华中科技大学-电气工程基础课件(熊银信)-第12章-电力系统内部过电压

HUST_CEEE第十二章电力系统内部过电压第一节概述第二节操作过电压第三节谐振过电压第四节工频电压升高HUST_CEEE第一节概述过电压是指超过正常运行电压并可使电力系统绝缘或保护设备损坏的电压升高。过电压可以分为内部过电压和雷电(外部)过电压。内部过电压（简称内过电压）是由于电力系统内部能量的转化或传递引起的。内部过电压可按其产生原因分为操作过电压和暂时过电压，而后者又包括谐振过电压和工频电压升高。操作过电压：因操作引起的暂态电压升高。谐振过电压：因系统中电感、电容参数配合不当，在系统进行操作或发生故障时出现的各种持续时间很长的谐振现象及其电压升高。工频过电压：电力系统中在正常或故障时还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。这种电压升高统称为工频电压升高。HUST_CEEE第一节概述内部过电压倍数：内部过电压的幅值与电网该处最高运行相电压的幅值之比，用字母K来表示。K值与电网结构、系统容量和参数、中性点接地方式、断路器性能、母线上的出线数目、电网的运行接线和操作方式等因素有关，它具有统计性质。通常在中性点直接接地的电网中，如果不采取限压措施，操作过电压的最大幅值可达最高运行相电压幅值的3倍以上；在中性点非直接接地的电网中，最大操作过电压可达最高运行相电压的4倍以上；谐振过电压的幅值则在2倍以上。HUST_CEEE第二节操作过电压电力系统中常见的操作过电压有：切除电感性负载过电压；切除电容性负载过电压；空载线路合闸过电压以及系统解列过电压；中性点绝缘电网中的电弧接地过电压等。操作过电压持续时间：几ms～几十ms。一、空载变压器的分闸过电压二、空载长线路的操作过电压三、电弧接地过电压HUST_CEEE第二节操作过电压——空载变压器的分闸过电压一、空载变压器的分闸过电压1.切空载变压器(大L)过电压机理在实际电路中diL/dt是不会达到无穷大的。这是因为变压器绕组除励磁电感LT外，还有电容CT，如上图所示。断路器截断电流后，电感中的电流可以以电容为回路继续流通，对电容进行充电，将电感中的磁能转化为电容中的电能。在切空载变压器时，断路器常常会在工频电流自然过零之前强行切断电弧，称这种现象为“截流”。在切除空载变压器励磁电流的截流瞬间，电弧电流被迫很快下降到零，造成：diL/dt→(-∞)于是在变压器励磁电感L上将感应出过电压u＝LdiL/dt→(-∞)即过电压有可能达到很高的数值。HUST_CEEE如右图所示，如果截流发生在某一瞬时值I0时，电容上的电压为U0，此时变压器的总储能W为：W＝WL＋WC＝(LTI02＋CTU02)/2按能量不灭定律，当磁能全部转化为静电电能时，电容上的电压将达其最大值UTm，由截流而引起的变压器上的过电压可达：UTm＝（U02＋I02LT/CT）1/2截流值愈大则过电压愈高，当截流发生在励磁电流的幅值Im（即I0＝Im，U0＝0）时，有：UTm＝Im(LT/CT)1/2图12-2截流时刻第二节操作过电压——空载变压器的分闸过电压图12-3截流后的电流和电压波形图12-3给出了电流在幅值截断后,电感中的电流iL和电容上的电压（也即电感上的电压）uC的波形。如不计衰减，iL和uC可写成：iL＝Imcosω0tuC＝－Umsinω0t＝－Im(LT/CT)1/2sinω0tHUST_CEEE第二节操作过电压——空载变压器的分闸过电压2.影响因素及限制措施（1）断路器性能切空载变压器引起的过电压幅值近似地与截流值I0成正比。降低断路器的截流能力能够限制过电压UTm的大小。通过在断路器的主触头上并联高值电阻，能有效地降低这种过电压。（2）变压器参数和结构LT愈大，CT愈小，过电压愈高；相数、绕组连接方式、铁心结构、中性点接地方式、断路器断口电容、相连的电缆和架空线路段等均有影响。绕组连接方式：采用纠结绕组及增加静电屏蔽措施；铁心：采用优质导磁材料（冷轧硅钢片）；其他：采用普通阀式避雷器吸收绕组储存的磁能等。HUST_CEEE第二节操作过电压二、空载长线路的操作过电压1．切除空载长线路(大C)过电压的产生过程及限制措施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断路器分闸过程中的电弧重燃产生过程图12-4是断路器切除空载长线时的接线图和等值线路图。通常ωL1/(ωC)，因此在电路切除前，可认为电容电压uC和电源电势e近似相等，而流过断口的工频电流iC超前电源电压90°。图12-4切除空载长线HUST_CEEE当QF触头分离后，触头间电弧将在iC＝0时熄灭（t＝t1），此时线路电容上uC＝Em。电弧熄灭后，电源与电容分开，uC维持残余电压Em，而电源电压e则将继续按工频变化。此时加在QF断口上的电压将逐渐增加。在t＝t2时刻，当电源电压e到达-Em时，QF断口间的恢复电压达到2Em。如果此时QF断口间介质的抗电强度不够被击穿，电弧第一次重燃，此时uC将由Em以ω0的角频率围绕(-Em)振荡，其振幅为2Em。因此，uC的最大值可达(-3Em)第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压图12-5切除空载长线时的电流和电压波形图12-4切除空载长线伴随着高频振荡电压的出现，QF断口间将有高频电流流过，它超前于高频电压90°。因此，当uC达到(-3Em)时（t＝t3时刻），高频电流恰恰经过零点，于是电弧可能再一次熄灭。又经过工频半个周波后（t＝t4时刻），作用在断口上的电压将达4Em。假如断口又恰好在此时击穿，则由于电容的起始电压为(-3Em)，电源电压为Em，振幅为4Em，振荡后电容上的最大电压可达5EmHUST_CEEE限制措施国内外大量实测数据表明，在中性点不接地系统中，过电压倍数一般不超过3.5～4倍，在中性点直接接地系统中一般不超过3倍。（1）采用不重燃断路器在现代断路器设计中通过提高触头之间的介质绝缘强度使熄弧后触头间隙的电气强度恢复速度大于恢复电压的上升速度，使电弧不再重燃。（2）并联分闸电阻R在断路器主触头上并联分闸电阻R，也是降低触头间的恢复电压、避免重燃的有效措施。（3）线路首末端装设避雷器装设金属氧化物避雷器（MOA）或磁吹阀式避雷器能有效地限制这种过电压的幅值。第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压HUST_CEEE2．合闸空载线路过电压的产生过程及限制措施图12-7关合空载长线(a)接线图；(b)单相等值电路图（1）正常合闸由于正常的运行需要而进行的合闸操作称为正常合闸。如图12-7(a)所示。在线路一侧断路器断开的情况下，关合另一侧断路器就会遇到关合空载线路的操作。一般情况下ω0要比工频高得多。假设在求过渡过程中电容C上的电压时，电源电压近似地保持不变。空载线路的关合可以简化成图12-8的直流电源合闸于LC振荡回路的情况，图中E＝Upm。据此可以写出：E＝uL＋uCuL＝Ldi/dtuC＝q/C＝1/C∫idt＋E－C＋uC－L＋uL－图12-8直流电压作用在LC回路上第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压HUST_CEEE从图12-9可见，回路中电流为一正弦波形，电压则为一围绕电源电压发生周期振荡的波形。可见不计长线电阻效应，关合空载长线时，长线电容上出现的过电压可达电源电压E的2倍。图12-9图12-8回路中i和uC随时间的变化曲线电路方程可写成：E＝Ldi/dt＋1/C∫idt或LCd2uC/dt2＋uC＝E当电容C上无起始电压时，即t＝0，uC＝0，则上式的解为：uC＝E(1－cosω0t)可得电流的解为：i＝CduC/dt＝Esinω0t/(L/C)1/2第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压HUST_CEEE当电容C上的起始电压uC(0)＝－U0时，由于稳态电压为E，振荡的振幅将为E－(－U0)＝E＋U0，此时uC的波形将如图12-10（b）所示。据此不难写出当电容C上有起始电压时，uC的数学表达式：uC＝E－[E－uC(0)]cosω0t图12-10直流电源E通过电感L加到起始电压为(－U0)的电容C上（a）等值电路图；（b）uC随时间的变化由于振荡而产生的过电压可以用下列更普遍的式子求出：过电压＝稳态值＋振荡幅值＝稳态值＋(稳态值－起始值)第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压HUST_CEEE当雷击线路而使线路两端的断路器跳闸时，其中后动作的断路器将切断空载长线的电容电流，而在线路电容上保留数值等于电源电压幅值（例如+Em）的残留电压。当开关重合时，如果电源电压恰好达到极性相反的幅值（例如-Em），则重合闸过电压将达2(-Em)－Em＝-3Em。相当于开关第一次重燃时的过电压。在切、合(重合)空载线路的操作中，切空载线路时重燃所引起的过电压最高。如果采用切空载线路无重燃断路器，则最大过电压将发生在重合空载线路时。（2）自动重合闸为了减少鸟害和雷害等暂时性故障引起的线路跳闸事故，运行中的线路发生故障，由继电保护系统控制断路器跳闸后，经过一短暂时间后再合闸，即为自动重合闸操作。图12-7关合空载长线(a)接线图；(b)单相等值电路图第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压HUST_CEEE第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压（3）影响因素及限制措施1）影响因素合闸空载线路过电压以重合闸最为严重。理论上重合闸过电压可达3Em。但实际中过电压的幅值受到很多因素的影响，如系统参数、结构及运行方式等；此外如合闸相位、三相断路器合闸动作不同期等随机性的因素，不但影响过电压数值，还使其具有统计性质。合闸相位：e(t)＝Emsin(ωt＋0)；正常合闸时，若0＝±90°，即e(0)＝±Em是其中最严重的情况；线路残压：在自动重合闸的过程中，由于线路残余电荷的泄放，实际上线路残压是下降的。线路损耗：实际输电线路的能量损耗会引起自由分量的衰减，使过电压幅值降低。三相断路器不同期合闸：会使过电压幅值增高10％～30％。单相自动重合闸：单相重合闸过电压低于正常重合闸过电压。母线上接有其他出线时：过电压将越小。HUST_CEEE第二节操作过电压——空载长线路的操作过电压2）限制合闸过电压的措施：合理装设并联电抗器以及适当安排合闸操作程序，降低因线路电容效应等引起的工频电压升高；采用单相自动重合闸避免线路残压的影响；断路器主触头上并联合闸电阻；线路首末端装设磁吹阀式避雷器或金属氧化物避雷器（MOA）。我国在线路设计时所取的操作空载线路过电压倍数为：①相对地绝缘（相应设备最高运行相电压的倍数）：35～66kV及以下（电网中性点经消弧线圈接地或不接地）4.0110～154kV（电网中性点经消弧线圈接地）3.5110～220kV（电网中性点直接接地）3.0330kV（电网中性点直接接地）2.75500kV（电网中性点直接接地）2.0②相间绝缘（相应相对地操作过电压的倍数）：35～220kV：1.3～1.4倍；330kV：1.4～1.45倍；500kV：1.5倍。HUST_CEEE第二节操作过电压三、电弧接地过电压(2006单)1.电弧接地过电压产生的基本原理电弧的熄灭与重燃时间是决定最大过电压的重要因素。单相电弧接地时流过弧道的电流有两个分量：工频电流（强制）分量和高频电流（自由）分量分析电弧接地过电压时的两种假设：以高频电流第一次过零时熄弧为前提进行分析，称高频电流熄弧理论。因高频电流过零时，高频振荡电压恰为最大值，熄弧后残留在非故障相上的电荷量较大，故按此分析，过电压值较高；以工频电流过零时熄弧为条件进行分析，称为工频电流熄弧理论。按此分析，熄弧时残留在非故障相上的电荷量较少，过电压值较低，但接近于电网中的实际测量值。HUST_CEEE图12-12为中性点绝缘系统发生单相接地故障（假设A相电弧接地）时的电路。设三相电源相电压为eA、eB、eC，各相对地电压为uA、uB、uC。假设A相电压在幅值（-Um）时对地闪络（图12-13中t＝0时刻），令Um＝1。则：uA(0－)＝-1，uB(0－)＝uC(0－)＝0.5图12-12A相电弧接地