第十一章 电力系统暂时过电压
概述
电力系统暂时过电压是电力系统内部过电压的一种。
在电力系统中，由于断路器操作、故障或其他原因，使系统参数发生变化，引起系统内部电磁能量的振荡转化或传递所造成的电压升高，称为电力系统内部过电压。
内部过电压的能量来源于系统本身，所以其幅值与系统标称电压成正比。一般将内部过电压幅值与系统最高运行相电压幅值之比，称为内部过电压倍数Kn，表征过电压的高低。Kn值与系统结构、中性点运行方式、各组成元件的性能参数、故障性质及操作过程等因素有关，并具有明显的统计性。
操作过电压
电力系统内部过电压 工频过电压
暂时过电压 线性谐振 谐振过电压 非线性谐振 参数谐振
11.1 工频过电压
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、频率为工频或接近工频的电压升高，统称工频电压升高或称工频过电压。这种过电压对系统正常绝缘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，起着重要作用，主要有以下原因：
（1）工频电压升高将直接影响操作过电压的幅值。 （2）工频电压升高将影响保护电器的工作条件和效果。
（3）工频电压升高持续时间长，对设备绝缘及其运行性能有重大的影响，如油纸绝缘内部游离、污秽绝缘子闪络、铁芯过热、电晕及其干扰等。
在我国超高压系统中，要求线路侧工频过电压不大于最高运行相电压的1.4倍，母线侧不大于1.3倍。
下面分析产生工频过电压的物理过程及可采取的限制措施。
由于空载线路的工频容抗XC大于工频感抗XL，在电源电动势E的作用下，一、空载长线路电容效应引起的工频过电压
线路中通过的电容电流在感抗上的压降UL将使容抗上的电压UC高于电源电动势，UC?E?UL。即空载线路上的电压高于电源电压，这就是空载线路的电感—电容效应（简称电容效应）引起的工频过电压。
影响因素：线路长度 系统电抗XS 限制工频过电压的措施：
（1）在超高压系统中，通常采用并联电抗器补偿线路电容电流，削弱线路的电容效应。
（2）单电源供电系统，减少线路长度，限制XS。
（3）对双电源供电线路，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。
二、不对称接地引起的工频过电压
不对称接地短路是输电线路最常见的故障形式。发生故障时，由于相间的电磁耦合，可能使全相工频电压有所升高。统计表明，在不对称接地中，以单相接地时非故障相的电压升高最为严重。另外，单相接地时的工频电压升高值是确定阀式避雷器额定电压的依据，故在此只讨论单相接地故障。
单相接地时，故障点三相电流和电压是不对称的，为计算非故障相电压升高较方便，可采用对称分量法，通过序网络进行分析。
在中性点不接地系统中，X0是线路对地容抗，其值很大，而X1是感抗，所以k必为负值。当线路长度在250km以内，相应的k<－20，??1.13，即非故障相对地电压会升高接近运行电压Ue的1.1倍，故我国6~10kV电网中避雷器额定电压大于1.1Ue
对中性点经消弧线圈接地的系统，不论是欠补偿或是过补偿，总有k→-?或k→?，故?→3，避雷器额定电压大于Ue。
中性点宣接接地或经低阻抗接地系统的X0是感抗，因此k值是正的。110~220kV中性点直接接地系统，通常k<3，??0.723，避雷器额定电压大于（0.75~0.8）Ue。对超高压系统，长度在200km以上的线路常装有并联电抗器，k?3，考虑到长线电容效应，电站型避雷器额定电压大于0.8Ue，线路型大于
0.9Ue。
三、甩负荷引起的工频过电压
电力系统运行时，某种故障会使系统电源突然失去负荷。例如，图11－l－10所示线路末端断路器QF突然开断，发电机--变压器只带空载线路，此时将出现工频过电压。
图11－l－10 运行系统及向量图
11.2 线性谐振过电压
谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等干外加强迫频率的一种稳态（或准稳态）现象。在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐波幅值会急剧上升。
电感元件：发电机、变压器、电抗器、消弧线圈、电磁式电压互感器、导线
电感等；
电容元件：补偿电容器、高压设备杂散电容、导线对地电容、相间电容等。 在正常运行时，这些元件的参数不会形成串联谐振，但当发生故障或操作时，系统中某些回路被割裂、重新组合而构成各种振荡回路，在一定的能源作用下将产生串联谐振，导致严重的谐振过电压。
谐振过电压持续时间比操作过电压长得多，甚至是稳定存在，直到破坏谐振条件为止。但某些情况下，谐振发生一段时间后会自动消失，不能自保持。
危害性既决定于其幅值大小，也决定于持续时间长短。谐振过电压会危及电气设备的绝缘；也可能因持续过电流烧毁小容量的电感元件设备；谐振过电压的持续性质还给选择过电压保护措施造成困难。
单频线性电路谐振条件为：
一、超高压补偿线路不对称切合引起的工频谐振
超高压输电线路通常接有并联电抗器，当操作线路出现不对称切合时，合闸相对开断相的相间电容与开断相的对地电抗会组成串联谐振回路，可能产生线性
谐振过电压。
单相开断时产生谐振的条件是
同理，可推得两相开断时谐振条件是
限制谐振的发生，则需破坏其谐振条件，简便的方法是人为地采取补偿措施，使线路相间参数呈开路状态，即使开断相的电压为零。
阻止谐振的条件是
措施：电抗器中性点经小电抗Xn接地.
小电抗是二次补偿；在两相开断时，小电抗仍然起到相间隔离的作用。
图11-2-4 小电抗的接入 二、消弧线圈补偿网络的工频谐振
图11-2-6 单相接地及向量图
10kV线路的Ig＜30A、35KV线路的Ig＜10A 帆时，单相接地电弧能自动熄灭，而超过此值后，易重燃，产生间歇性电弧接地，出现过电压。
为控制Ig小于一定值，在中性点N对地接一带气隙的铁芯电感L。 残流：
消弧线圈的脱谐度：
欠补偿：Ig>IL 接地电容电流大于补偿电流（电感电流）??0,?0?? 过补偿：Ig 全补偿：Ig=IL??0,?0?? 无补偿：IL=0，Ig=Ij，??1 消弧线圈的两大功能（电弧自熄的必要条件）： a. 补偿电容电流限制残流； b. 延缓故障相恢复电压上升速度。 通常，补偿网络调整在过补偿状态，脱谐度??0，网络对地容抗大于感抗。当网络发生不对称断线故障时，则对地电容会更大，不会使网络趋于谐振状态。反之，若采用欠补偿运行，则有可能使网络进入谐振状态，使中性点及各点对地均出现较高的工频线性谐振过电压。 11．3 非线性谐振过电压 非线性谐振（铁磁谐振）是指发生在含有非线性电感（如铁心电感元件）的串联振荡回路中的谐振。它有与线性谐振很不同的特点。 由于谐振回路总的铁心电感会因磁饱和程度不同而相应有不同的电感量，所以非线性振荡回路的自振角频率也不是固定的。研究表明，在不同的条件作用下，非线性振荡回路可产生三种谐振状态：基波谐振、高次谐波谐振和分次谐波谐振。 现通过基波谐振的分析，了解非线性谐振的基本特性。如图11-3-1所示为最简单的非线性振荡电路，E为工频电源电动势；电阻R、电容C、均为线性元件；L为铁心电感，是非线性元件。 图11-3-1 非线性谐振回路 先令R=0，对图11-3-1所示电路有E?UL?UC，因UL和UC反相，所以有 ???△U=|Uc?UL|；E?△U （11-3-1） 在图11-3-2（a）中画出电容C的伏安特性，这是一根斜率为Xc的直线。同时，也画出非线性电感L的伏安特性，此特性曲线的起始段是一斜直线，其斜率为起始电抗XL0，随电压电流的增大，特性曲线将弯曲，这是因为铁心饱和而使感抗减小。根据式（11-3-1）可在途中作出△U=|UC?UL|的伏安特性曲线，并知满足E?△U的有三个工作点（a、b、c），这也说明非线性电路的解答具有多值性质。
第十一章 电力系统暂时过电压
