第六节 工频电压升高
电力系统过电压
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❖ （3）由于工频电压升高是不衰减或弱衰减 现象，持续时间很长，对设备绝缘及其运行 条件也有很大影响。
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❖ 输电线路在长度不很大时的等值电路， 由于空载，就可简化如图所示。
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IR
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UR
～
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E
L
.
UL
C
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UC
空载长线的简化等值电路
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❖ 一般R要比XL和XC小得多，而 空载线路的工频容抗XC又要大 于工频感抗XL，因此在工频电 势 的作用下，线路上流过的容
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电压
内部过电压
暂时过电
操作过电 直接雷过
3
内部过电压
第一节 稳态过电压的电路基础 第二节 谐振过电压 第三节 切断空载线路过电压 第四节 空载线路合闸过电压 第五节 切除空载变压器过电压
工频过电压
2.2特高压工频过电压的分类
• 1）特高压系统中主要工频过电压种类如图
特高压线路重要的工频过电压种类
单回线路
同塔双回线路
按工况分类 单运行工况 两回同时运行工况 按甩负荷回数分类 一回甩负荷 两回甩负荷
无故障 甩负荷
2
K (1)
这类工频过电压与单相接地点向电源侧的 X0/X1有很大关系，若X0/X1增加将使不对称短 路故障时健全相的电压有增大的趋势
。
对于特高压输电线路，一般X0/X1≈2.6，由图 1-5可 见不对称故障引起的工频电压升高系数是大于l的， 即产生了不对称故障引起的工频过电压。
二、特高压线路工频过电压
2.3特高压工频过电压限制措施
• 1）固定高抗
a.补偿位置
单端补偿
两端补偿
分段多点补偿
a.补偿度
补偿度即高抗容量与全线电容无功容量之 比。 非全相运行谐振过电压，高抗补偿度不宜 过高。在特高压电网建设初期，一般考虑 将高抗的补偿度控制在80%~90%，在电 网比较强的地区或者比较短的特高压线路， 补偿度可以适当降低。
一、输电线路工频过电压概述
1.1引起工频过电压的因素
• 1）.空载长线电容效应； • 2）.三相甩负荷； • 3）.不对称接地效应；
1.2空载长线电容效应
• 1ห้องสมุดไป่ตู้原理图
简化原理图如下，容性电流流过电感，电压升高。
2）沿线电压表达式：
Ux
cos x cos l U1
沿线电压分布图：
2.1特高压工频过电压特点
• 1）特高压线路输电距离长，电容效应更明显。
地网的工频电位升高问题探析
地网的工频电位升高问题探析摘要：地网工频升高必然对设备及人身安全带来极大隐患，故文章介绍了一般情况下，变电站所采取的高电位引外和低电位引内的措施。
同时，还详细分析了阀式避雷器反击过电压与站内短路所引起的流动波过电压机理，以及相应的防护措施。
关键词：地网工频电位升高引言在土壤电阻率高的地区，地网的接地电阻一般很难降低，因此在发生接地短路故障时，地网的电位可以升得很高。
以规定允许的5Ω为例，只要经地网入地的短路电流达2000A，地网的电位就会抬高到10000V，大大超过规定的安全电压2000V。
地网的均压措施只能解决跨步电势和接触电势的问题，而要保证设备和人身的安全还必须解决高电位引外和低电位引内的问题。
高电位引外和低电位引内的措施变电站中高电位引外和低电位引内的措施主要有：隔离向站外供电的三相四线制低压线路、隔离对外的通讯线路、隔离铁路轨道和各种金属管道等。
2.1 对向站外供电的三相四线制低压线路的隔离当向站外供电的三相四线制的电源中性点和地网相连时，地网的高电位以经相线、零线和电缆的金属外皮传到用户处，使用户的人身和设备安全受到威胁。
为了防止高电位引外，从变电站引出到接地网外的低压线路，最好使用架空线路，其电源中性点不在接地网内接地，而在用户处单独接地。
如果采用有金属外皮的电缆供电，则除电源中性点不在接地网内接地而在用户处接地外，最好能把电缆直埋于土中，或在电缆进入用户处将金属外皮剥去50-100cm后穿入绝缘保护套内。
应该注意，对于用水泥横担、杆铁横担的低压线路，由于低压绝缘子的工频干试电压只有2000V，当地网电位升高时，可能造成绝缘子的的逆闪而把电位引向相线或零线，因此当地网电位高于2000V时，在接地网内的低压水泥杆线路应加强绝缘。
2.2 对和站外相连的通讯线路的隔离当变电站有和站外相连的通讯线路时，站外的低电位将通过通讯线路引入站内，这样，当电网电位抬高时，人站在地网上，用手接触通讯设备（例如打电话），这一电位差就会作用在人体上，影响到人身的安全。
工频过电压
不对称短路引起的工频电压升高
甩负荷引起的工频电压升高
9
2.1 空载长线路的电容效应
集中参数电路中的“电感—
电容”效应
单相输电线路的 集中参数等值电路
在 R-L-C串 联 回 路 中 电 路，若R<<1/(C)、 L， 且1/C>L 正弦交流电源作用下， 由 于 UL 、 UC 反 相 ， 且 UC>UL ，则电容上的压 降大于电源的电动势
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1. 研究工频过电压的重要性
研究的重要性
直接影响操作过电压的幅值
决定避雷器额定电压的重要依据
持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安 全运行
在超高压系统中，为降低电气设备绝缘水平，不 但要对工频电压升高的数值予以限制，对持续时 间也给予规定
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2. 工频过电压产生的主要原因
空载长线路的电容效应
短路电流的零序分量会使健全相出现工频电压升高， 称为不对称效应，以不对称效应系数或接地系数表示 由此而产生的工频电压升高的程度 系统中不对称短路故障，以单相接地故障最为常见， 且引起的工频电压升高也最严重 系统在发生不对称故障时，故障点各相电压和电流是 不对称的，可以采用对称分量法利用复合序网方便地 进行分析
Z1为从故障点向外看出去的正 序人口阻抗
27
A相接地故障时的复合序网图
同理可画出负序和零序短路电流的计算电路
图，其中电源电动势和相应的故障前的电压 为零
负序、零序电压方程分别为
U 2 I 2 Z 2
U 0 I 0 Z 0
Z2、Z0 分别为负序、零序人口阻抗
28
A相接地故障时的复合序网图
电力系统内部过电压 高电压技术 教学PPT课件
UC ~
~ UB
~ UA
D
c1
Ic
a)
c2
c3
I2
I3
B UB UBA
UC C
N
UCA
I3
Ic
A
I2
b)
图7-13 中性点绝缘系统的单相接地 a）等效电路 b）向量图
经过半个工频周期（t1时），B、C相电压等于（-1.5），id
通过零点，电弧自动熄灭，发生第一次工频熄弧。熄弧瞬间，B、
C相瞬时电压各为-1.5，A相对地电压为零。
（1）断路器触头间装并联电阻。
（2）断路器线路侧接电磁式电压互感器。 （3）线路侧接并联电抗器。 （4）采用性能良好的氧化锌避雷器。
第四节 切除空载变压器过电压
电力系统运行中，经常会遇到切除空载变 压器、并联电抗器、消弧线圈及电动机等小电 感负荷的操作，这时由于被开断的感性元件中 所储存的电磁能量释放，产生振荡，将形成分 闸过电压。 一、发展过程
电力系统中的阻性有功负荷是阻尼振荡、限 制谐振的有利因素，通常只有在空载或轻载时才 发生谐振。但对零序回路参数配合不当而形成的 谐振，系统正序有功负荷是不起阻尼作用的。
（a）在i0上升部分截流；（b）在i0下降部分截流
断路器开断后，上述能量必在L-C回路中 产生振荡。当回路所储存总能量全部转化为 电场能时，电容C上的电压为Um ，则有：
故得 截流后过电压倍数Kn为
已知
(因
）、
，代入上式得：
实际上，磁场能量转化为电场能量的过程中
必有损耗，以磁滞损耗为主。因此上式中代表磁
内 部
中性点不接地系统中的电弧接地过电压
过
电 压
空载长线的电容效应 工频 不对称短路引起的工频电压升高
电力系统工频电压升高的产生机理
电力系统工频电压升高的产生机理随着社会的进步和人们生活水平的提高，电力系统的重要性也日益突出。
而电力系统工频电压升高是一种常见的现象，它会对电力系统的正常运行产生很大的影响。
为了更好地了解电力系统工频电压升高的产生机理，本文将对该问题进行详细的探讨。
一、电力系统工频电压升高的概念电力系统的电压是电力系统基本参数之一，电压升高是指电力系统中高压侧电压值比标称电压高出的百分数，是一个反映电力系统电压稳定性指标的重要参数之一。
一般来说，电力系统的工频电压升高应该在5%以内，否则就会对电力系统的正常运行产生很大的影响。
二、电力系统工频电压升高的原因1. 电力负荷变化电力系统的电压水平主要受负荷影响，当负荷突然变化时，会导致电压升高。
这是因为电压与电流成正比关系，当负荷增加时，电流增加，电阻不变，电压也随之升高。
2. 输电线路过长输电线路越长，在电流相同的情况下，电阻和电感越大，电压降就越大。
当电压降过大时，会导致输电线路的电压升高。
3. 电力系统电气设备故障电力系统中的电气设备故障，如变压器开路、接地、短路等，会导致电压升高。
因为在故障时，电压对电阻的作用减弱，电流增大，从而引起电压升高。
4. 电力系统传输能力不足当电力系统传输能力不足时，会出现输电线路过载的情况，过载时输电线路的电压也会升高。
三、电力系统工频电压升高的预防措施为了避免电力系统工频电压升高带来的影响，需要采取一定的预防措施。
1. 合理安排电力负载可以通过合理安排电力负载来降低电力系统电压升高的风险。
例如，在高负荷时刻，可以将部分负荷转移或限制负荷增长，防止电压升高。
2. 加强电力系统保护措施在电力系统中加强保护措施，对防范电力系统工频电压升高非常重要。
例如，安装过压保护装置、均压装置等，一旦电压升高达到设定值，及时采取保护措施。
3. 加强电力系统的技术管理和设备维护加强电力系统的技术管理和设备维护，对防范电力系统工频电压升高也非常重要。
第六节 工频电压升高
在一般情况下，220kV及以下的电网中不需要采取特 殊措施来限制工频电压升高
在330～500kV超高压电网中，应采用并联电抗器或静 止补偿装置等措施，将工频电压升高限制到1.3～1.4 倍相电压以下
小 结
工频电压升高的倍数虽然不大，一般不会对电力系 统的绝缘直接造成危害，但是它在绝缘裕度较小的 超高压输电系统中仍受到很大的注意。 电力系统中常见的几种工频电压升高为：1）空载 长线电容效应引起的工频电压升高 2）不对称短路引 起的工频电压升高 3）甩负荷引起的工频电压升高。
一、空载长线电容效应引起的工频电压升高
输电线路在长度不很大时，可用集中参数的电阻、 电感和电容来代替，图9-15（a）给出了它的T型等 值电路。由于线路空载，可简化成一R、L、C串连 电路，如图9-15（b）所示。
• 一般R要比XL和XC小得多，而空载线路的工 频容抗 XC又要大于工频感抗XL，因此在工频 . 电势 E 的作用下，线路上流过的容性电流在感 . . 抗上造成的压降 U L 将使容抗上的电压 U C 高于 电源电势。
工频电压升高在绝缘裕度较小的超高压输电系统中受 到很大的注意的原因如下： 1) 由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生， 与多种操作过电压的发生条件相同或相似，所以它 们有可能同时出现、相互，叠加。所以在设计高电 压的绝缘时，应计及它们的联合作用； 2) 工频电压升高是决定某些过电压保护袈置工作条 件的重要依据，所以它直接影响避雷器的保护特性 和电力设备的绝缘水平； 3) 由于工顿电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续 的时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大的 影响。
•
另一方面，从机械过程来看，发电机突然甩掉 一部分负荷后，因原动机的调速器有一定惯性， 在短时间内输入原动机的功率来不及减少，将使 发电机转速增大、电源频率上升，不但发电机的 电势随转速的增大而升高，而且还会加剧线路的 电容效应，从而引起较大电压的升高。
电力系统中的工频过电压资料
长线路的入口阻抗
输电线路的参数
当线路末端短路时，即XL=0 当线路末端开路时，即XL→∞
Z jZC ctg Zk
空载长线路的沿线电压分布
ZC R0 jL0 G0 jC0
γ输电线路的传播系数， α为相位移系数， β为衰减系 数，Zc为线路特性阻抗（波阻抗）；
忽略线路损耗
ZC
L0 C0
j L0C0 j j
chx cosx
shx j sin x
在输电线路上，电压与电流以波的形式传播，行波的 相位相差为2π的两点间的距离称为波长。 2 2 1 L0 C0 f L0 C0
7 电力系统中的工频过电压
内部过电压
外部过电压
电力系统过电压
内部过电压
暂时过电压
操作过电压
在电力系统内部，由于 断路器的操作或发生故 障，使系统参数发生变 化，引起电网电磁能量 的转化或传递，在系统 中出现过电压，这种过 电压称为内部过电压。
暂时过电压包 括工频电压升 高及谐振过电 压；持续时间 比操作过电压 长。
X0 X1 3 U B [ j ]E A X0 2 2 X1 X0 1.5 X1 3 U C [ j ]E A X 2 2 0 X1 1.5
X X ( 0 )2 ( 0 ) 1 X1 X1 U B UC 3 E E X0 ( )2 X1
7.1 空载长线路的电容效应
忽略r的作用
U U jI (X X ) U 1 2 L C2 L C
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（本节完）
工频电压升高在绝缘裕度较小的超高压输电系统中受 到很大的注意的原因如下： 1) 由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生， 与多种操作过电压的发生条件相同或相似，所以它 们有可能同时出现、相互，叠加。所以在设计高电 压的绝缘时，应计及它们的联合作用； 2) 工频电压升高是决定某些过电压保护袈置工作条 件的重要依据，所以它直接影响避雷器的保护特性 和电力设备的绝缘水平； 3) 由于工顿电压升高是不衰减或弱衰减现象，持续 的时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大的 影响。
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另一方面，从机械过程来看，发电机突然甩掉 一部分负荷后，因原动机的调速器有一定惯性， 在短时间内输入原动机的功率来不及减少，将使 发电机转速增大、电源频率上升，不但发电机的 电势随转速的增大而升高，而且还会加剧线路的 电容效应，从而引起较大电压的升高。
•
在考虑线路的工频电压升高时，如果同时计及空载线 路的电容效应、单相接地及突然甩负荷等三种情况， 那么工频电压升高可达到相当大的数值。 实际运行经验表明：
对中性点有效接地的110～220kV电网，X0为不 大的正值，其中X0/X1≤3。单相接地时健全相上 的电压升高不大于1.4UA0(≈0.8Un)，故采用的是 “80%避雷器”。
三、甩负荷引起的工频电压升高
当输电线路在传输较大容量时，断路器因某种原 因而突然跳闸甩掉负荷时，会在原动机与发电机内引 起一系列机电暂态过程，它是造成工频电压升高的又 一原因。 在发电机突然失去部分或全部负荷时，通过激磁绕 组的磁通因须遵循磁链守恒原则而不会突变，与其对 应的电源电势Ed’维持原来的数值。原先负荷的电感 电流对发电机主磁通的去磁效应突然消失，而空载线 路的电容电流对主磁通起助磁作用，使Ed’反而增大， 要等到自动电压调节器开始发挥作用时，才逐步下降
在一般情况下，220kV及以下的电网中不需要采取特 殊措施来限制工频电压升高
在330～500kV超高压电网中，应采用并联电抗器或静 止补偿装置等措施，将工频电压升高限制到1.3～1.4 倍相电压以下
小 结
工频电压升高的倍数虽然不大，一般不会对电力系 统的绝缘直接造成危害，但是它在绝缘裕度较小的 超高压输电系统中仍受到很大的注意。 电力系统中常见的几种工频电压升高为：1）空载 长线电容效应引起的工频电压升高 2）不对称短路引 起的工频电压升高 3）甩负荷引起的工频电压升高。
E U R U L U C R I jX L I jX C I
若忽略R的作用，则
. . . .
.
.
.
.
..Biblioteka .E U L UC j I ( X L X C )
由于电感与电容上的压降反相，且U C U L ，可见电容上 的压降大于电源电势，如图9-15（c）所示。 随着输电电压的提高、输送距离的增长，在分析空 载长线的电容效应时，也需要采用分布参数等值电路， 但基本结论与前面所述者相似。为了限制这种工频电 压升高现象，大多采用并联电抗器来补偿线路的电容 电流以削弱电容效应，效果十分显著。
二、不对成短路引起的工频电压升高
单相接地时，故障点各相的电压、电流是不对称 的，为了计算健全相上的电压升高，通常采用对称 分量法和复合序网进行分析，不仅计算方便，且可 计及长线的分布特性。 不对称短路是电力系统中最常见的故障形式，当 发生单相或两相对地短路时，健全相上的电压都会 升高，其中单相接地引起的电压升高更大一些。此 外，阀式避雷器的灭弧电压通常也就是根据单相接 地时的工频电压升高来选定的，所以下面只讨论单 相接地的情况。
当A相接地时，B、C两健全相上电压的模值为：
U B UC KU A0
( K 3 X0 2 X0 ) ( ) 1 X1 X1 X0 2 X1
K为接地系数,它表示单相接地故障时健全相 的最高对地工频电压有效值与无故障时对地电压 有效值之比.
按电网中性点接地方式分析健全相电压升高的程度： 对中性点不接地（绝缘）的电网:X0取决于 线路的容抗，故为负值。单相接地时健全相上的 工频电压升高约定为额定（线）电压Un的1.1倍， 避雷器的灭弧电压按110%Un选择，可称为 “110%避雷器”。 对中性点经消弧线圈接地的35～60kV电网， 在过补偿状态下运行时，X0为很大的正值，单 相接地时健全相上电压接近等于额定电压Un， 故采用“100%避雷器”。
一、空载长线电容效应引起的工频电压升高
输电线路在长度不很大时，可用集中参数的电阻、 电感和电容来代替，图9-15（a）给出了它的T型等 值电路。由于线路空载，可简化成一R、L、C串连 电路，如图9-15（b）所示。
• 一般R要比XL和XC小得多，而空载线路的工 频容抗 XC又要大于工频感抗XL，因此在工频 . 电势 E 的作用下，线路上流过的容性电流在感 . . 抗上造成的压降 U L 将使容抗上的电压 U C 高于 电源电势。