過電壓這塊在系統(tǒng)設(shè)計中比較重要，特別是500kV電壓等級以上設(shè)計，但是由于專業(yè)性比較強(qiáng)，對其理解也是基于參與工程的過電壓專題以及EMTP過電壓計算的一個課題，對這塊也做一個總結(jié)。

一、何謂過電壓

所謂過電壓，是指電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的異常電壓升高，屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。電工設(shè)備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。研究各種過電壓的起因，預(yù)測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運(yùn)行都具有重要意義。

過電壓分兩類，外過電壓和內(nèi)過電壓。外過電壓又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電而引起的。內(nèi)過電壓是電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式發(fā)生改變而引起的過電壓，分為工頻過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。個人涉及的一般都是內(nèi)過電壓分析，外過電壓也會嘗試稍作總結(jié)。

二、工頻過電壓

工頻過電壓指系統(tǒng)中由線路空載、不對稱接地故障和甩負(fù)荷引起的的頻率等于工頻(50Hz)或接近工頻的過電壓。

主要是三類原因：1.空載長線路的電容效應(yīng);2.不對稱短路引起的非故障相電壓升高;3.甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高。其中1和3經(jīng)常結(jié)合在一起造成過電壓。

實際計算過程中，與線路長短、短路容量、有無并聯(lián)電抗器、故障前負(fù)荷都有關(guān)系。為何討論工頻過電壓?

直接影響操作過電壓的幅值

持續(xù)時間長的工頻電壓升高仍可能危及設(shè)備的安全運(yùn)行(油紙絕緣局放、絕緣子污閃、電暈等)

在超高壓系統(tǒng)中，為降低電氣設(shè)備絕緣水平，不但要對工頻電壓升高的數(shù)值予以限制，對持續(xù)時間也給予規(guī)定(母線側(cè)1.3pu，線路側(cè)1.4pu，時間一般為1min)

決定避雷器額定電壓(滅弧電壓)的重要依據(jù)(3、6、l0kV系統(tǒng)工頻電壓升高可達(dá)系統(tǒng)最高運(yùn)行線電壓的1.1倍，稱為110%避雷器;35~60kV系統(tǒng)為100%避雷器;110、220kV系統(tǒng)為80%避雷器;330kV及以上系統(tǒng)，分為電站型避雷器(即80%避雷器)及線路型避雷器(即90%避雷器)兩種)

工頻過電壓的幅值、持續(xù)時間與出現(xiàn)的機(jī)率對設(shè)備的影響及避雷器的選用應(yīng)該說是非常重要的，但是現(xiàn)在廣泛采用了不帶間隙的氧化鋅避雷器，由于有一定熱容級，選擇其額定電壓時，工頻過電壓只是條件之一，不僅決定于工頻過電壓的幅值、而且決定于其持續(xù)時間，但由于我國這塊持續(xù)時間與幾率比較低(單相重合閘，一般不超過0.5S-1S)，所以工頻過電壓可能已不是選擇氧化鋅避雷器額定電壓的關(guān)健條件。所以目前工頻過電壓的標(biāo)準(zhǔn)主要決定于設(shè)備承受能力，斷路器切空載線路的性能等。

降低工頻過電壓的措施：

1)單機(jī)帶長線，特別是單機(jī)容量相對較小時是造成工頻過電壓過高的最不利電網(wǎng)條件。一般工程中遇到這種情況會重點(diǎn)校核，并盡量避免這種情況。

2)經(jīng)常保持發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行，特別是采用快速勵磁。

3)采用單相重合閘并確保繼電保護(hù)及其選相性能的正確性(這塊細(xì)化分析故障的話就比較費(fèi)篇幅，就不展開)

4)裝設(shè)高抗

5)采用良導(dǎo)體線(鋁合金線、鋼芯鋁線、鋁包鋼線)作為架空地線，與鋼鉸線比，線路零序阻抗減少，從而可以降低工頻過電壓3%-8%。三、諧振過電壓

諧振過電壓是電力系統(tǒng)中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過電壓。產(chǎn)生都與電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)或與帶鐵心設(shè)備的磁回路有關(guān)。

1)超高壓線路的平行諧振過電壓。超高壓線路一般裝設(shè)了并聯(lián)電抗器后，就要考慮平行諧振可能產(chǎn)生的過電壓問題。所謂平行諧振，是指帶電的線路部分通過空間電容耦合，對不帶電的對地連接有電感(并聯(lián)電抗器或變壓器)的空線部分構(gòu)成諧振的條件，而在空線上產(chǎn)生過電壓。

這也適用于單回線非全相情況(單相故障時可能出現(xiàn)非全相諧振過電壓)，而這種情況通常在工程設(shè)計中關(guān)注較多，一般我國500kV裝設(shè)并聯(lián)電抗器的線路都使用單相重合閘，然后在并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)加裝小電抗(另一作用是防止?jié)摴╇娏?，當(dāng)然這需要校核高抗中性點(diǎn)側(cè)的絕緣水平。

很多國外系統(tǒng)曾在500kV長線路上裝設(shè)了中性點(diǎn)直接接地的高壓并聯(lián)電抗器，而又采用單相重合閘的情況，不但單相重合閘成功率極低，還發(fā)生過因斷相引起諧振過電壓而損壞設(shè)備的事故。

中性點(diǎn)小電抗原理：如在并聯(lián)電杭器中性點(diǎn)加小電抗器，小電抗器的電抗值是按單相開后接近完全補(bǔ)償相間耦合電容的條件決定的，因而其感抗值很大，不構(gòu)成L,C串聯(lián)回路;耦合到斷開的空線的電壓很低。

實際工程中平行諧振有判斷的簡單方法：即空線的并聯(lián)電抗補(bǔ)償度(百分比)與所連接電感的X0/X1的比值,這塊內(nèi)容比較多，就不展開了，主要是引出一個重要結(jié)論：就是過補(bǔ)償也可能引起諧振，應(yīng)該避免。

多回路的諧振和單回路原理差不多，只是情況復(fù)雜些。

2)諧波諧振過電壓。也是主要存在于小機(jī)帶長線情況(令人煩惱的工況)，由于這樣結(jié)構(gòu)方式的自然諧振頻率較低，個別甚至低于工頻，有可能因變壓器的磁飽和或串補(bǔ)電容產(chǎn)生的諧波與之發(fā)生諧振。

工頻過電壓迫使變壓器飽和，引起諧波，多發(fā)生于變壓器特性不好，電網(wǎng)電壓偏高的情況，這時變壓器的勵磁電流將大大增加(內(nèi)含大量諧波電流)。

下圖就是加拿大魁北克735kV電網(wǎng)甩電荷時磁飽和對過電壓的影響。

可見在工頻頻率為頰定值60HZ時，變壓器飽和降低了過電壓。當(dāng)頻率上升到61.8HZ時，發(fā)生了5次諧波的諧振，靠近電源端的LEM變電站母線電壓達(dá)1.72標(biāo)么值，比處在空載線路末端的LAV變電所母線電壓還高得多。

3)變壓器諧振過電壓

CIGRE曾經(jīng)分析過此類過電壓發(fā)生的幾種原因：

近區(qū)故障。線路較長，但僅在距離變壓器15km以內(nèi)的線路處發(fā)生故障，特別是與變壓器相連只有一回線，近處發(fā)生兩相或三相故障時比較危險。

從短路容量大的母線處向短線路一變壓器組充電。

切斷變壓器勵磁涌流。好像國外這種事故有發(fā)生(特別是美國)，但國內(nèi)好像沒有過，也可能是過去有的變壓器事故可能是諧振過電壓造成，但由于沒有從這方面分析，真實原因往往不清。但是，隨著高電壓、大容量變壓器的發(fā)展，國外的事故經(jīng)驗值得吸取。為預(yù)防這種事故的措施也值得研究。比如盡可能改善保護(hù)變壓器的避雷器性能，例如將帶間隙的閥型避雷器改為氧化鋅避雷器;對高電壓、大容量變壓器(包括升壓和聯(lián)絡(luò)兩個最高電壓級的)盡可能不用分接頭(美國所有因諧振過電壓而損壞變壓器的故障都與調(diào)整分接頭有關(guān));設(shè)計選型及整定變壓器保護(hù)時應(yīng)避免變壓器充電勵磁涌流而誤動等等。

4)自勵磁過電壓

這點(diǎn)我記憶猶新，曾經(jīng)某工程我漏算了這一項。

當(dāng)發(fā)電機(jī)組僅帶容性負(fù)荷，而容性負(fù)荷超過發(fā)電機(jī)的吸收能力時，將發(fā)生自勵磁，發(fā)電機(jī)電壓將失去控制，而按指數(shù)增大。

自勵磁現(xiàn)象的出現(xiàn)，很大程度決定于電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)相對小容量的機(jī)組帶相對高電壓的空載長線路而又無電抗器補(bǔ)償時(又是這種情況有木有)，其實在正常運(yùn)行時，單機(jī)帶長線的機(jī)率是很少的，但是在系統(tǒng)發(fā)生故障，特別同時出現(xiàn)甩負(fù)荷的情況下.有可能構(gòu)成最不利的條件而發(fā)生自勵磁。特別是水電站送出線路，水輪機(jī)組時上升的幅度較大。頻率上升的結(jié)果是減少了容抗，而加大了感抗，所以更易發(fā)生自勵磁。

防止自勵磁的措施:

防止自勵磁是電網(wǎng)設(shè)計內(nèi)容之一。與500kV電網(wǎng)配合，一般應(yīng)裝設(shè)單機(jī)容量為500MW以上的機(jī)組，這樣一般不易發(fā)生自勵磁。如果直接接入500kV電網(wǎng)的機(jī)組容量過小，更應(yīng)研究采取措施。

對可能引起自勵磁的線路，裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器。

裝設(shè)反映過電壓的繼電保護(hù)。但在整定過電壓倍數(shù)及時間時，必須考慮斷路器在電壓升高時切空載線路的性能。

四、操作過電壓

由線路故障、空載線路投切、隔離開關(guān)操作空載母線、操作空載變壓器或其它原因在系統(tǒng)中引起的相對地或相間瞬態(tài)過電壓，利用高性能避雷器(也可能是合閘電阻，都有應(yīng)用區(qū)域)可以防止操作過電壓。

操作過電壓是系統(tǒng)操作和故障時出現(xiàn),特點(diǎn)是具有隨機(jī)性,在最不利的情況下過電壓倍數(shù)較高,330KV及以上超高壓系統(tǒng)的絕緣水平取決于操作過電壓。有以下情況：

切除空載線路時過電壓的根源是電弧重燃及線路上的殘余電壓。(由于SF6斷路器所以極少出現(xiàn))

空載線路的合閘過電壓是由于在合閘瞬間的暫態(tài)過程中,回路發(fā)生高頻振蕩造成的。

在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相金屬接地將引起正常相的電壓升高到線電壓。如果單相通過間歇燃燒的電弧接地,在系統(tǒng)正常相合故障相都會產(chǎn)生過電壓(稱電弧接地過電壓),其實質(zhì)是高頻振蕩的過程。

售電實務(wù)(第六期)之打造核心盈利能力研討 5月9日-11日

切除空載變壓器引起的過電壓。原因是當(dāng)變壓器空載電流突變時變壓器繞組的磁場能量全轉(zhuǎn)化為電場能量對變壓器等值電容