工频过电压
电力系统工频过电压的计算与仿真项目课
电力系统工频过电压的计算与仿真项目课本项目课是围绕电力系统工频过电压的计算与仿真展开的课程，旨在帮助学生深入掌握电力系统中过电压的形成机理、计算方法以及仿真技术，并能够应对实际工程中出现的过电压问题。
本项目课的主要内容包括：
1. 工频过电压的形成机理和特点：介绍电力系统中工频过电压的来源、形成机理和特点，帮助学生了解过电压问题的本质。
2. 工频过电压的计算方法：介绍电力系统中工频过电压的计算方法，包括短路电流计算、过电压传播计算、过电压分析等，通过理论分析和实际案例分析，让学生掌握过电压计算的方法和技巧。
3. 工频过电压的仿真技术：介绍电力系统中工频过电压的仿真技术，包括PSCAD/EMTDC仿真软件的使用、过电压故障仿真及分析等，通过实际操作和仿真实验，让学生掌握仿真技术的应用和实践。
4. 工频过电压问题的应对和解决：介绍电力系统中工频过电压问题的应对和解决措施，包括过电压保护装置的选择和配置、降低过电压的措施、应急处理等，通过案例分析和模拟实验，让学生了解过电压问题的处理方法和策略。
通过本项目课的学习，学生将能够深入了解电力系统中工频过电压的形成机理和计算方法，掌握仿真技术的应用和实践，提高对过电压问题的应对和解决能力，为日后从事电力系统相关工作打下坚实的基础。
- 1 -。
电力系统过电压防护及绝缘配合之工频过电压
对中性点有效接地的110～220kV系统，X0为不大的 正值，其X0/X1≤3。单相接地故障时，健全相的工频 电压升高为0.8倍额定电压U。采用80％避雷器；
对
，输送距离较长，计及长线路的
电容效应时，线路末端工频电压升高可能超过系统最高
电压的80％。
。
当输电线路重负荷运行时，线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，造成工频电压 升高。影响工频电压升高的因素主要有：
过电压防护及绝缘配合 ——工频过电压
➢ 工频电压升高本身对正常绝缘的电气设备一般是没有危险的，但是在超高 压系统的绝缘配合中具有重要作用： ①其大小将直接影响操作过电压的幅值； ②其数值是决定避雷器额定电压的重要依据； ③持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安全运行。 通常：
➢ 合闸后0.1s时间内出现的电压升高叫操作过电压； ➢ 0.1s~1s时间内，由于发电机自动电压调整器的惰性，发电机电势E′尚保持
抗X0则因不接地系统，X0取决于线路容抗，X0/X1∈(-
∞～-20)，为负值。单相接地时健全相的工频电压升高
可达1.1倍额定电压。采用110％避雷器；
对中性点经消弧线圈接地35～66kV系统，按补偿度可
以分为两种情况。欠补偿方式时，|X0/X1|→-∞；过补 偿方式时，|X0/X1|→+∞。单相接地故障时，健全相电
-6-
①断路器跳闸前输送负荷的大小；
②空载长线路的电容效应；
③发电机励磁系统及电压调节器的特性，原动机调速器及制动设备的惰性等。
发电机突然失去部分或全部负荷时，通过励磁绕组的磁通因磁链守恒原则而 不会突变，电源电势E' 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E'增大，要 等到自动电压调节器开始发挥作用时，才逐步下降。
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。
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
工频过电压和电源容量的关系
工频过电压和电源容量的关系1. 什么是工频过电压？工频过电压，听上去有点复杂，但其实就是在电力系统中，电压在频率为50Hz （或60Hz）的时候突然飙升的一种现象。
想象一下，就像你在早高峰时，挤上了地铁，突然一个大伙儿都推了一把，瞬间就觉得自己像被电了一样，那种感觉就是电压的瞬间增高。
1.1 发生的原因过电压的原因有很多，像雷电、设备故障、甚至是系统切换，这些都可能让电压蹭蹭上涨，简直像是在过山车上，不知道下一秒会发生什么。
一般来说，过电压会让设备受到伤害，缩短使用寿命，损失可不小呢。
1.2 影响的范围而且，这种现象可不仅仅影响到单个设备，有时候会波及整个电网。
想象一下，如果电压突然上升，所有的电器都像捉襟见肘一样，忙着自救，家里的冰箱、洗衣机，甚至是灯泡，都可能出现各种故障，真是让人心焦。
2. 电源容量的角色说到电源容量，咱们可以把它理解成“电源的瘦身计划”，越大的容量就意味着能够承载更多的负荷。
也就是说，电源容量就像是一个大口袋，能装得下更多的东西。
如果你的电源容量不够，像个小口袋，那过电压发生的时候，就容易“撑破”了。
2.1 大容量的好处电源容量大，自然可以有效抵御工频过电压的冲击。
就好比一个强壮的小伙子，遇到突如其来的“挑战”，他能更从容地应对。
而小容量的电源就像个弱小的孩子，可能一不小心就被压垮了，后果不堪设想。
2.2 如何选择合适的容量那么，选择合适的电源容量就显得尤为重要。
我们得根据实际的负荷需求来做选择，不能盲目追求“大”。
就像买衣服一样，合适的才是最好的，不然穿上去就像打扮成了“傻大个”，一点也不美观。
通常情况下，预留一定的余量也是很有必要的，这样在突发情况下能有一定的应对能力。
3. 过电压与电源容量的关系既然说到了工频过电压和电源容量之间的关系，那咱们就来聊聊，它们是如何相互影响的。
3.1 直接的影响简单来说，电源容量越大，对工频过电压的抵御能力就越强。
这就像一场马拉松比赛，跑得越远的人，体力越充沛，越能应对突如其来的加速挑战。
电力系统过电压分类和特点
电力系统过电压分类和特点电力系统过电压主要分以下几种类型：大气过电压、工频过电压、操作过电压、谐振过电压。
产生的原因及特点是：大气过电压:由直击雷引起,特点是持续时间短暂，冲击性强，与雷击活动强度有直接关系,与设备电压等级无关。
因此,220KV以下系统的绝缘水平往往由防止大气过电压决定。
工频过电压:由长线路的电容效应及电网运行方式的突然改变引起，特点是持续时间长,过电压倍数不高，一般对设备绝缘危险性不大,但在超高压、远距离输电确定绝缘水平时起重要作用。
操作过电压:由电网内开关操作引起，特点是具有随机性,但最不利情况下过电压倍数较高。
因此30KV及以上超高压系统的绝缘水平往往由防止操作过电压决定。
谐振过电压:由系统电容及电感回路组成谐振回路时引起,特点是过电压倍数高、持续时间长。
变压器中性点接地方式的安排一般如何考虑?变压器中性点接地方式的安排一般如何考虑?答：变压器中性点接地方式的安排应尽量保持变电所的零序阻抗基本不变。
遇到因变压器检修等原因使变电所的零序阻抗有较大变化的特殊运行方式时，应根据规程规定或实际情况临时处理.（1）变电所只有一台变压器，则中性点应直接接地，计算正常保护定值时，可只考虑变压器中性点接地的正常运行方式。
当变压器检修时，可作特殊运行方式处理,例如改定值或按规定停用、起用有关保护段。
（2)变电所有两台及以上变压器时，应只将一台变压器中性点直接接地运行，当该变压器停运时，将另一台中性点不接地变压器改为直接接地。
如果由于某些原因,变电所正常必须有两台变压器中性点直接接地运行，当其中一台中性点直接接地的变压器停运时，若有第三台变压器则将第三台变压器改为中性点直接接地运行。
否则,按特殊运行方式处理。
（3）双母线运行的变电所有三台及以上变压器时，应按两台变压器中性点直接接地方式运行，并把它们分别接于不同的母线上，当其中一台中性点直接接地变压器停运时、将另一台中性点不接地变压器直接接地。
过电压的分类
过电压的分类
1. 直击雷过电压哟！就好比天空中突然打下一道闪电，直接击中了什么东西，那带来的电压冲击可老大了！比如说雷直接打到了电杆上，这就是典型的直击雷过电压的例子呀！
2. 感应雷过电压呀，它就像是一个看不见的“小淘气”。
哎呀，比如闪电在旁边闪了一下，虽然没直接打中，但却让周围的东西产生了很高的电压，这就是感应雷过电压在捣蛋呢！像雷在远处闪，却让附近的电线出现高电压，就是这样的情况哟！
3. 工频过电压呢，就好像是电力系统的一种“慢性压力”。
哼哼，比如说在系统发生故障后，电压长时间处在比较高的状态，这就是工频过电压啦！就像停电后恢复供电时，电压不太稳定，那可能就藏着工频过电压哦！
4. 谐振过电压呀，这简直就是个“爱捣乱的小精灵”！哎呀呀，像在电力系统中，电感和电容相互作用，突然就产生了很高的电压，这就是谐振过电压在搞鬼呀！比如在有大电感的电路中，就可能出现这种情况呢！
5. 操作过电压呢，就跟我们开关电器时的那种“小冲动”差不多。
嘿嘿，比如我们拉闸、合闸的时候，就可能引发比较高的电压，这就是操作过电压的表现呀！就像我们猛地打开或关上一个电器开关，可能就引发电压的波动啦！
6. 雷电波侵入过电压呀，就像是个“偷偷摸摸的入侵者”。
哇塞，像雷电产生的电波顺着线路等侵入到系统中，造成电压升高，这就是雷电波侵入过电压哟！好比雷打在远处的电线上，电波却沿着电线跑进了我们这里呢！
7. 暂时过电压呢，就像是电力系统偶尔出现的“小情绪”。
哦哦，像在一些特殊情况下，电压会持续一小段时间比较高，这就是暂时过电压啦！例如在电力设备启动或切换时，就可能出现这样不太稳定的情况呀！
我觉得过电压的这些分类都很重要啊，我们可得好好了解，这样才能更好地应对和预防呀！。
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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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
7
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
30
工频电压升高
健全相电压为：
U b a 2U 1 aU 2 U 0
U b0 U a0 Z 0 a 2 Z1 aZ 2 Z 0 Z1 Z 2
对于较大电源容量的系统，发电机电抗在入口阻抗中所 占比例较小，可认为Z 1= Z 2
U U Z 0 Z1 U U k 1 U b b0 a0 b0 a0 Z 0 2Z1 k2 U U
2
工频过电压
3
500kV、336km空载线路合闸过1秒内的电压升高：高幅值、强阻尼、高频操作 过电压 0.1秒至1秒内的电压升高：是 由于发电机的调压装置的惰性 和线路的电容效应，称为暂态 工频电压升高 大于1秒后，发电机自动电压调整器发生作用，电压下 降，2、3秒后，系统进入稳定状态，这时主要是长线路 电容效应引起的稳态工频电压升高 ,即稳态性质的工频 过电压。 4
L0C0
一般
L0 ZC C0
0.06o / km
实数
Z C 500 300 60 ~ 100
13
均匀长线及其稳态解
无损长线首末端电压及电流关系
cos l U1 j 1 sin l I1 Z C jZC sin l U 2 cos l I 2
U2 K 02 E
18
电源阻抗对空载长线路电容效应的影响
U 0 1 I 0 0 jX S U1 1 I1 jZC sin l U 2 cos l I 2
cos l U1 j 1 sin l I1 Z C
U1、U 2、U 0
I1、I 2、I 0
25
A相接地故障时的复合序网图
A B 为 无 源 系 统
单 相 接 地 正 序 电 路
每相串入两个大小相等、方向相反的电动势 故障电流只决定于反向电动势和正序压降
26
A相接地故障时的复合序网图
正序电压方程：
U 1 U a 0 I1 Z1
10
2.1 空载长线路的电容效应
分布参数电路中的
“电感—电容”效应
末端空载，当首端的输入阻抗为容性，计及电源内阻抗 的影响(感性)时，不仅使线路末端电压高于首端，而且 使线路首、末端电压高于电源电动势 空载长线路的工频电压升高尤其在超高压系统中是一个 重要的课题
11
均匀长线及其稳态解
已知边界条件为末端
：输电线路传播常数
ZC：输电线路波阻抗
R0 j L0C0 1 jL0
R0 jL0 ZC G0 jC0
复数
12
均匀长线及其稳态解
无损长线正弦稳态解
jZC sin x U ( x ) cos x U1 j 1 sin x cos x I I ( x) 1 ZC
暂态工频电压升高Ug 影响过电压防护和绝缘配合，操作过电压是在Ug的 基础上振荡产生的，Ug越高，操作过电压幅值越高； 避雷器的额定电压决定于连接点的工频过电压，Ug 越高，避雷器的额定电压和残压越高，故Ug间接决 定电网的操作和雷电冲击绝缘水平。
稳态工频电压升高 影响系统的并列、电气设备的老化、游离等
23
用对称分量法求参数突变时的过渡过程
正序系统
正常相序的三相对称电压（或电
U 1、a 2U 1、aU 1 I1、a 2 I1、aI1
流） 系统
负序系统
相序与正常相序相反的三相对称 电压（或电流）系统 U 2、aU 2、a 2U 2 三相同相位的对称电压（或电流）
5
工频过电压的主要内容
研究工频过电压的重要性
引起工频电压升高的原因和过程
工频过电压的限制措施
工频过电压水平控制水平（电力行业 标准）
工频过电压实例分析
6
1. 研究工频过电压的重要性
电力系统中在正常或故障时可能出现幅 值超过最大工作相电压、频率为工频或 接近工频的电压升高，统称工频电压升 高，或称工频过电压
22
用对称分量法求 参数突变时的过渡过程
稳态的对称分量法 ：一个包含有三个量的三相不对称 的电压（或电流）系统可以分解成三组独立的对 称电压（或电流）系统，用叠加原理把这一不对 称网络看成正序、负序、零序三个网络之和 同样适用于过渡过程：只要将电压、电流改为瞬态值； Z0、Z1、Z2用它所组成的L、C、R代替即可
U 0 1 I 0 0
cos l jZC sin l jX S 1 U 2 sin l cos l I 1 j Z 2 C XS cosl Z sin l j ( Z C sin l X S cos l ) U C 2 1 I2 j sin l cos l ZC
1.02
1.09
1.24
1.70
3.24
超高压系统中为限制电容效应引起的工频电压升 高，广泛采用并联电抗补偿
17
电源阻抗对空载长线路电容效应的影响
电源容量为无限大，即 电源电抗XS=0，空载线 路末端电压对于电源电 势的升高：
U2 U2 K12 U1 E
电源容量为有限，即XS0，空载线路末端电压 对于电源电势的升高：
l 90时，K 02 ，相当于l 90
电源电抗相当于增加了线路长度 电源容量越小，即内电抗Xs越 大，末端电压升高越严重。所 以在估计最严重的工频电压升 高时，应以可能出现的电源容 量最小的运行方式为依据
21o
0
21
2.2 不对称短路引起的工频电压升高
A相接地时有
Ua 0 I I 0
b c
U a U 0 U1 U 2 1 (I I I ) I0 a b C 3 1 ( I aI a 2 I ) I1 a b c 3 1 ( I a 2 I aI ) I1 a b c 3
内部过电压
因为断路器的操作或系统故障，使系统的参
数发生变化，导致电力系统内部能量的转化 或传递的过渡过程中，在电力系统产生的过 电压
系统参数变化的原因是多种多样的，因此内
部过电压的幅值、振荡频率、持续时间不相 同
1
内部过电压
线性谐振 谐振过电压铁磁 参数 (resonance ) 暂时过电压 空载长线路的电容效应 工频电压升高不对称的接地故障 甩负荷 ( Power FrequencyVoltageRise ) (Temporary ) 合空线 切空线 操作过电压（0.1s以内）切空变 解列 弧光接地 ( Switching )
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边界条件：
U0 E
I2 0
K 02
U2 1 Xs E cos l sin l ZC
令
Xs arctan ZC
电源电抗的影响
cos K 02 cos(l )
通过角度 表示出来
20
电源阻抗对空载长线路电容效应的影响
Xs使末端电压升高更为严重，且首端电压高于电源电势
K12 U 2 / U1 1 / cos l
15
空载无损长线末端电压升高 与线路长度的关系
16
空载长线路的电容效应
空载时线路末端电压升高与线路长度的关系
200 12° 400 24° 600 36° 900 54° 1200 72° 1500 90°
l / km l
K12
U0
I0