第五章 切空引起的工频电压升高

三、降压措施
为了兼顾降低两个触头恢复电压的需要，并考虑R的热容量， 这种分闸电阻应为中值电阻，其阻值一般处于1000 -30000的范围 内。 (3)利用避雷器来保护。安装在线路首端和末端的ZnO或磁吹 避雷器，亦能有效地 限制这种过电压的幅值。
四、切除空载变压器过电压
切除空载变压器也是电力系统中常见的一种操作。空载变压 器在正常运行时表现为一激磁电感，因此切除空载变压器就是开 断一个小容量电感负荷，这时会在变压器上和断路器上出现很高 的过电压。可以预期，在开断并联电抗器、消弧线圈等电感元件 时，也会引起类似的过电压。
一、过电压产生的物理过程
假如每隔半个工频周期后电弧重燃 一次，则过电压将按-3Em，5Em， -7Em，……的规律变化，幅值愈来 愈高。不过由于现代断路器的灭弧 能力已有很大提高，在绝大多数情 况下，电弧重燃次数在1 - 2次以内， 国内外大量实测数据表明:这种过电 压的最大值超过3Uψ的概率很小 ( <5% ) .
这是理想化了的切除空载变压器过电压的发展过程，实际过程往往要复杂得 多，断路器触头间会发生多次电弧重燃，不过与切空线时相反，这时电弧重 燃将使电感中的储能越来越小，从而使过电压幅值变小。
五、影响因素与限制措施
1.断路器性能 由电压最大值可知，这种过电压的幅值近似地与截流值I0成正比，每种类型的断路 器每次开断时的截流值I0有很大的分散性，但其最大可能截流值IO(max)有一定的限 度，且基本上保持稳定，因而成为一个重要的指标，并使每种类型的断路器所造 成的切空变过电压最大值亦各不相同。一般来说，灭弧能力越强的断路器，其对 应的切空变过电压最大值也越大。
第四节 切除过电压
电网运行过程中经常会出现切除空载线路的情况，这一方面是对电网进行正常操 作的需要，另一方面在事故情况下，由于线路两侧的开关动作时间总存在一定的 差异，对后动作的开关而言，就会出现切除空载线路的问题。
空载线路在被切除前通常只有幅值不大的容性电流，远远低于短路电流的水 平，但对能切断同一位置短路电流的断路器而言，却未必能顺利地切断空载 线路，这主要是因为空载线路中的断路器在分闸过程中会遇到上升速度较快 的恢复电压，从而导致电弧重燃，引起持续时间较长、幅值较高的过电压， 危害设备的绝缘。我国在35kV -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。
一、过电压产生的物理过程
若线路对地电容足够大，则开关 K处于闭合状态时，回路中将流 过容生 电流，其值为
在开关K断开前电容CT上的电压U c(t)可近似认为等于电源电压e (t) ., 设开关K在t1时刻动作，此时电容 CT上的电压Uω=Em，而回路中流 过的电流恰号为0，开关中发生第 一次断弧(若不考虑截流现象，交 流电弧一般均在电流过零时熄灭) 开关暂时断开后，一方面由于电 容CT的作用使得线路保持残余电 压，另一方面电源电压Em仍按余 弦规律变化，于是在开关K两侧出 现压差，即恢复电压UAB,其表达式 为
一、过电压产生的物理过程
如果开关中灭弧介质的强度恢复较 快，则电弧会被顺利熄灭，回路中 各元件也不会产生过电压。而如果 开关的灭弧性能不良，则在上述恢 复电压的作用下，开关触头间可能 发生电弧的重燃. 考虑最危险的情况，假定电弧重燃 发生在恢复电压UAB取最大值的时刻 t2，此时电源电压e( t) =-Em， UAB = e(t) - Em = - 2Em 。在电弧重燃瞬 间，电源电压-Em加在由电感Ls和电 容CT组成的LC振荡回路上，引发该 电路的过渡过程，一般而言该振荡 回路的固有振荡频率远高于工频， 因而可近似认为在高频振荡过程中 电源电势保持初值-Em不变，而电容 CT在过渡过程中所能达到的最高电 压为
四、切除空载变压器过电压发展过程
产生这种过电压的原因是流过电感的电流在到达自然零值之前就
被断路器强行切断，从而迫使存储在电感中的磁场能量转为电场能量
而导致电压的升高。实验研究表明: 在切断100 A以上的交流电流时，开关触头间的电弧通常都是在
工频电流自然过零时熄灭的;但当被切断的电流较小时(空载变压器的
一、过电压产生的物理过程
UCmax = UCw + (UCW - Uco) UCw = -Em，为CT在过渡过程结束 后的稳定值，从而U Cmax = - Em + (- Em – Em）=-3 Em该电压即为加 在线路上的过电压幅值。
在线路电压达最大值-3Em 的瞬间t3 时刻。由于回路中流过的高频振荡 电流是容性的，电流恰好过零点， 因而电弧在时刻再次熄灭，而电容 CT和线路上则保持了残余电压，开 关K两侧再次出现恢复电压UAB ， 到t4时刻， UAB可达- 4Em ，若开关 触头间的介质恢复仍不够快，则会 再次发生电弧的重燃，同样的分析 方法可知，电容和线路上产生的过 电压5 Em 。
激磁电流很小，一般只是额定电流的0.5%-5%，约数安到数十安)， 电弧往往提前熄灭，亦即电流会在过零之前就被强行切 断(截流现象)。。、切除空载变压器过电压发展过程
LT为变压器的激磁电感，CT为变压器绕组及连接线的对地电容。在工频电
压作用下，ic < < iL，因而开关所要切断的电流i = iL + ic = iL。 假如电流iL是在其自然过零时被切断的话，电容CT和电感LT上的电压正好等 于电源 电压U的幅值U。这时iL=0 ，因此iL被切断后的情况是电容CT上的电荷 (q=CTU)通过电感LT作振荡性放电。并逐渐衰减至零(因为存在铁心损耗和电阻 损耗)，可见这样的拉闸不会引起大于扎的过电压。
二、影响因素 以上分析都是按最严重的条件来进行的，实际上电弧的重燃不一定要等到电源 电压到达异极性半波的幅值时才发生，重燃的电弧也不一定在高频电流首次过 零时就立即熄灭，线路上的电晕放电、泄漏电导等也会使过电压的最大值有所 降低。除了这些因素外.还有一些因素也会影响这种过电压的最大值。 (1)中性点接地方式:中性点非有效接地电网的中性点电位有可能发生位移， 所以某一相的过电压可能特别高一些。一般可比中性点有效接地电网中的 切空线过电压高20%左右。 (2)断路器的性能:重燃次数对这种过电压的最大值有决定性的影响。采用灭 弧性能 优异的现代断路器，可以防止或减少电弧重燃的次数，因而使这种 过电压的最大值降低。 (3)母线上的出线数:当母线上同时接有几条出线，而只切除其中的一条时， 这种过 电压将较小。 (4)在断路器外侧是否接有电磁式电压互感器等设备:它们的存在将使线路上 的剩 余电荷有了附加的泄放路径，因而能降低这种过电压。
设计制造水平的提高，己能基本上达到不重燃的要求，从而使这种过电压在
绝缘配合中降至次要的地位。
三、降压措施
(2)加装并联分闸电阻，这也是降低触头间的恢复电压、避免重燃的有效措施。
以下图来说明它的作用原理。在切断空载线路时，应先打开主触头Q1，使并 联电阻R串 联接入电路，然后经1. 5 - 2个周期后再将辅助触头Q2打开，完
成整个拉闸操作。
分闸电阻R的降压作用主要包括①在打开主触头Q1后，线路仍通过R与电源相 连，线路上的剩余电荷可通过R向电源释放，这时Q1上的恢复电压就是R上的 压降;只要R值不太大，主触头间就不会发生电弧的重燃;②经过一段时间后再打 开Q2时，恢复电压已较低，电弧一般也不会重燃。即使发生了重燃，由于R上 有压降，沿线传播的电压波远小于没有R时的数值，此外，R还能对振荡起阻尼 作用，因而亦能减小过电压的最大值。实测表明，当装有分闸电阻时，这种过 电压的最大值不会超过2.28U。
四、切除空载变压器过电压发展过程
如果电流lL在自然过零之前就被提前切断，设此时iL的瞬时值为I0，Uc的瞬
时值为U0，则切断瞬间在电感和电容中所储存的能量分别为
此后即在LT、CT构成的振荡回路中发生电磁振荡，在某一瞬间，全部电磁 能量均变为电场能量，这时电容CT上出现最大电压Umax，因而
截流现象通常发生在电流曲线的下降部分，设I0为正值，则相应的U0必为负 值。当开关中突然灭弧时， LT中的电流lL不能突变，将继续向CT充电，使电 容上的电压从" – U0"向更大的负值方向增大，此后在LT一CT回路中出现衰减 性振 荡，其频率为
三、降压措施 切空线过电压在220kV及以下高压线路绝缘水平的选择中有重要的影响，所以 设法采取适当措施以消除或降低这种操作过电压是有很大的技术、经济意义的， 主要措施有如下几方面。 (1)采用不重燃断路器。如前所述，断路器中电弧的重燃是产生这种过电压的 根本原因，如果断路器的触头分离速度很快，断路器的灭弧能力很强，熄弧 后触头间隙的电气强度恢复速度大于恢复电压的上升速度，则电弧不再重燃， 当然也就不会产生很高的过电压了，在20世纪80年代之前，由于断路器制造 技术的限制，往往不能完全排除电弧重燃的可能性，因而这种过电压曾是按 操作过电压选择220kV及以下线路绝缘水平的控制性因素;伴随着现代断路器
2.变压器特性 空载激磁电流的大小与变压器容量有关，也与变压器铁心所用的导磁材料有关。近年 来，随着优质导磁材料的应用日益广泛，变压器的激磁电流减小很多;此外，变压器绕 组改用纠结式绕法以及增加静电屏蔽等措施亦使对地电容Cr有所增大，使过电压有所 降低。这种过电压的幅值是比较大的，国内外大量实测数据表明，通常它的倍数为2 -3， 有10%左右可能超过3.5倍，极少数更高达4.5倍5倍,甚至更高。但是这种过电压持 续 时间短、能量小，因而要加以限制并不困难，甚至采用普通阀式避雷器也能有效地加 以限制和保护。如果采用磁吹避雷器或Z凶避雷器，效果更好。 在断路器的主触头上并联一线性或非线性电阻，也能有效地降低这种过电压，不过为 了发挥足够的阻尼作用和限制激磁电流的作用，其阻值应接近于被切电感的工频激磁 阻抗(数万欧姆)，故为高值电阻，这对于限制切、合空线过电压都显得太大了。