高电压工程基础(施围)课件第13章-操作过电压

《高电压工程基础》华南理工大学电力学院郝艳捧高电压工程基础13.1中性点不接地系统电弧接地引起的过电压13.2合闸空载线路引起的过电压13.3切除空载线路引起的过电压13.4切除空载变压器引起的过电压13.5GIS中的快速暂态过电压第13章操作过电压高电压工程基础13.1中性点不接地系统电弧接地过电压当中性点不接地系统中发生单相接地时，经过故障点将流过数值不大的接地电容电流。随着电网的发展和电压等级的提高，单相接地电容电流随之增加，一般6~l0kV电网的接地电流超过30A，35~60kV电网的接地电流超过10A时电弧便难以熄灭。但这个电流还不至于大到形成稳定燃烧电弧，因此可能出现电弧时燃时灭的不稳定状态，引起电网运行状态的瞬时变化，导致电磁能量的强烈振荡，并在健全相和故障相上产生过电压，这就是间歇性电弧接地过电压。过电压发展的物理过程高电压工程基础中性点不接地系统A相接地时的等值电路及相量图UA，UB，UC：三相电源电压C1，C2，C3：A，B，C三相导线的对地电容（三相对称C1=C2=C3=C）健全相升高至线电压高电压工程基础A相单相短路接地电弧熄灭电弧重燃maxSS0()UUUU每隔半个工频周期依次发生熄弧和重燃，健全相的最大过电压为3.5p.u.，故障相的最大过电压为2.0p.u.。过电压产生原因：当发生间歇性电弧接地时，健全相对地电压的起始值与稳态值不同，电容与电源电感产生振荡引起过电压。高电压工程基础限制过电压的措施途径：消除间歇性电弧110kV及以上电网大都采用中性点直接接地的运行方式（单相短路电流，断路器跳闸切除故障）我国35kV及以下电压等级的配电网采用中性点经消弧线圈接地的运行方式（补偿电容电流）消弧线圈的基本作用：①补偿流过故障点的短路电流，使电弧能自行熄灭，系统自行恢复到正常工作状态。②降低故障相上的恢复电压上升的速度，减小电弧重燃的可能性。消弧线圈是一只具有分段铁心、电感可调的电感线圈，接于系统的中性点处，其电感值按系统的对地电容，或单相接地短路电流的大小来决定。系统正常工作时，变压器中性点的电位为零，消弧线圈中没有电流流过。挡A相发生接地事故时，中性点电位等于相电压，此时流过故障点的电流为Ijd，此时Ijd＝Ic＋IL.由于Ic与IL在相位上是相反的，因此调节消弧线圈的电感量，就可以改变Ijd大小，从而限制短路电流。把电感电流补偿电容电流的百分数称为消弧线圈的补偿度或调谐度，用kr表示叫做电路的自振角频率。当kr1时，表示消弧线圈的电感电流小于线路的电容电流，故障点有一容性残流，称此为欠补偿。当kr1时，表示电感电流大于电容电流，故障点流过感性残流，称此为过补偿。当kr＝1时，电感电流与电容电流相互抵消，消弧线圈与三相并联电容处于并联谐振状态，称此为全补偿。消弧线圈的作用并不是降低弧光接地过电压，而是起到有利于熄弧和防止重燃的有利作用，使过电压持续时间大为缩短，降低了出现高幅值过电压的概率。2202313/wwLCwwCUwLUIIkphphCLrLCw3/10高电压工程基础13.2合闸空载线路引起的过电压产生过电压的物理过程输电线T电路CCm0()(coscos)UtUtt计划合闸2Cmm0/[1()]UE电源频率自振荡频率0T1/LCCCm00()(coscos)UtUtAt重合闸C0Cm1UU严重！空载线路合闸时，产生过电压的根本原因：电容、电感的振荡，其振荡电压叠加在稳态电压上所致。高电压工程基础影响过电压的因素（1）合闸相位合闸相位是随机的，有一定的概率分布，与断路器合闸过程中的预击穿特性及断路器合闸速度有关。（2）残余电荷过电压的大小与线路上残余电荷数值和极性有关。（3）断路器合闸的不同期由于三相线路之间有耦合，先合相相当于在另外两相上产生残余电荷。（4）回路损耗实际输电线路中，能量损耗（电阻、电晕）会引起振荡分量的衰减。（5）电容效应合闸空载长线时，由于电容效应使线路稳态电压增高，导致了合闸过电压增高。高电压工程基础限制过电压的措施（1）降低工频电压升高目前超高压电网中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补偿装置（SVC），其主要作用是削弱电容效应。（2）断路器装设并联电阻第一阶段：带电阻R合闸，将R与辅助触头串联。由于R对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的过电压降低。第二阶段：大约经8~15ms，主触头闭合，将R短接，电源直接与线路相连。主触头辅助触头高电压工程基础（3）控制合闸相位空载线路合闸过电压的大小与电源电压的合闸相位有关，可以通过电子装置来控制断路器的动作时间，以达到降低合闸过电压的目的。（4）消除线路上的残余电荷在线路侧接电磁式电压互感器，可在几个工频周波内，将全部残余电荷通过互感器泄放掉。（5）装设避雷器在线路首端和末端装设磁吹避雷器或金属氧化物避雷器，当出现较高的过电压时，避雷器应能可靠动作，将过电压限制在允许的范围内。高电压工程基础13.3切除空载线路引起的过电压我国在35~220kV电网中，都曾因切除空载线路时过电压引起过多次故障。多年的运行经验证明：若使用的断路器的灭弧能力不够强，以致电弧在触头间重燃时，切除空载线路的过电压事故就比较多，因此，电弧重燃是产生这种过电压的根本原因。产生过电压的物理过程高电压工程基础Cmax1mmmm()3UEEEECmax2mmmm[(3)]5UEEEE第一次重燃第二次重燃若电弧继续重燃下去，则可能出现-7Em，+9Em，…的过电压，可见电弧的多次重燃是切除空载线路时产生危险的过电压的根本原因。系统实测结果表明，超过3Em的过电压概率是很小的，这是因为过电压受多种因素影响的缘故。高电压工程基础影响过电压的因素（1）断路器的性能随着断路器制造质量的提高，断路器已能做到基本上不重燃，使得这类过电压降到了次要的位置。（2）中性点接地方式中性点非直接接地电网中，三相断路器分闸不同期会构成瞬间的不对称电路，使中性点产生位移，相间的耦合，使过电压增高。（3）损耗电晕要消耗能量，电源及线路损耗使过电压降低。（4）其它若母线上有很多出线时，过电压降低。此外，当线路装有电磁式电压互感器时，将泄放线路上的残余电荷，降低了过电压。高电压工程基础限制过电压的措施（1）采用不重燃断路器（2）在断路器装设分闸电阻切除线路时，先打开主触头，R上的压降就是主触头两端的恢复电压。经过一段时间后，辅助触头才打开，此时它的恢复电压也较低，不会发生电弧的重燃，即使发生重燃，R的阻尼使过电压降低。（3）线路上装设泄流设备在线路侧若接有并联电抗器或电磁式电压互感器，都能使线路上的残余电荷得以泄放或产生衰减振荡，达到降低过电压的目的。（4）装设避雷器高电压工程基础13.4切除空载变压器引起的过电压产生过电压的物理过程2L012WLI2C012WCULCLIIII222Cmax00111222CULICU22Cmax00LUIUCCmax00mLUIIZC过电压产生原因：由于截流留在电感中的磁场能量转化为电容上的电场能量。高电压工程基础影响过电压的因素（1）断路器的性能切除空载变压器引起的过电压与截流数值成正比，断路器截断电流的能力愈大，过电压UCmax就越高。（2）变压器的参数变压器L愈大，C愈小，则过电压愈高。当电感中的磁场能量不变，电容C愈小时，过电压也愈高。（3）变压器的相数、线组接线方式、铁芯结构、中性点接地方式、断路器的断口电容，以及与变压器相连的电缆线段、架空线段等，都会对切除空载压器过电压产生影响。高电压工程基础限制过电压的措施切断空载变压器过电压的特点是：幅值高、频率高，但持续时间短、能量小。只要在变压器任一侧装上普通阀式避雷器就可以有效限制这种过电压。计算表明：普通阀型避雷在雷电过电压下动作后所吸收的能量，要比变压器线圈中贮藏的能量大一个数量级。实际运行中也未发现因切空载变压器而引起避雷器损坏的情况。由于这种避雷器安装的目的是用来限制切除空载变压器过电压的，所以在非雷雨季节也不应退出运行。高电压工程基础13.5GIS中快速暂态过电压VFTO产生的机理GIS中隔离开关和断路器在操作中触头运动速度慢（大约1cm/s数量级），断口在SF6气体中会发生多次的预、重击穿。在每一个电压跳变处将产生波前很陡（一般为3～20ns）的阶跃电压波，并向断口两侧传播，并在GIS内不断地产生、来回地传递，并且发生复杂的折射、反射和叠加，最终暂态振荡的频率剧增，可高达数百MHz。高电压工程基础高电压工程基础VFTO的特性a.幅值GIS中开关操作产生的VFTO幅值一般低于2.0p.u.，也有可能超过2.5p.u.。在同一时刻不同节点的电压幅值不同。b.陡度对于正常设计的GIS，电压上升时间可为3～20ns，随电场的非均匀度而异。c.频率1)几十至数百kHz的基本振荡频率，此频率电压由整个系统决定，绝缘设计不取决于其数值；2)数十MHz的高频振荡，由行波在GIS内发展形成，是构成VFTO的主要部分，决定绝缘设计；3)高达数百MHz的特高频振荡，幅值较低。高电压工程基础VFTO的影响因素(1)残余电荷当DS开断带电的GIS母线时，母线上可能存在的残余电荷，会影响到VFTO的幅值。电源侧、母线侧以及支撑绝缘子上的过电压幅值与残余电荷近似呈线性关系，残余电荷越多幅值越高。(2)变压器的入口电容VFTO的幅值随入口电容的增加而增加，有计算表明：每增加1000pF，VFTO幅值约增加0.2p.u.。但进一步研究表明：随着入口电容增加，VFTO的幅值不一定始终增加，这决定于GIS的结构，特别是所操作母线的尺寸，以及操作的方式。高电压工程基础(3)电压的上升时间GIS中冲击电压的上升时间增加使VFTO幅值下降，因为此时会表现出一种阻尼作用，使那些较小时出现的暂态电压的极高频分量消失。(4)GIS的支路长度GIS支路的长度对VFTO幅值的影响没有明显的规律。(5)开关弧道电阻的影响DS起弧时弧道电阻为一时变电阻，对过电压有阻尼作用。(6)其它因素的影响GIS的布置、内部结构、接线方式及外部设备等。高电压工程基础VFTO的危害(1)暂态地电位升高TGPR1983年CIGRE调查表明有半数以上的电站曾发生TGPR引起的事故。尽管TGPR衰减快，但若无限制会产生火花放电，甚至外壳击穿，危及人身安全。(2)对二次设备的影响VFTO可以通过电压互感器或电流互感器内部的杂散电容传入与其相连的二次电缆进而进入二次设备，另外，还可以通过接地网进入二次电缆的屏蔽层，进而感应到二次电缆的芯线。(3)对变压器的影响系统中主变直接和GIS相连，受VFTO影响很大。例如我国一核电站的500kVGIS，曾先后两次发生了VFTO导致变压器绝缘损坏和线饼烧损的严重事故。高电压工程基础VFTO的防护(1)快速动作隔离开关使用快速动作隔离开关缩短切合时间，可以减小重击穿的次数，降低VFTO出现的几率。(2)合闸电阻开关操作时先串入电阻，阻尼作用使行波上升时间下降、幅值降低。对一个1100kVGIS进行了仿真计算及实测，发现200Ω的DS合闸电阻可将过电压幅值降低到1.5pu以下，当合闸电阻为1000Ω时，降低为1.25pu左右。(3)铁氧体磁环铁氧体是高频导磁材料，将铁氧体磁环套在GIS隔离开关两端的导电杆上，相当于在开关断口和空载母线间串入了一个阻抗，使VFTO的幅值和陡度降低，同时也减弱行波折反射的叠加。(4)改变操作程序和简化接线目前，在中国500kVGIS运行和设计中，有考虑改变操作程序和简化接线的措施。如中国一个抽水蓄能电站通过改变运行操作程序减少引起VFTO的几率；正在设计的大型水电站中，也有采用取消变压器高压侧（500kV）隔离开关，来减少VFTO对变压器的影响。(5)其他措施对于与GIS所连接的设备，可对设备设计中采取相应措施。高电压工程基础高电压工程基础VFTO的计算实例3M1M221654T1T2T3T4T5T6line2line11011021031061091101