电网非接触式过电压在线监测技术(编辑修改稿)

电网非接触式过电压在线监测技术(编辑修改稿)内容摘要：

 图 过电压的分类 雷电过电压 雷电过电压是由于 外界能量的引入而引起的过电压。 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、以及通讯网络等造成很大的破坏，有时甚至会造成巨大的经济损失 [9]。 雷电放电的过程 雷电放电是一种长间隙的自持放电，存在先导过程。 通常 90％的雷电都是负极性的，而且大部分都属于下行雷 [10]。 我们以下行雷为例，介绍雷电放电的 三个阶段 [11,12]。 先导放电阶段：雷云对大地有静电感应 ，在雷云电场的作用下，大地感应 7 出异号电荷 ，两者形成一个特殊的大电容器，随着雷云中电荷的逐步积累 ，空间的电场强度不断增大。 当雷云中的电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强时，就会产生强烈的碰 撞电离，形成指向大地的一段导电通道，称为雷电先导。 先导放电不是连续向下发展的，而是一段接着一段的向前推进的。 主放电阶段：当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。 当迎面先导与下行先导相遇时，便产生强烈的“中和”过程，引起极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随出现闪电和雷鸣现象。 主放电阶段的特点是主放电存在的时间极短，约为 50 到 100 s ， 且放电电流极大，可达到数十至数百千安。 余光放电阶段：主放电到达云端就结束了，然后云中的残 余电荷经主放电通道流下来，称为余光放电阶段。 由于雷云中的电阻很大，余光放电阶段对应的电流不大，约为数百安培，持续时间则较长（ ~） [7]。 雷云中的电荷分部是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后 ，可能引起第二个 、 第三个甚至更多个的中心向第一个中心放电 ，并沿原来的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。 第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过 30KA，但是雷电后续分量的 陡度非常大，对电力系统的危害很大 [13]。 图 雷电放电的发展过程 8 感应雷过电压 当雷击线路附近大地或线路杆塔时，由于雷电通道周围空间电磁场的剧烈变化，会在输电线上感应产生过电压。 该过电压由静电分量和电磁分量两部分构成。 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。 感应雷 过电压具有如下的特点： 感应雷过电压的极性一定与雷云的极性相反； 感应雷过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后才能出现； 感应雷过电压的波前平缓 (数微秒到数十微秒 )，波长较长 (数百微秒 )； 感应雷过电压在三相导线上同时出现，且数值基本相等，故不会出现相间电位差和相间闪络，如幅值较大，也只能引起对地闪络 [9]。 直击雷过 电压 我国 110KV 及以上线路一般全线装有避雷器，而 35KV 及以下线路一般不装设避雷线，线路落雷有三种情况：雷击杆塔塔顶及其附近避雷线、雷绕击于线路、雷击避雷线档距中央。 直击雷过电压对电力系统的危害最大。 雷击线路后，雷电波会沿着输电线浸入变电站，对变电站的设备造成破坏，因此，变电站都装有 1～2km 的进线段 保护，用来限制雷电波的幅值和陡度。 并且在变电站进线 处 也要安装避雷器，防止雷电波的侵入。 内过电压 工频过电压 电力系统中的工频过电压倍数一般小于 2，这对于 220kv 及其以下系统的正常绝缘的电气设备是没有危害。 但是对特高压、超高压远距离输电系统，工频过电压对确定系统绝缘水平却起着决定性的作用，必须 予以充分的重视。 工频电压升高的数值是决定保护电器的工作条件的重要根据 [8]。 例如，避雷器的最大允许工作电压就是由避雷器安装处的工频电压升高决定的。 工频电压升高的幅值越大，避 9 雷线的最大允 许 工作电压也要提高，则避雷器的冲击放电电压和残压也将提高，相应被保护的电气设备绝缘水平也要随之提高。 空载长线路的电容效应 空载 长 线路末端电压高于首端电压的的现象就是所谓的空载 长 线路的电容效应而引起的工频电压升高。 如图 所示，一般线路的等值容抗远远大于线路的等值感抗，输电线路的等值电路如下： C 1C 2r L1U2U2 0I 1I2CI 图 输电线路等值电路图 2CI 2LCjX I 2CrI2U1U 图 电压的向量图 由上可知，在线路空载的 情况下，在输电线路首端电压的作用下，可列出如下电路方程为 ： 221 2 2 LjXccrL r I IU U U U U          （ ） 以 2U 为参考方向，可 得到 图 所示的向量图 ，由向量图可以清楚的看到，由于电容电流的存在，线路末端的电压 2U 反而比首端的电压 1U 大。 这就是空载长 线路的电容效应。 不对称接 地引起的工 频电压升高 不对称 接地是输电线路中最常见的故障形式。 当系统发生单相或者两相不对称接地短路时，短路引起的零序电流会使健全相出现工频电压升高，其中单相接地时非故障相的电压可达到较高的数值，若同时发生健全相的避雷器动作，则要求避雷器能在较高的工频电压作用下切断续流。 因此，单相接地工频电压升高是确 10 定避雷器灭弧电压的依据 [8]。 在中性点直接接地或经低值阻抗接地系统中，零序电抗是感抗，而系统的正序电抗是感性的，此时非故障相电压随着 01/XX（ 0X 为零序电抗， 1X 为正序电抗）值的增大而上升。 高压和超高压系统采取中性点直接接地方式时，由于考虑继电保护、系统稳定等方面的要求，一般 01/3XX ， 其故障相电压升高不大于 倍线电压。 中性点不接地系统 包括两种情况：中性点绝缘、中性点经消弧线圈接地。 中性点绝缘时 单相接地时非故障点的工频电压升高约为 倍线电压。 中性点经消弧线圈接地的系统，即在系统中性点与地之间接一个电感线圈，用以补偿零序电容，此种情 况下非故障相电压有可能上升至线电压。 甩负荷引起的工频过电压 当线路重负荷运行时，由于某种原因 ，如系统发生接地短路故障，断路器将跳闸甩掉负荷。 甩负荷前，由于线路上输送着相当大的有功及感性无功功率，因此系统电源电势必然高于母线电压。 甩负荷后，根据磁链不变原理，电源暂态电势将维持原来的数值，加上甩负荷后形成的电容效应以及发电机超速造成电势和频率上升，将产生较高的工频过电压。 谐振过电压 谐振是指振荡回路中某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态 （ 或准稳 态 ） 现象 [7]。 在这种周期 性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐波幅值会急剧上升。 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、电磁式电压 互感器、电抗器、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。 在正常运行时，这些元件参数不会形成谐振，但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。 谐振过电压持续时间比操作过电压长得多，甚至是稳定存在的，直到破坏谐振 条件为止。 某些情况下，谐振发生一段时候后会自动消失，不能自保持。 谐振过 11 电压的危害性既决定于其幅值大小，也决定于持续时间长短。 电力系统中的电容一般为线性参数，而电感则可以是线性、非线性或周期性变 动的参数，它们与电容参数配合就构成了三种不同性质的谐振 [7]： 线性谐振：这种回路中的电感与电容、电阻一样，都是线性参数。 回路中的电感元件或者为不带铁芯的电感 (如线路电感和变压器漏感 )，或者为励磁特性接近线性的有铁芯电感 (如消弧线圈，其铁芯常带有气隙 )。 发生线性谐振的条件是等值回路的自振频率等于或接近电源频率。 铁磁谐振 (非线性谐振 )：是发生在含有非线性电感元件的串联振荡回路中的 谐振。 当电感元件带有铁芯时，一般都会出现饱和现象，这时电感不再是常数，而是随着电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件时，就会产生铁磁谐振现象。 铁磁谐振与线性谐振 的 特点 不大相同。 由于谐振回路中的铁芯电感会因磁饱和程度不同而相应有不同的电感量，于是铁磁谐振回路的自振角频率也不是固定的。 研究表明，在不同的条件作用下，铁磁振荡回路可产生三种谐振状态：谐振频率等于工频的工频谐振，也称基波谐振；谐振频率为工频整数倍的高频谐振，也称高次谐波谐振 ；谐振频率为工频分数倍的分频谐振，也称分次谐波谐振。 参数谐振：系统中某些元件的电感参数在某种情况下会发生周期性的变化， 例如发电机转动时，其电感的大小随着转子位置的不同而周期性的变化。 当发电机带有电容性负载 (例如一段空载线路 )时，如再存在不利的参数配合，就有可能引发参数谐振现象。 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 [7]。 操作过电 压 电力系统中有许多电感、电容元件，构成了复杂的振荡回路。 操作过电压是指电力系统中由于操作 从一种稳定工作状态通过振荡转变到另一种工作状态的过渡过程中所产生的过电压。 这里所指的操作，包括断路器的正常操作，例如空载线路的分闸合闸操作、空 载变压器和电抗器的分闸操作等；还包括故障情况，例如接地故障，短路 故障。 12 操作过电压的能量来源 于 电力系统本身，所以操作过电压的数值与电力系统中的额定电压 有关。 电力系统中的额定电压越高，操作过电压的问题就越突出。 在超高压、特高压电网中，操作过电压对电气设备的绝缘选择起着决定性的作用。 因此操作过电压的防护是发展超高压、特高压 电网的重要研究课题之一。 间歇电弧接地过电压 运行经验表明，电力系统的故障至少有 60％是单相接地故障。 在中性点接地电网中，当发生单相接地故障时，故障点与接地点可以构成一个短路回路，此时，回路中电流很大，继电保护装置会动作，导致线路被切除。 但是，在中性点不接地电网中， 系统单相接地时流过故障点的电流是不大的对地电容电流 ，这 时系统三相电源电压仍然维持对称，不影响对用户的继续供电，因此不要求立即切除故障线路，允许继续运行一段时间（一般 ～ 2h）。 在中性点不接地系统中，当电网较小，线路不长，线路对地电容电流较小时，系统发生单相接地故障时流过接地点的电流也小，许多临时性的单相电弧接地故障，接地电流可以自动熄灭 ，系统很快恢复正常。 随着电网的发展和电缆出线的增多，单相接地电容电流也随之增加，当 6～ 10kv 线路电容电流超过 30A， 20～ 60kv 线路电容电流超过 10A 时，接地电弧将难以自动熄灭。 但这种电容电流又不会大到形成稳定的电弧的 程度，而表现为接地电流过零时电弧暂时性熄灭，随后在故障点恢复电压的作用下，又重新出现电弧，系统出现电弧时燃时灭的不稳定状态。 这种 故障点电弧重燃和熄灭的间歇性现象，引起电力系统状态瞬间改变，导致电网中的电感、电容回路中的电磁振荡，因而产生遍及全电网的电弧接地过电压。 这种过电压持续时间较长，若不采取措施，可能危机设备绝缘 ，引起线间短路造成故障。 在实际电网发生间歇电弧接地时，燃弧和重燃是随机的，这对过电压的倍数有很大的影响，另外系统相关参数对过电压也有较大的影响，如考虑线路间电容、绝缘子串泄露残余电荷以及网络 损耗电阻对过渡过程都将有衰减作用。 因此，实际电网中间歇电弧接地过电压的倍数一般小于。 为了防止此种过电压的 影响，通常采取中性点接消弧线圈来补偿电容电流，一般消弧线圈处于过 补偿状态。 空载线路分闸过电压 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 13 成电弧重燃现象，从而引起电磁振荡，出现过电压。 空载线路分闸过电压不仅幅值高，而且持续时间长，可达 ~1 个工频周期以上。 而且断路器灭弧能力 越差，重燃 几率越大，过电压幅值越高 [9]。 影响过电压的因素有： 断路器的灭弧性能及电弧燃灭过程的随机性； 线路侧的损耗因素。 线路侧的损耗，尤其 是 有功损耗能起到阻尼振荡的作用，从而使过电压减小。 中性点接地方式。 中性点不接地时，因三相断路器动作的不同期，会形成瞬时的不对称，产生中性点位移电压，使过电压增大。 为了限制线路分闸过电压可以采取以下措施 ： 改善断路器的灭弧性能 ； 采用 带并联电阻 的断路器； 采用 避雷器。 空载线路合闸过电压 空载线路的合闸有两种 不同的形式：一种是计划性 合闸操作；另一种是自动重合闸操作。 空载线路无论是计划性合闸还是自动重合闸，都将使线路从一种稳态过渡到另一种稳态 ，又由于系统。