高電壓技術(shù)78課件

第三篇

過電壓防護(hù)與絕緣配合8.3電力系統(tǒng)防雷保護(hù)

電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)包括了線路、變電所、發(fā)電廠等各個(gè)環(huán)節(jié)。本節(jié)內(nèi)容：8.3.1輸電線路的防雷保護(hù)8.3.2發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)1.輸電線路上的感應(yīng)雷過電壓

雷擊線路附近地面時(shí)，在線路的導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓，由于雷擊地面時(shí)雷擊點(diǎn)的自然接地電阻較大，雷電流幅值I一般不超過100kA。實(shí)測(cè)證明，感應(yīng)過電壓一般不超過300-400kV，對(duì)35kV及以下水泥桿線路會(huì)引起一定的閃絡(luò)事故；對(duì)110kV及以上的線路，由于絕緣水平較高，所以一般不會(huì)引起閃絡(luò)事故。感應(yīng)雷過電壓同時(shí)存在于三相導(dǎo)線，故相間不存在電位差，只能引起對(duì)地閃絡(luò)，如果二相或三相同時(shí)對(duì)地閃絡(luò)即形成相間閃絡(luò)事故。

設(shè)避雷線和導(dǎo)線懸掛的對(duì)地平均高度分別為hg和hc,若避雷線不接地，則根據(jù)教材公式(8-18)可求得避雷線和導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓分別為和。于是

2.輸電線路的耐雷水平

我國(guó)110kV及以上線路一般全線都裝設(shè)避雷線，而35kV及以下線路一般不裝設(shè)避雷線，中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)有避雷線的線路遭受直擊雷一般有三種情況：①雷擊桿塔塔頂；②雷擊避雷線檔距中央；③雷電繞過避雷線擊于導(dǎo)線，如圖8-21所示。圖8-21有避雷線線路直擊雷的三種情況

雷擊塔頂前，雷電通道的負(fù)電荷在桿塔及架空地線上產(chǎn)生感應(yīng)正電荷；當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，雷通道中的負(fù)電荷與桿塔及架空地線上的正感應(yīng)電荷迅速中和形成雷電流，如圖8-22（a）所示。圖8-22（a）雷擊塔頂時(shí)雷電流的分布(b)雷擊塔頂時(shí)等值電路

對(duì)于一般高度(40m以下)的桿塔，在工程近似計(jì)算中采用圖8-22（b）的集中參數(shù)等值電路進(jìn)行分析計(jì)算，考慮到雷擊點(diǎn)的阻抗較低，故略去雷電通道波阻的影響。

圖8-22（a）雷擊塔頂時(shí)雷電流的分布(b)雷擊塔頂時(shí)等值電路（2）雷擊避雷線檔距中央

雷擊避雷線檔距中央時(shí)，雷擊點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較大的過電壓，如圖8-23所示，根據(jù)彼德遜法則，由教材中公式（8-15），雷擊點(diǎn)A的電壓為：

式中—避雷線的波阻抗圖8-23雷擊避雷線檔距中央1—避雷線2—導(dǎo)線3.輸電線路的雷擊跳閘率

雷電流超過線路的耐雷水平，會(huì)引起線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)。這時(shí)，雷電流沿閃絡(luò)通道入地，但持續(xù)時(shí)間只有幾十

，線路斷路器來不及動(dòng)作。閃絡(luò)后是否會(huì)引起線路跳閘，還要看閃絡(luò)能不能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的工頻電弧。其概率稱為建弧率以

表示，與沿絕緣子串和空氣間隙的平均運(yùn)行電壓梯度有關(guān)。可用下式表示：式中：E—絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度，kV(有效值)/m。

雷擊桿塔頂部發(fā)生閃絡(luò)并建立電弧引起跳閘的次數(shù),雷繞過避雷線擊于導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)并建立電弧引起跳閘的次數(shù)。有避雷線線路的雷擊跳閘率n可按下式計(jì)算：式中：N—落雷次數(shù)，次/(100km·a)；

—建弧率；

g—擊桿率；—超過雷擊桿塔頂部時(shí)耐雷水平的雷電流概率；

—超過雷繞擊導(dǎo)線時(shí)耐雷水平的雷電流概率；

—繞擊率(包括平原和山區(qū))。4.輸電線路的防雷措施輸電線路的防雷措施主要做好以下“四道防線”：防止輸電線路導(dǎo)線遭受直擊雷；防止輸電線路受雷擊后絕緣發(fā)生閃絡(luò)；防止雷擊閃絡(luò)后建立穩(wěn)定的工頻電弧；防止工頻電弧后引起中斷電力供應(yīng)。確定輸電線路防雷方式時(shí)，還應(yīng)全面考慮線路綜合因素，因地制宜地采取合理的保護(hù)措施。

8.3.2發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)

發(fā)電廠和變電所是電力系統(tǒng)的樞紐，設(shè)備相對(duì)集中，一旦發(fā)生雷害事故，往往導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、變壓器等重要電氣設(shè)備的損壞，更換和修復(fù)困難，并造成大面積停電，嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活。因此，發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)要求十分可靠。

變電所中出現(xiàn)的雷電過電壓的兩個(gè)來源：雷電直擊變電所；沿輸電線入侵的雷電過電壓波。1.直擊雷過電壓的防護(hù)

直擊雷防護(hù)的措施主要是裝設(shè)避雷針或避雷線，使被保護(hù)設(shè)備處于避雷針或避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)，同時(shí)還必須防止雷擊避雷針或避雷線時(shí)引起與被保護(hù)物的反擊事故。當(dāng)雷擊獨(dú)立避雷針時(shí)，如圖8-27所示。圖8-27雷擊獨(dú)立避雷針1—母線2—變壓器雷電流經(jīng)避雷針及其接地裝置在避雷針h高度處和避雷針的接地裝置上將出現(xiàn)高電位UA(kV)和UG(kV)。圖8-27雷擊獨(dú)立避雷針1—母線2—變壓器式中:i——流過避雷針的雷電流，kA；Ri——避雷針的沖擊接地電阻，單位為Ω；L——避雷針的等值電感；

——雷電流的上升陡度，kA／

。2.侵入波過電壓的防護(hù)

變電所中限制雷電侵入波過電壓的主要措施是裝設(shè)避雷器。如果三臺(tái)避雷器分別直接連接在變壓器的三個(gè)出線套管端部，只要避雷器的沖擊放電電壓和殘壓低于變壓器的沖擊絕緣水平，變壓器就得到可靠的保護(hù)。但在實(shí)際中，變電所有許多電氣設(shè)備需要防護(hù)，而電氣設(shè)備總是分散布置在變電所內(nèi)，常常要求盡可能減少避雷器的組數(shù)，又要保護(hù)全部電氣設(shè)備的安全，加上布線上的原因，避雷器與電氣設(shè)備之間總有一段長(zhǎng)度不等的距離。3.變電所的進(jìn)線段保護(hù)

變電所的進(jìn)線段保護(hù)是對(duì)雷電侵入波保護(hù)的一個(gè)重要輔助措施，就是在臨近變電所1～2km的一段線路上加強(qiáng)防護(hù)。進(jìn)線段保護(hù)的作用在于限制流經(jīng)避雷器的雷電流幅值和侵入波的陡度。35kV～110kV變電所的進(jìn)線段保護(hù)接線如圖8-32所示。

圖8-3235kV～110kV變電所進(jìn)線保護(hù)接線4.變壓器防雷保護(hù)的幾個(gè)具體問題（1）變壓器中性點(diǎn)防雷保護(hù)。當(dāng)三相來波時(shí)，在變壓器中性點(diǎn)的電位理論上會(huì)達(dá)到繞組首端電壓的兩倍，因此需要考慮變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)問題。（2）三繞組變壓器的防雷保護(hù)。高壓側(cè)有雷電過電壓波時(shí)，通過繞組間的靜電耦合和電磁耦合，低壓側(cè)出現(xiàn)一定過電壓。在任一相低壓繞組加裝閥式避雷器。

配電變壓器的防雷保護(hù)接線如圖8-36所示，其3～10kV側(cè)應(yīng)裝設(shè)閥式避雷器FS-3～10或保護(hù)間隙來保護(hù)，構(gòu)成變壓器高壓側(cè)FS的接地端點(diǎn)、低壓繞組的中性點(diǎn)和變壓器金屬外殼三點(diǎn)聯(lián)合接地。（4）配電變壓器的防雷保護(hù)圖8-36配電變壓器的保護(hù)接線5.旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、大型電動(dòng)機(jī)等，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，要求具有十分可靠的防雷保護(hù)。（1）旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)特點(diǎn)在相同電壓等級(jí)的電氣設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣水平是最低的。2)電機(jī)在運(yùn)行中受到發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)、臭氧、潮濕等因素的作用使絕緣容易老化。3)保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)用的磁吹避雷器(FCD型)的保護(hù)性能與電機(jī)絕緣水平的配合裕度很小。4)由于電機(jī)繞組的匝間電容K很小。5)電機(jī)繞組中性點(diǎn)一般是不接地的。6.氣體絕緣變電所的防雷保護(hù)

氣體絕緣變電所(GIS)是將除變壓器以外變電所內(nèi)的高壓電器設(shè)備及母線封閉在一個(gè)接地的金屬殼內(nèi)，殼內(nèi)充以3～4個(gè)大氣壓的SF6氣體作為相間及相對(duì)地的絕緣。GIS變電所具有體積小，占地面積小，維護(hù)工作量小，不受周圍環(huán)境條件影響，對(duì)環(huán)境無電磁干擾，運(yùn)行性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。2)66kV及以上進(jìn)線有電纜段的GIS變電所66kV及以上進(jìn)線有電纜段的GIS變電所，在電纜與架空線路的連接處應(yīng)裝設(shè)金屬氧化物避雷器(FMO1)，其接地端應(yīng)與電纜的金屬外皮連接。1)66kV及以上進(jìn)線無電纜段的GIS變電所66kV及以上進(jìn)線無電纜段的GIS變電所，在GIS管道與架空線路連接處應(yīng)裝設(shè)無間隙金屬氧化物避雷器(FMO1)，其接地端應(yīng)與管道金屬外殼連接。

對(duì)GIS常用的保護(hù)措施:

小結(jié)通常采用耐雷水平和雷擊跳閘率來表示一條線路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果。輸電線路常采用避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)線路絕緣等措施來進(jìn)行防雷。可按雷擊點(diǎn)的不同把線路的落雷分為三種情況：繞擊導(dǎo)線、雷擊檔距中央的避雷線和雷擊桿塔。（本節(jié)完）8.4接地的基本概念及原理8.4.1接地概念及分類8.4.2接地電阻，接觸電壓和跨步電壓8.4.3接地和接零保護(hù)8.4.1接地概念及分類

接地就是指將電力系統(tǒng)中電氣裝置和設(shè)施的某些導(dǎo)電部分，經(jīng)接地線連接至接地極。埋入地中并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體稱為接地極。電氣裝置、設(shè)施的接地端子與接地極連接用的金屬導(dǎo)電部分稱為接地線。接地極和接地線合稱接地裝置。接地按用途可分為：工作接地保護(hù)接地防雷接地靜電接地8.4.2接地電阻，接觸電壓和跨步電壓

大地具有一定的電阻率，如果有電流經(jīng)過接地極注入，電流以電流場(chǎng)的形式向大地作半球形擴(kuò)散，則大地就不再保持等電位，將沿大地產(chǎn)生電壓降。設(shè)土壤電阻率為,大地內(nèi)的電流密度為,則大地中電場(chǎng)強(qiáng)度為在靠近接地極處，電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度最大，離電流注入點(diǎn)愈遠(yuǎn)，地中電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度就愈小，因此可以認(rèn)為在相當(dāng)遠(yuǎn)（約20～40m）處，為零電位。電位分布曲線如圖8-42所示。圖8-42接地裝置的電位分布Ut—接觸電壓Us—跨步電壓

接地裝置對(duì)地電位u與通過接地極流入地中電流i的比值稱為接地電阻。

人處于分布電位區(qū)域內(nèi)，可能有兩種方式觸及不同電位點(diǎn)而受到電壓的作用。當(dāng)人觸及漏電外殼，加于人手腳之間的電壓，稱為接觸電壓。當(dāng)人在分布電位區(qū)域內(nèi)跨開一步，兩腳間（水平距離0.8m）的電位差，稱為跨步電位差，即跨步電壓。

本書還分別介紹了幾種典型接地極的接地電阻計(jì)算，請(qǐng)讀者仔細(xì)研讀。8.4.3接地和接零保護(hù)1.發(fā)電廠、變電所的接地保護(hù)

發(fā)電廠、變電所中的接地網(wǎng)是集工作接地、保護(hù)接地和防雷接地為一體的良好接地裝置。一般的作法是：除利用自然接地極以外，根據(jù)保護(hù)接地和工作接地要求敷設(shè)一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，然后再在避雷針和避雷器安裝處增加3～5根集中接地極以滿足防雷接地的要求。

按照工作接地要求，發(fā)電廠、變電所電氣裝置保護(hù)接地的接地電阻應(yīng)滿足：

2.輸電線路的接地保護(hù)

高壓線路每一桿塔都有混凝土基礎(chǔ)，它也起著接地極的作用，其接地裝置通過引線與避雷線相連，目的是使擊中避雷線的雷電流通過較低的接地電阻而進(jìn)入大地。高壓線路桿塔的自然接地極的工頻接地電阻簡(jiǎn)易計(jì)算式為,k為各種型式接地裝置簡(jiǎn)易計(jì)算式系數(shù)，為土壤電阻率。

3.計(jì)算用土壤電阻率

接地電阻除與接地極的形狀、尺寸大小有關(guān)外，還跟土壤電阻率密切相關(guān)。土壤電阻率主要取決于其化學(xué)成分及濕度大小，計(jì)算防雷接地裝置所采用的土壤電阻率應(yīng)取雷季中最大可能的數(shù)值，一般按下式計(jì)算：式中：——土壤電阻率，單位為Ω·m；——雷季中無雨時(shí)所測(cè)得的土壤電阻率，單位為Ω·m；——考慮土壤干燥所取的季節(jié)系數(shù)

接地按用途可分為：工作接地、保護(hù)接地、防雷接地、靜電接地大地具有一定的電阻率，電流以電流場(chǎng)的形式向大地作半球形擴(kuò)散，將沿大地產(chǎn)生電壓降。發(fā)電廠、變電所中的接地網(wǎng)是集工作接地、保護(hù)接地和防雷接地為一體的良好接地裝置小結(jié)（本節(jié)完）

第九章操作過電壓與絕緣配合操作過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)，危害性極大。常見的操作過電壓主要包括：切斷空載線路過電壓、空載線路合閘過電壓、切除空載變壓器過電壓和斷續(xù)電弧接地過電壓這幾種。絕緣配合是指綜合考慮系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種作用電壓、保護(hù)裝置特性及設(shè)備的絕緣特性，最終確定電氣設(shè)備的絕緣水平。9.1切斷空載線路過電壓9.2空載線路合閘過電壓9.3切除空載變壓器過電壓9.4斷續(xù)電弧接地過電壓9.5絕緣配合習(xí)題和參考答案本章內(nèi)容9.1切斷空載線路過電壓切除空載線路是電網(wǎng)中常見操作之一，在切空載線路的過程中，雖然斷路器切斷的是幾十安到幾百安的電容電流，比短路電流小的多，但如果使用的斷路器滅弧能力不強(qiáng)，在切斷這種電容電流時(shí)就可能出現(xiàn)電弧的重燃，從而引起電磁振蕩，造成過電壓。本節(jié)內(nèi)容9.1.1產(chǎn)生原理9.1.2影響因素和降壓措施用單相集中參數(shù)的簡(jiǎn)化等效電路來分析，如圖9-1，S斷開之前線路電壓UC(t)=e(t),設(shè)第一次熄弧（設(shè)時(shí)間為t1）發(fā)生斷路器的工頻電容電流ic(t)過零時(shí)，如圖9-2，線路上電荷無處泄放，uc(t)保留為Em，觸頭間電壓ur(t)為:

Ur(t)=e(t)-Em=Em(coswt-1)(9-1)9.1.1產(chǎn)生原理圖9-1切除空載線路時(shí)的等值計(jì)算電路圖圖9-2切除空載線路過電壓的發(fā)展過程半周期后，e(t)=-Em，兩觸頭間電壓即恢復(fù)電壓2Em。此時(shí)若觸頭間的介質(zhì)絕緣強(qiáng)度沒有很好恢復(fù)，或絕緣恢復(fù)強(qiáng)度的上升速度不夠快，可能在t2時(shí)電弧重燃，相當(dāng)于一次反極性重合閘。UCmax達(dá)到-3Em，設(shè)在t＝t3時(shí)高頻(重合閘過程，回路振蕩的角頻率,大于工頻下的M)電容電流第一次過零時(shí)熄弧，uc(t)保持-3Em，又過T／2，e(t)又達(dá)最大值，觸頭間電壓ur(t)為4Em。依此類推，直至觸頭間絕緣足夠高，不再重燃為止。線路上的過電壓將不斷增大，一直達(dá)到很高的數(shù)值。圖9-2切除空載線路過電壓的發(fā)展過程9.1.2影響因素和降壓措施影響過電壓的最大值的因素：1)斷路器的性能；2)中性點(diǎn)接地方式；3)母線上的出線數(shù)4)在斷路器外側(cè)裝有電磁式電壓互感器等設(shè)備消除或降低操作過電壓采取的措施如下：（1）改善斷路器的結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生重燃現(xiàn)象（2）斷路器加裝并聯(lián)電阻（3）利用避雷器保護(hù)（4）泄流設(shè)備的裝設(shè)圖9-3帶并聯(lián)電阻斷路器1—主觸頭2—輔助觸頭R—并聯(lián)電阻產(chǎn)生原理原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)影響因素和降壓措施影響過電壓的最大值的因素（4點(diǎn)）消除或降低操作過電壓采取的措施小結(jié)（本節(jié)完）9.2空載線路合閘過電壓電力系統(tǒng)中，空載線路合閘過電壓也是一種常見的操作過電壓。通常分為兩種情況，即正常操作和自動(dòng)重合閘。由于初始條件的差別，重合閘過電壓的情況更為嚴(yán)重。近年來由于采用了種種措施（如采用不重燃斷路器、改進(jìn)變壓器鐵芯材料等）限制或降低了其他幅值更高的操作過電壓，空載線路合閘過電壓的問題就顯得更加突出。本節(jié)內(nèi)容9.2.1發(fā)展過程9.2.2影響因素和降壓措施

這種操作通常出現(xiàn)在線路檢修后的試送電。此時(shí)線路上不存在任何異常（如接地）。線路電壓的初始值為零。正常合閘時(shí)，若三相接線完全對(duì)稱，且三相斷路器完全同步動(dòng)作，則可按照單相電路進(jìn)行分析研究。在這里我們用集中參數(shù)等值電路的方法分析這種過電壓的發(fā)展機(jī)理。1.正常合閘的情況圖9-4合閘示意圖（a）集中參數(shù)等值電路（b）簡(jiǎn)化等值電路9.2.1發(fā)展過程

在圖9-4(a)所示的等值電路中，其中空載線路用一T型等值電路來代替,RT、LT、CT分別為其等值電阻、電感和電容，u為電源的電阻和電感。在作定性分析時(shí)，還可忽略電源和線路電阻的作用，這樣就可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成圖9-4(b)所示的簡(jiǎn)單振蕩回路，其中電感。若取合閘瞬間為時(shí)間起算點(diǎn)(t＝0)，則電源電壓的表達(dá)式為（9-2）（9-3）求得UΦ為穩(wěn)態(tài)分量；－UΦ

為自由振蕩分量。

僅關(guān)心過電壓幅值時(shí)：過電壓幅值＝穩(wěn)態(tài)值＋振蕩幅值＝穩(wěn)態(tài)值＋（穩(wěn)態(tài)值－起始量）＝2×穩(wěn)態(tài)值－起始量對(duì)于空載線路，不存在殘余電壓，起始值為零，可得：UCmax=2UΦ回路存在衰減的振蕩，以衰減系數(shù)δ來表示：（9-4）再者，電源是工頻交流電壓u(t),這時(shí)uc(t)表達(dá)式將為（9-5）波形如圖9-5(b）圖9-5合閘過電壓波形(a)電源電壓為直流電壓(b)電源電壓為工頻交流電壓由于回路中存在的損耗，我國(guó)實(shí)測(cè)的過電壓的最大倍數(shù)為1.9～1.96倍。以上是正常合閘的情況，空載線路L沒有殘余電荷，初始電壓UC(0)＝0。如果是自動(dòng)重合閘的情況，那么條件將更為不利，主要原因在于這時(shí)線路上有一定殘余電荷和初始電壓，重合閘時(shí)振蕩將更加激烈。自動(dòng)重合閘是線路發(fā)生跳閘故障后，由自動(dòng)裝置控制而進(jìn)行的合閘操作。2.自動(dòng)重合閘的情況

圖9－6為系統(tǒng)中常見的單相短路故障的示意圖。在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，A相發(fā)生對(duì)地短路，短路信號(hào)先后到達(dá)斷路器Q2,Q1。斷路器S2先跳閘，在斷路器Q2跳開后，流過斷路器Q1中鍵全相的電流是線路電容電流，故當(dāng)電壓電流相位相差900時(shí)，斷路器Q1跳閘。于是在健全相線路上將留有殘余電壓。圖9-6重合閘示意圖

設(shè)Q1重合閘之前，線路殘余電壓已下降30％，即(1－0.3）×(1.3~1.4UΦ)=(0.91～0.98)UΦ?？紤]最嚴(yán)重的情況，重合閘時(shí)電源電壓為－UΦ，重合閘時(shí)暫態(tài)過程中過電壓為－UΦ＋[-UΦ-(0.91～.98)UΦ]=(-2.91～2.98)UΦ。在實(shí)際過程中，過電壓還要低些。在合閘過電壓中，以三相重合閘的情況最為嚴(yán)重。9.2.2影響因素和降壓措施以上對(duì)合閘過電壓的分析也是考慮最嚴(yán)重的條件、最不利的情況。實(shí)際出現(xiàn)的過電壓幅值會(huì)受到一系列因素的影響，最主要的有：合閘相位線路損耗線路殘余電壓的變化1.合閘相位

合閘時(shí)電源電壓的瞬時(shí)值取決于它的相位，相位的不同直接影響著過電壓幅值，若需要在較有利的情況下合閘，一方面需改進(jìn)高壓斷路器的機(jī)械特性，提高觸頭運(yùn)動(dòng)速度，防止觸頭間預(yù)擊穿的發(fā)生；另一方面通過專門的控制裝置選擇合閘相位，使斷路器在觸頭間電位極性相同或電位差接近于零時(shí)完成合閘。2.線路損耗

線路上的電阻和過電壓較高時(shí)線路上產(chǎn)生的電暈都構(gòu)成能量的損耗，消耗了過渡過程的能量，而使得過電壓幅值降低。3.線路上殘壓的變化

在自動(dòng)重合閘過程中，由于絕緣子存在一定的泄漏電阻，大約有0.5s的間歇期，線路殘壓會(huì)下降10％～30％。從而有助于降低重合閘過電壓的幅值。另外如果在線路側(cè)接有電磁式電壓互感器，那么它的等值電感和等值電阻與線路電容構(gòu)成一阻尼振蕩回路，使殘余電荷在幾個(gè)工頻周期內(nèi)泄放一空。合閘過電壓的限制、降低措施主要有:(一)裝設(shè)并聯(lián)合閘電阻——最有效的措施圖9-3帶并聯(lián)電阻斷路器如圖9-3所示，這時(shí)應(yīng)先合輔助觸頭2、后合主觸頭1。整個(gè)合閘過程的兩個(gè)階段對(duì)阻值的要求是不同的：在合輔助觸頭2的第一階段，R對(duì)振蕩起阻尼作用，使過渡過程中的過電壓最大值有所降低，R越大、阻尼作用越大、過電壓就越小，所以希望選用較大的阻值；大約經(jīng)過8～15ms，開始合閘的第二階段，主觸頭1閉合，將R短接，使線路直接與電源相連，完成合閘操作。

在第二階段，R值越大，過電壓也越大，所以希望選用較小的阻值。因此，合閘過電壓的高低與電阻值有關(guān)，某一適當(dāng)?shù)碾娮柚迪驴蓪⒑祥l過電壓限制到最低。圖9-7為500kV開關(guān)并聯(lián)電阻與合閘過電壓的關(guān)系曲線，當(dāng)采用450Ω的并聯(lián)電阻時(shí)，過電壓可限制在2倍以下。圖9-7合閘電阻R與過電壓倍數(shù)K0的關(guān)系（2）控制合閘相位

通過一些電子裝置來控制斷路器的動(dòng)作時(shí)間，在各相合閘時(shí)，將電源電壓的相位角控制在一定范圍內(nèi)，以達(dá)到降低過電壓的目的。具有這種功能的同電位合閘斷路器在國(guó)外已研制成功．它既有精確、穩(wěn)定的機(jī)械特性、又有檢測(cè)觸頭間電壓(捕捉向電位瞬間)的二次選擇回路。（3）利用避雷器來保護(hù)

安裝在線路首端和末端(線路斷路器的線路側(cè))的ZnO或磁吹避雷器，均能對(duì)這種過電壓進(jìn)行限制，如果采用的是現(xiàn)代ZnO避雷器，就有可能將這種過電壓的倍數(shù)限制到1.5～1.6。發(fā)展過程正常合閘的情況自動(dòng)重合閘的情況影響因素和降壓措施合閘相位線路損耗線路殘余電壓的變化小結(jié)（本節(jié)完）9.3切除空載變壓器過電壓正常運(yùn)行時(shí),空載變壓器表現(xiàn)為一勵(lì)磁電感。切除空載變壓器就是開斷一個(gè)小容量電感負(fù)荷，會(huì)在變壓器和斷路器上出現(xiàn)很高的過電壓。開斷并聯(lián)電抗器、電動(dòng)機(jī)等，也屬于切斷感性小電流的情況。本節(jié)內(nèi)容9.3.1發(fā)展過程9.3.2影響因素與限制措施變壓器和斷路器上出現(xiàn)過電壓的原因是變壓器的空載電流過零前就被斷路器強(qiáng)制熄弧而切斷，導(dǎo)致全部電磁能量轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量而使電壓升高。9.3.1發(fā)展過程研究表明：切斷100A以上的交流電流時(shí)，開關(guān)觸頭間的電弧通常是在工頻電流自然過零時(shí)熄滅的；當(dāng)所切除的電流很小時(shí)（變壓器的空載電流非常小，只有幾安到幾十安），電弧往往提前熄滅，亦即電流會(huì)在過零之前就被強(qiáng)行切斷，即所謂的截流現(xiàn)象?？捎脠D9-8所示的簡(jiǎn)化等值電路來說明這種過電壓的發(fā)展過程。圖中為變壓器的激磁電感，為變壓器繞組及連接線的對(duì)地電容。圖9-8切除空載變壓器的理想等值電路假如空載電流時(shí)發(fā)生截?cái)啵从赏蝗唤档搅悖?，此時(shí)電源電壓為，則切斷瞬間在電感和電容中所儲(chǔ)存的能量分別為:此后即在、構(gòu)成的振蕩回路中發(fā)生電磁振蕩，在某一瞬間，全部電磁能量均變?yōu)殡妶?chǎng)能量，這時(shí)電容上出現(xiàn)最大電壓若略去截流瞬間電容上所儲(chǔ)存的能量，則式中—變壓器的特性阻抗截流現(xiàn)象通常發(fā)生在電流曲線的下降部分，設(shè)為正值，則相應(yīng)的必為負(fù)值。當(dāng)開關(guān)中突然滅弧時(shí)，中的電流不能突變，將繼續(xù)向充電，使電容上的電壓從“”向更大的負(fù)值方向增大，如圖9-9所示。

此后，在回路中出現(xiàn)衰減性振蕩，其頻率為圖9-9截流前后變壓器上的電壓和電流波形以上介紹的是理想化了的切除空載變壓器過電壓的發(fā)展過程，實(shí)際過程往往要復(fù)雜得多，斷路器觸頭間會(huì)發(fā)生多次電弧重燃。與切除空載線路的情況相反，重燃對(duì)降低過電壓是有利因素。變壓器參數(shù)也會(huì)影響切空變過電壓的幅值。實(shí)際的過電壓將大大低于理想情況下的過電壓。9.3.2影響因素和限制措施影響因素及對(duì)應(yīng)的限制措施主要有：1、斷路器性能切斷小電流的電弧時(shí)性能越好的斷路器，其切空變過電壓的幅值越高。2、變壓器特性優(yōu)質(zhì)導(dǎo)磁材料應(yīng)用日益廣泛，變壓器的激磁電流減小很多；變壓器繞組改用糾結(jié)式繞法以及增加靜電屏蔽等措施，使過電壓有所降低。3、采用避雷器保護(hù)

這種過電壓的特點(diǎn)：幅值比較大，持續(xù)時(shí)間短、能量小，易受限制。4、裝設(shè)并聯(lián)電阻在斷路器的主觸頭上并聯(lián)一線性或非線性電阻，其限值應(yīng)接近于被切電感的工作激磁阻抗（數(shù)萬歐）。發(fā)展過程影響因素和限制措施斷路器性能變壓器特性采用避雷器保護(hù)裝設(shè)并聯(lián)電阻小結(jié)（本節(jié)完）9.4斷續(xù)電弧接地過電壓中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中的單相接地電流(電容電流)較大，接地點(diǎn)的電弧將不能自熄，而以斷續(xù)電弧的形式存在，就會(huì)產(chǎn)生另一種嚴(yán)重的操作過電壓——斷續(xù)電弧接地過電壓。斷續(xù)電弧接地過電壓出現(xiàn)在下列三種情況下后果比較嚴(yán)重：系統(tǒng)中有一些弱絕緣的電氣設(shè)備設(shè)備絕緣在運(yùn)行中可能急劇下降設(shè)備絕緣中有某些潛伏性故障本節(jié)內(nèi)容9.4.1發(fā)展過程9.4.2防護(hù)措施這種過電壓的發(fā)展過程和幅值大小都與熄弧時(shí)間有關(guān)。存在兩種熄弧時(shí)間：

電弧在過渡過程中的高頻振蕩電流過零時(shí)即可熄滅電弧的熄滅發(fā)生在工頻電流過零的時(shí)刻9.4.1發(fā)展過程下面假定電弧的熄滅發(fā)生在工頻電流過零的時(shí)刻，來說明這種過電壓的物理發(fā)展過程：作如下簡(jiǎn)化：1）略去線間電容的影響；2）設(shè)各相導(dǎo)線的對(duì)地電容均相等，即C1=C2=C3=C。就可得如圖9-10(a)所示的等值電路。

設(shè)接地故障發(fā)生于A相，而且是正當(dāng)經(jīng)過幅值時(shí)發(fā)生，這樣A相導(dǎo)線的電位立即變?yōu)榱悖行渣c(diǎn)電位由零升至相電壓，即，B、C兩相的對(duì)地電壓都升高到線電壓、。圖9-10單相接地故障電路圖和向量圖如以u(píng)A，uB，uC代表三相電源電壓；以u(píng)1，u2，u3代表三相導(dǎo)線的對(duì)地電壓，即C1、C2、C3上的電壓，則通過分析可得如圖所示的過電壓發(fā)展過程。按工頻電流過零時(shí)熄弧的理論分析得出的結(jié)論是：

1）非故障相上的最大過電壓為3.5倍；2）故障相上的最大過電壓為2.0倍。長(zhǎng)期以來大量試驗(yàn)研究表明：故障點(diǎn)電弧在工頻電流過零時(shí)和高頻電流過零時(shí)熄滅都是可能的。發(fā)生在大氣中的開放性電弧往往要到工頻電流過零時(shí)才能熄滅；在強(qiáng)烈去電離的條件下，電弧往往在高頻電流過零時(shí)就能熄滅。電弧的燃燒和熄滅會(huì)受到發(fā)弧部位的周圍媒質(zhì)和大氣條件等的影響，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性質(zhì)，因而它所引起的過電壓值具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。9.4.2防護(hù)措施為了消除電弧接地過電壓，最根本的途徑就是消除間歇性電弧，可以通過改變中性點(diǎn)接地方式來實(shí)現(xiàn)。1、采用中性點(diǎn)直接接地方式若中性點(diǎn)接地，單相接地故障將在接地點(diǎn)產(chǎn)生很大的短路電流，斷路器將跳閘，從而徹底消除電弧接地過電壓。目前，110kV及以上電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式。2、采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式采用中性點(diǎn)直接接地方式雖然能夠解決斷續(xù)電弧問題，但每次發(fā)生單相接地故障都會(huì)引起斷路器頻繁跳閘，嚴(yán)重影響供電的連續(xù)性。所以，我國(guó)35kV及以下電壓等級(jí)的配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式。消弧線圈是一個(gè)具有分段鐵芯、電感可調(diào)的電抗器，其伏安特性不易飽和，如圖9-12所示。圖9-12中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地后的電路圖及向量圖(a)電路圖(b)向量圖根據(jù)補(bǔ)償度的不同，消弧線圈可以處于三種不同的運(yùn)行狀態(tài)：1、欠補(bǔ)償消弧線圈的電感電流不足以完全補(bǔ)償電容電流，此時(shí)故障點(diǎn)流過的殘流為容性電流。2、全補(bǔ)償消弧線圈的電感電流恰好完全補(bǔ)償電容電流，此時(shí)流過故障點(diǎn)的殘流為泄露電流。3、過補(bǔ)償消弧線圈的電感電流不僅完全補(bǔ)償電容電流且還有數(shù)量超出，此時(shí)流過故障點(diǎn)的殘流為感性電流。發(fā)展過程防護(hù)措施采用中性點(diǎn)直接接地方式采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式小結(jié)（本節(jié)完）9.5.1絕緣配合的原則與方法9.5.2變電站電氣設(shè)備絕緣水平的確定9.5.3架空輸電線路絕緣水平的確定9.5絕緣配合電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性主要由停電次數(shù)及停電時(shí)間來衡量。造成停電的主要原因之一是絕緣的擊穿，因此電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在很大程度上取決于設(shè)備的絕緣水平和工作狀況。在不過多增加設(shè)備投資的前提下，如何選擇采用合適的限壓措施及保護(hù)措施，就是絕緣配合問題。9.5.1絕緣配合的原則與方法

絕緣配合問題的提出：1、絕緣配合的原則原則：根據(jù)設(shè)備在系統(tǒng)中可能承受的工作電壓及過電壓，考慮限壓裝置的特性和設(shè)備的絕緣特性來確定必要的耐受強(qiáng)度，以便把作用于設(shè)備上的各種電壓所引起的絕緣損壞和影響連續(xù)運(yùn)行的概率，降低到在經(jīng)濟(jì)上和運(yùn)行上能接受的水平。要求：在技術(shù)上處理好各種電壓、限壓措施和設(shè)備絕緣耐受能力三者之間的配合關(guān)系；在經(jīng)濟(jì)上協(xié)調(diào)設(shè)備投資費(fèi)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)和事故損失費(fèi)（可靠性）三者之間的關(guān)系。電氣設(shè)備絕緣水平的確定在330kV及以上的超高壓絕緣配合中，考慮到設(shè)備在運(yùn)行時(shí)要承受運(yùn)行電壓、工頻過電壓及操作過電壓，對(duì)電氣設(shè)備絕緣規(guī)定了短時(shí)工頻試驗(yàn)電壓，對(duì)外絕緣還規(guī)定了干狀態(tài)和濕狀態(tài)下的工頻放電電壓；考慮到在長(zhǎng)期工作電壓和工頻過電壓作用下內(nèi)絕緣的老化和外絕緣的抗污穢性能，規(guī)定了設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間工頻試驗(yàn)電壓；對(duì)于220kV及以下的設(shè)備和線路，考慮到雷電過電壓對(duì)絕緣的作用，規(guī)定了雷電沖擊試驗(yàn)電壓等。從電力系統(tǒng)絕緣配合的發(fā)展階段來看，大體經(jīng)歷了三個(gè)過程：（1）多級(jí)配合（1940以前）由于當(dāng)時(shí)所用的避雷器保護(hù)性能及電氣特性較差，不能把它的特性作為絕緣配合的基礎(chǔ)，因此采用多級(jí)配合的方法。多級(jí)配合的原則：價(jià)格越昂貴、修復(fù)越困難、損壞后果越嚴(yán)重的絕緣結(jié)構(gòu)，其絕緣水平應(yīng)選的越高。2、絕緣配合的方法

多級(jí)配合的缺點(diǎn)：由于沖擊閃絡(luò)和擊穿電壓的分散性，為了使上一級(jí)伏秒特性的下限高于下一級(jí)伏秒,采用多級(jí)配合的方法會(huì)把處于圖9-13中最高位置的內(nèi)絕緣水平提得很高。

圖9-13變電站絕緣水平的四等級(jí)示意圖（2）慣用法按作用于絕緣上的最大過電壓和最小絕緣強(qiáng)度這兩個(gè)隨機(jī)變量進(jìn)行配合。采用這一原則時(shí)，常要求有較大的安全裕度，且不能定量地估計(jì)可能的事故率。確定電氣設(shè)備絕緣水平的基礎(chǔ)是避雷器的保護(hù)水平。雷電或操作沖擊電壓對(duì)絕緣的作用可按圖9-14用工頻耐壓試驗(yàn)等價(jià)。圖9-14確定工頻試驗(yàn)電壓“統(tǒng)計(jì)法”：根據(jù)過電壓幅值和絕緣的耐電強(qiáng)度都是隨機(jī)變量的實(shí)際情況，在已知過電壓幅值和絕緣閃絡(luò)電壓的概率分布后，用計(jì)算的方法求出絕緣閃絡(luò)的概率和線路的跳閘率，在進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上，正確地確定絕緣水平。（3）統(tǒng)計(jì)法（20世紀(jì)70年代以來）絕緣故障率為絕緣在過電壓下遭到損壞的可能性，等于圖9-15中陰影部分的總面積，計(jì)算公式如下：圖9-15絕緣故障概率的估算（4）簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法假定圖9-15中的過電壓概率曲線和絕緣特性概率曲線呈正態(tài)分布，并已知其標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)這些假定，上述兩條概率分布曲線就可以用與某一參考概率相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)表示出來，稱為“統(tǒng)計(jì)過電壓”和“統(tǒng)計(jì)耐受電壓”。在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算絕緣的故障率。絕緣配合的統(tǒng)計(jì)法只能用于自恢復(fù)絕緣，主要是輸變電的外絕緣。9.5.2變電站電氣設(shè)備絕緣水平的確定1、雷電過電壓下的絕緣配合2、操作過電壓下的絕緣配合3、工頻絕緣水平的確定4、長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓試驗(yàn)1、雷電過電壓下的絕緣配合電氣設(shè)備在雷電過電壓下的絕緣水平通常用它們的基本沖擊絕緣水平（BIL）來表示：為閥式避雷器在雷電過電壓下的保護(hù)水平，為雷電過電壓下的配合系數(shù)。我國(guó)使用的經(jīng)驗(yàn)公式：

在電氣設(shè)備與避雷器相距很近時(shí)取1.25，相距較遠(yuǎn)時(shí)取1.4。在按內(nèi)部過電壓作絕緣配合時(shí)，通常不考慮諧振過電壓，因?yàn)樵谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇運(yùn)行方式時(shí)均應(yīng)設(shè)法避免諧振過電壓的出現(xiàn)；此外，也不單獨(dú)考慮工頻電壓升高，而把它的影響包括在最大長(zhǎng)期工作電壓內(nèi)，這樣一來，就歸結(jié)為操作過電壓下的絕緣配合了。2、操作過電壓下的絕緣配合分兩種情況來討論：對(duì)于范圍Ⅰ這一類變電所中的電氣設(shè)備來說，其操作沖擊絕緣水平（SIL）可按下式求得

式中為操作過電壓下的配合系數(shù)。對(duì)于范圍Ⅱ（EHV）這一類變電所的電氣設(shè)備來說，其操作沖擊絕緣水平按下式計(jì)算：

式中操作過電壓下的配合系數(shù)

3、工頻絕緣水平的確定為了檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣是否達(dá)到了以上所確定的BIL和SIL，就需要進(jìn)行雷電沖擊和操作沖擊耐壓試驗(yàn)。它們對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試技術(shù)提出了很高的要求。對(duì)于330kV及以上的超高壓電氣設(shè)備來說，這樣的試驗(yàn)是完全必需的，但對(duì)于220kV及以下的高壓電氣設(shè)備來說，應(yīng)該設(shè)法用比較簡(jiǎn)單的高壓試驗(yàn)去等效地檢驗(yàn)絕緣耐受雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的能力。短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電壓值往往要比額定相電壓高出數(shù)倍，它的目的和作用是代替雷電沖擊和操作沖擊耐壓試驗(yàn)、等效地檢驗(yàn)絕緣在這兩類過電壓下的電氣強(qiáng)度。圖9-16短時(shí)工頻試驗(yàn)電壓確定流程圖凡是合格通過工頻耐壓試驗(yàn)的設(shè)備絕緣在雷電和操作過電壓作用下均能可靠地運(yùn)行。為了更加可靠和直觀，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定：1、對(duì)于300kV以下的電氣設(shè)備（1）絕緣在工頻工作電壓、暫時(shí)過電壓和操作過電壓下的性能用短時(shí)（1min）工頻耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)；（2）絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)。2、對(duì)于300kV及以上的電氣設(shè)備（1）絕緣在操作過電壓下的性能用操作沖擊耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)；（2）絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)。4、長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓試驗(yàn)當(dāng)內(nèi)絕緣的老化和外絕緣的污染對(duì)絕緣在工頻工作電壓和過電壓下的性能有影響時(shí)，尚需作長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓試驗(yàn)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種電壓等級(jí)電氣設(shè)備以耐壓值表示的絕緣水平作出了規(guī)定，見表9-3。由于試驗(yàn)?zāi)康牟煌?，長(zhǎng)時(shí)間工頻高壓試驗(yàn)時(shí)所加的試驗(yàn)電壓值和加壓時(shí)間均與短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)不同。9.5.3架空輸電線路絕緣水平的確定本節(jié)以慣用法作架空輸電線路的絕緣配合，主要內(nèi)容為：絕緣子串中絕緣子片數(shù)的確定、導(dǎo)線對(duì)桿塔的空氣間距的確定。1、絕緣子串中絕緣子片數(shù)的確定在工作電壓下不發(fā)生污閃；雨天時(shí)在操作過電壓下不發(fā)生閃絡(luò)（濕閃）；具有一定的雷電沖擊耐壓強(qiáng)度，保證一定的線路耐雷水平。線路絕緣子串應(yīng)滿足三方面的要求：按工作電壓要求

線路的閃絡(luò)率與該線路的爬電比距密切相關(guān)，根據(jù)線路所在地區(qū)的污穢等級(jí)來選定值，就能保證必要的運(yùn)行可靠性。設(shè)每片絕緣子的幾何爬電距離為（cm），即可按爬電比距的定義得n為絕緣子片數(shù)，為系統(tǒng)最高工作電壓有效值，為絕緣子爬電距離有效系數(shù)。為了避免污閃事故，所需的絕緣子片數(shù)應(yīng)為按內(nèi)部過電壓進(jìn)行驗(yàn)算絕緣子串在操作過電壓的作用下，也不應(yīng)發(fā)生濕閃。即絕緣子串的濕閃電壓在考慮大氣狀態(tài)等影響因素并保持一定的裕度后，應(yīng)大于可能出現(xiàn)的操作過電壓。通常取10％的裕度．則絕緣于的工頻或操作濕閃電壓為

1.1為綜合考慮各種影響因素和必要裕度