電力系統(tǒng)過(guò)電壓：第6章 操作過(guò)電壓2

1、第第6章章常見(jiàn)常見(jiàn)的操作過(guò)電壓有：的操作過(guò)電壓有：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中電弧接地過(guò)電壓空載線路合閘過(guò)電壓切除空載線路過(guò)電壓切除空載變壓器過(guò)電壓操作過(guò)電壓產(chǎn)生的原因：操作過(guò)電壓產(chǎn)生的原因：斷路器操作和各種故障引起的過(guò)渡過(guò)程（初始狀態(tài)振蕩穩(wěn)定狀態(tài)）特點(diǎn)：特點(diǎn)：與暫時(shí)過(guò)電壓相比，操作過(guò)電壓通常具有幅值高，存在高頻振蕩、強(qiáng)阻尼和持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。解決操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}的現(xiàn)狀：解決操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}的現(xiàn)狀：近年來(lái)，由于高壓斷路器滅弧性能的改善，變壓器鐵芯材料的改進(jìn)、避雷器制造水平的提高，限制了切除空載線路和空載變壓器的過(guò)電壓，但空載線路合閘過(guò)電壓仍未得到有效的限制，尤其在超高壓及特高壓系統(tǒng)中，這種過(guò)電壓已成為決定電

2、網(wǎng)絕緣水平的主要依據(jù)。限制操作過(guò)電壓的方法有：在低壓系統(tǒng)中安裝消弧線圈，在高壓線路上裝設(shè)并聯(lián)電抗器，采用帶有并聯(lián)電阻的斷路器，采用避雷器操作過(guò)電壓的影響因素：操作過(guò)電壓的影響因素：電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，斷路器性能、系統(tǒng)接線、運(yùn)行操作方式及限壓設(shè)備的性能。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，單相接地時(shí)，若電弧不能熄滅，也不能穩(wěn)定燃燒，則由于電弧的重燃，可能引起過(guò)電壓。我國(guó)35 kV電壓等級(jí)以下的電網(wǎng)中，經(jīng)常采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(提高供電可靠性)，當(dāng)單相接地電流大于一定值(3-6 kV電網(wǎng)，30 A；10 kV電網(wǎng)，20 A；35 kV電網(wǎng)，10 A)時(shí)，電弧便難以熄滅，然而這種電流還不至于形成穩(wěn)定的電弧，因此形成電弧時(shí)

3、而熄滅時(shí)而燃燒的情況，在電網(wǎng)中引起電磁能量的振蕩，形成間歇性電弧接地過(guò)電壓。當(dāng)發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)，因健全相對(duì)地電壓的起始值與穩(wěn)態(tài)值不同，電容與電源電感會(huì)產(chǎn)生振蕩并引起過(guò)電壓。A相接地B、C相對(duì)地電容充電A相熄弧B、C相電荷平均導(dǎo)致系統(tǒng)電位升高A相接地振蕩2.5p.u.振蕩3.5p.u.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地假定：A相達(dá)到最大值時(shí)對(duì)地閃絡(luò)接地接地maxSS0S0()2UUUUUU1.5p.u. 1.5p.u.( 0.5p.u.2.5p.)u. 如果A相發(fā)生金屬性接地，或電弧熄滅后不再重燃，則在健全相上出現(xiàn)的過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)2.5 p.u.。 +1p.u.0p.u.-

4、0.5p.u.-1.5p.u.-0.5p.u.-1.5p.u.ABC接地電弧通常在過(guò)零時(shí)熄滅。關(guān)于電弧熄滅的理論，目前有幾種，如工頻電流熄弧理論、高頻電流熄弧理論等，一般認(rèn)為發(fā)生在大氣中的開(kāi)放性電弧的熄滅是受工頻電流控制的。起弧時(shí)刻起弧時(shí)刻熄弧時(shí)刻熄弧時(shí)刻0p.u.+1.5p.u.+1.5p.u.ABC熄弧熄弧0p.u.+1.5p.u.+1.5p.u.ABC+ 1.0p.u.+1.0p.u.+1.0p.u.電荷在系統(tǒng)中重新分配系統(tǒng)電位升高1.0 p.u.通過(guò)泄漏電阻慢慢泄放0 p.u.0 p.u.0 p.u.系統(tǒng)整體電位抬升系統(tǒng)整體電位抬升半個(gè)周期之后:+2.0p.u.+0.5p.u.+0.5

5、p.u.ABC0p.u.-1.5p.u.-1.5p.u.maxSS0S0()2UUUUUU21.5p.u. -0.5p.u3.5p.u. （）間歇性電弧接地，健全相上的過(guò)電壓為健全相上的過(guò)電壓為 3.5 p.u.。重燃重燃消除電弧接地過(guò)電壓最根本的途徑是消除間歇性電弧消除間歇性電弧。中性點(diǎn)中性點(diǎn)直接直接接地接地Neutral point directly grounded中性點(diǎn)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈經(jīng)消弧線圈接地接地Arc suppression coil問(wèn)題：中性點(diǎn)接地方式的選擇與哪些因素有關(guān)？?jī)?yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)償流過(guò)故障點(diǎn)的短路電流，使電弧能自行熄滅，系統(tǒng)自行恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。降低故障相上的恢復(fù)電

6、壓上升的速度，減小電弧重燃的可能性。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地*采用等值發(fā)電機(jī)原理可以將三相圖簡(jiǎn)化為單相圖，用于分析電弧斷開(kāi)后，端口上的恢復(fù)過(guò)電壓的情況。jdCLIII流過(guò)故障點(diǎn)的接地電流為Ijd，此電流由兩個(gè)分量組成，一是電容C2，C3在線電壓作用下的電容電流IC，二是消弧線圈電感L在中性點(diǎn)電壓Uph作用下流過(guò)的電感電流IL ，調(diào)節(jié)消弧線圈的電感量，即可改變接地電流大小。 接地電流接地電流電感電流補(bǔ)償電容電流的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為消弧線圈的補(bǔ)償度（或調(diào)諧度），用kr 表示。若電源頻率為 ，則2ph0Lr22Cph/133ULIkICULC01/3LC補(bǔ)償度補(bǔ)償度當(dāng)kr0時(shí)，表示消弧線圈的

7、電感電流小于線路的電容電流(ICIL)，故障點(diǎn)有一容性殘流，稱(chēng)此為欠補(bǔ)償欠補(bǔ)償。當(dāng)kr1，r0時(shí)，表示電感電流大于電容電流(IC Em，因此線路上的電壓要超過(guò)電源電勢(shì)的2倍。 若計(jì)及損耗，但忽略損耗對(duì)0的影響，則：CCm0( )(cosecos)tUtUtt為衰減系數(shù)，我國(guó)330kV，500kV 電網(wǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果， 30 計(jì)及損耗計(jì)及損耗重合閘的情況下，線路上有殘余電荷，相當(dāng)于上圖中電容上有初始電壓，可得到電容上電壓的表達(dá)式為：CCm00( )(coscos)UtUtAtC00Cm1UAU A0值在02間 這種情況下，線路上過(guò)電壓的最大值可達(dá)3UCm。若計(jì)及損耗，則低于此值。 全響應(yīng) =零輸入響應(yīng)

8、+零狀態(tài)響應(yīng)重合閘的情況重合閘的情況 合閘相位 殘余電荷 斷路器合閘的不同期 回路損耗 電容效應(yīng)限制空載線路合閘過(guò)電壓的措施可以從兩方面入手：降低降低線路的穩(wěn)態(tài)電壓分量線路的穩(wěn)態(tài)電壓分量；限制限制其自由電壓分量。其自由電壓分量。 1.降低降低工頻電壓升高工頻電壓升高空載線路上的操作過(guò)電壓是在工頻穩(wěn)態(tài)電壓的基礎(chǔ)上由振蕩產(chǎn)生的。顯然，降低工頻電壓升高會(huì)使操作過(guò)電壓下降。目前超高壓電網(wǎng)中采取的有效措施是裝設(shè)并聯(lián)電抗 器 和 靜 止 補(bǔ) 償 裝 置（SVC），其主要作用是削弱電容效應(yīng)。2.斷路器斷路器裝設(shè)并聯(lián)電阻裝設(shè)并聯(lián)電阻 將線路合閘分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段帶電阻R合閘，即將R與輔助觸頭串聯(lián)。由于R

9、對(duì)振蕩回路起阻尼作用，使過(guò)渡過(guò)程中的過(guò)電壓降低。大約經(jīng)過(guò)815 ms，主觸頭閉合，將R短接，電源直接與線路相連，完成合閘操作，這是合閘的第二個(gè)階段。先合先離R的最佳值：合閘的第一階段，要求 R 值較大，使阻尼效果較好。而在第二階段則要求 R 值小，使短接時(shí)，回路振蕩程度較弱。因此，空載線路合閘過(guò)電壓的大小與合閘電阻值的關(guān)系呈一條 V 形曲線。對(duì) 500kV 線路的斷路器，國(guó)外大多采用 400，國(guó)內(nèi)由于電阻的 熱 容 量 的 原 因 ， 大 多 取 1000 左右。 3.控制控制合閘相位合閘相位空載線路合閘過(guò)電壓的大小與電源電壓的合閘相位有關(guān)，因此可以通過(guò)一些電子裝置來(lái)控制斷路器的動(dòng)作時(shí)間，在各

10、相合閘時(shí)，將電源電壓的相位角控制在一定范圍內(nèi)，以達(dá)到降低合閘過(guò)電壓的目的。4.消除消除線路上的殘余電荷線路上的殘余電荷在線路側(cè)接電磁式電壓互感器，可在幾個(gè)工頻周波內(nèi)，將全部殘余電荷通過(guò)互感器泄放掉。5.裝設(shè)裝設(shè)避雷器避雷器在線路首端和末端裝設(shè)磁吹避雷器或金屬氧化物避雷器，當(dāng)出現(xiàn)較高的過(guò)電壓時(shí)，避雷器應(yīng)能可靠動(dòng)作，將過(guò)電壓限制在允許的范圍內(nèi)。切除空載線路引起過(guò)電壓的原因：切除空載線路引起過(guò)電壓的原因：電弧重燃用用 T型等值電路來(lái)代替一條單相空載線路型等值電路來(lái)代替一條單相空載線路 回路的自振角頻率0T1/LC1.斷路器斷路器開(kāi)斷前：開(kāi)斷前：T1/()LC回路流過(guò)容性電流，線路電壓約等于電源電壓。

11、2.斷路器斷路器開(kāi)斷容性電流并熄開(kāi)斷容性電流并熄弧?；?。電源電壓達(dá)到最大值Em，電流過(guò)零點(diǎn)。此后電源與線路斷開(kāi)，線路保持一個(gè)直流電壓（ Em ）,電源電壓繼續(xù)變化。3.第一次第一次重燃重燃半個(gè)工頻周期之后電源電壓反向，斷路器觸頭之間電壓為2Em，如果此時(shí)斷路器觸頭之間介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度沒(méi)有恢復(fù)到一定的值，就可能發(fā)生電弧重燃。初始值+Em穩(wěn)態(tài)值-Em過(guò)電壓值 -3Em4.高頻高頻過(guò)零熄弧過(guò)零熄弧線路電壓保持為-3Em5.重復(fù)步驟重復(fù)步驟反向燃弧熄弧線路電壓發(fā)展：-3Em5Em-7Em9Em系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，超過(guò) 3Em 的過(guò)電壓概率是很小的，這是因?yàn)檫^(guò)電壓受多種因素影響的緣故。 斷路器斷路器的性能的

12、性能如前所述，斷路器中電弧的重燃是產(chǎn)生過(guò)電壓的根本原因。如果斷路器觸頭分得很快，觸頭間絕緣恢復(fù)強(qiáng)度的上升速度大于觸頭間恢復(fù)電壓上升速度，則電弧就不會(huì)發(fā)生重燃，當(dāng)然也就不會(huì)出現(xiàn)高的過(guò)電壓。中性點(diǎn)中性點(diǎn)接地方式接地方式在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，雖然存在線路間的耦合，但各相可自成獨(dú)立回路，切除空載線路的過(guò)程基本上和以上討論的單相線路情況一樣。但在中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中，三相斷路器分閘不同期會(huì)構(gòu)成瞬間的不對(duì)稱(chēng)電路，使中性點(diǎn)產(chǎn)生位移，相間的耦合，使分閘過(guò)程變得復(fù)雜，過(guò)電壓增高（一般會(huì)比中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)高出 20% 左右）。損耗損耗切除空載線路出現(xiàn)過(guò)電壓后，線路上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈，電暈要消耗能量，相應(yīng)地

13、降低了過(guò)電壓。此外計(jì)及電源及線路損耗也會(huì)使過(guò)電壓降低。其它其它若母線上有很多出線時(shí)，相當(dāng)于加大了母線的電容，電弧重燃后，線路上的殘余電荷重新分配，改變了起始值，因而降低了過(guò)電壓。此外，當(dāng)線路裝有電磁式電壓互感器時(shí)，將泄放線路上的殘余電荷，從而降低了過(guò)電壓。采用采用不重燃斷路器不重燃斷路器國(guó)內(nèi)外制造實(shí)踐已證明，制造不重燃斷路器是完全可能的。我國(guó)的 220kV 斷路器在限制切除空載線路過(guò)電壓方面的性能已大有改善，330kV，500kV 斷路器基本做到了電弧不重燃。在在斷路器裝設(shè)分閘電阻斷路器裝設(shè)分閘電阻在切除線路時(shí)，先打開(kāi)主觸頭，此時(shí)電源通過(guò)分閘電阻R仍和線路相連，線路上的殘余電荷通過(guò)分閘電阻向電

14、源釋放，R上的壓降就是主觸頭兩端的恢復(fù)電壓。R 越小，主觸頭恢復(fù)電壓就越小，即不會(huì)產(chǎn)生重燃。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，輔助觸頭才打開(kāi)，此時(shí)它的恢復(fù)電壓也較低，不會(huì)發(fā)生電弧的重燃，即使發(fā)生重燃，R 將對(duì)其振蕩過(guò)程產(chǎn)生阻尼，使過(guò)電壓降低。線路線路上裝設(shè)泄流設(shè)備上裝設(shè)泄流設(shè)備由前述分析可知，在線路側(cè)若接有并聯(lián)電抗器或電磁式電壓互感器，都能使線路上的殘余電荷得以泄放或產(chǎn)生衰減振蕩，改變幅值與極性，最終降低斷路器間的恢復(fù)電壓，減少重燃的可能性，達(dá)到降低過(guò)電壓的目的。裝設(shè)裝設(shè)避雷器避雷器在線路首末端裝設(shè)可以限制操作過(guò)電壓的磁吹避雷器或金屬氧化物避雷器。電弧電弧熄弧，電感能量轉(zhuǎn)化為電容能量熄弧，電感能量轉(zhuǎn)化為電容能

15、量在正常運(yùn)行時(shí)，空載變壓器可等值為一激磁電感，因此切除空載變壓器相當(dāng)于切除一個(gè)小容量的電感負(fù)荷。在切斷小電感電流時(shí)，由于能量小，通?；〉乐械碾婋x并不強(qiáng)烈，電弧很不穩(wěn)定；加之?dāng)嗦菲魅ル婋x作用很強(qiáng)，可能在工頻電流過(guò)零前使電弧電流截?cái)喽鴱?qiáng)制熄弧。由于截流留在電感中電感中的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電容上的電場(chǎng)能量的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電容上的電場(chǎng)能量，從而產(chǎn)生了過(guò)電壓。切斷空載變壓器的等效電路切斷空載變壓器的等效電路L為變壓器的激磁電抗；C為變壓器本身及連接母線等的對(duì)地電容，其數(shù)值視具體情況而定，約為幾百至幾千皮法，e(t)為電源電勢(shì)；LS為電源電感。 LCLIIII開(kāi)斷前，熄弧時(shí)，若電流為I0，電壓為U0，則：2L

16、012WLI電感儲(chǔ)存能量：2C012WCU電容儲(chǔ)存能量：2Cm200ax2112212CULICU轉(zhuǎn)化222Cmax0000m= ZLLUIUIICCL大C小I0大過(guò)電壓大一般情況下，I0并不大，極限值為激磁電流的最大值，只有幾安到幾十安，可是變壓器的特征阻抗Zm很大，可達(dá)上萬(wàn)歐，故能產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。斷路器斷路器的性能的性能切除空載變壓器引起的過(guò)電壓與截流數(shù)值成正比，斷路器截?cái)嚯娏鞯哪芰τ?，過(guò)電壓 UCmax 就越高。另外，在斷路器開(kāi)斷變壓器的過(guò)程中，由于斷開(kāi)的變壓器側(cè)有很高的過(guò)電壓，而電源側(cè)則是工頻電源電壓，因此，當(dāng)觸頭間分開(kāi)的距離還不夠大時(shí)，在較高的恢復(fù)電壓作用下，可能產(chǎn)生電弧重燃，向

17、電源側(cè)泄放能量，使過(guò)電壓有所降低。 變壓器變壓器的參數(shù)的參數(shù)變壓器L愈大，C愈小，則過(guò)電壓愈高。當(dāng)電感中的磁場(chǎng)能量不變，電容C愈小時(shí)，過(guò)電壓也愈高。此外，變壓器的相數(shù)、線組接線方式、鐵芯結(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)接地方式、斷路器的斷口電容，以及與變壓器相連的電纜線段、架空線段等，都會(huì)對(duì)切除空載壓器過(guò)電壓產(chǎn)生影響。限制過(guò)電壓的措施限制過(guò)電壓的措施 ：在變壓器任一側(cè)裝上普通閥式避雷器，閥式避雷器動(dòng)作之后吸收能量，降低過(guò)電壓幅值。 隔離開(kāi)關(guān)隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)電弧重燃操作時(shí)電弧重燃隔離開(kāi)關(guān)分合空母線操作屬于常規(guī)操作，在分合空母線時(shí)，由于觸頭運(yùn)動(dòng)速度慢(1cm/s數(shù)量級(jí)，不同的制造廠家由于采用不同的技術(shù)有所不同)，開(kāi)關(guān)本

18、身的滅弧能力差，觸頭間會(huì)發(fā)生多次擊穿或燃弧，引起的階躍波(前沿在3-20ns左右)在GIS中傳播并折反射造成快速暫態(tài)過(guò)電壓（Very Fast Transient Overvoltage)。幅值：2 p.u.，也可超過(guò)2.5 p.u.陡度：電壓上升時(shí)間3-20 nsrt=13.3/(/s)TKu頻率數(shù)十至數(shù)百赫茲基本振蕩數(shù)十兆赫茲的高頻振蕩數(shù)百兆赫茲的特高頻振蕩殘余殘余電荷電荷當(dāng)DS開(kāi)斷帶電的GIS母線時(shí)，母線上可能存在的殘余電荷會(huì)影響到VFTO的幅值。電源側(cè)、母線側(cè)以及支撐絕緣子上的過(guò)電壓幅值與殘余電荷近似呈線性關(guān)系。在不同殘余電荷下，同一節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓波形相同，但幅值不同；VFTO幅值較大的

19、節(jié)點(diǎn)和操作支路上受殘余電荷的影響大于GIS內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)。殘余電荷電壓與負(fù)載側(cè)電容電流大小、開(kāi)關(guān)速度、重燃時(shí)刻及母線上的泄漏有關(guān)。其中，電容電流影響最大。開(kāi)斷前電容電流越大，母線上儲(chǔ)存的電荷越多，殘余電荷電壓就越高。變壓器變壓器的入口電容的入口電容CT在分析變電所的防雷保護(hù)時(shí)，因雷電波作用時(shí)間很短，可以忽略變壓器繞組中的電感電流，將變壓器用歸算至首端的對(duì)地電容來(lái)代替，通常稱(chēng)為入口電容。GIS中的VFTO頻率很高，用CT等效變壓器并不失去準(zhǔn)確性。變壓器的入口電容和它的結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)、容量有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，電壓等級(jí)越高、變壓器額定功率越大，CT也相對(duì)越大。VFTO的幅值隨入口電容的增加而增加，有計(jì)算表明

20、:CT每增加1000pF, VFTO幅值約增加0.2 (p.u.)。主要原因是在斷口電弧重燃前，變壓器的等值電容儲(chǔ)存了一定的能量，觸頭擊穿后的放電所致。CT越大儲(chǔ)存的能量越多，VFTO的幅值自然越大，但進(jìn)一步研究表明：隨著CT的增加，VFTO的幅值不一定始終增加，這決定于GIS的結(jié)構(gòu)，特別是所操作母線的尺寸，以及操作的方式。電壓的上升時(shí)間電壓的上升時(shí)間Tr GIS中沖擊電壓的上升時(shí)間Tr在3-20ns之間， Tr增加使VFTO幅值下降，因?yàn)榇藭r(shí)會(huì)表現(xiàn)出一種阻尼作用，使那些Tr 較小時(shí)出現(xiàn)的暫態(tài)電壓的極高頻分量消失。GIS的支路長(zhǎng)度的支路長(zhǎng)度GIS支路的長(zhǎng)度對(duì)VFTO幅值的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律。開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)弧道電阻弧道電阻Rarc的影響的影響開(kāi)關(guān)弧道電阻Rarc對(duì)過(guò)電壓有阻尼作用，其值越大，過(guò)電壓幅值越小。因此，可以考慮在隔離開(kāi)關(guān)上串聯(lián)一電阻降低過(guò)電