电力系统中的工频过电压.
电气基础知识问答：80问
电气基础知识问答：80问1、电力系统产生工频过电压的原因主要有哪些？1）空载长线路的电容效应2）不对称短路引起的非故障相电压升高3）甩负荷引起的工频电压升高。
2、什么叫操作过电压？主要有哪些？操作过电压是由于电网内开关操作或故障跳闸引起的过电压。
主要包括：1）切除空载线路引起的过电压2）空载线路合闸时引起的过电压3）切除空载变压器引起的过电压4）间隙性电弧接地引起的过电压5）解合大环路引起的过电压。
3、电网中限制操作过电压的措施有哪些？电网中限制操作过电压的措施有：1）选用灭弧能力强的高压开关2）提高开关动作的同期性3）开关断口加装并联电阻4）采用性能良好的避雷器，如氧化锌避雷器5）使电网的中性点直接接地运行。
4、什么叫电力系统谐振过电压？分几种类型？电力系统中一些电感、电容元件在系统进行操作或发生故障时可形成各种振荡回路，在一定的能源作用下，会产生串联谐振现象，导致系统某些元件出现严重的过电压，这一现象叫电力系统谐振过电压。
谐振过电压分为以下几种：1）线性谐振过电压谐振回路由不带铁芯的电感元件（如输电线路的电感，变压器的漏感）或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件（如消弧线圈）和系统中的电容元件所组成。
2）铁磁谐振过电压谐振回路由带铁芯的电感元件（如空载变压器、电压互感器）和系统的电容元件组成。
因铁芯电感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的，这种含有非线性电感元件的回路在满足一定的谐振条件时，会产生铁磁谐振。
c）参数谐振过电压由电感参数作周期性变化的电感元件（如凸极发电机的同步电抗在Kd～Kq间周期变化）和系统电容元件（如空载线路）组成回路，当参数配合时，通过电感的周期性变化，不断向谐振系统输送能量，造成参数谐振过电压。
5、避雷线和避雷针的作用是什么？避雷器的作用是什么？避雷线和避雷针的作用是防止直击雷，使在它们保护范围内的电气设备（架空输电线路及变电站设备）遭直击雷绕击的几率减小。
避雷器的作用是通过并联放电间隙或非线性电阻的作用，对入侵流动波进行削幅，降低被保护设备所受过电压幅值。
第5章 电力系统内部过电压及其限制措施
三、空载线路合闸过电压及其限制措施
1、计划合闸： 、计划合闸： （图6）及式（5-12）的解 ）及式（ ）
uc= E (1-cosω0t) ω
uc——线路绝缘上的电压， 是一个以电源电压 线路绝缘上的电压， 线路绝缘上的电压 E为轴线，以ω0为角频率的高频正弦等幅振荡 为轴线， 为轴线 的随机量。其最大值为2 的随机量。其最大值为 Em。
5.2
电力系统的操作过电压
一、操作过电压的产生及类型
产生: 产生 系统中因断路器的操作中各种故障产生的过度过程而 引起的过电压。 引起的过电压。 特点：时间短， 特点：时间短，过电压倍数高 其过电压倍数K的大小和持续时间与电网的结构、 其过电压倍数 的大小和持续时间与电网的结构、断路器的 的大小和持续时间与电网的结构 性能、系统的接线方式及运行操作方式有关， 一般为 一般为3～ 。 性能、系统的接线方式及运行操作方式有关，K一般为 ～4。 类型: 类型 空载线路合闸过电压、切除空载线路过电压、 空载线路合闸过电压、切除空载线路过电压、 切除空载变压器过电压、 切除空载变压器过电压、 中性点不接地系统中弧光接地过电压。 中性点不接地系统中弧光接地过电压。
cosα f ↑ —ω ↑ —α=ω/v ↑ —αl ↑ —cosαl ↓ — α /cosα K21=1/cosαl↑ (5-3) 运行经验表明： 运行经验表明： 220KV及以下电网一般不需要采取特殊限制措 及以下电网一般不需要采取特殊限制措 施； 220KV及以上电网需要考虑，伴随着雷闪过电 及以上电网需要考虑， 及以上电网需要考虑 压和操作过电压采取限制措施。 压和操作过电压采取限制措施。
二、特点
1、 过电压倍数不大 ， 对正常绝缘的电气设备一般没有 、 过电压倍数不大， 威胁。 威胁。 2、 在超高压输电中成为确定系统绝缘水平的重要因素 。 、 在超高压输电中成为确定系统绝缘水平的重要因素。 伴随着工频电压的升高直接影响操作过电压的幅值。 伴随着工频电压的升高直接影响操作过电压的幅值 。 工频电压升高是决定保护电器工作条件的重要因素 （如单相接地非故障相电压升高使避雷器的灭弧电压 升高）。 升高） 工频电压升高持续时间长，将严峻考验设备的绝缘。 工频电压升高持续时间长，将严峻考验设备的绝缘。 如油纸绝缘内部游离、绝缘子闪络或沿面放电、 如油纸绝缘内部游离、绝缘子闪络或沿面放电、铁芯 过热、 过热、电晕等
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
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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
8
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
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。
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
-1818-
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
-4-
§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
电力系统过电压知识
2 线路合闸和重合闸操作过电压
空载线路合闸时，由于线路电感-容的振荡将产生合闸过电压。线路重合时，由于电源电势较高以及线路上残余电荷的存在，加剧了这一电磁振荡过程，使过电压进一步提高。因此断路器应安装合闸电阻，以有效地降低合闸及重合闸过电压。 应按电网预测条件，求出空载线路合闸、单相重合闸和成功、非成功的三相重合闸(如运行中使用时)的过电压分布，求出包括线路受端的相对地及相间统计操作过电压。预测这类操作过电压的条件如下： A.空载线路合闸，线路断路器合闸前，电源母线电压为电网最高电压; B.成功的三相重合闸前，线路受端曾发生单相接地故障;非成功的三相重合闸时，线路受端有单相接地故障。 空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸(如运行中使用时)，在线路受端产生的相对地统计操作过电压，不应大于2 2UXG 。
操作过电压:由于操作(如断路器的合闸和分闸)、故障或其他原因，使系统参数过渡过程中系统本身的电磁能振荡而产生的过电压。 ,特点是具有随机性,但最不利情况下过电压倍数较高。操作过电压原因及规避措施
1 电网的操作过电压一般由下列原因引起
该处过电压不超过避雷器操作过电压保护水平时，可不必在该处安装避雷器。
7 具有串联间隙避雷器的额定电压
应不低于安装点的电网工频过电压水平。
8 应用金属氧化物避雷器限制操作过电压时
应参照厂家产品使用说明书，使其长期运行电压值、工频过电压、谐振过电压允许持续时间符合电网要求。
(2) 在并联高压电抗器中性点加装小电抗，用这个措施可以阻断非全相运行时工频电压传递及串联谐振。 (3) 破坏发电机产生自励磁的条件,防止参数谐振过电压。
4 线路非对称故障分闸和振荡解列操作过电压
电网送受端联系薄弱，如线路非对称故障导致分闸，或在电网振荡状态下解列，将产生线路非对称故障分闸或振荡解列过电压。 预测线路非对称故障分闸过电压，可选择线路受端存在单相接地故障的条件，分闸时线路送受端电势功角差应按实际情况选取。 有分闸电阻的断路器，可降低线路非对称故障分闸及振荡解列过电压。当不具备这一条件时，应采用安装于线路上的避雷器加以限制。
第八讲、电力系统的工频过电压
3、分析结论 （1）工频过电压就其过电压倍数的大小来讲，对系统
中正常绝缘的电气设备一般不够成危险
（2）对于超高压系统，决定电气设备的绝缘水平将起
愈来愈大的作用
三、空载线路电容效应引起的工频过电压
1、线路较短时 （1）等值电路图和相量图
从相量图看出：由于空载线路的电容效应，空载线路末端 电压较线路首端电压有较大的升高
2、线路较长时 （1）等值电路图
. （2）线路距末端X处电压分布 . . E cos U x cos(l ) cosx (3)线路末端电压最高 .
E cos U2 cos( l )
.
.
线路长度L越长，末端电压升得越高。但由于受线路电 阻和电晕损耗的限制，一般不会超过2.9倍
（4）沿线电压分布
U x cosl cosx
1
.
U
（5）工频电压及其影响因素 a.与电源容量有关，电源容量越小工频电压升高越严重 b.通过补偿电容电流，可削弱电容效应以降低工频过电 压
笫八章
电力系统的工频过电压
一.过电压的分类
过 电 压
大气过电压
内部过电压
操作过电压 暂时过电压
暂时过电压包括谐振过电压及工频过电压
二、工频过电压
1、定义
在正常或故障时，电力系统中所出现的幅值超过最大工作相
电压、频率为工频（50Hz）的过电压称为工频过电压. 2、特点
（1)它的大小会直接影响操作ห้องสมุดไป่ตู้电压的实际幅值
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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
一条输电线路的电气长度，常用它的实际几何长度同 波长之比来衡量。线路的长度为，则它对于波长的相 对长度为 l l l* 2
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
操作过电压即电磁 暂态过程中的过电 压；一般持续时间 在 0.ls（五个工频 周波）以内的过电 压称为操作过电压。
由于引起内部过电压的电磁能量来自电力系统内部，其幅 值与额定电压成正比，工程上内部过电压的大小用内部过 电压倍数kn表示
过电压幅值 kn 最高运行相电压幅值
2 3 Ue
最高运行相电压幅值＝ (1.1 1.15)
A相发生接地，故障点的边界条件为
E A I I I 1 2 0 Z1 Z 2 Z 0
E Z I U 1 A 1 1
Z I U 2 2 2
Z I U 0 0 0
忽略序阻抗中的电阻分量
ae
j
2 3
(a 2 1) Z 0 (a 2 a ) Z 2 UB EA Z 0 Z1 Z 2 (a 1) Z 0 (a 2 a ) Z 2 UC EA Z 0 Z1 Z 2
7.2 不对称接地引起的工频过电压
当系统发生单相或两相不对称对地短路故障时，短路 引起的零序电流会使健全相上出现工频电压升高，其 中单相接地时非故障相的电压可达较高的数值，若同 时发生健全相的避雷器动作，则要求避雷器能在较高 的工频电压作用下熄灭工频续流。 单相接地时工频电压升高值是确定避雷器灭弧电压的 依据。 在系统发生单相接地故障时，可以采用对称分量法， 利用复合序网进行分析计算非故障相的电压升高。
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
在数值上 U2 U1 U L
由于电感与电容上压降反相,且线路的容抗远大于感抗， 使U2＞U1，而造成线路末端的电压高于首端的电压。
j ( R0 jL0 )(G0 jC0 )
在超高压输电系统中，常用并联电抗器限制工频电压升高。并联电抗 器可以接在长线路的末端，也可接在线路的首端和输电线的中部。线路 上接有并联电抗器后，沿线电压分布将随电抗器的位置不同而各异。 并联电抗器的作用不仅是限制工频电压升高，还涉及系统稳定、无功 平衡、潜供电流、调相调压、自励磁及非全相状态下的谐振等方面。
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
并联电抗器的均压作用
E jX S I1 U1
线路末端接有并联电抗器时，线路末端电压U2将随电 抗器的容量增大（XL减小）而下降。这是因为并联电 抗器的电感能补偿线路的对地电容，减小流经线路的 电容电流，削弱了电容效应。 空载线路末端接并联电抗器后，沿线电压分布
E cos 沿线电压最大值应出现在 x =β 处，线路最高电压为 U cos( )
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
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）。
空载长线容升效应
工频电压升高
暂时过电压 谐振过电压 内部过电压
不对称短路
甩负荷 线性谐振
非线性谐振
参数谐振
切、合空载长线过电压 操作过电压
断路器
切空载变压器过电压
弧光接地过电压
单相接地
电力系统中的工频过电压
工频电压升高对系统中正常运行的电气设备一般没有 危险，但在超高压远距离输电确定绝缘水平时，起着 主要的作用 1）工频电压升高再叠加操作过电压 过电压幅值高 2）影响避雷器的最大允许工作电压 灭弧电压>最高 工频电压 3）持续时间长，对绝缘及运行性能有重大影响 游离、老化、污闪、干扰等 我国500kV电网:要求母线的暂态工频电压升高不超过 工频电压的1.3倍（420kV），线路不超过1.4倍 （444kV），空载变压器允许1.3倍工频电压持续1min
l
空载线路，
l=1500km时， U2→∞， 1/4波长谐振
考虑电源漏抗 Xs
E jX S I1 U1
电源漏抗的存在犹如增加了线路长度，加剧了空载长线路 末端的电压升高。 在单电源供电系统中，应以最小运行方式的XS为依据，估 算最严重的工频电压升高。 对于两端供电的长线路系统，进行断路器操作时，应遵循 一定的操作程序：线路合闸时，先合电源容量较大的一侧， 后合电源容量较小的一侧；线路切除时，先切容量较小的 一侧，后切容量较大的一侧。这样操作能降低电容效应引 起的工频电压升高。