9过电压及绝缘

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4.9
过电压及绝缘
考试大纲 9.1 了解电力系统过电压的种类 9.2 了解雷电过电压的特性 9.3 了解接地和接地电阻、接触电压和跨步 电压的基本概念 9.4 了解氧化锌避雷器的基本特性 9.5 了解避雷针、避雷线保护范围的确定
9.1
电力系统过电压的种类
电力系统内部的过电压主要有: (1)工频过电压:由于电网运行方式 的突然改变,引起某些电网工频电压的 升高。 (2)操作过电压:由于电网内开关操 作引起的过电压。 (3)谐振过电压:由系统电感和电容 组成的谐振回路引起的过电压。
9.1.3 谐振过电压
电力系统中具有许多非线性铁心电感元件,它们和系 统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路,可能激发起 持续时间较长的铁磁谐振过电压。 铁磁谐振过电压,可以是基波谐振,可以是高次谐波 谐振,也可以是分次谐波谐振。 铁磁谐振过电压可以在3~500kV的任何系统中甚至在 有载长线的情况下发生,过电压幅值一般不超过1.5~ 2.5倍的系统最高运行相电压,个别可达3.5倍。谐振过 电压持续时间可达十分之几秒以上,不能用避雷器限制。 铁磁谐振过电压表现形式可能是单相、两相或三相对 地电压升高,或以低频摆动,或产生高值零序电压分量。
9.1.2 操作过电压
4.电感性负载的拉闸过电压 当切除电感性负载时,由于断路器强 制熄弧,随着电感电流的遮断,电感中 的磁能将转为静电能,出现过电压。
9.1.2 操作过电压
5.空载线路的合闸过电压 系统在合闸初瞬间的暂态过程中,电 源电压通过系统的电感和电容,在回路 中会发生谐振,因起过电压。
XC
9.1.1
工频过电压
(2)发电机转速上升引起的工频电压升高 发电机突然甩负荷后,由于发电机的调速器及调压 器来不及起作用,发电机的转速将要上升,而电压几 乎随着转速的上升成正比增加。设 n 表示以发电机额 定转速为基准值的标么转速,则线路工频电压的升高 为:
XC / n UE n ' 2 ' X C / n n(X d X T) X C n(X d X T)
1.切除空载线路时的过电压 切断空载线路或并联电容器组时,可能引起电 感-电容回路振荡过程,引起过电压,产生电弧 重燃,引起电气设备的多次绝缘闪络或击穿事故。 用开关切除空载线路时,可能在线路或母线侧出 现危险的过电压。在工频条件下,由于,空载线 路表现为一个等值的电容负荷,所以切除空载长 线时产生的过电压与切除电容器组时产生的过电 压性质完全相同。
9.1.3 谐振过电压
2.在中性点绝缘系统中,电磁式电压互感器引起的 铁磁谐振过电压 电压互感器通常接在变电所或发电机的母线上,其 一次侧绕组接成星形,中性点直接接地,因此各相对 地励磁电感与导线对地电容之间各自组成独立的振荡 回路,并可看成是对地的三相负荷。 在正常运行条件下,三相对地负荷是平衡的,电网 的中性点处在零电位。当电网发生冲击扰动时,可能 使一相或两相的对地电压瞬间提高。使得相互感器的 励磁电流突然增大而发生炮和,其等值励磁电感相应 减小,这样,三相对地负荷变成不平衡了,中性点就 发生位移电压。结果可能使一相对地电压升高,另外 两相则降低;也可能使两相对地电压升高,另一相降 低,一般后者常见,这就是基波谱振的表现形式。
9.2.1 雷电放电过程
放电开始时,微弱发光通道以107~108cm/s的平均速 度以断续脉冲形式向地面伸长,这一阶段称为先导放电。 当先导到达地面或与迎面先导会合后,就开始从地面向 雷云发展的主放电阶段。在主放电阶段中,雷云与大地 之间所聚焦的大量电荷发生强烈“中和”,放出能量, 发出强烈的闪光和震耳的雷鸣。主放电持续时间约为 50s~100s。 随后进入持续时间为0.05s~0.15s的间歇阶段,雷云 中的残余电荷经原先的主放电通道向地面传播,形成余 辉阶段。 在第一次放电过程完成之后,还可能发生第二次或随 后多次的放电,这是因为雷云中存在着多个空间电荷聚 焦中心。
9.1.2 操作过电压
2.切除空载变压器引起的过电压 切除空载变压器是电网中常见的一种操作形 式。在正常运行的情况下,空载变压器表现为 一个励磁 电 感 ( 它 的漏 感 较小 得多 , 可以忽 略),因此切除空载变压器也即是切除电感负 载。 切除电动机、电抗器时,开关中的电感电流突 然被切断,电感中储存的电能将在被切除的电 器和开关上引起过电压。
9.2.4
感应过电压
1.静电感应 当线路或设备附近发生雷云放电时,虽然雷电 流没有直接击中线路或设备,但在导线上会感应 出大量的和雷云极性相反的束缚电荷,当雷云对 大地上其他目标放电后,雷云中所带电荷迅速消 失,导线上的感应电荷就会失去雷云电荷的束缚 而成为自由电荷,并以光速向导线两端急速涌去, 从而出现过电压,称为静电感应过电压。 一般由雷电引起局部地区感应过电压,在架 空线路可达300~400kV,在低压架空线路上可 达100kV,在通信线路上可达40~60kV。
9.2.3
雷电流与雷电过电压的近似表示
为了定义波长时间, 再由纵轴上0.5刻度 作横轴的平行线,该 平行线与波形曲线的 波尾部分相交于F点, 从F点引横轴的垂线, 其垂足G点与D点之间 的时间即定义为波长 波头与波长时间定义的作图方法示意 时间,用 t 表示。由 于波长时间也是波形曲线衰减到半幅值所需要的时间, 它习惯上也被称为半幅值时间。
9.1.1
工频过电压
2.空载线路末端的电压升高 线路越长,电感、电容越大,线路常数越小, 空载线路末端电压也就越高,这也就是常说的 长线路的电容效应。 《导则》规定,线路末端电压不能超过系统 额定电压的1.15倍,持续时间不应大于20min, 因此,在给线路充电时,必须估算可能产生的 过电压,当可能产生的过电压超过允许值时, 要采取相应措施。特别对500kV线路,连同电 抗器一起充电,是限制其末端电压升高的有效 手段。
9.1.2 操作过电压
3.弧光接地过电压 在中性点不接地系统中发生单相接地 故障时,各相的相电压升高,则流过故 障点的接地电流也随着增加,许多暂时 性的单相弧光接地故障往往能自行熄灭, 在接地电流不大的系统中,不会产生稳 定的电弧,这种间歇性的电弧引起系统 运行方式瞬息变化,导致多次重复性电 磁振荡,在无故障相和故障相上产生严 重的弧光过电压。
9.1.1
工频过电压
工频电压升高包括: (1)突然甩负荷引起的工频电压升高; (2)空载线路末端的电压升高; (3)发电机自励磁; (4)系统不对称短路时的电压升高。
9.1.1
工频过电压
1.突然甩负荷引起的工频电压升高 (1)发电机电枢反应的变化引起的工频电压 升高 一般系统所带的是感性负荷,感性负荷的电流 对发电机起去磁的电枢反应,当系统突然甩掉负 荷时,这个去磁的电枢反应也随之消失,但根据 磁链守恒原理,穿过励磁绕组的磁通来不及变化, ' 故发电机端电压将升高到 Ed 。同时,甩掉感性 负荷的长线路呈容性,容性的电流又对发电机起 助磁的电枢反应。
9.1.1
工频过电压来自百度文库
4.不对称短路时的电压升高 在发生不对称短路时,非故障相电压 将升高。
9.1.2 操作过电压
常见的操作过电压有: (1)切除空载线路引起的过电压; (2)切除空载变压器的过电压。 (3)电弧接地过电压; (4)电感性负载的拉闸过电压; (5)空载线路合闸时的过电压;
9.1.2 操作过电压
' q ' nEq X T
对汽轮机,n值平均为1.1~1.15,对水轮机, n 为 1.2~1.3,相应的工频电压升高约为10%~15%及20 %~30%。
9.1.1
工频过电压
母线及输电线上的电压,由于突然甩负 荷,可达额定值的1.2~1.3倍。当线路电 容较大时,此值还可能更高。这种电压 上升时间约为几分之一秒,但实际上受 机组调压器、调速器以及变压器、发电 机磁饱和的限制,实际电压上升视具体 情况而定。
9.2.3
雷电流与雷电过电压的近似表示
1.雷电流幅值的累积概率 对于年平均雷电日大于20的地区,我国传统采 用以下经验公式来表示雷电流幅值累积概率: Im (4-9-7)
lg P 108
式中
I m ——雷电流幅值,kA;
P ——表示雷电流幅值 I超过的概率。 m
9.2.3
雷电流与雷电过电压的近似表示
9.1.1
' U Eq
工频过电压
XC X C X d X T) ( '
线路上的电压将为:
式中
——线路的等值容抗,; ' X d ——同步发电机纵轴暂态电抗,; X T ——变压器的短路电抗,。 对 于 110 ~ 220kV 或 更 低 电 压 的 线 ' X C X d X T ,电压约上升20%~30%;对超 路 高压远距离的输电线路,其末端电压能达到更 高的数值。
9.1.3 谐振过电压
3.开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过 电压 当母线较短,且接有电磁式电压互感器,母线 在空载充电状态下,当线路开关跳闸,线路上的 电源电压作用于开关的断口并联电容和电压互感 器上。由于系统电源中性点是直接接地的,PT也 是三相分立中性点直接接地的。网络在正常运行 条件下, C 和 L 并联于系统电源,回路是稳定的。 当断路器断开后,断口的均压电容C 和PT的电感 L 构成了铁磁谐振回路条件。
9.1.3 谐振过电压
常见的发生铁磁谐振过电压的情况有: (1)各相不对称断开时的过电压 (2)配在中性点绝缘系统中,电磁式电 压互感器引起的铁磁谐振过电压 (3)开关断口电容与母线PT之间的串 联谐振过电压 (4)传递过电压
9.1.3 谐振过电压
1.各相不对称断开时的过电压 线路只断开一相或两相的情况叫作不对称断 开。当线路末端接有中性点绝缘的空载或轻载 变压器时,不对称断开可能引起铁磁谐振过电 压。若变压器中性点直接接地,则不会产生此 种类型的过电压。
9.2.2 雷电参数
2.地面落雷密度 雷云对地放电的频繁程度,用地面落 雷密度表示,其定义是每个雷电日每平 方公里上的年平均落雷次数。
N g 0.024T
1.3 d
式中 N g——年平均密度,次/km2a; Td ——年平均雷暴日,d/a。
9.2.3
雷电流与雷电过电压的近似表示
对于单极性的雷电流和雷电暂态过电压 脉冲波形,通常采用幅值、波头时间和波 长时间等三个参数加以描述. 对于振荡型波形,还要附加上主振频率 这个参数。
9.2.2 雷电参数
1.雷电日与雷电小时 为了表示不同地区雷电活动的频繁程度,通常 利用每年平均雷电日为计量单位。 雷电日的定义是在一天内只要听到雷声(一次 或一次以上)就算一个雷电日。在不同年份观测 到的雷电日数变化较大,一般是取多年的平均值, 即年平均雷电日。 我国把年平均雷电日不超过15的地区叫做少 雷区;超过15但不超过40地区叫中雷区;超过 40不超过90地区叫多雷区,超过90及根据运行 经验雷害特殊重地区的叫强雷区。
2.波头时间 先由纵轴上的0.1、 0.9和1.0三个刻度分 别作三条平行于横轴 的平行线,前两条平 行线分别与波形曲线 的波头部分相交于A、 B两点,过A、B两点 波头与波长时间定义的作图方法示意 作一条直线,该直线 与第三条平行线和横轴分别交于C、D两点,由C点引横轴 的垂线,其垂足E点与D点之间的时间即定义为波头时间, 用 f 表示。
9.1.3 谐振过电压
4.传递过电压 电网中发生不对称接地故障,开关非全相或 不同期动作时,网内将出现零序电压和三相电 流不对称,通过电容的静电耦合和电感的电磁 耦合,对于相邻的送电线路之间或变压器绕组 之间会产生电压的传递现象。当系统接有电压 互感器等铁磁元件时,还可能构成串联谐振回 路,产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压。
9.1.1
工频过电压
3.发电机的自励磁 电力系统中,水轮发电机正常运行时,其电抗 在 X d ~ X q 之间呈周期变化;在异步运行时,无论 水轮发电机或汽轮机发电机,它们的电抗在 ' X d ~ X q 之间周期变化,变化频率均为工频的二倍, 如发电机带有空载线路,其容抗参数与发电机感 抗配合得当就可能引起参数共振,此时发电机励 磁电流很小,甚至为零,发电机端电压和电流幅 值也会急剧上升。这种现象称为发电机自励磁。 在各种电压等级的电网中,都可能产生自励磁过 电压。
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