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高电压技术讲座,北开电气公司技术培训,电力系统过电压和绝缘配合,1 概述 正常工作电压：额定电压 5（电压等级 15）过电压：雷电过电压 内部过电压（暂时、谐振、操作）对策：绝缘、限制和防护措施（避雷器、并联 电抗器、断路器并联电阻）内容：内部过电压、雷电过电压、绝缘配合,2 内部过电压及限制措施2.1 暂时过电压（工频过电压、工频电压升高）概念：电力系统正常或故障时可能出现 UmaxUphm（最大工作相电压）f50Hz 的电压升高。（工频谐振过电压除外）产生原因：空载线路的电容效应不对称接地故障突然甩负荷,影响：决定保护电气的工作条件影响设备绝缘及其运行性能直接影响操作过电压幅值 限制措施：并联电抗器、发电机快速减磁或过压保护220kV以下系统：不需特殊措施330kV 及以上系统：不超过1.3 倍（母线侧）；1.4倍（线路侧）,容升现象：RLC电路中，若，且 UC UL，因 UC、UL 反相，使 UC E。无损长线方程稳态解：,空载线路电容效应,Uc,UR,UL,E,I,无损长线方程稳态解 U(x)=U2cosx+j I2Zcsinx 相位系数，输电线路=0.06/km 特性阻抗 x 从线路末端计算的距离 空载线路的电压分布：末端 x=0，电流 I2=0 U(x)=U2 cosx 始端 x=l，U1=U2 cosx 沿线电压分布 空载线路末端的电压升高倍数：,空载线路末端的电压升高倍数：,电源阻抗的影响 末端的电压升高倍数 例如，某500kV线路，l=300 km，Xs=263 l=18,=44,k01=1.051，k02=1.54,并联电抗器补偿效应例如，上例末端装 XL=1835，k02=1.209 上例始、末端都装 XL=1835，k02=1.031,2.1.2 不对称接地故障 A 相发生单相接地故障 故障点：UA=0 IB=IC=0 I1=I2=I0=IA/3 U1=EA I1 Z1 U2=I2 Z2 U0=I0 Z0,健全相：UB、UC=EA=KB、CEA 容量较大的系统 Z1 Z2,若忽略 R1、R2、R0 则 B相 C相,(1),工频电压升高与 X0/X1 有关 3、6、10 kV中性点绝缘系统 X0/X1=-20-35 60 kV中性点接消弧线圈系统 X0/X1 110 kV以上中性点直接接地系统 X0/X1 3,2.1.3 突然甩负荷 带负荷时甩负荷后 Ed=E,令 例如，cos=0.85 Ed/Uph=1.186若线路末端跳闸,l=300km,l=18,=21则 k02=1.201,U2=k02 Ed=1.424 Uph,2.2 谐振过电压概念：电力系统中部件的电感和电容形成振 荡回路，产生谐振，引起过电压 类型：线性谐振 铁磁谐振 参数谐振影响：持续时间长，危及设备绝缘 持续过流，烧毁设备 影响避雷器的灭弧条件 限制措施：系统设计、运行避开谐振条件 增加回路电阻损耗,线性谐振过电压 串联谐振 电压谐振 自振频率 阻尼率 R/2L,谐振条件：0，即 L=1/C 此时 I=E/R R 较小时，UC、UL过电压极高 接近谐振条件时 0，忽略 R，当 10、20、25 UC、UL/E 5、2.5、2.0,特点：线性回路 为固定数,0 时发生线性谐振。0 时，谐振过电压受回路电阻 R 限制，一般 R 较小，过电压很高。在操作或事故造成谐振过电压的暂态过程中，过电压暂态峰值还将高于稳态值。不对称接地故障或非全相操作时有可能产生线性谐振。线性谐振要求严格的参数配合，设计、运行中应避免谐振范围。,2.2.2 铁磁谐振过电压 忽略 R，E UC UL 因 UC、UL 反相，铁心未饱和时电感为 L0，当，即 随着铁心饱和 L 下降,使0而发生谐振。,K点 0 为谐振点，但 E U 不稳定。根据 E U 有三个平衡点 a1、a2、a3。然而稳定点只有两个：a1 在非谐振区，回路呈感性；a3 在谐振区，回路呈容性。由 E 变动使从 a1 到 a3 是突变，相位反倾。,考虑存在 R 时，R 增加将限制过电压；减小谐振范围，甚至不发生谐振。特点：E Um 时,有两个稳定点,谐振激发后自保持；发生条件 范围较大。E Um 时,仅一个稳定点,谐振自激产生。E 或 C 平滑变化时,工作点突变，相位反倾。铁磁元件饱和特性限制了谐振过电压。回路损耗是阻尼和限制过电压的有效措施。除基波铁磁谐振外,还会发生高次和分次谐振。,断线引起的铁磁谐振过电压,电力系统非全相运行，构成 LC 串联回路时，常会发生铁磁谐振。中性点绝缘系统中单相断线,中性点直接接地系统中单相断线 措施：不采用熔断器；断路器尽量三相同期操作；中性点接地系统中，操作中性点不接地的变压器时，将它的中性点暂时接地。,2.2.4 超高压系统中的谐振过电压,1.并联电抗器非全相操作 单相断开 断路器：IA=0 触头间：UB=UC=0 I1+I2+I0=0 U1=U2=U0,谐振条件,欠补偿：XR 1/C1 若 则 Z1、Z2 呈容性，Z0 呈感性，有可能谐振。谐振条件：Z1=-2Z0,措施,若使 L0 L1，并且 则 Z1、Z2、Z0 均欠补偿，均呈容性，就不会发生谐振。做法：并联电抗器中性点接小电抗。,2.高频铁磁谐振,发电机变压器单元带一条空载线 自振频率 铁磁元件非线性特性,奇次谐波谐振 Emn=Imn(R1+j nL1)若 0=n，则发生谐振。工频基波 50 Hz，线路/4=1500 km；三次谐波 150Hz，线路/4=500 km；五次谐波 250Hz，线路/4=300 km。,Imn,Emn,偶次谐波谐振,电感 L 以偶数倍电源频率变化。回路参数中，若 0=n，则发生谐振。偶次谐波谐振主要是二次谐波谐振。总结 线路输入阻抗为容性。回路参数中，自振频率 0=n。高次铁磁谐振主要是二、三、五次谐波谐振；变压器绕组对三次谐波相当于短路；五次以上谐波因损耗增大而受到扼制。,3.分频铁磁谐振,分频谐振的激发 过渡过程中自由振荡分量 i(t)逐渐衰减，电感 L 逐渐增加，使自振频率 逐渐下降。当 时发生持续谐振。稳态状况下，电感不会以分数倍频率变化。因此分频铁磁谐振只能在过渡过程中“激发”，而不能“自激”。,串联补偿系统,措施：电抗器中点串电阻（）。滤波设备及继电保护将串补电容 C 暂 时短接。,电容式电压互感器,措施：电路中接入负载电阻（可在发生谐振时自 动投入。电路中串接滤波器。,2.2.5 电磁式电压互感器引起的铁磁谐振,中性点不接地系统 Y0 连接的电压互感器 在某些操作或故障时，电压互感器激磁阻抗与系统对地电容形成非线性谐振回路，可能发生工频、高频或分频铁磁谐振。这类铁磁谐振是中性点不接地系统中最常见、造成事故最多的内部过电压。,工频位移过电压,正常运行时：三相对称 LA=LB=LC，XL XC0 YA=YB=YC=jC 呈容性，E0=0 操作或故障时：电压互感器受励磁涌流激发而 饱和。三相饱和程度不同，使 YA YB YC。三相仍为容性导纳 YA=jCA YB=jCB YC=jCC 0 在电压之内，一相或两相电压升高，但 不超过线电压。,一相呈感性，两相呈容性导纳,YA=1/L YB=YC=jC（同相）0 偏移到电压之外，一相（饱和相）电压升高。两相呈感性，一相呈容性导纳 YA=jC YB=YC=1/L（反相）0 偏移到电压之外，两相（饱和相）电压升高。,以上回路中三相分别呈感性和容性，形成LC回路，但不会发生铁磁谐振。,三相均呈感性 YA=1/jLA YB=1/jLB YC=1/jLC 0 在电压之内，三相电压不会同时升高，必有一相或两相电压低于相电压而不饱和。因此不可能出现三相同时饱和呈感性阻抗。三相电压同时升高 E0为位移电压，LC串联电路中电压 U00 E0，使三相电压同时上升，甚至超过线电压。,谐波谐振过电压,操作或故障时过渡过程还能激发分频、高频谐振。原理同前。一般，线路很长，互感器电感很大时，可能发生 分频谐振；线路短或空母线，互感器较易饱和时，可 能发生高频谐振。此时，三相不平衡造成中性点位移电压U0的频率不 是工频，三相对地电压升高为 E0 为工频电源相电势。中性点直接接地系统或中性点接消弧线圈接地系统,中性点电位固定或稳定,不会发生上述铁磁谐振。,条件：中性点绝缘系统。电压互感器中性点接地。外界“激发”使电压互感器饱和。特点：中性点位移电压属零序性质。位移电压可以是工频、分频或工频。这类过电压一般不超过 3.0 Uhp。措施：采用励磁特性好的电压互感器或电容 式电压互感器。零序回路（开口或中点）接入电阻。增大对地电容。临时改动接线，改变参数，以免谐振。,2.2.6 参数谐振同步电机自激过电压,等值电路和电感变化 发电机接有容性负载可发生自激过电压。凸极机：Xd=Ld Xq=Lq，每周变化 2 次。隐极机异步运行时：Xd Xq，每周变化 2 次。,定性分析的理想化假设,电感参数是突变的 L1=k L2 k 1 自振周期 电感变化的时间间隔 忽略回路损耗,自激发展过程,t t1：按 T2 周期自由振荡 t=t2：L2L1,但 i=0 t t2：按 T1 周期自由振荡 t=t3：,此时 L1L2,i3i4 34=L1 i3=L2 i4 i4=L1 i3/L2=k i3 每经过1 2 时间，L1突变到L2，电流突增倍，磁能突增 k 倍。随着时间增长，电流、磁能越来越大，电容电压也不断增高。理论上可趋于无穷大。条件：发电机接电容负载。机械能转化的磁能大于损耗。,特点：参数谐振能量由原动机供给，不需单独 的电源。只需剩磁或电容残压，参数配 合即可谐振。磁能增量大于回路损耗。因磁饱和，过电压不会增大到无穷大。参数谐振频率为工频。措施：发电机定子绕组串接大电阻。超高压系统采用并联电抗器。采用快速自动调节励磁装置。操作方式尽量使回路参数处于谐振条件 之外。,2.3 操作过电压,概念：电力系统中操作或故障时，运行状态突变 引起的过渡过程中出现的过电压。类型：合空载线（包括重合闸）切空载线 切空载变压器 解列过电压 弧光接地 特点：高频衰减振荡的过渡过程。持续时间较短。幅值与运行电压成倍数关系。影响因素很多，且有随机性；过电压 有统计性质。,限制措施,过电压限制倍数的规定：线路装并联电抗器。断路器装并联电阻。采用氧化锌避雷器。中性点不接地系统装消弧线圈。操作合理安排。,
