电力系统过电压研究新进展(XXXX博士班讲座)

P1武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE电力系统过电压研究新进展P2武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE目录1、概述2、配电网过电压2.1配电网的内部过电压2.1.1配电网中的铁磁谐振过电压2.1.2配电网中的电弧接地过电压2.1.3配电网中的CVT过电流现象2.1.4配电网的无功补偿系统操作电磁暂态现象2.1.5配电网中心点的接地方式P3武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE2.2配电网的雷电过电压2.2.1配电网的雷电侵入波过电压2.2.2配电网的输电线路雷电过电压3、高压电网过电压4、超高压电网过电压4.1超高压电网的内部过电压4.1.1超高压电网的工频过电压4.1.2超高压电网中的潜供电流与恢复电压4.1.3超高压电网的操作过电压P4武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE4.2超高压电网的雷电过电压4.2.1雷击输电线路杆塔的雷电过电压4.2.2雷电绕击输电线路的雷电过电压4.2.3变电站雷电侵入波过电压5、特高压电网过电压P5武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE1、概述在电力系统中，由于雷电、电磁能量的转换会使系统电压产生瞬间升高，其值超过电气设备的最高工频运行电压，这就是过电压。过电压会造成电气设备的绝缘损坏、使系统供电中断等重大事故。电力系统过电压，研究各种过电压产生的机理，及相应的电气设备保护和限制过电压的措施，并对系统中电气设备绝缘水平提出相应的要求。电力系统过电压按其不同的能量来源可分为两大类。一类为雷电过电压，即雷击电力系统或雷击电力系统附近地区而形成的系统电压升高；另一类为内部过电压，由于电网系统内部在故障和开关操作时，发生电磁振荡所引起的系统电压升高。P6武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE雷电过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压两种。电力系统防雷工作分两方面：1）输电线路防雷，雷击杆塔的直击雷防护和雷电绕击导线的防护；2）变电站侵入波防护，进线段和避雷器保护。内部过电压按其持续作用的时间，可分稳态性质的暂时过电压和暂态性质的操作过电压两种。暂时过电压作用时间可达秒级以上，其形式有工频过电压和谐振过电压；操作过电压的持续作用时间一般为几毫秒至几十毫秒，但在特殊条件下，可能产生纳秒级的操作过电压波。电力系统过电压总的可看作为系统发生的电磁暂态过程，主要研究方法：1）理论分析；2）模拟试验和现场过电压实测；3）计算机仿真电磁暂态仿真计算平台———EMTP机理研究、影响因素分析和防护措施P7武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE2、配电网过电压配电网的电压等级有:6kV、10kV、35kV和60kV。这类电网特点：系统中性点接地方式较复杂、绝缘水平较低、系统规模大、电缆线路大量采用。配电网的中性点接地方式有：中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式、中性点经小电阻接地方式、中性点经中值电阻接地方式、消弧线圈与电阻的组合方式和采用消弧柜接地方式。正由于这类电网的特点，故系统产生的电磁暂态现象较复杂、输电线路雷击跳闸率较高和变电站防雷保护较困难。P8武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE2.1.1配电网中的铁磁谐振过电压配电网发生铁磁谐振主要有两种形式：PT饱和引起的铁磁谐振、断线引起的铁磁谐振配电网一般采用JDZ型电磁式PT，铁磁谐振会造成熔断器熔丝频繁熔断或烧毁PT的事故。仿真计算结果表明：当系统线路较短（线路等值对地电容较小）时，系统带母线合闸或线路发生单相弧光接地自动消失时，会激发起基频谐振或分频谐振，引起系统过电压与PT过电流；当系统线路较长（线路等值对地电容较大）时，系统发生单相弧光接地自动消失时，其产生的暂态冲击会在PT和三相线路对地电容回路中，引发超低频振荡，这会在PT中产生极大的过电流。2.1配电网内部过电压铁磁谐振过电压、弧光接地过电压P9武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE仿真计算数据表明：对于3PT接线方式，当系统突然合闸或单相接地消失时，系统会发生谐振或超低频振荡。当系统参数处于0.3637≤XCo/XLe≤1.8174范围时（XCo是系统对地电容的容抗；XLe是系统额定电压下的PT励磁感抗），系统可能发生基频谐振，最大谐振过电压为3.05p.u，最大过电流为0.0571A；当系统参数处于0.1212≤XCo/XLe≤0.9087范围时，系统可能发生分频谐振，最大谐振过电压为1.96p.u，最大过电流为0.1711A；当系统参数处于XCo/XLe≤0.091范围时，系统可能发生超低频振荡（包括三分之一频），最大振荡过电压为2.00p.u，过电流随线路对地电容的增大而增加。当系统电容电流≥20A时，由超低频振荡产生的过电流，就会大于PT高压熔断器的熔断电流（0.5A）。P10武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE仿真计算数据表明：对于4PT接线方式，其可以有效抑制基频或分频谐振；4PT可以抑制超低频振荡过电流，但存在闭口三角形环流过大的问题，当系统电容电流≥50A时，由超低频振荡引起的闭口三角形绕组中的环流，就将大于其最大允许电流值(12A)。建议在每组PT的闭口三角形回路中串入功率为200W、阻值100Ω的电阻，就可以限制闭口三角形绕组中的环流。PT高压侧中性点经线性电阻或者是非线性电阻（LXQ型消谐器）接地，可以消除谐振以及抑制超低频振荡现象。推荐使用LXQ型消谐器，但在系统间歇电弧接地持续较长或其他恶劣运行条件下，它的热容量问题有待考核。电网中性点经消弧线圈接地，可以消除谐振以及抑制超低频振荡现象。P11武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE2.1.2配电网的电弧接地过电压当系统发生单相接地故障时，其表现为在接地电流（即系统的电容电流）过零时电弧暂时熄灭，随后在故障点恢复电压作用下，又出现电弧重燃，这种故障点电弧重燃和熄灭的间歇性现象，引起电力系统状态瞬间改变，从而导致整个系统发生电磁振荡，引起电弧接地过电压。电弧的熄灭和重燃时间是决定电弧接地过电压的重要因素。分析电弧接地过电压产生机理有：高频熄弧理论、工频熄弧理论。典型的电弧接地过电压仿真计算典型波形,见图2-2和图2-3。图2-2系统三次重燃产生的典型过电压波形（依据高频熄弧理论)P12武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE图2-2中：在5ms处，即A相正峰值处对地燃弧，系统开始高频振荡，在单相接地高频电流第一个过零点5.556ms熄弧，这时由于系统产生了一个负的直流分量，它与电源电压叠加的结果使得三相电压波形下移；在15ms处，A相电压达负峰值处发生第二次重燃，并在15.554ms处第二次高频熄弧，系统产生了一个正的直流分量，它与电源电压叠加的结果使得三相电压波形开始向上移；在25ms处第三次重燃，之后A相电压趋于零，非故障相电压则按系统线电压变化。图2-3系统三次重燃产生的典型过电压波形（依据工频熄弧理论）P13武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE2.1.3配电网中的CVT过电流现象一般面向用户的配电网都采用电磁式的电压互感器，用以监测系统电压、保护和计量。在电磁式电压互感器中产生过电流，主要是系统中发生了铁磁谐振引起的。而在超高压变电站的35kV补偿系统中，一般采用电容式电压互感器(简称CVT)进行测量和保护。在超高压变电站的补偿系统中，由于系统有操作频繁、系统参数变化大的特点，流过CVT的暂态电流很大，从而可能造成CVT熔断器的熔丝频繁熔断。根据CVT的特性分析，可能引起过电流的系统操作方式有：1）系统单相接地故障引起CVT的过电流；2）系统合闸操作引起CVT的过电流；3）35kV无功补偿系统操作引起CVT的过电流。P14武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE1)系统单相接地故障引起CVT的过电流某35kV补偿系统参数，当A相发生单相接地故障(设故障点距CVT为5km)时，流经CVT熔断器过电流的仿真计算波形如图2-4所示。图2-4单相接地故障时流经CVT的过电流图2-4中，由左到右依次为流经B、C相CVT熔断器的过电流波形。由图可以看出，在系统发生单相接地故障时，会引起CVT过电流，有可能造成CVT熔断器熔断。P15武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE2)系统合闸操作引起CVT的过电流本站主变给补偿系统供电操作引起CVT的过电流根据某500kV变电站的实际参数，当系统A相电压为峰值时合闸操作，流经CVT的电流波形见图2-5。图2-5流经A、B和C相CVT熔断器的电流波形由图2-5分析可知，进行系统合闸操作时CVT会产生较大的过电流，且持续时间很长，有可能造成CVT熔断器熔断。(file彻底修正合闸.pl4;x-vart)c:XX0093-X0001A0.00.20.40.60.81.0[s]-12-8-404812[A]A相熔断器电流波形(file彻底修正合闸.pl4;x-vart)c:XX0115-X0001Bc:XX0155-X0001C0.00.20.40.60.81.0[s]-6-4-20246[A]BC相熔断器电流P16武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE由理论分析可知：合闸操作造成CVT过电流原因是电容电压不能突变引起的，CVT过电流的大小应与施加电压的瞬时值有关，即与合闸相角有关。当合闸相角为0度时，即A相电源为额定电压峰值时合闸，此时的过电流最大，过电流的持续时间也最长；当合闸相角为90度时，此时电源电压过零点，过电流最小。仿真计算表明，主变漏抗大小对CVT过电流有影响。当考虑加入母线电容进行仿真，结果表明:三相CVT投入合闸操作过电流明显减小，且对地电容越大，过电流越小。P17武汉大学高电压与绝缘技术研究所WUHANUNIVERSITYHIGHVOLTAGEANDINSULATIONRESEARCHINSTITUTE由输电线路给补偿系统供电操作引起CVT的过电流当线路已经带电，由本站进行合闸操作对35kV补偿系统供电，仿真计算得到的过电流波形见图2-6。图2-6带线路本站对CVT进行合闸操作产生的过电流波形由图2-6分析可知，这种对CVT进行合闸操作产生的过电流，在起始阶段有个尖峰，这是因为长距离传输线存在对地电容，合闸瞬间已充电的