电力系统内部过电压的理论分析

电力系统内部过电压是指电力系统中由于断路器操作、故障或其他原因,使系统参数发生变化,引起电网内部电磁能量的转化或传递所造成的电压升高。内部过电压的能量来源于电网本身,所以它的幅值与电网工频电压基本上成正比。一般将内部过电压幅值与电网最高运行相电压幅值之比称为内部过电压倍数K n,表示内部过电压的大小。K n值与电网结构、系统中各元件的参数、中性点运行方式、故障性质及操作过程等因素有关,并具有明显的统计性。

电力系统运行的可靠性很大程度上决定于设备绝缘水平及其工作状况。因此,合理地规定电力设备和线路的绝缘水平并采取有效的防护措施具有十分重要的意义,而这一工作的基础就是研究电力系统的绝缘承受的各类电压的波形、幅值和承受时间。电力系统的绝缘除了受到正常工作电压的作用外,还将承受各种过电压。由于系统外部(雷电)及内部(开关操作、断线、接地等)的各种原因,电力系统中的某些部分会出现高于额定工作电压的过电压。概括起来,设备在运行中承受的电压可分为四种类型:A类,正常运行条件下的工频电压;B类,暂时过电压;C类,操作过电压;D类,雷电过电压。其中,A类就是电网最高运行电压。它比额定电压高些,其值与额定电压之比随电网电压等级的不同而有所差异。例如,220kV系统最高运行电压为252kV,即最高运行相电压峰值为206kV,500kV电网系统最高运行电压为550kV。B、C两类称为内部过电压,它是由于系统的内部状态变化而产生的。过电压的幅值与系统的额定电压相关,因而常用过电压倍数来表示幅值大小,并取最高运行相电压幅值为基准值。暂时过电压的产生原因很多,如空载长线路的电容效应、不对称接地故障、突然甩负荷、线性或铁磁谐振等。这类过电压的持续时间比操作过电压长,基本上与电路的稳态相联系。操作过电压是由于电网中某处参数突变(如断路器操作或线路对地短路)而引入,它是电网从某一稳态向另一新稳态过渡阶段中产生的,因此,它与电路的暂态相联系,与暂时过电压相比其持续时间较短。雷电过电压,顾名思义,它是与雷云发展、放电过程相联系的。对较低电压等级的电网,它是确定其绝缘水平的依据。随电压等级的提高,操作过电压,以至于工频电压都逐渐上升为决定绝缘水平的主要因素。

电力系统在正常或带故障运行中出现的幅值超过最高运行相电压的工频或接近工频频率的电压升高称为工频电压升高。它主要是由于空载长线路的电容效应、不对称短路、甩负荷等原因引起。一般,这类过电压的本身幅值不直接对正常绝缘的电气设备造成危害,但由于它对其他过电压的潜在影响,在考虑超高压远距离输电系统的绝缘配合时还必须给予特别重视。主要原因如下:

(1)在内部过电压中,操作过电压常和工频电压升高并存,而工频电压升高将使操作过电压的暂态分量的振幅及其振荡基轴都抬高。(www.xing528.com)

(2)工频电压升高的数值是确定保护电器工作条件的依据。例如,避雷器的最大允许工作电压就是按照电网单相接地时非故障相电压值确定的。而避雷器最大允许电压高者,其冲击放电电压和残压也高,相应地也就要提高被保护设备的绝缘强度。

(3)工频电压升高的持续时间长,对设备绝缘及其运行性能有重大影响。例如,污秽绝缘子闪络、铁芯过热等。为此,不但对工频电压升高的幅值要限定,而且对其持续时间也有规定。DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定,我国500kV电网,线路断路器的变电所侧工频电压升高值不超过1.3p.u.;线路断路器的线路侧不超过1.4p.u.;500kV空载变压器允许1.3倍工频电压持续1min,并联电抗器允许1.4倍工频电压持续1min。