第四章 操作过电压
电器学 复习(第四章---第八章)课堂笔记及练习题
电器学复习（第四章---第八章）课堂笔记及练习题主题：复习（第四章---第八章）学习时间： 2017年1月30日--2月5日内容：一、复习要点【第四章】低压控制电器1、主令电器主令电器：是用来接通和分断控制电路以发布命令、或催生产过程控制的开关电器。
包括按钮、行程开关、主令控制器、接近开关。
2、控制继电器影响电磁式继电器性能的主要参数：整定值、返回系数、动作时间、功率消耗。
3、低压接触器接触器：用于远距离频繁地接通和分断交直流主电路和大容量控制电路的电器。
机械寿命:以其在需要维修或更换机械零件前所能承受的无载操作循环次数来表示。
电寿命：在一定的使用条件下，无需修理或鞥换零件的负载操作次数来表示。
（1）如何提高接触器的电寿命？①尽量减小弹跳；②良好地吸反力配合；③加缓冲装置，吸收动能。
（2）如何提高接触器的机械寿命？①适当增大铁芯面积，减小碰撞应力；②铁芯表面进行硬化处理；③合理地选择运动副，降低摩擦。
④低压电动机启动器。
（3）起动器的选用①根据电网容量和被控电动机的功率选择起动方式；②根据负载的性质与对起动的要求选择起动方式；③根据起动器不同的起动特性来选择起动器；④选用时还应考虑起动器与短路保护电器件的协调配合。
【第五章】配电电器1、刀开关与负荷开关刀开关是一种手动电器，它的转换方式是单投的，若为双投的则称为刀形转换开关。
简单的刀开关主要用在负载切除以后隔离电源以确保检修人员的安全。
刀开关和熔断器组合分为熔断器式刀开关（俗称刀熔开关）、熔断器式隔离开关（作为检修保护，形成断口，但是不能用来分断电流）和负荷开关。
负荷开关有封闭式和开启式的。
2、低压熔断器熔断器的主要部件有：熔体、载熔件、熔断器底座、填料、绝缘管及导电触头。
它串接于被保护的线路中，当线路发生过载或短路时，线路电流增大，熔体发热，一旦熔体的温度高于其熔点，它即将熔断并分断电路，已达到保护线路的目的。
3、低压断路器普通万能式低压断路器触头系统：主触头、辅助触头、弧触头，在电路中它们是并联的。
第四章电力系统大气过电压及防护(教案).docx
电力系统大气过电压及防护4、1 电力系统的过电压一、过电压定义：超过止常运行电压并可使电力系统的绝缘或保护设备损坏的危险电压升高二、分类：外部过电压和内部过电压(1)外部过电压形式：直击雷过电压、感应过电压、侵入波过电压(2)内部过电压屯力系统内部因操作或发生故障，使系统常数发生变化所引起的过电压，其能量来自系统内部，幅值与最大工作相电压有一定比例关系。
形式：工频过电压、操作过电压及谐振过电压4、2 高压设备的绝缘旋转电机的绝缘1、旋转电机绝缘的工作条件旋转电机绝缘在运行中受到热、机械和电场的作用2、旋转电机常用的绝缘材料(1)云母制品(2)绝缘漆和漆布3、旋转电机常用的绝缘结构绕组绝缘分主绝缘、匝间绝缘、股间绝缘和层间绝缘定子绕组主绝缘的绝缘结构分套筒式绝缘和连续式绝缘4、新技术、新产品简介二、变压器绝缘1、电力变压器绝缘的工作条件(对各方面的要求)电气性能、机械性能、热性能以及其它性能方面的要求2、油浸变压器屮常用的绝缘材料变压器油、绝缘纸、油一屏障绝缘3、干式电力变压器特点4、新技术、新产品简介：采用SF6气体绝缘变压器（GIT）三、电缆的绝缘电力电缆常用的绝缘材料1、35KV及以下：采用油浸纸绝缘、塑料绝缘、橡皮绝缘2、110KV及以上：充油电缆、钢管油压电缆、充气电缆4、3 高压线路的绝缘一、电瓷产品的分类：绝缘子、瓷套、套管二、绝缘子的特点：1、对于电气和机械性能要求高2、工作环境差3、使用数量大，要求保证良好的老化性能。
三、绝缘子1支持绝缘子2线路绝缘了3新技术、新产品简介：有机复合绝缘子、玻璃绝缘子4、4 高压保护电气设备（本章重点）一、气体间隙二、避雷器1、避雷器的作用：它是一种保护电器。
用于防止侵人波过电压。
2、对避雷器的要求（1）当电压超过一定值时，避雷器动作（放电）（2）过电压消失后，避雷器迅速切断工频电弧。
三、避雷器的类型：1、管型避雷器2、阀型避雷器3、磁吹避雷器4、氧化锌避雷器四、阀型避雷器:1、结构：主要由火花间隙和阀片组成。
操作过电压
• 在t1处熄弧，此时C2上电压为-Em，在t2处恢复电压为2Em，发生重燃， 稳定电压为Em，所以最大电压为2稳定值-初始值=3Em，t3时再次熄弧， 此时C2上电压为3Em，在t4处，恢复电压为4Em，发生重燃，最大电 压为2稳定值-初始值 =-5Em。循环下去，最大过电压分别为7Em， -9Em…
合闸示意图 （a）集中参数等值电路
（b）简化等值电路
在图中的等值电路中，其中空载线路用一T型等值电路来代 替,RT、LT、CT分别为其等值电阻、电感和电容，u为电源的电阻 和电感。在作定性分析时，还可忽略电源和线路电阻的作用，这 样就可进一步简化成图中的简单振荡回路，其中电感 L L0 LT 2 若取合闸瞬间为时间起算点(t＝0)，则电源电压的表达式为
下面我们以简单电路讨论分断不同性质的负载电路，弧隙 上恢复电压的情况
i
u
R
k
图1 （a）
图1（b）
图1（a）表示分断电阻性负载电路时,弧隙K两端恢复电压 Uhf变化的情况。此时电弧电流i和电源电压u相角差为零。在 电流过零时,电源电压也等于零。所以在电流过零后,恢复电 压由零按工频正弦形上升,没有暂态分量,其稳态分量就是工 频电压。
i
u
L
k
图2 （a）
图2（b）
图2（a）表示分断电感性负载电路的情况。此时电弧电流 i落后于电源电压u90°。电流过零时,电源电压正处于最大 值。若在电流过零后电弧媳灭,电路分断,则弧隙两端的恢 复电压理论上如图2（b）实线所示,即从电弧电压跃升到 电源电压最大值,然后按工频电压变化。
i
u
c
k
图3 （a）
恢复电压的影响因素
什么是恢复电压？当用开关电器分断交流电路时,如果在 某一次电流过零后电弧熄灭,那末,由于电路已被分断,电源 电压将加到开关电器的弧隙上。或者说,弧隙两端的电压将 由零或电弧电压上升到此时的电源电压,这一过程叫做电压 恢复过程,此时弧隙上的电压叫做恢复电压。简言之,恢复电 压就是电流分断后出现在开关电器弧隙两端的电压。在一 般情况下,恢复电压由两部份—稳态分量和暂态分量组成。 恢复电压影响因数：开断电路后的恢复电压波形取决于 两个主要因素,即由回路特性(电感、电容、电阻、波阻 抗等)决定的因素和由断路器特性(电弧电压、弧后电导、 并联电容和并联电阻等)决定的因素。
操作过电压
规避措施
空载线路合闸和重合闸操作过电压
空载线路合闸时，由于线路电感-容的振荡将产生合闸过电压。线路重合时，由于电源电势较高以及线路上残 余电荷的存在，加剧了这一电磁振荡过程，使过电压进一步提高。因此断路器应安装合闸电阻，以有效地降低合 闸及重合闸过电压。
应按电网预测条件，求出空载线路合闸、单相重合闸和成功、非成功的三相重合闸（如运行中使用时）的过 电压分布，求出包括线路受端的相对地及相间统计操作过电压。
操作过电压
是内部过电压中的一类
01பைடு நூலகம்基本信息
03 常见电压 05 规避措施
目录
02 产生原因 04 特点
操作过电压是在电力系统中由于操作所引起的一类过电压。产生操作过电压的原因是在电力系统中存在储能 元件的电感与电容，当正常操作或故障时，电路状态发生了改变，由此引起了振荡的过渡过程，这样就有可能在 系统中出现超过正常工作电压的过电压。
基本信息
操作过电压是在电力系统中由于操作所引起的一类过电压。这里所称的操作，包括正常的操作如空载线路的 合闸与分闸等，还包括非正常的故障，如线路通过间歇性电弧接地。操作过电压是内部过电压中的一类。
产生原因
产生操作过电压的原因是：在电力系统中存在储能元件的电感与电容，当正常操作或故障时，电路状态发生 了改变，由此引起了振荡的过渡过程，这样就有可能在系统中出现超过正常工作电压的过电压，这就是操作过电 压。在振荡的过渡过程中，电感的磁场能量与电容的电场能量互相转换。在某一瞬间储存于电感中的磁场能量会 转变为电容中的电场能量，由此在系统中就出现数倍于系统电压的操作过电压。
(2)由于电感中磁场能量与电容中电场能量都来源于系统本身，所以操作过电压幅值与系统相电压幅值有一定 倍数关系。我国有关规程中规定选择绝缘时的计算用操作过电压大小如表所示。
操作过电压防护
特定条件下出现的超过 工作电压的异常电压升高 属于电力系统中的一种电 磁扰动现象。
电工设备的绝缘长期耐 受着工作电压，同时还承 受一定幅度的过电压。
研究过电压的起因， 预测其幅值，并采取措 施加以限制，是确定电 力系统绝缘配合的前 提，对于电工设备制造 和电力系统运行都具有 重要意义。
电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压
②铁磁谐振过电压
③参量谐振过电压
操作过电压(内过电压) 电力系统运行中由于运行状态的突然变化，导
致系统内电感和电容元件间电磁能的互相转换， 引起振荡性的过渡过程，在某些设备或局部电网 上出现过电压。（1）
由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的 衰减较快持续时间较短的过电压.（2）
操作过电压:
重点讨论
12.1 空载线路合闸过电压
系统运行操作： 合闸空载线路--正常合闸
自动重合闸
12.1.1 正常空载线路合闸过电压
♀计划性合闸:运行需要正常合闸--线路起始电压为0； ♀三相线路对称且同期合闸—按单相线路分析； ♀用分布参数电路分析复杂—按集中参数电路简单分析。
《电路分 析基础》 的重要性
线路用T 型等值电路代替 LT CT 线路等值电感、电容 Ls电源等值电感
e(t) 单相电源
L=Ls+Lt/2
电压峰值处合闸过电压最 大，过渡过程振荡频率高 于电源频率
过电压产生的物理过程
t 0时合闸,u (t) E (1 cos t)
c
m
0
1
0
LC
T
过渡过程振荡频率，超高压线路ω0
低，低压线路ω0高
t /0时 Ucmax 2Em
最大 改写uc
u (t) E E cos t
操作过电压限制措施
操作过电压限制措施
1.利用断路器并联电阻限制分合闸过电压
（1）利用并联电阻限制合空线过电压
合闸过程：S2合闸-R串入LC回路—1.5-2个工频周期后S1合闸- R短接；
两个阶段—过渡过程振荡重量幅值减小，电阻阻尼-振荡过程衰减加快。
电阻因素：
①并联电阻接入时间：10-15ms
②阻值的影响
分合闸造成过电压
限制措施：断路器主触头并联大容量电阻，主触头外串联帮助触头
①分合闸过程分成两个阶段---缩小每个阶段过渡过程的起始值与稳态值的差值—减小每一阶段过电压；
②大电阻阻尼加速振荡过程衰减—抑制分合闸过电压。
1阶段过电压幅值随R增大减小
2阶段过电压幅值随R增大增大
交点R≈0.5-2.0Z 最佳Z=400Ω 线路波阻抗，R取200-800Ω
（2）利用并联电阻限制切空线过电压
分闸过程：S1先断开—R接
入—1.5-2周期后S2开。
电阻限制过电压的作用：
①降低触头间恢复电压，减小重燃机会
②本身降低重燃后过电压。
切空线、合空线电阻不同
2. 利用避雷器限制操作过电压
传统：避雷器限制雷电过电压
性能改进，进展---限制操作过电压成为可能。
第4章电力系统大气过电压及防护
第4章电力系统大气过电压及防护4、 1 雷闪过电压一、雷闪放电过程1、先导放电阶段：当云中的电荷达到一定数量时，电场强度达到使空气绝缘破坏（击穿），变成导电通道，即先导放电通道，向地面发展（逐级）。
2、主放电阶段：当先导通道头部接近地面时，先导通道头部对大地的极大电位差，使剩余间隙中产生极大的场强，造成强烈的游离，形成高导电通道，将先导通道头部与大地接通，即主放电阶段开始，发生闪电和巨大的雷响。
3、余辉放电阶段：主放电完成后，云中的剩余电荷沿雷电流通道继续流向大地，形成余辉放电。
二、雷电特点和参数1、雷电特点：雷击具有冲击性一一在很短的时间内（<0.5s）,电压、电流会迅速上升（1亿伏、几十万安），电能达到2500kW.h。
雷电具有重复性——放电的平均数是3。
雷击具有选择性——雷云附近，因静电感应而产生的电荷的分布的特点是：地面上弯曲的部分比平坦的电荷多而密集，容易将带异性电荷的雷云拉过来，对其放电，造成定向雷击。
2、雷电参数：1）雷电通道波阻抗——Z = 300~400 欧2）雷电流的波形一一波头1~4卩s, —般取T 1=2.6卩s。
波长40~50卩s。
雷电流的上升陡度为d I L/dt= I L/2.63）雷电流幅值及概率分布lgP=-I L/108例：当I L =100kA时，P=11.9%。
表明每100次雷电中，大约有12次雷电流超过100kA。
从曲线知：I L =300kA 的概率很小。
4）雷暴日T――每年中有雷电的日数。
T与纬度及距海洋远近有关。
我国第1 大雷区：海南省那大镇130.7 日/年我国第2 大雷区：海南省海口市115 日/年广州市84 日/年5）地面落雷密度r ——每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数。
r=0.015 次/km2. 雷暴日三、冲击波过电压和伏秒特性1、冲击波过电压——作用时间很短的非周期变化的过电压2、标准冲击电压波形：标准冲击电压波形的参数：波前时间T1 =（1.2 ±0.36）us，波长T2 = （50 ±0）us，通常表示为：1.2 / 50 us3、50%冲击击穿电压U50%：由于冲击电压作用下放电的分散性，如果在某一冲击电压作用下，间隙击穿的概率为50%时，称此电压为50%冲击击穿电压，用U5。
操作过电压
第一节 操作过电压操作过电压是一种在操作过程中产生的电压暂态过程，它瞬间电压极高，严重时会损坏设备的绝缘，引发电网事故。
下面就以宜宾电网发生的一次操作过电压为例来分析它产生的原因。
如图5.14。
白沙站沙山南线186投入运行，经庙梁山站旁母的旁母刀闸1423送至下江弯站，线路带电无负荷。
庙梁山运行人员在白沙186开关未断开的情况下将旁母刀闸1423断开，此时产生操作过电压，引起下江湾站设备绝缘被破坏而发生接地故障，白沙站保护动作跳开186开关。
故障前，网络中存在大量的电感量，以及对地电容，相间电容和杂散电容，这些电感和电容都是处于充点状态，我们把这些电容等效为对地电容，电感等效为一个线路电抗，对地电容两端电压为线路的相电压U ，U=6.3KV 。
注意到这里110KV 系统是中性点直接接地方式，作出故障前的等效图5.15断开刀闸1423时会产生较长时间的弧光，电容，电感和电阻就构成了一个RLC 的衰减振荡电路。
由电工学可知：当回路的开关断开时，往往产生较大反电势。
电容器两端电压按一定规律变化，其电压波形是一个正弦衰减振荡电压。
由于此电压不受电源控制，所以又叫自由分量电压，此电压经过1/4周期稍长的时间达到最大值，1423刀闸就起到这个开关的作用。
利用叠加原理，可以把图5.15分解为图5.16与图5.17。
在图5.16中，P 点电压为正常时的电压E 。
图5.17就是暂态放电回路，由于刀闸操作的时间较长，整个振荡回路的时间常数较大，所以过电压衰减时间较慢，P 点长时间承受高于正常电压数倍的电压，绝缘必然会被破坏。
如果是用白沙的186开关断开电源，开关能迅速灭弧，产生的过电压瞬间衰减至零，就能避免这样的事故发生。
白沙站 庙梁山 下江弯 系统电势E系统电势E附录 1《“防止电力生产重大事故的二十五项重点要求”继电保护实施细则》二○○二年三月六日1.总则1.1为贯彻落实国电公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（国电发[2000] 589号文），做好防止电力生产重大事故的措施，保障电网运行安全，特制定《“防止电力生产重大事故的二十五项重点要求”继电保护实施细则》（以下简称《实施细则》）。
操作过电压
3/2 GIS断路器接线
7.5.2 VFTO的特性
1）幅值：一般小于2.0p.u.，也有可能超过2.5p.u.。隔 离开关操作产生的VFTO较高于断路器操作。 2）陡度：DS断口击穿过程中，火花通道会在几个纳秒 建立起来，在均匀和稍不均匀场中，通道形成冲击波 的上升时间Tr(ns) :
Tr 13.3Kt /(u / s)
电容电压应是三相对称交流电压与 三相相等的直流分量的叠加：
u1 (t 2 ) u1 (t 2 ) U 0 (1.0 1.0)( p.u.) 0; u2 (t 2 ) u2 (t 2 ) U 0 (0.5 1.0)( p.u.) 1.5 p.u.; u3 (t 2 ) u3 (t 2 ) U 0 (0.5 1.0)( p.u.) 1.5 p.u.
SF6的绝缘性能和灭弧性能都优于空气； GIS的设备间距和母线长度都远小于空气绝缘变电站； 产生的阶跃电压波在GIS中不断地产生、来回地传递， 发生复杂的 折、反射及叠加，形成频率极高(高达数百 兆)的暂态振荡。
7.5.6 GIS的VFTO计算实例
VFTO的幅值和很多因数有关，主要取决于GIS装置的 结构，网络支路越多，幅值会随之下降，一般都采用 单机、单变、单回线供电方式进行研究。
7.5 GIS中快速暂态过电压（VFTO）
GIS中的隔离开关在分合空母线时，由于触头运动速 度慢、开关本身的灭弧性能差，触头间隙会发生多次 重燃，这种破坏性放电引起高频振荡而形成快速的暂 态过程，所产生的阶跃电压行波通过GIS和与之相连 的设备传播，在每个阻抗突变处产生反射和折射，使 波形畸变，引起陡波前过电压，即快速暂态过电压 （VFTO）。
U 2 max U 3 max {1.5 [1.5 (0.5)]}( p.u.) 2.5 p.u.
ch6.操作过电压
+1.0p.u.
+1.0p.u.
通过泄漏电 阻慢慢泄放
0 p.u.
0 p.u.
0 p.u.
-1.5p.u.
-1.5p.u.
U m ax U S (U S U 0 ) 2U S U 0
2 1.5p.u. ） （ -0.5p.u . 3.5p.u.
间歇性电弧接地， 健全相上的过电压为 3.5 p.u.。 -7-
限制操作过电压的方法有：在低压系统中安装消弧线圈，在高压线路上装设并 联电抗器，采用带有并联电阻的断路器，以及采用避雷器等。 -3-
中性点不接地系统电弧接地引起的过电压
中性点不接地系统电弧接地过电压出现的条件： 中性点不接地系统，单相接地时，若电弧不能熄灭，也不能稳定燃烧，则 由于电弧的重燃，可能引起过电压。
起弧时刻
熄弧时刻 A 0p.u. B +1.5p.u. C +1.5p.u. -6-
中性点不接地系统电弧接地引起的过电压
A 0p.u. 电荷在系统 中重新分配 系统电位 升高1.0 p.u. + 1.0p.u. B +1.5p.u. C +1.5p.u. 半个周期之后: A +2.0p.u. B +0.5p.u. C +0.5p.u. 0p.u.
合闸空载线路
•正常合闸 •自动重合闸（一般情况下引起的过电压较为严重） 对于超高压输电系统，合闸和重合闸过电压最为重要，因为它对决定系统设备 的绝缘水平起着决定性的作用。 影响因素：电源容量、系统接线方式、线路长度、合闸相位、开关性能、故障 类别及限压措施等因素有关。
-12-
合闸空载线路引起的过电压
将线路合闸分两个阶段进行。第一阶段带电阻R合闸，即将R与辅助触头串联。 由于R对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的过电压降低。大约经过8~15 ms，主触头闭合，将R短接，电源直接与线路相连，完成合闸操作，这是合闸 的第二个阶段。 -15-
高电压工程基础施围课件操作过电压ppt
高电压工程基础
健全相升高至 线电压
中性点不接地系统A相接地时的等值电路及相量图 UA ,UB ,UC:三相电源电压 C1,C2 ,C3:A,B,C三相导线得对地电容(三相对称C1 = C2 = C3 = C)
高电压工程基础
第一次重燃
UCmax1 Em (Em Em ) 3Em
第二次重燃
UCmax2 Em [Em (3Em )] 5Em
若电弧继续重燃下去,则可能出现 -7Em ,+ 9Em ,… 得过电 压,可见电弧得多次重燃就是切除空载线路时产生危险得过电 压得根本原因。系统实测结果表明,超过 3Em 得过电压概率就 是很小得,这就是因为过电压受多种因素影响得缘故。
高电压工程基础
➢ 影响过电压得因素
(1)合闸相位 合闸相位就是随机得,有一定得概率分布,与断路器合闸
过程中得预击穿特性及断路器合闸速度有关。 (2)残余电荷
过电压得大小与线路上残余电荷数值与极性有关。 (3)断路器合闸得不同期
由于三相线路之间有耦合,先合相相当于在另外两相上 产生残余电荷。 (4)回路损耗
系统决定,绝缘设计不取决于其数值; 2) 数十MHz得高频振荡,由行波在GIS内发展形成,就是
构成VFTO得主要部分,决定绝缘设计; 3) 高达数百MHz得特高频振荡,幅值较低。
高电压工程基础
➢ VFTO得影响因素
(1) 残余电荷 当DS开断带电得GIS母线时,母线上可能存在得残余
电荷,会影响到VFTO得幅值。电源侧、母线侧以及支 撑绝缘子上得过电压幅值与残余电荷近似呈线性关系, 残余电荷越多幅值越高。
电力系统操作过电压
❖ 常见类型：
❖ 空载线路电容效应引起的电压高； ❖ 不对称短路时正常相上的工频电压升高 ❖ 甩负荷引起发电机加速而产生的电压升高
电力系统操作过电压
三、空载线路电容效应引起的工频过电压 1、线路较短时 （1）等值电路图和相量图
电力系统操作过电压
从相量图看出： 由于空载线路的电容效应，空载线路末端电压
双电源的线路中，合闸时电源容量大的一侧先 合闸，从电源容量小的一侧先分闸
电力系统操作过电压
四、不对称短路引起的工频电压升高
❖ 对于中性点不接地系统，当单相接地时，健全相的工 频电压升高约为线电压的1.1倍，因此，在选择避雷器 时，灭弧电压取110%的线电压，称为110%避雷器
❖ 对中性点经消弧线圈接地系统在过补偿时，单相接地 时健全相上电压接近线电压，因此在选择避雷器灭弧 电压时，取100%的线电压，称为100%避雷器
电力系统操作过电压
K 20U E 2cosc(o s )cosc ( osl )
当 xL0 0,0
K21U E2 co1scos1l
即空载线路末端电压恒比首端电压高，且线路越长，末 端电压越高，这种现象称为长输电线路的电容效应，又 称为费兰梯效应
电力系统操作过电压
（5）工频电压及其影响因素 a.与电源容量有关，电源容量越小工频电 压升高越严重 b.通过补偿电容电流，可削弱电容效应以 降低工频过电压
电力系统操作过电压
2.按其性质可分为三类 (1).线性谐振 (2).铁磁谐振 (3).参数谐振
电力系统操作过电压
二、铁磁谐振的基本原理
1、铁磁谐振
产生谐振条件:
L 1 C
电力系统操作过电压
2、物理过程 (1)串联铁磁谐振回路的伏安特性
操作过电压产生的影响因素及其限制措施
操作过电压产生的影响因素及其限制措施摘要：操作过电压是内部过电压的一种，是由于对电力设备的操作，突然改变了系统的运行状态，使系统发生电磁振荡，因此就产生了高于系统本身运行的电压等级，这种很高的电压对电力系统稳定运行会带来很大的危害。
要保证电力系统的稳定运行，必须弄清楚电力系统存在过电压的根本原因，并针对不同的原因采取不同的抑制措施是很有必要的。
文章就简要分析过电压产生的影响因素及其限制措施。
关键词：操作过电压；影响因素；限制措施；管理防范我国正处在经济高速发展的时期，对电量的需求量特别大，电力建设是现阶段非常重要的一个任务，电力建设的好坏直接影响着我国经济的发展速度，可以这样说，电力建设就是我国各行业经济发展的命脉，为经济持续高速增长提供可靠保证，掌控着国家的一切活动顺利开展。
“十二五”期间，我国的电力需求量增速变化了，预计应该在10%上下，这些年大规模扩展电网，全国电力建设联网运行以及智能电网的出现，使得系统的结构和运行方式便得越来越复杂，增加了发生系统性事故和导致大面积停电的概率，在现代化要求的电力系统网络建设中，保证电力系统稳定性和可靠性已经成为电力系统正常运行的最重要的问题。
操作过电压高于正常运行电压，大于原先设备设计的电压等级的额定绝缘水平，会对电力系统设备的绝缘带来极大的危害，从而影响电力系统设备的正常运行，如果该设备是电网中的重要设备，会对整个电网运行的稳定行和可靠性有极大的影响，而且操作过电压由于系统改变的需求，所以操作过电压时常发生。
为了保证电力系统运行的稳定性和可靠性必须在各方面考虑操作过电压，分析其产生原因，并找到相应的解决方法来限制操作过电压，从而将危害抑制到最小，使电力系统能够更稳定的运行，为国民经济的发展提供可靠保证。
1 操作过电压产生的原因电力系统由电源、电感、电阻、电容等元件组成的复杂系统网络。
当这个网络系统内部有开关或是系统出现突发性的事故时，电力系统拓扑网络结构将会发生很大的改变，将从一种稳定的状态变化到另一种稳定的状态，在变化过程中，各个储能元件的能量重新分配，系统将发生L、C振荡，从而可能在某些重要的设备上，甚至可能在全部系统中出现很高数量级的过电压，进而危及电网安全运行，使系统中绝缘薄弱部位被击穿。
操作过电压
空载线路合闸过电压
电力系统中，空载线路合闸过电压也是一种常 见的操作过电压。通常分为两种情况，即正常操作 和自动重合闸。由于初始条件的差别，重合闸过电 压的情况更为严重。
1. 正常合闸的情况
这种操作通常出现在线路检修后的试送电。此时 线路上不存在任何异常（如接地）。线路电压的初始 值为零。正常合闸时，若三相接线完全对称，且三相 断路器完全同步动作，则可按照单相电路进行分析研 究。在这里我们用集中参数等值电路的方法分析这种 过电压的发展机理。
起始值与稳态值得差值，及减小了振荡分量的幅值。又由于电阻的阻 尼作用，振荡的衰减加快，从而使过电压幅值受限。
S1
S2
L
R
E(AtC)
UC
CT
B.带有并联电阻的断路器合闸空载线路
4.长气隙击穿机理与特性
• 流注理论 • 1.空间电荷对原有电场的影响 • 外界电离因子引起电子崩，电子崩中电子由于迁
移率远大于正离子，绝大部分电子都集中在电子 崩头部，正离子基本停留在原始位置。这些空间 电荷造成电场畸变。使得电子崩的前方和尾部电 场加强而中间出现了一个弱电场区。此处电子和 正离子浓度却很大，十分有利于复合，成为引发 新的空间光电离的辐射源。
合闸示意图
（a）集中参数等值电路
（b）简化等值电路
在图中的等值电路中，其中空载线路用一T型等值电路来代
替,RT、LT、CT分别为其等值电阻、电感和电容，u为电源的电阻 和电感。在作定性分析时，还可忽略电源和线路电阻的作用，这
样就可进一步简化成图中的简单振荡回路，其中电感 L L0 若取合闸瞬间为时间起算点(t＝0)，则电源电压的表达式为
以出线套管为例讨论
• 法兰边缘具有很集中地电场，且具有 很强的法线分量。当工频电压作用时 ，随着外施电压的升高，其沿面放电 的的过程与棒—板型电场相似，先导 性的滑闪放电同样在流注性放电路径 尚不是很长时就可能发展了。沿面放 电由法兰边缘开始，最后到达轴心导 杆，完成闪络。在滑闪放电阶段，因 为已属于先导放电，故外加的电压较 小的升高，即可使滑闪火花有较大的 增长，所以简单的增加套管的长度（ 即增加闪络的距离）以求提高闪络电 压，效果是不好的。
操作过电压的产生危害及预防措施
操作过电压的产生危害及预防措施电网在运行中，往往由于电气设备绝缘的老化或损坏以及外力破坏等原因，致使电网运行不正常。
如中性点不接地系统的单相接地或设备过负荷等，或是发生电力事故时，要求能及时地发出信号或警报，通知运行值班人员进行处理，或能自动跳闸将故障切除，限制事故的扩大，尽量减少对其他用户的影响，避免造成更大的经济损失。
在二次回路中存在有许多电感线圈(如断路器、继电器、接触器等设备均有不同作用的线圈)，这些设备的线圈都具有一定电感量，当事故跳闸或停电操作时，突然切断电感电路的电流时，往往会产生较大的反电势，由于它的幅值大，频率高，称为操作过电压，此过电压通常对回路中的一些电器元件产生破坏或干扰作用。
一、操作过电压产生的机理变电所二次回路中存在许多不同作用的线圈，它们都有一定电感量。
这些线圈除了具有电感外，还有电阻及线圈联线间、匝间存在的分布电容。
若将分布电容用一个等值集中电容代替并联到线圈两端，就构成一个RLC的衰减振荡电路。
其继电器的触点起到回路中的开关作用。
由电工学可知：当回路的开关断开时，往往产生较大反电势。
电容器两端电压按一定规律变化，其电压波形是一个正弦衰减振荡电压。
由于此电压不受电源控制，所以又叫自由分量电压，此电压经过1/4周期稍长的时间达到最大值。
当电阻值较小时，电容器两端电压最大，往往比电源电压高出几倍或十几倍，这是操作时产生的过电压。
二、操作过电压的危害当电网发生事故跳闸或停电操作时，突然切断电感电路的电流时会产生过电压。
在开关断开过程中，触点间的距离尚未到达足够大时就已经被击穿，高电压进入直流操作电源系统，电压承受水平较低的半导体器件就会受到不同程度的破坏及影响。
因为半导体器件的过电压承受水平较低，反应灵敏，会造成损坏或无法正常工作。
而对电磁元件影响不大，因为其绝缘水平较高，并且其动作过程有一定的惰性，所以不会造成误动作影响正常工作。
三、操作过电压的传递途径操作过电压的传递是一种电能传递过程，任何电能传递都通过电与磁的途径实现。
操作过电压
经过工频半波后，e(t)变为-Em，这时两触头间的电压， 即恢复电压为2Em。如果两触头尚未拉开到足够距离， 触头间介质的绝缘强度没有得到很好恢复，或绝缘恢 复强度的上升速度不够快，则可能在2Em作用下使触头 间隙发生电弧重燃。进而发生振荡过程和过电压。 CT上的起始电压为+Em，电弧重燃后，它将具有新的 “稳态电压”-Em。
3/2 GIS断路器接线
7.5.2 VFTO的特性
1）幅值：一般小于2.0p.u.，也有可能超过2.5p.u.。隔 离开关操作产生的VFTO较高于断路器操作。 2）陡度：DS断口击穿过程中，火花通道会在几个纳秒 建立起来，在均匀和稍不均匀场中，通道形成冲击波 的上升时间Tr(ns) :
Tr 13.3Kt /(u / s)
7.4 切除空载变压器产生的过电压 相当于切除一个小容量的电感负荷； 在切断小电感电流时，由于能量小，通常弧道中的 电离并不强烈，电弧很不稳定；加之断路器去电离 作用很强，可能在工频电流过零前使电弧电流截断 而强制熄弧。弧道中电流被突然截断的现象称为” 截流”。由于截流留在电感中的磁场能量转化为电 容上的电场能量，从而产生了过电压。
A相发生金属性接地时： UN=Uph； 流过故障点的电流为Ijd； 电容C2、C3在线电压作用下的电容电流IC； 消弧线圈电感L在Uph作用下的电感电流IL； I I I
jd c L
IC和IL相位相反；调节消弧线圈的电感量，即可改变 Ijd大小，限制短路电流。 消弧线圈的补偿度Kr： 自振角频率：
7.5.3 VFTO的影响因素
Vx [(1 x2 )Vx x1 x2 ] /(1 x1 ) 1）残余电荷： 2）变压器的入口电容CT； 3）电压的上升时间Tr； 4）GIS的支路长度； 5）开关弧道电阻 Rarc R0e(1/ T ) r 6）其它因素的影响
第四章操作过电压介绍
在超高压、特高压系统中，是决定 电网绝缘水平的重要因素
2.2 产生合闸过电压的物理过程
正常合闸
采用集中参数的型等值电路进行计算分析
单相集中参数等值电路
单相简化电路
正常合闸时电路方程的解
如忽略回路电阻， = 0， 设 ，则
稳态分量最大值 Ucm，反映空载线路的电容效应
0 / 在1.5～3的范围内
330kV 的 相 间 操 作 过 电 压 可 取 相 对 地 的 1.4~1.45倍
500kV的相间操作过电压可取相对地的1.5倍
1.6 限制操作过电压措施
线路上装设并联电抗器，限制工频电压升高
改进断路器性能，采用带有并联电阻的断路器
采用氧化锌避雷器限制过电压
1.7 研究操作过电压方法
3560kV及以下系统（非直接接 地） 110~154kV系统（非直接接地） 110~220kV系统（直接接地） 330kV系统（直接接地） 500kV系统（直接接地）
1.5 规程规定选择绝缘时
计算用操作压可 取 相 对地 的 1.3~1.4倍
自动重合闸过电压波形
影响因素
合闸相位（随机）
正常合闸， ， ，时最严重
合闸速度愈低的断路器愈容易发生较大断口电压 下的预击穿（如油断路器），0 多处在最大值附 近 ，幅值（反相）合闸几率较高，过电压高 合闸速度较高时，预击穿可在任何相位下发生（ 如空气断路器），产生高幅值过电压的概率就小 一些
2.5 限制措施
断路器带并联合闸电阻
辅助触头 B2 先接通，并联电阻 R 串入回路，经过 12 个工频周 期后，主触头 B1 闭合，并联电 阻短接，完成了合闸过程
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2.5 限制措施
断路器带并联合闸电阻
辅助触头 B2 先接通，并联电阻 R 串入回路，经过 12 个工频周 期后，主触头 B1 闭合，并联电 阻短接，完成了合闸过程
合闸过程的等值电路
利用避雷器限制合闸
避雷器动作后有工频电源的作用，对避雷器的 通流容量要求较高
3. 切除空载线路过电压
I 2 I 3 3CU ph
I 3I 2 3CU ph
产生过电压的机理
Ijd 有两个分量：工频电流（强制）分量和高
频电流（自由）分量
通常认为，油中电弧可能在过渡过程中高频
过零熄弧，空气中的开放电弧大多在工频电 流过零时熄弧，前者称为高频熄弧理论，过 电压值较高，后者称为工频熄弧理论，过电 压值较低
3.3 影响因素
断路器的性能
自能式断路器（如多油断路器和老式的少油断路器）开断 小电流时，灭弧室压力低，熄弧后介质强度恢复慢，易发生 多次重燃（ 6 ～ 7 次），恢复电压低时重燃过电压低，但重燃 次数多增加了高幅值过电压出现的可能性
断路器触头重燃、熄弧具有明显的随机性
分闸时，不一定每次都重燃，即使重燃也不一定在 电源到达最大值并与线路残压极性相反时发生。如 果重燃提前发生，振荡振幅和相应的过电压随之降 低，当重燃在断弧后的1/4工频周期内产生，则不会 引起过电压 熄弧不一定在高频电流第一次过零时发生，在第二 次或更后的时间才被切断，线路上残余电压大大降 低，断路器触头间的恢复电压和重燃过电压都大大 减小
采用选相合闸，使断路器在两触头电位极性相同 或电位差接近于零时完成合闸操作
2.5 限制措施
合理装设并联电抗器，降低因线路电容效应等引 起的工频电压的升高
采用单相自动重合闸，避免线路残压的影响 故障相被切除后，线路上没有残余电荷，而且系 统零序回路的阻尼作用大于正序回路，甚至会使 单相重合闸过电压低于正常合闸过电压
220kV切空线过电压倍数K的统计曲线
3
2
1
１－无电磁式电压互感器 ２－有电磁式电压互感器
3.5 限制措施
改进断路器结构
切电容负载时产生过电压的根本原因是断路 器的重燃，改进断路器结构，提高触头间介 质强度的恢复速度，避免重燃，可从根本上 消除这种过电压 采用外能式方法灭弧（采用SF6，压缩空气， 带压油活塞的少油断路器），切除空载线时 可做到不重燃，老式的少油断路器或多油断
原因：断路器分闸过程中的重燃现象
切除空载线路，断路器切除的是较小的容 性电流（几十 ~ 几百安），比短路电流小 得多 取决于触头间恢复电压上升速度与介质强 度恢复速度
3.1 开断空载线路等值电路
L1：电源等值漏感 L2： 线路电感 C1： 母线侧对地电容 C2： 线路电容 e(t)：电源电势 e(t)=Emcos(t+0)
影响因数
回路损耗
电源内阻抗，线路阻抗中的电阻损耗，电弧 本身的弧阻损耗，使高频振荡很快衰减， 过电压降低
5.4 限制措施
中性点直接接地
中性点采用消弧线圈
5.5 消弧线圈的应用
中性点不接地的 360kV 电网中，在单相接 地电流超过30A（310kV电网）或者10A（ 35kV 及以上电网），需要在电网中性点和 地之间接入消弧线圈 作用：减小单相接地电流，缓减接地故障 点恢复电压的上升速度，从而增大接地故 障点自熄的概率，以防止发展成相间短路 或烧伤导线
2.3 合闸过电压倍数
可能出现的最大过电压值
过电压倍数
为工频电压升高系数， 为操作冲击系数
正常合闸 ，
2.4 自动重合闸
发生单相接地故障， DL2 三相跳闸，线路成为带 接地故障的空载线路， DL1 三相跳闸后，健全相 分别在电容电流过零时熄弧，线路上留有残余电 压，数值为
约 0.5 秒后， DL1 自动重合闸，如果线路上的残余 电荷没有释放掉，且健全相中有一相的电源电势 达最大、极性与残余电压相反，则该相将出现的 过电压幅值为
3560kV及以下系统（非直接接 地） 110~154kV系统（非直接接地） 110~220kV系统（直接接地） 330kV系统（直接接地） 500kV系统（直接接地）
1.5 规程规定选择绝缘时
计算用操作过电压倍数
相间绝缘
35~220kV 的相间操作过电压可 取 相 对地 的 1.3~1.4倍
补偿度K和脱谐度
补偿度k
当 k1、0，即ILIC时，
脱谐度
为过补偿状态
当k1、0 ，即ILIC时， 为欠补偿运行状态
当k=1、=0，即IL=IC时，
为全补偿运行状态
中性点位移电位
为中性点不接地（无消弧线圈）电网 ，因三相对地电容不等而引起的电网中性点位移 电位，称电网不对称电压 U0 的大小主要决定于KC及，以KC=1.5%为例，无 消弧线圈，Ubd=0.015EA，接消弧线圈，若=3%， 则U0=0.5EA，中性点电位移电压增大33倍。若=0 ，电网处于谐振状态，但电网存在损耗电阻，所 以U0不趋于无穷大
1.1 操作过电压的特点
与工频电压升高和谐振过电压相比：
过电压幅值高 强阻尼、高振荡性 持续时间短
由于操作过电压的能量来源于系统本身，故其 幅值与额定电压大致有一定倍数关系，通常以 系统最高运行相电压的幅值 Uphm作为基值来计 算过电压倍数Kn
1.2 操作过电压的特点
操作过电压的幅值，持续时间与电网结构参 数，断路器性能，系统接线，操作类型等因 素有关，其中很多因素具有随机性，因此过 电压幅值持续时间也具有统计性
在超高压、特高压系统中，是决定 电网绝缘水平的重要因素
2.2 产生合闸过电压的物理过程
正常合闸
采用集中参数的型等值电路进行计算分析
单相集中参数等值电路
单相简化电路
正常合闸时电路方程的解
如忽略回路电阻， = 0， 设 ，则
稳态分量最大值 Ucm，反映空载线路的电容效应
0 / 在1.5～3的范围内
5. 间歇电弧接地过电压
中性点不接地电网中，10kV电网，l 1000km， Ijd30A；35kV电网， l 100km， Ijd 10A，接地 电弧在几秒至几十秒内自熄，继续增大，电弧不 能自熄，且不形成稳定电弧（几百安），此时出 现时燃时灭的不稳定状态，产生间歇性电弧接地 过电压
5.1 间歇性电弧的产生
氧化锌避雷器作为后备保护
4. 切除电感性负荷过电压
4.1 过电压产生原理
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。由于截流流在电感中的磁场能量转 化为电容上的电场能量，从而产生过电压
超高压系统中的断路器采用外能式方法灭弧，且灭弧能力 是按切断短路电流来设计的，分断这样的电流时，电弧被 迅速拉长，弧阻剧增，发生不稳定现象，在工频电流过零 前发生强制熄弧，有时甚至在电流的最大值时电流突然截 断，称为截流
t1 第一次熄弧，t2 第一次重燃，t3 第二次熄弧 T4 第二次重燃，t5 第三次熄弧
3.2 切空线过电压发展过程
每隔半个工频周期就重燃一次和熄弧一次，过 电压将按7Em，-9 Em ….. 逐次增加，直到触头 间已有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止
发生了两次重 燃，最大过电 压倍数为2.72 少油断路器切切除220kV 330km长线 路时的实测波形
路器还存在重燃
3.5 限制措施
采用并联电抗器
降低重燃后的工频稳态分量，并使断弧后线路上 残压不再是直流电压，而是交流衰减正弦电压 ，恢复电压上升速度大为降低 ,可避免电弧重燃
3.5 限制措施
装分闸并联电阻
先断主触头DL1，将R串入回路：一是泄放残余电 荷，二是降低触头间电压，此过程希望R值小 经1.5～2周波，再断开辅助触头DL2，此过程希望 R大，电容上分压小，恢复电压小，不易重燃
断路器触头间恢复电压
断路器的工频电流（容性电流），过零电弧熄灭， 此时电容C上的电压为最大值 ，不考虑线 路上残余电荷泄漏，断路器触头间恢复电压Ur(t)为
经过半个周期，恢复电压达 2Em，此时，如果断路 器断口处介质强度恢复很快，电弧从此弧灭，分闸 过程结束，不会产生过电压，否则可能重燃
3.2 切空线过电压发展过程
理论分析和数值计算
模拟试验、现场测试、运行纪录，暂态网络分析仪 （TNA）、数字模拟混合实时仿真系统以及先进的 仪器仪表 本课程主要介绍几种典型的操作过电压形成的原理 ，影响因素及主要防护措施
2. 合闸空载线路的过电压
2.1 产生合闸过电压的物理过程
正常合闸:零初始条件
自动重合闸: 非零初始条件
330kV 的 相 间 操 作 过 电 压 可 取 相 对 地 的 1.4~1.45倍
500kV的相间操作过电压可取相对地的1.5倍
1.6 限制操作过电压措施
线路上装设并联电抗器，限制工频电压升高
改进断路器性能，采用带有并联电阻的断路器
采用氧化锌避雷器限制过电压
1.7 研究操作过电压方法
随着系统电压的提高，操作过电压的问题就突出出 来，若不采取限压措施，将导致设备绝缘费用的迅 速增加，因此330kV及以上超高压、特高压系统操 作过电压绝缘时
计算用操作过电压倍数
相对地绝缘
系统 过电压倍数
4.0 3.5 3.0 2.75 2.0或2.2
电网接线方式