1、第九章 内部过电压及保护 熟悉电力系统中内部过电压的产生和发展过程，能正确利用各种措施避免或抑制电力系统中的内部过电压.要求要求第九章 内部过电压及保护 1.1.电力系统中的工频电压升高及其危害 2.切除空载线路时过电压产生和发展的物理过程及限制措施 3.空载线路合闸时过电压产生的原理、影响因素及限制措施 4.电弧接地过电压的发展过程及消弧线圈的应用 5.切除空载变压器时产生的过电压及限制措施 6.谐振过电压特别是铁磁谐振过电压产生的原理知识点知识点第九章 内部过电压及保护 空载长线路的电容效应及沿线电压分布 切除空载线路时过电压产生的原因及发展过程 空载线路合闸时过电压的估算 切除空载变压器
2、时过电压产生的原因、过电压的计算 带并联电阻的断路器限制过电压的原理 电弧接地过电压发展的物理过程重点和难点重点和难点第九章 内部过电压及保护 切除空载线路是电力系统常见的一种操作。产生过电压的根本原因是断路器分闸过程中的电弧重燃现象。第九章 内部过电压及保护e(t)ABLSLTCT22LTe(t)ABLCTQFQFiu(a)(b)图 91 切除空载线路时的等值电路（a）等值电路；（b)简化后的等值电路第九章 内部过电压及保护 设电源电势 ，由于线路空载，通过断路器的电流就是线路的电容电流，所以通过断路器的电流为 则在断路器QF开断之前，线路电压(即电容 上的电压)就等于电源压 。tEteco
3、s)(m)90cos()(LCmtXXEti)(tu TC)(te第九章 内部过电压及保护第九章 内部过电压及保护 时，0，随后恢复电压 越来越高，在 时达最大值 。在 之后若断路器触头间绝缘强度的恢复速度很快，触头间的耐电强度始终大于触头间的恢复电压，则电弧从此熄灭，不会产生过电压。时，假定恢复电压 达到最大时发生电弧重燃 =21tt ABuABu2tt m2E 1t ABu2tt，)(temEABumE第九章 内部过电压及保护过电压幅值稳态值(稳态值初始值)mEmEmE3（mE）mE第九章 内部过电压及保护 时刻，断路器中流过的高频振荡电流恰好为零，电弧第二次熄灭。断路器触头间恢复电压越来
4、越高，再经半个工频周期将达最大值4 。假定恢复电压达到最大值4 时发生电弧第二次重燃，上的过电压幅值为mE3ttmETCmEmEmE 稳态值（稳态值初始值）（35 mE）第九章 内部过电压及保护 假定继续每隔半个工频周期电弧重燃一次，则线路上的过电压将按 3 、5 、7、的规律变化，直到mEmEmE触头间有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止。第九章 内部过电压及保护 1影响分闸过电压的主要因素 (1)断路器的灭弧性能 (2)电网中性点接地方式 (3)母线上的出线数 (4)线路的电晕损失及电磁式电压互感器第九章 内部过电压及保护 (1)提高断路器的灭弧能力 (2)加装并联电阻 (3)利用线路金属氧
5、化物避雷器来保护第九章 内部过电压及保护 空载线路的合闸过电压是常见的一种操作过电压。空载线路合闸有两种情况，即计划性合闸和自动重合闸。第九章 内部过电压及保护e(t)ABLCTQFiu图 95 空载线路合闸时的等值电路在计划性合闸之前，线路上一般不存在残余电荷，初始电压为零，在合闸初瞬间的暂态过程中，电源电压通过等值电感对空载线路的等值电容充电，回路中将发生高频振荡过程。第九章 内部过电压及保护 振荡过程中线路对地电容上电压的最大值为 二、自动重合闸引起的过电压二、自动重合闸引起的过电压 若线路的A相发生了接地故障，重合闸后出现的振荡将使该相导线上出现最大的过电压，其值可按下式求得稳态值（稳
6、态值初始值）mEmE（0）2mE 第九章 内部过电压及保护 稳态值(稳态值初始值)mEmEmE（）mE 3第九章 内部过电压及保护1影响因素 (1)合闸相位 (2)线路损耗 (3)线路残余电 压的变化 2限制措施(1)装设并联合闸阻(2)采用单相自动重合闸(3)同步合闸(4)利用避雷器保护第九章 内部过电压及保护 切除空载变压器也是电力系统中常见的一种操作。切除空载变压器就是开断一个小容量电感负荷，这时会在变压器上和断路器上出现很高的截流过电压。第九章 内部过电压及保护开断空载变压器时，流过断路器的电流为数值较小的空载电流，一般只有变压器额定电流的0.55，约数安到数十安。当断路器的熄弧能力很
7、强时，会在电流过零之前强制熄弧，将电流突然截断，这种现象称为“截流”。发生截流时，就会产生截流过电压。第九章 内部过电压及保护SLSCKLTLTCu(t)LCTQ Fiu图 9 7 切 除 空 载 变 压器 时 的 等 值 电 路CLTSiiCLCSLK为电源等值电感，为母线对地电容，为母线至变压器连线的电感，为变压器绕组及连接线的对地电容 为 变压器的励磁电感 第九章 内部过电压及保护 如果电流 在其自然过零时被截断，振荡过程中中所储的电场能不会超过熄弧时其上所储的能量，上的电压也就不会超过。如果电流 在自然过零之前就被截断，设截流瞬间流过 的电流为 ，上的电压为 ，截流瞬间在电感和电容中所
8、储存的能量分别为 TCTC2phmT21UCphmUTL0ITC0U20TL21ILW20TC21UCW LiLi第九章 内部过电压及保护 根据 如考虑损耗引起的衰减，可在代表磁场能的项上乘以一个损耗系数加以修正，即2cmT21UC20T21IL20T21UC cmU2020TTUICL cmU2020TTmUICL 第九章 内部过电压及保护 cmU0Tm20TTmIZICL 第九章 内部过电压及保护 截流过电压倍数为 触头间发生电弧重燃时，电容 上 的电荷通过 回路进行高频放电，使 上的电压迅速下降到电源电压，从而限制了最大可能的过电压幅值。这种现象称为“自克效应”。fffLZUUK0mTT
9、mphmcm21 SKTCLCTCTC第九章 内部过电压及保护 1影响过电压的因素(1)断路器的性能(2)变压器的特性(3)变压器中性点接地方式 2限制过电压的措施 可用磁吹阀式避雷器或金属氧化物避雷器来限制 第九章 内部过电压及保护 中性点不接地系统中发生单相接地故障时，经过故障点的电容电流处于某一范围内时，可能出现电弧的燃烧与熄灭的不稳定状态。这种间歇性的电弧将导致系统中电感电容回路的电磁振荡过程，产生遍及全电网的间歇性电弧接地过电压。第九章 内部过电压及保护 UABCI.UU.UUCABA.II23C.IC.1CCC12332BCANII3.2FUUU.+-图 99 中性点绝缘系统发生单
10、相接地的电路图及相量图(a)电路图；(b)相量图（a)(b)第九章 内部过电压及保护 、分别为各相导线的对地电容，设，则正常情况下中性点电位为零。当A相接地时，中性点电位升至相电压，健全相导线对地电位升为线电压流过故障点的电流 1C2C3CCCCC321，ph323 CUII ph2C33CUII 第九章 内部过电压及保护 由此可以看出，单相接地时流过故障点的容性电流为系统正常运行时各相对地电容电流大小之和，与系统运行相电压和各相对地电容成正比。第九章 内部过电压及保护第九章 内部过电压及保护 1 时刻A相发生电弧接地 可能出现的最大过电压值为 2 时，A相接地电弧第一次熄灭 始值）稳态值（稳
11、态值初)()(1m312mtUtU稳态值初始值 2phmphmphm5.2)5.0()5.1(2UUU1tt 2tt 0)(21tuphm23225.1)()(Ututu 第九章 内部过电压及保护 由于 时刻各相电压的新稳定值 与 时刻分别相等，因此，时刻故 障电弧熄灭后将不会出现过渡过程。0)()(phmphmND2A21UUUtutuphmphmphmND2B225.15.0)()(UUUUtutu32C2NDphmphmphm()()0.51.5u tutUUUU2t2t2t第九章 内部过电压及保护 3 时电弧重燃 在 后半个周期，即 时，故障相电压达到最大值2 ，如果这时故障点再次燃弧
12、，突然降为零，电路将再次出现过渡过程。振荡过程中过电压的最大值可达3tt 2t223TttphmU 1u phmphmphm33m32m5.35.0)5.1(2)()(UUUtUtU第九章 内部过电压及保护 由以上分析可知，按工频熄弧理论分析得到的非故障相的过电压倍数为3.5，故障相的最大过电压倍数为2倍，过电压的波形具有同一极性，且故障相不会产生振荡过程。由以上分析可知，按工频熄弧理论分析得到的非故障相的过电压倍数为3.5，故障相的最大过电压倍数为2倍，过电压的波形具有同一极性，且故障相不会产生振荡过程。第九章 内部过电压及保护 1电弧燃烧与熄灭的随机性 2输电线路的相间电容及回路损耗 3中
13、性点的接地方式第九章 内部过电压及保护 1.采用中性点直接接地方式.这时单相接地将造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸而切断故障，经过一段短时间歇，让故障点电弧熄灭后再自动重合，如能成功，可立即恢复送电；如不能成功，断路器将再次跳闸，不会出现断续电弧现象。第九章 内部过电压及保护 2.采用中性点经消弧线圈接地方式(1)消弧线圈的作用 接入消弧线圈后流经故障点的电流为 可见，由于消弧线圈的补偿作用补偿作用，流过接地点的电流减小了，当 很时，接地点的电弧就不再发生重燃，从而限制了电弧接地过电压的发展。ILCIII第九章 内部过电压及保护(2)消弧线圈的补偿度 定义电感电流补偿电容电流的百分数为
14、消弧线圈的补偿度补偿度 ，即其中gQFI图 912 消弧线圈的补偿作用分析LCAU.220321CL31)(1CLCCCLIIk kLC310第九章 内部过电压及保护 脱谐度脱谐度 定义为 当 ，0，即 时，表示电感电流补偿不足，称为欠补偿；当 ，0，时，表示电感电流补偿过头，称为过补偿；当 ，0时，称为全补偿。v220CLC11IIIkvkkkvvvCICILILI第九章 内部过电压及保护 电力系统在正常或故障时可能 出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压 升高，通称为工频电压升高或 工频过电压。第九章 内部过电压及保护 1.工频电压升高与多种操作过电压有可能同时出现，相互叠
15、加.2.工频电压升高是决定某些过电压保护装置工作条件的重要依据.3.工频电压升高持续的时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大影响.第九章 内部过电压及保护 以线路末端作为距离的起点，线路上任意一点处的电压为l Z v,XSU1.U2.E.I1.I2.图 913 沿空载线路的电压分布UUU210 xcos)cos(cossincoscosSxEZXEU 第九章 内部过电压及保护 从线路末端（）开始，沿线的工频电压按余弦规律分布，线路末端电压 最高。末端电压为 讨论 (1)如果电源容量为无限大，则末端的工频过 电压倍数为0 x2U )cos(cos2EU cos12EU 这表明线路长度越长，线路
16、末端工频电压越高第九章 内部过电压及保护 (2)当电源容量为有限值时，的存在电容效应，就像增加了导线长度一样。容量越小，工频电压升高得越严重。SX因此为了估计最严重的工频电压升高，应以系统最小电源容量为依据。第九章 内部过电压及保护 在超高压电网中，常采用并联电抗器并联电抗器来限制电容效应引起的工频电压升高。并联电抗器与线路对地电容并联，可减小流过线路电感中的电流，从而消弱电容效应，降低线路上的工频电压升高。第九章 内部过电压及保护 当A相接地时，可求得B、C两健全相上的电压为 式中 正常运行时故障点处A相电压；A0210220CA02102202B)()1()()1(UZZZZaaZaUUZ
17、ZZZaaZaU A0U 第九章 内部过电压及保护 、从故障点看进去的电网正序、负序和零序阻抗，。对于电源容量较大的系统，如再忽略各序阻抗中的电阻分量 、则 式中 1Z2Z0Z32eja 21ZZ 0R1R2RA0CA0B2325.12325.1UjKKUUjKKU10 xxK第九章 内部过电压及保护式中 系数 称为接地系数接地系数，它表示单相接地故障时健全相的最高对地工频电压有效值与无故障时对地电压有效值之比。A0eA02CB213UKUKKKUU 2132eKKKKeK第九章 内部过电压及保护e第九章 内部过电压及保护 当输电线路在传输较大容量时，断路器因某种原因而突然跳闸甩掉负荷，会在原
18、动机与发电机内引起一系列机电暂态过程，它是造成工频电压升高的又一原因。第九章 内部过电压及保护 在考虑线路的工频电压升高时，如果同时计及空载线路的电容效应、单相接地及突然甩负荷三种情况，那么工频电压升高可达到相当大的数值。实际运行经验表明：在一般情况下220kV及以下的电网中不需要采取特殊措施来限制工频电压升高；330500kV超高压电网中，应采用并联电抗器或静止补偿装置等措施，将工频电压升高限制到1.31.4倍相电压以下。第九章 内部过电压及保护 电力系统中包含有许多电感和电容件，当系统进行操作或发生故障时，这些电感、电容元件可能构成一系列不同自振频率的振荡同路，在外加电源的作用下，某些振荡
19、回路可能产生串联谐振现象，从而导致系统中的某些部分(或元件)上出现严重的 谐振过电压。第九章 内部过电压及保护 所谓谐振谐振，是指振荡回路的固有自振频率与外加电源的频率相等或接近时出现的一种周期性或准周期性的运行状态，其特征是某一个或几个谐波幅值急剧上升。根据振荡回路中所包含的电感元件的特性，谐振可分为线性谐振线性谐振、铁磁铁磁 谐振谐振和参数谐振参数谐振三种类型。第九章 内部过电压及保护 回路发生谐振的条件为01LC电容上的稳态电压幅值为CRUUU12mmcm第九章 内部过电压及保护 当 时，谐振过电压达最大值 即线性谐振过电压仅由 决定 202021200mcm12UU CLR210第九章
20、 内部过电压及保护 铁磁谐振发生于含有铁心电感元件的振荡电路中。由于铁心电感元件的磁饱和现象，使回路的电感不再是常数，而是随着电压或电流的变化而变化。在一定的条件下，回路中的感抗会出现和容抗相等的情况，从而产生铁磁铁磁谐振谐振现象。铁磁谐振的条件：铁磁谐振的条件：CKLK10第九章 内部过电压及保护 若忽略回路电阻CLUUE CLUUUE 第九章 内部过电压及保护铁磁谐振的激发铁磁谐振的激发：需要经过过渡过程来建立谐振的现象 相位反倾相位反倾：跃变过程中回路电流由感性突然变为容性的现象 自激现象自激现象：回路只有一个稳定的谐振工作点，这时不需要激发，回路就处于谐振状态第九章 内部过电压及保护电
21、力系统的铁磁谐振过电压电力系统的铁磁谐振过电压一般发生在操作或事故过程中，如断路器不同期动作或断线引起的断线谐振、电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振等，参与谐振的电感主要有空载或轻载变压器的激磁电感、电磁式电压互感器的电感、并联电抗器的电感等，电容主要是导线的对地电容、相间电容、断路器的断口均压电容等。发生铁磁谐振的激发因素主要是断路器的突然合闸、单相接地、雷击等。第九章 内部过电压及保护 在含有周期性变化的电感回路中，当感抗周期性变化的频率为电源频率的偶数倍，并有一定的容抗配合时，就可能发生参数谐振过电压。采用快速自动调节励磁装置、增大振荡回路的阻尼电阻等措施，一般可消除这种过电压。第九章
22、内部过电压及保护 电力系统的内部过电压内部过电压包括操作过电压和暂时过电压两类。操作过电压是系统正常操作或事故时的过渡过程中形成的暂态过电压，其特点是幅值高、作用时间短。常见的操作过电压主要有切、合空载线路时产生的过电压，切合空载变压器时产生的过电压，电弧接地过电压等。第九章 内部过电压及保护 切除空载线路时过电压切除空载线路时过电压产生的根本原因是断路器在开断过程中发生电弧重燃，重燃的次数越多，过电压就越大。降低过电压的主要措施是提高断路器的熄弧 第九章 内部过电压及保护 空载线路的合闸过电压空载线路的合闸过电压是由于合闸前后线路对地电容上的电压不一致而造成的。自动重合闸时，线路对地电容上电
23、压的起始值和稳态值的差一般要比计划性合闸时的大，故自动重合闸时产生的过电压最严重。限制这种过电压的主要措施是采用带合闸电阻的断路器或线路上采用避雷器等来限制。第九章 内部过电压及保护 切除空载变压器时的过电压切除空载变压器时的过电压主要是由于断路器的截流造成的。截流后因电感电流不能突变，电感向变压器对地电容充电，将磁场能转化为电场能，从而使变压器上出现高幅值的过电压。这种过电压的能量不大，可用金属氧化物避雷器或阀式避雷器来限制。第九章 内部过电压及保护 电弧接地过电压电弧接地过电压是发生在中性点不接地系统中的一种操作过电压，它是由于接地点电弧的不断熄灭和重燃造成的。接地点电弧的不稳定性与流过接
24、地点的电流值有关，如果接地点的电流很大或很小时，都不会出现不稳定电弧。通常采用在中性点加装消弧线圈的办法来补偿流过接地点的电容电流，使接地点的总电流减小，从而限制了这种过电压的发展。为避免中性点上出现较大的位移电压，消弧线圈一般运行在过补偿状态。第九章 内部过电压及保护 电力系统的暂时过电压暂时过电压是在操作中或事故后的另一种相对稳定状态下建立起来的，如果电路条件不变，暂时过电压可稳定存在，所以这类过电压存在的时间要比操作过电压长得多。暂时过电压又可分为工频电压升高和谐振过电压两类。第九章 内部过电压及保护 产生工频电压升高产生工频电压升高的原因主要有空载长线的电容效应、不对称接地及发电机突然
25、甩负荷。这三种情况共同作用，可能造成较高的工频电压升高。一般高压电网中工频电压升高并不严重，而超高压电网则不然，故超高压电压一般要在线路上加装并联电抗器来限制这种过电压。第九章 内部过电压及保护 电力系统的谐振过电压电力系统的谐振过电压按参与谐振的电感的性质分为线性谐振、铁磁谐振和参数谐振三类。其中尤以铁磁谐振最为复杂。谐振过电压一般无法限制，只能采取一些措施加以避免或消除。第九章 内部过电压及保护 线性谐振线性谐振的条件是回路的感抗和容抗相等，谐振时电感和电容上的过电压与回路的电阻有关，当回路的电阻较小时可达很高的数值。而铁磁谐振铁磁谐振的条件是回路的初始感抗大于容抗，并且谐振的发生一般需要激发，谐振时由于电感的减小，过电压一般不会太高。但由于铁磁谐振作用时间长，而且谐振时回路的电流大，一旦发生，可能引起绝缘或过热事故。第九章 内部过电压及保护第九章 内部过电压及保护第九章 内部过电压及保护
