一、過電壓產生原因

間歇電弧接地過電壓發(fā)生于中性點不接地(也稱中性點絕緣)的系統(tǒng)中。為什么要采用中性點不接地呢？主要是因為這種系統(tǒng)的供電可靠性高。單相接地故障是系統(tǒng)運行時的主要故障形式。在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地，如圖9-1中所示A相接地時，由于中性點對地絕緣，所以A相與C相、A相與B相通過對地電容C₂和C₃構成回路，無短路電流流過接地點。此時流過接地點的電流為電容電流 (由于容抗很大)；與此同時，系統(tǒng)三相電源電壓仍維持對稱不變，所以這種系統(tǒng)在一相接地情況下，不必立即切除線路，中斷對用戶的供電，運行人員可借助接地指示裝置來發(fā)現故障并設法找出故障所在并及時處理，這樣就大大提高了供電可靠性。

然而從另一方面看，中性點不接地系統(tǒng)會帶來兩個不利影響作用：1）非故障相的對地相電壓升至線電壓；②引起間歇電弧接地過電壓。第一個影響作用不會構成對絕緣的危險，因為這些系統(tǒng)的絕緣水平要比線電壓高得多。至于第二個影響作用，由于間歇電弧接地過電壓幅值高(可能超過絕緣水平)、持續(xù)時間長(這類系統(tǒng)允許帶單相接地運行0.5～2h)、出現的概率又相當大，所以對這種過電壓須予以充分重視。

電力系統(tǒng)中大多數接地故障都伴有電弧發(fā)生。中性點不接地系統(tǒng)中單相接地時，這種電弧接地電流就是流過非故障相對地電容的電流。當這種接地電容電流在6～10kV線路中超過30A，在20~60kV 線路中超過10A(對應線路較長)時，接地電弧不會自行熄滅，又不會形成穩(wěn)定持續(xù)電弧(因為這種電容電流并不足夠大)，而是表現為接地電流過零時電弧暫時性熄滅，隨后在恢復電壓作用下又重新出現電弧——電弧重燃，而后又過零暫時熄滅，又……，即出現電弧熄滅重燃的不穩(wěn)定狀態(tài)，這種電弧稱之為間歇性電弧。每次電弧熄滅和重燃的同時，將引起電磁暫態(tài)的振蕩過渡過程，在過渡過程中會出現過電壓，這種過電壓就是間歇電弧接地過電壓。所以在中性點不接地系統(tǒng)中出現間歇電弧接地過電壓的根本原因是接地電弧的間歇性熄滅與重燃。而出現這種間歇性電弧的條件：一是電弧性接地；二是接地電流超過某數值。

二、過電壓產生的物理過程

下面我們通過討論伴隨間歇性電弧熄滅重燃時所發(fā)生的過渡過程來說明間歇電弧接地過電壓的形成與發(fā)展。

1.等值電路圖

中性點不接地系統(tǒng)的等值電路如圖9-1(a)所示。C₁、C₂、C₃為各相對地電容，C₁=C₂=C₃=C₀，設A相對地發(fā)生電弧接地，以D表示故障點發(fā)弧間隙。u_A、u_B、u_C為三相電源電壓，u₁、u₂、u₃為三相線路對地電壓，即C₁、C₂、C₃上的電壓。U_xg為電源相電壓幅值。

2.t=t₁時A相電弧接地

假定在A相電壓達到最大值時A相電弧接地，這是過電壓最嚴重的情況。則A相電弧接地發(fā)弧前瞬間。

在t₁瞬間，A相電弧接地，即圖中間隙D發(fā)弧導通，A相電容C₁上電荷通過間隙電弧泄放入地，其電壓u₁突降為零，即電壓幅值改變了-U_xg (從U_xg變至0)。相應B、C相電容C₂、C₃上電壓u₂、u₃的幅值也應改變-U_xg，即從-0.5U_xg變至-1.5U_xg。而u₂、u₃電壓的這種改變是要通過電源線電壓U_BA、U_CA經電源電感對C₂、C₃的充電來完成的，這個過程是一個高頻振蕩過程，也即高頻振蕩過程結束后C₂、C₃上的電壓將達到-1.5U_xg。對高頻振蕩過程來講，振蕩過程發(fā)生前瞬時值為初始值，振蕩過程結束后應達到的值為穩(wěn)定值，而過電壓就出現于振蕩過程中，過電壓的最大幅值可按下面公式來估算

過電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值+(穩(wěn)態(tài)值-初始值)

這樣在振蕩的過渡過程中，C₂、C₃上出現的過電壓幅值如表9-2所示。

表9-2                           過電壓幅值

過渡過程結束后u₂、u₃按u_BA、u_CA而變化，如圖9-2所示。

3. t=t₂時，A相接地電弧第一次熄滅

故障點的電弧電流中包含工頻分量和逐漸衰減的高頻分量。假定高頻分量過零時電弧不熄滅，而后高頻分量衰減至零，電弧電流就是工頻電流，其相位與差90°[如圖9-1(b)所示J。那么經過半個工頻周期，在t=t₂時，u_A=-U_xg，u_B=0.5U_xg，u_C=0.5U_xg。由于達到負的幅值，所以工頻電弧電流過零，電弧第一次熄滅。

在熄弧瞬間t=17時，u₁=0，u₂=1.5 U_xg，u₃= U_xg。熄弧后B、C相線路上儲有電荷q=2C₀×1.5 U_xg =3C₀ U_xg，這些電荷無處泄漏，于是在三相對地電容間平均分配，其結果使三相導線對地有一個電壓偏移q/3C₀= U_xg。這樣，接地電弧第一次熄滅后，作用在三相導線對地電容上的電壓為三相電源電壓迭加此偏移電壓，即在熄弧后瞬間時，u₁= -U_xg + U_xg =0，u₂=0.5 U_xg + U_xg =1.5 U_xg，u₃=0.5 U_xg + U_xg =1.5 U_xg，這樣第一次熄弧瞬間時的電壓值與時的電壓值相同，熄弧后不會引起過渡過程。

4.t=t₃時電弧重燃

熄弧后A相對地電壓逐漸恢復，再經過半個工頻周期，在t=t₃時，A相對地電壓幅值達2 U_xg (見圖9-2)。如果此時再次發(fā)生電弧(稱電弧重燃)，u₁再次降為零，u₂、u₃的電壓將再次出現振蕩。振蕩過程中的過電壓幅值如表9-3所示。

表9-3                     振蕩過程中過電壓幅值

以后發(fā)生的隔半個工頻周期的熄弧與再隔半個周期的電弧重燃，過渡過程與上面重復，且過電壓的幅值也與之相同。從上分析可看到，中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性電弧接地時，非故障相上最大過電壓為3.5倍，而故障相上的最大過電壓為2.0倍。

長時期來的試驗和研究表明：工頻過零熄弧與振蕩高頻過零熄弧都是可能的；故障相的電弧重燃也不一定在最大恢復電壓值時發(fā)生，并具有很大的分散性。因而間歇電弧接地過電壓也具有很強烈的隨機統(tǒng)計性質；目前普遍認為，間歇電弧接地過電壓的最大值不超過3.5倍，一般在3倍以下。

三、影響過電壓的因素

影響間歇電弧接地過電壓大小的因素主要有：

(1)電弧熄滅與重燃時的相位。這種因素具有很大的隨機性。上述分析得到3.5倍過電壓的熄滅和重燃時的相位對應最嚴重情況時的相位。

(2)系統(tǒng)的相關參數。如考慮線間電容時比不考慮線間電容時在同樣情況下的這種過電壓要低。還有，在振蕩過程中過電壓幅值的估算值由于實際線路的損耗而也達不到此數值。

(3)中性點接地方式。間歇電弧接地過電壓僅存在于中性點不接地系統(tǒng)中。若將中性點直接接地，一旦發(fā)生單相接地，此時就是單相對地短路，接地點將流過很大的短路電流，不會出現間歇性電弧，從而消除間歇電弧接地過電壓。但由于接地點流過很大的短路接地電流，穩(wěn)定的接地電弧不能自行熄火，必須由斷路器跳閘將其盡快熄滅從而切除短路電流。這樣，操作次數增多，并由此增加許多設備，又影響供電的連續(xù)性，所以在單相接地故障較為頻繁的低電壓等級(35kV及以下)的系統(tǒng)中仍不采用中性點直接接地。在中性點不接地系統(tǒng)中限制間歇電弧接地過電壓的有效措施就是中性點經消弧線圈接地。

四、消弧線圈及其對限制電弧接地過電壓的作用

消弧線圈是一個鐵芯有氣隙的電感線圈，其伏安特性相對來說不易飽和。消弧線圈接在中性點與地之間。下面分析消弧線圈是如何限制(降低)間歇電弧接地過電壓的。在原中性點不接地系統(tǒng)的中性點與地之間接上一消弧線圈L，如圖9-3(a)所示。同樣假設A相發(fā)生電弧接地。A相接地后，流過接地點的電弧電流除了原先的非故障相通過對地電容C₂、C₃的電容電流相量和()之外，還包括流過消弧線圈L的電流(A相接地后，消弧線圈上的電壓即為A相電源電壓)，根據如圖9-3(b)所示的相量圖分析，相位反向，所以適當選擇消弧線圈的電感量L值，亦即適當選擇電感電流的值，可使得接地電流的數值稱經消弧線圈補償后的殘流)減小到足夠小，使接地電弧很快熄滅，且不易重燃，從而限制（降低）了間歇電弧接地過電壓。

通常把消弧線圈電感電流補償系統(tǒng)對地電容電流的百分數稱為消弧線圈的補償度(又稱調諧度)，用K表示；而將1-K稱為脫諧度，用v表示，即

式中   ω₀——電路中的自振角頻率。

根據補償度(或脫諧度)的不同，消弧線圈可以處于三種不同的運行狀態(tài)：

(1)欠補償。I_L<I_C，表示消弧線圈的電感電流不足以補償電容電流，此時故障點流過的電流(殘流)為容性電流。欠補償時，K＜1，v＞0。

(2)全補償。I_L=I_C，表示消弧線圈的電感電流恰好補償電容電流。此時消弧線圈與并聯后的三相對地電容處于并聯諧振狀態(tài)，流過故障點的電流(殘流)為非常小的電阻性泄漏電流。全補償時，K=1，v=0。

(3)過補償。I_L＞I_C，表示消弧線圈的電感電流不僅補償電容電流而且還有數量超出。此時流過故障點的電流(殘流)為感性電流。過補償時，K＞1，v＜0。

消弧線圈的脫諧度不能太大(對應補償度不能太小)。脫諧度太大時，故障點流過的殘流增大，且故障點恢復電壓增長速度快，不利于熄弧。脫諧度愈小，故障點恢復電壓增長速度減小，電弧愈容易熄滅。但脫諧度也不能太小，當v趨近于零時，在正常運行時，中性點將發(fā)生很大的位移電壓。其理由如下：對如圖9-3所示的電路，略去三相對地電導g₁、g₂、g₃以及消弧線圈的電導時，可以寫出接有消弧線圈時的中性點位移電壓為

將Y_A=jωC₁, Y_B=jωC₂，Y_C=jωC₃，Y_N=jωL代入得

當消弧線圈的脫諧度v=0時，ω=ω₀即

又由于C₁≠ C₂ ≠C₃，所以使得表達式中分子不為零，而分母為零，從而中性點位 移電壓將達到很高數值。

為了避免危險的中性點電壓升高，最好使三相對地電容對稱。因此在電網中要進行線路換位。但由于實際上對地電容電流受各種因素影響是變化的，且線路數目也會有所增減，很難做到各相電容相等，為此要求消弧線圈處于調諧(全補償)工作狀態(tài)。

通常消弧線圈采用過補償5%～10%運行(即v=-0.05~-0.1)。之所以采用過補償是因為電網發(fā)展過程中可以逐漸發(fā)展成為欠補償運行，不至于像欠補償那樣因為電網的發(fā)展而導致脫諧度過大，失去消弧作用。其次是若采用欠補償，在運行中部分線路可能退出，則可能形成全補償，產生較大的中性點電壓偏移，有可能引起零序網絡中產生嚴重的鐵磁諧振

過電壓。中性點經消弧線圈接地后，在大多數情況下能夠迅速地消除單相的接地電弧而不破壞電網的正常運行，接地電弧一般不重燃，從而把單相間歇電弧接地過電壓限制到不超2.5倍數的數值。然而，消弧線圈的阻抗較大，既不能釋放線路上的殘余電荷，又不能降低過電壓的穩(wěn)態(tài)分量，因而對其他形式的操作過電壓不起作用。

第三節(jié) 空載線路分閘過電壓

一、過電壓產生原因

空載線路的分閘(切除空載線路)是電網中最常見的操作之一。對于單端電源的線路，正常或事故情況下，在將線路切除時，一般總是先切除負荷，后斷開電源，那么后者的操作即為切除空載線路。而對于兩端電源的線路，由于兩端的斷路器分閘時間總是存在一定的差異(一般約為0.01～0.05s)，所以無論哪一端先斷開，后斷開的操作即為空載線路的分閘。運行經驗表明，在35～220kV電網中，都曾因為切除空載線路時出現過電壓而引起多次絕緣閃絡和擊穿。經統(tǒng)計，切除空載線路時出現的過電壓—空載線路分閘過電壓不僅幅值高，而且持續(xù)時間長，可達0.5～1個工頻周期以上。所以在確定220kV及以下電網絕緣水平時，空載線路分閘過電壓是最重要的操作過電壓。空載線路分閘過電壓是空載線路分閘操作時，在空載線路上出現的過電壓。初看起來，線路既從電源斷開，哪來過電壓？問題是斷路器分閘后，斷路器觸頭間可能會出現電弧的重燃，電弧重燃又會引起電磁暫態(tài)的過渡過程，從而產生這種切空載線路過電壓。所以，產生這種過電壓的根本原因是斷路器開斷空載線路時斷路器觸頭間出現電弧重燃。切除空載線路時，流過斷路器的電流為線路的電容電流，其比起短路電流要小得多。但是能夠切斷巨大短路電流的斷路器卻不一定能夠不重燃地切斷空載線路，這是因為斷路器分閘初期，觸頭間恢復電壓值較高，斷路器觸頭間抗電強度耐受不住高幅值恢復電壓而引起電弧重燃。

二、過電壓產生的物理過程

空載線路是容性負載，定性分析時可用T型集中參數電路來等值，如圖9-4(a)所示。圖中L_T為線路電感，C_T為線路對地電容，L為電源系統(tǒng)等值電感（即發(fā)電機、變壓器漏感之和），e(t)為電源電勢。圖9-4i(a)的電路可以進一步簡化成圖9-4（b）所示的等值電路。下面就圖9-4(b)所示的等值電路來分析空載線路分閘過電壓的形成與發(fā)展過程。

設電源電勢

則電流 

因此電流i(t)超前電源電壓e(t)90°。

在空載線路分閘過程中，電弧的熄滅和重燃具有很大的隨機性，在我們以下的分析過程中，以產生過電壓最嚴重的情況來考慮。

1.t=t₁時，發(fā)生第一次熄弧

如圖9-5所示，t=t₁時，e(t)=-E_m，由于電流超前電源電壓90°，所以此時流過斷路器的工頻電流恰好為零。此時斷路器分閘，斷路器斷口A、B間第一次斷弧。若斷路器不在t₁時刻分閘，設在t₁前工頻半周內任何一個時刻分閘，只要不發(fā)生電流的突然截斷現象，斷路器斷口間電弧總是要等到電流過零，即也在t= t₁時才會熄滅。

斷路器分閘后，線路電容C_T上的電荷無處泄漏，使得線路上保持這個殘余電壓-E_m。即圖9- 4 中斷路器斷口B側對地電壓保持-E_m。然而斷路器斷口A側的對地電壓在t₁之后仍要按電源作余弦規(guī)律的變化(見圖9-5中的虛線)，斷路器觸頭間(即斷口間)的恢復電壓u_AB為

t= t₁時，u_AB=0，隨后恢復電壓u_AB越來越高，在t= t₂（再經過半個周期）時達到最大為2E_m。

在t₁之后若斷路器觸頭間去游離能力很強，觸頭間抗電強度的恢復超過恢復電壓的升高，則電弧從此熄滅，線路被真正斷開，這樣無論在母線側(即斷口A側)或線路側(即斷口B側)都不會產生過電壓。但若斷路器斷口間抗電強度的恢復趕不上斷口間恢復電壓的升高，斷路器觸頭間(即斷口間)可能發(fā)生電弧重燃。

2.t= t₂時發(fā)生第一次重燃

電弧重燃時刻具有強烈的統(tǒng)計性，從而使這種過電壓的數值大小也具有統(tǒng)計性。當考慮過電壓最嚴重的情況時，假定在恢復電壓u_AB達到最大時發(fā)生電弧重燃，也即在圖9-5中；=t₂時發(fā)生第一次電弧重燃。此刻電源電壓e(t)通過重燃的電弧突然加在L_S和具有初始值-E_m的線路電容C_T上，而此回路是一振蕩回路，所以電弧重燃后將產生暫態(tài)的振蕩過程，而在振蕩過程中就會產生過電壓。振蕩回路的固有頻率要比工頻 50Hz大得多，因而要比工頻周期0.02s小得多，這樣可以認為在暫態(tài)高頻振蕩期間電源電壓e(t)保持t₂時的值E_m不變，同時高頻振蕩過程可用圖9-6(a)所示的等值電路進行分析。振蕩過程中線路上電壓波形(即C_T上的電壓波形)如圖9-6(b)所示。若不計及回路損耗所引起的電壓衰減，則線路上的過電壓幅值可按下式估算

過電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值+(穩(wěn)態(tài)值-初始值)= E_m+[E_m-(-E_m)]=3E_m

3.t= t₃時發(fā)生第二次熄弧

當線路上電壓(即C_T上電壓)振蕩達到最大值3E_m瞬間，由于振蕩回路中流過的是電容電流，故此瞬間斷路器中流過的高頻振蕩電流恰好為零，此時(t₃時刻)電弧第二次熄滅(斷路器試驗的示波圖表明，電弧幾乎全部都在高頻振蕩電流第一次過零瞬間熄滅)。電弧第二次熄滅后，線路對地電壓保持3E_m而斷路器斷口A側的對地電壓在t₃之后要按電源作余弦規(guī)律的變化(見圖9-5中的虛線)，斷路器觸頭間恢復電壓u_AB越來越高，再經半個工頻周期將達最大(4E_m)。

4.t= t₄時發(fā)生第二次重燃

考慮過電壓最嚴重的情況，恢復電壓u_AB達到最大4E_m時發(fā)生電弧第二次重燃。電弧重燃后又要發(fā)生暫態(tài)的振蕩過程，在此振蕩過程中，C_T上電壓的初始值為3E_m，振蕩過程結束后的穩(wěn)態(tài)值為-E_m，所以產生的過電壓幅值為

穩(wěn)態(tài)值+(穩(wěn)態(tài)值-初始值)= -E_m +(-E_m -3E_m)=-5E_m

假若繼續(xù)每隔半個工頻周期電弧重燃一次，則過電壓將按3E_m 、-5E_m，7E_m……的規(guī)律變化，愈來愈高，直到觸頭已有足夠的絕緣強度，電弧不再重燃為止。同樣，在母線上也將出現過電壓。

三、影響過電壓的因素

以上分析過程是理想化了的，是考慮最嚴重的情況。在實際中，過電壓將受到一系列因素的影響。

1.斷路器的性能

由于空載線路分閘過電壓由電弧重燃引起的，所以過電壓與斷路器的滅弧性能有很大關系。SF₆斷路器較油斷路器滅弧性能更好，所以，油斷路器重燃次數較多，有時可達6～7次，過電壓往往較高，而SF₆斷路器基本不重燃，過電壓也較低。當然，重燃次數不是決定過電壓大小的判據，另外還要看電弧重燃的時刻(重燃不一定發(fā)生在電源電壓達到最大值)以及電弧熄滅時刻(這決定線路上殘余電壓的高低)，此兩個因素具有很大隨機性。但是，斷路器滅弧性能差，重燃次數多，發(fā)生高幅值過電壓的概率就大。

2.母線出線數

當母線上有多回出線時，一路線路分閘，工頻電流過零熄弧，分閘的空載線路保持- E_m，但未分閘的其他線路將隨電源電壓變化，半個周期后斷路器觸頭間出現幅值為2E_m的恢復電壓，電弧可能重燃，在重燃的一瞬間，未開斷線路(電壓為E_m)上的電荷將迅速與斷開線路(電壓為- E_m)上的殘余電荷重合，使斷開線路的殘余電荷降為零(或為正)，使得電弧重燃之后暫態(tài)過程中穩(wěn)態(tài)值與起始值的差別減小，從而使過電壓減小。

3. 線路負載及電磁式電壓互感器

當線路末端有負載(如末端接有一組空載變壓器)或線路側裝有電磁式電壓互感器時，斷路器分閘后，線路上殘余電荷經由它們泄放，將降低線路上的殘余電壓，從而降低重燃后的過電壓。

4.中性點接地方式

中性點直接接地系統(tǒng)中，各相有自己的獨立回路，相間電容影響不大，空載線路分閘過電壓的產生過程如上所述。當中性點不接地或經消弧線圈接地時，由于三相斷路器分閘的不同期性，會形成瞬間的不對稱電路，使中性點發(fā)生偏移。三相間互相影響，使分閘時斷路器中電弧的重燃和熄滅過程變得更復雜，在不利的條件下，會使過電壓顯著增高。一般比中性點直接接地時的過電壓要高出20%左右。

另外，當過電壓較高時，線路上出現電暈所引起的損耗，也是影響(降低)空載線路分閘過電壓的一個因素。

四、限制過電壓措施及過電壓實測數據

空載線路分閘過電壓由于其出現比較頻繁，持續(xù)時間長(可達1～2個工頻半波)，且作用于全線路，所以它是選擇線路絕緣水平和確定電氣設備試驗電壓的重要依據。因此限制這種過電壓，對于保證電力系統(tǒng)安全運行和進一步降低電網絕緣水平具有十分重要的經濟意義。目前降低這種過電壓的措施主要有以下幾種。

1.提高斷路器滅弧性能

因為空載線路分閘過電壓的主要成因是斷路器開斷后觸頭間電弧的重燃。那么限制這種過電壓的有效措施就是改善斷路器的結構、提高觸頭間介質的恢復強度和滅弧能力，以減少或避免電弧重燃。現在我國生產的空氣斷路器、帶壓油式滅弧裝置的少油斷路器以及六氟化硫斷路器都大大改善了滅弧性能，大大減少了在開斷空載線路時的電弧重燃。

2.采用帶并聯電阻的斷路器

通過斷路器的并聯電阻降低斷路器觸頭間的恢復電壓，避免電弧重燃，這也是限制這種過電壓的一有效措施。

如圖9-7所示，在斷路器主觸頭K1上并一分閘電阻R(約3000Ω)和輔助觸頭K2以實現線路的逐級開斷。線路分閘時，主觸頭K1先斷開，此時K2仍閉合，由于R串在回路中從而抑制了K1斷開后的振蕩。而這時K1觸頭兩端間的恢復電壓只是電阻R上的壓降，其值 較低，故主觸頭間電弧不易重燃。經1.5～2個工頻周期，輔助觸頭K2斷開，由于串入電阻后，線路上的穩(wěn)態(tài)電壓降低，線路上殘余電壓較低，故觸頭K2上的恢復電壓不高，K2中的電弧也就不易重燃。即使K2觸頭間發(fā)生電弧重燃，由于電阻R的阻尼作用及對線路殘余電荷的泄放作用，過電壓也會顯著下降。實踐表明，即使在最不利情況下發(fā)生重燃，過電壓實際也只有2.28倍。

此外，線路上接有電磁式電壓互感器以及線路末端接有空載變壓器也有助于降低這種空載線路分閘過電壓。

近年來我國在110～220kV線路上進行了一些實測，結果表明，使用重燃次數較多的斷路器時，出現3.0倍過電壓的概率為0.86%；使用重燃次數較少的空氣斷路器時，出現2.6倍過電壓的概率為0.73%，使用油斷路器時測得的最大過電壓為2.8倍；當使用有中值和低值并聯電阻斷路器時，過電壓被限制到2.2倍以下。在中性點不接地和經消弧線圈接地電網中，這種過電壓一般不超過3.5倍。在110～220kV系統(tǒng)中這種過電壓低于線路絕緣水平，所以我國生產的110～220kV系統(tǒng)的各種斷路器一般不加并聯電阻。在超高壓電網中，斷路器都帶有并聯電阻，從而基本上消除了電弧的重燃，也就基本上消除了這種過電壓，如在330kV線路上測到這種過電壓最大僅為1.19倍。

第四節(jié) 空載線路合閘過電壓

一、過電壓產生原因

空載線路的合閘有兩種情況，即計劃性合閘和故障跳閘后的自動重合閘。由于合閘初始條件的不同，過電壓大小是不同的。空載線路無論是計劃性合閘還是自動重合閘，合閘之后要發(fā)生電路狀態(tài)的改變，又由于L、C的存在，這種狀態(tài)改變，即從一種穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)過程表現為振蕩型的過渡過程，而過電壓就產生于這種振蕩過程中。振蕩過程中最大過電壓幅值同樣可用下面公式估算。

過電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值+(穩(wěn)態(tài)值-初始值)

二、過電壓產生的物理過程

1.計劃性合閘

在計劃性合閘時，線路上不存在接地，線路上初始電壓為零。斷路器合閘后，電源電壓通過系統(tǒng)等值電感Ls對空載線路的等值電容C_T充電，若合閘瞬間電源電壓剛好為零則合閘后直接進入穩(wěn)態(tài)而無暫態(tài)過程，若合閘時電源電壓非零，則合閘后回路中將發(fā)生高頻振蕩過程。考慮過電壓嚴重的情況，即在電源電壓e(t)為幅值E_m (或-E_m)時合閘，則合閘過電壓的幅值=穩(wěn)態(tài)值+(穩(wěn)態(tài)值-初始值)=2E_m (或-2E_m)。考慮回路中存在損耗，最嚴重的空載線路合閘過電壓要比2E_m(或-2E_m)低。

2.自動重合閘

自動重合閘是線路發(fā)生故障跳閘后，由自動裝置控制而進行的合閘操作，這是中性點直接接地系統(tǒng)中經常遇到的一種操作。如圖9-8所示，當C相接地后，斷路器QF2先跳閘，然后斷路器QF1跳閘。在斷路器QF2跳開后，流過斷路器QF1中健全相的電流是線路電容電流，故當電流為零，電壓達最大值時(兩者相位差90°)，斷路器QF1熄弧。但由于系統(tǒng)內存在單相接地，健全相的電壓將為(1.3～1.4)E_m，因此斷路器QF1跳閘熄弧后，線路上殘余電壓也將為此值。在斷路器QF1重合前，線路上的殘余電荷將通過線路泄漏電阻入地，使線路殘余電壓有所下降，殘余電壓下降的速度與線路絕緣子污穢情況、氣候條件有關。經?t時間間隔后，QF1將重新合閘，此時假定線路殘余電壓已經降低了30%，即為0.7×(1.3～1.4)E_m=(0.91～0.98)E_m。

考慮過電壓最嚴重的情況，即重合閘時電源電壓恰好與線路殘余電壓極性相反且為峰值-E_m，則合閘時過渡過程中最大過電壓為-E_m+[-E_m-(0.91～0.98)E_m]=(-2.91～-2.98)E_m。在實際情況下，由于在重合閘時刻電源電壓不一定恰好在峰值，也并不一定與線路殘余電壓極性相反，這時過電壓的倍數還要低些。

若線路不采用三相重合閘，而是采用單相重合閘，則重合閘過電壓與計劃性合閘過電壓相同，因重合的故障相上無殘余電壓。

三、影響過電壓的因素

1.合閘相位

由于斷路器在合閘時有預擊穿現象，即在機械上斷路器觸頭未閉合前，觸頭間的電位差已足夠擊穿介質使觸頭在電氣上先行接通。因而，較常見的合閘是在接近最大電壓時發(fā)生的。對油斷路器的統(tǒng)計表明，合閘相位多半處在最大值附近的土30°范圍之內。但對于快速的空氣斷路器與SF₆斷路器，預擊穿對合閘相位影響較小，合閘相位的統(tǒng)計分布較均勻，既有0°時的合閘，也有90°時的合閘。

2.線路殘余電壓的大小與極性

這對重合閘過電壓影響甚大。殘余電壓大小取決于故障引起分閘后健全相上殘余電荷的泄漏速度，這與線路絕緣子的污穢狀況、大氣濕度、雨雪等情況有關，在0.3～0.5s重合閘時間內，殘余電壓一般可下降10%～30%。

另外，空載線路合閘過電壓還與系統(tǒng)參數、電網結構、斷路器合閘時三相的同期性、母線的出線數、導線的電暈等因素有關。

四、限制過電壓措施

1.采用帶并聯電阻的斷路器

這是目前限制合閘過電壓特別是重合閘過電壓的主要措施。與圖9-7相同，在斷路器主觸頭K1上并聯一合閘電阻(約數百歐)與輔助觸頭K2以實現線路的逐級合閘。線路合閘時，主輔觸頭動作次序與分閘時相反。合閘時，輔助觸頭K2先閉合，電阻R的串入對回路中的振蕩過程起阻尼作用，使過渡過程中過電壓降低，電阻越大阻尼作用越強，過電壓也就越低。經1.5～2個工頻周期左右，主觸頭K1閉合，將合閘電阻R短接，完成合閘操作。由于K1閉合前主觸頭兩端的電位差即R上的壓降，R上壓降由于之前的振蕩被阻尼而較低，所以K1閉合之后的過電壓也就較低。很明顯，此時R越小，K1閉合后過電壓越低。從以上分析可見，輔助觸頭K2閉合時要求合閘電阻R大，而主觸頭K1閉合時要求合閘電阻小，兩者同時考慮時，可以找到某一電阻值，在此電阻值下，可將合閘過電壓限制到低。

2.消除和削弱線路殘余電壓

采用單相自動重合閘后消除了線路殘余電壓，重合閘時就不會出現高值過電壓。而線路側裝有電磁式電壓互感器時，通過泄放線路上的殘余電荷，有助于降低重合閘過電壓。

3. 同步合閘

通過專門裝置控制，使斷路器觸頭間電位差接近于零時完成合閘操作，使合閘暫態(tài)過程降低到最微弱的程度，從而基本消除合閘過電壓。

4.安裝避雷器

采用熄弧能力較強，通流容量較大的磁吹避雷器、復合型避雷器或氧化鋅避雷器作為這種過電壓的后備保護。

此外，對于兩端供電的線路，先合系統(tǒng)電源容量較大的一端，后合電源容量較小的一端，有利于降低合閘過電壓，因為合閘過電壓是迭加在工頻電壓基礎之上的。

近年來，我國在220kV線路上做了不少試驗，綜合這些試驗數據，得出的最大合閘過電壓值見表9-4。

表9-4 220kV             線路合閘、重合閘最大過電壓(相對地)

在超高壓電網中，由于斷路器都采用了帶并聯電阻，所以合閘過電壓一般不超過2.0倍。

第五節(jié) 切除空載變壓器過電壓

一、過電壓產生原因及物理過程

切除空載變壓器也是一種常見的操作，用斷路器切除空載變壓器時可能出現幅值較高的過電壓。同樣，切除電抗器、電動機、消弧線圈等電感性負荷時也會產生類似的過電壓。圖9-9為切除空載變壓器的等值電路，圖中L_T為空載變壓器的勵磁電感，C_T為變壓器的等值對地電容，L_S為母線側電源的等值電感，QF為斷路器。

由于X_CT?X_LT，空載變壓器切除前，流過空載變壓器的電流(空載電流)幾乎就是流過勵磁電感的電流(容抗遠大于感抗)，而且此空載電流僅為變壓器額定電流的0.5%～4%，小的甚至只有0.3%。斷路器的滅弧能力是按切斷大的電流(如短路電流)設計的，在切斷大電流時，斷路器分閘后觸頭斷口間仍有電弧，這種電弧要到上頻電流過零時熄滅，此時等值電感L_T中儲藏的磁場能量為零，在切除過程中不會產生過電壓。但是當斷路器切斷相對很小的空載勵磁電流時，滅弧能力顯得異常強大從而使空載電流未到零之前就發(fā)生熄弧，造成這種空載電流從某一數值突然降至零，這就是所稱的空載電流的突然“截斷"。正由于這種電流的“截斷"，使得截斷前L_T中的磁場能量全部轉變成截斷后C_T中的電場能量從而產生這種切空載變壓器過電壓。

設空載電流i=I₀時發(fā)生截斷(即出I₀突然至零)，I₀= I_msinα(α為截流時的相角)，此時電源電壓為U₀，U₀=U_msin(α+90°)=-U_mcosα(空載勵磁電流滯后電源電壓90°)。截流前瞬時回路總能量為

電流截斷瞬時，L_T中能量全部轉變成電容C_T中的能量，此時電容上電壓達到最大，設為U_C，則根據能量守恒

考慮到（自振頻率）

過電壓倍數 

實際上，磁場能量轉化為電場能量的過程中必然有損耗，這可通過引入一轉化系數η_m(η_m＜1)加以考慮，則

轉化系數η_m一般小于0.5，國外大型變壓器實測數據約在0.3～0.45之間，自振頻率f₀與變壓器的參數和結構有關，通常為工頻的10倍以上，但超高壓變壓器則只有工頻的幾倍。顯然，當空載勵磁電流在幅值處被截斷，即α=90°時，過電壓數值達到可能的最大值，此時

二、影響過電壓的因素及限壓措施

1. 影響因素

從上分析可看出，切除空載變壓器過電壓的大小與空載電流截斷值以及變壓器的自振頻率f₀有關。空載電流的截斷值與斷路器的滅弧性能有關。切斷小電流電弧時性能差的斷路器(尤其是多油斷路器)，由于截流能力不強，切空載變壓器時過電壓較低，而切除小電流電弧時性能好的斷路器(如空氣斷路器、SF₆斷路器)，由于截流能力強，切空載變壓器時過電壓較高。另外，當斷路器去游離作用不強時(由于滅弧能力差)，截流后在斷路器觸頭間可引起電弧重燃，而這種電弧的重燃使變壓器側的電容電場能量向電源釋放，從而降低這種過電壓。 

使用相同斷路器，即在相同截流下，當變壓器引線電容較大時(如空載變壓器帶有一段電纜或架空線)時，這使得等值電容C_T加大，從而降低這種過電壓。

我國對切除110～220kV空載變壓器做過不少試驗，實測結果表明，在中性點直接接地的電網中，這種過電壓一般不超過3倍相電壓；在中性點不接地電網中，一般不超過4倍相電壓。

2.限壓措施

目前，限制切除空載變壓器的主要措施是采用閥型避雷器。切空載變壓器過電壓雖然幅值較高，但由于其持續(xù)時間短，能量小(要比閥型避雷器允許通過的能量小一個數量級)，故可用閥型避雷器加以限制。用來限制切空載變壓器過電壓的避雷器應接在斷路器的變壓器側，否則在切空載變壓器時將使變壓器失去避雷器的保護。另外，這組避雷器在非雷雨季節(jié)也不能退出運行。如果變壓器高低壓側電網中性點接地方式一致，那么可不在高壓側而只在低壓側裝閥型避雷器，這就比較經濟方便。如果高壓側中性點直接接地，而低壓側電網中性點不是直接接地的，則只在變壓器低壓側裝避雷器時，應裝磁吹閥型避雷器或氧化鋅避雷器。