电力系统过电压及其防护

暂时 过电压
操作 过电压
工频电压升高
空载长线的电容效应 不对称短路 突然甩负荷
谐振过电压
线性谐振 铁磁谐振 参数谐振
切断空载线路
切断空载变压器
空载线路合闸
间歇电弧接地
一. 概述
在电力系统中，除了雷电过电压外，还经常出现另一 类过电压：内部过电压。顾名思义，它的产生根源 在电力系统内部，通常都是因为系统内部电磁能量 的积累和转换而引起。按照产生的原因，内部过电 压可以分为操作过电压和暂时过电压。一般操作过 电压持续时间在0.1s以内，而暂时过电压持续时间 要长得多。
A = 1 − uC (0) Uϕ
当 uC (0) = −U ϕ
U C = 3U ϕ
uC
≈ 3U ϕ
0
t
二. 影响过电压的因素
1. 合闸相角
2. 残余电压
3. 回路损耗
三. 限制过电压的措施
1. 控制合闸相角 2. 加装并联合闸电阻 3. 线路首末端装设避雷器
同步开关（Synchronous Switching）
3.3 空载线路合闸过电压
一. 产生过电压的基本过程
1. 正常合闸
L s QF
1 2
LT
1 2
LT
L QF
~u
CT
⇒~ u
CT uC
L
=
Ls
+
1 2
LT
u = U ϕ cos ω t
由等值电路：
L
di dt
+ uC
=u
i = CT
du C dt
初始条件：
uC (0) = 0
t = 0 :i = CT
第七讲：电力系统内部过电压及其防护
• 电力系统中的各种绝缘在运行中除了受长 期工作电压的作用外，还会受到各种比工 作电压高得多的过电压的作用。
过电压的概念：指电力系统中出现的对 绝缘有危险的电压升高和电位差升高。
过电压分类：
电力系统 过电压
内部过电压
雷电过电压
直接雷击过电压 感应雷击过电压
内部 过电压
操作过电压：在电力系统运行中由于运行状态 的突然变化，如正常操作或故障操作，会 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，因而在 某些设备或局部电网上出现的过电压。
内部过电压的能量来源于电网本身，所以它的幅值大 小与电网的工作电压大致上有一定的比例关系，通 常用工作电压的倍数来表示比较合适，也就是用标 么值表示，其基准值取电网的最大工作相电压（峰 值）。
内部过电压倍数与电网结构、系统容量和参数、中性点 接地方式、断路器性能、母线上的出线数目以及电 网运行接线、操作方式等因素有关。
内部过电压通常以标幺值pu(per unit)表示
基准取：
Uϕ = k
2U n 3
U n —系统额定电压有效值 k —容许电压偏离系数
系统的最大工作电压 系统额定电压
对220kV及以下系统：k = 1 .15 对330~500kV系统： k = 1 .1
∴过零时电弧熄灭后不重燃，永久熄弧 ③ I jd 中等（数安～数百安） 电弧过零时暂时熄灭，工频半个周期后再度击穿 ∴产生强烈振荡，故障相和健全相都产生过电压
35～66kV电网，IC > 10A 难自熄，形成间歇电弧 6～10kV电网，IC > 30A
第一次 健全相：通过电源充电到线电压，有振荡，储能 发弧 故障相：通过弧道泄放电荷，无振荡，泄能
1. 相控开关的基本工作原理
原理框图
线路电流
断路器同步关合时序
动作过程如下： tc为关合命令输入时刻，t0为参考电压零点，tclosing为开 关合闸时间，tp为选择的目标关合相位(三相可以具有 不同的目标关合相位),tm为开关触头金属接触时刻。 当就地或远动随机关合命令输入时，同步开关控制器
t6 t7
t1
t4 t5
t
5U ϕ Uϕ
− 3U ϕ
t
−7U ϕ
U max = U 稳态 +（ U 稳态 − U 起始 ） = 2U 稳态 − U 起始
第一次重燃：U C 1 = 2 ( −U ϕ ) − U ϕ = − 3U ϕ 第二次重燃：U C 1 = 2U ϕ − ( − 3U ϕ ) = 5U ϕ
防护措施：切空变过电压幅值大，通常为2～3pu，有10％左右可能 超过3.5pu，但持续时间短，能量小，可用避雷器进行限制；
du C dt
=0
⇒ u C = U ϕ (cos ω t − cos ω 0 t )
⇒ ω 0 = 1 / LC T >> ω
U C = 2U ϕ
实际电网中：
u C = U ϕ (cos ω t − e − δt cos ω 0 t )
uC
≈ 2U ϕ
0
t
2.自动重合闸
u C = U ϕ (cos ω t − Ae − δt cos ω 0 t )
80%避雷器
三. 突然甩负荷引起的工频电压升高
当输电线路在传输较大容量时，断路器因某种原因 突然甩掉负荷时，会在发电机和原动机内引起一系 列机电暂态过程，造成工频电压升高。
四. 限制工频电压升高的措施 在220kV及以下系统中，不需要采取特殊措施，在 330~500kV超高压电网中，采用并联电抗器或静止补 偿装置(SVC)，将工频电压升高限制在1.3～1.4pu以下
Ls
1 2
LT
1 2
LT
i
QF L
QF
AB
~u
CT
⇒~ u
CT uC
C T—线路对地电容 LT —线路电感
L
=
Ls
+
1 2
LT
L s —发电机和变压器的漏感之和 u = U ϕ cos ω t
QF 闭合时：
∵
ω L << 1 ωC
∴电流 i 为容性， u C ≈ u
u
i
t
i i
0
u u
0
t2 t3
在tc时刻确认操作命令，并与参考电压信号的下一个零 点t0同步；由开关的合时间tclosing和目标关合相位tp获得
延迟合闸时间td，同步开关控制器延时td后，触发合闸 线圈，开关触头在时刻tm闭合，实现电压过零同步关
合
3.4 间歇电弧接地过电压
1. 发展过程
•
UC
C
•
N
UB
B
•
S
UA
A
•
C1
C2 C3
危害：持续时间长，遍布全网；配电系统绝缘弱点多，
可能发展为相间短路
2. 防护措施
① . 在110kV 及以上电网中采用中性点有效接地方式运行；
② . 在66kV及以下电网中，根据情况采用中性点经消弧线圈 的接地方式运行、或采用中性点绝缘方式运行；
消弧线圈：是在电网中性点与地之间接入的带气隙 铁心、电感可调的电抗器。
I
•
•
I2
I3
•
• UB U BA
•
UC
•
U CA
•
•
I3
•
UA
UN
•
IC
•
I2
I2 = I3 = 3ωCUϕ
故障点接地电流： I jd = IC = 3I2 = 3ωCUϕ ∝ U n ⋅ l
电弧自熄过程： ① I jd 很大→弧道电离程度高、介质恢复慢 ∴电弧过零时不能熄灭，稳定燃烧，不会引起振荡 ② I jd 很小→弧道电离程度低、介质恢复快
统中，间歇电弧接地过电压非常常见，对系统的影响 较大；
防护措施：系统中性点经消弧线圈接地 为克服消弧线圈接地的一些弊端，近年来在我国一些地
区6～10kV，甚至35kV系统的中性点采用了低电阻、 中电阻、或高电阻的接地方式。
2. 对于110～220kV电压等级的中性点直接接地系统，切 空载变压器过电压和空载线路分闸过电压的影响比较 突出。
W
= WL + WC
=
1 2
LT
I
2 0
+
1 2
CTU
2 0
当全部磁场能量转化为电场能量时：
W
=
1 2
CTU
2 max
=
1 2
LT
I
2 0
+
1 2
C
TU
2 0
⇒
U max =
LT CT
I
2 0
+
U
2 0
忽略截流时电容上储存的能量，则：
U max ≈ I 0
LT CT
= ZT I0
ZT =
LT CT
Q1
Q2
动作过程：
R
辅Q2先合 → 串入R，抑制回路振荡，希望R大
→ 8~15ms 后，主Q1合，短接R，希望R小
一般R取400～1000Ω，属低值电阻。
四. 限制超高压线路合闸过电压的新技术－相控 开关技 术（phasing controlled circuit breaker) 从理论分析可见，合闸相位的不同将直接影
作用：补偿接地点容性电流 降低接地点恢复电压速度
促进电弧自熄
接消弧线圈后： I& jd = I&C + I&L
补偿度： K
=
IL IC
= Uϕ /ωL 3ωCUϕ
=
1
3ω 2LC
脱谐度： γ = 1− K
<1 欠补偿 ＝1 全补偿
>1 过补偿
3.5 各种操作过电压在不同电压等级系统中的相对重要性 1. 在电压等级较低的6～10kV，35~66kV中性点绝缘的系