电力系统内部、外部过电压

电力系统由于外部(如雷电放电)和内部(如故障跳闸或正常操作)的原因,会出现对绝缘有危害的持续时间较短的电压升高,这种电压升高(或电位差升高)称为过电压。由雷电活动引起的过电压称为外部过电压(简称外过电压),包括直击雷过电压和感应雷过电压;而由电力系统内部操作和故障引起的过电压称为内部过电压(简称内过电压),包括操作过电压和暂时过电压,其中暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。过电压不仅对电力系统的正常运行造成威胁,而且对带电作业的安全也很重要。因此,在设备绝缘配合、带电作业安全距离选择、绝缘工具最短有效长度以及绝缘工具电气试验标准中都必须考虑这一重要因素。

在带电作业过程中,作业人员除了受到正常工作电压的作用外,还可能遇到内部过电压和雷电过电压。在《国家电网公司电力安全工作规程(线路部分)》规定:“……如遇雷电(听见雷声、看见闪电)、雪、雹、雨、雾等,不准进行带电作业……”。因此,带电作业中一般只考虑工作电压和内部过电压的作用,即正常运行时的工频电压、工频过电压和谐振过电压以及操作过电压。

外部过电压

外部过电压又称大气过电压,通常是指大气中的雷电活动引起的异常电压。其中,因直击雷而产生的过电压的幅值与雷电流的幅值、陡度和被击杆塔的波阻抗有关;因感应雷出现的过电压幅值则取决于雷云放电电流值、感应雷电压线路的对地高度和它距落雷点的距离。雷电行波的陡度很高,在导线上传播时会有明显的衰减,因而沿线各点的过电压幅值是有差异的。一般来说,落雷点附近的起始雷电压很高。

内部过电压

当电力系统内进行开关操作或者发生事故使系统内部参数发生变化时,电力系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态,在这个过程中,系统由于内部参数变化而引发电磁能量的振荡、传递和积累,并导致在某些设备上或系统中出现很高的过电压,称为内部过电压。内部过电压的大小与电网结构、系统容量及参数、中性点接地方式、故障性质、断路器性能、母线出线回路数以及操作方式等因素有关。内部过电压具有明显的统计性,研究各种内部过电压出现的概率及其幅值的分布不仅对于确定电力系统的绝缘水平具有非常重要的意义,而且是决定带电作业绝缘配合的主要依据。

内部过电压又可分为暂时过电压和操作过电压两大类,而暂时过电压包括工频 电压升高及谐振过电压。

工频电压升高的主要原因有:空载长线路的电容效应、不对称短路引起的工频电压升尚、甩负荷引起的工频电压升局等。

谐振过电压的产生则是由于电力系统中有许多电感、电容元件,其组合可以构成一系列不同自振频率的振荡回路,因此,在开关操作或故障时,只要某部分电路的自振频率与电源基波或某一谐波频率相等或接近,这部分电路就会出现谐振现 象。串联谐振通常会在系统内某一部分造成过电压。而且谐振过电压持续时间比较 长,往往造成严重后果,因此在设计时必须进行计算,防止产生谐振或降低谐波幅 值、缩短其存在时间。

电力系统操作过电压发生在由于断路器操作而引起的过渡过程中。由于开关操作使系统的运行状态发生突然变化,导致系统内电感元件和电容元件之间的电磁能量互相转换,这个过程具有高幅值、高频振荡、强阻尼和持续时间短等特点,与暂时过电压的特性不同。

操作过电压可分为以下四种:

  1. 空载线路或电容性负载的分闸过电压;
  2. 电感性负载的分闸过电压;
  3. 中性点不接地系统的电弧接地(弧光间歇接地)过电压;
  4. 空载线路合闸和重合闸时的过电压;

一般操作过电压可为系统最高相地运行电压峰值的2~4倍。对于220kV及以下系统,电气设备绝缘主要根据外部过电压确定,通常可以承受操作过电压的作用。而对于330kV及以上的超高压系统,如仍按K=3~4进行绝缘配合设计,必然使设备的绝缘费用迅速增加,而且设备体积大,影响造价和工程投资。因此在超高压系统必须综合釆取有效技术措施,以限制过电压倍数,如采用电抗器、带有并联电阻的断路器及磁吹阀型或氧化锌避雷器。

我国过电压保护规程对各种电压等级电网的操作过电压倍数K作如下规定:

  1. 35~66kV及以下系统(中性点经消弧线圈接地或不接地),K=4.0;
  2. 110~154kV系统(中性点经消弧线圈接地),K=3.5;
  3. 110~220kV系统(中性点直接接地),K=3.0;
  4. 330kV (中性点直接接地),K=2.5;
  5. 500kV (中性点直接接地),K=2.18。

随着电网电压等级的提高及对雷电过电压的防护措施及避雷器保护性能的不断提高,操作过电压已成为超高压电网绝缘设计的主要依据,对带电作业的安全距离及绝缘工具的绝缘水平起着决定性的作用。

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