高电压技术——4电力系统过电压

UL UR
L1 2
R1 2
L1 2
R1 2
I
E
UC
(c)
由于电感与电容上的压降反相，且UC > UL，可见电 容上的压降大于电源电势，如图（c）所示。 随着输电电压的提高、输送距离的增长，在分析空 载长线的电容效应时，也需要采用分布参数等值电 路，但基本结论与前面所述者相似。为了限制这种 工频电压升高现象，大多采用并联电抗器来补偿线 路的电容电流以削弱电容效应，效果十分显著。
电力系统过电压的研究方法 暂态网络分析仪TNA 计算机的数值计算
• EMTP（Electro-Magnetic Transient Program),用的 是DBM（Dommel-Bergeron Method) • 演化为PSCAD/EMTDC（加拿大马尼托巴省高压研究 中心），数字动模RTDS
电力系统过电压
过电压分类
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。所谓过 电压就是指电系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位升 高。通常过电压可以作如下分类： 暂时过电压 工频电压升高 谐振过电压 内部过电压 操作过电压 电力系统过电压 直接雷过电压 雷电过电压 感应雷过电压
工频运行最高电压：220kV及其以下1.15倍、 330～500kV1.1倍 工频过电压持续时间（1分钟耐压）：500kV而言，母线为1.3倍， 线路1.4倍，空载变压器1.3倍，并联电抗器1.4倍
超高压输电系统中工频电压升高
工频电压升高在绝缘裕度较小的超高压输电系统中受到 很大的注意的原因如下： 由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，与 多种操作过电压的发生条件相同或相似，所以它们有可 能同时出现、相互，叠加。所以在设计高电压的绝缘 时，应计及它们的联合作用； 工频电压升高是决定某些过电压保护袈置工作条件的 重要依据，所以它直接影响避雷器的保护特性和电力设 备的绝缘水平； 由于工频电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续的时 间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大的影响。
内部过电压的能量来自电网本身，它的幅值大小与 电网的工作电压有一定的比例关系，用工作电压的 倍数来表示。其基准值通常取电网的最大工作相电 压幅值Uφ
2 U k Un 3
Un－系统额定电压有效值，kV k －容许电压偏移系数
分析内部的过电压的发展过程，可以采用分布参数 等值电路及行波理论，也可采用集中参数等值电路 暂态计算的方法。
j L0C0 , R / 2
x x U A e A e 2 2 1 dU 2 U 1 2 x x dx I ( A e A e ) 1 2 Z
L0
R0 j L0 ,Z C0 G0 jC0
x x 双曲正弦 : shx (e e ) / 2 x x 双曲余弦 chx e e ( )/2 :
考虑电源内阻
E0
jX s
Z eq U1 K 01 U 0 Z eq Z s
Z eq jZctg l
jZctg l Z cos l K 01 jX s jZctg l Z cos l X s sin l
cos cos l cos cos l K 01 cos cos l sin sin l cos( l Nhomakorabea )
( tg Z ) ，线路 xp
例题1:空载长线电容效应
下图所示网络，已知，线路：Z＝266Ω，l=500km，α＝ 0.06°/km，电源：jXs=j102Ω，E=289kV，中点电抗器 jXp=j800Ω,末端电容jXC=-j2000Ω,试求： ① U2，U1? ② 线路电压分布U(x)
电抗器在其他位置
E0
jX p
E0
jX s
jX s
jX p
E0
jX s
E0
jX s
1
Z, α, l
2
jX p
jX p
jX p
在末端 在首端
K 02 (1
1 X X Xs ) cos l ( s s ) sin l Xp Z Xp
K 02
1 Xs Xs (1 ) cos l sin l Z Xp
操作过电压所指的操作应理解为“电网参数的突变”， 这一类过电压的幅值较大，可采用限压保护装置和其 他技术措施来加以限制。
谐振过电压的持续时间较长，而现有的限压保护装置 的通流能力和热容量都很有限，无法防护谐振过电压。 一般在选择电力系统的绝缘水平时，要求各种绝缘均 能可靠地耐受尚有可能出现的谐振过电压的作用，而 不再专门设置限压保护措施。 工频电压升高，虽然其幅值不大，本身不会对绝缘构 成威胁，但其他内部过电压是在它的基础上发展的， 所以仍需加以限制和降低。
工频电压升高类型
空载长线电容效应引起的工频电压升高 不对称短路引起的工频电压升高 甩负荷引起的工频电压升高
一、空载长线电容效应引起的工频电压升高
输电线路在长度不很大时，可用集中参数的电阻、 电感和电容来代替，图（a）给出了它的T型等值 电路。由于线路空载，可简化成一R、L、C串连 电路，如图（b）所示。
首、末端
1 K 02 2Xs X s Z ZX s 2 ) sin l ) cos l ( (1 Z Xp Xp Xp
仅在中间 K 02
1 Xs Xs Xs Z (1 ) cos l ( ) sin l 2X p Z 2X p 2X p
线路补偿电抗器对电容效应的影响 线路末端的电抗器（一般 x p Z c tgal ）使线路首端 输入阻抗变大，i=0点从末端前移至 a 1 1 最大电压降 cos al 降为 cos(al ) 线路中点的电抗器与该点后的线路入口阻抗并联值大 于线路入口阻抗，有与上面情况有相似的效果； 线路首端的电抗器与线路入口阻抗并联值大于线路入 口阻抗（若 x p Z c tgal ），从电源看来“线路变 短”，母线的电位升高下降。
小结 电感—电容效应发生于L-C串联支路的工频阻抗为容 性的电路。空载长线的电位升高是一种从线路首端到 末端的积累的电感—电容效应。线路的电压分布呈余 弦函数。 长线“等效电容”的理解，这是解决这类问题的关键。 电抗器部署在长线不同位置对“电容效应”的影响。 要注意电压分布的关系。
二、不对称短路引起的工频电压升高 不对称短路是电力系统中最常见的故障形式，当发生 单相或两相对地短路时，健全相上的电压都会升高， 其中单相接地引起的电压升高更大一些。此外，阀式 避雷器的灭弧电压通常也就是根据单相接地时的工频 电压升高来选定的，所以下面只讨论单相接地的情况 单相接地时，故障点各相的电压、电流是不对称的， 为了计算健全相上的电压升高，通常采用对称分量法 和复合序网进行分析，不仅计算方便，且可计及长线 的分布特性。 阀式避雷器的灭弧电压通常根据单相接地时的工频电 压升高来选定。
内部过电压
第一节 工频电压升高 第二节 谐振过电压 第三节 切断空载线路过电压 第四节 空载线路合闸过电压 第五节 切除空载变压器过电压 第六节 断续电弧接地过电压
第七节 雷电放电和雷电过电压
第一节 工频电压升高
工频电压升高危害 ① 由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生，所 以它们有可能同时出现、相互叠加。 ② 工频电压升高是决定某些过电压保护装置工作条件的 重要依据，所以它直接影响到避雷器的保护特性和电 力设备的绝缘水平。 ③ 由于工频电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续时间 很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大影响。
其他分类方法
电力系统过电压的产生，都伴随着电力系统中复杂的电磁暂态过程 机电暂态（暂态变化相对较慢，如发电机机电过程） 电磁暂态（暂态变化相对较快，如波沿线路上的传播） 由于电磁暂态过程变化很快，因此按波形可以分类： 快速暂态过电压（Very Fast Transient Over-Voltage:VFTO） 雷电过电压（Lightning Over-Voltage） 操作过电压(Switching Over-Voltage) 工频过电压(Temporary Over-Voltage) 谐振过电压 (Resonant Over-Voltage) VFTO：是在GIS内产生的，开关动作在GIS母线上引起的多次折反射， 形成很高的VFTO（一般为2.5倍额定电压），频率在100MHz以上。
末端空载的无损线
架空线α=0.06°/km
U ( x)
U2
U ( x ) U 2 co s x U2 I (x) j sin x Z
E0
jxs
U1
1 2
x
0
线路上各点电压的模由末端向始端方向按 余弦函数分布，电流按正弦函数增加。
1 首末端之比： K12 cos l U 2 co s l U (l ) 等值阻抗： jZ ctg l U2 I (l ) sin l j Z
xk
0
线路末端不是线路电压的最高点
jZctg ( l ) cos cos( l ) K 01 jX s jZctg ( l ) cos( l )
cos cos cos( l ) K 02 K 01 K12 cos( l ) cos( l ) cos cos cos( l )
U (0) U1 I (0) I1
将末端作为参考源
代入 1 A1 (U1 I1Z ) 2 A 1 (U I Z ) 2 1 1 2 不考虑 损耗
U ( x) U1ch x I1Zsh x U1 I ( x ) sh x I1ch x Z
U ( x) U 2ch x I 2 Zsh x U2 sh x I 2ch x I ( x) Z
U ( x) U 2 cos x jI 2 Z sin x U2 sin x I 2 cos x I ( x) j Z
均匀传输线模型
U du I dI
C0 dx
R0 dx
L0 dx
G0 dx
dU R0 I j L0 I Z 0 I dx dI G0U jC0U Y0U dx
difine ( R0 j L0 )(G0 jC0 ) j
Xs 定义 arctan Z
cos K 02 K 01 K12 cos( l )
末端接电抗器
E0
U ( x ) U 2 co s x U2 sin x I ( x) j Z
jxs
1
K
2
U2
U2 jX p I 2 I 2 jX p
系统的现场实测
内部过电压分类
内部过电压的根源在电力系统内部，通常都是因系统内部电 磁能量的积聚和转换而引起。
分类： 空载长线的电容效应 工频电压升高 不对称短路引起的工频电压升高 甩负荷引起的工频电压升高 暂 内 部 时 线性谐振过电压 谐振过电压 铁磁谐振过电压 参数谐振过电压 切断空载线路过电压 操 作 空载线路合闸过电压 断续电弧接地过电压 过电压 切断空载变压器过电压 过电压 过电压
定义 arctan Z Xp
jx p
U1 U 2 cos l j
K12
U2 Z sin l jX p
1 Z sin l cos l Xp
u1
1
u2
cos K12 cos cos l sin sin l cos cos( l )