ch5.暫時過電壓

1、-2-3-通常過電壓可以作如下分類：過電壓工頻電壓升高諧振過電壓直擊雷內(nèi)部過電壓雷電過電壓操作過電壓感應雷暫時過電壓內(nèi)部過電壓：(能量來源于電力系統(tǒng)內(nèi)部)在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器操作或發(fā)生故障，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)電磁能量的轉化或傳遞，在系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓。若以持續(xù)時間的長短來區(qū)分內(nèi)部過電壓，一般持續(xù)時間在 0.l s（五個工頻周波）以內(nèi)的過電壓稱為操作過電壓；持續(xù)時間長的過電壓則稱為暫時過電壓。暫時過電壓中，頻率為工頻或接近工頻的過電壓，稱為工頻電壓升高。因系統(tǒng)的電感，電容參數(shù)配合不當，出現(xiàn)的各類持續(xù)時間長、波形周期性重復的諧振現(xiàn)象及其電壓升高，稱為諧振過電壓。-4-在500 kV

2、 輸變電系統(tǒng)中，實測得到的某 336 km 空載線路合閘過電壓隨時間變化的曲線，圖中K0為過電壓倍數(shù)。該線路的斷路器帶有 400 的合閘電阻，線路兩端并聯(lián)電抗器的補償度為 71.5 % 。合閘后 0.ls 前高幅值、強阻尼的高頻振蕩操作過電壓合閘后 0.1 1.0s 時間內(nèi)：暫態(tài)工頻電壓升高由于發(fā)電機自動電壓調(diào)整器的慣性，發(fā)電機的暫態(tài)電勢 Ed 保持不變，再加上空載線路的電容效應，使電壓升高， 1.0s 后，由于發(fā)電機的自動電壓調(diào)整器開始發(fā)生作用，母線電壓逐漸下降。在 2 3s 以后：穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)。-5-對過電壓保護及絕緣配合影響較大的是暫態(tài)工頻電壓升高，當然穩(wěn)態(tài)工頻電壓升

3、高對系統(tǒng)的電氣設備也有一定的影響。 220kV 電壓等級以下一般而言，工頻電壓升高對 220kV 電壓等級以下、線路不太長的系統(tǒng)的正常絕緣的電氣設備是沒有危險的。超高壓系統(tǒng)中工頻電壓升高的重要性超高壓系統(tǒng)中工頻電壓升高的重要性超高壓系統(tǒng)工頻電壓升高對超高壓、遠距離傳輸系統(tǒng)絕緣水平的確定卻起著決定性的作用。避雷器：最大允許工作電壓就是按照電網(wǎng)中工頻電壓升高來確定的。工頻電壓升高的幅度越大，要求避雷器的滅弧電壓越高。斷路器并聯(lián)電阻：工頻電壓升高幅值越大，對斷路器并聯(lián)電阻熱容量的要求也越高，從而給制造低值并聯(lián)電阻帶來困難。操作過電壓：操作過電壓與工頻電壓升高是同時發(fā)生的，因此工頻電壓的升高直接影響操

4、作過電壓的幅值。工頻電壓升高持續(xù)時間長，對設備絕緣及其運行性能有重大影響。例如，可導致油紙絕緣內(nèi)部游離，污穢絕緣子的閃絡、鐵芯的過熱、電暈等。-6-工頻電壓升高的原因工頻電壓升高的原因空載長線的電容效應不對稱短路引起的工頻電壓升高突然甩負荷引起的工頻電壓升高空載長線的電容效應：集中參數(shù)LC串聯(lián)回路的電容效應分布參數(shù)：一條空載長線可以看作由無數(shù)個串聯(lián)的L，C回路構成，在工頻電壓作用下，線路的總容抗一般遠大于導線的感抗，因此線路各點的電壓均高于線路首端電壓，而且愈往線路末端電壓愈高。 1LC-7-若輸電線路為無損長線，可求得線路首末端電壓、電流關系為： 122212cosjsinjsincosUU

5、lI ZlUIlIlZ參見邱關源電路1212cosj sin=sinjcoslZlUUllIIZ式中 Z ：線路的波阻抗， ：相位系數(shù)，（為電源角頻率，L0，C0分別為導線單位長度的電感與電容），對于輸電線路，通常0.06/km；l ：線路的長度，km。 00L C-8-若線路末端開路，即：20I 線路首、末端電壓關系為：21/cosUUl122212cosjsinjsincosUUlI ZlUIlIlZ21cos1lUU線路末端電壓高于首端當2l時，cos0l不論首端電壓為多高，末端電壓將趨于無窮大。24vl此時，線路電感與電容構成諧振狀態(tài)。稱為1/4 波長諧振。 實線為不考慮電源阻抗Xs的

6、情況-9-若考慮電源阻抗Xs1212cosj sin11=sin0101jcossslZlXXUUEllIIIZ 111sEUI XIII線路的集中參數(shù)等效若線路末端開路，從首端往線路看去，可等值為一個阻抗ZR 1R1j ctgUZZlI 1RSRS(ctg )jctgEEUZZlXZXZl-10-線路首端對電源的電壓傳遞系數(shù) 011Sctg/ctgZlKUEZlX線路末端對電源電勢的傳遞系數(shù) 21202S1Sctg11ctgcoscossinUU UZlKXEE UZlXlllZSarctgXZ令則02coscos()Kl工頻電壓升高的情況可能與線路長度，電源阻抗(電源容量)等情況有關，因為

7、電源容量越小，其阻抗越大，故計算工頻電壓升高時，必須計及系統(tǒng)可能出現(xiàn)最小運行方式。電源阻抗Xs越大，工頻電壓升高越嚴重-11-不對稱短路引起的工頻電壓升高：當線路上出現(xiàn)單相或兩相接地故障時，健全相上工頻電壓升高不僅由長線的電容效應所致，還有短路電流的零序分量，也會使健全相電壓升高。 單相接地故障模型2202012202012(1)()(1)()BACAaZaa ZUEZZZaZaa ZUEZZZ使用對稱分量法：AE式中 ：正常運行時故障點處A相電壓；Z1，Z2，Z0：從故障點看進去的電網(wǎng)正序、負序、零序阻抗；-12-13-010101011.53j221.53j22BACAXXUEXXXXUE

8、XX 對于較大電源容量的系統(tǒng)，Z1Z2，若再忽略各序阻抗中的電阻分量R0，R1，R2 則上式可改寫成： 求健全相工頻電壓升高的模：20101(1)01()() 13()2BCUUXXEXXKXEX 單相接地時，健全相電壓升高K(1) 與 X0 / X1 值有關。在不計損耗的前提下，一相接地，兩健全相電壓升高是相等的；若計及損耗，兩健全相電壓升高不相等 。-14-中性點接地3-10 kV系統(tǒng)：X0主要由線路容抗決定，故應為負值(X0/X1=(-20)-(-)。 110RX010,0.5,1.0RX2(1)( 20)( 20) 131.08 31.1 3( 20)2K (a) B相；(b) C相在

9、選擇避雷器滅弧電壓時，取 110% 的線電壓，這時避雷器稱為110% 避雷器。 -15-中性點經(jīng)消弧線圈接地的35-60 kV系統(tǒng)：在過補償狀態(tài)運行時，X0為很大的正值，如取X0/X1=。 采用100% 避雷器。 0120011(1)01()() 1lim 33()2XXXXXXKXX中性點直接接地的110-220 kV系統(tǒng)：X0為不大的正值。一般X0/X13，因此，健全相上電壓升高不大于80%的線電壓，故采用 80% 的避雷器。采用80% 避雷器，如考慮到長線效應，可采用90%避雷器。 2(1)33 130.72 30.8 332K 同一系統(tǒng)，運行方式不同時，若某一點發(fā)生單相接地時，從故障點

10、看進去的零序阻抗與正序阻抗比值將不同，故單相接地系數(shù)K(1) 也不是定值。一般情況下，“大方式”運行時單相接地系數(shù)大。-16-突然甩負荷引起的工頻電壓升高：當線路輸送大功率（有功和感性無功）時，發(fā)電機的電勢高于母線電壓，甩負荷后，發(fā)電機激磁繞組中的磁通來不及變化，與其相應，電源電勢Ed 維持原來的數(shù)值。線路末端斷路器跳閘之后，空線仍由電源充電，電容效應造成工頻電壓升高。從機械過程來看，發(fā)電機突然甩掉一部分有功負荷，而原動機的調(diào)速器有一定慣性，在短時間內(nèi)輸入給原動機的功率來不及減少，主軸上有多余功率，這將使發(fā)電機轉速增加。轉速增加時，電源頻率上升，不但發(fā)電機的電勢隨轉速的增加而增加，而且加劇了線

11、路的電容效應。輸電線路傳送重負荷時，由于某種原因，斷路器跳閘，電源突然甩負荷后，將在原動機與發(fā)電機內(nèi)引起一系列機電暫態(tài)過程，它是造成線路工頻電壓升高的又一原因。-17-工頻電壓升高的限制措施工頻電壓升高的限制措施限制工頻電壓升高的規(guī)定：一般情況下，220kV及以下的電網(wǎng)中不需采取特殊措施限制工頻電壓升高。在330kV，500kV ，750 kV 系統(tǒng)中，工頻電壓升高對確定設備的絕緣水平起著重要的作用，應采取適當措施，將工頻電壓升高限制在一定水平之內(nèi)。目前我國規(guī)定330kV，500kV ，750 kV 系統(tǒng)，母線上的暫態(tài)工頻過電壓升高不超過最高工作相電壓的 1.3 倍，線路不超過 1.4 倍。通

12、常采取以下方法加以限制：利用并聯(lián)電抗器補償空載線路的電容效應利用靜止補償裝置（SVC）限制工頻過電壓 采用良導體地線降低輸電線路的零序阻抗 -18-利用并聯(lián)電抗器補償空載線路的電容效應無損線路末端接有并聯(lián)電抗器 1212cosj sin=sinjcoslZlUUllIIZ無損長線的方程 2p2jUX I電抗器 parctgZX令 21211coscos()cossinUKZUlllL（由零增加，K12減?。┠┒碎_路首端看進去的阻抗： 1R1j ctgUZZlI 末端接電抗器首端看進去的阻抗： 1R1j ctg()UZZlI 則線路首末端電壓的傳遞系數(shù)為： -19-電源對線路首端的傳遞系數(shù)為：

13、1R01RSSctg()jctg()UZZlKEZXXZl電源對線路末端的傳遞系數(shù)為： 其中：020112Scosctg()coscoscos()ctg()cos()ZlKK KlXZllarctgSXZ線路末端電抗器可以降低電壓傳遞系數(shù)線路末端電抗器可以降低電壓傳遞系數(shù)K02 ，從而降低了線路的末端電壓。，從而降低了線路的末端電壓。補償度補償度：并聯(lián)電抗器的容量QL對空載長線電容無功功率QC的比值QL/QC稱為補償度。并聯(lián)電抗器的設置不僅涉及工頻電壓升高的抑制，還涉及系統(tǒng)無功平衡、潛供電流補償、自激過電壓及非全相狀態(tài)下的諧振等問題。其補償度及安裝位置的選擇，必須綜合考慮實際系統(tǒng)的結構、參數(shù)、

14、可能出現(xiàn)的運行方式及故障形式等因素，然后確定合理的方案。-20-21-利用靜止補償裝置（SVC）限制工頻過電壓 并聯(lián)電抗器在工頻過電壓時，將起到限制作用。但平時若一直接入系統(tǒng)，需消耗系統(tǒng)大量的無功功率，造成不必要的浪費。在過去的 10 年中，出現(xiàn)了一種新型的并聯(lián)補償裝置，它采用了可控硅等先進的電子技術。 它包含三個部分：可控硅開關投切電容器組（TSC）；可控硅相角控制的電抗器組（TCR）；調(diào)節(jié)系統(tǒng)。采用良導體地線降低輸電線路的零序阻抗 故障點健全相電壓的升高與由故障點看進去的零序阻抗X0 與正序阻抗X1 的比值有極大關系。X0，X1既包含集中參數(shù)的電機的暫態(tài)電抗、變壓器的漏抗，又包含分布參數(shù)線

15、路的阻抗。一般情況下電源側零序阻抗與正序阻抗之比是小于1的，而線路的零序阻抗與正序阻抗之比則是大于1的。若采用良導體地線，可降低X0 ，進而降低由故障點看進去的零序、正序電抗的比值，達到限制工頻過電壓的目的。計算表明，電源容量愈大，良導體地線降低工頻過電壓愈明顯。-22-23-緣起：電力系統(tǒng)中存在著大量的“儲能元件”，這就是儲靜電能量的電容和儲磁能的電感。這些元件組成了各種不同的振蕩回路，在正常運行時，這些振蕩回路被負載所阻尼或分路，一般不會產(chǎn)生嚴重的振蕩。但在發(fā)生故障時，系統(tǒng)接線方式和參數(shù)發(fā)生改變，就有可能發(fā)生諧振。危害：諧振常常引起嚴重的、持續(xù)時間很長的過電壓；有時，即使過電壓不太高，也會

16、出現(xiàn)一些異?，F(xiàn)象，使系統(tǒng)無法正常運行。類型：線性諧振參數(shù)諧振鐵磁諧振-24-線性諧振線性諧振系統(tǒng)中，等效回路的自振頻率等于或接近電源頻率時形成的諧振現(xiàn)象。01LC實際電力系統(tǒng)中，往往可以在設計或運行時避開這種諧振，因此完全滿足線性諧振的機會是極少的。但是，即使在接近諧振條件下，往往也會產(chǎn)生很高的過電壓。線性諧振過電壓幅值受到回路中損耗（電阻）的限制；同時，在有些情況下，由于諧振時電流的急劇增加，回路中的鐵磁元件趨向飽和，使系統(tǒng)自動偏離諧振狀態(tài)而限制其過電壓幅值。2222222000( )cos()(1)4CEutt 22022arctgRL-25-26-000=0-27-參數(shù)諧振參數(shù)諧振系統(tǒng)中

17、某些電感元件的電感參數(shù)在某種情況下會發(fā)生周期性的變化。在某種參數(shù)搭配下，就有可能產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。參數(shù)諧振所需能量來源于改變參數(shù)的原動機。當電感參數(shù)變化時所引入的能量足以補償回路中的損耗，諧振不斷發(fā)展。對應于一定的回路電阻，有一定的自激范圍。諧振發(fā)生后，理論上振幅趨向無窮大，而不像線性諧振那樣受到回路電阻的限制。但實際上電感的飽和會使回路自動偏離諧振條件，使過電壓得以限制。電感變化(-)磁鏈不能突變電流變化(+)能量突增(+)能量轉移給電容電感變化(+)電感元件的電感參數(shù)周期性變化的典型：發(fā)電機當發(fā)電機帶有電容性負載，如一段空載線路，在某種參數(shù)搭配下，就有可能產(chǎn)生參數(shù)諧振現(xiàn)象。有時將這種現(xiàn)象稱作發(fā)

18、電機的自勵磁或自激。發(fā)電機投入電網(wǎng)運行前，設計部門要進行自激的校核，一般正常情況下，參數(shù)諧振是不會發(fā)生的。-28-鐵磁諧振鐵磁諧振電力系統(tǒng)中發(fā)生鐵磁諧振的機會是相當多的。國內(nèi)外運行經(jīng)驗表明，它是電力系統(tǒng)某些嚴重事故的直接原因。起因：電路中帶有鐵芯的電感元件，會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，其電感不再是常數(shù)，而是隨著電流或磁通的變化而變化。這種含有非線性電感元件的電路，在滿足一定條件時，會發(fā)生鐵磁諧振。c)s(oLCLCdudtduiCdtuEf iut 電感L為非線性電感，要精確求解該電路，必須解非線性微分方程 。當諧振發(fā)生時，回路中不僅僅有基頻分量，還可能存在著高次諧波分量。簡單分析該電路時，可忽略高次諧波

19、分量，只考慮基頻分量，把諧振下的電壓和電流仍看作正弦波求解。 -29-30-只考慮基頻分量時：1LcLEUUUIj C LUcUI電感電容串聯(lián)回路伏安特性曲線可分為兩部分：LcUU電流小時感性電路LcUU電流大時，鐵芯開始飽和容性電路回路的三個平衡點：a1, a2, a3a1, a3是穩(wěn)定平衡點， a2是不穩(wěn)定平衡點，它經(jīng)不起任何的擾動，在擾動下會趨向于a1或 a3 。-31-鐵磁諧振的發(fā)生：a1, a3是電路的穩(wěn)定平衡點，當外加電勢E從小增加時，系統(tǒng)首先穩(wěn)定在a1點。若此時繼續(xù)增大E，則a1點上移，以致于和a2點重合，系統(tǒng)從點跳躍至a3點。在躍變的過程中，電路發(fā)生如下現(xiàn)象：電感鐵芯飽和，回路電流急劇增大。電容電壓急劇增大系統(tǒng)由感性變?yōu)槿菪澡F磁諧振的“激發(fā)”條件：為了建立起穩(wěn)定的諧振點a3，回路必須經(jīng)過強