第13章 操作過電壓

1、高電壓工程基礎高電壓工程基礎華南理工大學電力學院高電壓工程基礎 13.1 中性點不接地系統(tǒng)電弧接地中性點不接地系統(tǒng)電弧接地 引起的過電壓引起的過電壓 13.2 合閘空載線路引起的過電壓合閘空載線路引起的過電壓 13.3 切除空載線路引起的過電壓切除空載線路引起的過電壓 13.4 切除空載變壓器引起的過電壓切除空載變壓器引起的過電壓 13.5 GIS中的快速暫態(tài)過電壓中的快速暫態(tài)過電壓第第13章章 操作過電壓操作過電壓高電壓工程基礎13.1 中性點不接地系統(tǒng)電弧接地過電壓中性點不接地系統(tǒng)電弧接地過電壓 當中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，經過故障點將流過數(shù)值不大的接地電容電流。 隨著電網的發(fā)展和

2、電壓等級的提高，單相接地電容電流隨之增加，一般 6 l0kV 電網的接地電流超過30A，35 60kV 電網的接地電流超過10A 時電弧便難以熄滅。 但這個電流還不至于大到形成穩(wěn)定燃燒電弧，因此可能出現(xiàn)電弧時燃時滅的不穩(wěn)定狀態(tài)，引起電網運行狀態(tài)的瞬時變化，導致電磁能量的強烈振蕩，并在健全相和故障相上產生過電壓，這就是間歇性電弧接地過電壓間歇性電弧接地過電壓。 過電壓發(fā)展的物理過程過電壓發(fā)展的物理過程高電壓工程基礎中性點不接地系統(tǒng)A相接地時的等值電路及相量圖UA ，UB ，UC：三相電源電壓C1，C2 ，C3：A，B，C三相導線的對地電容（三相對稱C1 = C2 = C3 = C） 健全相升高至

3、線電壓高電壓工程基礎A相單相短路接地電弧熄滅電弧重燃maxSS0()UUUU 每隔半個工頻周期依次發(fā)生熄弧和重燃，健全相的最大過電壓為 3.5p.u.，故障相的最大過電壓為 2.0 p.u.。過電壓產生原因過電壓產生原因： 當發(fā)生間歇性電弧接地時，健全相對地電壓的起始值與穩(wěn)態(tài)值不同，電容與電源電感產生振蕩引起過電壓。高電壓工程基礎 限制過電壓的措施限制過電壓的措施途徑：消除間歇性電弧110kV 及以上電網大都采用中性點直接接地的運行方式（單相短路電流，斷路器跳閘切除故障）我國 35kV 及以下電壓等級的配電網采用中性點經消弧線圈接地的運行方式（補償電容電流）消弧線圈的基本作用消弧線圈的基本作用

4、： 補償流過故障點的短路電流，使電弧能自行熄滅，系統(tǒng)自行恢復到正常工作狀態(tài)。 降低故障相上的恢復電壓上升的速度，減小電弧重燃的可能性。 消弧線圈是一只具有分段鐵心、電感可調的電感線圈，接于系統(tǒng)的中性點處，其電感值按系統(tǒng)的對地電容，或單相接地短路電流的大小來決定。 系統(tǒng)正常工作時，變壓器中性點的電位為零，消弧線圈中沒有電流流過。擋A相發(fā)生接地事故時，中性點電位等于相電壓，此時流過故障點的電流為Ijd，此時IjdIcIL.由于Ic與IL在相位上是相反的，因此調節(jié)消弧線圈的電感量，就可以改變Ijd大小，從而限制短路電流。把電感電流補償電容電流的百分數(shù)稱為消弧線圈的補償度或調諧度，用kr表示 叫做電路

5、的自振角頻率。當kr 1時，表示電感電流大于電容電流，故障點流過感性殘流，稱此為過補償。當kr1時，電感電流與電容電流相互抵消，消弧線圈與三相并聯(lián)電容處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，稱此為全補償。消弧線圈的作用并不是降低弧光接地過電壓，而是起到有利于熄弧和防止重燃的有利作用，使過電壓持續(xù)時間大為縮短，降低了出現(xiàn)高幅值過電壓的概率。2202313/wwLCwwCUwLUIIkphphCLrLCw3/10高電壓工程基礎13.2 合閘空載線路引起的過電壓合閘空載線路引起的過電壓 產生過電壓的物理過程產生過電壓的物理過程輸電線輸電線T電路電路CCm0( )(coscos)UtUtt計劃合閘2Cmm0/1 () UE

6、電源頻率 自振蕩頻率 0T1/LCCCm00( )(coscos)UtUtAt重合閘C0Cm1UU嚴重！嚴重！空載線路合閘時，產生過電壓的根本原因：電容、電感的振蕩，其振蕩電壓疊加在穩(wěn)態(tài)電壓上所致。 高電壓工程基礎 影響過電壓的因素影響過電壓的因素（1）合閘相位 合閘相位是隨機的，有一定的概率分布，與斷路器合閘過程中的預擊穿特性及斷路器合閘速度有關。（2）殘余電荷 過電壓的大小與線路上殘余電荷數(shù)值和極性有關。（3）斷路器合閘的不同期 由于三相線路之間有耦合，先合相相當于在另外兩相上產生殘余電荷。（4）回路損耗 實際輸電線路中，能量損耗（電阻、電暈）會引起振蕩分量的衰減。（5）電容效應 合閘空載

7、長線時，由于電容效應使線路穩(wěn)態(tài)電壓增高，導致了合閘過電壓增高。高電壓工程基礎 限制過電壓的措施限制過電壓的措施（1）降低工頻電壓升高）降低工頻電壓升高 目前超高壓電網中采取的有效措施是裝設并聯(lián)電抗器和靜止補償裝置（SVC），其主要作用是削弱電容效應。（2）斷路器裝設并聯(lián)電阻）斷路器裝設并聯(lián)電阻 第一階段：帶電阻 R 合閘，將 R 與輔助觸頭串聯(lián)。由于 R 對振蕩回路起阻尼作用，使過渡過程中的過電壓降低。 第二階段：大約經 8 15 ms，主觸頭閉合，將 R 短接，電源直接與線路相連。主觸頭輔助觸頭高電壓工程基礎（3）控制合閘相位）控制合閘相位 空載線路合閘過電壓的大小與電源電壓的合閘相位有關，

8、可以通過電子裝置來控制斷路器的動作時間，以達到降低合閘過電壓的目的。 （4）消除線路上的殘余電荷）消除線路上的殘余電荷 在線路側接電磁式電壓互感器，可在幾個工頻周波內，將全部殘余電荷通過互感器泄放掉。（5）裝設避雷器）裝設避雷器 在線路首端和末端裝設磁吹避雷器或金屬氧化物避雷器，當出現(xiàn)較高的過電壓時，避雷器應能可靠動作，將過電壓限制在允許的范圍內。高電壓工程基礎13.3 切除空載線路引起的過電壓切除空載線路引起的過電壓 我國在 35 220 kV 電網中，都曾因切除空載線路時過電壓引起過多次故障。多年的運行經驗證明：若使用的斷路器的滅弧能力不夠強，以致電弧在觸頭間重燃時，切除空載線路的過電壓事

9、故就比較多，因此，電弧重燃是產生這種過電壓的根本原因。 產生過電壓的物理過程產生過電壓的物理過程高電壓工程基礎Cmax1mmmm()3UEEEE Cmax2mmmm( 3)5UEEEE 第一次重燃第一次重燃第二次重燃第二次重燃 若電弧繼續(xù)重燃下去，則可能出現(xiàn) -7Em ，+ 9Em ， 的過電壓，可見電弧的多次重燃是切除空載線路時產生危險的過電壓的根本原因。系統(tǒng)實測結果表明，超過 3Em 的過電壓概率是很小的，這是因為過電壓受多種因素影響的緣故。 高電壓工程基礎 影響過電壓的因素影響過電壓的因素（1）斷路器的性能）斷路器的性能 隨著斷路器制造質量的提高，斷路器已能做到基本上不重燃，使得這類過電

10、壓降到了次要的位置。（2）中性點接地方式）中性點接地方式 中性點非直接接地電網中，三相斷路器分閘不同期會構成瞬間的不對稱電路，使中性點產生位移，相間的耦合，使過電壓增高。 （3）損耗）損耗 電暈要消耗能量，電源及線路損耗使過電壓降低。（4）其它）其它 若母線上有很多出線時，過電壓降低。此外，當線路裝有電磁式電壓互感器時，將泄放線路上的殘余電荷，降低了過電壓。 高電壓工程基礎 限制過電壓的措施限制過電壓的措施（1）采用不重燃斷路器）采用不重燃斷路器（2）在斷路器裝設分閘電阻）在斷路器裝設分閘電阻 切除線路時，先打開主觸頭，R 上的壓降就是主觸頭兩端的恢復電壓。經過一段時間后，輔助觸頭才打開，此時

11、它的恢復電壓也較低，不會發(fā)生電弧的重燃，即使發(fā)生重燃，R 的阻尼使過電壓降低。（3）線路上裝設泄流設備）線路上裝設泄流設備 在線路側若接有并聯(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生衰減振蕩，達到降低過電壓的目的。（4）裝設避雷器）裝設避雷器 高電壓工程基礎13.4 切除空載變壓器引起的過電壓切除空載變壓器引起的過電壓 產生過電壓的物理過程產生過電壓的物理過程2L012WLI2C012WCULCLIIII222Cmax00111222CULICU22Cmax00LUIUCCmax00mLUII ZC過電壓產生原因過電壓產生原因：由于截流截流留在電感中的磁場能量轉化為電 容

12、上的電場能量。高電壓工程基礎 影響過電壓的因素影響過電壓的因素（1）斷路器的性能）斷路器的性能 切除空載變壓器引起的過電壓與截流數(shù)值成正比，斷路器截斷電流的能力愈大，過電壓 UCmax 就越高。（2）變壓器的參數(shù)）變壓器的參數(shù) 變壓器 L 愈大，C 愈小，則過電壓愈高。當電感中的磁場能量不變，電容 C 愈小時，過電壓也愈高。（3）變壓器的相數(shù)、線組接線方式、鐵芯結構、中性點接變壓器的相數(shù)、線組接線方式、鐵芯結構、中性點接地方式、斷路器的斷口電容，以及與變壓器相連的電纜線段、地方式、斷路器的斷口電容，以及與變壓器相連的電纜線段、架空線段架空線段等，都會對切除空載壓器過電壓產生影響。 高電壓工程基

13、礎 限制過電壓的措施限制過電壓的措施 切斷空載變壓器過電壓的特點是：幅值高、頻率高，但持續(xù)時間短、能量小。 只要在變壓器任一側裝上普通閥式避雷器就可以有效限制這種過電壓。計算表明：普通閥型避雷在雷電過電壓下動作后所吸收的能量，要比變壓器線圈中貯藏的能量大一個數(shù)量級。實際運行中也未發(fā)現(xiàn)因切空載變壓器而引起避雷器損壞的情況。由于這種避雷器安裝的目的是用來限制切除空載變壓器過電壓的，所以在非雷雨季節(jié)也不應退出運行。 高電壓工程基礎13.5 GIS中快速暫態(tài)過電壓中快速暫態(tài)過電壓 VFTO產生的機理產生的機理 GIS中隔離開關和斷路器在操作中觸頭運動速度慢（大約1cm/s數(shù)量級），斷口在SF6氣體中會

14、發(fā)生多次的預、重擊穿。在每一個電壓跳變處將產生波前很陡（一般為320ns）的階躍電壓波，并向斷口兩側傳播，并在GIS內不斷地產生、來回地傳遞，并且發(fā)生復雜的折射、反射和疊加，最終暫態(tài)振蕩的頻率劇增，可高達數(shù)百MHz。 高電壓工程基礎高電壓工程基礎 VFTO的特性的特性a. 幅值幅值 GIS中開關操作產生的VFTO幅值一般低于2.0p.u.，也有可能超過2.5p.u.。在同一時刻不同節(jié)點的電壓幅值不同。 b. 陡度陡度 對于正常設計的GIS，電壓上升時間可為320ns，隨電場的非均勻度而異。c. 頻率頻率 1) 幾十至數(shù)百kHz的基本振蕩頻率，此頻率電壓由整個系統(tǒng)決定，絕緣設計不取決于其數(shù)值；

15、2) 數(shù)十MHz的高頻振蕩，由行波在GIS內發(fā)展形成，是構成VFTO的主要部分，決定絕緣設計； 3) 高達數(shù)百MHz的特高頻振蕩，幅值較低。高電壓工程基礎 VFTO的影響因素的影響因素(1) 殘余電荷殘余電荷 當DS開斷帶電的GIS母線時，母線上可能存在的殘余電荷，會影響到VFTO的幅值。電源側、母線側以及支撐絕緣子上的過電壓幅值與殘余電荷近似呈線性關系，殘余電荷越多幅值越高。 (2) 變壓器的入口電容變壓器的入口電容 VFTO的幅值隨入口電容的增加而增加，有計算表明：每增加1000pF，VFTO幅值約增加0.2p.u.。但進一步研究表明：隨著入口電容增加，VFTO的幅值不一定始終增加，這決定

16、于GIS的結構，特別是所操作母線的尺寸，以及操作的方式。 高電壓工程基礎(3) 電壓的上升時間電壓的上升時間 GIS中沖擊電壓的上升時間增加使VFTO幅值下降，因為此時會表現(xiàn)出一種阻尼作用，使那些較小時出現(xiàn)的暫態(tài)電壓的極高頻分量消失。(4) GIS的支路長度的支路長度 GIS支路的長度對VFTO幅值的影響沒有明顯的規(guī)律。 (5) 開關弧道電阻的影響開關弧道電阻的影響 DS起弧時弧道電阻為一時變電阻，對過電壓有阻尼作用。 (6) 其它因素的影響其它因素的影響 GIS的布置、內部結構、接線方式及外部設備等。高電壓工程基礎 VFTO的危害的危害(1) 暫態(tài)地電位升高暫態(tài)地電位升高TGPR 1983年

17、CIGRE調查表明有半數(shù)以上的電站曾發(fā)生TGPR引起的事故。盡管TGPR衰減快，但若無限制會產生火花放電，甚至外殼擊穿，危及人身安全。(2) 對二次設備的影響對二次設備的影響 VFTO可以通過電壓互感器或電流互感器內部的雜散電容傳入與其相連的二次電纜進而進入二次設備，另外，還可以通過接地網進入二次電纜的屏蔽層，進而感應到二次電纜的芯線。(3) 對變壓器的影響對變壓器的影響 系統(tǒng)中主變直接和GIS相連，受VFTO影響很大。例如我國一核電站的500kV GIS，曾先后兩次發(fā)生了VFTO導致變壓器絕緣損壞和線餅燒損的嚴重事故。高電壓工程基礎 VFTO的防護的防護(1) 快速動作隔離開關快速動作隔離開

18、關 使用快速動作隔離開關縮短切合時間，可以減小重擊穿的次數(shù)，降低VFTO出現(xiàn)的幾率。(2) 合閘電阻合閘電阻 開關操作時先串入電阻，阻尼作用使行波上升時間下降、幅值降低。對一個1100kV GIS進行了仿真計算及實測，發(fā)現(xiàn)200的DS合閘電阻可將過電壓幅值降低到1.5pu以下，當合閘電阻為1000時，降低為1.25pu左右。(3) 鐵氧體磁環(huán)鐵氧體磁環(huán) 鐵氧體是高頻導磁材料，將鐵氧體磁環(huán)套在GIS隔離開關兩端的導電桿上，相當于在開關斷口和空載母線間串入了一個阻抗，使VFTO的幅值和陡度降低，同時也減弱行波折反射的疊加。 (4) 改變操作程序和簡化接線改變操作程序和簡化接線 目前，在中國500kV GIS 運行和設計中，有考慮改變操作程序和簡化接線的措施。如中國一個抽水蓄能電站通過改變運行操作程序減少引起VFTO的幾率；正在設計的大型水電站中，也有采用取消變壓器高壓側（