第八章 暂时过电压

( x) / U K1x U 1

( x) / U K2x U 2
空载时线路首端对末端的电压传递函数
K12 U 2 / U1 1 / cosl

线路上的各点电压的模按余弦分布。 超高压系统中为限制电容效应引起的 工频电压升高，广泛采用并联电抗补偿
5.空载长线路的电容效应

空载时线路末端电压升高与线路长度的关系
电源阻抗对空载长线路电容效应的影响
电源阻抗对空载长线路电容效应的影响

末端电压与源端电压的关系
K 02 cos cosl
tg
1
XS ZC

电源电抗相当于增加了线路 长度 电源容量越小，即内电抗 Xs 越大，末端电压升高越 严重。所以在估计最严重的 工频电压升高时，应以可能 出现的电源容量最小的运行 方式为依据

装并联电抗器 装静止补偿装置 加强电网联系，改变电网结构（如装开关将长线分段） 限制某些运行方式 采用良导体地线，降低X0/X1比值 快速磁通灭磁保护 电压速断保护
基准值
1 p.u
um (um系统最高电压 ) 3
8.工频电压升高的限制措施

并连电抗器是补偿空载线路电容效应的措施
2.工频过电压

电力系统中在正常或故障时可能出现幅值超过 最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电 压升高，统称工频电压升高，或称工频过电压
它的大小直接影响操作过电压的幅值 它的数值是决定避雷器额定电压的重要依据 持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安全 运行 在超高压系统中，为降低电气设备绝缘水平，不但 要对工频电压升高的数值予以限制，对持续时间也 给予规定
1.内部过电压

典型的合闸空载线路过电压倍数K随时间的变化曲线， 变化过程可分为三个阶段：

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具有高幅值、强阻尼的高频操作过电压 持续时间较长的工频暂时过电压，此处工频暂时过电压产 生的原因是发电机的调压特性和线路电容效应，因此开始 时暂时过电压较高，待发电机电压调整器发挥作用之后， 电压开始下降 系统逐渐进入稳定状态，这时主要是长线路电容效应引起 的工频电压升高

对于分布参数电路，当末端空载时，一定条件下，首端 的输入阻抗为容性，计及电源内阻抗的影响(感性)时， 由于电容效应不仅使线路末端电压高于首端，而且使线 路首、末端电压高于电源电动势。这就是系统中的空载 长线路的工频电压升高，尤其在超高压系统中是一个重 要的课题
4.均匀长线及其稳态解

无损长线首末端电压及电流关系
cosl U 1 1 sin l I1 ZC Z C sin l U2 cosl I 2
L0C0
一般
0.06o / km
5.空载长线路的电容效应

线路首端或末端对线路任一点x的传递函数

操作过电压即电磁过渡过程中的过电压，一般持续 时间在0.1s以内 暂时过电压包括谐振过电压和工频电压升高，持续 时间相对较长，暂时过电压产生的原因主要是空载 长线路的电容效应、不对称接地故障、负荷突变以 及系统中可能发生的线性或非线性谐振等
内部过电压
线性谐振 谐振过电压 铁磁 参数 ) (resonance 暂时过电压 空载长线路的电容效应 工频电压升高 不对称的接地故障 甩负荷 oltageRise ) ( PowerFrequencyV ) (Temporary 合空线 切空线 操作过电压（ 0 . 1 s 以内） 切空变 解列 弧光接地 ( Switching )

3.空载长线路的电容效应

对于一给定的R、L、C串联电路，若其参数R<<1/(C)、 L，且有1/C>L，当有正弦交流电流流过时，由于 电感与电容上的压降UL、UC反相，且其有效值UC>UL， 于是电容上的压降大于电源的电动势。这就是集中参数 电路中的“电感—电容”效应，简称“电容效应”

谐振分类

谐振过电压比操作过电压的持续时间长，性质上属于暂时过电 压。谐振过电压的严重性既取决于它的幅值，也取决于它的持 续时间 在不同电压等级、不同结构的系统中可以产生不同类型的谐振 过电压。对应三种电感参数，在一定的电容参数和其他条件的 配合下，可能产生三种不同性质的谐振现象


线性谐振
电力系统谐振过电压
谐振现象
在系统进行操作或发生故障时，电感和电容性元件可能形成 各种不同的振荡回路，在一定的能源作用下，产生谐振现象， 引起谐振过电压

电感元件：电力变压器、互感器、发电机、消 弧线圈以及线路导线等的电感 电容元件：线路导线的对地电容和相间电容、 补偿用的串联和并联电容器组以及 各种高压设备的寄生电容
8.工频电压升高的限制措施

并连电抗器是补偿空载线路电容效应的措施
cos cos K 02 cos(l ) Xs arctan Zc Zc arctan XR
8.工频电压升高的限制措施


线路末端接入并联电抗器，由于电抗器的感性无功功 率部分地补偿了线路的容性无功功率，相当于减小了 线路长度，降低了末端电压升高 并联电抗器的接入可同时降低线路首端及末端的工频 电压升高
第八章 暂时过电压
1.内部过电压



在电力系统中，因为断路器的操作或系统故障， 是系统的参数发生变化，导致电力系统内部能量 的转化或传递的过渡过程中，在电力系统产生的 过电压 系统参数变化的原因是多种多样的，因此内部过 电压的幅值、振荡频率、持续时间不尽相同 内部过电压分为操作过电压和暂时过电压
当 / 0 10% 时 电容和电感上的电压可达 电源电压的5倍 当 / 0 20 ~ 25%时 有2倍左右的过电压 离开以上范围电压很快下 降 谐振趋势 危险并非仅仅在谐振点， 在接近谐振的参数范围内， 都会引起严重的稳态过电 压
参数谐振

当同步发电机接有容性负载时（如空载线路），即使激磁电流很小， 也会使发电机的端电压和电流急剧上升，最终产生很高的过电压， 这种现象称为发电机的自励磁，过电压为自励磁过电压，其本质是 由于电机旋转时的电感参数周期变化引起的，所以称参数谐振

系统在发生不对称故障时，故障点各相电压和电流是不对称的，可以 采用对称分量法利用复合序网方便地进行分析
6.不对称短路引起的工频电压升高
6.不对称短路引起的工频电压升高
6.不对称短路引起的工频电压升高




系统工频电压升高是决定阀型避雷器灭弧电压的依据 3、6、10kV系统工频电压升高可达系统最高电压的1.1倍，避 雷器的灭弧电压即规定为系统最高电压的 1.1 倍，称为 110 ％ 避雷器，例如10kV 系统的最高电压按 1.15Un考虑，避雷器的 灭弧电压为12.7kV (35-60)kV系统的工频电压升高可达系统高电压，避雷器的灭 弧电压规定为系统最高电压的 100 ％，称为100％避雷器，例 如35kV避雷器的灭弧电压为41kV 对110、220kV系统中的避雷器，其灭弧电压则按系统最高电 压的80％确定，称为80％避雷器，例如FZ-110J的灭弧电压为 100kV 对330kV及以上系统，输送距离较长，计及长线路的电容效应 时，线路末端工频电压升高可能超过系统最高电压的 80 ％， 则根据安装位置的不同分为：电站型避雷器 (即80％避雷器)及 线路型避雷器(即90％避雷器)两种
铁磁元件的非线性特性
随着电流的逐渐增加，铁心 开始饱和，磁链与电流的关 系呈现非线性，电感值随电 流(磁链)逐渐减小
交流电源作用于电感 ，若磁 链 保持正弦波形，则电流 i 的波形发生畸变，波形中有3 、5、……奇次谐波
铁磁谐振

在交流电源作用下铁心元件的电感值作周期性变化，这是产 生铁磁谐振的基本原因 在铁芯电感的振荡回路中，如果满足一定条件，可能出现工 频谐振 谐振频率可能等于工频的整数倍（2、3、5倍等），称为高 次谐波谐振 谐振频率可能等于工频的分数倍（ 1/2 、1/3 、1/5、 2/3、 3/5 倍等），称为分次谐波谐振

外激发现象 当 E<U0 时，E逐渐上升，回路只能处在非谐振的 工作点 a 。只有当回路经过强烈的“冲击扰动”， 回路才能处在谐振的工作点c “ 冲击扰动”包括系统的突然合闸、发生故障以及 故障的消除等，这些可造成铁芯电感两端的短时电 压升高、大电流的振荡过程或电感中的涌流现象



需要经过过渡过程建立的谐振现象称之为铁磁谐振 的“外激发”
铁磁谐振 参数谐振
线性谐振过电压
在操作或故障引起的过渡过程出现 谐振条件 或
1 L C
2 2 0 0 R / 2 L
2 0 2
稳态电压UC
串联线性谐振电路
UC E
1 / 2 /
2 2 0 0
1
2 2




不同 /0下 UC与 /0的关系曲线

一旦“激发”起来以后，谐振状态可以“自保持”， 维持很长时间不会衰减
谢谢！
7.甩负荷引起的工频电压升高

当输电线路重负荷运行时，由于某种原因(例如发生短路 故障)线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，造成电源电动 势高于母线电压，也是造成工频电压升高的另一重要原 因，通常称作甩负荷效应
8.工频电压升高的限制措施

在220kV及以下电网中不需采取特殊措施限制工频电 压升高 330、500kV电网中要采取措施将工频电压升高限制 在1.3pu（变电所）及1.4pu（线路侧）以下，措施有：
串联铁磁谐振回路
基波铁磁谐振
1 C 在 I=Ij 处，曲线UL(I)与UC(I)有交 点K，UL＝UC
满足条件 L0
电压平衡关系
E U
基波铁磁谐振图解法
U U L I UC I

回路可能有3个平衡状态，如图中a、b、c三点 判断 a、c 两点是稳定工作点，而b点是不稳定的 a点为电路的非谐振工作点，c点是谐振工作点 铁磁元件的饱和效应是产生铁磁谐振的根本原因，但其又 限制了过电压的幅值
0o
21o
6.不对称短路引起的工频电压升高


短路电流的零序分量会使健全相出现工频电压升高， 常称为不对称效应，以不对称效应系数或接地系数表 示由此而产生的工频电压升高的程度 系统中不对称短路故障，以单相接地故障最为常见， 且引起的工频电压升高也最严重
6.不对称短路引起的工频电压升高