第四章-操作过电压

§4.3操作过电压1.电力系统操作过电压操作过电压发生在由于“操作”引起的过渡过程系统的运行状况发生突然变化，导致系统内部电感元件和电容元件之间电磁能量的互相转换，转换常常是强阻尼的、振荡性的过渡过程操作：分、合闸空载线路分、合闸空载变压器、电抗器各类故障，例如接地故障、断线故障等1.1操作过电压的特点与工频电压升高和谐振过电压相比：过电压幅值高强阻尼、高振荡性持续时间短由于操作过电压的能量来源于系统本身，故其幅值与额定电压大致有一定倍数关系，通常以系统最高运行相电压的幅值Uphm作为基值来计算过电压倍数Kn操作过电压的幅值，持续时间与电网结构参数，断路器性能，系统接线，操作类型等因素有关，其中很多因素具有随机性，因此过电压幅值持续时间也具有统计性1.2操作过电压的特点1.3操作过电压的类型空载线路分闸过电压（开断电容性负载，还包括电容器组等）空载线路合闸过电压（包括计划性、重合闸）空载变压器分闸过电压（开断电感性负载，还包括电抗器、高压电动机等）间歇电弧接地过电压解列过电压1.4决定电力系统绝缘水平的依据之一对于电压等级低一些的系统，操作过电压虽不是决定绝缘水平的因素，但常因间隙电弧过电压等引起事故随着系统电压的提高，操作过电压的问题就突出出来，若不采取限压措施，将导致设备绝缘费用的迅速增加，因此330kV及以上超高压、特高压系统操作过电压及其限制措施的研究就非常重要1.5规程规定选择绝缘时计算用操作过电压倍数相对地绝缘系统过电压倍数3560kV及以下系统（非直接接地）4.0110~154kV系统（非直接接地）3.5110~220kV系统（直接接地）3.0330kV系统（直接接地）2.75500kV系统（直接接地）2.0或2.21.5规程规定选择绝缘时计算用操作过电压倍数相间绝缘35~220kV的相间操作过电压可取相对地的1.3~1.4倍330kV的相间操作过电压可取相对地的1.4~1.45倍500kV的相间操作过电压可取相对地的1.5倍1.6限制操作过电压措施线路上装设并联电抗器，限制工频电压升高改进断路器性能，采用带有并联电阻的断路器采用氧化锌避雷器限制过电压1.7研究操作过电压方法理论分析和数值计算模拟试验、现场测试、运行纪录，暂态网络分析仪（TNA）、数字模拟混合实时仿真系统以及先进的仪器仪表本课程主要介绍几种典型的操作过电压形成的原理，影响因素及主要防护措施2.合闸空载线路的过电压正常合闸:零初始条件自动重合闸:非零初始条件在超高压、特高压系统中，是决定电网绝缘水平的重要因素2.1产生合闸过电压的物理过程2.2产生合闸过电压的物理过程正常合闸采用集中参数的型等值电路进行计算分析单相集中参数等值电路单相简化电路如忽略回路电阻，=0，设，则稳态分量最大值Ucm，反映空载线路的电容效应0/在1.5～3的范围内正常合闸时电路方程的解可能出现的最大过电压值正常合闸，过电压倍数为工频电压升高系数，为操作冲击系数2.3合闸过电压倍数发生单相接地故障，DL2三相跳闸，线路成为带接地故障的空载线路，DL1三相跳闸后，健全相分别在电容电流过零时熄弧，线路上留有残余电压，数值为约0.5秒后，DL1自动重合闸，如果线路上的残余电荷没有释放掉，且健全相中有一相的电源电势达最大、极性与残余电压相反，则该相将出现的过电压幅值为2.4自动重合闸自动重合闸过电压波形影响因素合闸相位（随机）正常合闸，，，时最严重合闸速度愈低的断路器愈容易发生较大断口电压下的预击穿（如油断路器），0多处在最大值附近，幅值（反相）合闸几率较高，过电压高合闸速度较高时，预击穿可在任何相位下发生（如空气断路器），产生高幅值过电压的概率就小一些采用选相合闸，使断路器在两触头电位极性相同或电位差接近于零时完成合闸操作2.5限制措施合理装设并联电抗器，降低因线路电容效应等引起的工频电压的升高采用单相自动重合闸，避免线路残压的影响故障相被切除后，线路上没有残余电荷，而且系统零序回路的阻尼作用大于正序回路，甚至会使单相重合闸过电压低于正常合闸过电压断路器带并联合闸电阻辅助触头B2先接通，并联电阻R串入回路，经过12个工频周期后，主触头B1闭合，并联电阻短接，完成了合闸过程合闸过程的等值电路2.5限制措施利用避雷器限制合闸避雷器动作后有工频电源的作用，对避雷器的通流容量要求较高3.切除空载线路过电压原因：断路器分闸过程中的重燃现象切除空载线路，断路器切除的是较小的容性电流（几十~几百安），比短路电流小得多取决于触头间恢复电压上升速度与介质强度恢复速度3.1开断空载线路等值电路L1：电源等值漏感L2：线路电感C1：母线侧对地电容C2：线路电容e(t)：电源电势e(t)=Emcos(t+0)断路器的工频电流（容性电流），过零电弧熄灭，此时电容C上的电压为最大值，不考虑线路上残余电荷泄漏，断路器触头间恢复电压Ur(t)为经过半个周期，恢复电压达2Em，此时，如果断路器断口处介质强度恢复很快，电弧从此弧灭，分闸过程结束，不会产生过电压，否则可能重燃断路器触头间恢复电压3.2切空线过电压发展过程t1第一次熄弧，t2第一次重燃，t3第二次熄弧T4第二次重燃，t5第三次熄弧每隔半个工频周期就重燃一次和熄弧一次，过电压将按7Em，-9Em…..逐次增加，直到触头间已有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止发生了两次重燃，最大过电压倍数为2.72少油断路器切切除220kV330km长线路时的实测波形3.2切空线过电压发展过程3.3影响因素断路器的性能自能式断路器（如多油断路器和老式的少油断路器）开断小电流时，灭弧室压力低，熄弧后介质强度恢复慢，易发生多次重燃（6～7次），恢复电压低时重燃过电压低，但重燃次数多增加了高幅值过电压出现的可能性断路器触头重燃、熄弧具有明显的随机性分闸时，不一定每次都重燃，即使重燃也不一定在电源到达最大值并与线路残压极性相反时发生。如果重燃提前发生，振荡振幅和相应的过电压随之降低，当重燃在断弧后的1/4工频周期内产生，则不会引起过电压熄弧不一定在高频电流第一次过零时发生，在第二次或更后的时间才被切断，线路上残余电压大大降低，断路器触头间的恢复电压和重燃过电压都大大减小电网接线方式线路侧装电磁式PT时，断路器灭弧后，线路残余电荷经PT阻尼振荡释放，其直流电阻约315k，几个工频周期内残余电荷释放掉，降低了重燃过电压，甚至可避免重燃线路的电晕损失，同样是降低过电压的有利因素母线上有其他出线或大电容时使过电压降低，相当于图中C1值增大，重燃时电荷分配，降低空载线路的初始电压，另外，出线的有功负荷，增强了阻尼效应，降低重燃过电压１－无电磁式电压互感器２－有电磁式电压互感器312220kV切空线过电压倍数K的统计曲线3.5限制措施改进断路器结构切电容负载时产生过电压的根本原因是断路器的重燃，改进断路器结构，提高触头间介质强度的恢复速度，避免重燃，可从根本上消除这种过电压采用外能式方法灭弧（采用SF6，压缩空气，带压油活塞的少油断路器），切除空载线时可做到不重燃，老式的少油断路器或多油断路器还存在重燃采用并联电抗器降低重燃后的工频稳态分量，并使断弧后线路上残压不再是直流电压，而是交流衰减正弦电压，恢复电压上升速度大为降低,可避免电弧重燃3.5限制措施先断主触头DL1，将R串入回路：一是泄放残余电荷，二是降低触头间电压，此过程希望R值小经1.5～2周波，再断开辅助触头DL2，此过程希望R大，电容上分压小，恢复电压小，不易重燃装分闸并联电阻3.5限制措施氧化锌避雷器作为后备保护4.切除电感性负荷过电压切除空载变压器、消弧线圈、并联电抗器、电动机等电感性负荷是常见的操作，产生过电压的原因是分断感性小电流时，发生截流现象。由于截流流在电感中的磁场能量转化为电容上的电场能量，从而产生过电压超高压系统中的断路器采用外能式方法灭弧，且灭弧能力是按切断短路电流来设计的，分断这样的电流时，电弧被迅速拉长，弧阻剧增，发生不稳定现象，在工频电流过零前发生强制熄弧，有时甚至在电流的最大值时电流突然截断，称为截流以切除空载变压器为例分析4.1过电压产生原理过电压产生原理LS：电源等值电感CS：电源对地杂散电容LK：母线至变压器联系电感L：空载变压器的励磁电感C：变压器绕组及引线等值电容，几十几千PFDL：断路器简化等值电路电流截流时，激磁电流为I0，对地电容上的电压为U0，因电感中的电流不能突变，向C充电，当全部磁场能量都转到电容的电场中时，由于C值小，电容电压很高5.间歇电弧接地过电压中性点不接地电网中，10kV电网，l1000km，Ijd30A；35kV电网，l100km，Ijd10A，接地电弧在几秒至几十秒内自熄，继续增大，电弧不能自熄，且不形成稳定电弧（几百安），此时出现时燃时灭的不稳定状态，产生间歇性电弧接地过电压5.1间歇性电弧的产生phphCUIICUII333232产生过电压的机理Ijd有两个分量：工频电流（强制）分量和高频电流（自由）分量通常认为，油中电弧可能在过渡过程中高频过零熄弧，空气中的开放电弧大多在工频电流过零时熄弧，前者称为高频熄弧理论，过电压值较高，后者称为工频熄弧理论，过电压值较低采用工频熄弧理论分析间歇性电弧接地过电压的形成过程5.2间歇电弧接地过电压的发展电荷重新分配短路故障前后的电压值不同引起的振荡振荡幅值=2稳态值-初始值5.3影响因数发生电弧部位的介质（空气、油、固体介质）、外界气象条件（风、雨、湿度、温度)，这些随机因数，直接影响过电压的发展过程，过电压数值具有统计性影响因数回路损耗电源内阻抗，线路阻抗中的电阻损耗，电弧本身的弧阻损耗，使高频振荡很快衰减，过电压降低5.4限制措施中性点直接接地中性点采用消弧线圈5.5消弧线圈的应用中性点不接地的360kV电网中，在单相接地电流超过30A（310kV电网）或者10A（35kV及以上电网），需要在电网中性点和地之间接入消弧线圈作用：减小单相接地电流，缓减接地故障点恢复电压的上升速度，从而增大接地故障点自熄的概率，以防止发展成相间短路或烧伤导线适当选择电感L的数值，Ijd将减小到零LjCCCjEICjd1332211物理意义：接地的电容电流分量完全被消弧线圈的电感电流补偿，接地电弧消灭，这是完全协调的情况。实际中，用补偿度k和脱谐度来描述消弧线圈的补偿程度3322111CCCL消弧线圈的作用补偿度K和脱谐度补偿度k脱谐度当k1、0，即ILIC时，为过补偿状态当k1、0，即ILIC时，为欠补偿运行状态当k=1、=0，即IL=IC时，为全补偿运行状态中性点位移电位为中性点不接地（无消弧线圈）电网，因三相对地电容不等而引起的电网中性点位移电位，称电网不对称电压U0的大小主要决定于KC及，以KC=1.5%为例，无消弧线圈，Ubd=0.015EA，接消弧线圈，若=3%，则U0=0.5EA，中性点电位移电压增大33倍。若=0，电网处于谐振状态，但电网存在损耗电阻，所以U0不趋于无穷大消弧线圈的调谐调谐原则在正常情况下，中性点长时间位移电位不超过额定相电压的15%3~10kV和20kV及以上电网，故障点残余电流不宜超过10A和5A。对于与发电机有电气连接的3~10kV电网，若要求发电机在发生内部单相接地故障时运行，补偿后的残余电流应小于3A应采用过补偿运行方式。当消弧线圈容量不足时，允许在一定期限内以欠补偿方式运行，但脱谐度不宜大于10%