过电压及其防护

第八章过电压及其防护-2-Ch.8过电压及其防护8.1概述8.2内部过电压及其防护8.3电力系统防雷保护8.4电力系统绝缘配合-3-8.1概述过电压(over-voltage)的概念电力系统中，各种绝缘除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的作用。所谓的过电压就是指超过最高运行电压并可使电力系统绝缘或电气设备损坏的电压升高。过电压的分类过电压工频电压升高谐振过电压直击雷过电压内部过电压外部过电压操作过电压感应雷过电压暂时过电压雷电过电压大气过电压雷电侵入波-4-概述过电压对绝缘的威胁过电压幅值过电压上升陡度、波形过电压持续时间过电压的特点雷电过电压能量来自系统外部，注入的能量不受系统的影响，过电压幅值高，波头短（1-2s），波的持续时间约100s，电压上升陡度大感应雷过电压幅值不超过300kV-400kV，落到地面的雷电流幅值通常100kA，过电压波头上升缓慢直击雷过电压幅值高，注入的能量大，雷电流幅值通常达150kA-230kA，波头短-5-概述过电压的特点操作过电压能量来自系统内部，幅值与系统结构、运行方式、设备性能，尤其是断路器性能有关，波的持续时间0.1s，含有较强的高频分量，阻尼强工频过电压幅值不高，通常2p.u.，持续时间0.1s，甚至几分钟到几个小时，高频分量少，弱阻尼，频率接近工频谐振过电压根据电感、电容元件的特性不同而不同，与系统中性点接地方式、系统结构、设备性能有关，一旦出现，幅值较高，须破坏谐振条件才能消失，通常从设计和运行上避开VFTO(VeryFastTransientOver-voltage)幅值较高，通常2.5p.u.，波头几个ns-几十个ns，等值频率达几个MHz-几百MHz（为什么？）-6-概述过电压的防护防护的目的：防止电气设备的绝缘遭受过电压的破坏防护方法：大气过电压和内部过电压发生的原因不同，防护方法亦不同内部过电压：了解其产生的原因及特性，针对性的采取措施，避免其危害大气过电压：设法防止其侵入电气设备，并采取相应的措施将其尽可能的降低到对电气设备的绝缘不造成损坏的程度-7-8.2内部过电压及其防护§8.2.1.操作过电压§8.2.2.谐振过电压§8.2.3.工频电压升高-8-8.2.1、操作过电压操作过电压：因操作引起的暂态电压升高“操作”：断路器的正常操作，如分、合闸空载线路或空载变压器、电抗器等；也包括各类故障，如接地、断线故障等电力系统中存在着很多电感（变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器及输电线路的电感等),电容(线路对地电容和相间电容、补偿用的并联或串联电容器组、高压设备的杂散电容等）元件。电感和电容均为储能元件，可在电力系统中组成各种振荡回路。原因：在电力系统运行时，由于“操作”将使系统的运行状态发生突然变化，导致系统内部的电感和电容元件之间电磁能量的相互转换，回路将会发生从一种工作状态通过振荡转变到另一种工作状态的过渡过程，并出现操作过电压-9-常见的操作过电压有：切除空载变压器过电压切除空载线路过电压空载线路合闸过电压中性点不接地系统中电弧接地过电压8.2.1、操作过电压特点：幅值高、存在高频振荡、强阻尼、持续时间短空载长线路操作过电压-10-限制措施在低压系统中安装消弧线圈在高压线路上装设并联电抗器采用带有并联电阻的断路器采用避雷器技术水平近年来，由于高压断路器灭弧性能的改善，变压器铁芯材料的改进、避雷器制造水平的提高，限制了切除空载线路和空载变压器的过电压，但空载线路合闸过电压仍未得到有效的限制，尤其在超高压及特高压系统中，这种过电压已成为决定电网绝缘水平的主要依据。8.2.1、操作过电压-11-8.2.1、操作过电压§1.合闸空载线路引起的过电压§2.切除空载线路引起的过电压§3.切除空载变压器产生的过电压§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压§5.GIS中快速暂态过电压(VFTO)-12-§1.合闸空载线路引起的过电压合闸空载线路过电压形成的原因合闸空载线路产生过电压的根本原因是电容、电感的振荡，其振荡电压叠加在稳态电压上所致。合闸空载线路正常合闸：由于正常运行需要而进行的合闸操作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损失，由继保装置控制QF跳闸后，经过一短暂时间后再合闸。（一般情况下引起的过电压较为严重）对于超高压输电系统，合闸和重合闸过电压最为重要，因为它对决定系统设备的绝缘水平起着决定性的作用。影响因素：电源容量、系统接线方式、线路长度、合闸相位、开关性能、故障类别、限压措施-13-设电源电势为Emcosωt。单相线路采用集中参数T型电路来等值；LT，CT分别为线路总的电感、电容；电源电感为LS；忽略线路及电源的电阻。L=LS+LT/2。0T1/LC§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理L与C构成振荡电路一般情况下ω0比工频高得多，因此可假设过渡过程初期电源电压近似不变，为直流电源直流电动势等于工频相电压的幅值，相当于最严重情况假设电容初始电压为零，二阶电路零状态响应-14-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理不计电路电阻，关合空载线路时，线路电容上出现的过电压可达电源电压E的2倍实际线路中存在电阻R，若R2√L/C，则经过若干振荡周期后，uC(t)将衰减到稳态值—电源电压E假设电容初始电压为零，二阶电路零状态响应22CCduLCuEdtC00()(1cos)()sin/CutEtduEitCtdtLC-15-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理不计电路电阻，关合空载线路时，线路电容上出现的过电压可达电源电压E的2倍实际线路中存在电阻R，若R2√L/C，则经过若干振荡周期后，uC(t)将衰减到稳态值—电源电压E22CCduLCuEdtC00()(1cos)()sin/CutEtduEitCtdtLC-16-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理uC(t)可以看做由两部分叠加而成第一部分为稳态值E第二部分是振荡部分，是由起始状态和稳定状态的差异引起的—振荡部分的振幅为稳态值与起始值之差过电压=稳态值+振荡幅值=稳态值+（稳态值-起始值）=2倍稳态值-起始值-17-产生过电压的机理重合闸的情况下，线路上有残余电荷，相当于电容上有初始电压UC0设断路器开断时电容的残余电压为电源幅值，即：UC0=Em重合闸时，如果电源电压恰好达到极性相反的幅值-Em，则重合闸过电压将达2(-Em)-Em=-3Em§1.合闸空载线路引起的过电压-18-影响过电压的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。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。§1.合闸空载线路引起的过电压-19-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施限制空载线路合闸过电压的措施可以从两方面入手：一是降低线路的稳态电压分量；二是限制其自由电压分量。①降低工频电压升高空载线路上的操作过电压是在工频稳态电压的基础上由振荡产生的。显然，降低工频电压升高会使操作过电压下降。目前超高压电网中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补偿装置（SVC），其主要作用是削弱电容效应。②断路器装设并联电阻将线路合闸分两个阶段进行。第一阶段带电阻R合闸，即将R与辅助触头串联。由于R对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的过电压降低。大约经过8~15ms，主触头闭合，将R短接，电源直接与线路相连，完成合闸操作，这是合闸的第二个阶段。-20-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施-21-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施②断路器装设并联电阻R的最佳值：合闸的第一阶段，要求R值较大，使阻尼效果较好。而在第二阶段则要求R值小，使短接时，回路振荡程度较弱。因此，空载线路合闸过电压的大小与合闸电阻值的关系呈一条V形曲线。对500kV线路的断路器，国外大多采用400Ω，国内由于电阻的热容量的原因，大多取1000Ω左右。-22-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施③控制合闸相位空载线路合闸过电压的大小与电源电压的合闸相位有关，因此可以通过一些电子装置来控制断路器的动作时间，在各相合闸时，将电源电压的相位角控制在一定范围内，以达到降低合闸过电压的目的。④消除线路上的残余电荷在线路侧接电磁式电压互感器，可在几个工频周波内，将全部残余电荷通过互感器泄放掉。⑤装设避雷器在线路首端和末端装设磁吹避雷器或金属氧化物避雷器，当出现较高的过电压时，避雷器应能可靠动作，将过电压限制在允许的范围内。-23-§2.切除空载线路引起的过电压切除空载线路引起过电压的原因：电弧重燃过电压产生的物理过程稳定时，若假定e(t)=Emcosωt，则i=-ωCTEmsinωt（忽略电感）T1/()LC•线路容抗远远大于感抗•回路的自振角频率0T1/LC单相空载线路采用T型电路来等值；LT，CT分别为线路总的电感、电容；电源电感为LS；忽略线路及电源的电阻。L=LS+LT/2。-24-断路器开断前：§2.切除空载线路引起的过电压过电压产生的物理过程此后电源与线路断开，线路保持一个直流电压（±Em）,电源电压继续变化。t1时刻，断路器开断容性电流并在电流过零时熄弧（电源电压达到最大值±Em）：回路流过容性电流，线路电压约等于电源电压；电流超前电压90°-25-第一次重燃，t2时刻半个工频周期之后电源电压反向，断路器触头之间电压为2Em，如果此时断路器触头之间介质的绝缘强度没有恢复到一定的值，就可能发生电弧重燃。初始值稳态值+Em-Em过电压值：-3Emt3时刻，高频电流过零熄弧线路电压保持为-3Em§2.切除空载线路引起的过电压过电压产生的物理过程高频振荡电压幅值2Em频率ω0=1/√LC-26-过电压产生的物理过程重复步骤：反向燃弧熄弧线路电压发展：-3Em→5Em→-7Em→9Em§2.切除空载线路引起的过电压-27-§2.切除空载线路引起的过电压影响过电压的因素断路器的性能如前所述，断路器中电弧的重燃是产生过电压的根本原因。如果断路器触头分得很快，触头间绝缘恢复强度的上升速度大于触头间恢复电压上升速度，则电弧就不会发生重燃，当然也就不会出现高的过电压。中性点接地方式在中性点直接接地的电网中，虽然存在线路间的耦合，但各相可自成独立回路，切除空载线路的过程基本上和以上讨论的单相线路情况一样。但在中性点非直接接地电网中，三相断路器分闸不同期会构成瞬间的不对称电路，使中性点产生位移，相间的耦合，使分闸过程变得复杂，过电压增高（一般会比中性点直接接地电网高出20%左右）。-28-§2.切除空载线路引起的过电压影响过电压的因素损耗切除空载线路出现过电压后，线路上会产生强烈的电晕，电晕要消耗能量，相应地降低了过电压。此外计及电源及线路损耗也会使过电压降低。其它若母线上有很多出线时，相当于加大了母线的电容，电弧重燃后，线路上的残余电荷重新分配，改变了起始值，因而降低了过电压。此外，当线路装有电磁式电压互感器时，将泄放线路上的残余电荷，从而降低了过电压。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；在中性点直接接地系统中，一般不超过3。这是因为过电压受多种因素影响的缘故。-29-§2.切除空载线路引起的过电