技术交流过电压保护.docx

1、技术交流过电压保护过电压保护技术交流资料1：高电压技术中国电力出版社，作者：周泽存、沈其工、方瑜、王大忠资料2：过电压保护原理与运行技术中国电力出版社，作者：陈慈萱。资料3：国网武汉高压研究院产品功能试验报告（2007）电器字第189号）。前 言在资料2前言这样描述：“电力系统的工作可靠性是与其绝缘水平和过电压大小密切相关的。据统计，在电力系统各种事故中，绝缘事故占主导地位，而在绝缘事故中由于过电压引起的事故又占主导地位。过电压保护工作做好了，不仅可以使电力系统安全运行，而且还能降低电力系统的造价与运行维护的工作量”。一、过电压的危害及产生的根源1、危害过电压是电力系统安全运行最大杀手，系统故

2、障及事故都是由过电压引起。过电压不仅造成事故且加速系统绝缘累积老化，而且直接引发绝缘击穿发生故障，对电力系统安全运行造成严重危害。2、过电压产生的根源系统受到的“激励”能量注入到系统电感、电容中，电感电容储存的非工频能量相互交换产生过电压，系统存在很小的电阻消耗此能量，经过7001500ms完全消失。二、过电压的分类过电压分为：内部过电压和外部过电压。内部过电压分为：工频过电压、操作过电压、谐振过电压、断线谐振过电压、PT饱和过电压、单相弧光接地过电压等。外部过电压：雷击过电压或者说大气过电压。这里要强调的是：内部过电压是以相电压为基数，单相弧光接地3.5倍；一般操作过电压2.8倍（电容器开断

3、过电压有可能超过），内部过电压避雷器是不允许动作的，也就是说单相弧光接地3.5倍过电压避雷器不允许动作，2.8倍的操作过电压避雷器更不能动作。电容器开断过电压有可能很高，标准图集才使用避雷器。相间没有过电压。所有的高电压技术书只谈相对地过电压，而不谈相间过电压，是因为相间没有过电压。因为相间有有功负荷，负荷就有电阻成分，不可能产生过电压。组合式过电压保护器保护相间过电压纯属伪命题。图1 相间电路等效图 将上图等效为一个RLC二阶串联电路，将是一个过阻尼电路，不可能产生过电压。外部过电压是以线电压为基数，避雷器U1mA参考电压是线电压的2.3倍，内部过电压不允许避雷器动作，3.5/3 = 2.0

4、2 这是避雷器U1mA的参考电压理论依据，根据运行经验及考虑电压波动，因此，U1mA参考电压是线电压的2.3倍。内部操作过电压2.8倍的相电压 = 2.8/3 = 1.62倍的线电压，1.62远小于2.3，用氧化锌制作“过电压尖峰吸收器”根本不可能吸收操作过电压。过电压抑制柜（聚优柜）纯属一个玩概念的产品，就是PT、避雷器柜。自脱离避雷器用在中性点不接地系统纯属玩概念听起来很完美，避雷器损坏后脱离系统。在标准中避雷器是不允许放在小容量高压熔断器下侧的，如电压互感器的熔断器下侧，这是因为雷击放电电流很大（几kA），高压熔断器瞬间熔断，造成系统失去避雷保护。再者中性点不接地系统即使金属性接地流过接

5、地点的电流就是系统电容电流，自脱离的熔断器额定电流到底选多大，5A、10A、20A电容电流的系统，自脱离熔断器怎么选？氧化锌一次消谐器是一个玩概念的产品氧化锌都有一个U1mA参考电压的门槛值，单相弧光接地时安装在PT中性点的氧化锌一次消谐器不允许动作，否则会发生爆炸，因此它的必须躲过单相弧光接地中性点最大的过电压，U1mA设置会很高，PT铁磁谐振时，氧化锌一次消谐器就不可能动作。中性点虚拟接地过电压保护装置原理一、供电系统可以等效为一个RLC二阶电路如图2，为一段母线的供电一次图。图2 图2的供电系统图，可以等效为图2，一条供电线路。图3 图3中，由于负载为中性点不接地，系统输电线路对地，可以

6、等效为一个RLC电路，如图4.图4RLC电路根据电路中R的大小可以分为： 过阻尼。 R大于临界值时 临界阻尼； R等于临界值时 欠阻尼； R小于临界值时 零阻尼情况 R = 0二、 欠阻尼如图3，这里不再累述二阶电路的推计算过程，我们直接引用二阶电路的结论。固有角频率，也称无耗角频率：衰减系数：（或用表示）衰减振荡角频率，也称有耗角频率：可以定性分析：若电路中L、C一定， R越小， 衰减系数就越小，振荡频率 d 就越大。电路过渡过程的振荡性就会越强，过渡过程时间也会越长，电压和电流衰减越慢，电压和电流振荡越剧烈。 可以想象，若R0，则过渡过程会无休止地进行下去。 R越大，衰减系数 就越大，振荡

7、频率d 就越小大。电路过渡过程的振荡性就会越小，过渡过程时间也会越短，电压和电流衰减越快，电压和电流振荡越不剧烈。L、C具有记忆功能，当系统运行状态改变时记忆改变前一刻的能量，然后L、C交换能量振荡产生过电压，R具有阻尼L、C交换，拟制L、C振荡电压的幅值，随着R的增大，R决定着衰减速度，L、C振荡衰减越快振荡电压越小，振荡频率越低，直至过阻尼。三、 供电系统是欠阻尼的二阶电路供电系统中由于输电线路中的电阻成分R消耗有功功率，因此系统中R越小越好，因此系统中R的阻尼极小，系统处在严重的欠阻尼状态，且系统L、C振荡衰减很慢，这就带来系统的过电压水平高，系统不稳定容易发生谐振等。供电系统中由于输电

8、线路中的电阻成分R极小是系统各种过电压的根源。高电压技术指出：系统无耗自振频率0= 1/LC，衰减系数=R/2L，当0是电源频率整倍数时，系统如有风吹草动，就会发生事故。有些系统当操作人员拉开开关突然进线跳闸，就是属于这类情况。高电压技术给出了系统过电压水平与系统参数的关系图，如图5。从图中可以看出，当/0 0.3时，系统谐振的过电压水平就小于相电压的2.0倍。但是，多数系统的/0 0.3，系统的各种过电压水平就会很低，系统就会稳定。四、中性点虚拟接地抑制系统过电压的的工作原理供电系统中由于输电线路中的电阻成分R消耗有功功率，因此系统中R越小越好，因此系统中R的阻尼极小，系统处在严重的欠阻尼状

9、态。这是供电系统各种过电压的根源。如何增大系统中的电阻成分R，阻尼系统L、C振荡，使L、C振荡快速衰减。又如何使这个增加的电阻成分不消耗有功功率，这正是中性点虚拟接地装置实现的功能。结构原理：使用特殊材料的变压器形成开口三角接入大功率电阻，功率几几十kVA，向系统注入一个电阻，这个电阻对工频不存在，对非工频存在。工作原理：中性点虚拟接地装置增大系统中的电阻成分R，使系统系统的/0 0.3，阻尼系统L、C振荡，降低L、C振荡频率，使L、C振荡快速衰减，或者说使系统处于过阻尼的状态，从而抑制系统各种过电压，实现全面系统过电压保护，从源头消除各种过电压。PT有开口三角，三相工频之和等于0，非工频之和

10、不等于0，但是开口的功率只有50100VA，无法快速消耗“激励”能量。从电路图的角度分析，中性点虚拟接地装置相当于在等效的图3电路图的基础上，在线路与地之间并联一个电阻R1， 如图6。图6把图7的电路等效为RLC串联电路，如图7，从电路知识得出结论：R越小，等效后的R越大，使得系统的/0 0.3，对系统的LC振荡有效阻尼。图7总之，中性点虚拟接地装置，正是加大系统的阻尼电阻，阻尼系统LC交换能量，消耗系统LC储存的能量，从源头消除系统各种过电压，实现主动式过电压保护，全面治理系统各种过电压。预防系统故障及事故发生，大幅度降低系统发生故障的概率，提高系统运行安全性、可靠性，延长系统寿命。中性点虚

11、拟接地装置的功能：1、杜绝PT铁磁谐振；2、实现弧光接地消弧；3、操作过电压小于2.5倍（相电压）；4、消除系统线性谐振；5、消除系统断线谐振；6、消除系统参数谐振；7、与避雷器配合，快速吸收避雷器动作后的残余电荷及避雷器截波形成的残余电荷。五、中性点虚拟接地装置的功能：1、杜绝PT铁磁谐振；本功能已通过武汉高压研究所试验验证详见附件试验报告实验2PT铁磁谐振是系统较常发生的故障，其危害非常大。PT铁磁谐振具有7大性质：很大的范围内的C值都可能发生；需要“激发”才能发生，如变压器突然合闸、故障等产生的“激励”；C值太大时出现铁磁谐振的可能性将减少；小系统容易发生铁磁谐振；过电压幅值一般不会很高

12、，电流却很大；谐振状态可能自保持；电流引起电压“翻相”现象；具有各次谐波谐振。PT铁磁谐振的发生情况：往往发生在故障消失后。 故障消失后，系统中性点不接地只有PT中性点接地，系统对地电容记忆的电荷只有对PT泄放，往往引起PT铁磁谐振。雷击后 雷击后避雷器动作后U1mA参考电压以下的电荷，继续储存在系统对地的电容中，系统中性点不接地只有PT中性点接地，只有对PT泄放，往往引起PT铁磁谐振。空母线合闸 空载母线合闸，变压器绕组对地分别电容与电压互感器绕组形成串联谐振，因此规程规定不允许带PT合空母线。谐波 谐波有可能激发PT铁磁谐振。单相弧光接地弧光接地不断燃弧熄弧，有可能激发PT铁磁谐振。如图8

13、，为基波谐振图解。图 8 基波谐振图解为什么规程中电压互感器的拐点为相电压的1.9倍，电压互感器铁芯饱和拐点的值设置越高，谐振过电压的值就越高。抗饱和电压互感器虽然发生铁磁谐振的概率大幅下降，但是一旦谐振，谐振过电压更高，引发系统其它绝缘的破坏造成事故。电压互感器的拐点为相电压的1.9倍时对应的谐振过电压为2.8倍，2.5倍时约3.5倍的谐振过电压，如果再提高拐点的值，系统很难承受如此高的工频过电压。电压互感器铁芯饱和拐点的值，极限为相电压的2.5倍，所以抗饱和一般都设置2.5。资料二P40指出：“要彻底根除基波铁磁谐振，必须人为地加大电阻R， 谐振就不能自保持了。 RE/I”。资料一P313

14、 ：“若在回路中人为地增加R值，则此非线性电感回路在相应的E值作用下，只有非谐振工作点，根除了产生工频谐振的可能性。”。“现将产生非线性谐振的条件归纳如下：，谐振回路的损耗电阻小于临界值，”，也就是谐振回路的损耗电阻大于临界值时，PT就不会发生铁磁谐振。见附件二，P313拒绝PT铁磁谐振原理：需要“激发”才能发生PT铁磁谐振，中性点虚拟接地装置快速消耗了“激励”能量，从而使“激励”不能激发PT发生铁磁谐振，PT永远不会发生谐振。从另一个角度说，中性点虚拟接地装置，就是加大零序电阻，使R远大于E/I，因此根本不会发生铁磁谐振。从能量的角度来看，就是虚拟接地装置吸收的能量远大于铁磁谐振饱和“激发”

15、的能量，PT铁芯恢复正常。从资料一P319可知，无论二次谐波、三次谐波、基波、1/2次谐波PT铁芯饱和过电压，开口三角都有输出，中性点虚拟接地装置就能消耗谐振能量，只要消耗的能量大于铁芯饱和“激发”的能量，PT铁芯就能恢复正常，阻止谐振。图9（见资料三）是中性点虚拟接地装置消除PT铁磁谐振实验电压波形图，试验证明了虚拟接地装置吸收的能量远大于铁磁谐振饱和“激发”的能量，PT铁芯恢复正常，谐振消失。 图9 消除PT铁磁谐振实验电压波形图2、实现弧光接地消弧；本功能已通过武汉高压研究所试验验证详见附件试验报告实验1单相弧光接地消弧中压非有效接地系统，最难解决的问题是单相弧光接地过电压。目前的消弧装

16、置有消弧线圈、故障相金属性接地消弧装置，都是被动式保护，不能预防故障发生，且这两种消弧装置存在着缺陷。特别是故障相金属性接地消弧装置存在特别严重的技术缺陷，会给系统带来严重的安全隐患。故障点再次重燃的条件是：故障点对地电压大于故障点的绝缘强度。这里包含两种含义，燃弧后故障点弧道被电离，绝缘强度大幅下降，其一故障点对地电压恢复速度大于故障点绝缘强度恢复速度；其二故障点对地电压恢复峰值大于故障点绝缘强度。图10 弧光接地过电压的发展过程如图10（资料二P31），是工频熄弧理论分析图，从图中可以看出：第一次燃弧暂态过电压为2.5倍，电容电流过零时弧光熄灭，熄弧时刻系统对地电容储存的电荷，与工频电压相

17、叠加，一方面加快故障相对地电压的恢复速度，另一方面故障点对地电压恢复峰值为正常值的2倍，再者使第二次及以后燃弧暂态过电压为3.5倍。正是弧光熄灭时刻对地电容储存的电荷，加快了故障相对地电压的恢复速度，以及故障相对地电压恢复峰值为正常值的2倍，使得故障点对地电压大于故障点的绝缘强度，弧光再次重燃。中性点虚拟接地消弧原理如果快速把熄弧时刻系统对地电容储存的电荷消耗（泄放）掉，一方面降低故障点对地电压的恢复速度，使故障点弧道绝缘恢复速度大于故障点对地电压的恢复速度；另一方面使故障点对地电压恢复最大峰值接近正常值，而不是相电压的2倍，故障点就不会重燃，从而实现消弧。另外，中性点虚拟接地吸收燃弧“激发”

18、的能量，降低燃弧暂态过程及暂态过电压的幅值。如图11（资料三）是中性点虚拟接地装置消弧过程图，试验证明了能量消耗法消弧，且消弧时间15ms。 图11 中性点虚拟接地装置消弧电压波形图附：消弧柜无法100%判断故障相的原因分析在消弧柜出现以前，都是由消弧线圈来消弧的，中压系统是不需要判断故障相的，故障相判断都是运行人员归纳的简单判断方法，故障相判断是否准确无关紧要。消弧柜原理是一个很好的消弧原理，但是消弧柜的动作依赖故障相的判断，故障相判断就必须100%，否则就会造成相间短路，给供电系统带来更大的隐患！消弧柜厂家竞争，互相攻击，张三说李四家的消弧柜在那里那里爆炸了！究其原因就是误判故障相造成短路

19、，消弧柜中的高压熔断器不能开断大电流而爆炸。消弧柜不能准确判断故障相的原因在那里呢？1、采样时间要10ms要准确判断故障相，就必须知道交流信号的幅值及相位，就要对交流信号进行傅里叶变换，最小的傅里叶变换采样时间为半个周波，对于50Hz的工频来说就必须采样10ms。2、单相弧光接地的每次燃弧时间10ms3、燃弧期间健全相对地电压为线电压。4、熄弧期间健全相对地电压为相电压。5、对于健全相10ms采样的是两个完全不同的电压信号要进行傅里叶变换就必须采样10ms，但每次燃弧10ms，这样对于健全相的采样值一段时间为线电压，一段时间为相电压，是两个完全不同的电压信号，消弧控制器把它作为一个信号处理，显

20、然数据来源错误，准确率只有50%。但对于金属性接地，消弧柜都能准确判断故障相，这是因为金属性接地是从一个稳态到另一个稳态，金属性接地后信号是连续的。小电流选线同样存在这样的问题，也只有50%的准确率，加上金属性接地的判断正确性，大概可以鼓吹到70%。3、抑制操作过电压小于1.5倍本功能已通过武汉高压研究所试验验证详见附件试验报告实验4、5、6电力系统中的电容、电感元件均为贮能元件。当系统中操作或故障使其工作状态发生变化时，将产生电、磁能量震荡的过渡过程。在此过程中，电感元件贮存的磁能会在某一瞬间转换为电场贮存于电容元件之中，产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。过电压是电力系统安全运行最大杀手，

21、系统故障及事故都是由过电压引起。过电压不仅造成事故且加速系统绝缘累积老化，而且直接引发绝缘击穿发生故障，对电力系统安全运行造成严重危害。目前主要采用避雷器、组合式过电压保护器、PT消谐器、消弧线圈、消弧装置等被动式保护治理。避雷器、组合式过电压保护器，过电压必须超过其整定值才会动作，为防止其在单相接地时吸收能量过多而爆炸，其整定值很高，例如10kV系统其整定值要大于23kV。一方面系统内小于其整定值的过电压不会动作；另一方面即使大于其整定值的过电压动作，高于其整定值部分的能量被其吸收，而小于其整定值部分依然存在于系统，冲击系统绝缘。因此，我们可以得出这样的结论：避雷器、组合式过电压保护器是被动

22、式的过电压保护，无论系统内过电压的峰值多大，都有小于其整定值的过电压冲击系统绝缘，或加速系统绝缘老化，或使老化的绝缘击穿发生故障。现有的供电系统均安装有避雷器或组合式过电压保护器，依然发生故障就说明了这个问题。中性点虚拟接地主动式过电压保护原理：中心点虚拟接地装置，快速消耗系统电感电容储存的非工频等“激励”能量，大幅度降低系统电感电容可交换的能量，充分阻尼其暂态过程，从源头上阻止了暂态过电压的形成，消除过电压于萌芽状态，因而防止过电压冲击系统绝缘延长系统寿命，大幅降低系统故障概率。中压系统电缆的广泛应用，遭受雷击的可能性越来越少，主要是内部过电压，操作过电压是系统最主要的过电压，从源头治理了过

23、电压，消除过电压于萌芽状态，就可以延长系统绝缘寿命，大幅度降低故障概率。真空断路器操作过电压主要表现为截流过电压、多次重燃过电压、三相非同期开断过电压。操作过电压又分为：空载变压器、电抗器投切过电压，电容器、空载线路投切过电压，合空母线过电压，投切电机过电压，系统扰动过电压，突然甩负荷过电压，发电机并网过电压等。资料1描述操作过电压的形成过程。图 8 开断过电压的形成过程其中，以开断电容器组、空载变压器、空载线路的过电压最为严重，过电压水平最高，为此，我公司在武汉高压研究院做了这三个典型的开断模拟实验（见资料三），图9、10、11分别为开断电容器组、空载线路、空载变压器的模拟试验示波器波形图，

24、从三个图中可以看出，只有开关触头打开时刻有一些小毛刺，而没有几倍的过电压，验证了能量消耗法主动式过电压保护从源头上消除过电压的产生。图9 电容器开断过电压试验电压波形图图10 空线路开断过电压放电试验电压波形图图11 空载变压器开断过电压保护试验电压波形图4、消除系统线性、断线谐振；资料一P304：如图5，系统无耗自振频率0= 1/LC，=R/2L，对地电容会受温度、湿度的影响发生变化，而系统的电源频率也在波动，有可能0是电源频率整倍数。当0是电源频率整倍数时，系统如有风吹草动，就会发生事故。/0的比值决定了系统的稳定性，对于供电系统送电距离长有较大的R，且架空线路对地电容很小，而对企业变电所

25、送电距离很短有很小的R，因此，企业变电所更要注意系统可能出现线性谐振，系统操作、不对称接地故障、断线（熔断器一相、两相熔断）时系统发生线性谐振。中性点虚拟接地装置增大了零序阻抗的电阻R值，增大值，使/0远大于0.6，系统自振角频率远离无耗自振频率0，故可拒绝系统线性谐振。5、消除系统参数谐振；参数谐振就是系统参数的周期变化，产生周期的“激发”能量，由于系统中的电阻很小，无法消耗掉这种周期的“激发”能量，在系统中积累产生过电压，这主要对发电机、变压器而言。参见附件四（资料二P42-43）。同步自励磁，发电机转子受原动机的驱动而旋转时，定子绕组的电感将周期性的改变，在一定条件下，就会出现参数谐振。

26、快速励磁自动调节器可以解决。异步自励磁，电机处于异步状态，定子绕组的旋转磁场将切割转子绕组，定子绕组将感应出角频率0及2-0的电动势，定子的电流将具有拍频性质。异步自励磁过电压上升速度很快，必须立即从系统中切除电机，以免造成事故。自参数谐振，变压器铁芯饱和在工频作用下以2倍频率变化，产生谐振。目前由于竞争激烈，变压器铁芯的磁通密度设置很高，很容易饱和，必须注意。中性点虚拟接地装置可加大消耗参数变化“激发”的能量，使消耗的能量大于参数变化“激发”的能量，从而系统不能形成参数谐振，系统快速恢复正常运行。6、与避雷器完美配合雷击发生后氧化锌过电压保护器的U1mA参考电压在2.3倍左右，其对应的电荷储

27、存在系统对地电容上，其与相电压叠加形成过电压，详细参见资料一P285。其能量被虚拟接地吸收泄放，防止了其与相电压叠加产生的工频过电压危害系统绝缘。图 12表1 中性点虚拟接地性能指标名称目的作用过电压倍数动作时间 ms系统谐振防止谐振过电压吸收能量大于“激励”能量“激励”能量吸收30PT铁磁谐振防止PT铁磁谐振及过电压吸收能量大于“激励”能量“激励”能量吸收30瞬间单相弧光接地消弧及防止其过电压快速泄放对地电容储存的非工频电荷2.5消弧20永久单相接地防止过电压快速泄放对地电容储存的非工频电荷2.5雷击防止过电压避雷器动作及其残余电荷泄放4.0残余电荷泄放时间20合电容器防止过电压快速泄放电容

28、储存的非工频电荷1.120切电容器防止过电压快速泄放电容储存的非工频电荷1.530合空变、电抗器、电机防止过电压快速泄放元件储存的非工频能量1.120切空变、电抗器、电机防止过电压快速泄放元件储存的非工频能量1.520合空母、空线防止过电压快速泄放元件储存的非工频能量1.120切空母、空线、甩负荷防止过电压快速泄放元件储存的非工频能量1.520六、型号说明U：额定电压 3、6、10、35 kvIc：系统电容电流 10、20、30、40、50、80、100、200AP：附加电压互感器功能，不选择时省略PJ：并列切换功能，附加功能，不选择时省略JX：G：高配置；Z：中配置；D：低配置七、一次原理图

29、图 13八、柜体结构图图14九、选用功能1、可附加电压互感器功能。2、可附加虚拟接地智能监测仪。3、可附加PT切换功能。4、可以增加选线装置，迅速查找故障线路（建议使用后台选线）。5、可提供AC 220V操作电源。十、虚拟接地智能监测仪虚拟接地智能监测仪是中性点虚拟接地装置的智能监测单元，该监测装置通过PT信号、带电传感器信号、温湿度传感器信号、吸能单元上传数据等及时监测系统运行状态，当系统出现异常发出告警，方便用户实时监测系统状态。功能与特点：中文液晶显示，运行状态清晰，菜单式操作，方便易用。监测PT及系统故障如：PT断线、系统过压/欠压、系统谐振、单相接地。实时显示系统三相电压。PT切换功

30、能实现柜体温湿度控制。带电显示功能。实时监测虚拟接地装置动作情况。装置故障告警，方便用户及时维护。通信接口，可以选择RS-485或以太网通信口。大容量Flash存储器，可记录40次历史故障及装置动作信息。具有良好的电磁兼容性，适合在强电磁干扰的复杂环境中应用。双硬件看门狗电路确保软件运行的可靠性。OXC电容器主动式保护装置介绍电容器组开断过电压水平最高，因此规程上加装避雷器、放电线圈来防止过电压，电容器的开关一般选用电容器专用真空断路器，但是电容器组开关爆炸时常发生，电力系统用老炼实验（触头光滑花）来进一步减少电容器专用开关的爆炸，这些机械上的改进，虽能减少但不能杜绝电容器专用开关的爆炸。电容器专用开关的爆炸的元凶是开关触头重燃造成的，开关触头重燃就是开关触头间压差过大引起，如果从电学的角度