4.9过电压及绝缘
考试大纲
9.1了解电力系统过电压的种类
9.2了解雷电过电压的特性
9.3了解接地和接地电阻、接触电压和跨步电压的基本概念
9.4了解氧化锌避雷器的基本特性
9.5了解避雷针、避雷线保护范围的确定
发输配和供配电历年考题统计
2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 1 1 3 3 1 1 2 2 3 3 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 5 3 2 2 4 5 7
9.1电力系统过电压的种类
电力系统内部的过电压主要有：
（1）工频过电压：由于电网运行方式的突然改变，引起某些电网工频电压的升高。
（2）操作过电压：由于电网内开关操作引起的过电压。
（3）谐振过电压：由系统电感和电容组成的谐振回路引起的过电压。
9.1.1工频过电压
工频电压升高包括：
突然甩负荷引起的工频电压升高；
空载线路末端的电压升高；
发电机自励磁；
系统不对称短路时的电压升高。
1．突然甩负荷引起的工频电压升高
（1）发电机电枢反应的变化引起的工频电压升高
一般系统所带的是感性负荷，感性负荷的电流对发电机起去磁的电枢反应，当系统突然甩掉负荷时，这个去磁的电枢反应也随之消失，但根据磁链守恒原理，穿过励磁绕组的磁通来不及变化，故发电机端电压将升高到。同时，甩掉感性负荷的长线路呈容性，容性的电流又对发电机起助磁的电枢反应。
线路上的电压将为：
式中——线路的等值容抗，(；
——同步发电机纵轴暂态电抗，(；
——变压器的短路电抗，(。
对于110～220kV或更低电压的线路，电压约上升20％～30％；对超高压远距离的输电线路，其末端电压能达到更高的数值。
（2）发电机转速上升引起的工频电压升高
发电机突然甩负荷后，由于发电机的调速器及调压器来不及起作用，发电机的转速将要上升，而电压几乎随着转速的上升成正比增加。设n表示以发电机额定转速为基准值的标么转速，则线路工频电压的升高为：
对汽轮机，n值平均为1.1～1.15，对水轮机，n为1.2～1.3，相应的工频电压升高约为10％～15％及20％～30％。
母线及输电线上的电压，由于突然甩负荷，可达额定值的1.2～1.3倍。当线路电容较大时，此值还可能更高。这种电压上升时间约为几分之一秒，但实际上受机组调压器、调速器以及变压器、发电机磁饱和的限制，实际电压上升视具体情况而定。
2．空载线路末端的电压升高
线路越长，电感、电容越大，线路常数越小，空载线路末端电压也就越高，这也就是常说的长线路的电容效应。
《导则》规定，线路末端电压不能超过系统额定电压的1.15倍，持续时间不应大于20min，因此，在给线路充电时，必须估算可能产生的过电压，当可能产生的过电压超过允许值时，要采取相应措施。特别对500kV线路，连同电抗器一起充电，是限制其末端电压升高的有效手段。
3．发电机的自励磁
电力系统中，水轮发电机正常运行时，其电抗在之间呈周期变化；在异步运行时，无论水轮发电机或汽轮机发电机，它们的电抗在之间周期变化，变化频率均为工频的二倍，如发电机带有空载线路，其容抗参数与发电机感抗配合得当就可能引起参数共振，此时发电机励磁电流很小，甚至为零，发电机端电压和电流幅值也会急剧上升。这种现象称为发电机自励磁。在各种电压等级的电网中，都可能产生自励磁过电压。
4．不对称短路时的电压升高
在发生不对称短路时，非故障相电压将升高。
9.1.2操作过电压
常见的操作过电压有：
切除空载线路引起的过电压；
切除空载变压器的过电压。
电弧接地过电压；
电感性负载的拉闸过电压；
空载线路合闸时的过电压；
1．切除空载线路时的过电压
切断空载线路或并联电容器组时，可能引起电感-电容回路振荡过程，引起过电压，产生电弧重燃，引起电气设备的多次绝缘闪络或击穿事故。
用开关切除空载线路时，可能在线路或母线侧出现危险的过电压。在工频条件下，由于，空载线路表现为一个等值的电容负荷，所以切除空载长线时产生的过电压与切除电容器组时产生的过电压性质完全相同。
2．切除空载变压器引起的过电压
切除空载变压器是电网中常见的一种操作形式。在正常运行的情况下，空载变压器表现为一个励磁电感（它的漏感较小得多，可以忽略），因此切除空载变压器也即是切除电感负载。
切除电动机、电抗器时，开关中的电感电流突然被切断，电感中储存的电能将在被切除的电器和开关上引起过电压。
3．弧光接地过电压
在中性点不接地系统中发生单相接地故障时，各相的相电压升高，则流过故障点的接地电流也随着增加，许多暂时性的单相弧光接地故障往往能自行熄灭，在接地电流不大的系统中，不会产生稳定的电弧，这种间歇性的电弧引起系统运行方式瞬息变化，导致多次重复性电磁振荡，在无故障相和故障相上产生严重的弧光过电压。
4．电感性负载的拉闸过电压
当切除电感性负载时，由于断路器强制熄弧，随着电感电流的遮断，电感中的磁能将转为静电能，出现过电压。
5．空载线路的合闸过电压
系统在合闸初瞬间的暂态过程中，电源电压通过系统的电感和电容，在回路中会发生谐振，因起过电压。
9.1.3谐振过电压
电力系统中具有许多非线性铁心电感元件，它们和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路，可能激发起持续时间较长的铁磁谐振过电压。
铁磁谐振过电压，可以是基波谐振，可以是高次谐波谐振，也可以是分次谐波谐振。
铁磁谐振过电压可以在3～500kV的任何系统中甚至在有载长线的情况下发生，过电压幅值一般不超过1.5～2.5倍的系统最高运行相电压，个别可达3.5倍。谐振过电压持续时间可达十分之几秒以上，不能用避雷器限制。
铁磁谐振过电压表现形式可能是单相、两相或三相对地电压升高，或以低频摆动，或产生高值零序电压分量。
常见的发生铁磁谐振过电压的情况有：
各相不对称断开时的过电压
配在中性点绝缘系统中，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压
开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过电压
传递过电压
1．各相不对称断开时的过电压
线路只断开一相或两相的情况叫作不对称断开。当线路末端接有中性点绝缘的空载或轻载变压器时，不对称断开可能引起铁磁谐振过电压。若变压器中性点直接接地，则不会产生此种类型的过电压。
2．在中性点绝缘系统中，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压
电压互感器通常接在变电所或发电机的母线上，其一次侧绕组接成星形，中性点直接接地，因此各相对地励磁电感与导线对地电容之间各自组成独立的振荡回路，并可看成是对地的三相负荷。
在正常运行条件下，三相对地负荷是平衡的，电网的中性点处在零电位。当电网发生冲击扰动时，可能使一相或两相的对地电压瞬间提高。使得相互感器的励磁电流突然增大而发生炮和，其等值励磁电感相应减小，这样，三相对地负荷变成不平衡了，中性点就发生位移电压。结果可能使一相对地电压升高，另外两相则降低；也可能使两相对地电压升高，另一相降低，一般后者常见，这就是基波谱振的表现形式。
3．开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过电压
当母线较短，且接有电磁式电压互感器，母线在空载充电状态下，当线路开关跳闸，线路上的电源电压作用于开关的断口并联电容和电压互感器上。由于系统电源中性点是直接接地的，PT也是三相分立中性点直接接地的。网络在正常运行条件下，C和L并联于系统电源，回路是稳定的。当断路器断开后，断口的均压电容C和PT的电感L构成了铁磁谐振回路条件。
4．传递过电压
电网中发生不对称接地故障，开关非全相或不同期动作时，网内将出现零序电压和三相电流不对称，通过电容的静电耦合和电感的电磁耦合，对于相邻的送电线路之间或变压器绕组之间会产生电压的传递现象。当系统接有电压互感器等铁磁元件时，还可能构成串联谐振回路，产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压。
9.2.1雷电放电过程
放电开始时，微弱发光通道以107～108cm/s的平均速度以断续脉冲形式向地面伸长，这一阶段称为先导放电。
当先导到达地面或与迎面先导会合后，就开始从地面向雷云发展的主放电阶段。在主放电阶段中，雷云与大地之间所聚焦的大量电荷发生强烈“中和”，放出能量，发出强烈的闪光和震耳的雷鸣。主放电持续时间约为50(s～100(s。
随后进入持续时间为0.05s～0.15s的间歇阶段，雷云中的残余电荷经原先的主放电通道向地面传播，形成余辉阶段。
在第一次放电过程完成之后，还可能发生第二次或随后多次的放电，这是因为雷云中存在着多个空间电荷聚焦中心。
9.2.2雷电参数
1．雷电日与雷电小时
为了表示不同地区雷电活动的频繁程度，通常利用每年平均雷电日为计量单位。
雷电日的定义是在一天内只要听到雷声（一次或一次以上）就算一个雷电日。在不同年份观测到的雷电日数变化较大，一般是取多年的平均值，即年平均雷电日。
我国把年平均雷电日不超过15的地区叫做少雷区；超过15但不超过40地区叫中雷区；超过40不超过90地区叫多雷区，超过90及根据运行经验雷害特殊重地区的叫强雷区。
2．地面落雷密度
雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度表示，其定义是每个雷电日每平方公里上的年平均落雷次数。
式中——年平均密度，次/km2(a；
——年平均雷暴日，d/a。
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