1、高電壓技術廣東工業大學廣東工業大學 自動化學院自動化學院徐亮徐email:電力系統內部過電壓概述 教學目標教學目標1.了解發、變電所雷電過電壓來源及危害；2.了解發、變電所的直擊雷防護；3.掌握發、變電所的侵入波過電壓防護的主要措施。包括裝設避雷器和設置進線段。教學重點教學重點 發、變電所的侵入波過電壓防護的主要措施。教學難點教學難點 發、變電所的侵入波過電壓防護的主要措施。內部過電壓的分類內部過電壓的定義內部過電壓的定義 電力系統中由于斷路器操作、故障發生及消失或其他原因，使系統參數發生變化，引起電網內部電磁能量轉化或傳遞所造成的電壓升高。內部過電壓的特點內部過電壓

2、的特點 過電壓的能量來源于系統本身，其幅值與系統標稱電壓成正比，用Kn表征過電壓的高低 影響因數有系統結構、中性點運行方式、元件的性能參數、故障性質及操作過程等。 系統參數變化的原因是多種多樣的，因此內部過電壓的幅值、振蕩頻率、持續時間不相同。內部過電壓的分類內部過電壓的分類 操作過電壓操作過電壓 因操作或故障引起的暫態電壓升高。 暫時過電壓暫時過電壓 暫態電壓后出現的持續時間較長的工頻電壓升高或諧振現象，過電壓具有穩態性質。 工頻過電壓工頻過電壓 在正常或故障時出現幅值超過最大工作向電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高，或稱工頻電壓升高。 諧振過電壓諧振過電壓 由于操作或故障使系統電感元件與

3、電容元件參數匹配時，發生諧振，產生過電壓。值系統最高運行相電壓幅內過電壓幅值nK內部過電壓)(1 . 0)()()(SwitchingsTemporaryoltageRiseFrequencyVPowerresonance弧光接地解列切空變切空線合空線以內）操作過電壓（甩負荷不對稱的接地故障空載長線路的電容效應工頻電壓升高參數鐵磁線性諧振諧振過電壓暫時過電壓 500kV、336km空載線路合閘過電壓倍數K 隨時間的變化曲線 合閘后0.1秒內的電壓升高：是高幅值、強阻尼、高頻率的操作過電壓。 0.1秒至1秒內的電壓升高：是由于發電機的調壓裝置的惰性和線路的電容效應，稱為暫時工頻電壓升高。 大于1

4、秒后，發電機自動電壓調整器發生作用，電壓下降，2、3秒后，系統進入穩定狀態，這時主要是長線路電容效應引起的穩態工頻電壓升高。工頻過電壓概述工頻過電壓的定義工頻過電壓的定義 在正常或故障時出現幅值超過最大工作相電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高，或稱工頻電壓升高。工頻過電壓的分類工頻過電壓的分類按產生的原因分類有：空載長線路的電容效應空載長線路的電容效應 當首端的輸入阻抗為容性，計及電源內阻抗的影響(感性)時，不僅使線路末端電壓高于首端，而且使線路首、末端電壓高于電源電動勢。不對稱接地故障不對稱接地故障 以單相接地故障最為常見，且引起的工頻電壓升高也最嚴重。負荷突變負荷突變 斷路器跳閘前輸送負

5、荷的大小、空載長線路的電容效應、發電機勵磁系統及電壓調整器的特性、原動機調速器及制動設備的惰性。 研究工頻過電壓的意義研究工頻過電壓的意義直接影響操作過電壓的幅值（前合閘案例）。持續時間長的工頻電壓升高仍可能危及設備的安全運行（油紙絕緣局放、絕緣子污閃、電暈等）。在超高壓系統中，為降低電氣設備絕緣水平，不但要對工頻電壓升高的數值予以限制，對持續時間也給予規定。 母線側 1.3p.u. 線路側 1.4p.u. 500kV空載變壓器1.3p.u.允許持續1min 500kV并聯電抗器1.4p.u.允許持續1min 工頻過電壓的限制措施工頻過電壓的限制措施裝設并聯電抗器：電抗器的感性無功功率部分地補

6、償了線路的容性無功功率。可同時降低線路首端及末端的工頻電壓升高。選擇合適的電抗器容量和位置來控制工頻電壓的升高在允許范圍內。決定避雷器額定電壓（滅弧電壓）的重要依據決定避雷器額定電壓（滅弧電壓）的重要依據 3 3、6 6、l0kVl0kV系統系統 工頻電壓升高可達系統最高運行線電壓的1.1倍，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）規定為系統最高運行線電壓的1.1倍，稱為110避雷器。例如10kV系統的最高運行線電壓按1.15Ue考慮，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）為12.7kV。 35-60kV35-60kV系統系統 工頻電壓升高可達系統的最高運行線電壓，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）規定為系統最高運行電壓

7、的100，稱為100避雷器。例如35kV閥型避雷器的額定電壓（滅弧電壓）為41kV。 110110、220kV220kV系統系統 工頻電壓升高可達系統最高電壓的0.8倍，避雷器的額定電壓（滅弧電壓）則按系統最高電壓的80確定，稱為80避雷器。例如：FZ-110J的滅弧電壓為100kV。 330kV330kV及以上系統及以上系統 輸送距離較長，計及長線路的電容效應時，線路末端工頻電壓升高可能超過系統最高電壓的80，則根據安裝位置的不同分為：電站型避雷器（即80避雷器）及線路型避雷器（即90避雷器）兩種。諧振過電壓概述諧振過電壓特點及分類諧振過電壓特點及分類 當系統進行操作或發生故障時，電感、電容

8、元件可形成各種振蕩回路，如某一自由振蕩頻率等于外加強迫頻率，發生諧振，系統元件上出現過電壓。 電感元件： 電力變壓器、互感器、發電機、消弧線圈、 電抗器、線路導線電感等。 電容元件： 線路導線對地和相間電容、補償用的并聯和 串聯電容器組、高壓設備的雜散電容等。諧振是一種周期性或準周期性的運行狀態，直到破壞諧振的條件出現。諧振過電壓的嚴重性既取決于它的幅值，也取決于它的持續時間。諧振過電壓危及電氣設備的絕緣。持續的過電流燒毀小容量的電感元件，還影響保護裝置的工作條件，如避雷器的滅弧條件。系統中的有功負荷是阻尼振蕩和限制諧振過電壓的有利因素。對應三種電感參數，在一定的電容參數和其他條件的配合下，可

9、能產生三種不同性質的諧振現象。線性電感線性電感 線性諧振線性諧振 非線性電感非線性電感 鐵磁諧振鐵磁諧振周期性變化的電感周期性變化的電感 參數諧振參數諧振線性諧振線性諧振 諧振回路由不帶鐵芯的電感元件（如輸電線路的電感、變壓器的漏感）或勵磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件（如消弧線圈，其鐵芯中有氣隙）和系統中的電容元件所組成。在正弦電源作用下，系統自振頻率與電源頻率相等或接近時，可能產生線性諧振。 消弧線圈補償電網消弧線圈補償電網：消弧線圈與導線對地電容串聯諧振，或接近諧振，中性點出現危險的過電壓 超高壓電網超高壓電網： 線路末端接并聯電抗器首端斷路器非全相操作線路末端接并聯電抗器首端斷路器非全

10、相操作 斷開相（A相）有工頻電容傳遞過電壓 （相間電容的耦合作用）； CBA、CCA與LA構成串聯諧振回路，參數 配合不當時在斷開相出現較高的 工頻諧振過電壓。非線性諧振（鐵磁諧振） 諧振回路由帶鐵芯的電感元件（如空載變壓器、電壓諧振回路由帶鐵芯的電感元件（如空載變壓器、電壓互感器）和系統的電容元件組成。互感器）和系統的電容元件組成。因為鐵芯電感元件的飽和現象，使回路的電感參數是非線性的，在滿足一定諧振條件時，會產生鐵磁諧振，并有許多特有的性質。斷線引起的鐵磁諧振過電壓斷線引起的鐵磁諧振過電壓 斷線后非全相運行，可能組成多種串聯諧振回路，回路中的電感可以是電網中空載或輕載運行的負載變壓器的勵磁

11、電感以及消弧線圈的電感，回路中的電容可以是導線對地和相間的部分電容，電感線圈對地雜散電容。電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓 電網出現某些擾動，如電壓互感器的突然合閘、瞬間單相弧光接地使健全相電壓突升至線電壓、故障相接地消失時可能有電壓的突然上升，在這些暫態中的涌流使電壓互感器三相電感飽和，且飽和程度不同，電網三相對地阻抗明顯不同，此時與設備電容或對地電容構成諧振回路，可能激發起各種諧波諧振。傳遞過電壓傳遞過電壓 當系統中發生不對稱接地故障或斷路器不同期操作時，可能出現明顯的零序工頻電壓，通過靜電和電磁耦合在相鄰輸電線路之間或變壓器繞組之間產生工頻傳遞現象

12、。 若與接在電源中性點的消弧線圈或電壓互感器等鐵磁元件組成諧振回路，還可能產生線性諧振或鐵磁諧振傳遞過電壓。鐵磁諧振的特點鐵磁諧振的特點 相位反傾現象相位反傾現象：回路電流由電感性突變為電容性。 外激發現象外激發現象： 需要經過過渡過程建立起諧振，維持很長時間不會衰減。如系統的突然合閘、發生故障以及故障的消除等，這些可造成鐵芯電感兩端的短時電壓升高、大電流的振蕩過程或電感中的涌流現象。 自激現象自激現象：沒有外界的“沖擊擾動”，工作在諧振狀態。 參數諧振參數諧振 諧振回路由電感參數作周期性變化的電感元件（如凸極發電機的同步電抗在Xd-Xq的周期性變化）和系統的電容元件（如空載長線）組成回路，當

13、參數配合時，通過電感的周期變化，不斷向諧振系統輸送能量，將會造成參數諧振過電壓。操作過電壓概述操作過電壓發生在由于操作過電壓發生在由于“操作操作”引起的過渡過程引起的過渡過程 “ “操作操作”：分、合閘空載線路 1.分、合閘空載變壓器、電抗器 2.各類故障，例如接地故障、斷線故障等 系統的運行狀況發生突然變化，導致系統內部電感元件和電容元件之間電磁能量的互相轉換，轉換常常是強阻尼的、振蕩性的過渡過程。特點特點（與工頻電壓升高和諧振過電壓相比）過電壓幅值高；強阻尼、高振蕩性；持續時間短（幾個到幾十個毫秒）；操作過電壓的幅值和持續時間與電網結構參數、斷路器性能、系統接線、操作類型等因素有關，其中很

14、多因素具有隨機性，因此過電壓幅值和持續時間也具有統計性。決定電力系統絕緣水平的依據之一 對于電壓等級低一些的系統，操作過電壓雖不是決定絕緣水平的因素，但常因間隙電弧過電壓等引起事故。 隨著系統電壓的提高，操作過電壓的問題就突出出來，若不采取限壓措施，將導致設備絕緣費用的迅速增加，因此330kV及以上超高壓、特高壓系統操作過電壓及其限制措施的研究就非常重要。 規程規定選擇絕緣時計算用操作過電壓倍數: 相對地絕緣相對地絕緣相間絕緣35-220kV的相間操作過電壓可取相對地的1.3-1.4倍；330kV的相間操作過電壓可取相對地的1.4-1.45倍；500kV的相間操作過電壓可取相對地的1.5倍。系

15、 統過電壓倍數35-60kV及以下系統（非直接接地） 4.0110-154kV系統（非直接接地）3.5110-220kV系統（直接接地）3.0330kV系統（直接接地）2.75500kV系統（直接接地）2.0或2.2采取必要措施將操作過電壓限制在規定水平以下采取必要措施將操作過電壓限制在規定水平以下 線路上裝設并聯電抗器，限制工頻電升高改進斷路器性能，采用帶有并聯電阻的斷路器采用金屬氧化物避雷器限制操作過電壓操作過電壓類型操作過電壓類型間歇電弧接地過電壓空載變壓器分閘過電壓（開斷電感性負載，還包括電抗 器、高壓電動機等）空載線路分閘過電壓（開斷電容性負載，還包括電容器組等）空載線路合閘過電壓（

16、包括計劃性、重合閘）解列過電壓內部過電壓案例內部過電壓案例 -切空線操作過電壓切空線操作過電壓 原因是分閘過程中觸頭間電弧重燃現象所引起的 開斷空載線路等值電路主要影響因素 斷路器的性能 自能式斷路器（如多油斷路器和老式的少油斷路器）開斷小電流時，滅弧室壓力低，熄弧后介質強度恢復慢，易發生多次重燃（67次）。恢復電壓低時重燃過電壓低，但重燃次數多增加了高幅值過電壓出現的可能性。斷路器觸頭重燃、熄弧具有明顯的隨機性 分閘時，不一定每次都重燃，即使重燃也不一定在電源到達最大值并與線路殘壓極性相反時發生。如果重燃提前發生，振蕩振幅和相應的過電壓隨之降低，當重燃在斷弧后的1/4工頻周期內產生，則不會引

17、起過電壓。 熄弧不一定在高頻電流第一次過零時發生，在第二次過零或更后的時間才被切斷，線路上殘余電壓大大降低，斷路器觸頭間的恢復電壓和重燃過電壓都大大減小。限制措施 改進斷路器結構改進斷路器結構 切除電容負載時產生過電壓的根本原因是斷路器的重燃，改進斷路器結構，提高觸頭間介質強度的恢復速度，避免重燃，可從根本上消除這種過電壓。 采用外能式方法滅弧（采用SF6，壓縮空氣，帶壓油活塞的少油斷路器），切除空載線時可做到不重燃，老式的少油斷路器或多油斷路器還存在重燃。 裝分閘并聯電阻裝分閘并聯電阻 1.先斷主觸頭DL1，將R串入回路：一是泄放殘余電荷， 二是降低觸頭間電壓，此過程希望R值小；2.經1.5-2周波，再斷開輔助觸頭DL2，此過程希望R大， 電容上分壓小，恢復電壓小，不易重燃。 限制措施 例如，KW-330型空氣斷路器所裝并聯電阻R為3000。 超高壓少油斷路器由于滅弧性能良好，考慮到少油斷路器加并聯電阻在結構上有困難，所以未裝并聯電阻。 在110-220kV中性點直接接地的電網中，切空線過電