Question

过电压的详细说明

Answer 1

电力系统中电路状态和电磁状态的突然变化是产生过电压的根本原因。过电压分为外过电压和内过电压两大类，具体分类见表1。研究电力系统中各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。
无论外过电压还是内过电压，都受许多随机因素的影响，需要结合电力系统具体条件，通过计算、模拟以及现场实测等多种途径取得数据，用概率统计方法进行过电压预测。
针对过电压的起因，电力系统必须采取防护措施以限制过电压幅值。如安装避雷线、避雷器、电抗器，开关触头加并联电阻等，以合理实施绝缘配合，确保电力系统安全运行。
外过电压 　又称雷电过电压、大气过电压。由大气中的雷云对地面放电而引起的。分直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，所以常称为雷电冲击波。
直击雷过电压 　雷闪直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压。雷闪击中带电的导体，如架空输电线路导线，称为直接雷击。雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电的导体放电称为反击。直击雷过电压幅值Um可由下式估算：
式中I0为地面测得的雷电流幅值，单位为kA;Z0为雷闪放电通道的等值波阻抗（见自然功率），约300Ω；R为雷击点的接地电阻，单位为Ω。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障。
感应雷过电压 　雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。感应雷过电压主要发生在架空输电线路上，其幅值Um可由下式估计：
式中h为导线悬挂高度，单位为m；s为雷击点与导线间的水平距离，单位为m；K为比例系数。当s>65m时，K≈25。感应雷过电压幅值约300～400kV，只对35kV及以下电压等级的电力系统绝缘强度有危险。
输电线路防雷 　架空输电线路绵延纵横，最易遭受雷击，是引起线路故障的主要原因之一，需架设避雷线和接地装置等进行防护。通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路防雷能力。耐雷水平是指线路遭受直接雷击尚不致引起绝缘闪络的最大雷电流值（kA）。雷击跳闸率是指折合为标准条件下（100km线路，40雷电日/年）雷击引起的线路跳闸次数（次/百公里·年）。中国220～330kV线路雷击跳闸率实际运行统计约为0.39～0.16次/百公里·年。
输电线路一旦出现雷电过电压，还将以流动波形式沿线路传播，侵入变电所以后还可能引起绝缘破坏事故。由线路传来的雷电过电压称为雷电侵入波。需采用避雷器将雷电侵入波削弱到电工设备绝缘所能承受的限度以内。
电力系统中常装设磁钢棒、示波器等观测记录仪器以积累雷电过电压资料。
内过电压 　电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。为了满足正常运行的需要，或者被迫切除故障，电力系统会经常通过断路器操作改变运行方式。电力系统可以看作是一个由许多电感、电容等性质的元件所组成的复杂电路。断路器操作会使电力系统从一种电磁状态过渡为另一种电磁状态。在这种过渡过程中会出现电磁振荡，电磁能与静电能在电感性与电容性的元件中以电路固有频率交替转化，以致使电工设备上出现过电压。用断路器操作变电所空母线（可看作由电容和电感组成），它也会产生很高的操作过电压(1.8～2.0倍）。交流电弧的电流每次经过零点都有熄灭和重燃的过程。通过断路器操作切断电流，或者系统发生电弧电流接地──弧光接地，在电流最终切断之前有时还可能出现多次电弧熄灭与重燃，加剧了电磁振荡过程，使过电压更为严重。上述原因产生的过电压称为操作过电压，是电力系统内部过电压的一种主要类型。操作过电压的持续时间约为几百微秒至几毫秒，它的峰值也具有脉冲性质，称为操作冲击波。
电力系统内部过电压还有暂时过电压。暂时过电压还包括谐振过电压。
电力系统内部过电压的能量来源于系统本身。它的幅值以工作电压为基础而增长。通常用系统工作电压（对地的）幅值U的倍数K·U来表示。K值约为1.3～4.0，其大小与系统参数、断路器性能、中性点接地方式等一系列因素有关。
操作过电压 　电力系统由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的过电压。常见的操作过电压有以下几种。①空载线路合闸与重合闸过电压：输电线路具有电感和电容性质。空载线路合闸时简化的等值电路原理如图2所示。
图2中L为电源和线路的等值电感，C为线路的等值电容，e（t）为交流电源。当开关 K突然合上时，在回路中会发生以角频率的高频振荡过渡过程，电容C（即线路）上的电压UC(t）可能达到最大值，即=2Em,Em为交流电源电压幅值。如果合闸前电容C上还有初始电压，合闸后振荡过程中的过电压还可能达到3Em，线路自动重合闸时就会有这种情况。
②切除空载线路过电压：空载线路属于电容性负载。由于切断过程中交流电弧的重燃而引起更剧烈的电磁振荡，使线路出现过电压。其原理如图3所示。t1时刻工频电流熄灭，此时线路仍保持残余电压Uc=+Em；t2-t3时高频电弧第一次重燃又熄灭，使线路电压经过振荡达到-3Em；t4-t5时电弧第二次重燃并熄灭，使线路电压达到5Em。如此推演，直至电弧不再重燃、电流最终切断为止。切除电容器等其他电容性负载，都会因电弧重燃而引起上述过程的过电压。
③切断空载变压器过电压：变压器是电感性负载，同时对地还有等值电容。当断路器K突然切断电流时，电流变化率甚大，使变压器上产生甚高的感应过电压。电流切断以后，变压器中残余的电磁能又向对地电容C充电，形成振荡过程，因而出现过电压，称为截流过电压。其波形如图4所示。断路器操作切除其他电感性负载也会出现类似的过电压。
④弧光接地过电压：中性点不接地系统发生单相接地故障时，由于接地电弧间歇重燃现象而引起的过电压。接地电弧每次经过零点都要经历熄灭和重燃的过程。较小的电弧电流可以自行熄灭，不致重燃。较大的电弧电流则会稳定地重燃，必须靠开关操作才能切断。中性点不接地系统，单相接地电流是电容性的，一般超过10A，电弧既不容易自行熄灭，又不足以稳定重燃，因而发生间歇重燃现象。电弧每次间歇重燃都引起系统电磁振荡，并且前后过程互相影响，振荡逐次加强，使系统出现过电压。
弧光接地过电压最高可达 3.5U,U为系统最大工作相电压幅值。使用消弧线圈可将弧光接地过电压限制到3.0～3.2U。电力系统中性点经过消弧线圈接地，当发生单相接地故障时，流经消弧线圈的电感电流抵消一部分系统电容电流，使故障点电弧电流减小，易于自行熄灭，避免多次重燃。
电工设备的绝缘强度必须能够承受一定幅值的操作过电压。主要采取开关触头加并联电阻的方法限制操作过电压的幅值，同时还可以用避雷器加以防护。通常用一个单极性的冲击波来等效操作过电压的最大峰值，以进行电工设备的耐压试验。
暂时过电压 　由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压。暂时过电压主要是工频振荡，持续时间较长，衰减过程较慢，故又称工频电压升高。常见的暂时过电压有以下几种。
①空载长线电容效应（费兰梯效应）：输电线路具有电感、电容等分布参数特性。在工频电源作用下，远距离空载线路由于电容效应逐步积累，使沿线电压分布不相等，末端电压最高。线路首端电压U1与末端电压U2的关系为
式中l为线路长度，α 为相位系数。K12随线路长度的变化如表2。
超高压输电线路长度大于300km时，应考虑电容效应引起的空载线路末端电压升高。
②不对称短路接地：三相输电线路a相短路接地故障时，b、c相上的电压会升高，其数值可达相电压Uph的α倍：
Ub=Us=αUph
α 称为接地系数，与故障点处系统的零序电抗X0和正序电抗X1的比值有关：
中性点接地系统(X0/X1≤3），α约为1.3；中性点不接地系统，当│X0/X1│趋于无穷大时，α 趋于。
③甩负荷过电压：输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的一种暂时过电压。此外，电力系统工频或非工频的谐振，以及非线性铁磁谐振等也都属于暂时过电压。
电工设备的绝缘强度一般应能承受暂时过电压。超高压远距离输电线路需安装并联电抗器补偿线路电容效应，以降低暂时过电压。
谐振过电压 　电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。谐振过电压一般按起因分为以下3种。
①线性谐振过电压：构成谐振回路的电工设备的电感、电容等参数是常数，不随电压或电流而变化。例如输电线路的电感和电容，线路串联补偿用电容器，铁心具有线性励磁特性的消弧线圈等。谐振过电压主要因串联谐振的电路原理而产生。当系统在某种接线方式下形成了电感、电容串联回路，回路自振频率又恰好与电源频率相等或接近时就会发生串联谐振现象，使电工设备出现过电压。
②铁磁谐振过电压：谐振回路中的电感元件因铁心的磁饱和现象，使电感参数随电流（磁通）而变化，成为非线性电感。例如，电磁式电压互感器就是这种元件。非线性电感与电容串联而激发起的一种谐振现象称为铁磁谐振，它会使电气设备出现过电压。由于发生铁磁谐振回路中的电感不是常数，回路的谐振频率也不是单一值。同一回路既可能产生工频的基波谐振，又可能产生高次谐波（如2、 3、5次谐波）或分谐波（如1/2、1/3、1/5次谐波）谐振。
③参量谐振过电压：发电机转动时等效电感参量发生周期性变化，若连接容性负载，如空载输电线路，会与电容形成谐振，甚至在无励磁的情况下，也能使发电机端电压不断上升，形成过电压。这种现象又称作发电机自励过电压。参量谐振所需要的能量是由机械功通过周期性的改变电感参量而提供的。
增大谐振回路的阻尼是限制谐振过电压的主要措施。还应力求从系统运行方式上避免可能发生的谐振过电压。