电气工程基础 第12章 电力系统内部过电压

第十二章电力系统内部过电压v第一节概述v第二节操作过电压v第三节谐振过电压v第四节工频电压升高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。据统计，在电力系统各种事故中，由于过电压引起的绝缘事故占主导地位。过电压可以分为内部过电压和雷电(外部)过电压两大类。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。u因操作引起的暂态电压升高，称为操作过电压。u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，称为谐振过电压。u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，或称为工频过电压。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，叫内部过电压倍数，并用字母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。第二节操作过电压电力系统中常见的操作过电压有：中性点绝缘电网中的电弧接地过电压；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等。v一、空载变压器的分闸过电压v二、空载长线路的操作过电压v三、电弧接地过电压一、空载变压器的分闸过电压1．切空载变压器过电压产生的机理在切空载变压器时，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。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，如图12-1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。图12-1切除空载变压器的原理图图12-2截流时刻如图12-2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UBm，由截流而引起的变压器上的过电压可达：2200TmTTUUILC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：TmmTTUILC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＝Imcosω0t00sinsinTCmmTLuUtItC图12-3截流后的电流和电压波形2．影响切空载变压器过电压的因素及限制切空载变压器过电压的措施（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。（2）变压器参数和结构变压器的LT愈大，CT愈小，过电压愈高。3、限制过电压措施§在断路器的主触头上并联线性电阻或非线性电阻（高值电阻），能有效地降低这种过电压，其大小应接近于被切电感的工频激磁阻抗（数万欧姆）§减小变压器的特征阻抗§采用避雷器保护二、空载长线路的操作过电压1．切除空载长线路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。其产生过电压的原因是断路器分闸过程中的电弧重燃。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(a)接线图；(b)单相等值电路图图12-5切除空载长线时的电流和电压波形限制切空载线路过电压的措施有：（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。2．合闸空载线路过电压的产生过程及限制措施（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，电源E1和E2经输电线连通，线路两侧均装有断路器。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。图12-7关合空载长线(a)接线图；(b)单相等值电路图在一般情况下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。这样，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，图中直流电势E等于电网工频相电压的幅值Upm(这相当于最严重的情况)。据此可以写出：E＝uL＋uCuL＝Ldi/dt＋E－C＋uC－L＋uL－图12-8直流电压作用在LC回路上tiCCquCd1电路方程可写成：idtCdtdiLE1EudtudLCCC22或当电容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：0sin/CduEiCtdtLC从图12-9可见，回路中的电流为一正弦波形，回路中的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)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(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。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。(3)影响因素及限制措施1)影响因素u合闸相位u线路残压u线路损耗u三相断路器不同期合闸u单相自动重合闸u母线上接有其他出线时2)限制合闸过电压的措施u限制合闸过电压的措施主要包括：u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；u采用单相自动重合闸避免线路残压的影响；u断路器主触头上并联合闸电阻；u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取1.3～1.4倍；330kV可取1.4～1.45倍；500kV可取1.5倍。三、电弧接地过电压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。在分析电弧接地过电压时有两种假设：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。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。图12-12A相电弧接地图12-13工频熄弧时电弧接地过电压的发展过程2.电弧接地过电压的影响因素产生电弧接地过电压的根本原因是不稳定的电弧过程。导线相间有电容存在、线路有损耗电阻、过电压下将出现电晕而引起衰减等因素，都会对振荡过程产生影响，使得过电压的最大值有所降低。3.限制过电压的措施(1)采用中性点直接接地方式运行。(2)中性点经消弧线圈接地方式运行。第三节谐振过电压当系统进行操作或发生故障时，系统中的电感、电容元件可形成多种频率的振荡回路。当外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振荡频率时，就会出现周期性的或准周期性的谐振现象，引起谐振过电压。v一、线性谐振过电压v二、铁磁谐振过电压v三、参数谐振——同步电机的自激过电压v四、电力系统中常见谐振过电压及其防治一、线性谐振过电压在L、C串联线性电路中，只要电路的自振频率接近交流电源的频率，就会发生串联谐振现象。这时即使是在稳态也可能在电感或电容元件上产生很高的过电压，因此串联谐振也称作电压谐振。图12-14为串联线性谐振电路，这种电路常常是在操作或故障引起的过渡过程中出现。＋E－CUC图12-14串联线性谐振电路RILLU设电源电压为，R为回路的阻尼电阻，μ＝R/(2L)为回路的阻尼率。由于R较小，μ/ω01，可以忽略电阻对自振角频率的影响，自振角频率。当回路中电感电流和电容电压的初始值为零时，可得出过渡过程中电容C上的电压为：2sin()EtLC10)cos(cossin)()cos(2)(02220tetUtutCC01/arctanLCR稳态时，回路阻抗角0为：回路的电流及电容、电感电压有效值分别为：22/1CLREI2002202220//4/1)(/1ECRECIUC22202220/4/1//1ELRELIUL式中初相角：1/arctanLCR自由分量的初始角θ与有如下关系：tantan0图12-15给出了在不同的μ/ω0时，由式(11-18)计算出的表示UC/E和μ/ω0关系的曲线，曲线中UC的最大值出现在时，其值为：200/1/220202EUCm图12-15不同参数条件下的谐振线性谐振现象具有如下特点：(1)只要串联回路的电感和电容参数为常数，回路的自振频率就是固定的，当电源频率与之接近或相等时就会发生线性谐振现象。(2)当ω＝ω0时，过电压只能由回路电阻来限制，一般回路电阻很小，所以线性谐振过电压幅值可能很高。二、铁磁谐振过电压含有铁心元件的回路，由于铁磁元件的磁饱和现象，使它的电感值呈现非线性特性，从而导致铁磁谐振现象的一系列特征。图12-16(a)所示铁心线圈，其磁链Ψ及电感L随线圈中电流i变化的关系曲线如图12-16(b)。图12-16铁心元件的非线性特性在交流电源作用下铁心元件的电感值作周期性变化，这是产生铁磁谐振的基本原因。电感值的这种变化并非外力