高電壓技術(shù)8、9章

1、第二篇電力系統(tǒng)過(guò)電壓及其防護(hù),第8、9章 電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓,在電力系統(tǒng)中，由于斷路器操作、故障或其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的振蕩轉(zhuǎn)化或傳遞從而造成的電壓升高，稱為電力系統(tǒng)的內(nèi)部過(guò)電壓。 內(nèi)部過(guò)電壓的產(chǎn)生根源在電力系統(tǒng)內(nèi)部，其大小由系統(tǒng)參數(shù)決定。,,系統(tǒng)參數(shù)的變化原因是多種多樣的，因此內(nèi)部過(guò)電壓的幅值、振蕩頻率以及持續(xù)時(shí)間不盡相同，通常按產(chǎn)生原因的不同可分為：,暫態(tài)過(guò)電壓是一種在一定位置上的相對(duì)地或

2、相間的過(guò)電壓，具有一定的振蕩頻率，由于無(wú)阻尼或弱阻尼，因此持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。,操作過(guò)電壓是電磁過(guò)渡過(guò)程的過(guò)電壓。,電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓,第8章 諧振過(guò)電壓第9章 電力系統(tǒng)操作過(guò)電壓,第8章 諧振過(guò)電壓,電力系統(tǒng)包含許多電感和電容元件，例如：電感元件L: 發(fā)電機(jī)、變壓器、互感器、電抗器、消弧線圈等。電容元件C: 線路對(duì)地電容、導(dǎo)線間電容、補(bǔ)償用的并、串電容、高壓設(shè)備的雜散電容等。他們的組合可以構(gòu)成一系列的復(fù)雜的振蕩電路，正常運(yùn)行時(shí)由

3、于負(fù)載的阻尼或大功率電源的存在，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的振蕩。但操作或事故時(shí)，某些振蕩回路就有可能與外加電源發(fā)生諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中某些部分上出現(xiàn)過(guò)電壓，這就是諧振過(guò)電壓。,諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等于外加強(qiáng)迫頻率的一種穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在這種周期性或準(zhǔn)周期性的運(yùn)行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會(huì)急劇上升。 根據(jù)電感的特性把諧振分為： 線性諧振、參數(shù)諧振、非線性（鐵磁）諧振,(一) 線性諧振過(guò)電壓 電路中的

4、電感L與電容C、電阻R一樣，都是線性參數(shù)。限制這種過(guò)電流和過(guò)電壓的方法是使回路脫離諧振狀態(tài)或增加回路的損耗。在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)設(shè)法避開諧振條件以消除這種線性諧振過(guò)電壓。 (二) 參數(shù)諧振過(guò)電壓系統(tǒng)中某些元件的電感會(huì)發(fā)生周期性變化，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其電感的大小隨著轉(zhuǎn)子位置的不同而周期性變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶有電容性負(fù)載（例如一段空載線路）時(shí)，如再存在不利的參數(shù)配合，就又可能引發(fā)參數(shù)諧振現(xiàn)象，有時(shí)將這種現(xiàn)象稱為發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁或自激過(guò)電

5、壓。,(三) 鐵磁諧振過(guò)電壓 當(dāng)電感元件帶有鐵心時(shí)。一般都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)電感不再是常數(shù)．而是隨著電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象，它具有一些不同于其他過(guò)電壓的特點(diǎn)。 鐵磁諧振的諧振頻率可能是電源頻率的整數(shù)倍和分?jǐn)?shù)倍，分別稱為高頻諧振和分頻諧振，振蕩頻率等于或接近電源頻率時(shí)產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓稱為基波諧振過(guò)電壓。 下面以基波諧振為例，說(shuō)明非線性諧振的基本特性：,穩(wěn)定工作點(diǎn)和諧振條件

6、：下圖為最簡(jiǎn)單的R,C和鐵心電感L的串聯(lián)電路。在正常運(yùn)行條件下，感抗大于容抗，即，此時(shí)不具備諧振條件。當(dāng)鐵心電感的電流增大或者磁通增大時(shí)會(huì)使鐵心發(fā)生飽和現(xiàn)象，使電感下降，滿足串聯(lián)諧振條件，發(fā)生諧振，在電感和電容兩端形成過(guò)電壓，這就是鐵磁諧振現(xiàn)象。,串聯(lián)鐵磁諧振回路的特性曲線：,與曲線相交于a1、a2、a3，但是不是都是穩(wěn)定工作點(diǎn)？物理上判斷是否是穩(wěn)定工作點(diǎn)，用“小擾動(dòng)”理論，即電源電壓出現(xiàn)小的擾動(dòng)后，工作點(diǎn)能否回到原來(lái)的工作點(diǎn)。,實(shí)

7、際工作點(diǎn)：滿足電勢(shì)平衡條件；滿足穩(wěn)定工作條件。,不穩(wěn)定點(diǎn),穩(wěn)定點(diǎn),穩(wěn)定點(diǎn)且為諧振點(diǎn),回路呈容性回路電流較大電感電容上出現(xiàn)較高過(guò)電壓,諧振點(diǎn)但不是穩(wěn)定工作點(diǎn),基波的鐵磁諧振的特點(diǎn)： 產(chǎn)生串聯(lián)鐵磁諧振的必要條件是：電感和電容的伏安特性必須相交，鐵磁諧振可在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生；對(duì)鐵磁諧振電路，在同一電源電勢(shì)作用下，回路可能有不只一種穩(wěn)定工作狀態(tài)；鐵磁元件的非線性是產(chǎn)生鐵磁諧振的根本原因，但其飽和特性本身又限制了過(guò)電壓的幅值。此外

8、，回路中的損耗會(huì)使過(guò)電壓降低，當(dāng)回路電阻值大到一定數(shù)值時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的的諧振現(xiàn)象。,因此，基波鐵磁諧振過(guò)電壓必要條件限制和消除鐵磁諧振過(guò)電壓的措施：改善電磁式電壓互感器的激磁特性或改用電容式電壓互感器采用阻尼電阻增大對(duì)地電容，從參數(shù)配合上避開諧振采用消弧線圈,,第9章、 電力系統(tǒng)操作過(guò)電壓,電力系統(tǒng)中的電容、電感元件均為儲(chǔ)能元件。當(dāng)系統(tǒng)開關(guān)操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，各儲(chǔ)能元件的能量重新分配發(fā)生振蕩就產(chǎn)生了操作過(guò)

9、電壓。在設(shè)備上將會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過(guò)渡過(guò)程過(guò)電壓。,電力系統(tǒng)常見(jiàn)操作過(guò)電壓種類一、切除空載線路過(guò)電壓二、合空載線路過(guò)電壓三、切除空載變壓器過(guò)電壓四、電弧接地過(guò)電壓,在不同電壓等級(jí)中起主導(dǎo)作用的操作過(guò)電壓類型：6～10kV，35～60kV：電弧接地過(guò)電壓110～220kV：切空載變壓器，切除空載線路過(guò)電壓330～500kV：合空載線路過(guò)電壓,切除空載線路是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的操作之一。產(chǎn)生過(guò)電壓的原因是斷路器分閘過(guò)程中的重

10、燃現(xiàn)象。切除空載線路時(shí)引起的操作過(guò)電壓幅值大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。,9.1 切除空載線路過(guò)電壓,發(fā)展過(guò)程 影響因素和限制過(guò)電壓大小的措施,切除空載過(guò)電壓產(chǎn)生的物理過(guò)程：,,,線路容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感抗：,穩(wěn)定時(shí)，若假定：,則：,回路的自振角頻率：,1、斷路器斷開前，即t1時(shí)刻前，線路電壓為u(t)，即電容電壓uc(t) 等于電源電壓e(t)。設(shè)t1時(shí)刻斷路器斷開，斷路器的工頻電流過(guò)零點(diǎn)，電弧熄滅，此時(shí)電容C上的電壓為負(fù)的最大值-Em。,2、由于

11、線路絕緣，導(dǎo)線電壓保持在-Em，但斷路器觸電A點(diǎn)的電位仍然按余弦規(guī)律變化，斷路器觸頭間出現(xiàn)不斷增加的恢復(fù)電壓：,3、t2時(shí)刻（過(guò)半個(gè)周期）：uc(t2)=-Em,電源電壓e(t)=Em, uAB = 2Em，在t1～t2之間就可能發(fā)生電弧重燃。,4、按最嚴(yán)重情況考慮：t2時(shí)刻，uAB = 2Em。這時(shí)形成一個(gè)LC振蕩回路。是一個(gè)初始值為Uc(0)=-Em的重合閘過(guò)程，線路上過(guò)電壓達(dá)到3Em。,,Umax ＝ U穩(wěn)態(tài) ＋(U穩(wěn)態(tài)－U起始)

12、＝ 2 U穩(wěn)態(tài)－U起始,線路最高暫態(tài)幅值：,4、重燃后，伴隨高頻振蕩電壓的出現(xiàn)，回路中流過(guò)容性的高頻電流，在t3時(shí)刻Uc達(dá)到3Em時(shí)，高頻容性電流恰好過(guò)零。t3時(shí)刻電弧可能再次熄滅，電容C上將留有數(shù)值為3Em的殘壓,,4、再過(guò)半個(gè)周t4時(shí)刻，此時(shí)UAB達(dá)-４Em。重燃后，過(guò)電壓可達(dá)-5Em依次類推，每隔半個(gè)工頻周期就重燃一次和熄弧一次，過(guò)電壓將按7Em，-9Em ??????逐次增加，直到觸頭間已有足夠的絕緣強(qiáng)度，電弧不再重燃為止,,

13、過(guò)電壓產(chǎn)生的根本原因：斷路器的電弧重燃 斷路器的滅弧能力越差，重燃幾率越大，過(guò)電壓幅值越高。限制過(guò)電壓的措施：提高斷路器的滅弧性能，減少或避免電弧重燃；在斷路器中加裝并聯(lián)分閘電阻；（作用：降低斷路器觸頭間的恢復(fù)電壓和降低重燃后的過(guò)電壓）裝設(shè)避雷器。ZnO或磁吹避雷器安裝在線路首端和末端，能有效地限制這種過(guò)電壓的幅值。,9.2 合閘空載線路過(guò)電壓,空載線的合閘分為兩種情況，即計(jì)劃性合閘和故障后的自動(dòng)重合閘。

14、 由于線路電壓在合閘前后發(fā)生突變，由此會(huì)引起合閘空載過(guò)電壓。這時(shí)出現(xiàn)的操作過(guò)電壓稱為合空線過(guò)電壓或合閘過(guò)電壓， 由于兩者的初始條件不同，重合閘過(guò)電壓是合閘過(guò)電壓中最嚴(yán)重的一種。,合閘空載線路是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種操作。,1、計(jì)劃性合閘過(guò)電壓,計(jì)劃性合閘又叫做正常合閘，即電力系統(tǒng)需要進(jìn)行的經(jīng)常性合閘操作。空載線路合閘前，線路不接地，三相對(duì)稱，為零初始狀態(tài)。不計(jì)導(dǎo)線間的電磁耦合，取一相線路進(jìn)行研究，其等值電路如下：,回路方程為

15、,因?yàn)?可導(dǎo)出：,,解方程得：,利用初始條件，t=0時(shí)，uc=0，求得A、B,有：,,當(dāng) 時(shí)， 達(dá)到最大值，即：,,,實(shí)際上，回路存在電阻與能量損耗，振蕩將是衰減的，通常以衰減系數(shù) 來(lái)表示。,可得,其波形見(jiàn)下圖，最大值 將略小于,2、自動(dòng)重合閘過(guò)電壓,正常合閘的情況，空載線路上沒(méi)有殘余電荷，初始電壓 uc(0)=0 。運(yùn)行中的線路發(fā)生故障，由繼電保護(hù)系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)過(guò)一短暫時(shí)間后再合閘－－自動(dòng)重合閘操作

16、。如果是自動(dòng)重合閘的情況，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。,影響過(guò)電壓產(chǎn)生的主要因素：合閘相位；如果合閘不是在電源電壓接近幅值時(shí)發(fā)生，出現(xiàn)的合閘過(guò)電壓自然就較低了。線路殘余電壓的大小與極性；線路損耗。線路損耗能減弱振蕩，從而降低過(guò)電壓。限制過(guò)電壓的措施：在斷路器中加裝并聯(lián)合閘電阻(對(duì)自由分量起阻尼作用降低過(guò)電壓幅值）；采用同步合閘（是通過(guò)特殊裝置使斷路器觸頭兩端的電位位極性相同時(shí)完成合閘操作）；

17、消除和削弱線路殘余電壓(電磁式電壓互感器)裝設(shè)避雷器。,空載變壓器在正常運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為一激磁電感。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(guò)電壓。,9.3 切除空載變壓器過(guò)電壓,過(guò)電壓產(chǎn)生的原因：截流現(xiàn)象：流過(guò)電感的電流在到達(dá)自然零點(diǎn)前被斷路器強(qiáng)行切斷，使得儲(chǔ)存在電感中的磁場(chǎng)能量被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，導(dǎo)致電壓的升高。,,,可用下圖所示的簡(jiǎn)化等值電路來(lái)說(shuō)明這種過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程。圖中 為變壓器的激磁

18、電感， 為變壓器繞組及連接線的對(duì)地電容。,切除空載變壓器等值電路,34,如果電流 在自然過(guò)零之前就被提前切斷，設(shè)此時(shí) 的瞬時(shí)值為 ， 的瞬時(shí)值為 ，則切斷瞬間在電感和電容中所儲(chǔ)存的能量分別為,35,,,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,36,有：,,,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)

19、， 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，如圖所示。,切除空載變壓器過(guò)電壓,影響因素：斷路器的性能(滅弧能力越強(qiáng)，切斷電流能力越強(qiáng)，過(guò)電壓越高)；變壓器的參數(shù)(電感越大，電容越小，過(guò)電壓越高)。限制措施：變壓器側(cè)加裝閥式避雷器。,,,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)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(guò)電壓:

20、電弧接地過(guò)電壓,一、發(fā)展過(guò)程,這種過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程和幅值大小都與熄弧的時(shí)間有關(guān)。存在兩種熄弧時(shí)間： 電弧在過(guò)渡過(guò)程中的高頻振蕩電流過(guò)零時(shí)即可熄滅 電弧要等到工頻電流過(guò)零時(shí)才能熄滅,9.4 電弧接地過(guò)電壓,,,下面以工頻電流過(guò)零時(shí)熄弧的情況來(lái)說(shuō)明這種過(guò)電壓的發(fā)展機(jī)理：,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(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)

21、 經(jīng)過(guò)正幅值 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 、 。,,,流過(guò)C2和C3的電流 和 分別較 和 超前90º，其幅值為,,,因?yàn)?與 在相位上相差60º，所以故障點(diǎn)的電流幅值為,—電網(wǎng)的額定電壓 —線路總長(zhǎng)度 C —每相導(dǎo)

22、線的對(duì)地電容 —單位長(zhǎng)度的對(duì)地電容,由此可知:1)流過(guò)故障點(diǎn)的電流是線路對(duì)地電容所引起的電容電流 2）故障電流的大小與電網(wǎng)額定電壓和線路總長(zhǎng)度成正比,43,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(guò)分析可得如下圖所示的過(guò)電壓發(fā)展過(guò)程。,故障相,健全相,第一次熄弧,注：實(shí)線為實(shí)際電壓 線電壓 相電壓,電弧重燃

23、,,,,,,,,1、t1時(shí)刻，A相電弧接地，A相電容上電荷通過(guò)間隙電弧泄放入地，其電壓u1突降為零。相應(yīng)B,C相電容C2，C3上的電壓幅值從-0.5變至-1.5。而u2，u3電壓的這種改變是要通過(guò)電源線電壓UBA,UCA經(jīng)過(guò)電源電感對(duì)C2，C3的充電來(lái)完成。,過(guò)電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值+（穩(wěn)態(tài)值-初始值）,2、過(guò)渡過(guò)程結(jié)束， u2，u3按UBA,UCA而變化。,故障相,健全相,第一次熄弧,注：實(shí)線為實(shí)際電壓 線電壓