电力系统过电压第5章暂时过电压
《过电压保护》PPT课件
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3．操作过电压
操作过电压是指电力系统中由于操作或事 故，使设备运行状态发生改变,引起振荡， 从而产生过电压。
例: 切、合高压空载长线路 （空载变压器、 电容器、高压电动机）
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1.掌握继电保护基本要求。
2.掌握变压器（线路、高压电动机、电力电 容器）保护的配置及作用、保护原理。
3.掌握自动重合闸的作用、装置及要求。
4.掌握备用电源自动投入装置的作用、及基 本要求。
5.掌握变电站的操作电源（直流、交流）。
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第一节 继电保护任务及基本要求
雷电过电压
内部过电压
工频过电压和谐振过电压 称为暂时过电压
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三.雷电过电压
1． 形成： 雷电是带电荷的云所引起的放电现象。（一般情 况负电荷的雷云较多）
2. 雷云对地放电大多数要重复2-3次 第一次主放电电流最大，时间很短，只有 50-100μS 余 辉放电电流很小，时间较长。
3. 直接雷击过电压
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开关设备的灭弧能力特别强 引发截流过电 压。开断空载变压器和开断高压电动机都 有可能出现强制灭弧（截流）过电压。
在中性点不接地系统中发生单相不稳定电 弧接地时，可能产生过电压，一般把这种 过电压称为电弧接地过电压。
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第二节 直接雷击过电压保护
为防止直接雷击电力设备，一般采用避雷 针或避雷线。 一.单支避雷针的保护范围 例：某避雷针高20m，则该避雷针在8m的高 度的保护半径为（ ）
电力系统内部过电压
二.过电压的分类
能量来源
1.雷电过电压：雷云中大量雷电荷倾注 于电力系统而形成 2.内部过电压: 由于电力系统内部能量的 转化或传递引起的
能量转化是指磁能转化为电能 能量传递则主要是通过各部分相互之间的电磁耦合。电 网内的操作（拉闸或合闸）和故障（断线或接地等）都 是激发能量转化的原因，按不同原因，将内过电压分为 操作过电压和暂时过电压，暂时过电压包括工频电压升 高及谐振过电压。
有并联电阻时切空线的电流和电压波形
合闸电阻同时还可以起到限制切空线过电压的作用。参看图12－10 因为开断时主断口S1先分开（t=t1），此时，由于Rb的存在，电容 C上的电荷可以通过Rb流向电源，使电压uC不再保持不变，因此主 断口S1上的恢复电压要比没有并联电阻时小。显然Rb愈小恢复电 压就愈小，重燃的概率也就愈低。主断口S1分开后，经过1.5个工 频周期后（t=t2），辅助断口S2打开。此时由于Rb的存在减小了电 容电流和电压间的相位差，从而降低了作用在断口S2上的恢复电压， 所以辅助断口S2重燃的概率也就相应降低。而且即使重燃，Rb将 起阻尼作用，过电压也不会大。
kV kV
对地操作过电压的1.4~1.45倍； 对地操作过电压的1.5倍。
三.空载长线操作过电压的限制措施
1.改善开关熄弧性能 无重燃 无过电压
∵目前断路器己可基本消除重燃现象
∴线路设计中可不考虑切空线过电压
220kV及以下: 不需要采用限制重合空闸过电
压的措施
330 kV
以上:
断路器断口加并联电阻
合闸后： C11与C22并联 合闸瞬间：C11，C22上电荷重新分配
u E m c11 E m c 22 c11 c 22 0
• l1 上起始电压为 0，而不是 - Em ∴ 过电压为 2Em，而不是 3Em
第5章--工频过电压计算
第5章--工频过电压计算————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第5章工频过电压计算目录5.1 空载长线路的电容效应 (6)5.1.1 空载长线路的沿线电压分布 (6)5.1.2 并联电抗器的补偿作用 (8)5.2线路甩负荷引起的工频过电压 (11)5.3单相接地故障引起的工频过电压 (13)5.4自动电压调节器和调速器的影响 (16)5.5限制工频过电压的其他可能措施 (17)5.6工频过电压的EMTP仿真 (18)第5章工频过电压计算工频过电压是电力系统中的一种电磁暂态现象，属于电力系统内部过电压,是暂时过电压的一种。
电力系统内部过电压是指由于电力系统故障或开关操作而引起电网中电磁能量的转化，从而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置可能造成威胁的电压升高。
内部过电压分为暂时过电压和操作过电压两大类。
在暂态过渡过程结束以后出现持续时间大于0.1s(5个工频周波)至数秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压。
由于现代超、特高压电力系统的保护日趋完善，在超、特高压电网出现的暂时过电压持续时间很少超过数秒以上。
暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。
电力系统在正常或故障运行时可能出现幅值超过最大工作相电压，频率为工频或者接近工频的电压升高,称为工频过电压。
工频过电压产生的原因包括空载长线路的电容效应、不对称接地故障引起的正常相电压升高、负荷突变等，工频过电压的大小与系统结构、容量、参数及运行方式有关。
一般而言，工频过电压的幅值不高，但持续时间较长，对220kV电压等级以下、线路不太长的系统的正常绝缘的电气设备是没有危险的。
但工频过电压在超（特）高压、远距离传输系统绝缘水平的确定却起着决定性的作用，因为：①工频过电压的大小直接影响操作过电压的幅值；②工频过电压是决定避雷器额定电压的重要依据，进而影响系统的过电压保护水平；③工频过电压可能危及设备及系统的安全运行。
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。
7 电力系统中的工频过电压
E E
X1
α：接地系数，说明 单相接地故障时，健 全相的对地最高工频 电压有效值与故障前 故障相对地电压有效 值之比。
高电压工程基础
中性点绝缘的系统：X0 主要由线路容抗决定，为负值。单相接地时， 健全相电压升高约为线电压的 1.1 倍（K= -20）。选择避雷器灭弧电压时， 取 110% 的线电压（110% 避雷器）。 中性点经消弧线圈接地系统：在过补偿状态运行时，X0 为很大的正 值；欠补偿运行时， X0 为很大的负值。单相接地时健全相电压接近线电 压。选择避雷器灭弧电压时，取 100% 的线电压（100% 避雷器）。 对中性点直接接地的110 ~ 220kV系统：X0 为不大的正值，一般 X0/X1≤3，健全相上电压升高不大于1.4倍相电压，约为80% 的线电压 （ 80% 避雷器）。
jI2Z
sin
'l
I1
jU2 Z
sin
'l
I2
cos
'l
K12
U2 U1
cos cos( 'l )
arctg Z
Xp
K01
U1 E
ZR ZR jXS
Zctg( 'l XS Zctg(
) 'l )
K02
K K 01 12
cos cos( 'l
cos )
高电压工程基础
不考虑 电源感抗
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 sinx
电力系统稳态分析第5章
K
max 2U 2 R minU 2 min U 2 R maxU 2 2 2 U2 R max 2U 2 R min
(3)
1）由（3）式求变比K、 Ut1=K Ut2 ，选择分接头 2）代入（1）式求调相机容量，并选择与计算所得容量相接近的标准调相 机容量。
5.2.6 线路串联电容补偿改善电压质量
QC U 2 R max X max 2 U2 U 2 R max K K (1)
最小负荷下，调相机吸收额定容量一半的感性无功功率
U 1 QC 2 R min 2 X min 2 U2 U 2 R min K K (2)
联立求解，得变比：
UC
为满足U A 上限的U C
UC
为满足U A 上限的U C
中枢点
U CA
A
不可控
为满足U B下限的U C
C U CB B
0
为满足U B下限的U C
(时) (时)
8
16
24
0
8
16
24
5.2.2 中枢点电压管理（续1）
•
中枢点调压方式：
– 逆调压：高峰负荷时，将中枢点电压调高（限值 105%UN）；低谷负荷时，将中枢点电压调低（限值UN ）。 适合于大型网络、供电线路较长、负荷波动较大的情况。 – 顺调压：高峰负荷时，允许中枢点电压有所降低（限值 102.5%UN）；低谷负荷时，允许中枢点电压有所升高（限 值107.5%UN ）。适合于小型网络、供电线路不长、负荷 波动不大的情况。 – 常调压：在任何负荷下，保持中枢点电压为一基本不变 的值（102%~105% UN ）。适合于中型网络、负荷变动较 小、线路上的电压损耗也较小的情况。
电力系统过电压-第五章
& cos α ' l U1 & = sin α ' l I1 j Z
jZ sin α ' l & U 2 I2 cos α ' l &
α ' = ω L0C0
（ω为电源角频率，L0 ，C0 分别为导线单位长度的电感与电 容），对于输电线路，通常α’≈0.06°/km； l ：线路的长度，km。
U B = UC X0 2 X0 ( ) + ( ) +1 X1 X1 = 3 E X ( 0)+2 X1 = K (1) E
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X 2 2+ 0 X1 X0 1.5 & X1 3 & + j ]E A U C = [− X0 2 2+ X1
§1. 工频电压升高
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§1. 工频电压升高
★合闸后 0.ls 前 高幅值、 高幅值、强阻尼的高频振荡操作过 电压 时间内： ★合闸后 0.1 ~ 1.0s 时间内：暂态工 频电压升高。 频电压升高。由于发电机自动电压 调整器的惯性， 调整器的惯性，发电机的暂态电势 E’d 保持不变，再加上空载线路的电 保持不变， 容效应，使电压升高， 容效应，使电压升高， 1.0s 后，由 于发电机的自动电压调整器开始发 生作用，母线电压逐渐下降。 生作用，母线电压逐渐下降。 以后： ★在 2 ~ 3s 以后： 稳态工频电压升高， 稳态工频电压升高，系统进入稳定 状态。 状态。
& E 1 & = I 0
& X s U1 1 & = 0 1 I1
cos α ' l Xs sin α ' l 1 j Z
第5章--工频过电压计算
第5章--工频过电压计算第5章工频过电压计算目录5.1 空载长线路的电容效应 (5)5.1.1 空载长线路的沿线电压分布 (5)5.1.2 并联电抗器的补偿作用 (7)5.2线路甩负荷引起的工频过电压 (10)5.3单相接地故障引起的工频过电压 12 5.4自动电压调节器和调速器的影响 16 5.5限制工频过电压的其他可能措施 16 5.6工频过电压的EMTP仿真 (17)第5章工频过电压计算工频过电压是电力系统中的一种电磁暂态现象，属于电力系统内部过电压,是暂时过电压的一种。
电力系统内部过电压是指由于电力系统故障或开关操作而引起电网中电磁能量的转化，从而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置可能造成威胁的电压升高。
内部过电压分为暂时过电压和操作过电压两大类。
在暂态过渡过程结束以后出现持续时间大于0.1s(5个工频周波)至数秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压。
由于现代超、特高压电力系统的保护日趋完善，在超、特高压电网出现的暂时过电压持续时间很少超过数秒以上。
暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。
电力系统在正常或故障运行时可能出现幅值超过最大工作相电压，频率为工频或者接近工频的电压升高,称为工频过电压。
工频过电压产生的原因包括空载长线路的电容效应、不对称接地故障引起的正常相电压升高、负荷突变等，工频过电压的大小与系统结构、容量、参数及运行方式有关。
一般而言，工频过电压的幅值不高，但持续时间较长，对220kV电压等级以下、线路不太长的系统的正常绝缘的电气设备是没有危险的。
但工频过电压在超（特）高压、远距离传输系统绝缘水平的确定却起着决定性的作用，因为：①工频过电压的大小直接影响操作过电压的幅值；②工频过电压是决定避雷器额定电压的重要依据，进而影响系统的过电压保护水平；③工频过电压可能危及设备及系统的安全运行。
我国超高压电力系统的工频过电压水平规定为：线路断路器的变电站侧不大于1.3.p.u（.p.u为电网最高运行相电压峰值）；线路断路器的线路侧不大于1.4.p.u以p.u。
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α’ ：相位系数， ' L0C0
（ω为电源角频率，L0，C0分别为导线单位长度的电感与电 容），对于输电线路，通常α’≈0.06°/km； l ：线路的长度，km。
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
电压传递系数
不论首端电压为多高，末端电压 将趋于无穷大。
l v 2 4
此时，线路电感与电容构成谐振 状态。称为1/4 波长谐振。
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
电压传递系数
➢单考击虑此电处压编阻抗辑母I 版文本样式 第二级
第三级
第四级 第五级
E U1 I1X s I I1
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
电压传递系数
单击此处编辑母版文本样式 第二级
输电线路为无损长线
第三级
U1 第U四2 co级s 'l jI2Z sin 'l
I1
第jU五2 s级in
Z
'
l
I
2
cos
'
l
UI11
=
cos j sin
Z
'l 'l
jZ sin ' cos 'l
第三 一级般而言，工频电压升高对 220kV 电压等级以下、线路不太长的
第四系级统的正常绝缘的电气设备是没有危险的。
➢ 超高压系统
第五 工级频电压升高对超高压、远距离传输系统绝缘水平的确定却起着
决定性的作用。
避雷器：最大允许工作电压就是按照电网中工频电压升高来确定 的。工频电压升高的幅度越大，要求避雷器的灭弧电压越高。
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
超高压系统中工频电压升高的重要性
➢单超击高此压处系编统辑母版文本样式
第二 断级路器并联电阻：工频电压升高幅值越大，对断路器并联电阻热
第三容级量的要求也越高，从而给制造低值并联电阻带来困难。
操作过电压：操作过电压与工频电压升高是同时发生的，因此工
➢单不击考此虑处电编源阻辑抗母版文本样式
若第线二路末级端开路，即：
第三I级2 0 U线2第路首U四、1 /级末co端s电'压l 关系为： cos第 五'l 级1 U2 U1
U1 U2 cos 'l jI2Z sin 'l
I1
jU2 Z
sin
'l
I2
cos
'l
线路末端电压高于首端
❖当 'l 2 时，cos 'l 0
第五级
1 L C
集中参数LC串联回路的电容效应
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
工频电压升高的原因 ➢单①击空此载处长编线的辑电母容版效文应本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
一条空载长线可以看作由无数个串联的L，C回路构成，在工频电
压作用下，线路的总容抗一般远大于导线的感抗，因此线路各点的 电压均高于线路首端电压，而且愈往线路末端电压愈高。
★在 2 ~ 3s 以后： 稳态工频电压升高，系统进入稳定状 态。
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
超高压系统中工频电压升高的重要性
➢单对当击过然此电稳处压态编保工护频辑及电母绝压版缘升文配高本合对样影系响统式较的大电的气是设暂备态也工有频一电定压的升影高响，。 ➢第2二20k级V 电压等级以下
E
I
1 0
Xs 1
UI11
=
1 0
Xs 1
cos j sin
Z
'l 'l
jZ sin ' cos 'l
l
UI22
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
电压传递系数 ➢单考击虑此电处压编阻抗辑母版文本样式 ➢第若Z二R线级路末端开路，从首端往线路看去，可等值为一个阻抗 第三级 第四级 第五级
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
单击此处编辑母版文本样★高式合幅闸值后、强0.l阻s 前尼的高频振荡操作过电
第二级
压
第三级 第四级 第五级
★合闸后 0.1 ~ 1.0s 时间内：暂态工 频电压升高。由于发电机自动电压调 整器的惯性，发电机的暂态电势 E’d 保持不变，再加上空载线路的 电容效应，使电压升高， 1.0s 后， 由于发电机的自动电压调整器开始发 生作用，母线电压逐渐下降。
《单电击力系此统处过编电辑压母》版标题样式
单击此处编辑母版文本样式
第二级 Chapter 5. 暂时过电压
第三级 第四级 第五级 西南交通大学高压教研室
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单C击h.此5 暂处时编过辑电母压版标题样式
§1. 工频电压升高 §2. 单谐击振此过处电编压辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
内部过电压（能量来自系统内部）
➢单在数击电发此力生处系变编统化内，辑部引母，起版由电文于网本断电样路磁器能式操量作的或转发化生或故传障递，，使在系系统统参中 第出二现级的过电压。 ➢第操三作级过电压 第四 一级般持续时间在 0.l s（五个工频周波）以内的过电压 ➢第工五频持级过续时电间压长的过电压则称为暂时过电压。暂时过电压中，频率为
第四频级电压的升高直接影响操作过电压的幅值。
第五 工级频电压升高持续时间长，对设备绝缘及其运行性能有重大影响。
例如，可导致油纸绝缘内部游离，污秽绝缘子的闪络、铁芯的过
热、电晕等。
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
工频电压升高的原因
➢单①击空此载处长编线的辑电母容版效文应本样式 ➢➢第②③二不突级对然称甩短负路荷引引起起的的工工频频电电压压升升高高 ➢第①三空级载长线的电容效应 第四级
工频或接近工频的过电压
➢ 谐振过电压
因系统的电感，电容参数配合不当，出现的各类持续时间长、波 形周期性重复的谐振现象及其电压升高，称为谐振过电压
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单§1击. 工此频处电编压辑升母高版标题样式
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
在500 kV 输变电系统中，实测得到的某 336 km 空载线路合闸过电 压随时间变化的曲线，图中K0为过电压倍数。该线路的断路器带 有 400 Ω 的合闸电阻，线路两端并联电抗器的补偿度为 71.5 % 。