【电网知识汇】电力系统过电压

过电压这块在系统设计中比较重要，特别是500kV电压等级以上设计，但是由于专业性比较强，对其理解也是基于参与工程的过电压专题以及EMTP过电压计算的一个课题，对这块也做一个总结。

一、何谓过电压

所谓过电压，是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。研究各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。

过电压分两类，外过电压和内过电压。外过电压又称雷电过电压、大气过电压。由大气中的雷云对地面放电而引起的。内过电压是电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压，分为工频过电压、操作过电压和谐振过电压。个人涉及的一般都是内过电压分析，外过电压也会尝试稍作总结。

二、工频过电压

工频过电压指系统中由线路空载、不对称接地故障和甩负荷引起的的频率等于工频(50Hz)或接近工频的过电压。

主要是三类原因：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。其中1和3经常结合在一起造成过电压。

实际计算过程中，与线路长短、短路容量、有无并联电抗器、故障前负荷都有关系。为何讨论工频过电压?

直接影响操作过电压的幅值

持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安全运行(油纸绝缘局放、绝缘子污闪、电晕等)

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(母线侧1.3pu，线路侧1.4pu，时间一般为1min)

决定避雷器额定电压(灭弧电压)的重要依据(3、6、l0kV系统工频电压升高可达系统最高运行线电压的1.1倍，称为110%避雷器;35~60kV系统为100%避雷器;110、220kV系统为80%避雷器;330kV及以上系统，分为电站型避雷器(即80%避雷器)及线路型避雷器(即90%避雷器)两种)

工频过电压的幅值、持续时间与出现的机率对设备的影响及避雷器的选用应该说是非常重要的，但是现在广泛采用了不带间隙的氧化锌避雷器，由于有一定热容级，选择其额定电压时，工频过电压只是条件之一，不仅决定于工频过电压的幅值、而且决定于其持续时间，但由于我国这块持续时间与几率比较低(单相重合闸，一般不超过0.5S-1S)，所以工频过电压可能已不是选择氧化锌避雷器额定电压的关健条件。所以目前工频过电压的标准主要决定于设备承受能力，断路器切空载线路的性能等。

降低工频过电压的措施：

1)单机带长线，特别是单机容量相对较小时是造成工频过电压过高的最不利电网条件。一般工程中遇到这种情况会重点校核，并尽量避免这种情况。

2)经常保持发电机自动电压调节器投入运行，特别是采用快速励磁。

3)采用单相重合闸并确保继电保护及其选相性能的正确性(这块细化分析故障的话就比较费篇幅，就不展开)

4)装设高抗

5)采用良导体线(铝合金线、钢芯铝线、铝包钢线)作为架空地线，与钢铰线比，线路零序阻抗减少，从而可以降低工频过电压3%-8%。三、谐振过电压

谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。产生都与电网的运行状态、参数或与带铁心设备的磁回路有关。

1)超高压线路的平行谐振过电压。超高压线路一般装设了并联电抗器后，就要考虑平行谐振可能产生的过电压问题。所谓平行谐振，是指带电的线路部分通过空间电容耦合，对不带电的对地连接有电感(并联电抗器或变压器)的空线部分构成谐振的条件，而在空线上产生过电压。

这也适用于单回线非全相情况(单相故障时可能出现非全相谐振过电压)，而这种情况通常在工程设计中关注较多，一般我国500kV装设并联电抗器的线路都使用单相重合闸，然后在并联电抗器中性点加装小电抗(另一作用是防止潜供电流)，当然这需要校核高抗中性点侧的绝缘水平。

很多国外系统曾在500kV长线路上装设了中性点直接接地的高压并联电抗器，而又采用单相重合闸的情况，不但单相重合闸成功率极低，还发生过因断相引起谐振过电压而损坏设备的事故。

中性点小电抗原理：如在并联电杭器中性点加小电抗器，小电抗器的电抗值是按单相开后接近完全补偿相间耦合电容的条件决定的，因而其感抗值很大，不构成L,C串联回路;耦合到断开的空线的电压很低。

实际工程中平行谐振有判断的简单方法：即空线的并联电抗补偿度(百分比)与所连接电感的X0/X1的比值,这块内容比较多，就不展开了，主要是引出一个重要结论：就是过补偿也可能引起谐振，应该避免。

多回路的谐振和单回路原理差不多，只是情况复杂些。

2)谐波谐振过电压。也是主要存在于小机带长线情况(令人烦恼的工况)，由于这样结构方式的自然谐振频率较低，个别甚至低于工频，有可能因变压器的磁饱和或串补电容产生的谐波与之发生谐振。

工频过电压迫使变压器饱和，引起谐波，多发生于变压器特性不好，电网电压偏高的情况，这时变压器的励磁电流将大大增加(内含大量谐波电流)。

下图就是加拿大魁北克735kV电网甩电荷时磁饱和对过电压的影响。

可见在工频频率为颊定值60HZ时，变压器饱和降低了过电压。当频率上升到61.8HZ时，发生了5次谐波的谐振，靠近电源端的LEM变电站母线电压达1.72标么值，比处在空载线路末端的LAV变电所母线电压还高得多。

3)变压器谐振过电压

CIGRE曾经分析过此类过电压发生的几种原因：

近区故障。线路较长，但仅在距离变压器15km以内的线路处发生故障，特别是与变压器相连只有一回线，近处发生两相或三相故障时比较危险。

从短路容量大的母线处向短线路一变压器组充电。

切断变压器励磁涌流。好像国外这种事故有发生(特别是美国)，但国内好像没有过，也可能是过去有的变压器事故可能是谐振过电压造成，但由于没有从这方面分析，真实原因往往不清。但是，随着高电压、大容量变压器的发展，国外的事故经验值得吸取。为预防这种事故的措施也值得研究。比如尽可能改善保护变压器的避雷器性能，例如将带间隙的阀型避雷器改为氧化锌避雷器;对高电压、大容量变压器(包括升压和联络两个最高电压级的)尽可能不用分接头(美国所有因谐振过电压而损坏变压器的故障都与调整分接头有关);设计选型及整定变压器保护时应避免变压器充电励磁涌流而误动等等。

4)自励磁过电压

这点我记忆犹新，曾经某工程我漏算了这一项。

当发电机组仅带容性负荷，而容性负荷超过发电机的吸收能力时，将发生自励磁，发电机电压将失去控制，而按指数增大。

自励磁现象的出现，很大程度决定于电网的结构，当相对小容量的机组带相对高电压的空载长线路而又无电抗器补偿时(又是这种情况有木有)，其实在正常运行时，单机带长线的机率是很少的，但是在系统发生故障，特别同时出现甩负荷的情况下.有可能构成最不利的条件而发生自励磁。特别是水电站送出线路，水轮机组时上升的幅度较大。频率上升的结果是减少了容抗，而加大了感抗，所以更易发生自励磁。

防止自励磁的措施:

防止自励磁是电网设计内容之一。与500kV电网配合，一般应装设单机容量为500MW以上的机组，这样一般不易发生自励磁。如果直接接入500kV电网的机组容量过小，更应研究采取措施。

对可能引起自励磁的线路，装设高压并联电抗器。

装设反映过电压的继电保护。但在整定过电压倍数及时间时，必须考虑断路器在电压升高时切空载线路的性能。

四、操作过电压

由线路故障、空载线路投切、隔离开关操作空载母线、操作空载变压器或其它原因在系统中引起的相对地或相间瞬态过电压，利用高性能避雷器(也可能是合闸电阻，都有应用区域)可以防止操作过电压。

操作过电压是系统操作和故障时出现,特点是具有随机性,在最不利的情况下过电压倍数较高,330KV及以上超高压系统的绝缘水平取决于操作过电压。有以下情况：

切除空载线路时过电压的根源是电弧重燃及线路上的残余电压。(由于SF6断路器所以极少出现)

空载线路的合闸过电压是由于在合闸瞬间的暂态过程中,回路发生高频振荡造成的。

在中性点不接地的电网中发生单相金属接地将引起正常相的电压升高到线电压。如果单相通过间歇燃烧的电弧接地,在系统正常相合故障相都会产生过电压(称电弧接地过电压),其实质是高频振荡的过程。

售电实务(第六期)之打造核心盈利能力研讨 5月9日-11日

切除空载变压器引起的过电压。原因是当变压器空载电流突变时变压器绕组的磁场能量全转化为电场能量对变压器等值电容