交流电气装置的过电压保护及绝缘配合Word格式文档下载.doc
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---影响一次设备的制造水平，造价，进而影响电力系统的建设投资：
如,影响断路器的开断能力，影响变压器等的动,热稳定性;
---影响继电保护方式的选择性，影响故障的复杂程度, 影响电力系统的电磁暂态、机电暂态的发展和系统稳定，影响电力系统的运行费用；
---影响二次系统，包括对继电保护,通讯,铁路信号,自动化等的电磁干扰；
---影响电力系统非对称接地故障引起的工频过电压,进而影响电力系统的操作过电压水平和绝缘水平.
目前,我国电力系统中性点接地方式有:
1.有效接地方式（3.1.1）：
（此处括号内数字为DL/T620相应条款，以下雷同。
）
有效接地方式，即系统在各种条件下应该使零序与正序电抗之比α=X0/X1为正值并且不大于3，而其零序电阻与正序电抗之比R0/X1为正值并且不大于1。
接地故障系数（K=故障时健全相工频电压/故障前工频相电压）不超过1.4，接地故障系数K乘以最大运行相电压为工频过电压。
由于这种接地方式的过电压水平和绝缘水平相对比较低，我国110-500kV系统中性点均采用有效接地方式.
110和220kV变压器中性点在系统规模不大时，一般采用直接接地方式。
但当系统发展、电源容量较大时，过小的零序电抗将会导致单相短路电流大于三相短路电流，给运行带来诸多问题.。
为了提高零序阻抗，减少短路电流，我国东北220kV系统采用了将部分变压器中性点不接地的措施。
110kV、220kV变压器中性点采用分级绝缘,绝缘水平仅为线端绝缘水平的一半,这就出现了中性点过电压保护的问题。
当操作变压器的断路器出现非全相时，可能出现系统中性点局部失地,甚至会引起谐振过电压,导致中性点避雷器爆炸。
后来，专门又在该避雷器旁并联接入一个保护用棒间隙。
这就使得保护和运行维护很复杂.
本标准对超高压系统专门规定其变压器中性点不得不接地运行。
然而，超高压变压器，当系统规模发展扩大后，也会出现类似问题。
是仿照220kV模式？
还是寻求新的解决办法？
葛洲坝水电站500kV升压站主变共7台，每台中性点均接地时，短路电流巨大。
经过研究分析论证，最后采用了每台变压器中性点经电抗值为变压器零序电抗1/3的接地电抗器接地的措施。
这样，两台变压器运行时，总零序电抗与原来中性点仅一台接地和另一台不接地是相同的。
这样作的优点是降低变压器中性点的绝缘水平（由不接地时的220kV电压级水平，降至60kV电压级水平）、避免了中性点不接地时的诸多缺点。
最重要的是，较之部分接地方式在发生接地故障时，流过变压器的短路电流减少一半。
这对减轻短路电流电动力对变压器绕组的损害，有重大作用。
2．不接地方式：
我国3-66kV配电系统当接地故障电容电流不大时，可采用中性点不接地方式。
虽然这种接地方式时的过电压水平和绝缘水平相对比较高，但对电压等级比较低的3-66kV配电系统，其技术经济影响并不大；
而优点是属小电流接地系统，发生单相接地时，系统仍可向用户供电。
它的敝病是当接地故障电容电流较大时，因电弧的延伸可能波及到结构紧凑的户内开关柜的邻相，从而造成相间短路跳闸。
其次电流较小时有可能引起间歇性弧光接地过电压，导致异地异相设备绝缘损坏。
最后还易出现电磁型电压互感器饱和导致的谐振以及电压互感器熔丝熔断等。
正是基于此种运行经验，本标准，对原规程中不接地系统接地故障电容电流的阈值对10kV系统由30A降低至10A。
其原因是：
国内现场试验表明10kV变电站支柱绝缘子在12A电流时已不能灭弧、国外标淮也作了相应修订。
3．消弧线圈接地方式：
为了克服不接地系统的缺陷，对3-66kV等级当接地故障电流大于下列阈值时，应采用消弧线圈接地方式：
10kV钢筋混凝土电杆或金属杆塔的架空线路10A
35-66kV10A。
使用消弧线圈接地方式，应注意的问题：
------保证变压器中性点长期电压位移<
15%相电压;
------采用过补偿，脱谐度<
10%;
------保证单相接地时的残流<
10A,满足自熄条件。
4．电阻接地方式：
低电阻（3.1.4）和高电阻（3.1.5）接地方式的区分原则，在于前者发生接地后立即跳闸。
而后者发生接地后不立即跳闸。
低电阻接地系统，主要应用于3-35kV电缆为主、电容电流较大而又不宜采用电感补偿的系统。
电阻值选择应使单相接地电流控制在100-1000A。
此系统的优点是可实现简单可靠的继电保护、瞬态过电压不超过2.5倍以及不再有谐振过电压发生。
电缆绝缘水平可比不接地系统低一级，从而可以降低造价。
高电阻接地系统，主要应用于电容电流较小、易出现电磁型电压互感器饱和导致的谐振以及电压互感器熔丝熔断等的6-10kV配电系统或厂用电系统，单相接地后不立即跳闸。
此系统的优点是瞬态过电压不超过2.5倍以及不再有谐振过电压以及电压互感器熔丝熔断发生。
5．具有发电机的系统接地方式：
---不接地方式：
注意不接地时接地故障电容电流的阈值及修订的原因；
---消弧线圈接地方式：
注意接地故障残余电流的阈值；
---电阻接地方式：
随着大容量、高电压机组和制造技术的引进，该种发电机不允许机内带接地运行。
通常在发电机中性点上安装变压器，在其低压绕组加装电阻器，机内出现故障时，立即切机。
三，暂时过电压及其限制：
正常或故障时，系统中出现较长时间大于最高运行电压，其频率为工频或接近工频的工频电压升高。
暂时过电压的特性由其幅值，电压波形和持续时间确定。
过电压可能是无阻尼的或弱阻尼的。
在某些情况下，其频率可能比工频低数倍或高数倍。
在过电压持续时间内，其幅值和波形可能会产生变化。
就绝缘配合的目的而言，代表性暂时过电压波形可视为标准的短时一分钟（1min）工频电压。
暂时过电压起源于故障、操作（甩负荷）、长线电容效应，谐振条件，非线性铁磁谐振或它们的组合。
一般而言，工频过电压幅值不大，对绝缘影响也不大。
然而，
---操作过电压是在此基础上发展起来的；
---它会引起变压器等的磁饱和，造成铁芯过热；
---它会影响MOA的运行条件，影响避雷器额定电压的选择，影响避雷器工频过电压耐受能力，影响到避雷器的保护水平，进而影响到设备绝缘水平的选择。
1．工频过电压及其限制
（1），非对称接地故障引起的工频过电压:
这种过电压发生于系统的大部分，因电力系统接地方式和故障点的位置有关。
其持续时间与故障持续时间（由继电保护的整定时间决定，直到故障清除）相对应：
对于中性点有效接地系统，通常小于1秒；
对于中性点经消弧线圈接地，且具有故障清除系统中，通常小于10秒；
在无故障清除系统中，持续时间会几个小时。
单相接地故障系数K：
，（）；
对于中性点有效接地系统，若α=X0/X1（零序电抗和正序电抗之比）在0和+3之间，R0/X1（零序电阻和正序电抗之比）在0和+1之间则避雷器安装点的接地故障系数K不超过1.4，接地故障系数K乘以最大运行相电压为工频过电压。
对于110--500kV中性点有效接地系统，避雷器额定电压一般取等于或大于80%系统最大运行线电压。
对于中性点不接地系统，若X0/X1在-26和之间，则避雷器安装点的接地故障系数K大于1.73。
我国66kV及以下为中性点不接地系统，避雷器额定电压一般取等于或大于110%系统最大运行线电压.（对MOA，由于这种中性点不接地系统可能发生弧光接地或谐振过电压，避雷器的工频过电压耐受能力要求高，所以避雷器的额定电压要比此值高）。
对于中性点经消弧线圈接地系统，若X0/X1，则避雷器安装点的接地故障系数K=1.73。
我国66kV及以下有中性点经消弧线圈接地系统，避雷器额定电压一般取等于110%系统最大运行线电压.
图1单相故障接地时非故障相的工频过电压
（2），甩负荷引起的工频过电压:
负荷脱离之后，在被操作断路器的电源侧电压要升高。
过电压幅值取决于系统短路容量和脱离的负荷。
在发电机-变压器甩全负荷之后，暂时过电压有很高的幅值。
甩负荷过电压幅值在持续过程中不是恒定值。
甩负荷后，发电机处于暂态过程：
：
暂态时，发电机的磁链不能突变，因此，甩负荷后应维持暂态电压不变。
甩负荷前，输送功率越大（感性无功大），越大，甩负荷后，母线电压越高。
：
发电机励磁自动电压调整系统发生作用（稳态）；
――― 原动机的调速和制动系统惰性大，空载后，发电机飞速，暂态电势 和频率增大；
―――线路断路器断开，有长线电容效应；
* 在中型规模系统中，甩负荷过电压幅值通常小于1.2p.u.，
过电压持续时间取决于电压调控系统的操作，可能会达几分钟；
* 对于发电机-变压器甩负荷，
汽轮发电机时暂时过电压通常小于1.4p.u.，
水轮发电机可达1.5p.u.，持续时间约3秒。
（3），空载长线末端电压升高-长线电容（Ferranti）效应:
*空载长线
其中：
---末端电压；
---首端电压；
---相位系数；
---线路长度。
300KM：
K=1.05；
500KM：
K=1.15；
1000KM：
K=2.0。
*空载长线，K会更高。
还应考虑其它原因引起的工频过电压：
------谐振作用和平行回路的感应；
------甩负荷、投变压器或电容器组引起的谐波谐振和变压器饱和等。
（4），工频过电压允许水平：
“规程”规定:
35、66kV系统工频过电压，一般为1.73倍；
10kV不接地系统工频过电压为1.1×
1.73倍；
10Kv低电阻接地系统工频过电压为1.73倍；
110、220kV系统工频过电压一般为1.3倍，通常不必采取特殊措施加以限制。
但此种系统中的局部失地、且有接地故障时相应的工频过电压可达到1.73倍。
对此需采用特殊措施；
330、500kV系统工频过电压的控制值：
变电所线路断路器的变电所侧1.3倍；
变电所线路断路器的线路侧1.4倍。
（5），工频过电压限制措施：
---高压并联电抗器；
---良导体避雷线；
---合理改善无功平衡，减少无功流动；
---控制操作顺序：
电源容量大一侧先合后分。
---长线中间加开关站；
2.谐振过电压及限制：
电力系统中存在着很多电感元件和电容元件，当系统进行操作或发生故障时，可形成各种振荡回路，在一定能源作用下，会产生谐振现象，导致某些部分出现严重的谐振过电压。
谐振过电压的持续时间可以很长，直到谐振条件破坏为止。
由于电感元件特性不同，谐振有三种类型：
------线性谐振过电压：
------非线性铁磁谐振过电压：
------参数谐振过电压。
（1），线性谐振过电压：
线性谐振过电压由线性参数引起。
系统中不带铁芯（如，变压器漏感）或铁芯不饱和的电感元件（如，消弧线圈，电抗器）和系统中的电容元件构成的振荡回路，其自振频率与电源相同或接近时，可能产生线性谐振。
如，330、500kV超高压系统中非全相操作时，电源通过非断开相与断开相之间的电容与高压并联电抗器的电抗形成串联谐振电路。
（4.1.3）
当并联补偿度90%时，一相断开，可能发生谐振；
当并联补偿度80%时，两相断开，可能发生谐振。
由于这种谐振因传递电压和潜供电流得以维持，所以限制该种谐振过电压的对策是在高压并联电抗器的中性点上再加一接地小电抗器，后者相当于在线间加装了电抗器。
从而破坏了谐振条件。
（2），非线性铁磁谐振过电压：
非线性铁磁谐振过电压由非线性参数引起。
系统中铁芯易饱和的电感元件（如，变压器，电磁型电压互感器）和系统中的电容元件构成的振荡回路，在满足一定谐振条件时，可能产生与电源频率相等或高次，分次频的非线性铁磁谐振。
图2非线性铁磁谐振电路及其特性曲线
非线性谐振条件：
――― 参数条件：
含有非线性电感元件，
，
基频；
高频；
分频。
―――谐振回路的损耗电阻小于临界值；
―――施加回路的电势大小在一定范围内；
―――需要一定激发因素，激发消除后，谐振仍保持，并有反相现象。
１），500kV系统中二次谐波谐振（4.1.4）。
超高压系统单机带空载长线投入时，变压器铁芯易饱和，其二次谐波电感与线路容抗构成并联谐振回路，产生的二次谐波电压激发二次谐波谐振。
其对策是尽量避免相应可能形成此种条件的操作。
万一发生时，应由原己设置的母线过电压继电保护切除线路。
２），110、220kV断路器断口电容与变电站电磁式电压互感器的铁磁谐振过电压与保护（4.1.5a））。
这是一种典型的串联谐振回路谐振现象。
在运行中应避免可能形成此种接线的操作。
在设计中应验算出现谐振的可能性，如有可能应选用电容型电压互感器。
３），110、220kV系统中操作中性点不接地的变压器，因非全相产生的铁磁谐振过电压（4.1.5c）），影响中性点分级绝缘的保护。
４），6-10kV不接地系统中，电磁型电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压（4.1.5d））。
由于某些扰动，如单相接地故障引起零序电压升高，PT三相饱和程度不同，激发谐振。
铁磁谐振过电压受电压互感器饱和的限制，一般过电压并不高，但如果发生分频谐振，电流很大，PT易烧毁。
由于过电压系因零序电压引起，所以谐振只决定于零序回路参数。
消除铁磁谐振的措施，可以在零序回路加电阻阻尼，如PT二次开口三角绕组串接电阻。
或将不进行系统对地绝缘状态监视的电压互感器的中性点不接地、或采用ＣＶＴ等办法。
（3），参数谐振过电压：
同步电机接容性负荷（如空载长线）时，容性电流有助磁作用，如参数不当，即使从零压启动也会使发电机端电压和电流急剧上升----自励磁过电压。
它是由电机旋转时周期性变化的电感参数与电容参数组合产生的谐振。
发电机容量小，空载线路充电功率大，损耗阻尼不足等易产生参数谐振过电压。
限制的措施有：
---快速自动调节励磁一般能消除同步自励磁；
---增加阻尼；
---破坏励磁条件：
；
---超高压电网加并联电抗器。
谐振过电压按其波形属于暂时过电压，由于它是可以避免的，所以并不作为避雷器（MOA）额定电压选择的基础。
最近以来，对MOA能否耐受谐振过电压，以及进一步抑制谐振过电压进行了很多研究。
三，操作过电压及其保护：
当系统中发生故障，或操作时，网络拓朴发生变化，LC储能元件中的能量发生转移和振荡，在此过渡过程中会产生操作过电压。
就绝缘配合而言，操作过电压属缓波前过电压。
缓波前过电压通常是高阻尼的，波前持续时间为数十微秒至数千微秒，而波尾持续时间小于20mS，且基本上是振荡的。
典型电压波形是标准操作冲击波（250/2500）。
其幅值与电网运行方式，故障类型，操作方式及其它随机因素有关。
在超高压电网中，对某些绝缘可能成为决定性因素。
*操作过电压的起因一般为：
----线路合闸和重合闸；
----故障或故障切除；
----空载线路分闸；
----开合容性或感性负荷，等。
1．线路合闸和重合闸过电压产生的原因及限制措施：
线路合闸可分为两种类型：
（1），空载线路正常有计划的合闸操作：
合闸前，线路不存在接地故障。
合闸后，线路各点电压过渡到考虑长线电容效应的工频稳态值，在此过渡过程中会出现合闸过电压，其幅值不大于2P.U;
（2），线路发生单相接地故障，自动重合闸：
由于重合前线路上存在残余电荷，重合闸过电压将更高，其幅值不大于3P.U。
*影响线路合闸和重合闸过电压的因素：
---工频过电压；
---合闸角度；
---残余电荷；
---线路损耗；
---不成功的重合闸过电压比成功的重合闸过电压高（存在着永久性故障）；
---三相不同期操作，相间耦合，残余电荷上升30%，影响三相重合闸过电压。
*“规程”规定：
330、500kV系统空载线路合闸过电压（4.2.1b））的控制值：
空载线路合闸过电压应使相应相对地统计过电压（2%概率）控制到2.2（修订前为2.75）、2.0倍。
*限制空载线路合闸过电压的措施：
----断路器合闸电阻；
----金属氧化物避雷器。
由于断路器合闸电阻并非非常可靠，在一定条件下，可能仅靠金属氧化物避雷器保护。
避雷器应吸收的过电压能量：
---避雷器应吸收的过电压能量；
---避雷器操作冲击保护水平；
---预期过电压；
---过电压持续时间；
---线路波阻抗。
2．空载线路分闸过电压产生的原因及相关要求；
分闸时，由于介质恢复强度上升速度小于恢复电压，开关重燃引起电磁能量振荡，形成分闸过电压。
与空载线路合闸过电压类似，其影响因素包括：
三相不同期操作；
相间耦合；
残余电荷上升；
线路损耗，等。
而最重要的因素是断路器的灭弧性能。
“规程”规定：
对330、500kV系统空载线路分闸时（4.2.2a）），在母线侧1.3倍电压下开断空载线路不得重击穿；
110、220kV系统空载线路分闸过电压（4.2.2b））一般不超过3.0倍。
*限制措施：
采用有防止空载线路分闸重击穿的断路器。
例如，少油断路器加装压油活塞，以降低重击穿概率。
根据现场实测，制造良好的SF6断路器一般具有较好的开断空载线路的性能。
电缆线路与架空线路的空载线路分闸过电压以前者比较严重。
35、66kV中性点不直接接地系统，工频过电压高，分闸重燃过电压高。
规程规定：
空载线路分闸过电压（4.2.2c））的控制值，不应超过4.0倍。
采用加装压油活塞的少油断路器；
多油断路器要选加装分闸电阻型的。
此外，分闸时，线路可能存在着接地故障，工频过电压高，对MOA可能造成严重负载。
3．电力系统解裂过电压：
多电源供电系统异步运行或不对称短路而使系统解裂时，将会在单端供电的空载长线上出现解裂过电压。
图3解列前后稳态电压分布
稳态分量=；
---为解裂后的稳态分量幅值，
自由分量==；
---为衰减系数；
---为自由振荡角频率；
---为自由振荡幅值，其值由过渡过程开闭定律求得。
系统处于异步运行，在最不利情况下，两端电势反相（δ=180）时断路器跳闸，最为严重。
此时，解裂过电压可能为达到3p.u.，如果考虑长线效应，则会更高。
若两端供电，线路发生稳定性单相接地，单相重合闸不成功，线路一端三相解裂跳闸，由于存在接地故障，过电压也会很高。
*影响解裂过电压的因素：
---两端电势功角差δ；
---线路长度，运行状况；
---解裂后带长线的电源容量；
---故障点的位置，开断前后电压稳定值的差。
*为了减小解裂过电压，可采用自动化装置，振荡解裂在两端电势摆动不超过一定角度时开断。
4．隔离开关操作空载母线的过电压：
隔离开关动触头移动速度比较慢，介质强度恢复慢，加之开断的容性电流甚小，易重击穿，甚至多次重击穿。
由于母线短，振荡频率很高，它对变压器的匝间绝缘极易造成危胁。
过去，磁吹避雷器，隔离开关操作空载母线重燃过电压上升时间正处在磁吹避雷器V–S特性下凹部分，避雷器多次放电，给磁吹避雷器造成严重负载。
现在，采用MOA，问题已不存在。
然而，在GIS中，隔离开关操作的空载母线更短，达到几百甚至上千kHZ，会引起极快速瞬态过电压（VFTO）（4.2.4b）。
这类过电压的能量并不大，不过，限制VFTO已超出MOA的响应范围。
目前，日本已开发出电阻型隔离开关可以限制极快速瞬态过电压（VFTO）。
5．6-66kV系统开断并联电容补偿装置的过电压：
开断并联电容器组时，电容电流过零熄弧，电容器残留电压高，断路器断口恢复电压高，易重击穿。
断路器开断并联电容补偿装置单相重击穿过电压（极-地）可达5.1倍（4.2.5），需在电容器侧安装相对地避雷器。
断路器开断并联电容补偿装置两相重击穿过电压（极-极）可达电容器额定电压的2.6倍。
需在电容器两侧安装避雷器。
防止开断并联电容补偿装置的过电压的根本措施在于选用不易重击穿的断路器，如，真空开关。
在此情况下两相重击穿的概率将较小，但宜对单相重击穿过电
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