第九章內部過電壓內部過電壓

在電力系統中，由于斷路器操作、故障或其他原因，使系統參數發生變化，引起系統內部電磁能量的振蕩轉化或傳遞從而造成的電壓升高，稱為電力系統的內部過電壓。

內部過電壓的產生根源在電力系統內部，其大小由系統參數決定。系統參數的變化原因是多種多樣的，因此內部過電壓的幅值、振蕩頻率以及持續時間不盡相同，通常按產生原因的不同可分為：內部過電壓暫態過電壓工頻電壓升高空載長線的電容效應不對稱短路引起的工頻過電壓甩負荷引起的工頻電壓升高諧振過電壓線性諧振過電壓鐵磁諧振過電壓參數諧振過電壓操作過電壓切空線過電壓合空線過電壓切空變過電壓間歇電弧接地過電壓電力系統內部過電壓暫態過電壓是一種在一定位置上的的相對地或相間的過電壓，具有一定的振蕩頻率，由于無阻尼或弱阻尼，因此持續時間較長。操作過電壓是電磁過渡過程的過電壓。電力系統內部過電壓工頻電壓升高，雖然其幅值不大，一般來說，對正常絕緣的電氣設備沒有威脅。但工頻電壓的升高常伴隨操作過電壓，其大小直接影響操作過電壓的幅值。諧振過電壓在電感和電容元件間形成的振蕩，持續時間較長。而現有的限壓保護裝置的通流能力和熱容量都很有限，無法防護諧振過電壓。確定絕緣水平時，要求各種絕緣均能可靠地耐受尚有可能出現的諧振過電壓的作用，而不再專門設置限壓保護措施。操作過電壓所指的操作應理解為由于“操作”導致

“電網參數的突變”引起的過渡過程，這一類過電壓的幅值較大，持續時間短。分析內部的過電壓的發展過程，可以采用分布參數等值電路及行波理論，也可采用集中參數等值電路的暫態過程計算方法。內部過電壓的能量來自電網本身，它的幅值大小與電網的工作電壓有一定的比例關系，用工作電壓的倍數（過電壓倍數）來表示。其基準值通常取電網的最大工作相電壓幅值UΦ

。（雷電過電壓用幅值絕對值來表示）。Un－系統額定電壓有效值，kV

電力系統內部過電壓操作過電壓

電力系統中的電容、電感元件均為儲能元件。當系統操作或故障使其工作狀態發生變化時，將產生電磁能量振蕩的過渡過程。在設備上將會產生數倍于電源電壓的過渡過程過電壓。它是高頻振蕩、強阻尼、在幾毫秒至幾十毫秒后衰減消失的過電壓。可采用限壓保護裝置和其他技術措施來加以限制。電力系統常見操作過電壓種類一、切除空載線路過電壓（中性點直接接地系統）二、合空載線路過電壓（中性點直接接地系統）三、切除空載變壓器過電壓（中性點直接接地系統）四、電弧接地過電壓（中性點不直接接地系統）在不同電壓等級中起主導作用的操作過電壓類型：6～10kV，35～60kV：電弧接地過電壓110～220kV：切空載變壓器，切除空載線路過電壓330～500kV：合空載線路過電壓切除空載線路是電力系統中常見的操作之一。產生過電壓的原因是斷路器分閘過程中的重燃現象。切除空載線路時引起的操作過電壓幅值大、持續時間長。9.1切除空載線路過電壓發展過程影響因素和限制過電壓大小的措施

切除空載線路等值電路

容性電流，通常為幾十到幾百安，比短路電流小得多。此時斷路器切斷的是較小的電容電流充電（電容）電流比電壓u超前90°，觸頭間的電弧總是要到電流過零點附近才能熄滅，這時電源電壓正好處于幅值的附近，觸頭間的電弧熄滅后，線路對地電容上將保留一定的剩余電荷，導線對地電壓將保持等于電源電壓的幅值。空載線上的電壓與電流11切空線時電壓沿線分布分析切空線時電壓沿線分布圖（1）設第一次熄弧（t=0）發生在熄弧后全線對地電壓將保持（2）t=T/2(T為正弦電源電壓的周期)時，電源電壓變為，觸頭間電位差（3）電弧重燃，對地電壓由變成相當于一個幅值為的電壓波和相應的電流波i()從線路首端向末端傳播，所到之處電壓變為，電流由0變為(b)12切空線時電壓沿線分布圖(4)的電壓波傳到線路的開路末端發生全反射，電壓變為電流波發生負的全反射，反射波所到之處，合成電流為0

（c）(5)反射波到達線路首端時（），觸頭間的電流反向,因而必然有一過零點，電弧再次熄滅。13（6）熄弧后，線路再次與電源分離，其對地電壓為，電源電壓按正弦規律變化，當t=T時，電源電壓u又由變為，作用在觸頭間的電位差增大為，電弧再次重燃。（7）線路對地電壓由轉變為，相當于一個幅值等于的電壓波由線路首端向末端傳播，相應的電流（d）14依此類推，線路上的過電壓將不斷增大(8)當這個電壓波和電流波到達開路末端時，又將發生全反射，線路上的合成電壓將等于(e)15t=t1時，開關K發生第一次熄弧t=t2時，開關K發生第一次重燃t=t3時，開關K發生第二次熄弧t=t4時，開關K發生第二次重燃UC=-UφUCmax1=3UφUCmax1=3UφUCmax2=-5UφUmax

＝U穩態＋(U穩態－U起始)＝2U穩態－U起始線路最高暫態幅值：過電壓產生的根本原因：斷路器的電弧重燃

斷路器的滅弧能力越差，重燃幾率越大，過電壓幅值越高。限制過電壓的措施：提高斷路器的滅弧性能，減少或避免電弧重燃；采用不重燃斷路器加裝并聯分閘電阻（先打開主觸頭K1,1.5~2周期后再將輔助觸頭K2打開，完成整個拉閘動作）降低觸頭間的恢復電壓、避免重燃。

利用避雷器來保護

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電壓的幅值。9.2合閘空載線路過電壓空載線的合閘分為兩種情況，即正常合閘和自動重合閘。這時出現的操作過電壓稱為合空線過電壓或合閘過電壓，由于兩者的初始條件不同，重合閘過電壓是合閘過電壓中最嚴重的一種。合空載線路是電力系統中常見的一種操作。1、計劃性合閘過電壓Umax

＝U穩態＋(U穩態－U起始)＝2U穩態－U起始空載線路U起始＝0；

Umax

＝2U穩態＝2Emω0振蕩回路的自振角頻率A、B—積分常數過渡過程：分析表明：合閘過程是電源通過L向C充電的過程。Uc包括兩個分量，即角頻率與電源角頻率相同的穩態分量（其幅值與系統參數密切相關，實際上反應了空載線路的電容效應）和角頻率為ω0

的自由分量。自由分量的角頻率取決于系統參數。

實際上，回路存在電阻與能量損耗，振蕩將是衰減的，通常以衰減系數來表示。可得其波形見下圖，最大值將略小于21電源電壓并非直流電壓，而是工頻交流電壓，這時的表達式將為其波形如下圖所示222、自動重合閘過電壓正常合閘的情況，空載線路上沒有殘余電荷，初始電壓uc(0)=0

。運行中的線路發生故障，由繼電保護系統控制跳閘后，經過一短暫時間后再合閘－－自動重合閘操作。如果是自動重合閘的情況，這時線路上有一定殘余電荷和初始電壓，重合閘時振蕩將更加激烈。非短路相在Em或－Em峰值處熄弧（負載為空載線路）重合閘在0.5s后進行，當電源極性與線路殘余電壓相反時，最大振蕩電壓為3Em。影響過電壓產生的主要因素：合閘相位如果合閘不是在電源電壓接近幅值時發生，出現的合閘過電壓自然就較低了。線路損耗線路損耗能減弱振蕩，從而降低過電壓。線路殘余電壓的變化：在自動重合閘之前，大約有0.5s的間歇期，導線上的殘余電荷在這段時間內會泄放掉一部分，從而使線路殘余電壓下降，因而有助于降低重合閘過電壓的幅值限制過電壓的措施：在斷路器中加裝并聯合閘電阻(對自由分量起阻尼作用降低過電壓幅值）；采用同步合閘；消除和削弱線路殘余電壓(電磁式電壓互感器)裝設避雷器。(安裝在線路首端和末端的氧化鋅或磁吹避雷器)空載變壓器在正常運行時表現為一激磁電感。切除空載變壓器就是開斷一個小容量電感負荷，會在變壓器和斷路器上出現很高的過電壓。在開斷并聯電抗器、消弧線圈等電感元件時，也會引起類似的過電壓。

9.3切除空載變壓器過電壓過電壓產生的原因截流現象：流過電感的電流在到達自然零點前被斷路器強行切斷，使得儲存在電感中的磁場能量被強迫轉化為電場能，導致電壓的升高。切空變容易發生截流現象。切斷100A以上的交流電流時，電弧通常都是在工頻電流自然過零時熄滅的；但當被切斷的電流較小時（空載變壓器的激磁電流很小，一般只是額定電流的0.5％～5％，約數安到數十安），電弧提前熄滅，亦即電流會在過零之前就被強行切斷。切除空載變壓器等值電路及波形圖電源內電感變壓器的激磁電感等值對地電容電流自然過零時被切斷，電容和電感上的電壓正好等于電源電壓u的幅值。電容上的電荷通過電感作振蕩性放電，并逐漸衰減至零（因為存在鐵心損耗和電阻損耗），這樣的拉閘不會引起大于的過電壓。如果電流在自然過零之前就被提前切斷，設此時的瞬時值為，的瞬時值為，則切斷瞬間在電感和電容中所儲存的能量分別為切除空載變壓器等值電路30此后即在、構成的振蕩回路中發生電磁振蕩，在某一瞬間，全部電磁能量均變為電場能量，這時電容上出現最大電壓若略去截流瞬間電容上所儲存的能量，則電容上出現的最大電壓式中—變壓器的特性阻抗31影響因素：斷路器的性能(滅弧能力越強，切斷電流能力越強，過電壓越高)；變壓器的參數(電感越大，電容越小，過電壓越高)。通常過電壓倍數為2～3，有10%可超過3.5，極少數可達4.5～5.限制措施：變壓器側加裝閥式避雷器。從變壓器入手，減小變壓器的特性阻抗。使CT增大或電感LT減小。電弧接地過電壓主要發生在中性點不接地的電網中系統出現單相接地故障時。接地點產生接地電弧，并在其中流過非故障相的電流，這種電容電流在6～10kV系統(>30A)、35～60kV系統(>10A)中難以自行熄滅。由于電弧不穩定(間歇性電弧)，引起系統強烈的電磁振蕩過程，產生電弧接地過電壓。7.4間歇電弧接地過電壓1、發展過程過電壓的發展過程和幅值大小都與熄弧的時間有關。存在兩種熄弧時間：電弧在過渡過程中的高頻振蕩電流過零時即可熄滅電弧要等到工頻電流過零時才能熄滅故障點電流與電弧的關系

接地電流是線路對地電容所引起的電容電流2）故障電流的大小與電網額定電壓和線路總長度成正比因為I2與I3在相位上相差60o，所以故障點的電流幅值若系統較小，線路不長，線路對地電容電流小，流過故障點的電流也小，許多暫時性的單相電弧接地故障(如雷擊等)，故障過后電弧可以自動熄滅。隨著系統的發展和電壓等級的提高，單相接地故障電流成比例地增加。接地點產生接地電弧，并在其中流過非故障相的電流，這種電容電流在6～10kV系統(>30A)、35～60kV系統(>10A)中難以自行熄滅。由于電弧不穩定(間歇性電弧)，引起系統強烈的電磁振蕩過程，產生電弧接地過電壓。工頻電流過零時熄弧故障相健全相第一次熄弧注：實線為實際電壓線電壓相電壓電弧重燃t2時刻熄弧，三相導線電壓對地偏移：熄弧后t2

+作用在三相導線對地電容上的電壓為此時三相電源電壓疊加上此直流偏移電壓。--相電壓幅值故障現象故障時間U1U2U3U2maxU3max接地故障t1-Uxg-0.5Uxg-0.5Uxg-2.5Uxg-2.5Uxgt1+0-1.5Uxg-1.5Uxg第一次熄弧t2-01.5Uxg1.5Uxg1.5Uxg（不會引起過渡過程）1.5Uxg（不會引起過渡過程）t2+01.5Uxg1.5Uxg電弧重燃t3-2Uxg0.5Uxg0.5Uxg-3.5Uxg-3.5Uxgt3+0-1.5Uxg-1.5Uxg影響過電壓的因素電弧熄滅與重燃的相位系統的相關參數相間電容、線路損耗中性點接地方式消弧線圈及其對電弧接地過電壓的限制作用（1）消弧線圈電流補償線路容性電流消弧線圈及其對電弧接地過電壓的限制作用（2）欠補償IL<IC全補償IL=IC過補償IL>IC7.7諧振過電壓

電力系統中存在著大量儲能元件，即儲存靜電能量和儲存磁能的元件電容元件：電場效應（串補，并補電容器，過電壓保護用的電容器）;線性元件43電感元件：磁場效應（變壓器，發電機，消弧線圈）；在不同條件下，可分為線性，非線性和呈周期變化的特性元件電阻元件：熱能效應；阻尼；線性元件諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等于外加強迫頻率的一種穩態或準穩態現象。在這種周期性或準周期性的運行狀態中，發生諧振的諧波幅值會急劇上升。(一)線性諧振過電壓

電路中的電感L與電容C、電阻R一樣，都是線性參數。限制方法使回路脫離諧振狀態或增加回路的損耗。在電力系統設計和運行時，應設法避開諧振條什以消除這種線性諧振過電壓。

(二)參數諧振過電壓

系統中某些元件的電感會發生周期性變化（發電機），和電容性負荷（空載線路）參數配合，產生參數諧振。這種現象叫作發電機的自激或自勵磁。發電機投運前：自激校核，以避開諧振點。

(三)鐵磁諧振

當電感元件帶有鐵心時。一般都會出現飽和現象，這時電感不再是常數．而是隨看電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時，就會產生鐵磁諧振現象，

運行經驗表明，它是電力系統某些嚴重事故的直接原因，在設計和運行時避開它。

鐵磁諧振的諧振頻率可能是電源頻率的整數倍和分數倍，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產生的諧振過電壓稱為基波諧振過電壓1.穩定工作點和諧振條件46

由于UL與UC的相位相反，當UL>UC時，電路中的電流是感性的，反之電流就是容性的。E和ΔU曲線相交點，就是滿足上述平衡方程的點與曲線相交于a1、a2、a3，但是不是都是穩定工作點？物理上判斷是否穩定工作點，用“小擾動”理論，即電源電壓出現小的擾動ΔE后，工作點能否回到原來的工作點47a1:IΔU>E→Ia’1

→a1;IΔU<E→Ia’’1

→a1

a3：具有與a1相同的性質∴a1和a3點都是穩定工作點（能經受小擾動）48a2：IΔU<E→Ia2→a’2

→a3點

IΔU>E→Ia2→a’’2