12.1 间歇电弧接地过电压产生机理

s1 t
US
求两个待定系数的方法也类似：
uC (0 ) K1 U S d uC (0 ) i L (0 ) K1 s1 K 2 dt C
类似地，根据元件的VCR或KVL计算其 它响应。
结论：
• 在线路（电容）上的最大过电压幅值 等于：
2稳态值-初始值
熄弧前 uC(t2-)= 1.5Um
• 熄弧后，线路上存储的电荷无处泄漏； • 于是，电荷在三相对地电容平均分配； • 分配结果是三相导线对地有共同的偏移 电压UN ：
U N Um u A (t ) u A (t ) U N 0 uB (t ) uB (t ) U N U m 0.5U m 1.5U m uC (t ) uC (t ) U N U m 0.5U m 1.5U m
t2
t3
1）t=t3 时刻
• A相电压再次达到最大值，可能再次燃弧。
燃弧前 uA(t3-)= 2.0Um 燃弧后 uA(t3+)= 0 燃弧前 uB(t3-)= 0.5Um 燃弧后 uB(t3+)= -1.5Um 燃弧前 uC(t3-)= 0.5Um 燃弧后 uC(t3+)= -1.5Um
• 燃弧后过电压最大幅值 2稳态值-初始值
uCp (t ) U S
全响应为 s1t s2 t uC (t ) uCh (t ) uCp (t ) K1e K 2e U S
利用初始条件，可以得到
uC (0 ) K1 K 2 U S d uC (0 ) i L (0 ) K1 s1 K 2 s2 dt C
单相接地电弧的发展过程：
• 发展过程一般是：
间歇性电弧接地（0.2～２s） ↓ 稳定电弧接地（2～10） ↓ 金属性接地（永久性接地）
间歇性电弧接地过电压的危害
• 最危险的是发生单相间歇性电弧接 地，健全相上过电压可达3～4p.u. • 故障点高频振荡电流可达数百安培
间歇性电弧接地过电压产生的 机理
联立求解，得到常数K1和K2后，就 可得到电容电压的全响应，再利用 KCL和电容元件VCR可以求得电感电 流的全响应。
电力系统过电压 作 者】鲁铁成主编 【出版项】 北京市：中国水利水电出版社 , 2009.06
类似地，当s1=s2时，全响应为
uC (t ) K1e
s1 t
K 2 te
uA
t1 uB t1 uC t2 t3
-3.5Um
t2
t3
t1
t2
t3
-3.5Um
影响间歇电弧接地过电压的因素
• 电弧熄灭与重燃的相位； • 系统的相关参数。考虑线间电容时在同 样条件下过电压还要低； • 振荡过程由于回路损耗，振荡幅值小于 “2稳态值-初始值”计算出的结果； • 中性点接地方式。仅存在于中性点不接 地系统。
duC LC RC uC U S (t 0) dt dt
C 2
全响应由对应齐次微分方程的通解与 微分方程的特解之和组成
uC (t ) uCh (t ) uCp (t )
电路的固有频率为
R 1 R s1， 2 2L 2 L LC
2
当s1s2时，对应齐次微分方程的通解为 s1t s2 t uCh (t ) K1e K 2e 特解为
（1）彼德逊（ W.Ptersen ）1917年高频电 流过零熄弧理论，理论分析过电压倍数 5～6p.u. ；
（2）美国人J.F.Peters和 J.Slepian于 1923年提出的工频电流过零熄弧理论；
本书采用的是工频熄弧理论
2. 限制间歇性电弧接地过电压 的措施
• 采用中性点有效接地方式； 直接接地 经小电阻接地 • 采用中性点经消弧线圈接地方式；
• 具有限流电抗器、电动机负荷，且设备 参数配合不利的3kV～10kV 某些不接 地系统，发生单相间歇性电弧接地故障 时，可能产生危及设备相间或相对地绝 缘的过电压。对这种系统根据负荷性质 和工程的重要程度，可进行必要的过电 压预测，以确定保护方案。 • 实测过电压幅值达3～4p.u.
主要理论假说：
标准中对间歇性电弧接地过电 压复制的规定：
• DL/T620-1997规定：
• 66kV 及以下系统发生单相间歇性电弧接地故 障时，可产生过电压，过电压的高低随接地 方式不同而异。一般情况下最大过电压不超 过下列数值：
不接地系统
消弧线圈接地系统 电阻接地系统
3.5p.u.
3.2p.u. 2.5p.u.
C
B
A


IB
IC
补偿度：
IL K IC
脱谐度：
IL 1- K 1 IC
消弧线圈三种运行状态：
• 欠补偿： IL<IC，故障点残流为容性电流， K<1,ν>0； • 全补偿：
IL<IC，故障点残流为很小的电阻性电 流，K<1,ν>0； • 全补偿：
IL<IC，故障点残流为感性电流， K<1,ν>0；
操作过电压产生的基本原理与 过电压最高幅值的估算
R L +
U m sint
+ -
C
uc
-
RLC串联电路在恒定激励下的零状 态响应和全响应
直流激励的RLC串 联电路，当uS(t)=US 时，可以利用初始条 件uC(0+)=U0和 iL(0+)=I0来求解以下 非齐次微分方程,从 而得到全响应 2 du
第12章 电力系统操作过电压
• 电力系统存在电感和电容储能元件， 当正常操作或故障时，电路状态发 生变化，引起过渡过程；
• 可能在系统中出现超过正常工作电 压的过电压；
操作过电压的特点:
1）持续时间短
IEC标准： 250/2500μs
操作冲击电压波形
2）操作过电压的幅值与系统相电压 幅值有一定倍数关系；
系统电压 （kV） 35～60
过电压 （相对 地）
系统电压 过电压 （相对地） （kV） 330 2.75p.u.
4.0p.u.
110～154 3.5p.u.
110～220 3.0p.u.
500
2.0p.u.
3）操作过电压的幅值具有一定的分散 性；一般认为过电压幅值近似服从 正态分布； 4）电压等级不同，不同的操作过电压 重要性不同。 5）操作过电压是决定电力系统绝缘水 平的依据之一，对超高压系统起决 定作用；
• 其中： 稳态值为在过渡过程结束后线路电容 上应该达到的稳定电压； 初始值为线路电容在出现暂态过程前 上的初始电压。
12.1 间歇性电弧接地过电压
A
B
C
发生在中性点绝缘或经消弧接地系统
• 过电压产生的机理
• 影响过电压的因素
• 防护措施
1.间歇性电弧接地过电压产生的机理
C B A


IB
IC
• 电弧电流在过零点时，电弧自动熄灭； • 同时，由于电动力和热空气的作用，接 地电弧被拉长，在几秒内能自行熄灭； • 当故障点电压恢复速度>绝缘恢复速度 时，电弧再次重燃；
• 这种间歇电弧引起的电磁暂态过程会引 起较高的过电压。
uA
1.0Um
t1 uB
-0.5Um
t2 t2
t3 t3
t1
uC
-0.5Um
uA(t3-)= 0 uB(t3-)= -3.5Um uC(t3-)= -3.5Um
uA
t1 uB t1 uC t2 t3
-3.5Um
t2
t3
t1
t2
t3
-3.5Um
分析结论：
• 在t3以后，每隔半个周期交替出现 电弧的熄灭与重燃； • 过渡过程与上面完全重复，且过 电压的幅值也与之相同。 • 非故障相最大过电压为3.5倍 p.u. • 故障相最大过电压为2.0倍 p.u.
t1
t2
t3
1）t=t1 时刻
• 燃弧瞬间：
燃弧前 uA(t1-)= 1.0Um 燃弧后 uA(t1+)= 0 燃弧前 uB(t1-)= -0.5Um 燃弧后 uB(t1+)= -1.5Um 燃弧前 uC(t1-)= -0.5Um 燃弧后 uC(t1+)= -1.5Um
• 燃弧后过电压最大幅值 2稳态值-初始值
uA(t1m)= 0 uB(t1m)= -2.5Um uC(t1m)= -2.5Um
uA
1.0Um
t1 uB
-0.5Um
t2 t2
2.5Um
t3 t3
t1
uC
-0.5Um
t1
2.5Um
t2
t3
2） t=t2 时刻
• A相电压达到负峰值，电流刚好过
零，电弧熄灭。
熄弧前 uA(t2-)= 0Um
熄弧前 uB(t2-)= 1.5Um
2 2 2 2 2 2
• 因此在t=t2 时刻熄弧前后，各相电压都 相等，所以在熄弧这一时刻不会出现过 渡过程； • 但是，各相电压已经在原有基础上叠加 了一个电压Um，B、C相电压分别升高 （如图所示）
uA
t1 uB t1 uC t2
1.5Um
t2
1.5Um
t3 t3
t1
A B C
消弧线圈的应用场合
• 3kV～10kV 不直接连接发电机的系统和35kV、 66kV 系统，当单相接地故障电容电流不超过 下列数值时，应采用不接地方式；当超过下 列数值又需在接地故障条件下运行时，应采 用消弧线圈接地方式： • a)3kV～10kV 钢筋混凝土或金属杆塔的架空 线路构成的系统和所有35kV、66kV 系统， 10A。 • b)3kV～10kV 非钢筋混凝土或非金属杆塔的 架空线路构成的系统，当电压为： • 1)3kV 和6kV 时， 30A； • 2)10kV 时， 20A。 • c)3kV～10kV 电缆线路构成的系统， 30A。