虚拟接地对操作长线路过电压的抑制

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇虚拟接地对操作长线路过电压的抑制范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：针对电网中用断路器切、合空载线路常见的常规操作方式，着重分析了关合空载长线、切断空载长线、重合空载长线三种工况下产生过电压的缘由，明确了切断空载线路产生的操作过电压最高。继而推出了虚拟接地对抑制空线操作过电压的保护原理及其应用。

关键词：空载线路 操作过电压 虚拟接地保护

中图分类号： C35 文献标识码： A

1 概述

电网中用断路器切、合空载线路（以下简称空线，电容器操作过电压产生的机理与操作空线一样）是一种常见的常规或故障操作方式。在这种操作过程中也会产生过电压，后者能波及整个电网。运行经验证明，当所有断路器的灭弧能力不够强，以致电弧在触头间的每次重燃实质上就等于空载线路的一次重合闸。下面从最简单的空线向电源合闸的情况出发，来分析过电压产生的机理。

2 空线各运行工况下产生过电压的分析

2.1 关合空载长线过电压

参看图1（a），电源E1和E2经长输电线连通，线路两侧均装有断路器。在线路一侧断路器（例如QF2）断开的情况下，关合另一侧断路器（例如QF1）就会遇到关事空载长线的操作。用集中电容取代长线的分布电容可得图1(b)所示的简化了的关合空载长线的单相等值电路图，图中L为电源电感，C为长线的总电容。显然图1 (b)中的L与C总将构成振荡回路，其振荡角频率为

图1关合空载长线

在一般情况下ω0要比工频高得多。因此，可以假设：在求过渡过程中电容C上的过电压时，电源电压近似地保持不变（如果在电源电压接近幅值时合闸，由于这时电源电压变化较慢，这一假设就更接近于实际了）。这样，空线的关合可以简化成图2的直流电源合闸于LC振荡回路的情况，图中直流电动势E等于电网工频相电压的幅值Upm（这一般相当于最严重的情况）。根据电路第二定理，可以写出

图2直流电压作用在LC回路上

因此电路方程可写成为

当电容C上无起始电压时，即t=0时，uc=0，则式（2-4）的解将为

（2-5）

代入式（2-3）可得电流的解为

（2-6）

图3给出了和式（2-5），式（2-6）相应的电压、电流变化曲线。下面用物理概念来说明其意义。

图3图2回路中i和uC随时间的变化

由于在合闸前，回路中无电流（i=0），电容C上无电压（q=0, uc=0），而电感中的电流和电容上的电压均为不能突变，因此在t=t1=0+时(参看图3)，必有iL=0, uc=0, uL=E，，即t=t1=0+时i曲线将自零向上增长，且在整个过渡过程中，此时电流增长速度最快。因为随着时间的增长，例如到时刻t2时，,已有一定的数值，即已上升到一定的数值，此时uL=E-uC的值必然下降，因此也随之下降，即i曲线向上增长的势头将渐趋平缓。到时刻t3，当uc上升到电源电压E时，将有uc=E-E=0，即di/dt=0，此时i达到最大值。由于电感中电流不能突变，所以尽管此时电容上的电压已充至电源电压，i将继续经L向C流通，继续对电容充电。当t3＜t≤t5时，uc值就会越来越大。但应注意到，此时，uL=E-uc已变为负值，即di/dt是负的，随着t的加大，电流i将逐渐下降。然而只要未下降到零，电容C就将继续得到充电，uc就会继续增大，只不过增长速度逐渐变慢而已。而在uc增大的同时，UL必然会愈来愈负，即di/dt负得愈来愈大，这意味着i曲线下降得愈来愈快。到时刻t5，当i下降到零时，uc将上升到最大值。由于电流由t1到t3以及t3到到t5是对称的[见式（2-6）]，所以由t3到t5间C上电荷的增多必然等于由t1到t3间C上荷的增多，因此到t5时uc的值必为t3时uc值的两倍，即Um=2E。

上述分析说明，C上电压uc的最大值之所以会比电源电压E高出一倍，是因为当电源通过电感L向电容C充电时，除使C获得静电场能量 外，电源所提供的电流同时使电感L中储有磁能。当t=t3时，C上电压uc到达E，i正好到达最大值Im，此时电感L中的磁能达最大值 ，电容C中的电场能为。由于 ，不难得出。也就是说，在0＜t≤t3间，由电源所供出的能量将为CE2。当t3＜t≤t5时，由于电流方向末变，电源仍继续供给能量，当t=t5时，电源供出的总能量为2CE2。由于t=t5时，i=0，所以这些能量将完全以静电场的形式储存于电容中，而有，即Ucm=2E。

显然，当t＞t5时电容将开始经过L向电源放电，此时电流将为负值（放电电流）。和前述充电过程一样，初时放电电流很小，随着时间的增长，放电电流将不断增加，同时随着电容上电压的不断下降，放电电流的增加也将不断减慢。当电容上的电压下降到uc=E时（图中时刻t6），将有di/dt=0，此时放电电流将不再增加，也就是说电流到达负的最大值。同样由于电感中电流不能突变。当t6＜t≤t7，uc＜E时，电容还将继续经电感向电源放电，直到放电电流减小到零，电容上的电压也下降到零为止（图中时刻t7）。显然在t＞t7时，回路中的磁能和电能均已下降为零，即此时回路中的储能已全部返回电源。

从t7开始，电流和电压的变化将重复上述过程。由于回路中没有电阻存在，这一过程将一直重复下去，即回路中的电流i及电容上的电压uc将发生周期性的振荡。实际上，回路中总存在着电阻，只要回路中有少量电阻R（）存在，则经过若干周期后，电容上的电压最终一定会衰减到稳态值―电源电压E。由式（2-5）和图3可知，uc可以看作是由两部分叠加而成；第一部分为稳态值E，第二部分为振荡部分，后者是由于起始状态和稳定状态有差别而引起的。振荡部分的振幅为（稳态值―起始值）。因此，由于振荡而产生的过电压可以用下列更普遍的式子求出：

过电压=稳态值+振荡幅值=稳态值+（稳态值-起始值）=2倍稳态值-起始值（2-7）

式（2-7）是最大过电压估算的基础，利用这个关系式，可以方便地估算出由振荡而产生的过电压的值。参见图4，当电容C上的起始电压uc（0）=-U0时，由于稳态电压为E，振荡的振幅将为E-（-U0）=E+U0，此时，uc的波形将如图4（b）所示。

图4 直流电源E通过电感L加起始电压为（U0）的电容C上

据此不难写出当电容C上有起始电压时uc的数字表达式为

（2-8）

2.2 开断空载长线过电压

图5是断路器开断空载长线时的接线图和等值线路图。图中L是电源的电感，C是线路的等值电容。通常，因此在电路开断前，可认为电容电压uc和电源电动势e近似相等，而流过断口的工频电流ic领先电源电压900。在电流过零电弧熄灭瞬间（图6中t=t1时），电容上的电压恰好达电源电压的最大值Em。电弧熄灭后，电源与电容分开，电容C上的电荷无处泄放，所以电容电压将保持为Em不变，而电源电压e则将继续按工频变化。此时加在断口上的电压将逐渐增加（如图中阴影所示）。过了工频半个周波后（图中t=t2时），当电源电压e到达反相的最大值（-Em）时，断口电压达到2Em。

图5 开断空载长线 图6 开断空载长线时的电流和电压波形

如果断口的介质强度不够，而且刚好在2Em时被重新击穿，则重新击穿后电容上的电压uc将由起始值Em以的角频率围绕（- Em）振荡，其振幅为2Em。因此uc的最大值可达（-3Em）。

伴随着高频振荡电压的出现，断口间将有高频电流流过，它领先于高频电压900。因此，当uc达到（-3Em）时（图中t=t3），高频电流恰恰经过零点，于是电弧可能再一次熄灭。此时电容C上将保持（- 3Em）的电压，而电源电压则继续按工频变化。又过工频半个周波后（图中t=t4），作用在断口上的电压将达4Em。假如断口又恰好在此时击穿，则由于电容的起始电压为（ -3Em），电源电压为Em，振荡后电容上的最大电压可达5Em。依此类推，过电压可按（-7Em），（+9Em），……逐次增加而达很大的数值。

引起切空线过电压的原因是电弧的重燃。电弧重燃的时刻将直接影响到过电压的大小。当重燃发生在电弧熄灭的1/4工频周期（0.005S）以内时并不会引起过电压，只有当重燃的时刻在1/4工频周期以后才会有过电压出现。实际上，由于重燃不一定发生在电源电压到达最大值时，重燃后，电弧也不一定能在高频电流的第一个零点时熄灭，再加线路上的电晕及电阻等损耗，所以切空线电压的值实际上不会按3、5、7倍逐次增加。在中性点不接地系统中一般不超过3.5～4倍，在中性点直接接地系统中一般不超过3倍。限制切空线过电压的最有效的措施是提高断路器的熄弧能力（即加快断口的介质强度恢复），使之不发生重燃。

2.3 重合空载长线过电压

为了减少雷害引起的线路跳闸事故，送电线路广泛采用自动重合闸装置。仍以图1（a）为例，当雷击线路而使线路两端的断路器跳闸时，其中后动作的断路器将切断空载长线的电容电流，而在线路电容上保留数值等于电源电压幅值（例如+Em）的残留电压。当开关重合时，如电源电压恰恰达到极性相反的幅值（例如- Em），则重合闸过电压将达2(Em)- Em=3Em。相当于开关一次重燃时的过电压。

2.4 结论

从以上2.1~2.3分析可知：在切合（重合）空线的操作中，切（开断）空线时开关重燃所引起的过电压最高。

上述分析是在单相电路中进行的，只适用于中性点直接接地的电网。因为在中性点直接接地的电网中，三相基本上各自形成独立回路，所以开断过程的分析可以近似按照单相电路考虑。但在中性点不接地或经消弧线圈接地时，因三相断路器动作时间的不同期以及熄弧时间的差异等原因，会形成瞬间的不对称电路，使中性点产生位移，从而使过电压增大。通常中性点不接地电网中操作空线时出现的过电压要比中性点直接接地时增大20%左右；如果操作时空线带有一相接地故障，则过电压将接近直接接地时的倍。

3 过电压虚拟接地保护的原理及应用

3.1 空载线路操作过电压虚拟接地保护

如图7，线路上安装有电网元件操作过电压虚拟接地保护装置时，合闸时在线路中的电感和对地电容激发的能量，形成周期性振荡产生过电压，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置提供振荡能量泄放渠道，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置中的电阻R快速消耗掉合闸激发的能量，因此从根本上防止了空载线路合闸过电压；当切除空载线路时，线路对地电容储存的能量及电容上的电压不能突变，如前所述会产生很高的过电压，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置快速吸收消耗掉对地电容储存的能量，使断路器断口不再重燃，即从根本上消除了产生过电压的因素；对于线路重合闸，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置吸收消耗掉线路对地电容储存的电荷，使重合闸前线路对地电容储存的电荷为零，在重合闸后吸收消耗合闸激发的能量，彻底消除重合闸过电压。

图7 空载线路操作过电压虚拟接地保护原理图

3.2 电容器操作过电压虚拟接地保护

如图8，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置应用于防止无功补偿电容器组操作过电压。无功补偿电容的投入合闸激发的能量，快速被电网元件操作过电压虚拟接地保护装吸收消耗，防止了合闸过电压的产生；无功补偿电容器退出开断时，就像前面所述开断空载线路一样产生很高的开断过电压，电网元件操作过电压虚拟接地保护装置快速吸收无功补偿电容储存的能量，从根本上消除了开断电容操作过电压。

图8 电容器操作过电压虚拟接地保护原理图

参考文献：

[1]董振亚编著，电力系统的过电压保护（第二版)．北京：中国电力出版社，1999．10

[2]陈慈萱编，过电压保护原理与运行技术．北京：中国电力出版社，2002．06