一、何謂過電壓

所謂過電壓，是指電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的異常電壓升高，屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。電工設(shè)備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。研究各種過電壓的起因，預(yù)測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運(yùn)行都具有重要意義。

過電壓分兩類：外過電壓和內(nèi)過電壓。外過電壓又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電而引起的。內(nèi)過電壓是電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式發(fā)生改變而引起的過電壓，分為工頻過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。



二、工頻過電壓

工頻過電壓指系統(tǒng)中由線路空載、不對稱接地故障和甩負(fù)荷引起的的頻率等于工頻（50 Hz）或接近工頻的過電壓。

主要是三類原因：1.空載長線路的電容效應(yīng)；2.不對稱短路引起的非故障相電壓升高；3.甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高。其中1和3經(jīng)常結(jié)合在一起造成過電壓。

實(shí)際計(jì)算過程中，與線路長短、短路容量、有無并聯(lián)電抗器、故障前負(fù)荷都有關(guān)系。

為何討論工頻過電壓？

直接影響操作過電壓的幅值。

持續(xù)時間長的工頻電壓升高仍可能危及設(shè)備的安全運(yùn)行（油紙絕緣局放、絕緣子污閃、電暈等）。

在超高壓系統(tǒng)中，為降低電氣設(shè)備絕緣水平，不但要對工頻電壓升高的數(shù)值予以限制，對持續(xù)時間也給予規(guī)定（母線側(cè)1.3pu，線路側(cè)1.4pu，時間一般為1min）。

決定避雷器額定電壓（滅弧電壓）的重要依據(jù)
（3、6、l0kV系統(tǒng)  工頻電壓升高可達(dá)系統(tǒng)最高運(yùn)行線電壓的1.1倍，稱為110％避雷器；35~60kV系統(tǒng)為100％避雷器；110、220kV系統(tǒng)為80％避雷器；330kV及以上系統(tǒng)，分為電站型避雷器（即80％避雷器）及線路型避雷器（即90％避雷器）兩種）。

工頻過電壓的幅值、持續(xù)時間與出現(xiàn)的機(jī)率對設(shè)備的影響及避雷器的選用應(yīng)該說是非常重要的，但是現(xiàn)在廣泛采用了不帶間隙的氧化鋅避雷器，由于有一定熱容級，選擇其額定電壓時，工頻過電壓只是條件之一，不僅決定于工頻過電壓的幅值、而且決定于其持續(xù)時間，但由于我國這塊持續(xù)時間與幾率比較低（單相重合閘，一般不超過0.5S-1S），所以工頻過電壓可能已不是選擇氧化鋅避雷器額定電壓的關(guān)健條件。所以目前工頻過電壓的標(biāo)準(zhǔn)主要決定于設(shè)備承受能力，斷路器切空載線路的性能等。

降低工頻過電壓的措施：

1）單機(jī)帶長線，特別是單機(jī)容量相對較小時是造成工頻過電壓過高的最不利電網(wǎng)條件。一般工程中遇到這種情況會重點(diǎn)校核，并盡量避免這種情況。

2）經(jīng)常保持發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行，特別是采用快速勵磁。

3）采用單相重合閘并確保繼電保護(hù)及其選相性能的正確性。

4）裝設(shè)高抗。

5）采用良導(dǎo)體線(鋁合金線、鋼芯鋁線、鋁包鋼線)作為架空地線，與鋼鉸線比，線路零序阻抗減少，從而可以降低工頻過電壓3%-8%。


三、諧振過電壓

諧振過電壓是電力系統(tǒng)中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過電壓。產(chǎn)生都與電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)或與帶鐵心設(shè)備的磁回路有關(guān)。

1）超高壓線路的平行諧振過電壓。超高壓線路一般裝設(shè)了并聯(lián)電抗器后，就要考慮平行諧振可能產(chǎn)生的過電壓問題。所謂平行諧振，是指帶電的線路部分通過空間電容耦合，對不帶電的對地連接有電感(并聯(lián)電抗器或變壓器)的空線部分構(gòu)成諧振的條件，而在空線上產(chǎn)生過電壓。

這也適用于單回線非全相情況（單相故障時可能出現(xiàn)非全相諧振過電壓），而這種情況通常在工程設(shè)計(jì)中關(guān)注較多，一般我國500kV裝設(shè)并聯(lián)電抗器的線路都使用單相重合閘，然后在并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)加裝小電抗（另一作用是防止?jié)摴╇娏鳎?dāng)然這需要校核高抗中性點(diǎn)側(cè)的絕緣水平。

很多國外系統(tǒng)曾在500kV長線路上裝設(shè)了中性點(diǎn)直接接地的高壓并聯(lián)電抗器，而又采用單相重合閘的情況，不但單相重合閘成功率極低，還發(fā)生過因斷相引起諧振過電壓而損壞設(shè)備的事故。

中性點(diǎn)小電抗原理：如在并聯(lián)電杭器中性點(diǎn)加小電抗器，小電抗器的電抗值是按單相開后接近完全補(bǔ)償相間耦合電容的條件決定的，因而其感抗值很大，不構(gòu)成L,  C串聯(lián)回路;耦合到斷開的空線的電壓很低。

實(shí)際工程中平行諧振有判斷的簡單方法：即空線的并聯(lián)電抗補(bǔ)償度(百分比)與所連接電感的X0/X1的比值，過補(bǔ)償也可能引起諧振，應(yīng)該避免。

2）諧波諧振過電壓。由于這樣結(jié)構(gòu)方式的自然諧振頻率較低，個別甚至低于工頻，有可能因變壓器的磁飽和或串補(bǔ)電容產(chǎn)生的諧波與之發(fā)生諧振。

工頻過電壓迫使變壓器飽和，引起諧波，多發(fā)生于變壓器特性不好，電網(wǎng)電壓偏高的情況，這時變壓器的勵磁電流將大大增加（內(nèi)含大量諧波電流）。

可見在工頻頻率為頰定值60HZ時，變壓器飽和降低了過電壓。當(dāng)頻率上升到61.8HZ時，發(fā)生了5次諧波的諧振，靠近電源端的LEM變電站母線電壓達(dá)1. 72標(biāo)么值，比處在空載線路末端的LAV變電所母線電壓還高得多。

3）變壓器諧振過電壓

此類過電壓發(fā)生的幾種原因：

近區(qū)故障。線路較長，但僅在距離變壓器15km以內(nèi)的線路處發(fā)生故障，特別是與變壓器相連只有一回線，近處發(fā)生兩相或三相故障時比較危險(xiǎn)。

從短路容量大的母線處向短線路一變壓器組充電。

切斷變壓器勵磁涌流。

為預(yù)防這種事故的措施值得研究。比如盡可能改善保護(hù)變壓器的避雷器性能，例如將帶間隙的閥型避雷器改為氧化鋅避雷器；對高電壓、大容量變壓器(包括升壓和聯(lián)絡(luò)兩個最高電壓級的)盡可能不用分接頭；設(shè)計(jì)選型及整定變壓器保護(hù)時應(yīng)避免變壓器充電勵磁涌流而誤動等等。

4）自勵磁過電壓

當(dāng)發(fā)電機(jī)組僅帶容性負(fù)荷，而容性負(fù)荷超過發(fā)電機(jī)的吸收能力時，將發(fā)生自勵磁，發(fā)電機(jī)電壓將失去控制，而按指數(shù)增大。

自勵磁現(xiàn)象的出現(xiàn)，很大程度決定于電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)相對小容量的機(jī)組帶相對高電壓的空載長線路而又無電抗器補(bǔ)償時（又是這種情況有木有），其實(shí)在正常運(yùn)行時，單機(jī)帶長線的機(jī)率是很少的，但是在系統(tǒng)發(fā)生故障，特別同時出現(xiàn)甩負(fù)荷的情況下.有可能構(gòu)成最不利的條件而發(fā)生自勵磁。特別是水電站送出線路，水輪機(jī)組時上升的幅度較大。頻率上升的結(jié)果是減少了容抗，而加大了感抗，所以更易發(fā)生自勵磁。



四、操作過電壓

由線路故障、空載線路投切、隔離開關(guān)操作空載母線、操作空載變壓器或其它原因在系統(tǒng)中引起的相對地或相間瞬態(tài)過電壓，利用高性能避雷器（也可能是合閘電阻，都有應(yīng)用區(qū)域）可以防止操作過電壓。

操作過電壓是系統(tǒng)操作和故障時出現(xiàn),特點(diǎn)是具有隨機(jī)性,在最不利的情況下過電壓倍數(shù)較高,330KV及以上超高壓系統(tǒng)的絕緣水平取決于操作過電壓。有以下情況：

切除空載線路時過電壓的根源是電弧重燃及線路上的殘余電壓。（由于SF6斷路器所以極少出現(xiàn)）

空載線路的合閘過電壓是由于在合閘瞬間的暫態(tài)過程中,回路發(fā)生高頻振蕩造成的。

在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相金屬接地將引起正常相的電壓升高到線電壓。如果單相通過間歇燃燒的電弧接地,在系統(tǒng)正常相合故障相都會產(chǎn)生過電壓(稱電弧接地過電壓),其實(shí)質(zhì)是高頻振蕩的過程。

切除空載變壓器引起的過電壓。原因是當(dāng)變壓器空載電流突變時變壓器繞組的磁場能量全轉(zhuǎn)化為電場能量對變壓器等值電容充電,導(dǎo)致過電壓。

規(guī)程如下：

1）潛供電流與恢復(fù)電壓

潛供電流也是實(shí)際工程中涉及較多的一個因素。線路上發(fā)生單相接地故障，繼電保護(hù)通過選相元件只將故障相自線路兩側(cè)斷開，非故障相仍然繼續(xù)運(yùn)行，這時非故障相與斷開的故障相之間存在靜電（通過相間電容）和電磁（通過相間互感）的聯(lián)系。使故障點(diǎn)弧光通道中仍有一定數(shù)值的電流通過，此電流稱為潛供電流。

單相跳閘后，潛供電流與相間電容、電網(wǎng)電壓皆成正比，電壓等級愈高或線路愈長，上述分量的潛供電流愈大，并與故障點(diǎn)位置無關(guān)。

消弧措施：故障點(diǎn)能否消弧，除與風(fēng)速、風(fēng)向、電弧長度有關(guān)外，關(guān)鍵是恢復(fù)電壓的高低和潛供電流的大小及其與恢復(fù)電壓問的相位差。如果沒有消弧措施，當(dāng)電流過零熄弧時，恢復(fù)電壓適為最大值，消弧條件很差。因此對電壓等級高而線路又較長的線路需有幫助消弧的措施：如對500KV中長線路高壓并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)加小電抗、短時在線路兩側(cè)投入快速單相接地開關(guān)等措施；另一方面可采用實(shí)測熄弧時間來整定重合閘時間。

同桿并架線路：同桿并架的線路，當(dāng)有一回發(fā)生接地，如構(gòu)成平行諧振條件，將引起很高的恢復(fù)電壓，難以消弧。此外，如一回線發(fā)生單相接地，兩側(cè)故障相斷開后的潛供電流，由于同桿線路的電容與電感耦合，使它比單回路的潛供電流有所增加。如同桿并架的兩回線換位情況各不相同時，數(shù)值還要增大。同樣，故障點(diǎn)的恢復(fù)電壓也由于有了同桿線路的耗合而增大。

目前的關(guān)鍵問題是要研究多長距離的線路，可以不采取上述的小電抗消弧措施。這樣是所有項(xiàng)目過電壓分析專題報(bào)告里面需要論證的。

BPA計(jì)算結(jié)論是：對采用斷電時間為35-40周波(0.58-0.67s)的單相重合閘，可以不采取消弧措施(如并聯(lián)電抗器補(bǔ)償或快速接地開關(guān))的500kV線路長度為100km，這也是平時我們計(jì)算的一個大概依據(jù)，但是實(shí)際值比這要高一些。

國外也有采用短時在線路兩側(cè)投入快速單相接地開關(guān)作為解決消弧的措施。如果考慮同桿雙回線的異名相故降，也只有快速接地開關(guān)能有效地解決問題。

2）空載線路合閘

線路采用三相重合閘時，會出現(xiàn)在空線合閘前，線路上有與殘余電荷相應(yīng)的殘余電壓U ,重合時若電源電壓與U相位相反，則可能出現(xiàn)3倍多的更高的過電壓。

這塊主要是牽涉到是否選擇合閘電阻（或是沿線避雷器），合閘電阻作用是斷路器在斷開時在主觸頭合上前先退出，在合閘時合閘電阻先投入，當(dāng)主觸頭合上時被短接退出，這樣做可以防止操作過電壓。合閘電阻是否需要也是電網(wǎng)項(xiàng)目過電壓分析報(bào)告中的重要一條。

線路斷路器裝合閘電阻是限制合空載線路過電壓的有效措施，與避雷器相比，優(yōu)點(diǎn)在于限制過電壓效果明顯且沿線均衡。但是，合閘電阻及其運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，比較容易發(fā)生故障，對于不裝合閘電阻時合空線相地過電壓仍在允許范圍之內(nèi)的線路，其斷路器可以不裝合閘電阻，其安全性可能更高，而且也節(jié)省投資和維修費(fèi)用；對于投切變壓器的斷路器，因?yàn)榇祟愡^電壓一般均小于2.0p.u.，斷路器沒有必要裝合閘電阻，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也沒有要求。對絕緣不構(gòu)成威脅況且變壓器旁邊都有MOA保護(hù)，可以進(jìn)一步限制過電壓。所以變電所投切變壓器的500kV斷路器可以不裝合閘電阻。

限制操作過電壓的措施有:1.選用滅弧能力強(qiáng)的高壓斷路器。2.提高斷路器動作的同期性。3.斷路器合閘電阻。4.采用性能較好的避雷器。5.電網(wǎng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行。


五、外過電壓

分直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種。

直擊雷過電壓是雷閃直接擊中電工設(shè)備導(dǎo)電部分時所出現(xiàn)的過電壓。雷閃擊中帶電的導(dǎo)體，如架空輸電線路導(dǎo)線，稱為直接雷擊。雷閃擊中正常情況下處于接地狀態(tài)的導(dǎo)體，如輸電線路鐵塔，使其電流互感器過電壓保護(hù)器電位升高以后又對帶電的導(dǎo)體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值可達(dá)上百萬伏，會破壞電工設(shè)施絕緣，引起短路接地故障。感應(yīng)雷過電壓是雷閃擊中電工設(shè)備附近地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設(shè)備（包括二次設(shè)備、通信設(shè)備）上感應(yīng)出的過電壓。因此，架空輸電線路需架設(shè)避雷線和接地裝置等進(jìn)行防護(hù)。通常用線路耐雷水平和雷擊跳閘率表示輸電線路的防雷能力。



六、直流輸電過電壓

直流輸電的容量往往接近于所連接的交流系統(tǒng)的短路容量，此時工頻過電壓將是交直流系統(tǒng)相互影響中的重要問題之一。

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)故障(直流閉鎖、全停)或交流系統(tǒng)故障后而直流輸電不能迅速起時，換流閥不能消耗無功功率，多余的無功功率將引起工頻動態(tài)過電壓，交流系統(tǒng)的短路容量或SCR愈小，產(chǎn)生的過電壓值將愈高。葛洲壩-南橋直流輸電容量為1200MW，相對于兩側(cè)的交流短路容量較低，因而葛洲壩與南橋側(cè)的工頻動態(tài)過電壓分別不超過1.15標(biāo)么值及1.125標(biāo)么值。

為了限制直流輸電工頻過電壓，保持電壓穩(wěn)定，有以下措施：

1）裝設(shè)調(diào)相機(jī)

巴西的負(fù)荷中心(圣諾克)為了接收伊泰普水電站直流輸電送來的電力，由于受端交流側(cè)短路容量與之相比較弱，所以裝設(shè)了1臺300Mvar的調(diào)相機(jī)，既可提高受端的短路比，又可提供換流所需無功功率。

2）靜止補(bǔ)償器

例如聯(lián)絡(luò)英法的2000M W直流輸電系統(tǒng)，在英國側(cè)接入400kV電網(wǎng)處的正常最小短路容量為6000MVA，故障時將引起工頻過電壓達(dá)1.4標(biāo)么值，為此，裝設(shè)了2組±150 Mvar靜止補(bǔ)償器，主要目的是事故時吸收無功。

3）建設(shè)新線路提高交流側(cè)的短路容量

除了工頻過電壓之外，直流系統(tǒng)里面，自勵磁和諧波諧振過電壓也可能存在，具體判別原理和交流系統(tǒng)類似。



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