【浅谈电力系统过电压】 电力系统的过电压主要由

　  浅谈电力系统过电压

　目　　录

　1.前言 3 2.雷电放电特性和雷电过电压 4 3.输电线路的感应过电压 4 4.暂时过电压 5 4.1 接地故障引起的工频电压升高 5 4.2负荷引起的工频电压升高 5 4.3谐振过电压 6 5.操作过电压 6 5.1 切除空载线路过电压 7 5.2切除空载变压器过电压 7 5.3空载线路合闸过电压 8 6.小结 8

　摘要：电力系统的各种电气设备在其运行过程中除了要承受正常的工作电压之外，还要受到各种过电压的作用。在电力系统的操作过程中过电压是一种常见现象，任何的开关或负荷变化等，都可能在系统中引起电磁的暂态过程，从而产生出各种过电压。本文综述了各种过电压的类型及其产生机理，为今后研究人员的相关研究提供借鉴。 关键词：过电压；电力系统；电气设备

　1.前言

　 电力系统的过电压主要分为外部过电压和内部过电压两种，外部过电压就是雷电过电压也称大气过电压，是由雷电放电在系统中所引起的过电压，这种过电压通常是单极性的而且持续时间很短，但却可能有很大的幅值。内部过电压分暂时过电压和操作过电压两种，暂时过电压主要包括因为操作及故障(如单相接地或甩负荷)而引起的工频电压升高和由谐振(如铁磁谐振)引起的过电压，这种过电压虽然是短时存在的，但其持续时间比其他类型的过电压长。操作过电压是因为内部操作或者系统故障，使得系统参数发生了变化，电力系统内部的电磁能量转化或者传递过程中出现的过渡过程的过电压，其持续时间较短，衰减较快[1]。 2.雷电放电特性和雷电过电压

　 自然现象中的雷电，实际上与实验室中长间隙的放电一样，是雷云和大地间或者带异号电荷的雷云之间的放电现象。雷云对大地的放电常包括多次重复的放电过程，每次都由先导放电及主放电组成。当输电线路受到雷击的时候，在雷击点导线对地面出现的高电压，将沿导线向两边传播。雷电波沿着输电线路侵入到升压站，使变压器的绕组承受冲击电压的作用。在这种电压的作用下，变压器的绕组内部产生复杂的电磁振荡，并且在绕组匝间和线盘间，及在绕组对接地部件之间引起过电压[1]。 3.输电线路的感应过电压

　 当雷击附近大地的时候，雷电通道周围的空间电磁场急剧变化，在线路上产生感应过电压。如果雷电放电的先导通道带有与雷云同号的电荷(常是负电荷)向大地发展，先导与大地间就形成电场。在导线的轴线方向的电场强度把正电荷(同雷云电荷异号)吸引到靠近先导通道的导线上，成为束缚电荷。同时导线上的负电荷被排斥而向两侧运动。经过线路泄漏电导及系统中性点进入到大地。因先导发展的平均速度比较低，在导线上束缚电荷聚集的过程也比较慢，因此导线上的电流较小。主放电开始以后，先导通道里的负电荷从下而上被迅速的中和，相应的电场也迅速减弱，使得导线上正束缚电荷迅速被释放，形成的电压波向两边传播，形成了感应过电压的静电分量。同时，雷电流在放电通道的周围空间建立起了强大的脉冲磁场，这个磁场的变化在导线上感应出高电压，成了过电压的电磁分量。同直接雷过电压比较，感应过电压在三相导线上同时出现时，不会产生相间的过电压，波形较平缓，波前约为几微秒到几十微秒，而波长可以达到数百微秒[1]。 4.暂时过电压

　 暂时过电压分为谐振过电压和工频电压升高两种，暂时过电压与电源或其谐波的频率相同，且不衰减。由于不对称接地故障、空载线路的电容效应和负荷使发电机加速产生的工频电压升高是常见的暂时过电压。 4.1 接地故障引起的工频电压升高

　 当系统发生单相或者两相接地故障的时候，短路电流的零序分量使非故障相的工频电压升高。在系统的接地故障中单相接地故障最为常见，而且引起的工频电压升高也最为严重。 4.2负荷引起的工频电压升高

　 发电机突然甩负荷后，其电枢反应突然消失，根据磁链守恒原理，激磁绕组的磁通还来不及变化，与之相应的电源暂态电势仍维持原来的数值，再加上转速升高及空载线路的电容效应，会引起很高的电压升高。若甩负荷是由于切除对称短路故障而引起的，那么由于强行励磁作用会使暂态电势增高，工频电压升高得更大。一般来说故障切除以后，发电机的自动励磁装置将会使暂态电势下降，但通常在形成工频电压升高的较短时间内，自动电压调节装置还来不及发挥作用。所以暂态电势将首先上升，然后才下降。考虑线路的工频电压升高时，若同时考虑单相接地，空载线路的电容效应和突然失去负荷三种情况，可能使工频电压升高达到二倍相电压的数值。 4.3谐振过电压

　 电力系统中包括很多电感和电容元件，电感元件有互感器、电力变压器、电抗器、发电机、消弧线圈及线路的电感。电容元件有线路导线的相间电容和对地电容、补偿用的并联和串联电容器组、各种高压设备的寄生电容以及过电压保护用电容器等。在系统进行操作或者发生故障的时候，这些电感及电容元件，很有可能形成各种振荡现象，从而引起谐振过电压。这种谐振过电压不仅仅会在进行操作或者发生故障的过程中产生，而且还可能在过渡过程结束以后的很长时间内存在，一直到发生新的操作或谐振条件受到破坏为止。谐振过电压不仅仅会危及电气设备的绝缘，还会产生持续的过电流继而烧毁设备。 5.操作过电压

　 操作过电压属于系统内部过电压的另外一种类型，是在电力系统中由断路器操作或各种故障产生的过渡过程所引起的。这种过电压常带有衰减振荡的性质，同暂时过电压相比，一般持续的时间较短(常以毫秒计)，衰减得也快；同雷电过电压相比，操作过电压所持续的时间要长得多。操作过电压常见的有以下几种：空载线路合闸过电压，中性点不接地系统中电弧接地过电压，切除空载变压器过电压，切除空载线路过电压等等。另外操作过电压的幅值及其持续时间和电网的结构及其参数、系统的接线、运行操作方式及断路器性能等因素有关，由于很多影响因素都具有随机性，过电压的发展过程中又常伴随着复杂的电弧现象，因此对操作过电压的定量研究大都只能依靠系统中的实测记录。而且由于操作过电压和系统的额定电压有关，故随着额定电压的提高，那么操作过电压的问题也就突出起来。 5.1 切除空载线路过电压

　 切除空载线路在电力系统中是常见的操作。在切除空载线路或者其他电容负荷的时候产生的过电压和电流断开的时候电容上的剩余电荷及断路器当中电弧的重燃有关。因为电弧的重燃和电容的充电，在这个过程中形成振荡，在母线及线路上产生了过电压。因此切除空载线路的最大过电压和电网中性点接地方式、断路器的性能等因素有关。 5.2切除空载变压器过电压

　 切除空载变压器也是电网中常见的操作形式，正常运行的时候空载变压器表现为一激磁电感，切除空载变压器就是切除一个小容量的电感负荷。因为杂散容的存在，电感中流过的电流可通过电容形成回路，在电感当中磁场贮能心振荡形式变成电容当中的电场贮能并互相转换，产生过电压。 5.3空载线路合闸过电压

　 空载线路合闸分两种情况：正常的合闸操作、自动重合闸，因为初始条件的不同，重合闸过电压在合闸过电压中是较为严重的情况。合闸过电压是合闸时电路的过渡过程引进的。在正常合闸时，合闸前的线路上没有残余的电荷，且初始电压为零。当开关闭合的时候电源电压通过感向电容充电，并引起高频振荡过程。振荡过电压的幅值是在合闸后的半个周期出现，可以达到电源电压的二倍。若线路由于发生单相接地短路而跳闸，那么在自动重合闸动作的时候，电压的起始值就不是零，这就可能引起更高的过电压，它的值能达到三倍的峰值。 6.小结

　 目前的电力监控技术得到了较快的发展，变电所的数据采集、系统通信及系统控制等使用计算机等的弱电设备越来越多。许多城市的变电所已经实现了无人值守，那么如何保证监控设备的正常工作成为保证变电所安全运行一个关键的问题。过电压及暂态电磁干扰成为影响变电所弱电设备正常工作最主要的因素之一，而由于过电压及开关操作产生的暂态电磁干扰致使监控设备无法正常工作的情况时有发生。从原理上来说，过电压的产生大都是因为系统参数发生了变化，或遭受到外部雷电冲击的作用，使系统中的电磁能量发生了振荡。过电压的具体数值及波形特征同外部的激励源、设备的空间布置、具体线路结构和保护配置等等都有紧密的关系。国内外的研究人员对电力系统过电压产生的机理及传播耦合途径等方面都作了大量的工作。近年来国内对过电压的研究还主要集中在外部的过电压方面，也就是主要考虑雷击输电线和雷击杆塔造成的变电站侵入波的影响，主要集中在系统建模及计算方面的工作上，国外除了仿真研究以外，还开展了很多实验测试的工作。对内部过电压的研究，主要考虑谐振过电压较多，研究主要针对单个系统进行。随着办公室自动化设备及系统二次保护设备大批量采用数字式后，一次、二次之间的耦合变得越来越多，一次系统中电磁的暂态过程可能对二次系统带来很显著的影响，目前这种综合考虑一、二次系统互相耦合的研究还不多见[4]。无论如何我们要分析过电压的种类及其产生机理，根据实际情况采取措施消除过电压对电气的不利影响，确保电力系统的正常运行。 参考文献 [1]唐兴祚．高电压技术[M]．重庆大学出版社，1999 [2] 乔中亚，消除过电压对电气二次回路影响的措施， [3]周泽纯．高电压技术[M]．中国水利电力出版社 [4]陈穷．电磁兼容性工程设计手册[M]．北京：国防工业出版社，1993 [5]徐鹏根．电磁兼容性原理及应用[M]．北京：国防工业出版社，1996 [6]上海交通大学。电力系统过电压[M]．中国电力出版社