13.1 電力系統過電壓的種類和過電壓水平
13.1.1 概述
1． 定義
（1）少雷區less thunderstorm region
平均年雷暴日數不超過15的地區。
（2）中雷區middle thunderstorm region
平均年雷暴日數超過15但不超過40的地區。
（3）多雷區more thunderstorm region
平均年雷暴日數超過40但不超過90的地區。
（4）雷電活動特殊強烈地區thunderstorm activity special strong region
平均年雷暴日數超過90的地區及根據執行經驗雷害特殊嚴重的地區。
2． 系統系統過電壓種類
（1）正常執行時的工頻電壓；
（2）暫時過電壓(工頻過電壓、諧振過電壓)；
（3）操作過電壓；
（4）雷電過電壓。
3． 相對地暫時過電壓和操作過電壓的標麼值
相對地暫時過電壓和操作過電壓的標麼值如下：
（1）工頻過電壓的；
（2）諧振過電壓和操作過電壓的。
注：um為系統最高電壓。
4. 系統最高電壓的範圍
系統最高電壓的範圍：
（1）範圍ⅰ，3.6kv≤um≤252kv；
（2）範圍ⅱ，um＞252kv。
表13.－1 系統標稱電壓un和系統最高工作電壓um（方均根） kv
13.1.2 電力系統過電壓水平
1. 暫時過電壓(工頻過電壓、諧振過電壓)及保護
暫時過電壓(工頻過電壓、諧振過電壓)與系統結構、容量、引數、執行方式以及各種安全自動裝置的特性有關。工頻過電壓、諧振過電壓除增大絕緣承受電壓外，還對選擇過電壓保護裝置有重要影響。
(1) 工頻過電壓
(a)系統中的工頻過電壓一般由線路空載、接地故障和甩負荷等引起。對範圍ⅱ的工頻過電壓，在設計時應結合實際條件加以**。根據這類系統的特點，有時需綜合考慮這幾種因素的影響。
通常可取正常送電狀態下甩負荷和**路受端有單相接地故障情況下甩負荷作為確定系統工頻過電壓的條件。
對工頻過電壓應採取措施加以降低。一般主要採用**路上安裝併聯電抗器的措施限制工頻過電壓。**路上架設良導體避雷線降低工頻過電壓時，宜通過技術經濟比較加以確定。
系統的工頻過電壓水平一般不宜超過下列數值：
線路斷路器的變電所側
線路斷路器的線路側
（b）對範圍ⅰ中的工頻過電壓
對範圍ⅰ中的110kv及220kv系統，工頻過電壓一般不超過和35kv～66kv系統，一般分別不超過和。
應避免在110kv及220kv有效接地系統中偶然形成區域性不接地系統，並產生較高的工頻過電壓。對可能形成這種區域性系統、低壓側有電源的110kv及220kv變壓器不接地的中性點應裝設間隙。因接地故障形成區域性不接地系統時該間隙應動作；系統以有效接地方式執行發生單相接地故障時間隙不應動作。
間隙距離的選擇除應滿足這兩項要求外，還應兼顧雷電過電壓下保護變壓器中性點標準分級絕緣的要求。
（2）諧振過電壓
(a) 諧振過電壓包括線性諧振和非線性(鐵磁)諧振過電壓，一般因操作或故障引起系統元件引數出現不利組合而產生。應採取防止措施，避免出現諧振過電壓的條件；或用保護裝置限制其幅值和持續時間。
1)為防止發電機電感引數週期性變化引起的發電機自勵磁(引數諧振)過電壓，一般可採取下列防止措施：
a)使發電機的容量大於被投入空載線路的充電功率；
b)避免發電機帶空載線路啟動或避免以全電壓向空載線路合閘；
c)快速勵磁自動調節器可限制發電機同步自勵過電壓。發電機非同步自勵過電壓，僅能用速動過電壓繼電保護切機以限制其作用時間。
2)應該採用轉子上裝設阻尼繞組的水輪發電機，以限制水輪發電機不對稱短路或負荷嚴重不平衡時產生的諧振過電壓。
(b) 範圍ⅱ的系統當空載線路上接有併聯電抗器，且其零序電抗小於線路零序容抗時，如發生非全相執行狀態(分相操動的斷路器故障或採用單相重合閘時)，由於線間電容的影響，斷開相上可能發生諧振過電壓。
上述條件下由於併聯電抗器鐵芯的磁飽和特性，有時在斷路器操作產生的過渡過程激發下，可能發生以工頻基波為主的鐵磁諧振過電壓。
在併聯電抗器的中性點與大地之間串接一接地電抗器，一般可有效地防止這種過電壓。該接地電抗器的電抗值宜按補償併聯電抗器所接線路的相間電容選擇，同時應考慮以下因素：
1)併聯電抗器、接地電抗器的電抗及線路容抗的實際值與設計值的變異範圍；
2)限制潛供電流的要求；
3)連線接地電抗器的併聯電抗器中性點絕緣水平。
(c) 範圍ⅱ的系統中，當空載線路(或其上接有空載變壓器時)由電源變壓器斷路器合閘、重合閘或由只帶有空載線路的變壓器低壓側合閘、帶電線路末端的空載變壓器合閘以及系統解列等情況下，如由這些操作引起的過渡過程的激發使變壓器鐵芯磁飽和、電感作週期性變化，迴路等值電感在2倍工頻下的電抗與2倍工頻下線路入口容抗接近相等時，可能產生以2次諧波為主的高次諧波諧振過電壓。
應盡量避免產生2次諧波諧振的執行方式、操作方式以及防止在故障時出現該種諧振的接線；確實無法避免時，可在變電所線路繼電保護裝置內增設過電壓速斷保護，以縮短該過電壓的持續時間。
(d) 範圍ⅰ的系統中有可能出現下列諧振過電壓：
1)110kv及220kv系統採用帶有均壓電容的斷路器開斷連線有電磁式電壓互感器的空載母線，經驗算有可能產生鐵磁諧振過電壓時，宜選用電容式電壓互感器。已裝有電磁式電壓互感器時，執行中應避免可能引起諧振的操作方式，必要時可裝設專門消除此類鐵磁諧振的裝置。
2)由單一電源側用斷路器操作中性點不接地的變壓器出現非全相或熔斷器非全相熔斷時，如變壓器的勵磁電感與對地電容產生鐵磁諧振，能產生的過電壓；有雙側電源的變壓器在非全相分合閘時，由於兩側電源的不同步在變壓器中性點上可出現接近於的過電壓，如產生鐵磁諧振，則會出現更高的過電壓。
3)、執行時中性點不接地的110kv及220kv變壓器的中性點絕緣，宜在中性點裝設間隙，對該間隙的要求與1.(1)(b)同。在操作過程中，應先將變壓器中性點臨時接地。
有單側電源的變壓器，如另一側帶有同期調相機或較大的同步電動機，也類似有雙側電源的情況。
4）3kv～66kv不接地系統或消弧線圈接地系統偶然脫離消弧線圈的部分，當連線有中性點接地的電磁式電壓互感器的空載母線(其上帶或不帶空載**路)，因合閘充電或在執行時接地故障消除等原因的激發，使電壓互感器過飽和則可能產生鐵磁諧振過電壓。為限制這類過電壓，可選取下列措施：
a)選用勵磁特性飽和點較高的電磁式電壓互感器。
b)減少同一系統中電壓互感器中性點接地的數量，除電源側電壓互感器高壓繞組中性點接地外，其它電壓互感器中性點盡可能不接地。
c)個別情況下，在10kv及以下的母線上裝設中性點接地的星形接線電容器組或用一段電纜代替架空線路以減少xc0，使xc0＜0.01xm。
注：xm為電壓互感器**電壓作用下單相繞組的勵磁電抗。
d)在互感器的開口三角形繞組裝設rδ≤0.4(xm/ k132) 電阻(k13為互感器一次繞組與開口三角形繞組的變比)或裝設其它專門消除此類鐵磁諧振的裝置。
e)10kv及以下互感器高壓繞組中性點經rp·n≥0.06xm(容量大於600w)的電阻接地。
5）3kv～66kv不接地及消弧線圈接地系統，應採用效能良好的裝置並提高執行維護水平，以避免在下述條件下產生鐵磁諧振過電壓：
a)配電變壓器高壓繞組對地短路；
b)送電線路一相斷線且一端接地或不接地。
6）有消弧線圈的較低電壓系統，應適當選擇消弧線圈的脫諧度，以便避開諧振點；無消弧線圈的較低電壓系統，應採取增大其對地電容等措施(如安裝電力電容器等)，以防止零序電壓通過電容，如變壓器繞組間或兩條架空線路間的電容耦合，由較高電壓系統傳遞到中性點不接地的較低電壓系統，或由較低電壓系統傳遞到較高電壓系統，或迴路引數形成串聯諧振條件，產生高幅值的轉移過電壓。
2. 操作過電壓及保護
(1)線路合閘和重合閘過電壓
範圍ⅰ的線路合閘和重合閘過電壓一般不超過通常無需採取限制措施。
(2)空載線路分閘過電壓
空載線路開斷時，如斷路器發生重擊穿，將產生操作過電壓。
對範圍ⅰ，66kv及以下系統中，開斷空載線路斷路器發生重擊穿時的過電壓一般不超過開斷前系統已有單相接地故障，使用一般斷路器操作時產生的過電壓可能超過為此，選用操作斷路器時，應該使其開斷空載線路過電壓不超過
(3)開斷併聯電容補償裝置的過電壓
3kv～66kv系統開斷併聯電容補償裝置如斷路器發生單相重擊穿時，電容器高壓端對地過電壓可能超過開斷前電源側有單相接地故障時，該過電壓將更高。開斷時如發生兩相重擊穿，電容器極間過電壓可能超過。
操作併聯電容補償裝置，應採用開斷時不重擊穿的斷路器。對於需頻繁投切的補償裝置，宜按圖13.－1(a)裝設併聯電容補償裝置金屬氧化物避雷器(f1或f2)，作為限制單相重擊穿過電壓的後備保護裝置。
在電源側有單相接地故障不要求進行補償裝置開斷操作的條件下，宜採用f1。斷路器操作頻繁且開斷時可能發生重擊穿或者合閘過程中觸頭有彈跳現象時，宜按圖13.－1(b)裝設併聯電容補償裝置金屬氧化物避雷器(f1及f3或f4)。
f3或f4用以限制兩相重擊穿時在電容器極間出現的過電壓。當併聯電容補償裝置電抗器的電抗率不低於12%時，宜採用f4。
注：為電容器的額定電壓。
圖13.－1 併聯電容補償裝置的避雷器保護接線
(a)單相重擊穿過電壓的保護接線；(b)單、兩相重擊穿過電壓的保護接線
(4)操作空載變壓器和併聯電抗器等的過電壓。
(a)開斷空載變壓器由於斷路器強制熄弧(截流)產生的過電壓，與斷路器型式、變壓器鐵芯材料、繞組型式、迴路元件引數和系統接地方式等有關。
當開斷具有冷軋矽鋼片的變壓器時，過電壓一般不超過可不採取保護措施。
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