高電壓技術(shù)8、9章

1、第二篇電力系統(tǒng)過電壓及其防護,第8、9章 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓,在電力系統(tǒng)中，由于斷路器操作、故障或其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的振蕩轉(zhuǎn)化或傳遞從而造成的電壓升高，稱為電力系統(tǒng)的內(nèi)部過電壓。 內(nèi)部過電壓的產(chǎn)生根源在電力系統(tǒng)內(nèi)部，其大小由系統(tǒng)參數(shù)決定。,,系統(tǒng)參數(shù)的變化原因是多種多樣的，因此內(nèi)部過電壓的幅值、振蕩頻率以及持續(xù)時間不盡相同，通常按產(chǎn)生原因的不同可分為：,暫態(tài)過電壓是一種在一定位置上的相對地或

2、相間的過電壓，具有一定的振蕩頻率，由于無阻尼或弱阻尼，因此持續(xù)時間較長。,操作過電壓是電磁過渡過程的過電壓。,電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓,第8章 諧振過電壓第9章 電力系統(tǒng)操作過電壓,第8章 諧振過電壓,電力系統(tǒng)包含許多電感和電容元件，例如：電感元件L: 發(fā)電機、變壓器、互感器、電抗器、消弧線圈等。電容元件C: 線路對地電容、導(dǎo)線間電容、補償用的并、串電容、高壓設(shè)備的雜散電容等。他們的組合可以構(gòu)成一系列的復(fù)雜的振蕩電路，正常運行時由

3、于負載的阻尼或大功率電源的存在，不會發(fā)生嚴(yán)重的振蕩。但操作或事故時，某些振蕩回路就有可能與外加電源發(fā)生諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中某些部分上出現(xiàn)過電壓，這就是諧振過電壓。,諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等于外加強迫頻率的一種穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在這種周期性或準(zhǔn)周期性的運行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會急劇上升。 根據(jù)電感的特性把諧振分為： 線性諧振、參數(shù)諧振、非線性（鐵磁）諧振,(一) 線性諧振過電壓 電路中的

4、電感L與電容C、電阻R一樣，都是線性參數(shù)。限制這種過電流和過電壓的方法是使回路脫離諧振狀態(tài)或增加回路的損耗。在電力系統(tǒng)設(shè)計和運行時，應(yīng)設(shè)法避開諧振條件以消除這種線性諧振過電壓。 (二) 參數(shù)諧振過電壓系統(tǒng)中某些元件的電感會發(fā)生周期性變化，如發(fā)電機轉(zhuǎn)動時，其電感的大小隨著轉(zhuǎn)子位置的不同而周期性變化。當(dāng)發(fā)電機帶有電容性負載（例如一段空載線路）時，如再存在不利的參數(shù)配合，就又可能引發(fā)參數(shù)諧振現(xiàn)象，有時將這種現(xiàn)象稱為發(fā)電機的自勵磁或自激過電

5、壓。,(三) 鐵磁諧振過電壓 當(dāng)電感元件帶有鐵心時。一般都會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時電感不再是常數(shù)．而是隨著電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時，就會產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象，它具有一些不同于其他過電壓的特點。 鐵磁諧振的諧振頻率可能是電源頻率的整數(shù)倍和分?jǐn)?shù)倍，分別稱為高頻諧振和分頻諧振，振蕩頻率等于或接近電源頻率時產(chǎn)生的諧振過電壓稱為基波諧振過電壓。 下面以基波諧振為例，說明非線性諧振的基本特性：,穩(wěn)定工作點和諧振條件

6、：下圖為最簡單的R,C和鐵心電感L的串聯(lián)電路。在正常運行條件下，感抗大于容抗，即，此時不具備諧振條件。當(dāng)鐵心電感的電流增大或者磁通增大時會使鐵心發(fā)生飽和現(xiàn)象，使電感下降，滿足串聯(lián)諧振條件，發(fā)生諧振，在電感和電容兩端形成過電壓，這就是鐵磁諧振現(xiàn)象。,串聯(lián)鐵磁諧振回路的特性曲線：,與曲線相交于a1、a2、a3，但是不是都是穩(wěn)定工作點？物理上判斷是否是穩(wěn)定工作點，用“小擾動”理論，即電源電壓出現(xiàn)小的擾動后，工作點能否回到原來的工作點。,實

7、際工作點：滿足電勢平衡條件；滿足穩(wěn)定工作條件。,不穩(wěn)定點,穩(wěn)定點,穩(wěn)定點且為諧振點,回路呈容性回路電流較大電感電容上出現(xiàn)較高過電壓,諧振點但不是穩(wěn)定工作點,基波的鐵磁諧振的特點： 產(chǎn)生串聯(lián)鐵磁諧振的必要條件是：電感和電容的伏安特性必須相交，鐵磁諧振可在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生；對鐵磁諧振電路，在同一電源電勢作用下，回路可能有不只一種穩(wěn)定工作狀態(tài)；鐵磁元件的非線性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但其飽和特性本身又限制了過電壓的幅值。此外

8、，回路中的損耗會使過電壓降低，當(dāng)回路電阻值大到一定數(shù)值時，就不會出現(xiàn)強烈的的諧振現(xiàn)象。,因此，基波鐵磁諧振過電壓必要條件限制和消除鐵磁諧振過電壓的措施：改善電磁式電壓互感器的激磁特性或改用電容式電壓互感器采用阻尼電阻增大對地電容，從參數(shù)配合上避開諧振采用消弧線圈,,第9章、 電力系統(tǒng)操作過電壓,電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為儲能元件。當(dāng)系統(tǒng)開關(guān)操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時，各儲能元件的能量重新分配發(fā)生振蕩就產(chǎn)生了操作過

9、電壓。在設(shè)備上將會產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過渡過程過電壓。,電力系統(tǒng)常見操作過電壓種類一、切除空載線路過電壓二、合空載線路過電壓三、切除空載變壓器過電壓四、電弧接地過電壓,在不同電壓等級中起主導(dǎo)作用的操作過電壓類型：6～10kV，35～60kV：電弧接地過電壓110～220kV：切空載變壓器，切除空載線路過電壓330～500kV：合空載線路過電壓,切除空載線路是電力系統(tǒng)中常見的操作之一。產(chǎn)生過電壓的原因是斷路器分閘過程中的重

10、燃現(xiàn)象。切除空載線路時引起的操作過電壓幅值大、持續(xù)時間長。,9.1 切除空載線路過電壓,發(fā)展過程 影響因素和限制過電壓大小的措施,切除空載過電壓產(chǎn)生的物理過程：,,,線路容抗遠遠大于感抗：,穩(wěn)定時，若假定：,則：,回路的自振角頻率：,1、斷路器斷開前，即t1時刻前，線路電壓為u(t)，即電容電壓uc(t) 等于電源電壓e(t)。設(shè)t1時刻斷路器斷開，斷路器的工頻電流過零點，電弧熄滅，此時電容C上的電壓為負的最大值-Em。,2、由于

11、線路絕緣，導(dǎo)線電壓保持在-Em，但斷路器觸電A點的電位仍然按余弦規(guī)律變化，斷路器觸頭間出現(xiàn)不斷增加的恢復(fù)電壓：,3、t2時刻（過半個周期）：uc(t2)=-Em,電源電壓e(t)=Em, uAB = 2Em，在t1～t2之間就可能發(fā)生電弧重燃。,4、按最嚴(yán)重情況考慮：t2時刻，uAB = 2Em。這時形成一個LC振蕩回路。是一個初始值為Uc(0)=-Em的重合閘過程，線路上過電壓達到3Em。,,Umax ＝ U穩(wěn)態(tài) ＋(U穩(wěn)態(tài)－U起始)

12、＝ 2 U穩(wěn)態(tài)－U起始,線路最高暫態(tài)幅值：,4、重燃后，伴隨高頻振蕩電壓的出現(xiàn)，回路中流過容性的高頻電流，在t3時刻Uc達到3Em時，高頻容性電流恰好過零。t3時刻電弧可能再次熄滅，電容C上將留有數(shù)值為3Em的殘壓,,4、再過半個周t4時刻，此時UAB達-４Em。重燃后，過電壓可達-5Em依次類推，每隔半個工頻周期就重燃一次和熄弧一次，過電壓將按7Em，-9Em ??????逐次增加，直到觸頭間已有足夠的絕緣強度，電弧不再重燃為止,,

13、過電壓產(chǎn)生的根本原因：斷路器的電弧重燃 斷路器的滅弧能力越差，重燃幾率越大，過電壓幅值越高。限制過電壓的措施：提高斷路器的滅弧性能，減少或避免電弧重燃；在斷路器中加裝并聯(lián)分閘電阻；（作用：降低斷路器觸頭間的恢復(fù)電壓和降低重燃后的過電壓）裝設(shè)避雷器。ZnO或磁吹避雷器安裝在線路首端和末端，能有效地限制這種過電壓的幅值。,9.2 合閘空載線路過電壓,空載線的合閘分為兩種情況，即計劃性合閘和故障后的自動重合閘。

14、 由于線路電壓在合閘前后發(fā)生突變，由此會引起合閘空載過電壓。這時出現(xiàn)的操作過電壓稱為合空線過電壓或合閘過電壓， 由于兩者的初始條件不同，重合閘過電壓是合閘過電壓中最嚴(yán)重的一種。,合閘空載線路是電力系統(tǒng)中常見的一種操作。,1、計劃性合閘過電壓,計劃性合閘又叫做正常合閘，即電力系統(tǒng)需要進行的經(jīng)常性合閘操作?？蛰d線路合閘前，線路不接地，三相對稱，為零初始狀態(tài)。不計導(dǎo)線間的電磁耦合，取一相線路進行研究，其等值電路如下：,回路方程為

15、,因為,可導(dǎo)出：,,解方程得：,利用初始條件，t=0時，uc=0，求得A、B,有：,,當(dāng) 時， 達到最大值，即：,,,實際上，回路存在電阻與能量損耗，振蕩將是衰減的，通常以衰減系數(shù) 來表示。,可得,其波形見下圖，最大值 將略小于,2、自動重合閘過電壓,正常合閘的情況，空載線路上沒有殘余電荷，初始電壓 uc(0)=0 。運行中的線路發(fā)生故障，由繼電保護系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)過一短暫時間后再合閘－－自動重合閘操作

16、。如果是自動重合閘的情況，這時線路上有一定殘余電荷和初始電壓，重合閘時振蕩將更加激烈。,影響過電壓產(chǎn)生的主要因素：合閘相位；如果合閘不是在電源電壓接近幅值時發(fā)生，出現(xiàn)的合閘過電壓自然就較低了。線路殘余電壓的大小與極性；線路損耗。線路損耗能減弱振蕩，從而降低過電壓。限制過電壓的措施：在斷路器中加裝并聯(lián)合閘電阻(對自由分量起阻尼作用降低過電壓幅值）；采用同步合閘（是通過特殊裝置使斷路器觸頭兩端的電位位極性相同時完成合閘操作）；

17、消除和削弱線路殘余電壓(電磁式電壓互感器)裝設(shè)避雷器。,空載變壓器在正常運行時表現(xiàn)為一激磁電感。切除空載變壓器就是開斷一個小容量電感負荷，會在變壓器和斷路器上出現(xiàn)很高的過電壓。,9.3 切除空載變壓器過電壓,過電壓產(chǎn)生的原因：截流現(xiàn)象：流過電感的電流在到達自然零點前被斷路器強行切斷，使得儲存在電感中的磁場能量被強迫轉(zhuǎn)化為電場能，導(dǎo)致電壓的升高。,,,可用下圖所示的簡化等值電路來說明這種過電壓的發(fā)展過程。圖中 為變壓器的激磁

18、電感， 為變壓器繞組及連接線的對地電容。,切除空載變壓器等值電路,34,如果電流 在自然過零之前就被提前切斷，設(shè)此時 的瞬時值為 ， 的瞬時值為 ，則切斷瞬間在電感和電容中所儲存的能量分別為,35,,,此后即在 、 構(gòu)成的振蕩回路中發(fā)生電磁振蕩，在某一瞬間，全部電磁能量均變?yōu)殡妶瞿芰?，這時電容 上出現(xiàn)最大電壓,36,有：,,,設(shè) 為正值，則相應(yīng)的 必為負值。當(dāng)開關(guān)中突然滅弧時

19、， 中的電 流 不能突變，將繼續(xù)向 充電，使電容上的電壓從“ ”向更大的負值方向增大，如圖所示。,切除空載變壓器過電壓,影響因素：斷路器的性能(滅弧能力越強，切斷電流能力越強，過電壓越高)；變壓器的參數(shù)(電感越大，電容越小，過電壓越高)。限制措施：變壓器側(cè)加裝閥式避雷器。,,,中性點不接地電網(wǎng)中的單相接地電流(電容電流)較大，接地點電弧將不能自熄，而以斷續(xù)電弧的形式存在，就會產(chǎn)生另一種嚴(yán)重的操作過電壓:

20、電弧接地過電壓,一、發(fā)展過程,這種過電壓的發(fā)展過程和幅值大小都與熄弧的時間有關(guān)。存在兩種熄弧時間： 電弧在過渡過程中的高頻振蕩電流過零時即可熄滅 電弧要等到工頻電流過零時才能熄滅,9.4 電弧接地過電壓,,,下面以工頻電流過零時熄弧的情況來說明這種過電壓的發(fā)展機理：,作如下簡化：1）略去線間電容的影響；2）設(shè)各相導(dǎo)線的對地電容均相等，即C1=C2=C3=C。就可得如圖(a)所示的等值電路。,設(shè)接地故障發(fā)生于A相，而且是正當(dāng)

21、 經(jīng)過正幅值 時發(fā)生，這樣A相導(dǎo)線的電位立即變?yōu)榱?，中性點電位 由零升至相電壓，即 ，B、C兩相的對地電壓都升高到線電壓 、 。,,,流過C2和C3的電流 和 分別較 和 超前90º，其幅值為,,,因為 與 在相位上相差60º，所以故障點的電流幅值為,—電網(wǎng)的額定電壓 —線路總長度 C —每相導(dǎo)

22、線的對地電容 —單位長度的對地電容,由此可知:1)流過故障點的電流是線路對地電容所引起的電容電流 2）故障電流的大小與電網(wǎng)額定電壓和線路總長度成正比,43,如以uA，uB，uC代表三相電源電壓；以u1，u2，u3代表三相導(dǎo)線的對地電壓，即C1、C2、C3上的電壓，則通過分析可得如下圖所示的過電壓發(fā)展過程。,故障相,健全相,第一次熄弧,注：實線為實際電壓 線電壓 相電壓,電弧重燃

23、,,,,,,,,1、t1時刻，A相電弧接地，A相電容上電荷通過間隙電弧泄放入地，其電壓u1突降為零。相應(yīng)B,C相電容C2，C3上的電壓幅值從-0.5變至-1.5。而u2，u3電壓的這種改變是要通過電源線電壓UBA,UCA經(jīng)過電源電感對C2，C3的充電來完成。,過電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值+（穩(wěn)態(tài)值-初始值）,2、過渡過程結(jié)束， u2，u3按UBA,UCA而變化。,故障相,健全相,第一次熄弧,注：實線為實際電壓 線電壓