内部过电压.ppt

前言电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，系统参数会发生变化，从而引起电网内部电磁能量的转化或传递，这种形成的电压升高叫做内部过电压内部过电压。内部过电压分成工频电压升高、操作过电压和谐振过电压三种。通常以系统的最高运行相电压幅值Umpm为基础来计算过电压的倍数K。工频电压升高：在电力系统正常工作或故障时出现的一种幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的过电压。引起工频电压升高的主要因素有：空载长线末断电压升高、不对称短路和发电机突然甩负荷等。操作过电压：电力系统内进行开关操作或系统出现故障时，电力系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，在转变过程中出现很高的过电压。引起操作过电压的主要原因有：切合空载线路过电压、切空载变压器过电压、中性点不接地系统弧光接地过电压等。操作过电压倍数K的大小及过电压持续时间与电网结构及参数、断路器性能、系统接线方式及运行操作方式等有关，具有显著的统计性。随着输电系统额定电压的升高，操作过电压对电力系统的影响随之加大。220kV及以下系统的绝缘水平由雷电过电压决定，可能出现（34）Umpm的操作过电压对电力设备并不构成威胁，但在超高压系统中，如果过电压倍数相同的话，绝缘费用将迅速增加谐振过电压：系统进行某些操作或故障后形成的回路中，其自振荡频率与电源频率满足了一定关系，出现了谐振现象而引起的过电压。电力系统中包含许多电感、电容元件，它们可以组成一系列的串联振荡回路。谐振过电压是一种稳态现象，它持续的时间比操作过电压要长得多，可达十分之几秒甚至可能稳定存在，直到新的操作破坏谐振条件为止。这种过电压不仅危及设备绝缘，而且可能产生持续过电流而烧坏设备，造成比较严重的后果。通常、电力系统中电阻电容是线性常数，而电感则可能是线性的、非线性的或周期性变化的。依据电感的类型不同，谐振分线性谐振、非线性谐振和参数谐振三种。8.1工频电压升高与操作过电压相比，工频电压升高倍数K并不大，它本身对系统中正常绝缘的电气设备一般没有危险的，但由于下列原因，使它成为超高压输电中确定系统绝缘水平的重要因素。1、工频过电压和操作过电压往往同时发生，后者的高频部分常叠加在前者之上。所以工频过电压的升高直接影响到操作过电压的数值。2、工频过电压是决定保护电器工作条件的重要因素。3、工频过电压使断路器操作时流过其并联电阻的电流增大。这就要求并联电阻的热容量增大，使得低值并联电阻的制造难于实现。4、工频过电压持续时间长。为了保证安全，超高压电网的工频过电压必须予以限制。目前、我国500kV电网要求母线上的工频过电压不超过最高工作电压（有效值）的1.3倍,线路上不超过1.4倍。一、空载长线末断电压升高1、理论依据：正弦电势作用在L-C电路，当XCXL时，由于电容电流在感抗上的电压与电容上电压反相，电容电压将比电源电势为高。因此，可以联想到无损耗导线，它是由均匀分布的电感电容所组成的链型电路。当它连接于正弦电势时，由于每一段dX段上有成立，也会出现类似的电压升高现象，称此为空载长线的电容效应。相位常数（=/v，当f=50Hz=100,v为光速时，=100/3105=0.060/km），2、不考虑电源容量的影响：造成空载长线末端电压升高的原因是：电容效应，即空载线路中的容性电流充电造成的。2、考虑电源容量的影响考虑电源容量时，相当于延长了线路长度，使末端电压升高现象更严重，取=210，则l=1150km时发生谐振。其中：XS为电源电抗Z为波阻抗例题一条长度为300千米的500千伏输电线路，电源电抗XS=263.2.线路参数是:L0=0.9mH/km,C0=0.01275uF/km。求线路开路时，末端电压对于电源电势的升高比。解：l=0.06300=180若不计XS,则考虑XS后,二、如何限制空载长线末端电压升高其物理意义：电抗器的感性无功功率部分补偿了线路的容性无功功率，相当于减小了线路长度，故过电压降低。并联电抗器可同时降低长输电线路首断和末端的工频电压升高。8.2切空载长线电压升高其原因是由于断路器的重燃。一、分析二、影响过电压的因素二、影响过电压的因素1、断路器的性能：重燃的次数：重燃次数越多，产生高幅值过电压的概率也越大。油断路器的重燃次数较多，压缩空气断路器的重燃次数较少或不重燃。近年来，由于不断改善断路器的灭弧性能，使得现代断路器已能防止或减少电弧重燃的次数。2、母线出线次数的影响：当母线上有多回路出线时，只拉开一路，过电压也比较小。是由于电弧重燃时残余电荷迅速重新分配，改变了电压的起始值，因而降低了过电压。3、电晕、负载的影响：线路电晕将使过电压降低。特别是高压线路，电压升高会产生电晕，电晕可使导线上的电荷泄漏，同时电晕损耗将消耗过电压能量，限制了过电压倍数。线路末端带有负载时（如空载变压器），当线路首端断路器熄弧后，三相导线上的电荷将通过负载相互中和，导线上电位为零。当线路侧装有电磁式电压互感器时，它的等值电感、电阻与线路电容构成一个阻尼振荡电路，并由于电压升高引起磁路饱和后阻抗降低，将使线路上的残余电荷有了泄放的附加路径，因而降低过电压。我国220kV线路侧加装电磁式电压互感器时可使过电压降低30%。中性点运行方式的影响：中性点直接接地系统中，各相有自己独立回路，相间电容影响不大，切空载线路过电压与上面分析的情况相同。当中性点不接地或经消弧线圈接地时，由于三相断路器分闸的不同期性，会形成瞬间的不对称电路，使中性点发生偏移。三相间相互影响使分闸时断路器中电弧的重燃和熄灭变得更复杂，在不利的情况下，会使过电压显著增高。一般地说它比中性点直接接地时过电压要高20%左右。限制措施：选用灭弧能力强的快速断路器。如压缩空气断路器、压油活塞的少油断路器以及SF6断路器。2、采用并联电阻断路器实测表明：采用并联电阻断路器后，这种过电压倍数的最大值不高于2.28。从降低恢复电压和热容量的角度考虑，分闸电阻取一中值电阻，通常取1000-3000欧。1、改进断路器性能：一、分析合空载长线分计划性合闸和自动重合闸两种。8.2合空载长线电压升高1、计划性合闸过电压形成的原因是初始电压和稳态电压不一致。2、自动重合闸二、影响因素：主要因素有电源电压的合闸相角、线路上的残余电压值和回路损耗等。三、限制措施通过专门装置，控制断路器的动作时间，在各相合闸时，将电源电压的相角控制在一定范围内。或控制断路器在两端电位同极性时合闸，甚至要求触头间电位差接近于零时完成合闸操作，使合闸暂态过程降低到最微弱的程度。国外已研制成功检测断口在同电位瞬间合闸的断路器。1、控制合闸相角 综合考虑合闸的两个阶段对电阻值的不同要求，目前国内设计多取400-1000欧，与分闸中值电阻比，合闸电阻属于低值范围。2、采用并联电阻断路器：8.3切空载变压器电压升高通常断路器在切断大于100A的较大交流电流时，断路器触头间的电弧是在工频电流自然过零时断弧，这种情况下，电气设备电感上储藏磁场能量为零，不会产生过电压。但在切空载变压器时，由于变压器激磁电流很小，一般只有额定电流的1%4%，而断路器的去游离作用很强，故当电流未达到零时，可能发生强烈熄弧，这样储藏的磁场能量就全部转化成电场能量，而产生过电压。截流多数发生在电流由幅值下降到零的过程中，也有可能发生在电流上升阶段。设电流在幅值处、即=900时截流，则：将称为变压器的特性阻抗，变压器的激磁电感越大，特性阻抗越大，变压器的电容越小，特性阻抗越大。变压器的特性阻抗很大，可达几万欧。分析1、截流时电流的大小2、二、影响过电压的因素：过电压的大小受到断路器的性能、变压器的参数和结构形式以及与变压器的连接线路的影响。1、断路器的性能：断路器的截流能力越强，过电压倍数越高，因而截流的最大值成了断路器的一个重要指标。2、变压器的激磁电感越大，对地电容越小，过电压倍数越高。因为当电感中磁场能量不变时，电容越小，过电压也越高。三、限制措施：1、从断路器入手，在断路器的主触头并联电阻能有效地降低过电压。该电阻选择必须具有足够的阻尼作用和限制激磁电流的作用，其大小应接近于被切电感的工频激磁阻抗（数万欧姆），显然比前面讲过的并联电阻要大，是高值电阻。2、从变压器入手，减小变压器的特性阻抗。减小特性阻抗从两方面着手，从绕组角度，改用纠结式绕组以及增加静电屏蔽等措施使对地电容有所增加；从铁芯角度用优质导磁材料，使空载激磁电流减小或电感减小。3、采用避雷器保护。运行经验表明：电力系统中故障至少有60%是单相接地故障。在电网较小，线路不太长中性点不接地系统中发生单相接地时，流过故障点电容电流是很小的，在故障消失后，电弧一般可以自行熄灭。随着电网的发展电压等级的提高，单相接地的电容电流随之增加，当6-10kV电网的对地电容电流超过30A，35-60kV电网的对地电容电流超过10A时电弧难以自动熄灭。但这种电容电流又不会大到形成稳定电弧的程度，因此在故障点可能出现电弧“熄灭-重燃”的间歇性现象，引起电力系统状态瞬息改变，导致电网中电感、电容回路的电磁振荡，系统中性点发生偏移，健全相和故障相都产生过电压。8.4间歇电弧接地过电压一、分析1、设t=0-时，各相电源电压的瞬时值为：各相线路上的电压瞬时值u1、u2、u3与此相同。t=0时，A相线路发生电弧接地，则u1=0,u2、u3过渡到线电压，过渡过程产生2.5倍的电压升高。t=0+时，u1=0,u2、u3过渡到线电压，过渡过程产生2.5倍的电压升高很快衰减并稳定在线电压上运行，接地点流过电容电流。经过半个周期，在t2时刻，A相电流过零时，电弧熄灭。此时u1=0,u2=u3=1.5Umpm，各相线路上的电量分别是0、1.5C2Umpm、1.5C3Umpm，这些电荷由于中性点绝缘无法泄漏，它要在三相电容上平均分配，在每相上形成一个直流电压，从而各项对地电压变为在电源电压之上叠加一个直流电压分量再过半个周期，A相导线上的电压为2Umpm，电弧可能重燃，重新形成过渡过程，健全相上可能出现3.5倍的过电压，故障相上可能出现2倍过电压。根据实测，弧光接地过电压一般不会超过3Umpm，个别可达3.5Umpm由上面分析可以看出，从t3时刻以后，每个半个周期电弧重燃，产生过电压。限制措施：1、采用中性点有效接地方式运行。当发生单相接地时将造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸，切断故障，经过一段时间间歇让故障点的电弧熄灭后再自动重合闸。如果成功，就立即恢复送电；如果不成功，断路器将再次跳闸，不会出现间歇电弧现象。因而110kV及以上电网均采用这种中性点接地方式，除可避免这种过电压外，还因为能降低所需的绝缘水平，缩减建设投资。2、采用中性点经消弧线圈接地。在电压等级较低电网中采用中性点直接接地运行方式时，因为单相接地故障率太高而造成事故频繁，操作次数太多。所以在电容电流超过规定值（610kV电网30A，2060kV及以上电网10A），电弧不易熄灭时采用中性点经消弧线圈接地的运行方式，利用消弧线圈中流过的感性电流来补偿对地电容电流。消弧线圈是一个带有许多间隙、伏安特性不易饱和、外形象单相变压器的可调电感线圈。当发生单相接地时，中性点流过的电流除了有两个健全相上线电压作用下形成的电容电流外，还有中性点电压升高到相电压时，在消弧线圈上形成的电感电流。将电感电流补偿电容电流的百分数称为消弧线圈的补偿度（或调谐度K），用K表示，有K=IL/IC电感电流IL=Umpm/L电容电流IC=3CUmpmK=1/32LC用来表示脱谐度：=1-K当K0时ICIL，表示故障点流过容性残流，此时称为欠补偿；K1时0时，ICIL,表示故障点流过感性残流，此时称为过补偿；K=1时=0时，IC=IL,表示故障点不流过残流，此时称为全补偿；由于多种原因，一般希望以过补偿为主的运行方式，过补偿5%10%。