第九章-电力系统内部过电压

高电压技术第九章电力系统内部过电压第一节内部过电压的概念和分类第二节操作过电压第三节暂时过电压本章主要内容电力系统中由于断路器操作、故障发生及消失或其他原因，使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量转化或传递所造成的电压升高。第一节内部过电压的概念和分类一．内部过电压的定义第一节内部过电压的概念和分类二．内部过电压的特点①过电压的能量来源于系统本身，其幅值与系统标称电压成正比，用Kn表征过电压的高低②影响因数有系统结构、中性点运行方式、元件的性能参数、故障性质及操作过程等。③系统参数变化的原因是多种多样的，因此内部过电压的幅值、振荡频率、持续时间不相同。nK内部过电压幅值电网最大工作相电压幅值第一节内部过电压的概念和分类三．内部过电压的分类内部过电压暂时过电压操作过电压工频电压升高谐振过电压空载长线的电容效应不对称短路引起工频电压升高甩负荷引起工频电压升高线性谐振过电压铁磁谐振过电压参数谐振过电压切断空载线路过电压空载线路合闸过电压切断空载变压器过电压断续电弧接地过电压返回第二节操作过电压一．切断空载线路过电压1.发展过程K打开，A，B间产生电弧i(t)＝0→电弧熄灭。A，B间完全断开。UA：按电源电势变化UB：不变（＝－U)AB间电位差称为“恢复电压”ABSLTCK电源电感空载线路iuUUtt1t()it()utABUi(t):工频电流u(t):工频电压①t＝t1（第一次熄弧）第二节操作过电压ABSLTCK电源电感空载线路iuUUtt1t()it()utABUi(t):工频电流u(t):工频电压随时间推移，当UAB=UA－UB=U－(－U)＝2U若断路器K处介质绝缘恢复，间隙不被击穿，则电弧不会再重燃，分闸过程结束，不产生过电压若断路器间隙被击穿，则电弧重燃2t第二节操作过电压ABSLTCK电源电感空载线路iuUUtt1t()it()utABU2tAB间电弧重燃→AB相连注意：此时UA≠UB，且电路中有L，C，组成振荡回路，电压发生震荡此时：稳态值=U，初始值＝－U振荡电压幅值＝稳态值＋[稳态值－初始值]②t＝t2（第一次重燃）过电压幅值＝U＋[U－(－U)]＝3U电流震荡形成电弧电流3U第二节操作过电压③t＝t3（第二次熄弧）ABSLTCK电源电感空载线路iuUUtt1t()it()ut2t3U此时电弧电流过零点，同时线路上电压震荡达到最大值3U，电弧再次熄灭。即A，B间再次完全断开。UA：按电源电势变化UB：不变（＝3U)ABU3t3U第二节操作过电压ABSLTCK电源电感空载线路iuUUtt1t()it()ut2t3UABU3t3U④t＝t4（第二次重燃）此时UAB达到最大值4U断路器间隙被击穿，电弧再次重燃同理：稳态值=－U，初始值＝3U过电压幅值＝－U＋[－U－3U)]＝－5U电流震荡形成电弧电流4t5U依次类推，线路上过电压不断增大：－U→3U→－5U→7U→¨¨第二节操作过电压2.影响因素⑴中性点接地方式中性点非有效接地电网的中性点电位有可能发生位移，所以某一相的过电压可能特别高一些，约20%左右；⑵断路器的性能断路器灭弧性能越好→降低电弧重燃次数→降低过电压⑶母线上的出线数出线数越多→过电压越小⑷断路器外侧是否接有电磁式电压互感器等设备它们的存在将使线路上的剩余电荷有了附加的泄放路径，因而能降低这种过电压。第二节操作过电压3.降压措施⑴采用不重燃断路器⑵加装并联分闸电阻①分闸操作过程先开Q1，R串入电路，经1.5～2个周期，再打开Q2，分闸完成②降压原理a)R串入电路后，剩余电荷通过R释放，此时Q1上的恢复电压＝UR，只要R不太大，主触头间就不会发生电弧的重燃b)R对振荡起阻尼作用，减小过电压的最大值Q1Q2RQ1Q2RabSF6断路器第二节操作过电压⑶利用避雷器氧化锌避雷器作为后备保护要求在断路器并联电阻失灵或其他意外情况出现较高幅值的过电压时应能可靠动作，将过电压限制在允许范围内合闸产生的最大过电压：第二节操作过电压二．空载线路合闸过电压1.发展过程基本和切空线过电压产生的原因一样，即若合闸前后B点电势不一样，且电路中有L，C，组成振荡回路，电压发生震荡，产生过电压ABSLTC电源电感空载线路U最大＝U稳态＋[U稳态－U初始]＝2U稳态－U初始第二节操作过电压⑴正常（计划性）合闸产生的过电压线路由于某种原因，可能停电检修。经过很长时间，检修完毕，合闸供电。ABSLTC电源电感空载线路由于K长时间打开，B点上电荷释放光了。则，合闸前U初始=0当UA=U时合闸，线路产生的过电压最大U最大=2U稳态－U初始=2U－0＝2U第二节操作过电压⑵自动重合闸产生的过电压当自动重合闸发生时，由于这时线路上有一定残余电荷和初始电压，则重合闸时振荡将更加激烈，产生的过电压更高ABCABCQF1QF2线路可能产生的最大过电压的情况当A相电压UA=－U时跳闸，即U初始＝－U当电源电压＝U时合闸，即U稳态＝UU最大=2U稳态－U初始=2U－(－U)＝3U第二节操作过电压ABCABCQF1QF2若采用的是单相自动重合闸，只切除故障相，而健全相不与电源电压相脱离，那么当故障相重合闸时，因该相导线上不存在残余电荷和初始电压，则不会出上述高幅值重合闸过电压。总结在合闸过电压中，以三相自动重合闸的情况最为严重，其过电压理论幅值可达3U第二节操作过电压2.影响因素⑴合闸相位若合闸不发生在电源电压接近幅值时，出现的合闸过电压较低。⑵线路损耗主要来源：①线路及电源的电阻；②当过电压超过导线的电晕起始电压后，导线上出现电晕损耗。线路损耗能减弱振荡，从而降低过电压⑶线路残余电压的变化残余电荷电压释放的越多，残余电压就越小，产生的过电压就越小第二节操作过电压3.降压措施⑴加装并联合闸电阻①和闸操作过程先合Q2，R串入电路，经1.5～2个周期，再合Q1，合闸完成②降压原理a)R串入电路后，剩余电荷通过R释放，此时Q1上的恢复电压＝UR，只要R不太大，主触头间就不会发生电弧的重燃b)R对振荡起阻尼作用，减小过电压的最大值Q1Q2RQ1Q2Rab第二节操作过电压⑵同电位合闸自动选择在断路器触头两端的电位极性相同时、甚至电位也相等的瞬间完成合闸操作，以降低甚至消除合闸和重合闸过电压。（针对“计划性合闸”）例：当电源电压＝U时跳闸，即U初始＝U当电源电压＝U时合闸，即U稳态＝UU最大=2U稳态－U初始=2U－U＝U，无过电压⑶利用避雷器来保护在线路首、末端（线路断路器的线路侧）安装ZnO或磁吹避雷器，限制过电压第二节操作过电压三．切除空载变压器过电压1.发展过程～电弧LCLiiiiLiCiTLTCuCuLT—变压器激磁电感；CT—变压器绕组及连接线对地电容切断100A以上的交流电流时，开关触头间的电弧通常都是在工频电流自然过零时熄灭的但当切断很小的空载变压器的激磁电流iL（约数安到数十安）时，电弧往往提前熄灭，即电流会在过零之前就被强行切断（截流现象）。第二节操作过电压～电弧LCLiiiiLiCiTLTCuCuLT—变压器激磁电感；CT—绕组及连接线对地电容i≠0时，K打开，强行切弧LT向CT放电LT上的磁场能转化为电容CT上的电能使CT上电压升高变压器上出现过电压截流现象22Tmax00TTLUIZICZT—变压器特性阻抗；I0—iL的瞬时值切空变或电压产生的根本原因流过电感的电流在到达自然零值前被断路器强行切断，从而使储存在电感中的磁场能量转为电场能量而导致电压的升高第二节操作过电压2.影响因素⑴断路器性能灭弧能力越强的断路器，其对应的切空变过电压最大值越大。⑵变压器特性LT越大，Umax越高3.降压措施⑴并联电阻开关释放变压器磁场能量→降低过电压KR⑵避雷器第二节操作过电压四．断续电弧接地过电压FC1C2C3CBANI2I3I1.发展过程断续电弧接地过电压产生于中性点不接地电网由于中性点不接地电网中的单相接地电流(电容电流)较大，接地点电弧将不能自熄，而电弧以“熄灭—重燃”的形式存在，导致各相电压的初始值≠稳态值，从而产生过电压。分析结论：①两健全相的最大过电压为3.5U②故障相最大过电压为2U第二节操作过电压2.影响因素⑴发弧部位的周围媒质和大气条件发生单相接地而导致放弧有很强的随机性，受到周围媒质和大气的影响⑵发弧时故障相电压的相位相位不同，导致的过电压大小不同当故障相电压＝U时产生电弧，所产生的过电压最大⑶导线电容、线路损耗，线路电晕等由于线路损耗，线路电晕的存在，实际中的过电压比理论上的都要小第二节操作过电压3.降压措施⑴采用中性点有效接地方式这时单相接地将造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸，切断故障，经过一段短时间歇让故障点电弧熄灭后再自动重合。如能成功，可立即恢复送电；如不能成功，断路器将再次跳闸，不会出现断续电弧现象。⑵采用中性点经消弧线圈接地方式采用中性点有效接地方式虽然能解决断续电弧问题，但每次发生单相接地故障都会引起断路器跳闸，大大降低了供电可靠性。当电网的电容电流达到一定数值时，可装设消弧线圈来抵消电容电流，可避免断续电弧的出现返回第三节暂时过电压一．工频电压升高1.概念工频电压升高——在正常或故障时出现幅值超过最大工作电压、频率为工频或接近工频的电压升高2.产生的原因及防护措施①空载长线的电容效应当首端的输入阻抗为容性，计及电源内阻抗的影响(感性)时，不仅使线路末端电压高于首端，而且使线路首、末端电压高于电源电动势。防护措施：装设并联电抗器。电抗器的感性无功功率部分地补偿线路的容性无功功率第三节暂时过电压②不对称接地故障当发生单相或两相对地短路时，健全相上的电压都会升高，其中单相接地引起的电压升高最为严重。防护措施：采用速断保护。迅速的切除断路故障③负荷突变当输电线路在传输较大容量时，断路器因某种原因而突然跳闸甩掉负荷时，会在原动机与发电机暂时加速，而导致电压升高防护措施：采用发电机组的调压器和调速器限制。工频电压升高在绝缘裕度较小的超高压输电系统中受到很大的注意①多种操作过电压是在工频电压升高的基础上产生和发展由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，与多种操作过电压的发生条件相同或相似，所以它们有可能同时出现、相互，叠加。②是决定某些过电压保护袈置工作条件的重要依据避雷器的保护特性和电力设备的绝缘水平；③持续时间长的工频电压升高可能危及设备的安全运行绝缘子污闪、电晕等3.研究工频过电压的意义第三节暂时过电压二．谐振过电压1.概念谐振过电压——当系统进行操作或发生故障时，电感、电容元件可形成各种振荡回路，如某一自由振荡频率等于外加强迫频率，发生谐振，系统元件上出现过电压电感元件：电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路导线电感等。电容元件：线路导线对地和相间电容、补偿用的并联和串联电容器组、高压设备的杂散电容等。第三节暂时过电压第三节暂时过电压2.谐振过电压特点①谐振是一种周期性或准周期性的运行状态，直到破坏谐振的条件出现。②谐振过电压的严重性既取决于它的幅值，也取决于它的持续时间。谐振过电压危及电气设备的绝缘。持续的过电流烧毁小容量的电感元件③系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压的有利因素。第三节暂时过电压3.谐振过电压的分类对应三种电感参数，在一定的电容参数和其他条件的配合下，可能产生三种不同性质的谐振现象。线性电感线性谐振非线性电感铁磁谐振周期性变化的电感参数谐振返回内部过电压根据其产生原因可分为操作过电压和暂时过电压；操作过电压是电力系统中发生振荡型的暂态过程引起的，而暂时过电压是由于参数的特定配合引起的；操作过电压是决定电力系统绝缘水平的依据之一，有四种常见的典型形式；小结切空线过电压是由于断路器触头间电弧重燃引起的，主要限制措施是采用灭弧性能好