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 在电力系统中，由于断路器操作、故障或在电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，使其他原因，使系统参数发生变化系统参数发生变化，引起系统，引起系统内部内部电磁能量的振荡电磁能量的振荡转化转化或或传递传递从而造成的从而造成的电压升高，称为电力系统的电压升高，称为电力系统的内部过电压内部过电压。内部过电压内部过电压的产生根源在电力系统内部，的产生根源在电力系统内部，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多种多样的，因此内部过电压的
2、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：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。工频电压升高工频电压升高，虽然其幅值不大，一般来说，对正常，虽然其幅值不大，一般来说，对正常绝缘的电气设备没
3、有威胁。但工频电压的升高常伴随绝缘的电气设备没有威胁。但工频电压的升高常伴随操作过电压，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。谐振过电压谐振过电压是在系统进行操作或发生故障时系统中的是在系统进行操作或发生故障时系统中的电感和电容元件可能形成各种不同的振荡回路，在一电感和电容元件可能形成各种不同的振荡回路，在一定的能源作用下，产生振荡现象，引起谐振过电压。定的能源作用下，产生振荡现象，引起谐振过电压。其持续时间较长。其持续时间较长。操作过电压操作过电压指指由于由于“操作操作”(包括断路器的正常操作包括断路器的正常操作也包括各类故障也包括各类故障)导致导致“电
4、网参数的突变电网参数的突变”引起引起的过的过渡过程中而产生的过电压，这一类过电压的幅值较大，渡过程中而产生的过电压，这一类过电压的幅值较大，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。分析内部的过电压的发展过程，可以采用分布参数等分析内部的过电压的发展过程，可以采用分布参数等值电路及行波理论，也可采用集中参数等值电路的暂值电路及行波理论，也可采用集中参数等值电路的暂态过程计算方法。态过程计算方法。内部过电压内部过电压的能量来自电网本身，它的的能量来自电网本身，它的幅值幅值大小与大小与电网的工作电压有一定的比例关系，用工作电压的电网的工作电压有一定的比例关系，用工作电压的
5、倍数倍数(过电压倍数过电压倍数)来表示。其来表示。其基准值通常取电网的基准值通常取电网的最大工作相电压幅值最大工作相电压幅值Uph.m。(雷电过电压用幅值绝对雷电过电压用幅值绝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 nmph32UU 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 电力系统中的电容、电感元件均为储能元电力系统中的电容、电感元件均为储能元件。当系统件。当系统正常操作正常操作或或故障故障使其工作状态发使其工作状态发生变化时，将产生电磁能量生变化时，将产生电磁能量振荡的过
6、渡过程振荡的过渡过程。在设备上将会产生数倍于电源电压的过渡过在设备上将会产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。它程过电压。它是高频振荡、强阻尼是高频振荡、强阻尼、在、在几毫几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(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
7、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：合空载线路过电压：合空载线路过电压切除空载线路是电力系统中常见的操作之一。产生切除空载线路是电力系统中常见的操作之一。产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
8、闸过程中的重燃现象。重燃现象。切除空载线路时引起的操作过电压幅值大、持续时切除空载线路时引起的操作过电压幅值大、持续时间长。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)90cos()(cos)(0tXXEtitEteSCmm 容容性电流，通常为性电流，通常为几十到几百安，几十到几百安，比短路电流小得比短路电流小得多。多。此时断路器切断此时断路器切断的是较小的电容的是较小的电容电流电流scXX 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
9、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：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。：提高断路器的灭弧性能，减
10、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降低断路器触头间的恢复电压和降低重燃后的过电压）恢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电压的幅值。过电压的幅值。6.1.2 合闸空载线路过电压合闸空载线路过电压空载线的合闸分为两种情况，即空载线的合闸分为两种情况，即正常合闸和自动重正常合闸和自动重合闸合闸。这时出现的操作过电压称为合空线过电压或。这时出现的操作过电压称为合空
11、线过电压或合闸过电压，合闸过电压，由于两者的初始条件不同，重合闸由于两者的初始条件不同，重合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际上，回路存在电阻与能量实际上，回路存在电阻与能量损耗，振荡将是衰减的，通常损耗，振荡将是衰减的，通常以衰减系数以衰减系数来表
12、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常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初正常合闸的情况，空载线路上没有残余电荷，初始电压始电压 uc(0)=0。运行
13、中的线路发生故障，由继电保护系统控制跳运行中的线路发生故障，由继电保护系统控制跳闸后，经过一短暂时间后再合闸自动重合闸闸后，经过一短暂时间后再合闸自动重合闸操作。操作。如果是自动重合闸的情况，如果是自动重合闸的情况，这时线路上有一定残这时线路上有一定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
14、主要因素：合闸相位；如果合闸不是在电源电压接近幅值时发生，合闸相位；如果合闸不是在电源电压接近幅值时发生，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：在断路器中加装并联合闸电阻在断路器中加装并联合闸电阻(对自由分量起阻尼作用对自由分量起阻尼作用降低过电压幅值）；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
15、雷器。空载变压器在正常运行时表现为一空载变压器在正常运行时表现为一激磁电感激磁电感。切除空载变压器就是开断一个小容量切除空载变压器就是开断一个小容量电感电感负荷，负荷，会在变压器和断路器上出现很高的过电压。会在变压器和断路器上出现很高的过电压。在在开断并联电抗器、消弧线圈等电感元件时，也开断并联电抗器、消弧线圈等电感元件时，也会引起类似的过电压会引起类似的过电压。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流现象截流现象：流过电感的电流在到达自然零点前被断路器强：流过电感的电流在到达自然零点前被断路器强行切断，使得储存在电感中的磁场能量被强迫转化为电场
16、行切断，使得储存在电感中的磁场能量被强迫转化为电场能，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。切断切断100A以上的交流电流时，电弧通常都是在工频电流以上的交流电流时，电弧通常都是在工频电流自然过零时熄灭的；但当被切断的电流较小时（空载变压自然过零时熄灭的；但当被切断的电流较小时（空载变压器的激磁电流很小，一般只是额定电流的器的激磁电流很小，一般只是额定电流的0.55，约，约数安到数十安），电弧提前熄灭，亦即电流会在过零之前数安到数十安），电弧提前熄灭，亦即电流会在过零之前就被强行切断。就被强行切断。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
17、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LCLiiii202021,21UCWILWTCTL20202max212121UCILUCTTT0,022max000,TmTTTTmmTTTLII UZCLLUIUIIZCC如果：ZT:变压器特征阻抗；变压器特征阻抗；maxmmTUI ZTTCLf21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：断路器的性能断路器的性能(灭弧能力越强，切断电流能灭弧能力越强，切断电流能力越强，过电压越高力越强，过电压越高)；变压器的参数变压器的参数(电感越大，电容
18、越小，过电电感越大，电容越小，过电压越高压越高)。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。电弧接地过电压主要发生在电弧接地过电压主要发生在中性点不接地中性点不接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。接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的电流，这种电容电流在相的电流，这种电容电流在610kV系统系统(30A)、3560kV系统系统(10A)中难以自行熄中难以自行熄灭。由于灭。由于电弧不稳定电弧不稳定(间歇性电弧间歇性电弧)，引起系，引起系统统强烈的电磁振荡过程强烈的电磁振荡过程，产生电弧接地过电，产生
19、电弧接地过电压。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、发展过程过电压的发展过程和幅值大小都与熄弧的时间有关。过电压的发展过程和幅值大小都与熄弧的时间有关。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xgCUII332233j dGxgIIIC U 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
20、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，所以故障，所以故障点的电流幅值点的电流幅值 若系统较小，线路不长，线路对地电容电流小，若系统较小，线路不长，线路对地电容电流小，流过故障点的电流也小，许多暂时性的单相电弧流过故障点的电流也小，许多暂时性的单相电弧接地故障接地故障(如雷击等如雷击等)，故障过后电弧可以自动熄，故障过后电弧可以自动熄灭。灭。随着系统的发展和电压等级的提高，单相接地故随着系统的发展和电压等级的提高，单相接地故障电流成比例地增加。障电流成比例地增加。接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的接地点产生接地电弧，并在其中流过非故障相的电流，这种电容电流在
21、电流，这种电容电流在610kV系统系统(30A)、3560kV系统系统(10A)中难以自行熄灭。由于中难以自行熄灭。由于电弧电弧不稳定不稳定(间歇性电弧间歇性电弧)，引起系统，引起系统强烈的电磁振荡强烈的电磁振荡过程过程，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：03CqUxg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
22、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 Ux
23、g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）.)31(xgLCjdUCLIII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 1,0220231LC220
24、1LC310自振角频率自振角频率6.2 谐振过电压谐振过电压谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等于外谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态或准稳态现象。在这种加强迫频率的一种稳态或准稳态现象。在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐波幅值会急剧上升谐波幅值会急剧上升。谐振回路中包含有电感谐振回路中包含有电感L、电容、电容C和电阻和电阻R，通，通常认为系统中的常认为系统中的C和和R(避雷器例外避雷器例外)是线性元件，是线性元件，而电感而电感L有三种不同的特性：线性电感、非线有三种不同的特性：线性电感、非线性电感和周期性变化电感
25、，因此相应地振荡回性电感和周期性变化电感，因此相应地振荡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)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线性谐振过电压。这种线性谐振过电压。(二二)参数谐振过电压参数谐振过电压 系统中某些元
26、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点。的特点。串联铁磁谐振等值回路串联铁磁谐振等值回路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扰动判别法小扰动判别法L
27、cUUU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：产生串联铁磁谐振的产生串联铁磁谐振的必要条件必要条件是：电感和电容的伏安特性是：电感和电容的伏安特性必须相交，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；对铁磁谐振电路，在同一电源电势作用下，回路可能有不对铁磁谐振电路，在同一电源电势作用下，回路可能有不只一种稳定工作状态；只一种稳定工作状
28、态；铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因，但其饱和铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因，但其饱和特性本身又限制了过电压的幅值。此外，回路中的损耗会特性本身又限制了过电压的幅值。此外，回路中的损耗会使过电压降低，当回路电阻值大到一定数值时，就不会出使过电压降低，当回路电阻值大到一定数值时，就不会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善电磁式电压互感器的激磁特性或改用电容式电压互改善电磁式电压互感器的激磁特性或改用电容式电压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CL10 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。
