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用检技师单元制培训课件电力系统内部过电压及其防护电力营销培训学校石富祥培训目录第一部分过电压概述一、过电压概念二、过电压的危害三、过电压的类型第二部分内部过电压一、内部过电压概述二、操作过电压产生的具体原因及限制措施三、谐振过电压产生的具体原因及限制措施第一讲过电压概述过电压的概念在电力系统中，各种电压等级的输配电线路、发电机、变压器以及开关设备等，在正常情况下只承受其额定电压的作用。但在异常情况下，由于某种原因，造成上述电气设备主绝缘或匝间绝缘上的电压在极短时间内远远超过额定值。在没有防护措施和设备本身绝缘水平较低时，将使设备的绝缘击穿，使电力系统的正常运行遭到破坏。通常将这种对电气设备绝缘有危险的电压升高叫做过电压。过电压的危害使电力系统中线路、设备的绝缘弱点发生击穿或闪络，从而破坏了电力系统的正常运行。过电压的类型过电压的产生都是由于电力系统的电磁能量发生瞬间突变引起的。分为：一、外部过电压（大气过电压）：1、直接雷过电压；2、感应雷过电压（雷电侵入波）。二、内部过电压：1、操作过电压；2、电磁谐振过电压；3、弧光接地过电压。第二讲内部过电压及保护（一）内部过电压概述电力系统的内部在进行操作或发生故障的过渡过程中引起的过电压，其持续时间较短称为“操作过电压”。如果是在操作或故障之后，系统的某些部分形成自振回路，并且其自振频率与电网频率满足一定关系，而发生谐振现象时，就会出现持续时间相对较长的周期性过电压，这类过电压称为“谐振过电压”。较常见的内部过电压如下：一、操作过电压操作过电压易在下列情况下发生：1、切合电容器组或空载长线路等电容性负荷；2、开断空载变压器或电抗器等电感性负荷；3、在中性点不接地或经消弧线圈接地的电力网中，发生一相间歇性电弧接地引起的过电压。二、谐振过电压按其性质可分为：⑴线性谐振过电压；⑵参数谐振过电压；⑶铁磁谐振过电压。1.切、合空载线路产生过电压的原因及限制措施空载线路容抗比感抗大得多，可认为回路是纯容性，电流超前电压90度。当断路器断开，线路电流过零点时电弧熄灭，但此时电压恰好是最大值。如果断路器灭弧性能不足，会使电弧重燃。可能在回路中产生高频振荡。C上有残留电荷。如果重燃过程反复发生，就会使电压迭加，直至很高的值。切合高压电容器组与此类似。为了限制和降低切合空载线路、电容器组的操作过电压，可使用有并联电阻的断路器、磁吹避雷器或金属氧化物避雷器、并联电抗器等。以上措施可使过电压限值在2.5倍相电压以下。2.切断电感性负荷（如空载变压器、并联电抗器、消弧线圈等）产生过电压的原因及限制措施切断空载变压器产生过电压的原因是由于断路器灭弧能力太强，使电弧不是在电流过零时熄灭，而是电流在某一瞬时值时被强制切断，激磁电流突然变化（截流现象）在变压器线圈上感应出很高的过电压。（性能优良的断路器与老型号变压器特易发生）限制措施：可采用有高值并联电阻的断路器，在变压器高压侧与断路器之间安装阀型避雷器（主要措施）。弧光接地过电压产生的原因及限制措施补充资料：电力系统中性点接地方式1中性点有效接地系统（1）中性点直接接地；（2）中性点经一低值阻抗（电阻）接地。有效接地系统的优点是系统的过电压水平和输变电设备所需的绝缘水平较低。系统的动态电压升高不超过系统额定电压的80％。高压电网采用这种接地方式，可降低设备和线路造价，经济效益显著。缺点是发生单相接地故障时，故障点与电源中性点的单相接地电流（单相短路电流）很大。必然引起断路器跳闸，降低了供电连续性，因而供电可靠性较差。2中性点非有效接地系统（1）中性点不接地。优点是发生单相接地故障时，不形成与电源中性点的短路回路，通过接地点的电流仅为单相接地电容电流。当单相接地电容电流很小时（如小于30A）只使三相对地电位发生变化（接地相对地电位为零，不接地相对地电位上升为相电压的√3倍，但线电压仍保持不变）。故障点电弧可以自熄，熄弧后绝缘可自行恢复，能自动地清除单相接地故障，无需使线路断开，可带电运行一段时间（2h），以便查找线路故障。因而大大提高了供电可靠性。由于电网的单相接地电流很小，对临近的通讯线路干扰也小。2中性点非有效接地系统（2）中性点经消弧线圈接地3kV～35kV电网，当单相接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧瞬间熄灭，消除弧光间隙接地过电压。如变压器无中性点或中性点无引出，应装设专用接地变压器（可兼作所用变，带一些低压负荷），其容量应与消弧线圈容量相配合。2中性点非有效接地系统（3）中性点经高阻接地。主要用于发电机回路。•110kV～220kV系统应采用有效接地方式。•6kV～35kV系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式；当超过下列数值又需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。（1）6kV～35kV系统，10A。（2）6kV～10kV电缆线路构成的系统，30A。•6kV～35kV主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式。《江苏省高压电气装置规程》规定：•10kV、20kV和35kV全电缆线路构成的中压配电系统，宜采用中性点经低电阻接地方式，此时不宜投入线路重合闸功能；全电缆线路构成但规模固定的系统也可以采用消弧线圈接地系统。•对于10kV、20kV纯架空线路构成的配电系统，单相接地故障电容电流小于10A时，一般应采用不接地方式；对于频繁发生断线谐振的该类配电系统，也可采用高电阻接地方式，一般中压系统中不推荐采用高电阻接地方式。•10kV、20kV和35kV由电缆和架空线路构成的混合配电系统，规定如下：•a）变电站每段母线单相接地故障电容电流大于100A（35kV系统为50A）时，宜采用低电阻接地方式。•当单根电缆电容电流较大时，低电阻接地系统也可以采用加装适当补偿的方法提高继电保护灵敏度。•b）当变电站单相接地故障电流中的谐波分量超过4%，且每段母线单相接地故障电容电流大于75A时宜采用低电阻接地方式。•c）变电站每段母线单相接地故障电容电流小于100A（35kV系统为50A）时，宜采用消弧线圈接地系统，运行中应投入保护装置中的重合闸功能。•d）系统变化不确定性较大、电容电流增长较快的主城区，无论是否全电缆系统都可以采用低电阻接地系统。单相接地时电容电流的计算•（1）电缆线路的单相接地电容电流，可以按下式估算（工程上通常计算法）。•Ic＝UL/10•其中：U——线路额定线电压，kV•L——线路长度，km•Ic——单相接地电容电流，A•（2）架空线路的单相接地电容电流，可按下式估算。•Ic＝UL/350间歇性电弧接地过电压发生的原因：中性点不接地的电力网中，如果发生单相接地，，则流过接地点的是数值不大的电容电流。接地电流的大小与线路总长度成正比。在线路较短接地电流不大，许多弧光接地故障能自行熄灭。但线路增长和工作电压提高，单相接地电流随着增大，电弧变得不能自行熄灭而重燃，形成间歇性电弧。由于这种间歇性电弧引起电力系统运行状态的瞬息改变，导致了电磁能量的强烈振荡，从而在电路上产生严重的暂态过电压，这就是“弧光接地过电压”。间歇性电弧接地过电压的限制措施：限制弧光接地过电压的措施是安装消弧线圈。消弧线圈是一个带铁心的电感线圈。它接在变压器或发电机的中性点与大地之间。正常时，中性点电位为零，消弧线圈中无电流流过。电力系统因雷击或其他原因发生单相弧光接地时，变压器中性点的电位上升到相电压，这时流过消弧线圈的感性电流恰好与单相接地的容性电流反相相互抵消，使故障电流得到补偿。弧光不会重燃，避免了产生弧光接地过电压。中性点接有消弧线圈单相接地电流分布图中性点接有消弧线圈单相接地时电流、电压向量图谐振过电压产生的原因及限制措施谐振过电压产生的原因所谓谐振，就是电路的固有振荡频率等于电源频率的共振现象。交流电路中，电感元件与电容元件串联且感抗等于容抗时就会发生”串联谐振“（电压谐振），电容元件上会出现很高的过电压。当电感元件与电容元件并联且感抗等于容抗时，会发生“并联谐振”（电流谐振），元件上会流过很大的电流。谐振过电压的分类1、按接线形式分：（1）变压器供电给接有电磁式电压互感器的空载短线路（或空母线）；（2）配电变压器高压线圈对地短路；（3）电力线路一相断线后一端接地。2、按谐振过电压的频谱分：（1）谐振频率为工频的基波谐振；（2）谐振频率高于工频的高次谐波谐振：（3）谐振频率低于工频的分频谐振；谐振过电压发生机制中性点不接地系统单相接地后，是否引起铁磁谐振，以及引起谐振的特性，与系统内各相对地容抗Xc、系统内各相电压互感器的对地励磁电抗Xm的大小比值有关。具有关资料，有以下几种：1、当Xc/Xm＜0.01，或Xc/Xm＞3时，不发生铁磁谐振；2、当Xc/Xm在0.01~0.08之间时，易发生分频谐振；3、当Xc/Xm在0.08~0.15之间时，易发生基波谐振；4、当Xc/Xm在0.15~3.0之间时，易发生高次谐波谐振；如三次谐波谐振。在实际电力系统中，可能有很多原因会形成感抗与容抗在配合上满足谐振条件：如输电线路断线、电压互感器铁心饱和、断路器或保险器非全相开断以及参数谐振。谐振过电压的幅值一般不超过2.5倍相电压，但在个别情况下可能到3.5倍相电压以上。由于谐振过电压持续时间长，能量积累大，所以不能用避雷器加以限制，因为它可能引起避雷器爆炸。而要在电力网设计、运行和操作方式的变更中，充分考虑网络中感抗和容抗的配合，改善断路器的同期性能，以免形成铁磁谐振条件。铁磁谐振过电压所谓“铁磁谐振”，指电容元件与带铁心的电感元件的谐振现象。发生铁磁谐振时，不仅电路电流和电压会发生数值的突变，而且也会发生相位的翻转。产生铁磁谐振过电压的原因：由于铁磁元件的磁路饱和，从而造成非线性励磁特性而引起铁磁谐振过电压。通常系统中铁磁元件处于额定电压下，其铁芯处于未饱和状态，激磁电感是线性的。由于电压的作用，使铁磁元件上的电压大大升高，这时通过铁磁元件线圈的电流远远超过额定值，铁芯达到饱和而呈非线性。因此，在一定的条件下，它与系统电容组成振荡回路，就可能激发起持续时间的铁磁谐振，引起过电压。发生铁磁谐振的处理原则：空母线送电后，合绝缘监视的电压互感器时发生铁磁谐振的处理方法是，增大对地电容值及加大防止谐振的阻尼，破坏谐振条件，具体措施如下：⑴先对母线上馈出的电缆或架空线路送电，改变母线对地电容值；⑵利用小电阻瞬时短接谐振的电压互感器开口三角形的两端子，破坏谐振条件（采用专用消谐装置）。中性点非直接接地的电网中防止谐振过电压的措施：⑴选用激磁特性较好的电磁式电压互感器或采用抗谐振电压互感器，在高电压等级使用电容式电压互感器；⑵在电磁式电压互感器的开口三角形绕组内装设R=10-100欧姆的阻尼电阻；⑶在10千伏及以下电压的母线上，装设中性点接地的电容器组。抗谐振电压互感器外形图抗谐振电压互感器接线原理图分频谐振过电压分频谐振过电压属于铁磁谐振过电压的一种。在中性点绝缘系统（3~10千伏）较为常见。现象：发生分频谐振过电压时，三相电压同时升高，（三个电压表表针大幅度摆动）谐振频率1/2工频，即25HZ，故成为分频谐振过电压。特点：过电压倍数并不高，但是流过电压互感器的电流极大，容易引起电压互感器过热烧坏。（因为频率为1/2工频，励磁电抗减小一半，铁心严重饱和，因而电流大大超过额定电流。）危害：电压互感器烧坏或熔断器熔断，引起避雷器爆炸。防止发生分频谐振过电压的措施1、减少系统内母线上结线方式为中性点接地的电压互感器组。电力系统供电部门对中性点非直接接地系统的用户变电所电源侧主接线上的电压互感器都采用V，v接线，或Y，y接线，不允许采用YN,yn,d接线，以减少电感的并联支路，增大对地励磁电抗；2、电源侧变电所10千伏母线上用以进行绝缘监视的电压互感器组采用抗谐振电压互感器（TV中性点串一只零序单相互感器），防止在系统发生单相接地时电压互感器铁心饱和；3、采取分频谐振消谐措施：在发生分频谐振时，TV的开口三角形二次回路中并入一个0.2~0.4欧电阻以消耗谐振能量，然后立即拉开。（现