第4章 电力系统过电压及其保护
电力系统中的过电压保护技术研究
电力系统中的过电压保护技术研究一、引言随着电气设备的不断发展，电力系统保护技术显得越来越重要。
过电压保护技术是电力系统中保护电气设备的主要手段之一，可以保证电气设备正常运行，提高电力系统的安全性、可靠性和稳定性。
因此，研究电力系统中的过电压保护技术具有重要的意义。
二、电力系统中的过电压1. 过电压的来源电力系统中的过电压是指电气设备所受到的电压超过其额定值的现象。
过电压的来源包括：（1）雷电过电压：由于大气中的正电荷和负电荷之间的静电作用而产生的高电压。
（2）操作过电压：由于电力系统的跳闸、合闸等操作引起的电压波动。
（3）失速过电压：由于电力系统中机器失速而引起的电压波动。
（4）负载变化过电压：由于电力系统中负载的变化而引起的电压波动。
2. 过电压的危害电力系统中的过电压会对电气设备造成严重的危害，包括：（1）烧毁电气设备；（2）减短电气设备的寿命；（3）降低电气设备的工作效率；（4）影响电力系统的稳定性。
因此，对电力系统中的过电压进行保护显得尤为重要。
三、过电压保护技术1. 保护原理过电压保护技术是指根据电气设备所能承受的电压范围，利用电力系统中的保护设备，对电气设备进行保护的技术。
电力系统中的过电压保护通常采用以下两种保护方式：（1）欠电压保护：当电压低于正常值时，保护装置会启动，切断电气设备的电源，以保护电气设备的安全。
（2）过电压保护：当电压高于正常值时，保护装置会启动，切断电气设备的电源，以保护电气设备的安全。
2. 保护装置电力系统中常用的过电压保护装置包括：（1）快速切除保护器：快速切除保护器是一种可快速切断电气设备电源的保护装置，常用于对电气设备进行低压保护。
（2）电能释放器：电能释放器是通过电极间的放电来释放能量的保护装置。
（3）过电压保护器：过电压保护器是一种常用的保护装置，常用于对电气设备进行高压保护。
3. 保护策略为了更好地保护电气设备，电力系统中常采用以下保护策略：（1）合理地选择过电压保护装置；（2）合理地设置过电压保护装置的动作值；（3）合理地设置过电压保护装置的动作时间；（4）定期对过电压保护装置进行检测和维护。
电力系统内部和外部过电压
电力系统内部和外部过电压电力系统由于外部（如雷电放电）和内部（如故障跳闸或正常操作）的原因，会出现对绝缘有危害的持续时间较短的电压升高，这种电压升高（或电位差升高）称为过电压。
由雷电活动引起的过电压称为外部过电压（简称外过电压），包括直击雷过电压和感应雷过电压；而由电力系统内部操作和故障引起的过电压称为内部过电压（简称内过电压），包括操作过电压和暂时过电压，其中暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。
过电压不仅对电力系统的正常运行造成威胁，而且对带电作业的安全也很重要。
因此，在设备绝缘配合、带电作业安全距离选择、绝缘工具最短有效长度以及绝缘工具电气试验标准中都必须考虑这一重要因素。
在带电作业过程中，作业人员除了受到正常工作电压的作用外，还可能遇到内部过电压和雷电过电压。
在《国家电网公司电力安全工作规程（线路部分)》规定：“……如遇雷电（听见雷声、看见闪电)、雪、雹、雨、雾等，不准进行带电作业……”。
因此，带电作业中一般只考虑工作电压和内部过电压的作用，即正常运行时的工频电压、工频过电压和谐振过电压以及操作过电压。
外部过电压外部过电压又称大气过电压，通常是指大气中的雷电活动引起的异常电压。
其中，因直击雷而产生的过电压的幅值与雷电流的幅值、陡度和被击杆塔的波阻抗有关；因感应雷出现的过电压幅值则取决于雷云放电电流值、感应雷电压线路的对地高度和它距落雷点的距离。
雷电行波的陡度很高，在导线上传播时会有明显的衰减，因而沿线各点的过电压幅值是有差异的。
一般来说，落雷点附近的起始雷电压很高。
内部过电压当电力系统内进行开关操作或者发生事故使系统内部参数发生变化时，电力系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，在这个过程中，系统由于内部参数变化而引发电磁能量的振荡、传递和积累，并导致在某些设备上或系统中出现很高的过电压，称为内部过电压。
内部过电压的大小与电网结构、系统容量及参数、中性点接地方式、故障性质、断路器性能、母线出线回路数以及操作方式等因素有关。
电力系统过电压及其保护措施
电力系统过电压及其保护措施电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高。
过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象。
电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。
在我国电力系统工作运行的过程中，电气设备不仅要承受工作电压，还将会遭受到过电压的伤害以及作用。
这其中的过电压就是作用于电力系统中的电压，而过电压还可以分为两种：一种是内部过电压；另一种是雷电过电压。
这其中由系统中的谐振和开关操作上引起的过电压就是内部过电压，该过电压在数值上已经超过了工作电压的数值；而系统中有雷电所引起的过电压就是雷电过电压。
电力系统过电压的概念 1过电压是指在一般情况下，电力系统经常处于正常工作的状态，而此时的电气设备也在额定的电压下处于绝缘的状态，但是，当遭遇雷击或者由于操作不当、参数配置错误等原因，就会造成电力系统中的一些特定区域的电压值升高，最终超出电力设备的正常运行范围。
过电压分为两种：一种是大气电压；另一种是内部过电压。
而。
此处内容被屏蔽<其中的内部过电压形成的主要原因则是断线和。
弟使所发生的事故，合闸与拉闸时的操作以及一些存在的不可>预测的系统影响因素，但是就是因为这一系列的问题，在电力系统中将会引起运行状态上的变化，从而产生了系统局部性过高电压，最终将会导致电力系统整体遭受到损害。
而内部过电压还可以分为两种：一种是暂态过电压；而另一种是操作过电压，它是由于电力系统中操作故障所引起的，最大的特点是随机性较大；而大气过电压可以分为侵入雷电波、直接雷击、感应雷击这三种过电压，并且该电压还具备冲击能力强、持续的时间短对系统的伤害大等诸多优点。
过电压产生的原因 22.1 操作过电压产生的原因及解决措施内部过电压中的操作过电压不仅具有随机性，还具有很高的频率振荡，并且衰减非常迅速。
其中，这种操作过电压产生的原因有很多，其中包括了以下几点。
电力系统操作过电压
3、电磁式电压互感器饱和引起的谐振过电压
在接有Y0接线的电磁式电压互感器的中性 点不接地系统中，当出现某些扰动，使电压 互感器各相电感的饱和程度不同时，有可能 出现较高的中性点位移电压而激发起谐振过 电压。
常见的扰动有：电压互感器的突然合闸、 由于雷击或其他原因发生瞬间单相弧光接地、 传递过电压
一、一般特征
1、持续时间比较短
2、其幅值与系统相电压幅值有一定倍数关系 3、其幅值与系统的各种因素有关，有强烈的统 计性 4、依据系统的电压等级不同，显示重要性 也不同
5、在超高压系统中，它是决定系统绝缘水 平依据之一
常见类型：
❖ 中性点不接地系统弧光接地过电压 ❖ 空载线路合闸过电压 ❖ 切空载线路过电压 ❖ 切空载变压器过电压
2.按其性质可分为三类
(1).线性谐振 (2).铁磁谐振 (3).参数谐振
二、铁磁谐振的基本原理
1、铁磁谐振
产生谐振条件:
L 1 C
2、物理过程 (1)串联铁磁谐振回路的伏安特性
（2）分析时注意： 产生铁磁谐振的必要条件 正确分析平衡点的稳定性
3.主要特点：
L （1）对于一定的 L0 值当C
二、间隙电弧接地过电压
1、产生原因
在中心点不接地系统中，当一相发生 故障时，故障点的电弧熄灭和重燃（称之 为间隙性电弧）引起电磁暂态的振荡过渡 过程而引起的过电压。（称之为间隙电弧 接地过电压）
2.单相接地电路图及相量图
3、分析
注意几点 （1）应假设某故障相达到最大值时电弧接地， 这是最严重情况 （2）掌握某一状态、某一时间下电压初始值、 稳态值 （3）过电压的最大幅值可用下面公式估算
2、线路较长时 （1）等值电路图
（2）线路距末端X处电压分布
电力系统中的过电压保护研究
电力系统中的过电压保护研究引言：过电压是指电力系统中电压超过额定值的情况，是电力系统中常见的问题之一。
过电压可能对电力设备和系统造成损害，因此过电压保护是电力系统中非常重要的研究课题。
本文将探讨电力系统中过电压的成因，其对设备的影响以及过电压保护技术的研究。
一、电力系统中过电压的成因1. 雷击过电压：雷电是引起电力系统中过电压的主要原因之一。
当雷电发生时，会产生巨大的电流和电压，导致电力系统中的电压迅速上升。
雷击过电压可能会对电力系统中的设备和线路造成严重的损害，因此需要有效的过电压保护措施。
2. 开关操作引起的过电压：在电力系统中，常常需要进行开关操作，如开关电器设备、切换电源等。
这些操作会导致瞬态过电压的产生。
这种过电压通常只持续很短的时间，但其幅值可以非常高，可能对设备造成损害。
3. 接地故障引起的过电压：接地故障是电力系统中常见的故障类型之一。
当电力系统中发生接地故障时，会导致电压在故障点附近迅速升高，形成过电压。
过电压保护需要及时检测到接地故障并采取措施，以保护电力设备和系统的安全。
二、过电压对设备的影响1. 绝缘破坏：过电压可能导致设备绝缘破坏。
当电压超过设备绝缘能力时，会导致绝缘材料受损，进而导致设备故障。
绝缘破坏是过电压对设备最主要的影响之一，因此需要通过过电压保护来预防绝缘破坏的发生。
2. 设备损坏：过电压还可能导致设备的其他损坏。
例如，过电压可能导致电线过热，甚至燃烧，从而损坏设备。
此外，过电压还可能导致电子元件的损坏或过早老化。
因此，过电压保护是保护设备的重要手段。
三、过电压保护技术的研究1. 放电管保护：放电管是一种常用的过电压保护器件。
放电管具有低电压工作、大电流放电的特点。
当电压超过设定值时，放电管会迅速导通，将过电压放电到地。
放电管可作为开关保护电路的一部分，对电力系统的过电压提供有效的保护。
2. 电容器保护：电容器也可用于过电压保护。
电容器具有储能能力，在过电压发生时，电容器可以吸收部分电能，从而减轻过电压对设备的影响。
电力系统过电压及其保护
操作过电压
在电力系统中进行操作（如开关操作 ）时产生的过电压。
操作过电压通常发生在电力系统的开 关操作过程中，如开关的开合、变压 器分接头的调整等。这些操作可能会 在系统中产生瞬态的电压波动。
工频过电压
由于电力系统的故障或其他原因导致的工频电压异常升高。
工频过电压通常是由于电力系统的故障，如线路短路、变压 器故障等，导致系统的工频电压异常升高。这种过电压可能 对电力设备和系统造成严重损坏。
限制过电压的措施需要根据具体情况进行选择和实施，以达到最佳的保 护效果。
05
案例分析
某地区电力系统过电压案例
案例背景
过电压类型
某地区电力系统在运行过程中多次发生过 电压现象，给电网安全带来严重威胁。
该案例涉及雷电过电压、操作过电压和暂 时过电压等多种类型。
案例经过
案例分析
在一次雷雨天气中，该地区电力系统受到 雷电过电压冲击，导致部分设备损坏，电 网运行受到影响。
03
过电压的危害
对设备的危害
设备损坏
过电压可能导致电气设备绝缘层 击穿，造成设备损坏或永久性故 障。
降低设备寿命
频繁的过电压冲击会加速设备老 化，缩短设备使用寿命。
对运行的影响
电力中断
过电压可能引起保护装置动作，导致 大面积停电或电力供应中断。
稳定性问题
过电压可能影响电力系统的稳定性， 增加系统振荡和崩溃的风险。
绝缘配合的目的是提高设备的绝缘水平，降低设备损坏的风险，同时减少维修和更 换设备的成本。
限制过电压的其他措施
除了避雷器和绝缘配合外，还可以采取其他措施来限制过电压，如改善 接地系统、加强设备维护和检修等。
改善接地系统可以降低雷电和操作过电压对设备的影响，提高设备的耐 压能力。加强设备维护和检修可以及时发现和处理设备存在的隐患和缺 陷，避免设备在运行过程中发生故障。
过电压问题及其解决方案
过电压问题及其解决方案
过电压问题是指电力系统中发生的电压超过设定值的情况。
过电压可能会对设备和系统造成损坏，甚至引发火灾。
造成过电压的原因有多种，包括：
1. 突然断电后的电力恢复：当电力突然中断后，电力系统重新供电时可能会发生过电压。
2. 电力系统故障：如电源线路短路、电路设备故障等，可能导致过电压。
3. 外部原因：如雷击等外部因素可能导致过电压。
解决过电压问题的一些常见方法和措施包括：
1. 安装过电压保护装置：通过安装过电压保护装置，可以有效地减轻或消除过电压对设备和系统的损坏。
2. 设备选择：在设计和选择电气设备时，可以考虑选择具有过电压保护功能的设备。
3. 接地保护：保持系统的良好接地状态，可以有效地减少过电压的发生。
4. 使用稳压设备：通过使用稳压装置可以调整电压，确保电压处于安全范围内。
5. 定期检测和维护：定期对电力系统进行检测和维护，及早发现和解决潜在的过电压问题。
总之，要解决过电压问题需要从多个方面入手，包括装置安装、设备选择、接地保护和定期检测维护等方面，以确保电力系统的安全运行。
电力系统过电压及其防护
暂时 过电压
操作 过电压
工频电压升高
空载长线的电容效应 不对称短路 突然甩负荷
谐振过电压
线性谐振 铁磁谐振 参数谐振
切断空载线路
切断空载变压器
空载线路合闸
间歇电弧接地
一. 概述
在电力系统中，除了雷电过电压外，还经常出现另一 类过电压：内部过电压。顾名思义，它的产生根源 在电力系统内部，通常都是因为系统内部电磁能量 的积累和转换而引起。按照产生的原因，内部过电 压可以分为操作过电压和暂时过电压。一般操作过 电压持续时间在0.1s以内，而暂时过电压持续时间 要长得多。
A = 1 − uC (0) Uϕ
当 uC (0) = −U ϕ
U C = 3U ϕ
uC
≈ 3U ϕ
0
t
二. 影响过电压的因素
1. 合闸相角
2. 残余电压
3. 回路损耗
三. 限制过电压的措施
1. 控制合闸相角 2. 加装并联合闸电阻 3. 线路首末端装设避雷器
同步开关（Synchronous Switching）
3.3 空载线路合闸过电压
一. 产生过电压的基本过程
1. 正常合闸
L s QF
1 2
LT
1 2
LT
L QF
~u
CT
⇒~ u
CT uC
L
=
Ls
+
1 2
LT
u = U ϕ cos ω t
由等值电路：
L
di dt
+ uC
=u
i = CT
du C dt
初始条件：
uC (0) = 0
t = 0 :i = CT
第七讲：电力系统内部过电压及其防护
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一、分析
因为在节点处只能有一个电压和电流，所以得：
u1q u1 f u2q
i1q i1 f i2q
求解方程组得
U 2q
u1q z1
(
u1 f z1
)
u2q z2
2Z 2 U1q uU 1q Z1 Z 2
U1 f
Z 2 Z1 U 1q u u1q Z1 iq i f
uq Z iq u f Z i f
为什么前行波的电压与电流总是同极性， 而反行波的电压和电流是异极性呢？
定义：正电荷沿着x的正方向形成的电流 波的极性为正。
例题
例1：t=0时刻，A、 B 两点分别有一个幅值 为50kV的无限长直角 波沿线路传播， A点、 B点距离O点都为300米， 问：1~4us，A、B、O 三点的电压分别是多 少？
随着电网的发展，单相弧光接地形成的内部过 电压对电网威胁较大，为限制单相接地的电容 电流采用中性点经消弧线圈接地系统；随着电 网的发展，消弧线圈可能发生谐振过电压，系 统改为中性点直接接地，此时对电网威胁较大 的内部过电压是切空载线路形成的过电压；磁 吹避雷器和氧化锌避雷器出现后既满足雷电防 护的要求、又满足切空载线路形成的过电压的 要求，但在330kV及以上系统合空载线路形成的 过电压的威胁又突出出来…….
i2 q
2Z1 i1q i i1q Z1 Z 2
i1 f
Z1 Z 2 i1q i i1q Z1 Z 2
由公式可以看出，当Z2小于Z1时，U2q 比U1q的幅值低；反之，U2q 比U1q 的幅值高。
例 题
例1：一条线路末端开路，t=0时 刻，A点一幅值为U1的无限长 直角波沿线路传播， U1求到 达接地点时，U2q、U1f分别是 多少？
例题
例2：一条线路末端接地，t=0时 刻，A点一幅值为U1的无限长 直角波沿线路传播， U1求到 达接地点时，U2q、U1f分别是 多少？
例3：Z1=400Ώ、Z2=500Ώ， U1=500V，AB两点距o点 都为300米，求1~4us，A、 B、O三点的电压分别是 多少？
例4：条件同例3，求 1~4us，A、B、O三点 的电压分别是多少
图中 r0是导线单位长度的电阻，C0是单位长度导线的对地电容， 当线路首端有一无限长直角波入侵时，线路上每点的电压、 L 0是单位长度导线的电感，g0是单位长度导线的漏电导。 电流分别是多少？
二、波动方程
通过推导，可以得出任意一点电压和电流分别为：
x x u u q (t ) u f (t ) v v
L0 C0
x i u ( t ) 对应欧姆定律，定义 q q v
L0 uq Z C0
x i f u f (t ) v
则
L0 u f ( Z ) C0
为波阻抗
i iq i f
L0 并定义 Z C0
4、关于波阻抗
通常单导线架空线路的波阻抗Z=500Ω左右，计及电晕 的影响时，取400 Ω左右。由于分裂导线和电缆的L0较 小及C0较大，故分裂导线架空线路和电缆的波阻抗都较 小，电缆的波阻抗约为十几欧到几十欧不等。
两侧求导得
v
dx dt
所以V是速度。就是沿着X的正方向 以速度V前进的前行波。同样uf是沿 着X的反方向前进的反行波，即线路 上任意一点的电压为前行波电压加上 反行波的电压。V称为波速.
2、关于波速
3、电流方程
x x i uq (t ) u f (t ) v v
例2：t=0时刻，A点有 一个幅值为50kV的 无限长直角波沿线 路传播， B点有一 个幅值为50kV、持 续时间1us的截断波 沿线路传播，A点、 B点距离O点都为 300米，问：1~4us， A、B、O三点的电 压分别是多少？
例3：t=0时刻，A点有一个 u=50t的无限长斜角波沿 线路传播， A点、B点距 离O点都为300米，问： 1~4us，A、B、O三点的 电压分别是多少？
§4.2行波的折、反射
电力系统中常会遇到具有分布参数的长线与另一条具有不同波阻 抗的长线或集中阻抗相连的情况。例如在一条架空线与一条电缆 相连接的情况下，波从一条线路向另一条线路传播时，在节点处 会产生波的折射和反射。
设U1q，i1q是沿线路1传播的前行电压波和电流波；U2q，i2q是前行波到 达节点发生折射后传到线路2上的前行电压波和电流波；U1f，i1f是前行 波在节点处发生反射后沿线路1返回的反行电压波和反行电流波。
第四章 线路和绕组中的波过程
§ 引言：电力系统是由一系列具有分布参数的线路、母线、 4.1无损单导线中的波过程
变压器和发电机等组成的，所以电力系统过电压的形成 一、等值电路 与分布参数电路中的过渡过程有关。分布参数中的过渡 过程就是电磁波的传播过程，简称波过程。本章就是介 绍这一过程的规律的。
x x i [uq (t ) u f (t )] v v L0 C0
1、电压方程的含义
以uq为例，假设当T1时刻，线路上 位置X1的点电压数值为U，当时间 由T1变到T2时，具有相同电压值U 的点必然满足：
t1 x1 x t2 2 v v
并能依此得出：
t1 x x1 t n n 常数 v v
二、彼得逊等值电路
根据
u 2q
可得
2Z 2 u1q Z1 Z 2
z1 z2 u2 q 2u1q z1 z2
条件：只有前行波、 没有反行波，或反行 波尚未到达节点
例4：t=0时刻，A点有 一个u=50t-50（t-1）的 斜角平顶波沿线路传 播， A点、B点距离O 点都为300米，问： 1~4us，A、B、O三点 的电压分别是多少？
例5：t=0时刻，A点有 一个u=50t-50(t-1)的 斜角平顶波沿线路传 播， B点有一个幅值 为50kV、的无限长直 角波沿线路传播，A 点、B点距离O点都 为300米，问：1~4us， A、B、O三点的电压 分别是多少？