【文章內容簡介】 ????????? 圖 過電壓的分類 雷電過電壓 雷電過電壓是由于 外界能量的引入而引起的過電壓 。雷電是一種自然現象，是指雷云放電時所表現出的雷鳴電閃，即帶電荷的雷云與大地之間或帶異號電荷雷云之間的氣體放電。從雷電放電所造成的后果來講，人們更關心雷云與大地之間的放電，這將對人、動 物、建筑物、電氣設備、以及通訊網絡等造成很大的破壞，有時甚至會造成巨大的經濟損失 [9]。 雷電放電的過程 雷電放電是一種長間隙的自持放電，存在先導過程。通常 90％的雷電都是負極性的，而且大部分都屬于下行雷 [10]。 我們以下行雷為例，介紹雷電放電的 三個階段 [11,12]。 先導放電階段：雷云對大地有靜電感應 ，在雷云電場的作用下，大地感應 7 出異號電荷 ，兩者形成一個特殊的大電容器，隨著雷云中電荷的逐步積累 ，空間的電場強度不斷增大。當雷云中的電荷密集處的電場強度達到空氣擊穿場強時，就會產生強烈的碰 撞電離，形成指向大地的一段導電通道，稱為雷電先導 。先導放電不是連續(xù)向下發(fā)展的，而是一段接著一段的向前推進的。 主放電階段：當下行先導接近地面時，會從地面較突出的部分發(fā)出向上的迎面先導。當迎面先導與下行先導相遇時，便產生強烈的“中和”過程，引起極大的電流，這就是雷電的主放電階段，伴隨出現閃電和雷鳴現象。主放電階段的特點是主放電存在的時間極短，約為 50 到 100 s? ， 且放電電流極大，可達到數十至數百千安。 余光放電階段：主放電到達云端就結束了，然后云中的殘 余電荷經主放電通道流下來，稱為余光放電階段。由于雷云中的電阻很大，余光放電階段對應的電流不大，約為數百安培，持續(xù)時間則較長（ ~） [7]。 雷云中的電荷分部是不均勻的，往往形成多個電荷密集中心，所以第一個電荷中心完成上述放電過程后 ，可能引起第二個 、 第三個甚至更多個的中心向第一個中心放電 ，并沿原來的通道到達大地，因此雷電可能是多重性的。 第二次及以后的主放電電流一般較小，不超過 30KA，但是雷電后續(xù)分量的 陡度非常大，對電力系統(tǒng)的危害很大 [13]。 圖 雷電放電的發(fā)展過程 8 感應雷過電壓 當雷擊線路附近大地或線路桿塔時，由于雷電通道周圍空間電磁場的劇烈變化，會在輸電線上感應產生過電壓。該過電壓由靜電分量和電磁分量兩部分構成。感應過電壓的靜電分量和電磁分量都是在主放電過程中，由統(tǒng)一的電磁場的突變而同時產生的，由于主放電通道和導線差不多互相垂直，互感不大，電磁感應較弱，因此電磁感應分量要比靜電感應分量小得多，故靜電分量將起主要的作用 。感應雷 過電壓具有如下的特點： 感應雷過電壓的極性一定與雷云的極性相反； 感應雷過電壓一定要在雷云及其先導通道中的電荷被中和后才能出現； 感應雷過電壓的波前平緩 (數微秒到數十微秒 )，波長較長 (數百微秒 )； 感應雷過電壓在三相導線上同時出現，且數值基本相等，故不會出現相間電位差和相間閃絡，如幅值較大，也只能引起對地閃絡 [9]。 直擊雷過 電壓 我國 110KV 及以上線路一般全線裝有避雷器，而 35KV 及以下線路一般不裝設避雷線，線路落雷有三種情況：雷擊桿塔塔頂及其附近避雷線、雷繞擊于線路、雷擊避雷線檔距中央。 直擊雷過電壓對電力系統(tǒng)的危害最大。 雷擊線路后，雷電波會沿著輸電線浸入變電站，對變電站的設備造成破壞，因此，變電站都裝有 1～2km 的進線段 保護，用來限制雷電波的幅值和陡度。 并且在變電站進線 處 也要安裝避雷器，防止雷電波的侵入。 內過電壓 工頻過電壓 電力系統(tǒng)中的工頻過電壓倍數一般小于 2，這對于 220kv 及其以下系統(tǒng)的正常絕緣的電氣設備是沒有危害。 但是對特高壓、超高壓遠距離輸電系統(tǒng)，工頻過電壓對確定系統(tǒng)絕緣水平卻起著決定性的作用，必須 予以充分的重視。 工頻電壓升高的數值是決定保護電器的工作條件的重要根據 [8]。例如，避雷器的最大允許工作電壓就是由避雷器安裝處的工頻電壓升高決定的。工頻電壓升高的幅值越大，避 9 雷線的最大允 許 工作電壓也要提高，則避雷器的沖擊放電電壓和殘壓也將提高，相應被保護的電氣設備絕緣水平也要隨之提高。 空載長線路的電容效應 空載 長 線路末端電壓高于首端電壓的的現象就是所謂的空載 長 線路的電容效應而引起的工頻電壓升高。 如圖 所示，一般線路的等值容抗遠遠大于線路的等值感抗，輸電線路的等值電路如下： C 1C 2r L1U?2U?2 0I? ?1I?2CI? 圖 輸電線路等值電路圖 2CI? 2LCjX I ?2CrI?2U?1U? 圖 電壓的向量圖 由上可知，在線路空載的 情況下，在輸電線路首端電壓的作用下，可列出如下電路方程為 ： 221 2 2 LjXccrL r I IU U U U U ??? ? ? ? ?? ? ? ? ?? （ ） 以 2U? 為參考方向，可 得到 圖 所示的向量圖 ，由向量圖可以清楚的看到，由于電容電流的存在，線路末端的電壓 2U? 反而比首端的電壓 1U? 大 。這就是空載長 線路的電容效應。 不對稱接 地引起的工 頻電壓升高 不對稱 接地是輸電線路中最常見的故障形式。當系統(tǒng)發(fā)生單相或者兩相不對稱接地短路時，短路引起的零序電流會使健全相出現工頻電壓升高，其中單相接地時非故障相的電壓可達到較高的數值，若同時發(fā)生健全相的避雷器動作，則要求避雷器能在較高的工頻電壓作用下切斷續(xù)流 。因此，單相接地工頻電壓升高是確 10 定避雷器滅弧電壓的依據 [8]。 在中性點直接接地或經低值阻抗接地系統(tǒng)中，零序電抗是感抗，而系統(tǒng)的正序電抗是感性的，此時非故障相電壓隨著 01/XX（ 0X 為零序電抗， 1X 為正序電抗）值的增大而上升。高壓和超高壓系統(tǒng)采取中性點直接接地方式時，由于考慮繼電保護、系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的要求，一般 01/3XX? ， 其故障相電壓升高不大于 倍線電壓。 中性點不接地系統(tǒng) 包括兩種情況：中性點絕緣、中性點經消弧線圈接地。中性點絕緣時 單相接地時非故障點的工頻電壓升高約為 倍線電壓。 中性點經消弧線圈接地的系統(tǒng)，即在系統(tǒng)中性點與地之間接一個電感線圈，用以補償零序電容，此種情 況下非故障相電壓有可能上升至線電壓。 甩負荷引起的工頻過電壓 當線路重負荷運行時，由于某種原因 ，如系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，斷路器將跳閘甩掉負荷。甩負荷前，由于線路上輸送著相當大的有功及感性無功功率，因此系統(tǒng)電源電勢必然高于母線電壓。甩負荷后，根據磁鏈不變原理，電源暫態(tài)電勢將維持原來的數值，加上甩負荷后形成的電容效應以及發(fā)電機超速造成電勢和頻率上升，將產生較高的工頻過電壓。 諧振過電壓 諧振是指振蕩回路中某一自由振蕩頻率等于外加強迫頻率的一種穩(wěn)態(tài) （ 或準穩(wěn) 態(tài) ） 現象 [7]。在這種周期 性或準周期性的運行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會急劇上升。 電力系統(tǒng)中包括有許多電感和電容元件，電感元件有電力變壓器、電磁式電壓 互感器、電抗器、發(fā)電機、消弧線圈以及線路導線等的電感；電容元件有線路導線的對地電容和相間電容、補償用的串聯(lián)和并聯(lián)電容器組以及各種高壓設備的寄生電容等。在正常運行時，這些元件參數不會形成諧振，但在系統(tǒng)進行操作或發(fā)生故障時，這些電感和電容元件，可能形成各種不同的振蕩回路，在電源作用下，產生諧振現象，引起諧振過電壓。 諧振過電壓持續(xù)時間比操作過電壓長得多，甚至是穩(wěn)定存在的，直到破壞諧振 條件為止。某些情況下，諧振發(fā)生一段時候后會自動消失，不能自保持。諧振過 11 電壓的危害性既決定于其幅值大小，也決定于持續(xù)時間長短。 電力系統(tǒng)中的電容一般為線性參數，而電感則可以是線性、非線性或周期性變 動的參數，它們與電容參數配合就構成了三種不同性質的諧振 [7]： 線性諧振：這種回路中的電感與電容、電阻一樣，都是線性參數?；芈分械碾姼性蛘邽椴粠цF芯的電感 (如線路電感和變壓器漏感 )，或者為勵磁特性接近線性的有鐵芯電感 (如消弧線圈，其鐵芯常帶有氣隙 )。發(fā)生線性諧振的條件是等值回路的自振頻率等于或接近電源頻率。 鐵磁諧振 (非線性諧振 )：是發(fā)生在含有非線性電感元件的串聯(lián)振蕩回路中的 諧振。 當電感元件帶有鐵芯時，一般都會出現飽和現象，這時電感不再是常數，而是隨著電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時，就會產生鐵磁諧振現象。 鐵磁諧振與線性諧振 的 特點 不大相同 。由于諧振回路中的鐵芯電感會因磁飽和程度不同而相應有不同的電感量，于是鐵磁諧振回路的自振角頻率也不是固定的。研究表明，在不同的條件作用下，鐵磁振蕩回路可產生三種諧振狀態(tài)：諧振頻率等于工頻的工頻諧振，也稱基波諧振；諧振頻率為工頻整數倍的高頻諧振，也稱高次諧波諧振 ；諧振頻率為工頻分數倍的分頻諧振，也稱分次諧波諧振。 參數諧振：系統(tǒng)中某些元件的電感參數在某種情況下會發(fā)生周期性的變化， 例如發(fā)電機轉動時，其電感的大小隨著轉子位置的不同而周期性的變化。當發(fā)電機帶有電容性負載 (例如一段空載線路 )時，如再存在不利的參數配合，就有可能引發(fā)參數諧振現象。諧振過電壓不僅會在操作或發(fā)生故障的過程中產生，而且可能在過渡過程結束后的較長時間內穩(wěn)定存在，直到發(fā)生新的操作，諧振條件受到破壞為止。諧振過程不僅會產生過電壓使電氣設備的絕緣，產生持續(xù)的過電流而燒毀設備，而且還可能影響過電壓保護 裝置的工作條件，如影響閥型避雷器的滅弧條件。對諧振過電壓的根本防護措施是設法改變電路參數，以避開諧振 [7]。 操作過電 壓 電力系統(tǒng)中有許多電感、電容元件，構成了復雜的振蕩回路。操作過電壓是指電力系統(tǒng)中由于操作 從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)通過振蕩轉變到另一種工作狀態(tài)的過渡過程中所產生的過電壓。 這里所指的操作，包括斷路器的正常操作，例如空載線路的分閘合閘操作、空 載變壓器和電抗器的分閘操作等；還包括故障情況，例如接地故障，短路 故障。 12 操作過電壓的能量來源 于 電力系統(tǒng)本身，所以操作過電壓的數值與電力系統(tǒng)中的額定電壓 有關。電力系統(tǒng)中的額定電壓越高，操作過電壓的問題就越突出。在超高壓、特高壓電網中，操作過電壓對電氣設備的絕緣選擇起著決定性的作用。因此操作過電壓的防護是發(fā)展超高壓、特高壓 電網的重要研究課題之一。 間歇電弧接地過電壓 運行經驗表明，電力系統(tǒng)的故障至少有 60％是單相接地故障。在中性點接地電網中，當發(fā)生單相接地故障時，故障點與接地點可以構成一個短路回路，此時，回路中電流很大，繼電保護裝置會動作，導致線路被切除。 但是，在中性點不接地電網中， 系統(tǒng)單相接地時流過故障點的電流是不大的對地電容電流 ，這 時系統(tǒng)三相電源電壓仍然維持對稱，不影響對用戶的繼續(xù)供電，因此不要求立即切除故障線路，允許繼續(xù)運行一段時間（一般 ～ 2h） 。 在中性點不接地系統(tǒng)中，當電網較小，線路不長，線路對地電容電流較小時，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時流過接地點的電流也小，許多臨時性的單相電弧接地故障，接地電流可以自動熄滅 ，系統(tǒng)很快恢復正常。隨著電網的發(fā)展和電纜出線的增多，單相接地電容電流也隨之增加，當 6～ 10kv 線路電容電流超過 30A， 20～ 60kv 線路電容電流超過 10A 時，接地電弧將難以自動熄滅。但這種電容電流又不會大到形成穩(wěn)定的電弧的 程度，而表現為接地電流過零時電弧暫時性熄滅，隨后在故障點恢復電壓的作用下，又重新出現電弧，系統(tǒng)出現電弧時燃時滅的不穩(wěn)定狀態(tài)。這種 故障點電弧重燃和熄滅的間歇性現象，引起電力系統(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，導致電網中的電感、電容回路中的電磁振蕩，因而產生遍及全電網的電弧接地過電壓。這種過電壓持續(xù)時間較長，若不采取措施，可能危機設備絕緣 ，引起線間短路造成故障 。 在實際電網發(fā)生間歇電弧接地時，燃弧和重燃是隨機的，這對過電壓的倍數有很大的影響，另外系統(tǒng)相關參數對過電壓也有較大的影響，如考慮線路間電容、絕緣子串泄露殘余電荷以及網絡 損耗電阻對過渡過程都將有衰減作用。因此，實際電網中間歇電弧接地過電壓的倍數一般小于 。 為了防止此種過電壓的 影響，通常采取中性點接消弧線圈來補償電容電流，一般消弧線圈處于過 補償狀態(tài)。 空載線路分閘過電壓 切除空載線路過電壓產生的原因是斷路器分閘過程中的重燃現象。在分閘初期，由于斷路器觸頭間恢復電壓上升速度可能超過介質恢復強度的上升速度，造 13 成電弧重燃現象，從而引起電磁振蕩，出現過電壓?？蛰d線路分閘過電壓不僅幅值高，而且持續(xù)時間長，可達 ~1 個工頻周期以上。而且斷路器滅弧能力 越差，重燃 幾率越大，過電壓幅值越高 [9]。 影響過電壓的因素有： 斷路器的滅弧性能及電弧燃滅過程的隨機性； 線路側的損耗因素 。線路側的損耗，尤其 是 有功損耗能起到阻尼振蕩的作用，從而使過電壓減小。 中性點接地方式。 中性點不接地時，因三相斷路器動作的不同期，會形成瞬時的不對稱，產生中性點位移電壓，使過電壓增大。 為了限制線路分閘過電壓可以采取以下措施 ： 改善斷路器的滅弧性能 ； 采用 帶并聯(lián)電阻 的斷路器； 采用 避雷器。 空載線路合閘過電壓 空載線路的合閘有兩種 不同的形式：一種是計劃性 合閘操作；另一種是自動重合閘操作。 空載線路無論是計劃性合閘還是自動重合閘，都將使線路從一種穩(wěn)態(tài)過渡到另一種穩(wěn)態(tài) ，又由于系統(tǒng)