第7讲 操作过电压-切空变

1.06S0 1.06 Se I % (J)
Se：变压器额定容量，kVA S0：变压器空载功率，kVA I%：励磁电流标么值
阀型避雷器允许通过能量
WAR 10Ur I
10：避雷器阀片允许通过矩形波电流的宽度，s Ur：避雷器通过幅值为I (kA)的雷电流时的残压值，kV
例如
110kV三相变压器容量为31.5kVA、励磁电流为4％Ie， 切空变时绕组所贮最大磁能为WL＝1336J
双极整流限压接线 方式（单相）
D：整流桥 C：电解液电容器 R：泄流电阻
在正常运行情况下，C被充电至额
定相电压的幅值Em (换算到低压侧)， 设 截 流 在 激 磁 电 流 的 最 大 值 ILm 发 生，过电压倍数为Kn
1 2
I Lm 2 L
1 2
CEm
2
1 2
C
KL Kn2 1
➢ 压缩空气断路器，灭弧能力 强，截流值比油断路器大， 重燃次数也少，过电压较高
切空变过电压倍数 与分断电流的实验曲线
1一空气断路器 2一油断路器
➢ 采用优质铁磁材料（冷轧硅 钢片）的变压器，空载电流 很小，只有几安培。因此， 切空变过电压并不严重
二、影响因数
断路器的截流值 I0
截流值I0与断路器的性能和分断电流IL（即变压器的空载电 流）均有关系
1 LC
1
R2 L2
开断高抗的过电压与断路器并联电阻的关系
并联电阻 ()
过电压倍数
0
6.91
400
6.29
5000
3.11
降低至3倍以下，并联电阻值大于5000Ω， 从经济上或技术上都不可取
国产(抚顺电瓷厂) MOA，额定电压为 444kV，其操作冲击 电流下残压小于900kV（按GB11032-89规定），即将操作 过电压限制在3倍以下。在实际进行的两次高抗切除试验时， 在上述 MOA保护的情况下测得的开断过电压倍数
Y、 比
的过电压值要高
、 110~330kV ， 一般不超过3p.u.，个别达6p.u.
Y、 35～110kV ，一般不超过4p.u.，个别达7p.u.
二、影响因数
实际的分闸过程十分复杂，断路器触头间也会发生重燃， 由于截流和重燃过程的分散性，过电压也有明显的统计 性质
三、限制措施
安装避雷器
由于切空变时激磁电感中能量不大（过电压幅值高，但
解 L
U e/ 3
U
2 e
30.5 (H)
Se 4% Se 4%
3U e
1
f0 2
525 (Hz) LC
取 m 0.3 ，最大过电压倍数为
K max
0.3 525 5.75 50
例 2 有一台 330kV，260MVA 的变压器，铁芯材料为冷轧硅钢 片，激磁电流 I 0.5%Ie ，纠结式绕组， C 10000 pF ，求切空变最 大过电压倍数。
切空变过电压倍数 与分断电流的实验曲线
1一空气断路器 2一油断路器
➢ 同一类型断路器，截流值I0 有较大分散性，但最大可能
截断值I0max值有限度
➢ IL较小时，截流值I0随IL的 增大而增大； IL超过其最大 可能截断的电流时， I0不随 IL的增大而增大，过电压倍 数也如此
二、影响因数
变压器参数
0max???kt1时恢复电压已等于恢复强度发生第一次重燃二影响因数?断路器触头间发生重燃断路器性能和变压器参数触头间的恢复电压和介质恢复强度重燃后电容c上电荷通过clkcs回路高频振荡释放其储能迅速消耗电压下降到电源电压恢复电压因高频振荡升高很快而触头间的抗电强度有限t0时截流预期最大值uh1t2时再次熄弧电感向电容充电恢复电压上升最大预期uh2当恢复电压超过介质恢复强度第二次重燃二影响因数?断路器触头间发生重燃断路器性能和变压器参数触头间的恢复电压和介质恢复强度多次重燃使电感中的储能愈来愈少直到恢复强度高于恢复电压最大值时触头间丌再重燃用油断路器切除154kv空载变压器的实测波形断路器多次重燃二影响因数?断路器的截流值i0截流值i0不断路器的性能和分断电流即变压器的空载电流均有关系切空变过电压倍数与分断电流的实验曲线1一空气断路器2一油断路器?压缩空气断路器灭弧能力强截流值比油断路器大重燃次数也少过电压较高?采用优质铁磁材料冷轧硅钢片的变压器空载电流很小只有几安培
Kmax
m
f0 f
回路参数 L、C 与变压器的额定电压Ue、额定容量 Se、结构以及对地电容等有关
回路的自振频率 f0 1/ 2 LC ，通常为几百赫，超 高压变压器容量大，采用纠结式绕组和静电屏蔽等， 对地电容大，且多采用优质铁磁材料，激磁电感大，
f0 只有工频的几倍，一般m 0.5
二、影响因数
变压器参数
当变压器接有较长的线路或电缆时，由于增大了对 地电容，切空变过电压大为降低 绕组中振荡电流产生的主磁通是链过整个铁芯，变 压器另一侧对地电容也参与切空变的振荡回路，应 按变比关系将电容归算到同一侧
由于电磁联系，切空变过电压使变压器接各绕组获 得同样倍数的过电压值
二、影响因数
变压器中性点接地方式
截流前后变压器上的电压波形
I0为截断电流
I0 I m sin U0 Em cos
(a) 截流在电流上升部分 (b) 截流在电流下降部分
di
UL
L dt
能量观点： 在L - C回路中振荡
电流截流时，设激磁电流为I0，对地电容C上的电压为U0， 因电感中的电流不能突变，向C充电，当全部磁场能量都转
阀型避雷器FZ—110J的5kA残压为332kV，其允许通 过的能量为WAR=16600J
可见，即使采用普通阀型避雷器，变压器也可以得到 可靠的保护。当然，磁吹或氧化锌避雷器可以取代阀 形避雷器
避雷器安装位置
安装位置应该在断路器的变压器侧，保证在断开后， 避雷器仍留在变压器的连线上。在雷雨季节也不应退 出
空载变压器从一侧被切除引起的过电压，其他绕组将 通过电磁耦合按变比关系产生同样倍数的过电压，因 此，只要绕组联结方式相同，避雷器安装在任何一侧 均起到同样的保护效果，显然装在低压侧更经济而且 维修方便
避雷器安装位置
如果两侧绕组联结方式不同，则需根据具体情况选择 合适的避雷器。考虑到变压器高压绕组的绝缘裕度较 中压及低压绕组低，以及限制大气过电压和其他类型 操作过电压的需要，高压侧总是装有避雷器
一、过电压产生原理
电流的切断过程与断路器的灭弧 能力有关
断路器采用自能式灭弧（一般油断路器），其灭弧能力与被分断电流大 小有关，分断小的电流时灭弧能力较弱，不会产生在电流过零前熄弧现 象
断路器采用外能式灭弧（压缩空气、少油、真空等断路器），灭弧能力 按切断短路电流来设计，分断较小的励磁电流时，可能在电流过零前发 生强制熄弧，在激磁电流很小时，甚至可在电流接近最大值时突然截断， 称为截流
解
L
U
2 e
3302
266 (H)
Se 4% 314 260 0.005
f0
2
1 LC
97.5
(Hz)
取m 0.45 ，最大过电压倍数
为： Kmax
0.45 97.5 1.3 50
二、影响因数 断路器性能和变压器参数
断路器触头间发生重燃
恢复电压因高频振荡升高很快，而触头间的 抗电强度有限 t0时截流，预期最大值Uh1
序号
1 2
开断高抗的过电压实测值
A相 1.591 1.377
过电压倍数 B相 2.536 1.983
C相 1.688 1.679
检验避雷器的通流容量
高抗额定电流：Ir=157A ，高抗电感：L =6.42 H
高抗绕组的最大能量：WL
1 2
LIr 2
79.1
kJ
500kV氧化锌避雷器，其2ms方波通流容量达到1500A、 20次。在1500A下，MOA的电压约为850kV，其允许 通过的能量： Wm UIt 2550 kJ
U cm
U
2 0
m (ZT I0 )2
当 I0 =Im（U0 = 0）时，Ucm 最大
Im
Em
L
U cm,max m ZT I m
K max
U cm,max Em
m ZT Im
Em
m
0 L L
m
f0 f
m
L C
L
( f : 50Hz)
例 1 有一台 110kV，31.5MVA 的变压器，铁芯材料为热轧硅钢 片，激磁电流 I 4%Ie ，连续式绕组， C 3000 pF ，求切空变最大 过电压倍数。
断路器性能和变压器参数
多次重燃使电感中的储能愈来愈少，直到恢 复强度高于恢复电压最大值时，触头间不再 重燃
触头间的恢复电压和介质恢复强度
用油断路器切除154kV空载变压器的实测波 形，断路器多次重燃
二、影响因数
断路器的截流值 I0
截流值I0与断路器的性能和分断电流（即变压器的空载电 流）均有关系
电炉变压器击穿闪络事故
电 弧 炉 变 压 器 ， 额 定 电 压 为 6~35kV ， 低 压 侧 电 压 为 150~350V。其特点是空载操作十分频繁，在一昼夜的冶炼 时间内，操作次数达30~40次以上，为了减轻对开关设备的 运行维护，通常采用真空断路器，它的截流能力特别强， 将会引起概率很大和幅值极高的分闸过电压
到电容的电场中时，由于C值小，电容电压很高：
1 2
CU
2 cm
1 2
CU
2 0
1 2
LI
2 0
Ucm
U
2 0
L C
I
2 0
U
2 0
(ZT
I0
)2
其中
L ZT C
0
1 LC
0在几百到几千Hz
由磁场能转化为电场能的过程中有损耗，铁心的磁滞损耗
和涡流损耗，导线的铜损，引入磁能转化为电能系数 m加
以修正：
第7讲 操作过电压 切除电感性负荷过电压
切除电感性负荷
切除空载变压器、消弧线圈、并联电抗 器、电动机等电感性负荷是常见的操作， 产生过电压的原因是分断感性小电流时， 发生截流现象
以切除空载变压器为例分析
一、过电压产生原理
简化等值电路
e(t) ：电源 LS： 电源等值电感 CS：电源对地杂散电容
持续时间短），与阀型避雷器在雷电过电压动作时所吸
收的能量相比，小一个数量级，所以用普通的阀形避雷
器就能保护。当然，磁吹或氧化锌避雷器可以取代阀形
避雷器
校核避雷器的通流能力
确定避雷器的安装位置
校核避雷器的通流能力
变压器绕组的空载磁能的估算
W
L
1 2
LI
2 m
1 2
L Em
L
Im
1.06 103 3 Em I m 22
开断高抗过电压
正常运行时吸收一定的无功，并储存在电感内 电感切除时，其储存的能量通过电感等值入口电容迅 速释放，转化为电场能。因电感等值入口电容很小， 会激发较高的过电压
某500kV开关站，高抗参数：L =6.42H，C =10000pF，取=0.3，计算出不同并 联电阻下的高抗开断过电压倍数
K max
t1时，恢复电压已等于恢复强度，发生第一 次重燃
重燃后，电容C上电荷通过C-LK-CS回路高 频振荡释放，其储能迅速消耗，电压下降到 电源电压
t2时再次熄弧，电感向电容充电，恢复电压 上升最大预期Uh2
当恢复电压超过介质恢复强度，第二次重燃
触头间的恢复电压和介质恢复强度
二、影响因数
断路器触头间发生重燃
L：空载变压器的励磁电感 C：变压器等值对地电容以
及联线和电气设备的对 地等值电容，几十几千 PF
LK：母线至变压器联系电感 DL：等值断路器的开关
一、过电压产生原理
1 L C
工频下，通过C的电流 IC 远小于通过变压器激磁线圈L的电流I0（空载电 流），流过断路器的电流可认为是I0
变压器激磁电流 I0 是变压器额定电流 Ie 的0.5~4%，有效值约为几安至几 十安，大小与铁芯材料有关，当采用优质铁磁材料时，I0 甚至是 Ie的 0.3%
取 Kn 3，电容器电容为：
C
2 2 L
按此式选择电容 消除了过电压
限压保护措施
金属氧化物避雷器
动作电压在3.5倍以上 实测到的分闸过电压在3.2倍以上 避雷器的动作次数过多
阻容吸收装置
吸收电容器占去很大的空间位置 所能限制的过电压在2.5倍左右
大幅度限压器的原理
采用大容量的吸能器件，以便充分吸收励磁电感中的磁 场贮能。电解电容器的电容大、体积小，是一种理想的 限压器件