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第一章谐振过电珏的特性和分类
在电力系统中,由于断路器操作、故障或其他原因,使系统参数发生变化,引起系统内部电磁能量的振荡转化或传递所造成的电压升高,称为电力系统内部过电压。
内部过电压分为两大类,即因操作或故障引起的瞬时(以毫秒计)电压升高,称为操作过电压;在瞬间过程完毕后出现的稳态性质的工频电压升高或谐振现象,称为暂时过电压。
暂时过电三虽具有稳定性,但只是短时存在或不允许其长期存在。
相对于三章运行时间,它是“暂时”的。
第一节谐振的特性
电力系统具有一系列的电气设备(包括断路器、变压器、输电线路、互感器、电抗器、电容器等),在系统进行操作或发生。
可组成极为复杂的电感、电容的振荡回路。
在正常运行时。
振荡现象是不容易发生的,这是因为系统中的有功负荷会对电气振荡回路产生巨大阻尼。
在多电源电网内,如图1—1(a)所示。
即使传输功率为零,短线路中的各点电位也由电源电势所固定,不可能产生主振荡过程,但在某些特定条件下,例如在超高压
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输电线路和中性点不接地电网中,则需采取某些附加措施和补偿设备,以使各点的正常运行电压处在规定的容许范围之内。
当断路器操作或电力系统发生故障时,电网内的某些回路或元件将被分割开来。
图1—1(b)为断路器QF断开后,形成了主要以串联补偿电容C(或开关的断口电容器)和终端变压器(或电压互感器)的励磁电感L所组成的L、C振荡回路。
在一定的能源作用下,就有可能产生串联谐振现象,引起谐振过电压。
所谓谐振(共振),是指振荡回路中的一种周期性的或准周期性的运行状态,其特征是于某一个或几个谐波幅值的急剧上升。
在通常情况下,串联谐振现象会在电网的某一个部分设备(元件)造成过电压,以致危及电气设备的绝缘;对于小容量的电感元件(例如电压互感器),谐振还会使它产生巨大的过电流,在严重情况下,造成电感线圈及其保护熔丝的过热烧毁。
谐振过电压不仅会在进行操作或发生故障的较短时间的过程中产生,而且可能在过渡过程结束后较长时间内长期稳定存在,直到发生新的操作,谐振条件受到破坏时为止。
因此谐振过电压的持续时间要比操作过电压长得多,性质上届于暂时过电压。
在某些条件下,谐振现象并不能自保持,它在发生一段短促的时间之后就自动消失。
正是由于谐振过电压的持续性质,其危害性也较大。
运行经验表明,在通常的配电网络中,几乎所有的内过电压事故都由谐振现象所引起。
此外,这种持续性质也在选择保护措施方面造成困难,例如,普通阀型避雷器的通流能力太小,它在谐振过电压下动作后往往遭致毁坏,发生爆炸。
为了尽可能地避免发生谐振过电压,在设计电网和进行操作时,应当事先进行必要的计算和进行反事故措施,改变电网的参数,避免形成不利的谐振回路。
在某些情况下,可以考虑采取一些附加措施,例如取消某些元件、调整断路器的同期性、装设阻尼电阻、改变中性点接地方式等,以便消除谐振的发生,或者缩
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第二章线性谐振过电珏
第一节消弧线圈补偿电网中的线性谐振
在中性点不接地系统中发生单相接地时,接地点的接地电流是非故障相对地电容电流之和。
根据DL/T620--1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》3.1.2规定:
3一10kV不直接连接发电机的系统和35、66kY系统,当单相接地故障电容电流不超过下列数值时,应采用不接地方式;当超过下列数值又需在接地故障条件下运行时,应采用消弧线圈接地方式。
a)3~10kV和所有35、66kY系统,10A。
b)3~10kV非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统,当电压为:
1)3kY和6kV时,30A;
2)10kY时,20A。
c)3~10kV电缆线路构成的系统,30A。
因此在电网中性点与地之间接入消弧线圈之后,电网发生单相接地电容电流将会得到有效补偿。
如能使故障点的残余电流减至10A以下,就可促使接地电弧不易重燃。
因电网的单相接地电容电流得到消弧线圈的感性电流的补偿,因此,接有消弧线圈的电网,也称之为补偿电网。
经消弧线圈接地的电网,亦称之为谐振接地系统。
消弧线圈实际上是一个具有带气隙铁芯的可调电感消弧电抗器。
它有自动跟踪补偿方式和非自动跟踪补偿方式之分.由于前者有后者无法比拟的优点,故新增、扩建项目都采用自动跟踪补偿消弧方式。
有必要时,原有工程项目中也应逐步淘
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汰非自动调谐消弧线圈而采用自动跟踪补偿消弧系统。
一、补偿电网的运行方式
补偿电网的接线图如图2-1所示。
图中C1、C2、C3和z1、f2、gz分5U代表a、b、c三相的对地电容和对地泄漏电导,并认为g1=2g=g3。
g0代表消弧线圈的损耗电导。
由于三相导线排列的不对称性,llOkV及以下电网的三相导线是不换位的,因此三相对地电容C1、C2、C3是不相等的,最大相差可达10%。
为了说明三相对地电容存在的差异,我们引入电容比值m,mc2=C2/C1、m3=C3/C1,它是以最大电容C1为单位的各相相应的电容比值。
在这种情况下,即使不接消弧线圈,电网中性点也会发生位移,称为不对称电压Ubd,这对线路运行很不利。
接入消弧线圈后,中性点位移电压U0通常要求不大于电网标称电压的15%。
在全补偿(消弧线圈补偿的电感电流等于电网的电容电流,即IL=Ic)时,此时位移电压U0仅受阻尼率d限制,即
U0≈Ubd/d (2—1)
实测表明,对于正常绝缘状况的架空线阻尼率d不超过3%~5%,其中较小值指60一110kV的电网,较大值指10~35kV的电网;当绝缘污染和受潮时,d可增至10%。
电缆电网的d
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第三章铁磁谐振过电压
第一节引 言
铁磁谐振(非线性谐振)是指发生在含有铁芯电感元件(非线性电感)的串联振荡回路中的谐振。
它有与线性谐振很不同的特点。
为了监测发电、变电站母线对地电压,通常在其母线上接有电压互感器,并且一次绕组接成星形,中性点直接接地。
这样当进行某些操作时<例如中性点不接地系统非同期合闸,或接地故障消失之后),电压互感器的励磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路。
由于回路参数及外界激发条件的不同,可能产生分频(1/2、1/3、1/5、2/3次等)、工频(基波)或高频(2、3、5倍等)铁磁谐振过电压。
运行经验表明,因电磁式W(即电压互感器)引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见,且造成事故最多的一种内过电压,它严重影响变电站的安全运行,造成绝缘事故和增加运行人员的工作负担,必须予以重视。
这类过电压的形式是多样的:
高次谐波谐振的基本现象,若以3次谐波为例,则中性点出现较高的3次谐波电压,其与工频电压三相叠加后,则可能是三相对地电压同时升高或其中一相明显升高,零序电压两端往往也会同时出现过电压,较高的高频谐振过电压可能引起电压互感器的绝缘破坏或避雷器爆炸。
基波谐振的基本现象,因中性点的位移电压与某一接地相的电压反相,且零电位必须移到线电压三角形之外,故该相电
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压的相位恰好与原来的相位相反(产生反倾)而且其数值降低,但并不为零;其余二相对地电压升高,其值将超过线电压,产生虚幻接地现象;零序电压两端往往也会同时出现过电压。
分次谐波谐振的基本现象,电压互感器零序电压绕组出现分频的零序电压,三相电压表的指针在相同的范围内出现低频摆动。
因频率的降低,TV的L值急剧下降,铁芯严重饱和,它会在TV中引起低频过电流,高达额定励磁电流的百倍以上,造成TV高压熔断器的熔丝熔断,严重的烧毁TV,甚至爆炸,并危及人身安全。
第二节断线过电压
所谓断线过电压,这里泛指由于导线因故障折断、断路器非全相动作或严重不同期、熔断器一相或两相熔断等原因造成电力系统非全相运行的现象。
只要电源侧或负荷侧有一侧中性点不接地,断线可能组成复杂多样的非线性串联谐振回路,出现谐振过电压。
断线谐振会导致系统中性点位移及绕组、导线对地产生过电王,严重时使绝缘闪络、避雷器爆炸、小电机产生反倾(即反转)现象。
还有可能将过电压传递到低压侧,造成危害。
下面对单端电源和双端电源两种情况分别加以讨论。
一、单电源线路的断线过电压
在220kV及以下的所有三相电网内,断线的结果都有可能形成电感、电容的串联谐振回路,其中电感是指空载或轻负荷变压器的励磁电感和消弧线圈的电感等,电容是指导线的对地和相间电容,或电感线圈的对地杂散电容等。
在单相电源线路中的断线过电压我们分别介绍中性点接地系统和中性点不接地系统。
(1)在35kV及以下的中性点不接地系统电网内,断线引起
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第四章参数谐振——同步电机自励磁过电压
当同步发电机接在有容性负荷(例如空载线路)时,由于容性电流的助磁作用,如果外电路参数配合得当,那么即使励磁电流很小,甚至为零(零点升压),也会使发电机的端电压和电流的幅值急剧上升,最终产生很高的过电压,使与其他电源的并车运行成为不可能,这种现象称为同步发电机的自励磁现象。
所产生的自励磁过电压又称为自励过电压。
自励磁现象乃是同步电机内部电磁能量交换的一种不稳定工作状态,如果不采取一定的附加措施,它能在各种电压等级的电网中产生。
它就其物理本质来说,它是由于电机旋转时电感参数发生变化,与电容形成参数谐振而引起的。
由于发电机参数的变动频率为工频的2倍,故根据参数谐振的性质,自励磁振荡频率乃是工频。
产生参数谐振的基本过程:
图4-1(a)给出了电机接有容性负荷的等值电路以及电感变化的曲线。
在正常运行时,当同步电机处在同步或异步工作状态时,水轮发电机(凸极机)的同步电抗参数在Xa=wLd和Xq=wLq之间或X'a和Xq之间周期性的变动(Xd>Xq),并且在每一个电周期T电感值在Ld和Lq之间变化二个周期。
汽轮发电机(隐极机》同步电抗参数则在一个周期内暂态电抗X′d和Xq之间变化二个周期(Xa>X′/d)。
图4-1(b)为电感及电流变化曲线图。
从分析参数谐振的发展过程,需对电感参数的变化规律作些假设:
(1)忽略回路损耗,即图4-1(a)中的反=0;
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第六章中性点接地方式
电力系统中性点接地方式是一个很重要的综合性问题,它不仅涉及经济性、可靠性、过电压绝缘水平的选择,而且对通信干扰、人身安全有重要影响。
城乡的10、20、35、66kV四个电压等级的电网,在电力系统占有重要地位。
在过去,因配电网比较小,主要采用不接地方式或经消弧线圈接地方式,一般而言,运行情况是良好的,对提高供电可靠性起了很好的作用。
在20世纪80年代后期,一些城市和地区配电网采用了小电阻或高电阻接地方式,近年来各种不同形式的自动跟踪补偿消谐装置开始在配电系统中运行。
城乡配电网的中性点接地方式是一个涉及面广的综合性问题,不同地区具有不同特点的配电网,在各个发展阶段的要求也是不一样的,而各种中性点接地方式和装置都有一定的适用范围
超高压电网的发展,特别是500kV超高压自耦变压器已在电网中广泛应用,也带来一些新问题,随着电网的扩大,大型、特大型变电站布点增多,中性点直接接地方式已引起电网的零序阻抗急剧下降,单相短路电流已超过三相短路电流值,并超过断路器的额定遮断容量。
为降低单相短路电流,采用变压器中性点加小电抗技术便应运而生。
第一节消弧线圈的原理和结构
中性点经消弧线圈接地,保留了中性点不接地方式的全部优点。
由于消弧线圈的电感电流补偿了电网接地电容电流,使得接地点残流减少到5A及以下,降低了故障相接地电弧恢复电压的
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上升速度,以致电弧能够自行熄灭,从而提高供电可靠性。
经过消弧线圈接地系统的过电压幅值不超过3.2Uph,因此接有消弧线圈的电网,称为补偿电网。
经消弧线圈接地的电网称为谐振接地系统,它有自动跟踪补偿方式和非自动跟踪补偿方式两种。
前者比后者有无可比拟的优点,目前电力系统无论新建或扩建都采用自动调谐消弧线圈,并正在逐步淘汰非自动调谐消弧线圈。
1.消弧线圈的消弧原理
由图6—1可知,电网中性点接人消弧线圈后,发生单相接地
应当指出,消弧线圈的作用并不是降低弧光接地过电压,而是由于它在易于熄弧和防止重燃方面的有利作用,使过电压持续时间大为缩短,降低了高幅值过电压出现的概率。
(1)完全补偿。
完全补偿即是I=IL+Ic=0的补偿方式。
此时脱谐度v=0,脱谐度的物理意义指在并联谐振电路中,其调谐的程度达到谐振的条件。
在以往的概念中,完全补偿是个禁区,但在自动跟踪补偿的系统中允许完全补偿,因为在这种装置里串联或并联电阻器,不会出现中性点位移超过允许值,也不
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