什么是过电压?过电压类别有哪些?电力系统过电压分类

　　过电压这块在系统设计中比较重要，特别是500kV电压等级以上设计，但是由于专业性比较强，对其理解也是基于参与工程的过电压专题以及EMTP过电压计算的一个课题，对这块也做一个总结。

　　一、何谓过电压

　　所谓过电压，是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。研究各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。

　　过电压分两类，外过电压和内过电压。外过电压又称雷电过电压、大气过电压。由大气中的雷云对地面放电而引起的。内过电压是电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压，分为工频过电压、操作过电压和谐振过电压。个人涉及的一般都是内过电压分析，外过电压也会尝试稍作总结。

　　二、工频过电压

　　工频过电压指系统中由线路空载、不对称接地故障和甩负荷引起的的频率等于工频（50Hz）或接近工频的过电压。

　　主要是三类原因：1.空载长线路的电容效应；2.不对称短路引起的非故障相电压升高；3.甩负荷引起的工频电压升高。其中1和3经常结合在一起造成过电压。

　　实际计算过程中，与线路长短、短路容量、有无并联电抗器、故障前负荷都有关系。

　　为何讨论工频过电压？

　　直接影响操作过电压的幅值

　　持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安全运行（油纸绝缘局放、绝缘子污闪、电晕等）

　　在超高压系统中，为降低电气设备绝缘水平，不但要对工频电压升高的数值予以限制，对持续时间也给予规定（母线侧1.3pu，线路侧1.4pu，时间一般为1min）

　　决定避雷器额定电压（灭弧电压）的重要依据（3、6、l0kV系统工频电压升高可达系统最高运行线电压的1.1倍，称为110％避雷器；35~60kV系统为100％避雷器；110、220kV系统为80％避雷器；330kV及以上系统，分为电站型避雷器（即80％避雷器）及线路型避雷器（即90％避雷器）两种）

　　工频过电压的幅值、持续时间与出现的机率对设备的影响及避雷器的选用应该说是非常重要的，但是现在广泛采用了不带间隙的氧化锌避雷器，由于有一定热容级，选择其额定电压时，工频过电压只是条件之一，不仅决定于工频过电压的幅值、而且决定于其持续时间，但由于我国这块持续时间与几率比较低（单相重合闸，一般不超过0.5S-1S），所以工频过电压可能已不是选择氧化锌避雷器额定电压的关健条件。所以目前工频过电压的标准主要决定于设备承受能力，断路器切空载线路的性能等。

　　降低工频过电压的措施：

　　1）单机带长线，特别是单机容量相对较小时是造成工频过电压过高的最不利电网条件。一般工程中遇到这种情况会重点校核，并尽量避免这种情况。

　　2）经常保持发电机自动电压调节器投入运行，特别是采用快速励磁。

　　3）采用单相重合闸并确保继电保护及其选相性能的正确性（这块细化分析故障的话就比较费篇幅，就不展开）

　　4）装设高抗

　　5）采用良导体线(铝合金线、钢芯铝线、铝包钢线)作为架空地线，与钢铰线比，线路零序阻抗减少，从而可以降低工频过电压3%-8%。

　　三、谐振过电压

　　谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。产生都与电网的运行状态、参数或与带铁心设备的磁回路有关。

　　1）超高压线路的平行谐振过电压。超高压线路一般装设了并联电抗器后，就要考虑平行谐振可能产生的过电压问题。所谓平行谐振，是指带电的线路部分通过空间电容耦合，对不带电的对地连接有电感(并联电抗器或变压器)的空线部分构成谐振的条件，而在空线上产生过电压。

　　这也适用于单回线非全相情况（单相故障时可能出现非全相谐振过电压），而这种情况通常在工程设计中关注较多，一般我国500kV装设并联电抗器的线路都使用单相重合闸，然后在并联电抗器中性点加装小电抗（另一作用是防止潜供电流），当然这需要校核高抗中性点侧的绝缘水平。

　　很多国外系统曾在500kV长线路上装设了中性点直接接地的高压并联电抗器，而又采用单相重合闸的情况，不但单相重合闸成功率极低，还发生过因断相引起谐振过电压而损坏设备的事故。

　　中性点小电抗原理：如在并联电杭器中性点加小电抗器，小电抗器的电抗值是按单相开后接近完全补偿相间耦合电容的条件决定的，因而其感抗值很大，不构成L,C串联回路;耦合到断开的空线的电压很低。

　　实际工程中平行谐振有判断的简单方法：即空线的并联电抗补偿度(百分比)与所连接电感的X0/X1的比值,这块内容比较多，就不展开了，主要是引出一个重要结论：就是过补偿也可能引起谐振，应该避免。

　　多回路的谐振和单回路原理差不多，只是情况复杂些。

　　2）谐波谐振过电压。也是主要存在于小机带长线情况（令人烦恼的工况），由于这样结构方式的自然谐振频率较低，个别甚至低于工频，有可能因变压器的磁饱和或串补电容产生的谐波与之发生谐振。

　　工频过电压迫使变压器饱和，引起谐波，多发生于变压器特性不好，电网电压偏高的情况，这时变压器的励磁电流将大大增加（内含大量谐波电流）。

　　下图就是加拿大魁北克735kV电网甩电荷时磁饱和对过电压的影响。

　　可见在工频频率为颊定值60HZ时，变压器饱和降低了过电压。当频率上升到61.8HZ时，发生了5次谐波的谐振，靠近电源端的LEM变电站母线电压达1.72标么值，比处在空载线路末端的LAV变电所母线电压还高得多。

　　3）变压器谐振过电压

　　CIGRE曾经分析过此类过电压发生的几种原因：

　　近区故障。线路较长，但仅在距离变压器15km以内的线路处发生故障，特别是与变压器相连只有一回线，近处发生两相或三相故障时比较危险。

　　从短路容量大的母线处向短线路一变压器组充电。

　　切断变压器励磁涌流。

　　好像国外这种事故有发生（特别是美国），但国内好像没有过，也可能是过去有的变压器事故可能是谐振过电压造成，但由于没有从这方面分析，真实原因往往不清。但是，随着高电压、大容量变压器的发展，国外的事故经验值得吸取。为预防这种事故的措施也值得研究。比如尽可能改善保护变压器的避雷器性能，例如将带间隙的阀型避雷器改为氧化锌避雷器；对高电压、大容量变压器(包括升压和联络两个最高电压级的)尽可能不用分接头（美国所有因谐振过电压而损坏变压器的故障都与调整分接头有关）；设计选型及整定变压器保护时应避免变压器充电励磁涌流而误动等等。

　　4）自励磁过电压

　　这点我记忆犹新，曾经某工程我漏算了这一项。

　　当发电机组仅带容性负荷，而容性负荷超过发电机的吸收能力时，将发生自励磁，发电机电压将失去控制，而按指数增大。

　　自励磁现象的出现，很大程度决定于电网的结构，当相对小容量的机组带相对高电压的空载长线路而又无电抗器补偿时（又是这种情况有木有），其实在正常运行时，单机带长线的机率是很少的，但是在系统发生故障，特别同时出现甩负荷的情况下.有可能构成最不利的条件而发生自励磁。特别是水电站送出线路，水轮机组时上升的幅度较大。频率上升的结果是减少了容抗，而加大了感抗，所以更易发生自励磁。

　　防止自励磁的措施:

　　防止自励磁是电网设计内容之一。与500kV电网配合，一般应装设单机容量为500MW以上的机组，这样一般不易发生自励磁。如果直接接入500kV电网的机组容量过小，更应研究采取措施。

　　对可能引起自励磁的线路，装设高压并联电抗器。

　　装设反映过电压的继电保护。但在整定过电压倍数及时间时，必须考虑断路器在电压升高时切空载线路的性能。

　　四、操作过电压

　　由线路故障、空载线路投切、隔离开关操作空载母线、操作空载变压器或其它原因在系统中引起的相对地或相间瞬态过电压，利用高性能避雷器（也可能是合闸电阻，都有应用区域）可以防止操作过电压。

　　操作过电压是系统操作和故障时出现,特点是具有随机性,在最不利的情况下过电压倍数较高,330KV及以上超高压系统的绝缘水平取决于操作过电压。有以下情况：

　　切除空载线路时过电压的根源是电弧重燃及线路上的残余电压。（由于SF6断路器所以极少出现）

　　空载线路的合闸过电压是由于在合闸瞬间的暂态过程中,回路发生高频振荡造成的。

　　在中性点不接地的电网中发生单相金属接地将引起正常相的电压升高到线电压。如果单相通过间歇燃烧的电弧接地,在系统正常相合故障相都会产生过电压(称电弧接地过电压),其实质是高频振荡的过程。

　　切除空载变压器引起的过电压。原因是当变压器空载电流突变时变压器绕组的磁场能量全转化为电场能量对变压器等值电容充电,导致过电压。

　　规程如下：

　　1）潜供电流与恢复电压

　　潜供电流也是实际工程中涉及较多的一个因素。线路上发生单相接地故障，继电保护通过选相元件只将故障相自线路两侧断开，非故障相仍然继续运行，这时非故障相与断开的故障相之间存在静电（通过相间电容）和电磁（通过相间互感）的联系。使故障点弧光通道中仍有一定数值的电流通过，此电流称为潜供电流。

　　单相跳闸后，潜供电流与相间电容、电网电压皆成正比，电压等级愈高或线路愈长，上述分量的潜供电流愈大，并与故障点位置无关。

　　消弧措施：故障点能否消弧，除与风速、风向、电弧长度有关外，关键是恢复电压的高低和潜供电流的大小及其与恢复电压问的相位差。如果没有消弧措施，当电流过零熄弧时，恢复电压适为最大值，消弧条件很差。因此对电压等级高而线路又较长的线路需有帮助消弧的措施：如对500KV中长线路高压并联电抗器中性点加小电抗、短时在线路两侧投入快速单相接地开关等措施；另一方面可采用实测熄弧时间来整定重合闸时间。

　　同杆并架线路：同杆并架的线路，当有一回发生接地，如构成平行谐振条件，将引起很高的恢复电压，难以消弧。此外，如一回线发生单相接地，两侧故障相断开后的潜供电流，由于同杆线路的电容与电感耦合，使它比单回路的潜供电流有所增加。如同杆并架的两回线换位情况各不相同时，数值还要增大。同样，故障点的恢复电压也由于有了同杆线路的耗合而增大。

　　目前的关键问题是要研究多长距离的线路，可以不采取上述的小电抗消弧措施。这样是所有项目过电压分析专题报告里面需要论证的。

　　BPA计算结论是：对采用断电时间为35-40周波(0.58-0.67s)的单相重合闸，可以不采取消弧措施(如并联电抗器补偿或快速接地开关)的500kV线路长度为100km，这也是平时我们计算的一个大概依据，但是实际值比这要高一些。

　　国外也有采用短时在线路两侧投入快速单相接地开关作为解决消弧的措施。如果考虑同杆双回线的异名相故降，也只有快速接地开关能有效地解决问题。

　　2）空载线路合闸（其他如切空线、切空变、解列不赘述）

　　线路采用三相重合闸时，会出现在空线合闸前，线路上有与残余电荷相应的残余电压U,重合时若电源电压与U相位相反，则可能出现3倍多的更高的过电压。

　　这块主要是牵涉到是否选择合闸电阻（或是沿线避雷器），合闸电阻作用是断路器在断开时在主触头合上前先退出，在合闸时合闸电阻先投入，当主触头合上时被短接退出，这样做可以防止操作过电压。合闸电阻是否需要也是电网项目过电压分析报告中的重要一条。

　　线路断路器装合闸电阻是限制合空载线路过电压的有效措施，与避雷器相比，优点在于限制过电压效果明显且沿线均衡。但是，合闸电阻及其运动的机构，比较容易发生故障，对于不装合闸电阻时合空线相地过电压仍在允许范围之内的线路，其断路器可以不装合闸电阻，其安全性可能更高，而且也节省投资和维修费用；对于投切变压器的断路器，因为此类过电压一般均小于2.0p.u.，断路器没有必要装合闸电阻，行业标准也没有要求。对绝缘不构成威胁况且变压器旁边都有MOA保护，可以进一步限制过电压。所以变电所投切变压器的500kV断路器可以不装合闸电阻。

　　限制操作过电压的措施有:1.选用灭弧能力强的高压断路器。2.提高断路器动作的同期性。3.断路器合闸电阻。4.采用性能较好的避雷器。5.电网中性点接地运行。

　　五、外部过电压

　　分直击雷过电压和感应雷过电压两种。

　　直击雷过电压是雷闪直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压。雷闪击中带电的导体，如架空输电线路导线，称为直接雷击。雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电流互感器过电压保护器电位升高以后又对带电的导体放电称为反击。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障。感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。因此，架空输电线路需架设避雷线和接地装置等进行防护。通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。

　　六、直流输电过电压

　　直流输电的容量往往接近于所连接的交流系统的短路容量，此时工频过电压将是交直流系统相互影响中的重要问题之一。

　　当直流输电系统故障(直流闭锁、全停)或交流系统故障后而直流输电不能迅速起时，换流阀不能消耗无功功率，多余的无功功率将引起工频动态过电压，交流系统的短路容量或SCR愈小，产生的过电压值将愈高。葛洲坝-南桥直流输电容量为1200MW，相对于两侧的交流短路容量较低，因而葛洲坝与南桥侧的工频动态过电压分别不超过1.15标么值及1.125标么值。

　　为了限制直流输电工频过电压，保持电压稳定，有以下措施：

　　1）装设调相机

　　巴西的负荷中心(圣诺克)为了接收伊泰普水电站直流输电送来的电力，由于受端交流侧短路容量与之相比较弱，所以装设了1台300Mvar的调相机，既可提高受端的短路比，又可提供换流所需无功功率。

　　2）静止补偿器

　　例如联络英法的2000MW直流输电系统，在英国侧接入400kV电网处的正常最小短路容量为6000MVA，故障时将引起工频过电压达1.4标么值，为此，装设了2组±150Mvar静止补偿器，主要目的是事故时吸收无功。

　　3）建设新线路提高交流侧的短路容量

　　除了工频过电压之外，直流系统里面，自励磁和谐波谐振过电压也可能存在，具体判别原理和交流系统类似。

　　七、EHV工程内过电压分析报告

　　标准的分析报告里都必须包含这些内容，基本都在前面提到过。

　　还有几点实际工程中比较关注的，这个模板因为工程实际情况而没有反映，如下：

　　1）中性点小电抗器参数选择

　　小电抗值最佳值按线路运行潜供电流和恢复电压最小，并兼顾中性点工频过电压不要太高的原则选择。举例说明如下。

　　高抗中性点和小电抗绝缘水平及中性点MOA校核

　　表中汇总了相关站点的高抗中性点小电抗的工频过及操作过电压计算结果。供高抗中性点和小电抗绝缘水平及中性点MOA校核。

　　变电站A－变电站B线路高抗小电抗取最佳值400Ω时，最高工频过电压为53.98kV，因此中性点小电抗避雷器额定电压选96kV,标称放电电流5kA电站型避雷器，变电站C－变电站D线路原高抗小电抗最高工频过电压为82.56kV，因此若原中性点小电抗避雷器额定电压为96kV,标称放电电流5kA或1.5kA电站型避雷器，则可继续使用。计算操作过电压时，各条线路均装有上述避雷器。由于中性点避雷器在操作过电压下能耗很小，其计算结果不在表中列出。

　　由表中的工频过及操作过电压计算结果，变电站A－变电站B线路高抗中性点及中性点小电抗的工频短时耐受电压为140kV（1min），雷电冲击耐受电压为325kV，操作冲击耐受电压为269kV（相当于66kV电压等级）。

　　变电站C－变电站D线路原高抗中性点及中性点小电抗的工频短时耐受电压为140kV（1min），雷电冲击耐受电压为325kV，因此满足本工程要求。

　　所研究线路的高抗中性点及中性点小电抗工频过电压的最小安全系数（绝缘配合系数）为1.69，操作冲击的最小安全系数为1.49，满足GB/T311.2所要求的内绝缘安全系数1.15要求。避雷器的额定电压也高于最大工频过电压，避雷器的运行是安全的。

　　小电抗容量校核

　　根据前表中高抗中性点最大工频过电压，计算流过小电抗短时最大工频电流。这些短时最大工频电流持续时间＜1s，偏严考虑，以这些值作为10s最大电流I10，选持续工作电流Ic=I10/10。计算的小电抗持续工作电流及容量见此表，可供小电抗容量校核。

　　变电站A－变电站B变电站A侧高抗中性点小电抗容量选为79kVAR，变电站C－变电站D线路小电抗选为容量100kVAR，原小电抗容量为540kVAR，因此可继续使用。实际上最大工频电流持续时间小于0.5s，原小电抗持续工作电流选为30A，远大于计算值，因此可继续使用。

　　2）过补偿线路断路器电流零偏现象

　　对于有高抗补偿的线路的合闸操作，尤其是过补偿线路，由于高压电抗器的磁通在合闸瞬间保持不变，电抗器电流产生直流偏移，导致线路断路器合闸时的电流发生严重零偏现象。若此时分闸，500kV断路器的开断时间一般小于18ms，在开断时间内若开断的电流无过零点，可能会导致开断失败，而较长时间燃烧的电弧会烧毁灭弧室，危害性较大，这点实际工程中需要重视。

　　3）接地开关选择

　　同塔双回线路存在这部分内容，当同塔双回线路一回运行，另一回线路停电检修时，运行线路对停电检修线路的静电和电磁感应决定了另一回线路接地刀闸参数的选择。

　　即计算出单回线路首末接地隔离开关在不同状态下的最大容性电压；最大感性电流；最大感性电压和最大容性电流，然后根据根据DL/T486-2000的规定：额定电压550kV的A类接地开关开、合感应电流的额定参数为额定感性电流80A；额定感性电压2.0kV；额定容性电流1.6A；额定容性电压8.0kV。额定电压550kV的B类接地开关开、合感应电流的额定参数为额定感性电流200A；额定感性电压25kV；额定容性电流50A；额定容性电压50kV，从而进行选择。

　　以上只是一些重要且容易理解的知识，其他没有提到的知识点对于过电压也很重要，比如氧化锌避雷器设备参数、EMTP过电压计算，有兴趣的话，你也可以自行了解一下，完善自己对电网过电网的认识。