变电站过电压在线监测及变压器绝缘状态安全分析.docx

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变电站过电压在线监测及变压器绝缘状态安全分析

题目：

变电站过电压在线监测及变压　　　　　　　　　　　　　　器绝缘状态安全分析

院系：

西南交通大学网络教育学院

专业：

电气工程及其自动化

姓名：

林晓

指导教师：

解绍锋

西南交通大学

网络教育学院

院系西南交通大学网络教育学院专业电气工程及其自动化

年级2013秋学号13927150姓名林晓

学习中心福建学习中心指导教师解绍锋

题目变电站过电压在线监测及变压器绝缘状态安全分析

指导教师

评语

是否同意答辩过程分（满分20）

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩委员会主任　（签章）

年月日

毕业设计任务书

班级2013秋学生姓名林晓学号13927150

发题日期：

年月日完成日期：

年月日

题目变电站过电压在线监测及变压器绝缘状态安全分析

题目类型：

工程设计√技术专题研究理论研究软硬件产品开发

一、设计任务及要求

1.过电压类型的统计和特点分析；

2.目前过电压在线监测装置性能比较；

3.变压器绝缘配合方法分析；

4.变压器寿命预测；

二、指导教师提供的设计资料

1.《电力系统过电压与绝缘配合》指导、参考资料；

三、要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域）

1.《电气绝缘与过电压》

2.变电站电气部分、变压器设计原理等教材。

四、设计进度安排

第一部分熟练课题，、整理课题（1周）

第二部分收集查找相关资料（2周）

第三部分编写设计提纲（3周）

第四部分根据提纲进行设计（4、5周）

第五部分毕业设计论文文档编写整理（6周）

评阅及答辩（1周）

指导教师：

年月日

学院审查意见：

审批人：

年月日

诚信承诺

一、本设计是本人独立完成；

二、本设计没有任何抄袭行为；

三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消

本人答辩资格。

　　　　　　　　　　　　　　　承诺人：

　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

摘要I

第1章绪论1

1.1引言1

1.2国内外过电压监测装置及安全分析的现状1

1.3本论文研究的主要内容2

第2章　过电压类型及特点分析3

2.1过电压类型综述3

2.2外部过电压4

2.2.1直击雷过电压4

2.2.2感应雷过电压4

2.2.3流动波过电压5

2.3内部过电压5

2.3.1工频电压升高5

2.3.2谐振过电压6

2.3.3操作过电压6

2.4小结8

第3章　过电压在线监测装置9

3.1概述9

3.2大电力系统电压等级变电站的过电压在线监测9

3.2.1故障录波装置概述10

3.2.2大电力系统过电压的在线监测系统10

3.3小电力系统及配电系统过电压在线监测装置11

3.4小结14

第4章　变压器绝缘配合及寿命预测15

4.1概述15

4.2惯用法15

4.3变压器绝缘状态分析与寿命的预测17

4.3.1概述17

4.3.2过电压对变压器寿命的影响18

4.3.3变压器寿命预测19

4.4　小结21

结论22

致谢23

参考文献24

摘要

随着电力系统不断发展及供电可靠性要求的不断提高，对电气设备各种性能指标的在线监测就越显得重要，而过电压的在线监测就是其中一个很重要的内容。

通过对电力系统暂态过电压的在线监测，可以反映电气设备的状况，分析过电压发生发展过程，对电网的影响提供可靠和准确的信息；还可为处理事故，提出改进措施提供重要参考依据。

同时，也为电器制造厂改进产品及研制新产品提供了实际有利的运行资料。

本文对大电力系统的过电压监测情况进行了整体地分析，并论述了在线监测装置将来的发展趋势。

在大电力系统中，过电压在线监测系统与传统的故障录波装置相比较不但有精度高，速度快等优点，而且还能监测到快速的雷电过电压。

电力系统的过电压分布情况决定了电气设备的绝缘水平，文章分析了各种原因对变压器绝缘寿命的影响，重点研究过电压对变压器寿命的影响，并粗略的估算出变压器剩余寿命公式，为电力系统安全运行提供科学依据。

最后，对本文的工作进行了总结和提出了下一步工作的展望。

关键词：

过电压，在线监测，剩余寿命

第1章绪论

1.1引言

电力系统运行的可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量，尽管停电原因很多，但绝缘的击穿是造成停电的主要原因之一。

因此电力系统运行的可靠性在很大程度上取决于设备的绝缘水平及工作状况。

电气设备的绝缘长期处于工作电压的作用下，在运行过程中，电压还可能升高而超过工作电压（即内过电压），其电源是系统中发电机的电动势，常见的原因是正常或事故操作会在系统中引起振荡过程或谐振现象。

除了内部过电压外，电气装置的绝缘还有可能受到雷电过电压的作用，其产生原因是雷击于电气装置或沿导线传播作用于电气装置。

因此在电力系统中对过电压的监测和分析有着极其重要的意义，它可分析过电压发生发展过程，对电网的影响提供可靠和准确的信息；还可为处理事故，提出改进措施提供重要参考依据。

同时，也为电器制造厂改进产品及研制新产品提供了实际有利的运行资料。

根据过电压的在线监测与统计分析，可以分析绝缘故障概率，再配合其他预防性试验判断设备的绝缘状况，做好预测及防护措施，力保变电站电力设备物绝缘安全，保证电力系统供电的可靠性。

1.2国内外过电压监测装置及安全分析的现状

目前国内外对过电压的研究做了不少工作，总的概括起来有以下几种方法：

一、实验室物理模拟研究

在实验室中根据过电压的产生机理以及实际的系统运行情况，来进行模拟。

目前在实验室中可以模拟雷电冲击过电压以及操作过电压等。

这种方法对过电压的研究做出了巨大的贡献。

但是这种方法也有它的局限性，因为实际情况是错综复杂的，对过电压的影响因素很多，同时有可能几种过电压交织在一起。

因此实验室模拟不可能完全真实的模拟现场过电压。

二、计算机仿真计算

计算机仿真就是根据电力系统情况来建造一个数学模型，在计算机上对此数学模型进行实验和研究，以达到对真实的过电压进行研究的目的。

这种方法能够克服实验室模拟的某些物理局限性，近年来得到广泛的发展，比如EMPT暂态过电压计算等软件，但是这种方法也不可能作到与真实情况完全一致。

三、在线监测

国内对过电压在线监测装置的研究和开发是20世纪90年代才开始的，但其发展速度较快，它克服了以上两种方法的局限性，可以监测到真实可靠的过电压波形。

然后通过RS232端口，将数据传输给计算机，然后通过软件系统，对过电压进行分析。

目前，国内类似的装置也有不少，其特点将在第三章详细论述。

在线监测技术有三要素：

信息采集、数据处理与分析、处理意见与决策，本课题就是着重从数据处理与分析方面来研究过电压规律及绝缘配合问题的。

因此，有很重要的现实意义。

1.3本论文研究的主要内容

本论文研究的主要内容就是对从电力系统现场收集过来的近半年的过电压数据进行分析，然后针对变电站中较重要的设备（如变压器）进行绝缘配合分析，并对变压器剩余寿命进行了粗略估算，为安全运行提供了科学的监测依据，具体为：

1、对现有过电压在线监测装置进行比较分析，可分为大电网及配电电网中所用的不同种类过电压在线监测装置，并论述了线监测装置将来的发展趋势。

2、分析各种原因对变压器绝缘寿命的影响，重点研究过电压对变压器寿命的影响，并粗略的估算出变压器剩余寿命公式，为电力系统安全运行提供科学依据。

第2章　过电压类型及特点分析

2.1过电压类型综述

过电压是电力系统在一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，其类型是多种多样的。

它的波形、电压幅值、持续时间以及产生原因都各不相同，但是就其产生根源来说，过电压分为外部过电压和内部过电压两大类型。

外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，由于大气中的雷云对地面放电而引起电网电压不正常升高。

雷电过电压的持续时间极短，约在50~80脚之间，最大雷电流的幅值达到20OAk以上，具有脉冲的特性，称为雷电冲击波。

当雷击输电线路或电气设备上时，会产生数百万伏以上的极高过电压，足以将所有的绝缘结构击穿损坏。

雷电过电压又可分为：

直击雷过电压、感应雷过电压和流动波过电压三种，雷电过电压的特点是，持续时间短，幅值大，危害性大。

内部过电压是电力系统内部的能量转化或传递引起的，由于内过电压的能量来自电网本身，所以，它的幅值和电网的工频相电压基本上成正比例，通常把过电压的幅值与电网该处最大运行相电压幅值的比值称为内过电压倍数。

由于产生的原因不同，内过电压可分为：

暂时过电压和操作过电压，其中暂时过电压又分为工频电压升高和谐振过电压，一般操作过电压的持续时间较短，而工频电压升高和谐振过电压的持续时间要长得多。

表2-1各过电压类型及相互关系

过电压

外部过电压（雷电过电压）

直击雷过电压

感应雷过电压

流动波过电压

内部过电压

暂时过电压

工频电压升高

空载长线路电容效应（费兰梯效应）

不对称短路接地

甩负荷

谐振过电压

线性谐振过电压

铁磁谐振过电压

参数谐振过电压

操作过电压

单相间歇电弧接地过电压

切断空载变压器过电压

切除空载线路过电压

空载线路合闸、重合闸过电压

解列过电压

2.2外部过电压

外部过电压又称大气过电压，主要是雷电过电压。

雷电是一种自然现象，是指雷云放电时所表现出的雷鸣电闪，即带电荷的雷云（雷电云）与大地之间或带异号电荷雷云之间的气体放电。

从雷电放电所造成的后果来讲，人们更关心雷云与大地之间的放电，这将对人、动物、建筑物、电气设备、通讯网络等造成的破坏很大，甚至造成巨大的经济损失。

雷电过电压分为直击雷过电压、感应雷过电压和流动波过电压。

2.2.1直击雷过电压

雷云直接对设备或导线放电引起的电网电压升高，叫做直击雷过电这类过电压幅值最高，危害性最大。

对直击雷过电压的防护一般采用避雷针或避雷线，我国运行经验表明，凡按规程要求正确装设避雷针、避雷线和接地装置的发电厂、变电站，绕击和反击的事故都非常低，每年每一百个变电站发生绕击或反击约为.03次，防雷效果是很可靠的。

2.2.2感应雷过电压

设备或导线附近（几米至几百米）发生雷云放电时，在设备或导线上由于静电感应而产生的短时过电压，叫做感应雷过电压，其幅值要比强雷时的直击雷过电压低得多，通常只对35kV及以下的线路具有危险性。

感应雷过电压包含静电感应和电磁感应两个分量。

感应过电压的静电分量和电磁分量都是在主放电过程中，由统一的电磁场的突变而同时产生的，由于主放电通道和导线差不多互相垂直，互感不大，电磁感应较弱，因此电磁感应分量要比静电感应分量小得多，故静电分量将起主要的作用。

2.2.3流动波过电压

线路的导线上受到雷电直击、反击或产生感应时，雷电波沿着导线向发电厂升压站或变电站传递，从而使变电站的设备上出现过电压，叫做流动波过电压。

对流动波过电压防护的主要措施是合理确定变电站内装设避雷器的类型、参数、数量和位置；同时在线路上采取辅助措施，来限制流过避雷器的雷电流和降低流动波陡度；变电站电气设备上过电压幅值限制在电气设备的雷电冲击耐受电压以下。

2.3内部过电压

在电力系统内部，由于断路器的操作或系统故障，使系统参数发生变化，由此发生的电力系统内部电磁能量转化或传递的过渡过程中出现过电压，这种过电压叫内部过电压。

系统参数变化的原因是多种多样的，因此内部过电压的幅值、振荡频率以及持续时间不尽相同。

通常可按产生原因将内部过电压分为操作过电压及暂时过电压。

操作过电压即电磁过渡过程中的过电压，而暂时过电压包括工频电压升高和谐振过电压。

若以其持续时间长短区分，一般持续时间在0.1秒（五个工频周期）以内的称为操作过电压，持续时间长的过电压则称为暂时过电压，它是在一定位置上的相对地或相间的过电压，具有一定的振荡频率，由于无阻尼或具有弱阻尼，因此持续时间较长。

2.3.1工频电压升高

在电力系统中，由于运行方式有时在操作或故障下突然改变而出现幅值超过最大运行相电压幅值、频率为工频或接近工频的过电压，称为工频电压升高。

几种常见的工频电压升高是：

空载长线路的电容效应引起的电压升高；不对称短路时正常相上的工频电压升高；甩负荷引起发电机加速而产生的电压升高等。

工频电压升高一般来说对系统中正常绝缘的电气设备是没有危险的，但伴着工频电压升高而同时发生的操作过电压会达到很高的幅值，在这种情况下，工频电压升高就直接影响操作过电压的数值。

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，它直接影响到避雷器的保护特性，影响到避雷器的安全可靠运行，对系统绝缘水平有重大影响。

由于工频电压升高的持续时间长，所以系统中采用并联电抗器或无功补偿装置等措施来加以限制。

2.3.2谐振过电压

电力系统中包括有许多电感和电容元件，电感元件有电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈以及线路导线等的电感；电容元件有线路导线的对地电容和相间电容、补偿用的串联和并联电容器组以及各种高压设备的寄生电容等。

在系统进行操作或发生故障时，这些电感和电容元件，可能形成各种不同的振荡回路，在电源作用下，产生谐振现象，引起谐振过电压。

谐振过电压不仅会在操作或发生故障的过程中产生，而且可能在过渡过程结束后的较长时间内稳定存在，直到发生新的操作，谐振条件受到破坏为止。

谐振过程不仅会产生过电压使电气设备的绝缘，产生持续的过电流而烧毁设备，而且还可能影响过电压保护装置的工作条件，如影响阀型避雷器的灭弧条件。

对谐振过电压的根本防护措施是设法改变电路参数，以避开谐振条件。

2.3.3操作过电压

操作过电压是由于“操作”引起电网中产生的电压升高。

“操作”使系统的运行状态发生突然变化，导致系统内部电感元件和电容元件之间电磁能量的相互转换，这个转换常常是强阻尼的、振荡性的过渡过程。

因此操作过电压不同于工频电压升高和谐振过电压，它具有幅值高、存在高频振荡、强阻尼以及持续时间短等特点，一般地，它的持续时间约在250~2500s之间。

在中性点直接接地系统中，常见的操作过电压有单相间歇电弧接地过电压、空载变压器分闸过电压、空载线路合闸过电压、空载线路分闸过电压和解列过电压等。

主要防护措施有：

线路上装设并联电抗器、采用带有并联电阻的断路器以及磁吹阀型或金属氧化物避雷器（MOA）等。

在中性点非直接接地系统中，主要是弧光接地过电压，其防护措施是使系统中性点经消弧线圈接地。

2.3.3.1单相间歇电弧接地过电压

电力系统中大多数对地短路均伴有电弧的发生。

在中性点接地的电网中，接地短路电流很大，可危及电气设备，因此继电保护将立即使断路器跳闸。

而在中性点绝缘或经消弧线圈接地的电网中，接地短路电流对输电设备不构成危险，因此不需要立刻跳闸，发生的电弧可能存在相当长的时间。

当中性点不接地电网中发生单相接地故障时，如果单相接地电流较大，接地点的电弧不能自动熄灭，电流值又不至于大到形成稳定电弧的程度（几百安培），这时将会出现接地电弧时燃时灭的不稳定状态，这种间歇性电弧将导致系统中电感电容间的电磁振荡过程，造成间歇电弧接地过电压。

2.3.3.2切断空载变压器过电压

系统中利用断路器切除空载变压器、并联电抗器及电动机等都是常见的操作方式，它们属于切断感性小电流的情况。

当用断路器开断感性负荷时，当流过感性负荷的电流在达到自然零值之前被断路器强行切断，电弧熄灭，这就是截流现象。

由于电流被截断，从而使储存在电感中的磁场能量转为电场能量而导致电压的升高，这称为截流过电压。

如果截流过电压作用在断路器的触头上，由于此时触头间距很小，因而容易被击穿，即发生复燃。

在复燃的过程中将产生高频振荡，产生高频振荡过电压。

这两种过电压都称为空载变压器分闸过电压。

在实际情况中，这两种电压往往交织在一起，对电力系统中的绝缘产生危害。

2.3.3.3空载线路合闸、重合闸过电压

空载线路的合闸有两种情况，即正常合闸和自动重合闸。

就合闸空载线路所引起的合闸过电压可达到的最大值而言，重合闸时要高于正常合闸时。

合闸前线路上不存在接地故障和残余电荷，合闸后，线路各点电压由零值过渡到由电容效应决定的工频稳态电压，并出现振荡过电压，由于长线路的分布参数特性，过电压将由工频稳态分量和无限个迅速衰减的分量叠加组成，过电压系数一般小于2，通常为1.65一1.85。

自动重合闸是线路发生故障跳闸后，由自动装置控制而进行的合闸操作，在断路器重合前，线路上的残余电荷将通过线路泄漏电阻入地，使线路残余电压有所下降，残余电压下降的速度与线路绝缘污秽情况、气候条件有关。

限制过电压的措施主要从以下方面入手：

1、采用带有并联电阻的断路器

2、选相（位）合闸

3、采用单相自动重合闸

4、装氧化锌避雷器作为后备保护措施，以避免避雷器的频繁动作。

2.3.3.4切除空载线路过电压

切除空载线路过电压产生的原因是断路器分闸过程中的重燃现象。

在分闸初期，由于断路器（特别是油断路器）触头间恢复电压上升速度可能超过介质恢复强度的上升速度，造成电弧重燃现象，从而引起电磁振荡，出现过电压。

影响过电压的因素有：

（1）断路器的灭弧性能及电弧燃灭过程的随机性；

（2）线路侧的损耗因素；（3）中性点接地方式。

在系统中限制此过电压的主要措施：

（1）采用灭弧性能强的断路器；

（2）采用带分闸电阻的断路器；（3）采用氧化锌避雷器限制；（4）采取合理的操作方式，使有利因素（如多条出线运行等）发挥作用。

2.3.3.5解列过电压

在多电源供电的系统中，由于某些原因而失去稳定时，线路两侧电源的电动势将产生相对摆动（即所谓失步）。

为避免扩大事故而使系统解列时，可能在单端供电的空载线路上出现解列过电压。

通常，多端供电的系统正常运行时，线路两侧电源电动势之间按负荷大小总是有一定的相角差，当系统失步时，这个相角差可能很大，可以是0~180º范围的任意数值。

如果在相角差接近180º时系统解列，可能引起高幅值的过电压。

如果线路上有单相永久性故障，单相重合闸不成功，线路的一侧三相解列跳闸，这时不但两侧电源的相角差较大，而且线路上还带有接地故障，计及线路的电容效应和不对称效应，健全相上的解列过电压将会很高。

2.4小结

本章对电力系统中存在两大类过电压进行了介绍，内过电压主要是由电力系统内部的能量转化或传递引起的：

外过电压主要是由雷云放电引起的电网电压不正常升高，并详细阐述了各种内外过电压的产生机理、电压幅值、持续时间、危害性和预防措施等。

第3章　过电压在线监测装置

3.1概述

中华人民共和国国家标准GB/T18481一2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》和电力行业标准DL/T620一1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中明确指出：

为监测系统运行中出现的工频电压升高、谐振过电压和操作过电压，宜在变电站安装过电压波形或幅值的自动记录装置，并妥为收集实测结果。

国内对过电压在线监测装置的研究和开发是20世纪90年代初才开始的，但其发展速度较快。

在我国国家标准中规定了额定电压等级，如表3-1所示，不同的额定电压等级出现过电压的种类也各有不同，考虑过电压的重点也不同。

下面将分别介绍电力系统中，不同额定工作电压下的变电站在过电压在线监测装置。

主要从电力系统中大电力系统电压等级500、330、220、110kV和配电系统电压等级35、10、6kV两种情况加以阐述。

表3-1电力系统的额定工作电压

系统级别

大电力系统高压、超高压（kV）

配电电压（kV）

额定电压

500

330

220

110

35

10

6

3.2大电力系统电压等级变电站的过电压在线监测

目前，在高压及超高压电网中，变电站过电压的在线监测装置主要有两种方式：

1、采用故障录波装置，2、采用专门的过电压在线监测装置。

故障录波装置与过电压在线监测装置的不同之处如表3-2所示：

表3-2故障录波装置与在线监测装置对比表

设备

故障录波装置

过电压在线监测装置

线性范围

故障录波装置采用普通保护用电互感器线性范围3倍以内有效。

过电压监测产品采用电容分压法，使用专业分压器，动态性能好，线性范围6倍额定电压按比例。

反应速度不同

普通电压互感器接故障录波装置的反应速度为毫秒级。

过电压监测产品采用专业电容式设计，使用专业分压器可传输纳秒级过电压脉冲波，比电压互感器反应速度快1000倍。

采样速度不同

故障录波装置的采样速率在20kHz。

过电压监测产品采样速率为200MHz

启动方式不同

故障录波装置的启动方式可根据据主要根据开关事故跳闸、过电流、过电压或欠电压启动。

过电压监测产品主要根据过电压或欠电压为启动依据，专注电压质量方面更加专业化。

3.2.1故障录波装置概述

故障录波装置主要用于110kV一500kV不同等级的超高压电力系统的录波，自动采集、存贮电力系统故障信息、继电保护装置、开关等动作行为：

并计算出电压电流的有效值，打印电压电流的波形、开关量动作顺序、发生故障时间及故障类型的信息简表和参数设定一览表。

对电气量进行录波和分析，记录故障和异常运行的变化过程，再现故障和异常运行的电气量变化过程，作为分析电力系统故障原因和查找故障点的主要依据。

国产的故障录波装置有很多种，具有代表性的以下几家：

1、哈尔滨瑞雷电气公司生产的WGL一6微机故障录波分析装置主要用于

1IOkV一500kV不同等级的超高压电力系统的录波、自动采集、存贮和分析

电力系统故障信息。

2、南京中德保护控制系统有限公司的NSRZoo故障录波装置，适用于220kV及以上电压等级的大型变电站。

当然还有很多家，如武汉高特威电力设备公司的GTWZoo1CF发变组微机故障录波分析装置等。

3.2.2大电力系统过电压的在线监测系统

以四川电力研究院研制的TRZ000过电压在线监测装置为例，它取用电容式电压互感器上的电压信号，然后经过隔离传感器、多路开关、数据采集器、通信接口和后台机等组成，其系统原理框图如图3.1所示：

图3-1系统工作原理框图

TRZ《XX）过电压监测装置接在系统中高压母线下的电容式电压互感器CVT输出端上，由隔离传感器对电压信号进行高速、高精度的隔离变换后，送至多路开关，经多路开关选通的某路电压信号进入数据采集卡。

由数据采集卡对输入的电压模拟量进行川D转换，并将数据存入RAM的循环区中，然后再利用软件或硬件来监视判断是否出现过电压信号。

一旦出现过电压信号，循环存储器RAM的地址计数器从预置地址开始计数，将故障前后的电压信号“有效存储”，并通过通信接口送入后台机，由后台机把各路电压数据存盘记录并“还原”成波形显示在屏幕上，且计算出过电压的峰值等参数；通过傅立叶变换，显示各路电压的频谱特性：

或利用软件对数据进行计算、分析、保存等操作，实现智能化管理。

3.2.2.1电容式电压互感器

电容式电压互感器（简称VCT），1970年研制出国产第一台330kVCVT，1980年和1985年研制出第一代和第二代500kV的CVT，1990年和1995年研制出第三代和第四代50k0V的VCT。

CvT与以往的电磁式电压互感器相比，主要有以下特点：

1、耐电强度高，绝缘裕度大，运行可靠。

2、能可靠地阻尼铁磁谐振。

成功采用新型阻尼器，每一台CVT均能在从低到高的任何电压下有效阻尼各种