统内部过电压工工频频电电压压升升高高，虽虽然然其其幅幅值值不不大大，一一般般来来说说，对对正正常常绝绝缘缘的的电电气气设设备备没没有有威威胁胁。但但工工频频电电压压的的升升高高常常伴伴随随操作过电压，其大小直接影响操作过电压的幅值。操作过电压，其大小直接影响操作过电压的幅值。谐谐振振过过电电压压是是在在系系统统进进行行操操作作或或发发生生故故障障时时系系统统中中的的电电感感和和电电容容元元件件可可能能形形成成各各种种不不同同的的振振荡荡回回路路，在在一一定定的的能能源源作作用用下下，产产生生振振荡荡现现象象，引引起起谐谐振振过过电电压压。其持续时间较长。其持续时间较长。操操
4、作作过过电电压压指指由由于于“操操作作”( (包包括括断断路路器器的的正正常常操操作作也也包包括括各各类类故故障障) )导导致致 “电电网网参参数数的的突突变变”引引起起的的过过渡渡过过程程中中而而产产生生的的过过电电压压，这这一一类类过过电电压压的的幅幅值值较较大大，存在高频振荡、强阻尼、持续时间短。存在高频振荡、强阻尼、持续时间短。分分析析内内部部的的过过电电压压的的发发展展过过程程，可可以以采采用用分分布布参参数数等等值值电电路路及及行行波波理理论论，也也可可采采用用集集中中参参数数等等值值电电路路的的暂暂态过程计算方法。态过程计算方法。内内部部过过电电压压的的能能量量来来自自电电网网本
5、本身身，它它的的幅幅值值大大小小与与电电网网的的工工作作电电压压有有一一定定的的比比例例关关系系，用用工工作作电电压压的的倍倍数数(过过电电压压倍倍数数)来来表表示示。其其基基准准值值通通常常取取电电网网的的最最大大工工作作相相电电压压幅幅值值Uph.m。(雷雷电电过过电电压压用用幅幅值值绝绝对对值来表示值来表示)。Un系统最高运行线电压有效值，系统最高运行线电压有效值，kV 电力系统内部过电压电力系统内部过电压第六章第六章 电力系统内部过电压电力系统内部过电压6.1 电力系统操作过电压电力系统操作过电压6.2 谐振过电压谐振过电压6.1 电力系统操作过电压电力系统操作过电压 电电力力系系统统
6、中中的的电电容容、电电感感元元件件均均为为储储能能元元件件。当当系系统统正正常常操操作作或或故故障障使使其其工工作作状状态态发发生生变变化化时时，将将产产生生电电磁磁能能量量振振荡荡的的过过渡渡过过程程。在在设设备备上上将将会会产产生生数数倍倍于于电电源源电电压压的的过过渡渡过过程程过过电电压压。它它是是高高频频振振荡荡、强强阻阻尼尼、在在几几毫毫秒至几十毫秒秒至几十毫秒后衰减消失的过电压。后衰减消失的过电压。可采用限压保护装置和其他技术措施来加以限可采用限压保护装置和其他技术措施来加以限制。制。电力系统常见操作过电压种类电力系统常见操作过电压种类一、切除空载线路过电压一、切除空载线路过电压(
7、中性点直接接地系统中性点直接接地系统)二、合空载线路过电压二、合空载线路过电压(中性点直接接地系统中性点直接接地系统)三、切除空载变压器过电压三、切除空载变压器过电压(中性点直接接地系统中性点直接接地系统)四、电弧接地过电压四、电弧接地过电压(中性点不直接接地系统中性点不直接接地系统)五、解列过电压五、解列过电压(中性点直接接地系统中性点直接接地系统)在不同电压等级中起主导作用的操作过电压类型：在不同电压等级中起主导作用的操作过电压类型：610kV，3560kV：电弧接地过电压电弧接地过电压110220kV：切空载变压器，切除空载线路过电压切空载变压器，切除空载线路过电压330500kV：合空
8、载线路过电压合空载线路过电压切切除除空空载载线线路路是是电电力力系系统统中中常常见见的的操操作作之之一一。产产生生过电压的原因是过电压的原因是断路器断路器分闸过程中的分闸过程中的重燃现象。重燃现象。切切除除空空载载线线路路时时引引起起的的操操作作过过电电压压幅幅值值大大、持持续续时时间长。间长。6.1.1 切除空载线路过电压切除空载线路过电压发展过程发展过程 影响因素和限制过电压大小的措施影响因素和限制过电压大小的措施 切除空载线路等值电路切除空载线路等值电路 容容性性电电流流，通通常常为为几几十十到到几几百百安安，比比短短路路电电流流小小得得多。多。此时断路器切断此时断路器切断的是较小的电容
9、的是较小的电容电流电流空载线路分闸过电压的产生过程空载线路分闸过电压的产生过程工频电弧电流过零时熄弧电弧重燃电弧熄弧电弧重燃电弧熄弧t=t1时，开关时，开关K发生第一次发生第一次熄弧熄弧t=t2时，开关时，开关K发生第一次发生第一次重燃重燃t=t3时，开关时，开关K发生第二次发生第二次熄弧熄弧t=t4时，开关时，开关K发生第二次发生第二次重燃重燃UC = +EmUCmax1 = -3EmUCmax1 = -3EmUCmax2 = +5EmUmax U稳态稳态 (U稳态稳态U起始起始) 2 U稳态稳态U起始起始线路最高暂态幅值：线路最高暂态幅值：过电压产生的根本原因过电压产生的根本原因过电压产生
10、的根本原因过电压产生的根本原因：断路器的电弧重燃断路器的电弧重燃 断路器的灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值断路器的灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值越高。越高。限制过电压的措施限制过电压的措施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；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；（在断路器中加装并联分闸电阻；（作用：作用：降低断路器触头间的恢降低断路器触头间的恢复电压和降低重燃后的过电压）复电压和降低重燃后的过电压）装设避雷器。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或磁吹避雷器安装在线路首端和末
11、端，能有效地限制这种过电压的幅值。电压的幅值。6.1.2 合闸空载线路过电压合闸空载线路过电压空空载载线线的的合合闸闸分分为为两两种种情情况况，即即正正常常合合闸闸和和自自动动重重合合闸闸。这这时时出出现现的的操操作作过过电电压压称称为为合合空空线线过过电电压压或或合合闸闸过过电电压压， 由由于于两两者者的的初初始始条条件件不不同同，重重合合闸闸过电压是合闸过电压中最严重的一种。过电压是合闸过电压中最严重的一种。合空载线路是电力系统中常见的一种操作。合空载线路是电力系统中常见的一种操作。1、计划性合闸过电压、计划性合闸过电压Umax U稳态稳态 (U稳态稳态U起始起始) 2 U稳态稳态U起始起
12、始空载线路空载线路 U起始起始0； Umax 2 U稳态稳态2Em0振荡回路的自振角频率振荡回路的自振角频率 A、B积分常数积分常数实实际际上上，回回路路存存在在电电阻阻与与能能量量损损耗耗，振振荡荡将将是是衰衰减减的的，通通常常以衰减系数以衰减系数来表示。来表示。过渡过程：分析表明分析表明：合闸过程是电源通过：合闸过程是电源通过L向向C充电的过程。充电的过程。Uc包括两个包括两个分量，即角频率与电源角频率相同的稳态分量（分量，即角频率与电源角频率相同的稳态分量（其幅值与系统其幅值与系统参数密切相关，实际上反应了空载线路的电容效应参数密切相关，实际上反应了空载线路的电容效应）和角频率）和角频率
13、为为 0 的自由分量。自由分量的角频率取决于系统参数。的自由分量。自由分量的角频率取决于系统参数。2、自动重合闸过电压、自动重合闸过电压正正常常合合闸闸的的情情况况，空空载载线线路路上上没没有有残残余余电电荷荷，初初始电压始电压 uc(0)=0 。运运行行中中的的线线路路发发生生故故障障，由由继继电电保保护护系系统统控控制制跳跳闸闸后后，经经过过一一短短暂暂时时间间后后再再合合闸闸自自动动重重合合闸闸操作。操作。如如果果是是自自动动重重合合闸闸的的情情况况，这这时时线线路路上上有有一一定定残残余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加激烈。余电荷和初始电压，重合闸时振荡将更加激烈。非短路相在非短路相
14、在Em或或Em峰值处熄弧峰值处熄弧(负载为空载线路负载为空载线路)重合闸在重合闸在0.5s后进行，当电源极性与线路残余电压相后进行，当电源极性与线路残余电压相反时，最大振荡电压为反时，最大振荡电压为3Em。影响过电压产生的主要因素影响过电压产生的主要因素：合合闸闸相相位位；如如果果合合闸闸不不是是在在电电源源电电压压接接近近幅幅值值时时发发生生，出现的合闸过电压自然就较低了。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：限制过电压的措施：在在断断路路器
15、器中中加加装装并并联联合合闸闸电电阻阻(对对自自由由分分量量起起阻阻尼尼作作用用降低过电压幅值）；降低过电压幅值）；采用同步合闸；采用同步合闸；消除和削弱线路残余电压消除和削弱线路残余电压(电磁式电压互感器电磁式电压互感器)装设避雷器。装设避雷器。空空载载变变压压器器在在正正常常运运行行时时表表现现为为一一激激磁磁电电感感。切切除除空空载载变变压压器器就就是是开开断断一一个个小小容容量量电电感感负负荷荷，会会在在变变压压器器和和断断路路器器上上出出现现很很高高的的过过电电压压。在在开开断断并并联联电电抗抗器器、消消弧弧线线圈圈等等电电感感元元件件时时，也也会引起类似的过电压会引起类似的过电压。
16、 6.1.3 切除空载变压器过电压切除空载变压器过电压过电压产生的原因过电压产生的原因截截流流现现象象：流流过过电电感感的的电电流流在在到到达达自自然然零零点点前前被被断断路路器器强强行行切切断断，使使得得储储存存在在电电感感中中的的磁磁场场能能量量被被强强迫迫转转化化为为电电场场能，导致电压的升高。能，导致电压的升高。切空变容易发生截流现象。切空变容易发生截流现象。切切断断100A以以上上的的交交流流电电流流时时，电电弧弧通通常常都都是是在在工工频频电电流流自自然然过过零零时时熄熄灭灭的的；但但当当被被切切断断的的电电流流较较小小时时（空空载载变变压压器器的的激激磁磁电电流流很很小小，一一般
17、般只只是是额额定定电电流流的的0.55，约约数数安安到到数数十十安安），电电弧弧提提前前熄熄灭灭，亦亦即即电电流流会会在在过过零零之之前前就就被强行切断。被强行切断。切除空载变压器等值电路及波形图切除空载变压器等值电路及波形图电源内电感变压器的激磁电感等值对地电容切除空载变压器的过电压分析切除空载变压器的过电压分析ZT: 变压器特征阻抗；变压器特征阻抗；振荡频率：振荡频率：m：磁场能转化：磁场能转化为电场能系数为电场能系数;影响因素影响因素：断断路路器器的的性性能能(灭灭弧弧能能力力越越强强，切切断断电电流流能能力越强，过电压越高力越强，过电压越高)；变变压压器器的的参参数数(电电感感越越大大
18、，电电容容越越小小，过过电电压越高压越高)。限制措施限制措施：变压器侧加装阀式避雷器。变压器侧加装阀式避雷器。电电弧弧接接地地过过电电压压主主要要发发生生在在中中性性点点不不接接地地的的电网中系统出现电网中系统出现单相接地故障单相接地故障时。时。接接地地点点产产生生接接地地电电弧弧，并并在在其其中中流流过过非非故故障障相相的的电电流流，这这种种电电容容电电流流在在610kV系系统统(30A)、3560kV系系统统(10A)中中难难以以自自行行熄熄灭灭。由由于于电电弧弧不不稳稳定定(间间歇歇性性电电弧弧)，引引起起系系统统强强烈烈的的电电磁磁振振荡荡过过程程，产产生生电电弧弧接接地地过过电电压。
19、压。6.1.4 间歇电弧接地过电压间歇电弧接地过电压1、发展过程、发展过程过过电电压压的的发发展展过过程程和和幅幅值值大大小小都都与与熄熄弧弧的的时时间间有有关关。存在存在两种熄弧时间两种熄弧时间：电弧在过渡过程中的高频振荡电流过零时即可熄灭电弧在过渡过程中的高频振荡电流过零时即可熄灭 电弧要等到工频电流过零时才能熄灭电弧要等到工频电流过零时才能熄灭 故障点电流与电弧的关系故障点电流与电弧的关系 接地电流与故障相电压角差为接地电流与故障相电压角差为90度，其大小与线路的对地电容与系统度，其大小与线路的对地电容与系统的额定电压成正比的额定电压成正比因为因为I2与与I3在相位上在相位上相差相差60
20、，所以故障，所以故障点的电流幅值点的电流幅值若若系系统统较较小小，线线路路不不长长，线线路路对对地地电电容容电电流流小小，流流过过故故障障点点的的电电流流也也小小，许许多多暂暂时时性性的的单单相相电电弧弧接接地地故故障障(如如雷雷击击等等)，故故障障过过后后电电弧弧可可以以自自动动熄熄灭。灭。随随着着系系统统的的发发展展和和电电压压等等级级的的提提高高，单单相相接接地地故故障电流成比例地增加。障电流成比例地增加。接接地地点点产产生生接接地地电电弧弧，并并在在其其中中流流过过非非故故障障相相的的电电流流，这这种种电电容容电电流流在在610kV系系统统(30A)、3560kV系系统统(10A)中中
21、难难以以自自行行熄熄灭灭。由由于于电电弧弧不不稳稳定定(间间歇歇性性电电弧弧)，引引起起系系统统强强烈烈的的电电磁磁振振荡荡过过程程，产生电弧接地过电压。，产生电弧接地过电压。工频电流过零时熄弧工频电流过零时熄弧故障相故障相健全相健全相第一次熄弧第一次熄弧注：实线为实际电压注：实线为实际电压 线电压线电压 相电压相电压电弧重燃电弧重燃t2时刻熄弧，三相导线电压对地偏移：时刻熄弧，三相导线电压对地偏移：熄弧后熄弧后t2 +作用在三相导线对地电容上作用在三相导线对地电容上的电压为此时三相电源电压叠加上此直的电压为此时三相电源电压叠加上此直流偏移电压。流偏移电压。-相电压幅值相电压幅值故障现象故障现
22、象故障时间故障时间U1U2U3U2maxU3max接地故障接地故障t1-Uxg-0.5 Uxg-0.5 Uxg-2.5 Uxg-2.5Uxgt1 +0-1.5 Uxg-1.5 Uxg第一次熄弧第一次熄弧t2 -01.5 Uxg1.5 Uxg1.5 Uxg（不会引起不会引起过渡过程过渡过程）1.5 Uxg（不会引起不会引起过渡过程过渡过程）t2 +01.5 Uxg1.5 Uxg电弧重燃电弧重燃t3 -2Uxg0.5 Uxg0.5 Uxg-3.5 Uxg-3.5 Uxgt3+0-1.5 Uxg-1.5 Uxg影响过电压的因素影响过电压的因素电弧熄灭与重燃的相位电弧熄灭与重燃的相位系统的相关参数系统
23、的相关参数相间电容、线路损耗相间电容、线路损耗中性点接地方式中性点接地方式消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（1）消弧线圈电流补偿线路容性电流消弧线圈电流补偿线路容性电流消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（消弧线圈及其对电弧接地过电压的限制作用（2）补偿度补偿度k= IL / IC脱谐度脱谐度=1-k欠补偿欠补偿IL 1/3Ck0全补偿全补偿IL = ICL = 1/3Ck=1, =0过补偿过补偿IL ICL 1, 0自振角频率自振角频率6.2 谐振过电压谐振过电压谐谐振振是是指指振振荡荡回回路路中中某某一一自自由由振振荡荡频频率率等等于于外外加
24、加强强迫迫频频率率的的一一种种稳稳态态或或准准稳稳态态现现象象。在在这这种种周周期期性性或或准准周周期期性性的的运运行行状状态态中中，发发生生谐谐振振的的谐波幅值会急剧上升谐波幅值会急剧上升。谐谐振振回回路路中中包包含含有有电电感感L、电电容容C和和电电阻阻R，通通常常认认为为系系统统中中的的C和和R(避避雷雷器器例例外外)是是线线性性元元件件，而而电电感感L有有三三种种不不同同的的特特性性：线线性性电电感感、非非线线性性电电感感和和周周期期性性变变化化电电感感，因因此此相相应应地地振振荡荡回回路就具有三种不同特点的谐振现象：路就具有三种不同特点的谐振现象：6.2 谐振过电压谐振过电压(一一)
25、 线性谐振过电压线性谐振过电压 电路中的电感电路中的电感L与电容与电容C、电阻电阻R一样，都是线性参数。限制这一样，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，应设法避开谐振条什以消除这种耗。在电力系统设计和运行时，应设法避开谐振条什以消除这种线性谐振过电压。线性谐振过电压。 (二二) 参数谐振过电压参数谐振过电压 系统中某些元件的电感会发生周期性变化。系统中某些元件的电感会发生周期性变化。 进行自激的校核，避开谐振点。进行自激的校核，避开谐振点。 (三三) 铁磁谐振铁磁谐振 当
26、电感元件带有铁心时。一般都会出现饱和现象，这时电感不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看电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件再是常数而是随看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。点。串联铁磁谐振等值回路串联铁磁谐振等值回路铁磁谐振过电压铁磁谐振过电压串联铁磁谐振回路的特性曲线串联铁磁谐振回路的特性曲线小小扰动判别法扰动判别法实际工作点：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稳定点稳定点且为谐振点且为谐振点回路呈容性回路呈容性回
27、路电流较大回路电流较大电感电容上出现较电感电容上出现较高过电压高过电压谐振点谐振点但不是稳定工作点但不是稳定工作点基波的铁磁谐振的特点：基波的铁磁谐振的特点： 产产生生串串联联铁铁磁磁谐谐振振的的必必要要条条件件是是：电电感感和和电电容容的的伏伏安安特特性性必须相交，铁磁谐振可在较大范围内产生；必须相交，铁磁谐振可在较大范围内产生；对对铁铁磁磁谐谐振振电电路路，在在同同一一电电源源电电势势作作用用下下，回回路路可可能能有有不不只一种稳定工作状态；只一种稳定工作状态；铁铁磁磁元元件件的的非非线线性性是是产产生生铁铁磁磁谐谐振振的的根根本本原原因因，但但其其饱饱和和特特性性本本身身又又限限制制了了
28、过过电电压压的的幅幅值值。此此外外，回回路路中中的的损损耗耗会会使使过过电电压压降降低低，当当回回路路电电阻阻值值大大到到一一定定数数值值时时，就就不不会会出出现强烈的的谐振现象。现强烈的的谐振现象。因此，因此，基波铁磁谐振过电压必要条件基波铁磁谐振过电压必要条件铁磁谐振过电压特点及限制措施铁磁谐振过电压特点及限制措施改改善善电电磁磁式式电电压压互互感感器器的的激激磁磁特特性性或或改改用用电电容容式式电电压压互互感器感器采用阻尼电阻采用阻尼电阻增大对地电容，从参数配合上避开谐振增大对地电容，从参数配合上避开谐振采用消弧线圈采用消弧线圈小小 结结谐振过电压可分为如下三种形式：谐振过电压可分为如下三种形式： 线性谐振过电压、参数谐振过电压和铁磁谐振。线性谐振过电压、参数谐振过电压和铁磁谐振。 具有各种谐波谐振的可能性是铁磁谐振的一个重要具有各种谐波谐振的可能性是铁磁谐振的一个重要特点。特点。电力系统中的铁磁谐振过电压常发生在非全相运行电力系统中的铁磁谐振过电压常发生在非全相运行状态中。状态中。
