隨筆之五-電力系統過電壓
一、何謂過電壓
所謂過電壓，是指電力系統在特定條件下所出現的超過工作電壓的異常電壓升高，屬於電力系統中的一種電磁擾動現象。電工設備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統安全可靠地運行。研究各種過電壓的起因，預測其幅值，並採取措施加以限制，是確定電力系統絕緣配合的前提，對於電工設備製造和電力系統運行都具有重要意義。
過電壓分兩類，外過電壓和內過電壓。外過電壓又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷雲對地面放電而引起的。內過電壓是電力系統內部運行方式發生改變而引起的過電壓，分為工頻過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。個人涉及的一般都是內過電壓分析，外過電壓也會嘗試稍作總結。
二、工頻過電壓
工頻過電壓指系統中由線路空載、不對稱接地故障和甩負荷引起的的頻率等於工頻（50 Hz）或接近工頻的過電壓。
主要是三類原因： 1.空載長線路的電容效應；2.不對稱短路引起的非故障相電壓升高；3.甩負荷引起的工頻電壓升高。其中1和3經常結合在一起造成過電壓。
實際計算過程中，與線路長短、短路容量、有無並聯電抗器、故障前負荷都有關係。
為何討論工頻過電壓？
- 直接影響操作過電壓的幅值
- 持續時間長的工頻電壓升高仍可能危及設備的安全運行（油紙絕緣局放、絕緣子污閃、電暈等）
- 在超高壓系統中，為降低電氣設備絕緣水平，不但要對工頻電壓升高的數值予以限制，對持續時間也給予規定（母線側1.3pu，線路側1.4pu，時間一般為1min）
- 決定避雷器額定電壓（滅弧電壓）的重要依據n（3、6、l0kV系統 工頻電壓升高可達系統最高運行線電壓的1.1倍，稱為110％避雷器；35~60kV系統為100％避雷器；110、220kV系統為80％避雷器；330kV及以上系統，分為電站型避雷器（即80％避雷器）及線路型避雷器（即90％避雷器）兩種）
降低工頻過電壓的措施：
1）單機帶長線，特別是單機容量相對較小時是造成工頻過電壓過高的最不利電網條件。一般工程中遇到這種情況會重點校核，並盡量避免這種情況。
2）經常保持發電機自動電壓調節器投入運行，特別是採用快速勵磁。
3）採用單相重合閘並確保繼電保護及其選相性能的正確性（這塊細化分析故障的話就比較費篇幅，就不展開）
4）裝設高抗
5）採用良導體線(鋁合金線、鋼芯鋁線、鋁包鋼線)作為架空地線，與鋼鉸線比，線路零序阻抗減少，從而可以降低工頻過電壓3%-8%。
三、諧振過電壓
諧振過電壓是電力系統中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發生諧振所造成的過電壓。 產生都與電網的運行狀態、參數或與帶鐵心設備的磁迴路有關。
1）超高壓線路的平行諧振過電壓。超高壓線路一般裝設了並聯電抗器後，就要考慮平行諧振可能產生的過電壓問題。所謂平行諧振，是指帶電的線路部分通過空間電容耦合，對不帶電的對地連接有電感(並聯電抗器或變壓器)的空線部分構成諧振的條件，而在空線上產生過電壓。
這也適用於單回線非全相情況（單相故障時可能出現非全相諧振過電壓），而這種情況通常在工程設計中關注較多，一般我國500kV裝設並聯電抗器的線路都使用單相重合閘，然後在並聯電抗器中性點加裝小電抗（另一作用是防止潛供電流），當然這需要校核高抗中性點側的絕緣水平。
很多國外系統曾在500kV長線路上裝設了中性點直接接地的高壓並聯電抗器，而又採用單相重合閘的情況，不但單相重合閘成功率極低，還發生過因斷相引起諧振過電壓而損壞設備的事故。
中性點小電抗原理：如在並聯電杭器中性點加小電抗器，小電抗器的電抗值是按單相開後接近完全補償相間耦合電容的條件決定的，因而其感抗值很大，不構成L, C串聯迴路;耦合到斷開的空線的電壓很低。
實際工程中平行諧振有判斷的簡單方法：即空線的並聯電抗補償度(百分比)與所連接電感的X0/X1的比值,這塊內容比較多，就不展開了，主要是引出一個重要結論：就是過補償也可能引起諧振，應該避免。
多迴路的諧振和單迴路原理差不多，只是情況複雜些。
2）諧波諧振過電壓。 也是主要存在於小機帶長線情況（令人煩惱的工況），由於這樣結構方式的自然諧振頻率較低，個別甚至低於工頻，有可能因變壓器的磁飽和或串補電容產生的諧波與之發生諧振。
工頻過電壓迫使變壓器飽和，引起諧波，多發生於變壓器特性不好，電網電壓偏高的情況，這時變壓器的勵磁電流將大大增加（內含大量諧波電流）。
下圖就是加拿大魁北克735k V電網甩電荷時磁飽和對過電壓的影響。
可見在工頻頻率為頰定值60HZ時，變壓器飽和降低了過電壓。當頻率上升到61.8HZ時，發生了5次諧波的諧振，靠近電源端的LEM變電站母線電壓達1. 72標么值，比處在空載線路末端的LAV變電所母線電壓還高得多。
3）變壓器諧振過電壓
CIGRE 曾經分析過此類過電壓發生的幾種原因：
- 近區故障。線路較長，但僅在距離變壓器15km以內的線路處發生故障，特別是與變壓器相連只有一回線，近處發生兩相或三相故障時比較危險。
- 從短路容量大的母線處向短線路一變壓器組充電。
- 切斷變壓器勵磁涌流。
好像國外這種事故有發生（特別是美帝國），但國內好像沒有過，也可能是過去有的變壓器事故可能是諧振過電壓造成，但由於沒有從這方面分析，真實原因往往不清。 但是，隨著高電壓、大容量變壓器的發展，國外的事故經驗值得吸取。為預防這種事故的措施也值得研究。比如儘可能改善保護變壓器的避雷器性能，例如將帶間隙的閥型避雷器改為氧化鋅避雷器；對高電壓、大容量變壓器(包括升壓和聯絡兩個最高電壓級的)儘可能不用分接頭（美國所有因諧振過電壓而損壞變壓器的故障都與調整分接頭有關）；設計選型及整定變壓器保護時應避免變壓器充電勵磁涌流而誤動等等。
4）自勵磁過電壓
這點我記憶猶新，曾經某工程我漏算了這一項。
當發電機組僅帶容性負荷，而容性負荷超過發電機的吸收能力時，將發生自勵磁，發電機電壓將失去控制，而按指數增大。
自勵磁現象的出現，很大程度決定於電網的結構，當相對小容量的機組帶相對高電壓的空載長線路而又無電抗器補償時（又是這種情況有木有），其實在正常運行時，單機帶長線的機率是很少的，但是在系統發生故障，特別同時出現甩負荷的情況下.有可能構成最不利的條件而發生自勵磁。特別是水電站送出線路，水輪機組時上升的幅度較大。頻率上升的結果是減少了容抗，而加大了感抗，所以更易發生自勵磁。
防止自勵磁的措施:
- 防止自勵磁是電網設計內容之一。與500 kV電網配合，一般應裝設單機容量為500 MW以上的機組，這樣一般不易發生自勵磁。如果直接接入500kV電網的機組容量過小，更應研究採取措施。
- 對可能引起自勵磁的線路，裝設高壓並聯電抗器。
- 裝設反映過電壓的繼電保護。但在整定過電壓倍數及時間時，必須考慮斷路器在電壓升高時切空載線路的性能。
四、操作過電壓
由線路故障、空載線路投切、隔離開關操作空載母線、操作空載變壓器或其它原因在系統中引起的相對地或相間瞬態過電壓，利用高性能避雷器（也可能是合閘電阻，都有應用區域）可以防止操作過電壓。
操作過電壓是系統操作和故障時出現,特點是具有隨機性,在最不利的情況下過電壓倍數較高,330KV及以上超高壓系統的絕緣水平取決於操作過電壓。 有以下情況：
- 切除空載線路時過電壓的根源是電弧重燃及線路上的殘餘電壓。（由於SF6斷路器所以極少出現）
- 空載線路的合閘過電壓是由於在合閘瞬間的暫態過程中,迴路發生高頻振蕩造成的。
- 在中性點不接地的電網中發生單相金屬接地將引起正常相的電壓升高到線電壓。如果單相通過間歇燃燒的電弧接地,在系統正常相合故障相都會產生過電壓(稱電弧接地過電壓),其實質是高頻振蕩的過程。
- 切除空載變壓器引起的過電壓。原因是當變壓器空載電流突變時變壓器繞組的磁場能量全轉化為電場能量對變壓器等值電容充電,導致過電壓。
規程如下：
1）潛供電流與恢複電壓
潛供電流也是實際工程中涉及較多的一個因素。線路上發生單相接地故障，繼電保護通過選相元件只將故障相自線路兩側斷開，非故障相仍然繼續運行，這時非故障相與斷開的故障相之間存在靜電（通過相間電容）和電磁（通過相間互感）的聯繫。使故障點弧光通道中仍有一定數值的電流通過，此電流稱為潛供電流。
單相跳閘後，潛供電流與相間電容、電網電壓皆成正比，電壓等級愈高或線路愈長，上述分量的潛供電流愈大，並與故障點位置無關。
消弧措施：故障點能否消弧，除與風速、風向、電弧長度有關外，關鍵是恢複電壓的高低和潛供電流的大小及其與恢複電壓問的相位差。如果沒有消弧措施，當電流過零熄弧時，恢複電壓適為最大值，消弧條件很差。因此對電壓等級高而線路又較長的線路需有幫助消弧的措施：如對500KV中長線路高壓並聯電抗器中性點加小電抗、短時在線路兩側投入快速單相接地開關等措施；另一方面可採用實測熄弧時間來整定重合閘時間。
同桿並架線路： 同桿並架的線路，當有一回發生接地，如構成平行諧振條件，將引起很高的恢複電壓，難以消弧。此外，如一回線發生單相接地，兩側故障相斷開後的潛供電流，由於同桿線路的電容與電感耦合，使它比單迴路的潛供電流有所增加。如同桿並架的兩回線換位情況各不相同時，數值還要增大。同樣，故障點的恢複電壓也由於有了同桿線路的耗合而增大。
目前的關鍵問題是要研究多長距離的線路，可以不採取上述的小電抗消弧措施。這樣是所有項目過電壓分析專題報告裡面需要論證的。
BPA計算結論是：對採用斷電時間為35-40周波(0.58-0.67s)的單相重合閘，可以不採取消弧措施(如並聯電抗器補償或快速接地開關)的500kV線路長度為100km，這也是平時我們計算的一個大概依據，但是實際值比這要高一些。
國外也有採用短時在線路兩側投入快速單相接地開關作為解決消弧的措施。如果考慮同桿雙回線的異名相故降，也只有快速接地開關能有效地解決問題。
2）空載線路合閘（其他如切空線、切空變、解列不贅述）
線路採用三相重合閘時，會出現在空線合閘前，線路上有與殘餘電荷相應的殘餘電壓U ,重合時若電源電壓與U相位相反，則可能出現3倍多的更高的過電壓。
這塊主要是牽涉到是否選擇合閘電阻（或是沿線避雷器），合閘電阻作用是斷路器在斷開時在主觸頭合上前先退出，在合閘時合閘電阻先投入，當主觸頭合上時被短接退出，這樣做可以防止操作過電壓。合閘電阻是否需要也是電網項目過電壓分析報告中的重要一條。
線路斷路器裝合閘電阻是限制合空載線路過電壓的有效措施，與避雷器相比，優點在於限制過電壓效果明顯且沿線均衡。但是，合閘電阻及其運動的機構，比較容易發生故障，對於不裝合閘電阻時合空線相地過電壓仍在允許範圍之內的線路，其斷路器可以不裝合閘電阻，其安全性可能更高，而且也節省投資和維修費用；對於投切變壓器的斷路器，因為此類過電壓一般均小於2.0p.u.，斷路器沒有必要裝合閘電阻，行業標準也沒有要求。對絕緣不構成威脅況且變壓器旁邊都有MOA保護，可以進一步限制過電壓。所以變電所投切變壓器的500kV斷路器可以不裝合閘電阻。
限制操作過電壓的措施有:1.選用滅弧能力強的高壓斷路器。2.提高斷路器動作的同期性。3.斷路器合閘電阻。4.採用性能較好的避雷器。5.電網中性點接地運行。
五、外過電壓
分直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種。
直擊雷過電壓是雷閃直接擊中電工設備導電部分時所出現的過電壓。雷閃擊中帶電的導體，如架空輸電線路導線，稱為直接雷擊。雷閃擊中正常情況下處於接地狀態的導體，如輸電線路鐵塔，使其電流互感器過電壓保護器電位升高以後又對帶電的導體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值可達上百萬伏，會破壞電工設施絕緣，引起短路接地故障。感應雷過電壓是雷閃擊中電工設備附近地面，在放電過程中由於空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設備（包括二次設備、通信設備）上感應出的過電壓。因此，架空輸電線路需架設避雷線和接地裝置等進行防護。通常用線路耐雷水平和雷擊跳閘率表示輸電線路的防雷能力。
這塊只是聽過別人的彙報材料，自己沒什麼見解。
六、直流輸電過電壓
直流輸電的容量往往接近於所連接的交流系統的短路容量，此時工頻過電壓將是交直流系統相互影響中的重要問題之一。
當直流輸電系統故障(直流閉鎖、全停)或交流系統故障後而直流輸電不能迅速起時，換流閥不能消耗無功功率，多餘的無功功率將引起工頻動態過電壓，交流系統的短路容量或SCR愈小，產生的過電壓值將愈高。葛洲壩-南橋直流輸電容量為1200MW，相對於兩側的交流短路容量較低，因而葛洲壩與南橋側的工頻動態過電壓分別不超過1.15標么值及1.125標么值。
為了限制直流輸電工頻過電壓，保持電壓穩定，有以下措施：
1）裝設調相機
巴西的負荷中心(聖諾克)為了接收伊泰普水電站直流輸電送來的電力，由於受端交流側短路容量與之相比較弱，所以裝設了1台300Mvar的調相機，既可提高受端的短路比，又可提供換流所需無功功率。
2）靜止補償器
例如聯絡英法的2000M W直流輸電系統，在英國側接入400kV電網處的正常最小短路容量為6000MVA，故障時將引起工頻過電壓達1.4標么值，為此，裝設了2組±150 Mvar靜止補償器，主要目的是事故時吸收無功。
3）建設新線路提高交流側的短路容量
除了工頻過電壓之外，直流系統裡面，自勵磁和諧波諧振過電壓也可能存在，具體判別原理和交流系統類似。
七、EHV工程內過電壓分析報告
還有幾點實際工程中比較關注的，這個模板因為工程實際情況而沒有反映，如下：
1）中性點小電抗器參數選擇
小電抗值最佳值按線路運行潛供電流和恢複電壓最小，併兼顧中性點工頻過電壓不要太高的原則選擇。舉例說明如下。
- 高抗中性點和小電抗絕緣水平及中性點MOA校核
表 中匯總了相關站點的高抗中性點小電抗的工頻過及操作過電壓計算結果。供高抗中性點和小電抗絕緣水平及中性點MOA校核。
變電站A－變電站B線路高抗小電抗取最佳值400Ω時，最高工頻過電壓為53.98kV，因此中性點小電抗避雷器額定電壓選96kV, 標稱放電電流5kA電站型避雷器，變電站C－變電站D線路原高抗小電抗最高工頻過電壓為82.56kV，因此若原中性點小電抗避雷器額定電壓為96kV, 標稱放電電流5kA或1.5kA電站型避雷器，則可繼續使用。計算操作過電壓時，各條線路均裝有上述避雷器。由於中性點避雷器在操作過電壓下能耗很小，其計算結果不在表中列出。
由表中的工頻過及操作過電壓計算結果，變電站A－變電站B線路高抗中性點及中性點小電抗的工頻短時耐受電壓為140kV（1min），雷電衝擊耐受電壓為325kV，操作衝擊耐受電壓為269kV（相當於66kV電壓等級）。
變電站C－變電站D線路原高抗中性點及中性點小電抗的工頻短時耐受電壓為 140kV （1min），雷電衝擊耐受電壓為325kV，因此滿足本工程要求。
所研究線路的高抗中性點及中性點小電抗工頻過電壓的最小安全係數（絕緣配合係數）為1.69，操作衝擊的最小安全係數為1.49，滿足GB/T311.2所要求的內絕緣安全係數1.15要求。避雷器的額定電壓也高於最大工頻過電壓，避雷器的運行是安全的。
- 小電抗容量校核
根據前表中高抗中性點最大工頻過電壓，計算流過小電抗短時最大工頻電流。這些短時最大工頻電流持續時間＜1s，偏嚴考慮，以這些值作為10s最大電流I10 ，選持續工作電流Ic=I10/10。計算的小電抗持續工作電流及容量見此表 ，可供小電抗容量校核。
變電站A－變電站B變電站A側高抗中性點小電抗容量選為79kVAR，變電站C－變電站D線路小電抗選為容量100kVAR，原小電抗容量為540kVAR，因此可繼續使用。實際上最大工頻電流持續時間小於0.5s，原小電抗持續工作電流選為30A，遠大於計算值，因此可繼續使用。
2）過補償線路斷路器電流零偏現象對於有高抗補償的線路的合閘操作，尤其是過補償線路，由於高壓電抗器的磁通在合閘瞬間保持不變，電抗器電流產生直流偏移，導致線路斷路器合閘時的電流發生嚴重零偏現象。若此時分閘，500kV斷路器的開斷時間一般小於18ms，在開斷時間內若開斷的電流無過零點，可能會導致開斷失敗，而較長時間燃燒的電弧會燒毀滅弧室，危害性較大，這點實際工程中需要重視。
3）接地開關選擇
同塔雙回線路存在這部分內容，當同塔雙回線路一回運行，另一回線路停電檢修時，運行線路對停電檢修線路的靜電和電磁感應決定了另一回線路接地刀閘參數的選擇。
即計算出單回線路首末接地隔離開關在不同狀態下的最大容性電壓；最大感性電流；最大感性電壓和最大容性電流，然後根據根據DL/T 486-2000的規定：額定電壓550kV 的A類接地開關開、合感應電流的額定參數為額定感性電流80A；額定感性電壓2.0kV ；額定容性電流1.6A；額定容性電壓8.0 kV。額定電壓550kV的B類接地開關開、合感應電流的額定參數為額定感性電流200A；額定感性電壓25kV；額定容性電流50A；額定容性電壓50 kV，從而進行選擇。
至於其他一些內容，對於過電壓其實也很重要，比如氧化鋅避雷器設備參數、EMTP 過電壓計算，限於篇幅就不寫了，過電壓這塊總結就這麼多，自己也很有收穫。
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