电气工程基础PE12.pptx
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1、1 1W W z zHUST_CEEE第十二章第十二章电力系统内部过电压电力系统内部过电压第一节第一节概概述述第二节第二节操作过电压操作过电压第三节第三节谐振过电压谐振过电压第四节第四节工频电压升高工频电压升高2 2W W z zHUST_CEEE第一节第一节 概概述述过电压过电压是指超过正常运行电压并可使电力系统绝缘或保是指超过正常运行电压并可使电力系统绝缘或保护设备损坏的电压升高。护设备损坏的电压升高。过电压可以分为过电压可以分为内部过电压内部过电压和和雷电雷电(外部外部)过电压过电压。内部过电压内部过电压(简称(简称内过电压内过电压)是由于电力系统内部能量的转化)是由于电力系统内部能量的
2、转化或传递引起的。内部过电压可按其产生原因分为操作过电压和或传递引起的。内部过电压可按其产生原因分为操作过电压和暂时过电压,而后者又包括谐振过电压和工频电压升高。暂时过电压,而后者又包括谐振过电压和工频电压升高。操作过电压操作过电压:因操作引起的暂态电压升高。:因操作引起的暂态电压升高。(2006名)谐振过电压谐振过电压:因系统中电感、电容参数配合不当,在系统进行:因系统中电感、电容参数配合不当,在系统进行操作或发生故障时出现的各种持续时间很长的谐振现象及其电操作或发生故障时出现的各种持续时间很长的谐振现象及其电压升高。压升高。工频过电压工频过电压:电力系统中在正常或故障时还可能出现幅值超过:
3、电力系统中在正常或故障时还可能出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高。这种电最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高。这种电压升高统称为工频电压升高。压升高统称为工频电压升高。3 3W W z zHUST_CEEE第一节第一节 概概述述内部过电压倍数内部过电压倍数:内部过电压的幅值与电网该处最高:内部过电压的幅值与电网该处最高运行相电压的幅值之比,用字母运行相电压的幅值之比,用字母K来表示。来表示。K值与电网结构、系统容量和参数、中性点接地方式、断路值与电网结构、系统容量和参数、中性点接地方式、断路器性能、母线上的出线数目、电网的运行接线和操作方式等因器性能、母线上的
4、出线数目、电网的运行接线和操作方式等因素有关,它具有统计性质。素有关,它具有统计性质。通常在中性点直接接地的电网中,如果不采取限压措通常在中性点直接接地的电网中,如果不采取限压措施,操作过电压的最大幅值可达最高运行相电压幅值施,操作过电压的最大幅值可达最高运行相电压幅值的的3倍以上倍以上;在中性点非直接接地的电网中,最大操作过电压可达在中性点非直接接地的电网中,最大操作过电压可达最高运行相电压的最高运行相电压的4倍以上;倍以上;谐振过电压的幅值则在谐振过电压的幅值则在2倍以上。倍以上。4 4W W z zHUST_CEEE第二节第二节 操作过电压操作过电压 电力系统中常见的操作过电压有:电力系
5、统中常见的操作过电压有:切除电感性负载过电压;切除电感性负载过电压;切除电容性负载过电压;切除电容性负载过电压;空载线路合闸过电压以及系统解列过电压;空载线路合闸过电压以及系统解列过电压;中性点绝缘电网中的电弧接地过电压等中性点绝缘电网中的电弧接地过电压等。操作过电压持续时间:几操作过电压持续时间:几msms几十几十msms。一、一、空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压二、二、空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压三、三、电弧接地过电压电弧接地过电压5 5W W z zHUST_CEEE第二节第二节 操作过电压操作过电压空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压一、空载变压器的
6、分闸过电压一、空载变压器的分闸过电压(2006简)1.切空载变压器切空载变压器(大大L)过电压机理过电压机理在实际电路中在实际电路中diL/dt是不会是不会达到无穷大的。这是因为变压达到无穷大的。这是因为变压器绕组除励磁电感器绕组除励磁电感LT外,还有外,还有电容电容CT,如上图所示。断路器,如上图所示。断路器截断电流后,电感中的电流可截断电流后,电感中的电流可以以电容为回路继续流通,对以以电容为回路继续流通,对电容进行充电,将电感中的磁电容进行充电,将电感中的磁能转化为电容中的电能。能转化为电容中的电能。在在切切空空载载变变压压器器时时,断断路路器器常常常常会会在在工工频频电电流流自自然然过
7、过零零之之前前强强行行切切断断电电弧,称这种现象为弧,称这种现象为“截流截流”。在在切切除除空空载载变变压压器器励励磁磁电电流流的的截截流流瞬瞬间间,电电弧弧电电流流被被迫迫很很快快下下降降到到零零,造成:造成:diL/dt(-)于于是是在在变变压压器器励励磁磁电电感感L上上将将感感应应出出过过电压电压uLdiL/dt(-)即过电压有可能达到很高的数值。即过电压有可能达到很高的数值。6 6W W z zHUST_CEEE如如右右图图所所示示,如如果果截截流流发发生生在在某某一一瞬瞬时时值值I0时时,电容上的电压为电容上的电压为U0,此时变压器的总储能,此时变压器的总储能W为:为:WWLWC(L
8、TI02CTU02)/2按按能能量量不不灭灭定定律律,当当磁磁能能全全部部转转化化为为静静电电电电能能时时,电电容容上上的的电电压压将将达达其其最最大大值值UTm,由由截截流流而而引起的变压器上的过电压可达引起的变压器上的过电压可达:UTm(U02I02LT/CT)1/2截流值愈大则过电压愈高,当截流发生在励磁截流值愈大则过电压愈高,当截流发生在励磁电流的幅值电流的幅值Im(即(即I0Im,U00)时,有:)时,有:UTmIm(LT/CT)1/2图图12-2截流时刻截流时刻第二节第二节 操作过电压操作过电压空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压图图12-3截流后的电流和电压波形截流后的电
9、流和电压波形图图12-3给出了电流在幅值截断后给出了电流在幅值截断后,电感中的电电感中的电流流iL和电容上的电压(也即电感上的电压)和电容上的电压(也即电感上的电压)uC的波形。如不计衰减,的波形。如不计衰减,iL和和uC可写成:可写成:iLImcos0tuCUmsin0t Im(LT/CT)1/2sin0t 7 7W W z zHUST_CEEE第二节第二节 操作过电压操作过电压空载变压器的分闸过电压空载变压器的分闸过电压2.影响因素及限制措施影响因素及限制措施(2006单)(1)断路器性能)断路器性能切空载变压器引起的过电压幅值近似地与截流值切空载变压器引起的过电压幅值近似地与截流值I0成
10、正比。成正比。降低断路器的截流能力能够限制过电压降低断路器的截流能力能够限制过电压UTm的大小。的大小。通过在断路器的主触头上并联高值电阻,能有效地降低这种通过在断路器的主触头上并联高值电阻,能有效地降低这种过电压。过电压。(2)变压器参数和结构)变压器参数和结构LT愈大,愈大,CT愈小,过电压愈高;愈小,过电压愈高;相数、绕组连接方式、铁心结构、中性点接地方式、断路器相数、绕组连接方式、铁心结构、中性点接地方式、断路器断口电容、相连的电缆和架空线路段等断口电容、相连的电缆和架空线路段等均有影响。均有影响。绕组连接方式:绕组连接方式:采用纠结绕组及增加静电屏蔽措施;采用纠结绕组及增加静电屏蔽措
11、施;铁心:铁心:采用优质导磁材料(冷轧硅钢片);采用优质导磁材料(冷轧硅钢片);其他:其他:采用普通阀式避雷器吸收绕组储存的磁能等。采用普通阀式避雷器吸收绕组储存的磁能等。8 8W W z zHUST_CEEE第二节第二节 操作过电压操作过电压二、空载长线路的操作过电压二、空载长线路的操作过电压1切除空载长线路切除空载长线路(大大C)C)过电压的产生过程及限制措施过电压的产生过程及限制措施切除空载线路是电力系统中常见的操作之一切除空载线路是电力系统中常见的操作之一产生过电压的原因是断路器分闸过程中的电弧重燃产生过电压的原因是断路器分闸过程中的电弧重燃(2005单)产生过程产生过程图图12-4是
12、是断断路路器器切切除除空空载载长长线线时时的的接接线线图图和和等等值值线线路路图图。通通常常L1/(C),因因此此在在电电路路切切除除前前,可可认认为为电电容容电电压压uC和和电电源源电电势势e近近似似相相等等,而而流流过过断断口口的的工工频频电电流流iC超前电源电压超前电源电压90。图图12-4切除空载长线切除空载长线9 9W W z zHUST_CEEE当当QF触触头头分分离离后后,触触头头间间电电弧弧将将在在iC0 0时时熄熄灭灭(tt1),此此时时线线路路电电容容上上uCEm。电电弧弧熄熄灭灭后后,电电源源与与电电容容分分开开,uC维维持持残残余余电电压压Em,而而电电源源电电压压e则
13、则将将继继续续按按工工频频变变化化。此此时时加加在在QF断断口口上上的的电电压压将逐渐增加。将逐渐增加。在在tt2时时刻刻,当当电电源源电电压压e到到达达-Em时时,QF断断口口间间的的恢恢复复电电压压达达到到2Em。如如果果此此时时QF断断口口间间介介质质的的抗抗电电强强度度不不够够被被击击穿穿,电电弧弧第第一一次次重重燃燃,此此时时uC将将由由Em以以0的的角角频频率率围围绕绕(-Em)振振荡荡,其其振振幅幅为为2Em。因此,。因此,uC的最大值可达的最大值可达(-3Em)第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压图图12-5 切除空载长线时的电流和电压
14、波形切除空载长线时的电流和电压波形 图图12-4切除空载长线切除空载长线伴伴随随着着高高频频振振荡荡电电压压的的出出现现,QF断断口口间间将将有有高高频频电电流流流流过过,它它超超前前于于高高频频电电压压90。因因此此,当当uC达达到到(-3Em)时时(tt3时时刻刻),高高频频电电流流恰恰恰恰经经过过零零点点,于于是是电电弧弧可可能能再一次熄灭。再一次熄灭。又又经经过过工工频频半半个个周周波波后后(tt4时时刻刻),作作用用在在断断口口上上的的电电压压将将达达4Em。假假如如断断口口又又恰恰好好在在此此时时击击穿穿,则则由由于于电电容容的的起起始始电电压压为为(-3Em),电电源源电电压压为
15、为Em,振振幅幅为为4Em,振荡后电容上的最大电压可达振荡后电容上的最大电压可达5Em1010W W z zHUST_CEEE限制措施限制措施 国国内内外外大大量量实实测测数数据据表表明明,在在中中性性点点不不接接地地系系统统中中,过过电电压压倍倍数数一一般般不不超超过过3.54倍倍,在在中中性性点点直直接接接接地地系系统统中一般不超过中一般不超过3倍。倍。(1)采用不重燃断路器)采用不重燃断路器在现代断路器设计中通过提高触头之间的介质绝缘强度使在现代断路器设计中通过提高触头之间的介质绝缘强度使熄弧后触头间隙的电气强度恢复速度大于恢复电压的上升熄弧后触头间隙的电气强度恢复速度大于恢复电压的上升
16、速度,使电弧不再重燃。速度,使电弧不再重燃。(2)并联分闸电阻)并联分闸电阻R在断路器主触头上并联分闸电阻在断路器主触头上并联分闸电阻R,也是降低触头间的恢,也是降低触头间的恢复电压、避免重燃的有效措施。复电压、避免重燃的有效措施。(3)线路首末端装设避雷器)线路首末端装设避雷器 装设金属氧化物避雷器(装设金属氧化物避雷器(MOA)或磁吹阀式避雷器能有)或磁吹阀式避雷器能有效地限制这种过电压的幅值。效地限制这种过电压的幅值。第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压1111W W z zHUST_CEEE2合闸空载线路过电压的产生过程及限制措施合闸空载线路过
17、电压的产生过程及限制措施图图12-7关合空载长线关合空载长线(a)接线图;接线图;(b)单相等值电路图单相等值电路图(1)正常合闸)正常合闸由由于于正正常常的的运运行行需需要要而而进进行行的的合合闸闸操操作作称称为为正正常常合合闸闸。如如图图12-7(a)所所示示。在在线线路路一一侧侧断断路路器器断断开开的的情情况况下下,关关合合另另一一侧侧断断路路器器就就会会遇到关合空载线路的操作。遇到关合空载线路的操作。一一般般情情况况下下0要要比比工工频频高高得得多多。假假设设在在求求过过渡渡过过程程中中电电容容C上上的的电电压压时时,电电源源电电压压近近似似地地保保持持不不变变。空空载载线线路路的的关
18、关合合可可以以简简化化成成图图12-8的的直直流流电电源源合合闸闸于于LC振振荡荡回回路路的的情情况况,图中图中EUpm。据此可以写出:。据此可以写出:EuLuC uLLdi/dtuCq/C1/Ci dtECuCL uL 图图12-8直流电压作用在直流电压作用在LC回路上回路上第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压1212W W z zHUST_CEEE从图从图12-9可见,回路中电可见,回路中电流为一正弦波形,电压则为流为一正弦波形,电压则为一围绕电源电压发生周期振一围绕电源电压发生周期振荡的波形。可见不计长线电荡的波形。可见不计长线电阻效应,阻效应,
19、关合空载长线时,关合空载长线时,长线电容上出现的过电压可长线电容上出现的过电压可达电源电压达电源电压E的的2倍。倍。图图12-9图图12-8回路中回路中i和和uC随时随时间的变化曲线间的变化曲线 电路方程可写成电路方程可写成:ELdi/dt1/Ci dt或或 LCd2uC/dt2uCE当当电电容容C上上无无起起始始电电压压时时,即即t0,uC0,则则上上式式的的解解为:为:uCE(1cos0t)可得电流的解为:可得电流的解为:iCduC/dtEsin0t/(L/C)1/2第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压1313W W z zHUST_CEEE当当电
20、电容容C上上的的起起始始电电压压uC(0)U0时时,由由于于稳稳态态电电压压为为E,振振荡荡的的振振幅幅将将为为E(U0)EU0,此此时时uC的的波波形形将将如如图图12-10(b)所所示示。据据此此不不难难写写出出当当电电容容C上上有有起起始始电电压压时时,uC的的数数学表达式:学表达式:uCEEuC(0)cos0t图图12-10直流电源直流电源E通过电感通过电感L加到起始电压为加到起始电压为(U0)的电容的电容C上上(a)等值电路图;)等值电路图;(b)uC随时间的变化随时间的变化由由于于振振荡荡而而产产生生的的过过电电压压可可以以用用下下列列更更普普遍遍的的式式子子求出:求出:过电压稳态
21、值振过电压稳态值振荡幅值稳态值荡幅值稳态值(稳态值起始值稳态值起始值)第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压1414W W z zHUST_CEEE 当当雷雷击击线线路路而而使使线线路路两两端端的的断断路路器器跳跳闸闸时时,其其中中后后动动作作的的断断路路器器将将切切断断空空载载长长线线的的电电容容电电流流,而而在在线线路路电电容容上上保保留留数数值值等等于于电电源源电电压压幅幅值值(例例如如+Em)的的残残留留电电压压。当当开开关关重重合合时时,如如果果电电源源电电压压恰恰好好达达到到极极性性相相反反的的幅幅值值(例例如如-Em),则则重重合合闸闸过过
22、电电压压将将达达2(-Em)Em-3Em。相当于开关第一次重燃时的过电压。相当于开关第一次重燃时的过电压。在在切切、合合(重重合合)空空载载线线路路的的操操作作中中,切切空空载载线线路路时时重重燃燃所所引引起起的的过过电电压压最最高高。如如果果采采用用切切空空载载线线路路无无重重燃燃断断路路器器,则则最最大大过过电电压压将将发生在重合空载线路时。发生在重合空载线路时。(2)自动重合闸自动重合闸为为了了减减少少鸟鸟害害和和雷雷害害等等暂暂时时性性故故障障引引起起的的线线路路跳跳闸闸事事故故,运运行行中中的的线线路路发发生生故故障障,由由继继电电保保护护系系统统控控制制断断路路器器跳跳闸闸后后,经
23、经过过一一短短暂暂时时间间后后再再合合闸闸,即即为为自自动动重重合闸操作。合闸操作。图图12-7关合空载长线关合空载长线(a)接线图;接线图;(b)单相等值电路图单相等值电路图第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压1515W W z zHUST_CEEE第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压(3)影响因素及限制措施影响因素及限制措施1)影响因素)影响因素 合合闸闸空空载载线线路路过过电电压压以以重重合合闸闸最最为为严严重重。理理论论上上重重合合闸闸过过电电压压可可达达3Em。但但实实际际中中过过电电压压的的幅幅值值
24、受受到到很很多多因因素素的的影影响响,如如系系统统参参数数、结结构构及及运运行行方方式式等等;此此外外如如合合闸闸相相位位、三三相相断断路路器器合合闸闸动动作作不不同同期期等随机性的因素,不但影响过电压数值,还使其具有统计性质。等随机性的因素,不但影响过电压数值,还使其具有统计性质。合闸相位:合闸相位:e(t)Emsin(t 0);正常合闸时,若正常合闸时,若 090,即,即e(0)Em是其中最严重的情况;是其中最严重的情况;线路残压:线路残压:在自动重合闸的过程中,由于线路残余电荷的泄放,实在自动重合闸的过程中,由于线路残余电荷的泄放,实际上线路残压是下降的。际上线路残压是下降的。线路损耗:
25、线路损耗:实际输电线路的能量损耗会引起自由分量的衰减,使过实际输电线路的能量损耗会引起自由分量的衰减,使过电压幅值降低。电压幅值降低。三相断路器不同期合闸:三相断路器不同期合闸:会使过电压幅值增高会使过电压幅值增高1030。单相自动重合闸:单相自动重合闸:单相重合闸过电压低于正常重合闸过电压。单相重合闸过电压低于正常重合闸过电压。母线上接有其他出线时:母线上接有其他出线时:过电压将越小。过电压将越小。1616W W z zHUST_CEEE第二节第二节 操作过电压操作过电压空载长线路的操作过电压空载长线路的操作过电压2)限制合闸过电压的措施)限制合闸过电压的措施:合理装设并联电抗器以及适当安排
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