7 电力系统中的工频过电压

7.2 不对称接地引起的工频过电压
当系统发生单相或两相不对称对地短路故障时， 当系统发生单相或两相不对称对地短路故障时，短路 引起的零序电流会使健全相上出现工频电压升高， 引起的零序电流会使健全相上出现工频电压升高，其 中单相接地时非故障相的电压可达较高的数值， 中单相接地时非故障相的电压可达较高的数值，若同 时发生健全相的避雷器动作， 时发生健全相的避雷器动作，则要求避雷器能在较高 的工频电压作用下熄灭工频续流。 的工频电压作用下熄灭工频续流。 单相接地时工频电压升高值是确定避雷器灭弧电压的 依据。 依据。 在系统发生单相接地故障时，可以采用对称分量法， 在系统发生单相接地故障时，可以采用对称分量法， 利用复合序网进行分析计算非故障相的电压升高。 利用复合序网进行分析计算非故障相的电压升高。
高电压工程基础
工频电压升高的限制措施
目前我国规定： 目前我国规定：330kV，500kV，750kV 系统，母线上的暂 态工频过电压升高不超过最高工作相电压的 1.3 倍，线路不 超过 1.4 倍。 & & 利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应 U 2 = jX p I 2
& & & U1 = U 2 cos α ' l + jI 2 Z sin α ' l & & = j U 2 sin α ' l + I cos α ' l & I1 2 Z
α：接地系数，说明 单相接地故障时，健 全相的对地最高工频 电压有效值与故障前 故障相对地电压有效 值之比。
高电压工程基础
中性点绝缘的系统：X0 主要由线路容抗决定，为负值。单相接地时， 中性点绝缘的系统： 主要由线路容抗决定，为负值。单相接地时， ）。选择避雷器灭弧电压时 健全相电压升高约为线电压的 1.1 倍（K= -20）。选择避雷器灭弧电压时， ）。选择避雷器灭弧电压时， 的线电压（ 避雷器）。 取 110% 的线电压（110% 避雷器）。 中性点经消弧线圈接地系统：在过补偿状态运行时， 中性点经消弧线圈接地系统：在过补偿状态运行时，X0 为很大的正 欠补偿运行时， 为很大的负值。 值；欠补偿运行时， X0 为很大的负值。单相接地时健全相电压接近线电 选择避雷器灭弧电压时， 的线电压（ 避雷器）。 压。选择避雷器灭弧电压时，取 100% 的线电压（100% 避雷器）。 对中性点直接接地的110 ~ 220kV系统：X0 为不大的正值，一般 系统： 为不大的正值， 对中性点直接接地的 系统 X0/X1≤3，健全相上电压升高不大于 倍相电压，约为 倍相电压， ，健全相上电压升高不大于1.4倍相电压 约为80% 的线电压 避雷器）。 （ 80% 避雷器）。
& & & E − jX S I1 = U1
电源漏抗的存在犹如增加了线路长度， 电源漏抗的存在犹如增加了线路长度，加剧了空载长线路 末端的电压升高。 末端的电压升高。 在单电源供电系统中，应以最小运行方式的 为依据， 在单电源供电系统中，应以最小运行方式的XS为依据，估 算最严重的工频电压升高。 算最严重的工频电压升高。 对于两端供电的长线路系统，进行断路器操作时， 对于两端供电的长线路系统，进行断路器操作时，应遵循 一定的操作程序：线路合闸时，先合电源容量较大的一侧， 一定的操作程序：线路合闸时，先合电源容量较大的一侧， 后合电源容量较小的一侧；线路切除时， 后合电源容量较小的一侧；线路切除时，先切容量较小的 一侧，后切容量较大的一侧。 一侧，后切容量较大的一侧。这样操作能降低电容效应引 起的工频电压升高。 起的工频电压升高。
A相发生接地，故障点的边界条件为 相发生接地， & EA Z1 + Z 2 + Z 0
& & & U 1 = E A − Z1 I1
& & U 2 = −Z 2 I 2
& & & I1 = I 2 = I 0 =
& & U 0 = −Z 0 I 0
忽略序阻抗中的电阻分量
a=e
j
2π 3
2 2Biblioteka Baidu& = (a − 1) Z 0 + (a − a ) Z 2 E & UB A Z 0 + Z1 + Z 2 (a − 1) Z 0 + (a 2 − a ) Z 2 & & UC = EA Z 0 + Z1 + Z 2
断路器 单相接地
电力系统中的工频过电压
工频电压升高对系统中正常运行的电气设备一般没有 危险，但在超高压远距离输电确定绝缘水平时， 危险，但在超高压远距离输电确定绝缘水平时，起着 主要的作用 1） 1）工频电压升高再叠加操作过电压 过电压幅值高 2）影响避雷器的最大允许工作电压 灭弧电压 最高 灭弧电压>最高 ） 工频电压 3）持续时间长，对绝缘及运行性能有重大影响 ）持续时间长， 游离、老化、污闪、 游离、老化、污闪、干扰等 我国500kV电网 要求母线的暂态工频电压升高不超过 电网:要求母线的暂态工频电压升高不超过 我国 电网 工频电压的1.3倍 ），线路不超过 工频电压的 倍（420kV），线路不超过 倍 ），线路不超过1.4倍 ），空载变压器允许 倍工频电压持续1min （444kV），空载变压器允许 倍工频电压持续 ），空载变压器允许1.3倍工频电压持续
长线路的入口阻抗
输电线路的参数
当线路末端短路时， 当线路末端短路时，即XL=0 当线路末端开路时， 当线路末端开路时，即XL→∞
Z λ = − jZ C ctg λ = Z λ k
空载长线路的沿线电压分布
l
空载线路， 空载线路，
l=1500km时， U2→∞， 1/4波长谐振 时 ， 波长谐振
考虑电源漏抗 Xs
& =β处 沿线电压最大值应出现在 λ x =β处，线路最高电压为 U β =
& E cos ϕ cos(λ + ϕ − β )
在超高压输电系统中，常用并联电抗器限制工频电压升高。 在超高压输电系统中，常用并联电抗器限制工频电压升高。并联电抗 器可以接在长线路的末端，也可接在线路的首端和输电线的中部。 器可以接在长线路的末端，也可接在线路的首端和输电线的中部。线路 上接有并联电抗器后，沿线电压分布将随电抗器的位置不同而各异。 上接有并联电抗器后，沿线电压分布将随电抗器的位置不同而各异。 并联电抗器的作用不仅是限制工频电压升高，还涉及系统稳定、无功 并联电抗器的作用不仅是限制工频电压升高，还涉及系统稳定、 平衡、潜供电流、调相调压、自励磁及非全相状态下的谐振等方面。 平衡、潜供电流、调相调压、自励磁及非全相状态下的谐振等方面。
Z R = − jZctg(α ' l − θ )
U cos θ K12 = 2 = U1 cos(α ' l − θ )
Z θ = arctg Xp
& U1 ZR − Zctg(α ' l − θ ) K 01 = = = & E Z R + jX S X S − Zctg(α ' l − θ )
7.1 空载长线路的电容效应
忽略r的作用 忽略 的作用
& & & & U 1 = U 2 + U L = jI C 2 ( X L − X C )
在数值上 U 2 = U1 + U L
由于电感与电容上压降反相,且线路的容抗远大于感抗， 由于电感与电容上压降反相 且线路的容抗远大于感抗， 且线路的容抗远大于感抗 而造成线路末端的电压高于首端的电压。 使U2＞U1，而造成线路末端的电压高于首端的电压。
X0 3 & X1 & = [− UB − j ]E A X0 2 2+ X1 X0 1.5 X1 3 & & U C = [− + j ]E A X 2 2+ 0 X1 1.5
X X ( 0 )2 + ( 0 ) + 1 X1 X1 U B = UC = 3 E =αE X0 ( )+2 X1
K 02 = K 01 K12 =
cos θ cos ϕ cos(α ' l − θ + ϕ )
高电压工程基础
不考虑 电源感抗 考虑 电源感抗 末端接入 电抗器
& U2 1 K 02 = = & E cos α ' l
& U2 cos ϕ K 02 = = & cos(α ' l + ϕ ) E
& U2 cos θ cos ϕ K 02 = = & cos(α ' l − θ + ϕ ) E
并联电抗器的均压作用
& & & E − jX S I1 = U1
线路末端接有并联电抗器时，线路末端电压 线路末端接有并联电抗器时，线路末端电压U2将随电 抗器的容量增大（ 减小）而下降。 抗器的容量增大（XL减小）而下降。这是因为并联电 抗器的电感能补偿线路的对地电容， 抗器的电感能补偿线路的对地电容，减小流经线路的 电容电流，削弱了电容效应。 电容电流，削弱了电容效应。 空载线路末端接并联电抗器后， 空载线路末端接并联电抗器后，沿线电压分布
7 电力系统中的工频过电压
内部过电压
外部过电压 电力系统过电压 内部过电压 操作过电压 暂时过电压
在电力系统内部，由于 断路器的操作或发生故 障，使系统参数发生变 化，引起电网电磁能量 的转化或传递，在系统 中出现过电压，这种过 电压称为内部过电压。
暂时过电 压包括工 频电压升 高及谐振 过电压； 持续时间 比操作过 电压长。
过 压 值 电 幅 kn = 最 运 相 压 值 高 行 电 幅
2 3 Ue
最高运行相电压幅值＝ (1.1−1.15) × 最高运行相电压幅值＝
空载长线容升效应 工频电压升高 暂时过电压 谐振过电压 内部过电压 不对称短路 甩负荷 线性谐振 非线性谐振 参数谐振
切、合空载长线过电压 操作过电压 切空载变压器过电压 弧光接地过电压
γ = β + jα = ( R0 + jωL0 )(G0 + jωC 0 )
ZC = R0 + jωL0 G0 + jωC 0
γ输电线路的传播系数， α为相位移系数， β为衰减系 输电线路的传播系数， 为相位移系数 为相位移系数， 为衰减系 输电线路的传播系数 为线路特性阻抗（波阻抗）； 数，Zc为线路特性阻抗（波阻抗）；
操作过电压即电磁 暂态过程中的过电 压；一般持续时间 在 0.ls（五个工频 周波）以内的过电 压称为操作过电压。
由于引起内部过电压的电磁能量来自电力系统内部， 由于引起内部过电压的电磁能量来自电力系统内部，其幅 值与额定电压成正比， 值与额定电压成正比，工程上内部过电压的大小用内部过 电压倍数k 电压倍数 n表示
忽略线路损耗
ZC =
L0 C0
ω γ = jω L0C0 = j = jα υ
chγx = cos αx
shγx = j sin αx
在输电线路上，电压与电流以波的形式传播， 在输电线路上，电压与电流以波的形式传播，行波的 相位相差为2π的两点间的距离称为波长 的两点间的距离称为波长。 相位相差为 的两点间的距离称为波长。 2π 2π 1 ′= λ = = α ω L0 C 0 f L0 C 0 一条输电线路的电气长度， 一条输电线路的电气长度，常用它的实际几何长度同 波长之比来衡量。线路的长度为，则它对于波长的相 波长之比来衡量。线路的长度为， 对长度为 l αl l* = = λ ′ 2π
高电压工程基础
7.3 甩负荷引起的工频电压升高 当甩负荷后，发电机中通过激磁绕组的磁通来不及变化， 当甩负荷后，发电机中通过激磁绕组的磁通来不及变化， 与其相应的电源电势E’ 不变。 与其相应的电源电势 d 不变。原来负荷的电感电流对主磁 通的去磁效应突然消失， 通的去磁效应突然消失，而空载线路的电容电流对主磁通起 助磁作用， 上升。因此加剧了工频电压的升高。 助磁作用，使E’d上升。因此加剧了工频电压的升高。 其次，从机械过程来看， 其次，从机械过程来看，发电机突然甩掉一部分有功负 而原动机的调速器有一定惯性， 荷，而原动机的调速器有一定惯性，在短时间内输入给原动 机的功率来不及减少，主轴上有多余功率， 机的功率来不及减少，主轴上有多余功率，这将使发电机转 速增加。转速增加时，电源频率上升， 速增加。转速增加时，电源频率上升，不但发电机的电势随 转速的增加而增加，而且加剧了线路的电容效应。 转速的增加而增加，而且加剧了线路的电容效应。