过电压与设备耐压.docx

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过电压与设备耐压

过电压与设备耐压

一、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。

过电压分为外过电压和内过电压两大类。

研究电力系统中各种过电压的起因，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。

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、模拟以与现场实测等多种途径取得数据，用概率统计方法进展过电压预测。

针对过电压的起因，电力系统必须采取防护措施以限制过电压幅值。

如安装避雷线、避雷器、电抗器，开关触头加并联电阻等，以合理实施绝缘配合，确保电力系统安全运行。

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。

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，所以常称为雷电冲击波。

〔1〕直击雷过电压　

雷闪直接击中电工设备导电局部时所出现的过电压。

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，使其电位升高以后又对带电的导体放电称为还击。

〔2〕感应雷过电压

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。

〔3〕输电线路防雷　

架空输电线路绵延纵横，最易遭受雷击，是引起线路故障的主要原因之一，需架设避雷线和接地装置等进展防护。

通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路防雷能力。

耐雷水平是指线路遭受直接雷击尚不致引起绝缘闪络的最大雷电流值（kA）。

雷击跳闸率是指折合为标准条件下〔100km线路，40雷电日/年〕雷击引起的线路跳闸次数〔次/百公里··年。

输电线路一旦出现雷电过电压，还将以流动波形式沿线路传播，侵入变电所以后还可能引起绝缘破坏事故。

由线路传来的雷电过电压称为雷电侵入波。

需采用避雷器将雷电侵入波削弱到电工设备绝缘所能承受的限度以内。

电力系统中常装设磁钢棒、示波器等观测记录仪器以积累雷电过电压资料。

电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。

为了满足正常运行的需要，或者被迫切除故障，电力系统会经常通过断路器操作改变运行方式。

电力系统可以看作是一个由许多电感、电容等性质的元件所组成的复杂电路。

断路器操作会使电力系统从一种电磁状态过渡为另一种电磁状态。

在这种过渡过程中会出现电磁振荡，电磁能与静电能在电感性与电容性的元件中以电路固有频率交替转化，以致使电工设备上出现过电压。

用断路器操作变电所空母线〔可看作由电容和电感组成〕，它也会产生很高的操作过电压〔1.8～2.0倍〕。

交流电弧的电流每次经过零点都有熄灭和重燃的过程。

通过断路器操作切断电流，或者系统发生电弧电流接地──弧光接地，在电流最终切断之前有时还可能出现屡次电弧熄灭与重燃，加剧了电磁振荡过程，使过电压更为严重。

上述原因产生的过电压称为操作过电压，是电力系统内部过电压的一种主要类型。

操作过电压的持续时间约为几百微秒至几毫秒，它的峰值也具有脉冲性质，称为操作冲击波。

电力系统内部过电压还有暂时过电压。

暂时过电压还包括谐振过电压。

电力系统内部过电压的能量来源于系统本身。

它的幅值以工作电压为根底而增长。

通常用系统工作电压〔对地的〕幅值U的倍数K·U来表示。

K值约为1.3～4.0，其大小与系统参数、断路器性能、中性点接地方式等一系列因素有关。

〔1〕操作过电压

电力系统由于进展断路器操作或发生突然短路而引起的过电压。

常见的操作过电压有以下几种。

①空载线路合闸与重合闸过电压：

输电线路具有电感和电容性质。

②切除空载线路过电压：

空载线路属于电容性负载。

由于切断过程中交流电弧的重燃而引起更剧烈的电磁振荡，使线路出现过电压。

③切断空载变压器过电压：

变压器是电感性负载，同时对地还有等值电容。

当断路器K突然切断电流时，电流变化率甚大，使变压器上产生甚高的感应过电压。

电流切断以后，变压器中剩余的电磁能又向对地电容C充电，形成振荡过程，因而出现过电压，称为截流过电压。

断路器操作切除其他电感性负载也会出现类似的过电压。

④弧光接地过电压：

中性点不接地系统发生单相接地故障时，由于接地电弧间歇重燃现象而引起的过电压。

接地电弧每次经过零点都要经历熄灭和重燃的过程。

较小的电弧电流可以自行熄灭，不致重燃。

较大的电弧电流如此会稳定地重燃，必须靠开关操作才能切断。

中性点不接地系统，单相接地电流是电容性的，一般超过10A，电弧既不容易自行熄灭，又不足以稳定重燃，因而发生间歇重燃现象。

电弧每次间歇重燃都引起系统电磁振荡，并且前后过程互相影响，振荡逐次加强，使系统出现过电压。

弧光接地过电压最高可达3.5U，U为系统最大工作相电压幅值。

使用消弧线圈可将弧光接地过电压限制到3.0～3.2U。

电力系统中性点经过消弧线圈接地，当发生单相接地故障时，流经消弧线圈的电感电流抵消一局部系统电容电流，使故障点电弧电流减小，易于自行熄灭，防止屡次重燃。

电工设备的绝缘强度必须能够承受一定幅值的操作过电压。

主要采取开关触头加并联电阻的方法限制操作过电压的幅值，同时还可以用避雷器加以防护。

通常用一个单极性的冲击波来等效操作过电压的最大峰值，以进展电工设备的耐压试验。

〔2〕暂时过电压

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。

暂时过电压主要是工频振荡，持续时间较长，衰减过程较慢，故又称工频电压升高。

常见的暂时过电压有以下几种。

①空载长线电容效应〔费兰梯效应〕：

输电线路具有电感、电容等分布参数特性。

在工频电源作用下，远距离空载线路由于电容效应逐步积累，使沿线电压分布不相等，末端电压最高。

②甩负荷过电压：

输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未与时自动调节而引起的一种暂时过电压。

此外，电力系统工频或非工频的谐振，以与非线性铁磁谐振等也都属于暂时过电压。

电工设备的绝缘强度一般应能承受暂时过电压。

超高压远距离输电线路需安装并联电抗器补偿线路电容效应，以降低暂时过电压。

〔3〕谐振过电压

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。

谐振过电压一般按起因分为以下3种。

①线性谐振过电压：

构成谐振回路的电工设备的电感、电容等参数是常数，不随电压或电流而变化。

例如输电线路的电感和电容，线路串联补偿用电容器，铁心具有线性励磁特性的消弧线圈等。

谐振过电压主要因串联谐振的电路原理而产生。

当系统在某种接线方式下形成了电感、电容串联回路，回路自振频率又恰好与电源频率相等或接近时就会发生串联谐振现象，使电工设备出现过电压。

②铁磁谐振过电压：

谐振回路中的电感元件因铁心的磁饱和现象，使电感参数随电流〔磁通〕而变化，成为非线性电感。

例如，电磁式电压互感器就是这种元件。

非线性电感与电容串联而激发起的一种谐振现象称为铁磁谐振，它会使电气设备出现过电压。

由于发生铁磁谐振回路中的电感不是常数，回路的谐振频率也不是单一值。

同一回路既可能产生工频的基波谐振，又可能产生高次谐波〔如2、3、5次谐波〕或分谐波〔如1/2、1/3、1/5次谐波〕谐振。

③参量谐振过电压：

发电机转动时等效电感参量发生周期性变化，假如连接容性负载，如空载输电线路，会与电容形成谐振，甚至在无励磁的情况下，也能使发电机端电压不断上升，形成过电压。

这种现象又称作发电机自励过电压。

参量谐振所需要的能量是由机械功通过周期性的改变电感参量而提供的。

增大谐振回路的阻尼是限制谐振过电压的主要措施。

还应力求从系统运行方式上防止可能发生的谐振过电压。

二、设备耐压

随着经济的迅猛开展，电力这个绿色能源的需求量也在迅速膨胀，土地资源日益紧X与电力需求的加大，电力电缆越来越多越来越长，变压器电压等级原来越高，容量越来越大，GIS设备也普遍使用，电力设备中现场交流耐压越来越普与，而串联谐振设备具有设备小，电压高，装置轻便的特点从而越来越得到广泛的应用。

1.1接线接触不良

〔1〕试验现象

现象一：

现场谐振点无法空升，仪器自谐振不能进展。

现象二：

现场谐振系统空升正常，但是接上负载后谐振点找不到，电压升不上去，可以听到放电声。

现象三：

现场谐振系统空升正常，但是接上负载后谐振点找不到，电压升不上去，不可以听到放电声。

〔2〕原因分析

现象一：

找不到还有可能是测试线内部断开导致，由于励磁变和操作箱需要有安全距离，他们之间连线容易造成拉扯而造成锡焊脱落，表现为励磁变无输出电压，当排查时用万用表查该段线，由于拆下来不拉扯而锡焊点碰到，造成该线完好的假象。

现象二：

可能原因为谐振系统和试品断开原因所致，当被试品和谐振系统之间的高压引线之连续开，由于距离小当有不高的电压时造成击穿听到响声，但是由于先前谐振点寻找错误，导致即使间隙击穿也不能正常导通，从而无法谐振。

现象三：

当然由于试品接地不可靠而造成电容量变化，也会造成谐振点乱动不能稳定，此问题在高电压电缆耐压时因为外护套保护器未接地比拟常见。

〔3〕问题解决

在使用串联谐振试验设备时，一定要确保接线可靠，仪器接线正确。

1.2电抗器问题

〔1〕试验现象

现象一：

现场谐振系统空升正常，但是接上负载后谐振点找不到，电压升不上去，不可以听到放电声。

现象二：

现场谐振系统空升不正常。

〔2〕原因分析

现象一：

由于系统振频率设置为30-300Hz，系统自谐振频率为200Hz，接入被试品将导致谐振频率变低，但是有被试品电容量太大，而造成谐振点不在操作箱调谐X围内，〔低于30HZ〕所致，在10kV电缆中尤其常见〔电缆较长〕。

现象二：

采用逐个替代的方法，从而找出损坏的那只电抗器，假如条件具备可以使用专门的测量电感的仪器对电抗器进展电感量测试，看是否在额定值。

〔3〕问题解决

现象一：

此时应事先核算好被试品电容量，可以采用电抗器并联补偿，使得被试品电量量减少，而不增加总回路的电流。

现象二：

更换电抗器。

1.3变频电源问题

〔1〕试验现象

现象一：

系统不停重新启动。

现象二：

电源升压后突然跳闸后不能正常升压。

〔2〕问题解决

现象一：

该问题由于系统内部元件松动引起，但是具体松动元件未知，现场采取更换变频电源方法。

现象二：

该问题是由于变频电源晶体管保护元件击穿所致，需返厂检修或现场也可以拆除相应保护元件更换相应部件即可。

2.1绝缘耐压检测诊断技术介绍

绝缘的检测诊断的技术在电力设备耐压绝缘检测方面的应用是比拟普遍的，电力设备在电力系统运行中不断的外力作用下，性能不会逐渐的变差，外力因素包括外在的环境，侵蚀度，高压和机械等各种不良因素，在不良因素的作用下，会造成电力设备的故障，甚至照成电力系统的中断。

2.2绝缘试验的分类

根据对设备的影响和是否带电给与分类：

〔1〕按照对设备造成的影响程度分类

①非破坏性试验

非破坏性的试验在绝缘试验中是比拟常见的，非破坏性的试验是指，不在高压或者有腐蚀性的条件主要是以测量为主的，去判断电气设备的的内部的绝缘的损伤程度，这类的试验包括，局部的放电试验、对绝缘电阻的试验、对材料介质损耗的正切测量的试验、绝缘油的相关分析试验。

②破坏性试验

耐压试验通常指的就是破坏性试验，绝缘试验的工作原理就是在高于电气设备正常运行电压来考核设备的电压耐受能力和抗压的能力。

破坏性试验时会对电气设备的绝缘性造成损害，但是却可以保证电气设备的绝缘的水平，通常破坏性的试验包括：

交直流耐压绝缘试验，雷击绝缘耐压试验等

〔2〕按照设备是否带电的方式分类

①不带电方式

对设备进展不带电状态下的诊断和检测，但是在试验的过程中一定要严格的按照电气设备的预防性试验的要求来进展，上文中介绍了非破坏性试验和耐压交直流试验，这两种方法都是可以采纳的，在非破坏性试验之后在进展破坏性试验。

这种方式也存在的一定确实定，一方面在对不带电状况下的周期试验判断不太准确，并且这种方式比拟理论，对实际的帮助不太大。

②带电方式

在带电的状态下进展检测是一种比拟实用的检测的方法，在实验的过程中，电气设备反响出来的，绝缘的状况都是比拟直接的而且是比拟连续的，反响出来的特性是比拟真实的，可以得到比拟连续的试验数据，在以后的数据处理过程中对绝缘参数特性的分析将会计较准确有实用的价值。

但是这种方式的话，只能那个采用对绝缘电阻的试验、对材料介质损耗的正切测量的试验等不破坏性的实验的方式。

2.3绝缘耐压试验过程

〔1〕采用传感器进展数据采集

根据检测的电气设备的特性来采集相关的参数〔对传感器的选取也很重要〕以便进展下一步的数据的处理做准备。

〔2〕处理数据的过程

对采集的数据通过数据处理的方式加以分析，然后根据某种特征参数来反响被测电气设备的运行状态。

〔3〕电气设备的绝缘耐压诊断

根据绝缘老化过程的知识以与运行经验，参照有关规程对绝缘运行状态进展识别、判断，即完成诊断过程。

并对绝缘的开展趋势进展预测，从而对故障提供预警，并能为下一步的维修决策提供技术根据。

3.1变压器的冲击耐压试验目的和意义

无论是供电可靠性，还是设备状态评价，都需要设备能够快捷、高效、安全、准确、可靠的开展试验工作。

耐压试验是保证这些输变电设备安全运行的重要试验项目，特别是对于特高电压等级的输变电设备，冲击耐压试验是非常重要的例行试验。

研究目的在于根据IEC60060-3标准，在此根底上提出一种适合于特高压变压器现场冲击耐压试验用的试验方法和故障诊断方法，该方法包括适合于特高压变压器的振荡型操作冲击电压发生装置的研制、相关的在变压器为试品条件下的试验方法和采用此方法时的故障诊断方法和技术。

其意义在于为目前特高压变压器现场操作冲击耐压试验提供一种具有现场可行性的、便于现场开展的试验方法和故障诊断方法，保证超高压变压器的安全运行，为电网特别是特高压电网的安全运行奠定试验根底。

3.2国内外变压器的冲击电压试验研究

早在上世纪七八十年代，针对变压器操作冲击试验已经展开了研究，但当时主要采用的仍然是双指数全波的波形，特别是针对现场试验，其产生方法可采用试验变压器产生，这大大的减小了对试验装置体积的限制。

随着我国特高压电网的建设，目前特高压电力变压器的绝缘水平已经是由其操作冲击电压水平所决定，因此针对特高压变压器的操作冲击电压试验越来越受到重视，但如果继续采用之前规程和标准规定的双指数全波的波形，其产生设备难以满足特高压变压器试验的需要，致使该项试验还是难以在现场展开。

随着IEC60060-3标准的颁布，采用振荡型冲击电压如此可使产生效率相比双指数全波冲击电压要高近2倍，如此如果在现场采用振荡型冲击电压，如此对试验设备的要求会进一步降低，使该项试验内容在现场可更好的实施。

在IEC60060-3的根底上，某某交通大学的李彦明教授课题组于2006年紧跟IEC标准在国内外首先提出了现场振荡型冲击耐压试验中进展局部放电的检测，并受到了国内外同行的关注。

可以看出，目前针对基于IEC60060-3标准的振荡型冲击电压的产生方法、试验方法和故障诊断方面，还未进展深入的研究，这主要是由于该标准颁布时间不长，国内采用的时间更短，研究还未开展。

3.3变压器冲击耐压试验依据

〔1〕采用振荡型操作冲击电压进展大型电力设备的现场冲击耐受试验，并同时进展故障诊断，可以实现对特高压变压器的检验和诊断，同时由于装备体积重量的下降，可大幅度的减轻试验前的准备和试验后的恢复工作，还可防止因大量使用人力和起重设备造成的安全隐患。

〔2〕与交流耐压试验相比，冲击耐压试验具有作用电压幅值高、持续时间短的特点。

冲击电压由于其一过性的特点，在激发、暴露缺陷的同时并不会扩大缺陷，因此在现场进展冲击耐压试验是电气设备耐压试验的最优选择。

振荡性冲击波形具有产生效率高，适合现场使用又便于和实验室结果相比对的优点。

因此，IEC60060-3的颁布为现场冲击耐压试验的实施奠定了根底。

〔3〕在进展冲击电压试验的同时进展诸如示伤波形的测量、传递函数的求取和局部放电的检测，可在进展耐压试验的同时进展诊断性试验，更加合理深入地对试验结果进展分析，对设备的故障情况进展判断。

3.4变压器冲击耐压试验研究内容

〔1〕振荡型操作冲击电压产生方法研究

振荡型冲击电压的现场产生技术，即依据IEC60060-3所规定的振荡型操作冲击在变压器为试品条件下的现场产生技术，主要研究内容如下：

①变压器负载特性表现为电容电感混合特性，用MARX冲击电压发生器原理由电容器充电后放电产生时的特殊问题研究，对这些问题进展仿真与试验研究。

②利用在被试变压器低电压侧施加低电压冲击经高压侧放大产生振荡型操作冲击的方法，对其产生方法进展仿真与试验研究。

③利用试验变压器，通过在试验变压器低压侧输入低幅值振荡型操作冲击电压，在试验变压器高压侧产生高幅值电压的方法，对此方法进展仿真和试验研究。

④其它更适用于现场的振荡型操作冲击的产生方法与相关技术的研究。

⑤冲击系统的控制问题，即对产生的符合要求的振荡冲击波发生器进展控制过程中的相关问题研究。

〔2〕以变压器为试品下的试验方法研究

变压器本身结构复杂，对其进展冲击耐压试验相比工频耐压试验要复杂的多，因此需要对采用振荡型操作冲击电压进展耐压试验的一系列相关问题进展研究，特别是在不同的产生方式下如何进展冲击耐压试验进展研究。