过电压保护原理及防护措施

过电压保护原理及防护措施（天津继电保护培训班2011.7.28）广州石化黎德初[e-mail]过电压保护原理及防护措施今天讲的过电压原理及防护措施这一节课，实际上是大学电力专业所学的“高电压技术”这门课程的主要内容，利用一个上午的时间，主要帮助大家恢复和重新建立对电力系统过电压全面系统的理解，同时希望大家有一次理论升华和再认识的过程！在实际工作中出现的一次设备的绝缘故障问题，首先要想到，系统是否存在过电压，是哪一类过电压，参数配合是否合理；对于新建项目，它的各种防过电压措施和绝缘配合是否合理。重在培养意识和观念，重点在于加强提高认识和应用方面的知识，着眼于解决实际问题。至于理论上的公式推导和数学模型，大家手上可常备几本参考书，便于碰到问题时查阅。同时对于更深层次的问题，知道用什么手段和途径去解决。过电压保护原理及防护措施1明确跟过电压有关的几个重要概念2对过电压的形成机理再认识3对过电压知识进行系统的梳理4结合实际,分析过电压的防护措施5收集整理过电压的事故和实例6总结出一些重要结论,并给出一些思考题。过电压保护原理及防护措施目录第一章前言第二章内部过电压第一节操作过电压的成因及其特点第二节工频电压升高（工频过电压）第三节谐振过电压的成因及其特点--消弧线圈补偿网络的线性谐振--断线谐振过电压--电压互感器因饱和谐振过电压第三章雷电过电压第一节有关雷电的一些知识第二节防雷设施第三节架空线路防雷第四节变电站防雷第四章绝缘配合原则总结参考书第一章前言1什么是电力系统的过电压?2电力系统的过电压是怎样产生的?3电力系统过电压的分类?1什么是电力系统的过电压?超过电力系统最高工作电压(Um)称为电力系统的过电压。两层意思①这里讲的电力系统最高工作电压，是指各个电压等级的最高电压Um；②各个电压等级的最高电压Um，同该等级的额定电压有对应关系；Um：对于研究过电压问题，是一个很重要的参数和符号。几个电压的关系①系统标称电压UN②线路额定电压③同步发电机额定电压④降压变一二次绕组额定电压⑤升压变一二次绕组额定电压⑥电力系统最高工作电压(Um)---系统标称电压(kV)0.3836l015203566110220330500750将超过220kV的系统成为超高压电力系统---线路额定电压线路额定电压跟系统标称电压完全相同---发电机的额定电压发电机的额定电压（kV），一般比直配线路（36l0）额定电压高5%3.156.310.513.815.7517（20222426）大容量的发电机（超过100MW），接入系统方式为发电机-变压器组的接线方式，其额定电压为13.8kV及以上，同系统和厂用电连接都有变压器隔离，分析过电压问题和角度有所不同。---降压变压器对于降压变压器一次绕组的额定电压，与相连线路的额定电压相同。发电厂厂用降压变压器，一次绕组的额定电压与发电机额定电压相同降压变压器二次绕组的额定电压，需要比所连接的系统标称电压高10％两个原因正常运行时降压变二次电压较线路高5%额定负载下降压变内部的电压降约为5%---升压变压器升压变压器一次绕组的额定电压，与发电机额定电压相同升压变压器二次绕组的额定电压，需要比所连接的系统标称电压高10％原因同降压变压器二次绕组的额定电压我国各种电压等级使用情况如下①3、6kV用于发电厂厂用电和配电网电压。②10kV广泛用于配电网电压。③35、66kV为大城市、大工业企业内部的配电网和农村输电网电压。④110、220kV用于电网主干输电线电压。⑤330、500kV用于大电网主网网架电压。⑥500（包括直流输电）、750kV用于系统之间联络线。其中330750kV为西北电网所特有⑦我国已经建成1000kV交流、800kV直流的特高压输电线路的示范工程。系统标称电压同最高工作电压对应关系为：（UN－－→UmkV）UN361015203566110220Um3.67.212182440.572.5126252系统最高工作电压Um是很重要的参数和指标,研究过电压问题时经常要用到。请牢记各个电压等级的最高工作电压Um！过电压的概念系统中的运行电压，如超过该电压等级下相对应的Um，称为过电压。2过电压的产生过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象，电力系统中电路状态或电磁状态的突然变化是产生过电压的根本原因。过电压分为外过电压和内过电压两大类。研究电力系统中各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。制造厂商的电工设备绝缘水平必须保证：①长期耐受工作电压的考验；②必须能够承受在一定时间内的一定幅度过电压冲击；3过电压的分类┍直击雷过电压┍雷电过电压│雷击感应过电压││雷电波侵入过电压│┕雷电地电位反击过电压││┍长线路电容效应过电压│┍工频过电压│不接地系统发生不对称接地││┕甩负荷│┍暂时过电压││││┍线性谐振││┕谐振过电压│铁磁谐振┕内部过电压│┕参数谐振││┍线路合闸和重合闸过电压││空载线路分闸过电压││开断并联电容补偿装置的过电压┕操作过电压│操作空载变压器和并联电抗器等│开断高压感应电动机的过电压┕发生单相接地故障的过电压各类过电压的示意图小结介绍了过电压的概念，各电压等级的最高工作电压，过电压的大概分类。思考题：1各电压等级的最高工作电压(Um)分别为多少？2电力系统过电压的分类。第二章内部过电压内部过电压是由于电力系统故障、或开关操作、或参数配合不当而引起的电网运行状态变化，导致电网中电磁能量发生转化，从而产生瞬时或持续高于电网额定允许电压、并对电气装置可能造成威胁的电压升高。内部过电压分为三大类：操作过电压、工频过电压、谐振过电压。在故障或操作时瞬间发生的过电压称为操作过电压，其持续时间一般在几十毫秒之内；在暂态过渡过程结束以后出现的，持续时间大于0.1秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压。暂时过电压又可以分为工频过电压和谐振过电压。电力系统内部的过电压主要有：（1）操作过电压：由于断路器操作（或出现故障保护动作引起）的过电压。（2）工频过电压：由于电网运行方式的突然改变，引起某些电网工频电压的升高。（3）谐振过电压：由系统电感和电容组成的谐振回路引起的过电压。电力系统的过电压值：（1）相对地暂时过电压和操作过电压的标么值：工频过电压1.0p.u.=Um/√3；谐振过电压和操作过电压1.0p.u.=√2Um/√3（2）系统的工频过电压水平线路断路器的变电所侧1.3p.u.线路断路器的线路侧1.4p.u.对110kV及220kV系统工频过电压一般不超过1.3p.u.；3kV～10kV系统一般不超过1.1√3p.u35kV～66kV系统，一般分别不超过1.1√3p.u和√3p.u。（3）系统的操作过电压水平110-220kV中性点直接接地：3.0p.u.66kV及以下中性点不接地：3.5p.u消弧线卷接地：3.2p.u电阻接地：2.5p.u第一节操作过电压几种描述(E=L·di/dt)：--所谓操作过电压是指当断路器、刀闸进行操作或发生系统故障时,电力系统从一种稳定工作状态通过振荡转变到另一种稳定工作状态的过渡过程中所产生的暂态性质的过电压。--电流通过导体时在其周围建立一个磁场,将能量储存起来,当电流断开或接通时(特别是当导线较长或者切合感性负载、开断容性负载时),磁场的能量将急速释放,形成瞬态过电压。--投切设备或切换线路引起的动态过电压，是指在电网中,有大量的电感电能贮能元件,用开关接通或切断电路时、发生故障性短路或断路时,均将引起动态过电压。--是电磁能量发生振荡的过渡过程。操作过电压，由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短，是毫秒级暂态过程的过压。常见的有：---切除空载线路过电压---空载线路合闸和重合闸过电压---切断空载变压器过电压---切断电动机等电感性负载的过电压---弧光接地过电压---切除电容器过电压---其他操作过电压1.切除空载线路时的过电压切断空载线路或并联电容器组时，可能引起“电感-电容”回路振荡过程，引起过电压，产生电弧重燃，引起电气设备的多次绝缘闪络或击穿事故。用开关切除空载线路时，可能在线路或母线侧出现危险的过电压。在工频条件下，由于，空载线路表现为一个等值的电容负荷，所以切除空载长线时产生的过电压与切除电容器组时产生的过电压性质完全相同。切除空载线路过电压：空载线路属于电容性负载。由于切断过程中交流电弧的重燃而引起更剧烈的电磁振荡,使线路出现过电压。其原理如图所示。t1时刻工频电流熄灭，此时线路仍保持残余电压Uc＝＋Em；t2-t3时高频电弧第一次重燃又熄灭，使线路电压经过振荡达到-3Em；t4-t5时电弧第二次重燃并熄灭，使线路电压达到5Em。如此推演,直至电弧不再重燃、电流最终切断为止。切除电容器等其他电容性负载，都会因电弧重燃而引起上述过程的电弧重燃具有强烈的统计性，过电压幅值=稳态值+（稳态值-初始值稳态值=Em,初始值=-Em,t3时刻的过电压幅值=Em+[Em-（-Em）]=3Em以此类推，t5时刻的过电压幅值为5Em限制措施:－－改善断路器性能,增大触头灭弧能力－－采用带并联电阻（约3000）的开关－－线路上装电磁式放电PT－－并联电抗器－－采用专门的磁吹避雷器2.空载线路合闸和重合闸的过电压系统在合闸初瞬间的暂态过程中，电源电压通过系统的电感和电容，在回路中会发生谐振，因起过电压。合闸过电压有计划性合闸操作和故障后自动重合闸。限制措施:采用带并联电阻的开关图中L为电源和线路的等值电感，C为线路的等值电容,e（t）为交流电源。当开关K突然合上时，在回路中会发生以角频率的高频振荡过渡过程,电容C（即线路）上的电压UC(t)可能达到最大值,即=2Em,Em为交流电源电压幅值。如果合闸前电容C上还有初始电压,合闸后振荡过程中的过电压还可能达到3Em,线路自动重合闸时就会有这种情况。3.切除空载变压器引起的过电压切除空载变压器是电网中常见的一种操作形式。在正常运行的情况下，空载变压器表现为一个励磁电感（它的漏感较小得多，可以忽略），因此切除空载变压器也即是切除电感负载。切除电动机、电抗器时，开关中的电感电流突然被切断，电感中储存的磁能将在被切除的电器和开关上引起过电压。限制措施:采用带并联电阻的开关或高性能的开关。变压器是电感性负载,同时对地还有等值电容。当断路器K突然切断电流时,电流变化率甚大,使变压器上产生甚高的感应过电压。电流切断以后,变压器中残余的电磁能又向对地电容C充电，形成振荡过程，因而出现过电压,称为截流过电压。其波形如图所示。断路器操作切除其他电感性负载也会出现类似的过电压。4.切断电动机等电感性负载的过电压真空断路器切断变压器、电动机等感性负载时，将产生操作过电压。这是因为真空断路器优越的绝缘性能在电弧电流过零点前就被强行切断，引起线路产生感应过电压，同时在感性负载与分布电容之间发生高频振荡，使得电动机等电感性负载端部产生过电压。由于电感电流不在零点时被迫截断，在电感电路中电流突变会感应很高电压，其过电压值与截留值有关，有数值显示这种电感电路中的操作过电压可达7倍额定值以上，如果电动机在起动时断路器跳闸,此时过电压倍数更高。5.弧光接地过电压在中性点不接地系统中发生单相接地故障时，各相的相电压升高，则流过故障点的接地电流也随着增加，许多暂时性的单相弧光接地故障往往能自行熄灭，在接地电流不大的系统中，不会产生稳定的电弧，这种间歇性的电弧引起系统运行方式瞬息变化，导致多次重复性电磁振荡，在无故障相和故障相上产生严重的弧光过电压。限制措施:采用消弧线圈接地或电阻接地方式。6.切除电容器过电压多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电容进行充电而产生的。在真空断路器切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为LC回路充放电的振荡电源，如果触头间的开距不够大，两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿，断路器的恢复电压就会升高，就会发生第二次重燃，