第九章內(nèi)部過電壓內(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(shí)間不盡相同，通常按產(chǎn)生原因的不同可分為：內(nèi)部過電壓暫態(tài)過電壓工頻電壓升高空載長線的電容效應(yīng)不對(duì)稱短路引起的工頻過電壓甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高諧振過電壓線性諧振過電壓鐵磁諧振過電壓參數(shù)諧振過電壓操作過電壓切空線過電壓合空線過電壓切空變過電壓間歇電弧接地過電壓電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓暫態(tài)過電壓是一種在一定位置上的的相對(duì)地或相間的過電壓，具有一定的振蕩頻率，由于無阻尼或弱阻尼，因此持續(xù)時(shí)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)部過電壓工頻電壓升高，雖然其幅值不大，一般來說，對(duì)正常絕緣的電氣設(shè)備沒有威脅。但工頻電壓的升高常伴隨操作過電壓，其大小直接影響操作過電壓的幅值。諧振過電壓在電感和電容元件間形成的振蕩，持續(xù)時(shí)間較長。而現(xiàn)有的限壓保護(hù)裝置的通流能力和熱容量都很有限，無法防護(hù)諧振過電壓。確定絕緣水平時(shí)，要求各種絕緣均能可靠地耐受尚有可能出現(xiàn)的諧振過電壓的作用，而不再專門設(shè)置限壓保護(hù)措施。操作過電壓所指的操作應(yīng)理解為由于“操作”導(dǎo)致

“電網(wǎng)參數(shù)的突變”引起的過渡過程，這一類過電壓的幅值較大，持續(xù)時(shí)間短。分析內(nèi)部的過電壓的發(fā)展過程，可以采用分布參數(shù)等值電路及行波理論，也可采用集中參數(shù)等值電路的暫態(tài)過程計(jì)算方法。內(nèi)部過電壓的能量來自電網(wǎng)本身，它的幅值大小與電網(wǎng)的工作電壓有一定的比例關(guān)系，用工作電壓的倍數(shù)（過電壓倍數(shù)）來表示。其基準(zhǔn)值通常取電網(wǎng)的最大工作相電壓幅值UΦ

。（雷電過電壓用幅值絕對(duì)值來表示）。Un－系統(tǒng)額定電壓有效值，kV

電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓操作過電壓

電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為儲(chǔ)能元件。當(dāng)系統(tǒng)操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生電磁能量振蕩的過渡過程。在設(shè)備上將會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過渡過程過電壓。它是高頻振蕩、強(qiáng)阻尼、在幾毫秒至幾十毫秒后衰減消失的過電壓。可采用限壓保護(hù)裝置和其他技術(shù)措施來加以限制。電力系統(tǒng)常見操作過電壓種類一、切除空載線路過電壓（中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)）二、合空載線路過電壓（中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)）三、切除空載變壓器過電壓（中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)）四、電弧接地過電壓（中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)）在不同電壓等級(jí)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燃現(xiàn)象。切除空載線路時(shí)引起的操作過電壓幅值大、持續(xù)時(shí)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

切除空載線路等值電路

容性電流，通常為幾十到幾百安，比短路電流小得多。此時(shí)斷路器切斷的是較小的電容電流充電（電容）電流比電壓u超前90°，觸頭間的電弧總是要到電流過零點(diǎn)附近才能熄滅，這時(shí)電源電壓正好處于幅值的附近，觸頭間的電弧熄滅后，線路對(duì)地電容上將保留一定的剩余電荷，導(dǎo)線對(duì)地電壓將保持等于電源電壓的幅值?？蛰d線上的電壓與電流11切空線時(shí)電壓沿線分布分析切空線時(shí)電壓沿線分布圖（1）設(shè)第一次熄?。╰=0）發(fā)生在熄弧后全線對(duì)地電壓將保持（2）t=T/2(T為正弦電源電壓的周期)時(shí)，電源電壓變?yōu)?，觸頭間電位差（3）電弧重燃，對(duì)地電壓由變成相當(dāng)于一個(gè)幅值為的電壓波和相應(yīng)的電流波i()從線路首端向末端傳播，所到之處電壓變?yōu)?，電流?變?yōu)?b)12切空線時(shí)電壓沿線分布圖(4)的電壓波傳到線路的開路末端發(fā)生全反射，電壓變?yōu)殡娏鞑òl(fā)生負(fù)的全反射，反射波所到之處，合成電流為0

（c）(5)反射波到達(dá)線路首端時(shí)（），觸頭間的電流反向,因而必然有一過零點(diǎn)，電弧再次熄滅。13（6）熄弧后，線路再次與電源分離，其對(duì)地電壓為，電源電壓按正弦規(guī)律變化，當(dāng)t=T時(shí)，電源電壓u又由變?yōu)?，作用在觸頭間的電位差增大為，電弧再次重燃。（7）線路對(duì)地電壓由轉(zhuǎn)變?yōu)椋喈?dāng)于一個(gè)幅值等于的電壓波由線路首端向末端傳播，相應(yīng)的電流（d）14依此類推，線路上的過電壓將不斷增大(8)當(dāng)這個(gè)電壓波和電流波到達(dá)開路末端時(shí)，又將發(fā)生全反射，線路上的合成電壓將等于(e)15t=t1時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第一次熄弧t=t2時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第一次重燃t=t3時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第二次熄弧t=t4時(shí)，開關(guān)K發(fā)生第二次重燃UC=-UφUCmax1=3UφUCmax1=3UφUCmax2=-5UφUmax

＝U穩(wěn)態(tài)＋(U穩(wěn)態(tài)－U起始)＝2U穩(wěn)態(tài)－U起始線路最高暫態(tài)幅值：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；采用不重燃斷路器加裝并聯(lián)分閘電阻（先打開主觸頭K1,1.5~2周期后再將輔助觸頭K2打開，完成整個(gè)拉閘動(dòng)作）降低觸頭間的恢復(fù)電壓、避免重燃。

利用避雷器來保護(hù)

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，即正常合閘和自動(dòng)重合閘。這時(shí)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。合空載線路是電力系統(tǒng)中常見的一種操作。1、計(jì)劃性合閘過電壓Umax

＝U穩(wěn)態(tài)＋(U穩(wěn)態(tài)－U起始)＝2U穩(wěn)態(tài)－U起始空載線路U起始＝0；

Umax

＝2U穩(wěn)態(tài)＝2Emω0振蕩回路的自振角頻率A、B—積分常數(shù)過渡過程：分析表明：合閘過程是電源通過L向C充電的過程。Uc包括兩個(gè)分量，即角頻率與電源角頻率相同的穩(wěn)態(tài)分量（其幅值與系統(tǒng)參數(shù)密切相關(guān)，實(shí)際上反應(yīng)了空載線路的電容效應(yīng)）和角頻率為ω0

的自由分量。自由分量的角頻率取決于系統(tǒng)參數(shù)。

實(shí)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?？傻闷洳ㄐ我娤聢D，最大值將略小于21電源電壓并非直流電壓，而是工頻交流電壓，這時(shí)的表達(dá)式將為其波形如下圖所示222、自動(dòng)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(yùn)行中的線路發(fā)生故障，由繼電保護(hù)系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)過一短暫時(shí)間后再合閘－－自動(dòng)重合閘操作。如果是自動(dòng)重合閘的情況，這時(shí)線路上有一定殘余電荷和初始電壓，重合閘時(shí)振蕩將更加激烈。非短路相在Em或－Em峰值處熄?。ㄘ?fù)載為空載線路）重合閘在0.5s后進(jìn)行，當(dāng)電源極性與線路殘余電壓相反時(shí)，最大振蕩電壓為3Em。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(shí)發(fā)生，出現(xiàn)的合閘過電壓自然就較低了。線路損耗線路損耗能減弱振蕩，從而降低過電壓。線路殘余電壓的變化：在自動(dòng)重合閘之前，大約有0.5s的間歇期，導(dǎo)線上的殘余電荷在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)泄放掉一部分，從而使線路殘余電壓下降，因而有助于降低重合閘過電壓的幅值限制過電壓的措施：在斷路器中加裝并聯(lián)合閘電阻(對(duì)自由分量起阻尼作用降低過電壓幅值）；采用同步合閘；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。(安裝在線路首端和末端的氧化鋅或磁吹避雷器)空載變壓器在正常運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為一激磁電感。切除空載變壓器就是開斷一個(gè)小容量電感負(fù)荷，會(huì)在變壓器和斷路器上出現(xiàn)很高的過電壓。在開斷并聯(lián)電抗器、消弧線圈等電感元件時(shí)，也會(huì)引起類似的過電壓。

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(dá)自然零點(diǎn)前被斷路器強(qiáng)行切斷，使得儲(chǔ)存在電感中的磁場(chǎng)能量被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，導(dǎo)致電壓的升高。切空變?nèi)菀装l(fā)生截流現(xiàn)象。切斷100A以上的交流電流時(shí)，電弧通常都是在工頻電流自然過零時(shí)熄滅的；但當(dāng)被切斷的電流較小時(shí)（空載變壓器的激磁電流很小，一般只是額定電流的0.5％～5％，約數(shù)安到數(shù)十安），電弧提前熄滅，亦即電流會(huì)在過零之前就被強(qiáng)行切斷。切除空載變壓器等值電路及波形圖電源內(nèi)電感變壓器的激磁電感等值對(duì)地電容電流自然過零時(shí)被切斷，電容和電感上的電壓正好等于電源電壓u的幅值。電容上的電荷通過電感作振蕩性放電，并逐漸衰減至零（因?yàn)榇嬖阼F心損耗和電阻損耗），這樣的拉閘不會(huì)引起大于的過電壓。如果電流在自然過零之前就被提前切斷，設(shè)此時(shí)的瞬時(shí)值為，的瞬時(shí)值為，則切斷瞬間在電感和電容中所儲(chǔ)存的能量分別為切除空載變壓器等值電路30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?chǎng)能量，這時(shí)電容上出現(xiàn)最大電壓若略去截流瞬間電容上所儲(chǔ)存的能量，則電容上出現(xiàn)的最大電壓式中—變壓器的特性阻抗31影響因素：斷路器的性能(滅弧能力越強(qiáng)，切斷電流能力越強(qiáng)，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)。通常過電壓倍數(shù)為2～3，有10%可超過3.5，極少數(shù)可達(dá)4.5～5.限制措施：變壓器側(cè)加裝閥式避雷器。從變壓器入手，減小變壓器的特性阻抗。使CT增大或電感LT減小。電弧接地過電壓主要發(fā)生在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)。接地點(diǎn)產(chǎn)生接地電弧，并在其中流過非故障相的電流，這種電容電流在6～10kV系統(tǒng)(>30A)、35～60kV系統(tǒng)(>10A)中難以自行熄滅。由于電弧不穩(wěn)定(間歇性電弧)，引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的電磁振蕩過程，產(chǎn)生電弧接地過電壓。7.4間歇電弧接地過電壓1、發(fā)展過程過電壓的發(fā)展過程和幅值大小都與熄弧的時(shí)間有關(guān)。存在兩種熄弧時(shí)間：電弧在過渡過程中的高頻振蕩電流過零時(shí)即可熄滅電弧要等到工頻電流過零時(shí)才能熄滅故障點(diǎn)電流與電弧的關(guān)系

接地電流是線路對(duì)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因?yàn)镮2與I3在相位上相差60o，所以故障點(diǎn)的電流幅值若系統(tǒng)較小，線路不長，線路對(duì)地電容電流小，流過故障點(diǎn)的電流也小，許多暫時(shí)性的單相電弧接地故障(如雷擊等)，故障過后電弧可以自動(dòng)熄滅。隨著系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級(jí)的提高，單相接地故障電流成比例地增加。接地點(diǎn)產(chǎn)生接地電弧，并在其中流過非故障相的電流，這種電容電流在6～10kV系統(tǒng)(>30A)、35～60kV系統(tǒng)(>10A)中難以自行熄滅。由于電弧不穩(wěn)定(間歇性電弧)，引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的電磁振蕩過程，產(chǎn)生電弧接地過電壓。工頻電流過零時(shí)熄弧故障相健全相第一次熄弧注：實(shí)線為實(shí)際電壓線電壓相電壓電弧重燃t2時(shí)刻熄弧，三相導(dǎo)線電壓對(duì)地偏移：熄弧后t2

+作用在三相導(dǎo)線對(duì)地電容上的電壓為此時(shí)三相電源電壓疊加上此直流偏移電壓。--相電壓幅值故障現(xiàn)象故障時(shí)間U1U2U3U2maxU3max接地故障t1-Uxg-0.5Uxg-0.5Uxg-2.5Uxg-2.5Uxgt1+0-1.5Uxg-1.5Uxg第一次熄弧t2-01.5Uxg1.5Uxg1.5Uxg（不會(huì)引起過渡過程）1.5Uxg（不會(huì)引起過渡過程）t2+01.5Uxg1.5Uxg電弧重燃t3-2Uxg0.5Uxg0.5Uxg-3.5Uxg-3.5Uxgt3+0-1.5Uxg-1.5Uxg影響過電壓的因素電弧熄滅與重燃的相位系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)相間電容、線路損耗中性點(diǎn)接地方式消弧線圈及其對(duì)電弧接地過電壓的限制作用（1）消弧線圈電流補(bǔ)償線路容性電流消弧線圈及其對(duì)電弧接地過電壓的限制作用（2）欠補(bǔ)償IL<IC全補(bǔ)償IL=IC過補(bǔ)償IL>IC7.7諧振過電壓

電力系統(tǒng)中存在著大量儲(chǔ)能元件，即儲(chǔ)存靜電能量和儲(chǔ)存磁能的元件電容元件：電場(chǎng)效應(yīng)（串補(bǔ)，并補(bǔ)電容器，過電壓保護(hù)用的電容器）;線性元件43電感元件：磁場(chǎng)效應(yīng)（變壓器，發(fā)電機(jī)，消弧線圈）；在不同條件下，可分為線性，非線性和呈周期變化的特性元件電阻元件：熱能效應(yīng)；阻尼；線性元件諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等于外加強(qiáng)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(yùn)行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會(huì)急劇上升。(一)線性諧振過電壓

電路中的電感L與電容C、電阻R一樣，都是線性參數(shù)。限制方法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(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)設(shè)法避開諧振條什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(huì)發(fā)生周期性變化（發(fā)電機(jī)），和電容性負(fù)荷（空載線路）參數(shù)配合，產(chǎn)生參數(shù)諧振。這種現(xiàn)象叫作發(fā)電機(jī)的自激或自勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)投運(yùn)前：自激校核，以避開諧振點(diǎn)。

(三)鐵磁諧振

當(dāng)電感元件帶有鐵心時(shí)。一般都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)電感不再是常數(shù)．而是隨看電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象，

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它是電力系統(tǒng)某些嚴(yán)重事故的直接原因，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)避開它。

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(shí)產(chǎn)生的諧振過電壓稱為基波諧振過電壓1.穩(wěn)定工作點(diǎn)和諧振條件46

由于UL與UC的相位相反，當(dāng)UL>UC時(shí)，電路中的電流是感性的，反之電流就是容性的。E和ΔU曲線相交點(diǎn)，就是滿足上述平衡方程的點(diǎn)與曲線相交于a1、a2、a3，但是不是都是穩(wěn)定工作點(diǎn)？物理上判斷是否穩(wěn)定工作點(diǎn)，用“小擾動(dòng)”理論，即電源電壓出現(xiàn)小的擾動(dòng)ΔE后，工作點(diǎn)能否回到原來的工作點(diǎn)47a1:IΔU>E→Ia’1

→a1;IΔU<E→Ia’’1

→a1

a3：具有與a1相同的性質(zhì)∴a1和a3點(diǎn)都是穩(wěn)定工作點(diǎn)（能經(jīng)受小擾動(dòng)）48a2：IΔU<E→Ia2→a’2

→a3點(diǎn)

IΔU>E→Ia2→a’’2