电力系统内部过电压的分析及防范措施

臧家明　韩金洋

摘 要 在电力系统中，输电距离增长，则输电电压升高，防雷保护技术得到不断的改善，在确定电力系统电气设备的绝缘水平时，内部过电压将起到愈来愈重要的作用。内部过电压是由于系统内部参数发生变化时电磁能量的振荡和积累所引起的。内部过电压在决定电气设备绝缘水平时，起着重要作用，本文通过研究各种产生内部过电压的机理，采取相应措施限制过电压，从而保证系统安全、优质、稳定运行。

关键词 输电电压 防雷保护技术 绝缘水平 电磁能量

在电力系统中，输电距离增长，则输电电压升高，防雷保护技术得到不断的改善，在确定电力系统电气设备的绝缘水平时，内部过电压将起到愈来愈重要的作用。内部过电压是由于系统内部参数发生变化时电磁能量的振荡和积累所引起的。

内部过电压是在电网额定电压的基础上产生的，故其幅值大体上随着电网额定电压的升高按比例增大。内部过电压的大小，以倍数K0来表示，倍数K0是指内部过电压峰值与该处工频相电压峰值之比。过电压倍数与电网结构、系统容量及参数、中性点接地方式、断路器的性能、母线上的出线回路数以及电网运行接线、操作方式等因素有关。内部过电压具有统计规律，研究内部过电压出现概率及其幅值的分布对于正确决定电力系统的绝缘水平具有非常重要的意义。在一般情况下，内部过电压约为（2.5～4）Uxg（Uxg为系统最大运行相电压）。

一、工频过电压

[1]在电力系统中，由于系统的接线方式、设备参数、故障性质以及操作方式等因素的影响，使内部过电压的幅值、振荡频率、持续时间各不相同。通常将持续时间长、弱阻尼、频率为工频的内部过电压称之为工频过电压。工频电压的升高一方面直接影响操作过电压的幅值，另一方面，工频电压升高又是决定保护电器工作条件的重要因素。

（一）突然甩负荷引起的工频电压升高

通常，系统所带的是感性负荷，感性负荷的电流的电枢反应对发电机起到去磁的作用，开关跳闸突然甩掉负荷时，这个能够去磁的电枢反应也随即消失，但根据磁链守恒原理，穿过励磁绕组的磁通来不及变化，所以造成发电机端电压将要升高。同时由于发电机的调压器及调速器来不及起作用，所以发电机的转速也应上升，而电压几乎随着转速的上升成正比例升高。由于突然甩负荷，输电线及母线上的电压，可达到额定值的1.2～1.3倍。当线路电容较大时电压还可能更高。

（二）空载线路电容效应引起的工频电压升高

均匀分布参数的输电线路是一个两端口网络，当忽略线路上的有功损耗时，不难求得两端的电压差为△U=U1—U2=-0.5%r2L0C0l2如果假设U1为无穷大电源由长线方程得A=1-0.5%r2L0C0l2 则可得U2=U1/A，由此可见，在忽略线路有功损耗的情况下，线路空载时受端电压的升高的标么值（以送端电压为基准值），只与线路常数有关，而与运行电压无关。可以从式中看出，线路l越长，电容、电感越大，线路常数A=1-0.5%r2L0C0l2越小，空载线路末端的电压越高，这就是长线路的电容效应。

（三）不对称短路时的电压升高

在电力系统中，发生单相或两相不对称短路时，健全相的电压都要升高，其中单相对地短路时健全相的电压可能达到更高的数值。不对称短路往往是由于雷击引起。因此，应该考虑健全相上的避雷器动作后，必须能在不对称短路引起的工频电压升高下熄弧，所以单相对地短路时的电压升高是确定避雷器的灭弧电压的依据。在中性点直接接地的系统中，健全相的电压接近于1.73倍相电压；在中性点绝缘或经消弧线圈接地的系统中，健全相的电压可能稍许超过1.73倍相电压。

二、内部过电压

（一）操作过电压

电网中由于开关操作引起系统参数变化的电磁振荡暂态过程，是产生操作过电压的基本原因。与操作过电压有密切关系的有：系统接线、中性点接地方式、开关的性能等。

①切除空载线路时的过电压

切除空载线路是电网中最常见的操作之一。一条线路两端的开关分闸时间总是存在着一定的差异（一般约为0.01s～0.05s）所以无论是正常操作或事故操作，都有可能出现切除空载线路的情况，产生这种过电压的根本原因在于电弧重燃。大量统计表明，切除空载线路不仅幅值高（可达3Uxg以上），而且线路侧过电压持续时間可长达0.5～1个工频周期以上，且作用在全部线路上。其中，电网中性点的运行方式对切除空载线路过电压有很大的影响。

②切除空载变压器引起的过电压

切除空载变压器是电网中常见的一种操作形式。在正常运行的情况下，空载变压器表现为一个励磁电感L，因此切除空载变压器也既是切除电感负载。这种情况下产生的过电压的高低和截流值及变压器的特性阻抗有密切的关系。过电压由开关的熄弧性能决定。当开关熄弧能力不强时，由于开关中电弧的多次重燃，过电压的发展即受到开关中恢复绝缘强度的限制。在截流值一定时，可能发生的过电压将和被切除变压器的特性阻抗大约成正比。当变压器引线电容较大时，杂散电容C增大，过电压将大大降低。

③空载线路合闸时的过电压

当空载线路计划性合闸时，回路中发生高频振荡过程，由于振荡频率很高，可以认为在振荡初期电源电压为恒定值，不难求得，线路上的电压最大值Umax=2Em，当考虑回路中存在损耗时，实际振荡过程中电压要比2E m低。

自动重合闸是线路发生故障后，由继电保护系统控制的合闸操作，重合闸过电压是合闸过电压中较为严重的情况。在过渡过程中最大电压将为-2.91～-2.98Em。

④电弧接地过电压

在中性点绝缘的电网中发生单相金属接地时，将会引起健全相的电压升高到线电压，如果单相接地为不稳定的电弧接地，则在电网健全相和故障相上将会产生很高的过电压，一般我们称为电弧接地过电压。这种过电压波及面比较广，单相不稳定电弧接地故障在系统中出现的机会又很多，且一旦发生，持续时间极长，因为在中性点绝缘的系统中允许带单相接地运行的时间为（0.5～2）小时，因此，电弧接地过电压对中性点绝缘系统的危害性是不容忽视的。

（二）谐振过电压

电力系统中具有许多铁芯电感元件，满足一定的条件，就可能激发起持续时间较长的铁磁谐振过电压。

铁磁谐振过电压，可能是基波谐振，可能是高次谐波谐振，也可能是分次谐波谐振。比较常见的中性点不接地系统中发生铁磁谐振过电压的情况有：变压器接有电磁式电压互感器的空载母线或空载短线；配电变压器高压线圈对地短路；用电磁式电压互感器在高压侧进行双电源定相；输电线路一相断线后一端接地以及开关非同步动作等。

铁磁谐振过电压可以在3～500KV的任何系统中甚至在有载长线的情况下发生，过电压幅值一般不超过1.5～2.5Uxg，个别可达3.5Uxg，谐振过电压持续时间长，可达十分之几秒以上，可能长期存在，所以不能用避雷器限制。

铁磁谐振过电压的表现形式可以是单相、两相或三相对地电压升高，或以低频摆动，引起绝缘闪络或避雷器爆炸；或产生高值零序电压分量，出现不正确的接地指示和虚幻接地现象；或在互感器中出现过电流，造成熔断器熔断或烧毁互感器；或使异步小容量电动机发生反转现象。

三、限制过电压的措施

（一）限制工频过电压的措施

工频过电压是由于甩负荷、长线路电容效应和单相接地故障等原因产生的。其幅值取决于系统的线路长度、短路容量及变压器的饱和特性。采用并联电抗器是限制工频过电压的主要措施，同时发电机应配置性能良好的调压装置或励磁调节器，使发电机突然甩负荷时能抑制容性电流对发电机的助磁电枢反应，另外发电机的调速系统应是反应灵敏的，使得突然甩负荷时，该装置能及时发生动作来限制发电机转速上升。在330KV及以上超高压输电线路上的适当地点加装并联电抗器，以消耗超高压线路产生的过剩的充电无功功率；超高压线路充电前，应将充电端电压调整到规定值以内，防止充电后，末端电压过高；超高压线路充电时，尽量选择使线路在空充状态时，两端均带有并联电抗器的节点；超高压线路充电时，尽量选择短路容量较大的变电所作充电端，该节点应有足够的能力吸收空充线路的过剩无功，而不致使充电端电压因空充线路的投入而过高；尽量缩短超高压线路，特别是线路空载运行的时间。

（二）限制操作过电压的措施

（1）切除空载线路过电压限制措施

高压开关应选用熄弧能力强的。因为切断空载长线路产生过电压的根本原因由于开关灭弧能力不强，开关触头具有重燃现象的结果；使电网的中性点直接接地运行。在中性点直接接地的电网中，由于导线间的电容联系不大，各相基本上形成各自獨立的回路。而在中性点不接地或经消弧线圈接地时，三相开关动作的不同期，使在拉闸的过程中形成瞬间不对称电路，各相的电容之间就互相牵连影响，使能重燃过电压大大增加；系统容量增大时即母线电容增大时，可以降低过电压的倍数，尤其是母线侧过电压；线路上装有电抗器等设备时，由于电压升高后，阻抗降低的泄流作用，可使被切空载线路上出现较低的过电压；在开关触头的两端并联一定大小的电阻以便限制过电压；采用的磁吹避雷器容量足够大可限制切除空载线路产生的过电压。

（2）切除空载变压器的过电压限制措施

使用装有并联电阻的开关切除。因为用这种开关切除空载变压器时，变压器等值电容C两端的电荷可以通过并联电阻泄放；用性能良好的避雷器限制。因为切除空载变压器的过电压为持续时间甚短的高频振荡，对绝缘的作用与大气过电压相似，故可用避雷器来进行限制。

（三）限制铁磁谐振过电压的措施

在中性点位移电压超过一定值时，以零序电压继电器将电阻投入1min，然后再自动切除；在选择消弧线圈安装位置时，尽量避免电网的一部分失去消弧线圈运行的可能性；采取临时的倒闸措施，如投入事先规定的某些线路或设备等；或只使用电容式电压互感器或选用励磁特性较好的电磁式电压互感器；在电磁式电压互感器的开口三角形中，加装R≤0.4XT的电阻（XT为互感器在线电压下单相换算到辅助绕组的励磁电抗）。220KV母线充电可能产生谐振过电压，可采用先将准备充电的母线侧线路开关合上后（无压合）再由线路对侧合上开关，采用线路及母线同时充电的方式。另一措施为给母线充电前先切除PT，充电后再投入PT；用开关停母线时先切除PT，再拉开开关。

参考文献：

[1]周泽存.高电压技术[M].水利电力出版社，1988.

[2]于永源，杨绮雯.电力系统分析[M].中国电力出版社， 1996.

[3]范锡普.发电厂电气部分[M].水利电力出版社，1992.

[4]王世祯.电网调度运行技术[M].东北大学出版社，1997.