过电压报告 昆明理工大学

特高压输电系统过电压计算及仿真

引言

中国电网是伴随着电力工业的发展而不断扩展的，目前东北、华北、华东、华中、西北和南方电网均己形成500kV主干网架,西电东送，南北互供，全国联网的格局正在形成。

我国用电负荷与发电能源分布很不均衡，东部地区负荷多而能源少，西北西南地区能源多而负荷少，在能源中心建立大火电、水电基地，远距离、大容量将电能输送到负荷中心是解决该矛盾的较好途径。这就需要建立全国能源传输通道，进行“西电东送，南北互供，全国联网”，在全国范围内实现能源优化配置。

远距离、大容量输电的需求带动了特高压输电技术的研究，由于西电东送和南北互供等大容量、远距离送电的要求，过电压问题在我国显得更加突出。

过电压分外过电压和内过电压两大类。

外过电压，又称雷电过电压，是由大气中的雷云对大地放电而引起的。分直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。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。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。

内过电压,电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。有暂时过电压、操作过电压和谐振过电压。暂时过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压 ，又称工频电压升高。操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压，常见的有：①空载线路合闸和重合闸过电压。②切除空载线路过电压。③切断空载变压器过电压。④弧光接地过电压。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。

电力系统中电路状态和电磁状态的突然变化是产生过电压的根本原因。无论外过电压还是内过电压，都受许多随机因素的影响，需要结合电力系统具体条件，通过计算、模拟以及现场实测等多种途径取得数据，用概率统计方法进行过电压预测。

研究内容

本文基于特高压输电线路的特点，分别从内部过电压和外部过电压两个方面对输电线路过电压原理和计算进行了简单的分析。

内部过电压方面：空载线路的电容效应、接地故障（单相或两相）引起的工频电压的升高、空载线路跳闸过电压进行分析，导出过电压计算公式，为电力设备选型、继电保护提供一定的选择依据。

外部过电压方面：由于输电线路过电压主要原因是雷电灾害，本文将主要讲解雷电过电压的几种基本形式（直击雷过电压、雷电感应过电压和雷电侵入波）的基本原理和计算。希望能加深同学们对高电压技术这门课的理解。

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研究方案及成果

电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或者故障使其工作状态发生变化时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而且储存在电感中的磁能或电容中的静电场能会释放或者转换，所以会产生高于电源电压的过电压。它们是在几毫秒甚至几十毫秒之后要消失的暂态过电压。这种暂态过电压是由工频电压和以系统自振频率振荡的电压相叠加构成的。

一、内部过电压

1、线路末端的工频过电压

在L、C串联电路中，如果容抗大于感抗，即1/ωL，电路中将流过容性电流，

它在电感上的压降Ul抬高了电容电压Uc，即Uc=E+UL，（E为电源电动势），这种现象称为电容效应。

空载长线路可以看成是无数个串联连接的L、C回路,由于总的对地容抗一般远大于导线的感抗，由于电容效应的影响，线路上的电压高于电源电压，而且越到终端，电压越高。在电力系统稳态分析课程中，我们已经推导出了输电长线路电压、电流的方程如下：

?=U?U12cosh?l+?I2Z

c

sinh?l （1）

?I=?I12?2/Zc) sinh?l （2） cosh?l+(U?1、??2、?式中：UI1为线路任意点的电压、电流；UI2为线路末端电压、电流；

Zc=

R?jwL ——线路波阻抗，R、L、G、C分别是单位长度线路的

G?jwC电阻、电感、对地漏电导、电容；

?=(R?jwL)(G?jwC)——输电线路传输常数；

l——线路长度；

对于?和Zc，忽略对地电导G和线路R后，简化如下：

?=(R?jwL)(G?jwC)=j?

LC (3)

Zc=

LR?jwL= (4) CG?jwC2

线路末端接有负载的等值电路可由下图表示

图1 线路末端接有负载的等值电路

根据上图，可列出电源电势、电压、电流的关系式：

?=?+?+?EU1U2I1Zs (5)

?的关系如下： ?2和电源电势E将（1）（2）式代入上式可得末端电压U?U2=

(1??EZZs2)cosh?l?(Zc?Z2ZZ (6)

sc)sinh?l当线路末端开路，?I2=0，Z2=?，由?=j??的关系如下： ?2与首端电源电势E路电压ULC=j?，Zc=

L，则末端线C?U 式中，

2=

cos?l??EZZscsin?l?cos?E= (7) cos(?l??)Z?s为电源阻抗，Zc为线路波阻抗，?为相位系数，在频率为50Hz是，

?=0.06/km, tan??ZZsc。

如果电源容量为无穷大，即Zs=0，? =0，则有

?U

2?E=

1 (8) cos?l3

图2 空载长线末端电压升高与线路长度的关系

图中画出了不同线路长度下的终端电压升高与长度的关系。可以看出，当?????l==90，即l=90/0.06=1500km时，终端电压将趋于无穷大。

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当电源容量有限时，Zs>0,由（7）式可知，这会增强电容效应，就如增加了导线长度一样，谐振点提前了,如上图中曲线2所示，曲线1对应于电源阻抗

?1高于电源电动势，因为零的情况。这是由于电源电抗的作用，线路始端电压U而增大了线路的电容电流，使电路的工频电压升高趋于严重。电源容量越小，情

况就越严重。所以，在估计最严重的工频电压升高时，应以可能出现的电源容量最小的运行方式为依据。

2、 接地故障引起的工频电压升高

系统发生单相或两相接地故障时，短路电流的零序分量会使非故障相出现工频电压升高。接地故障往往是由雷击引起的。因此，如果非故障相的避雷器动作，它必须在较高的工频电压下熄灭续流电弧，这是选择避雷器的一个重要条件。 在电力系统分析课程的学习中，我们知道，任意复杂的系统，在某点发生不对称短路，可将故障点短路电流和故障电压分解成对称分量，即正序、负序和零序，根据三序网的等值电路，可写出一般的三序电压平衡方程如下：

?UA0?f(1)=I?f(1)—Uz?(2)(1) （9）

?f(2)=I?f(2)0—U?f(0)=I?f(0)0—U

z?z? （10） （11）

(0)4

1） 单相接地故障

发生单相接地故障时，故障点各相的电压和电流是不对称的。

如左图所示，以a相为例，当发生接地短路时，有如下关系：

?U?U?I图3 a相接地短路

fa

=0；?Ifb=?Ifc=0 （12） +U?f(2)+U?f(0)=0 （13）

将上式转变为对称分量的形式为：

f(1)f(1)=I?f(2)=I?f(0) （14）

联立（9）~~（14）式可得：

?If(1)=I?f(2)=I?f(0)=

z?(1)?z?(2)?z?(0)3U?A0?UA0 （15）

故障相（a相）的短路电流为

??=IIff(1)+I?f(2)+I?f(0)=

z?(1)?z?(2)?z?(0) （16）

故障处b、c相的电流为零。

故障处各序电压由（9）~~（11）式求得，即

?U?U?Uf(1)?A0—I=U?f(1)=—I?f(2)=—I?f(0)z?(2)(1) （17）

f(2)z?z? (18) (19)

f(0)(0)则故障处三相电压对称分量法求得为

?=U?U

fa

f(1)?f(2)+U?f(0)=0 (20) +Uf(1)?U?U

=fbafc

?U?=aU2?f(2)+U?f(0) （21） +aU2+af(1)?Uf(2)?f(0) （22） +U?(1)对于较大电源容量的系统z=z?(2)，如果忽略各序阻抗中的电阻分量（即

z?

(1)=x?(1)，z?(0)=x?(0)），

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