传递过电压

在电力系统中，当发生不对称接地故障或断路器的不同时操作时，将会出现零序电压和零序电流，通过静电和电磁耦合，会在相邻的低压平行线路中感应出传递过电压；同样，当变压器的高压绕组侧出现零序电压时，会通过绕组间的杂散电容传递至低压侧，危及低压绕组绝缘或接在低压绕组侧的电气设备。

（一）平行线路间的电压传递

在电力系统中，高、低线路平行架设的情况时有发生，最典型的是电气化铁路的高压（ 27.5 kV）牵引线路与铁路沿线铺设的信号电缆。在这种情况下，牵引供电线路与信号电缆处于同一电磁环境中，牵引线路中的交变电流在其周围会产生交变电磁场，通过回路简单额电容耦合和电磁感耦合作用，在信号电缆中将感应电压和电流，可能危及信号系统的正常运行和设备绝缘。电气化铁路的牵引供电线路与信号电缆平行铺设的接线如图5.16所示。

图5.16　信号电缆屏蔽层的屏蔽原理图

由图5.16可以分析得知，高压牵引线路与信号电缆间存在耦合电容，而信号电缆芯线本身也有对地电容，通过这些分布电容会在信号电缆上产生静电传递电压。传递电压值与电缆间几何尺寸、电缆金属护套的连接方式等因素有关，这种影响称为容性耦合影响，也就是静电影响。在实际工程中，按相关规要求信号电缆的金属护套应接地，所以高压牵引线路与信号电缆平行铺设时，在信号电缆芯线上不会产生静电感应分量。

由图5.16还可以分析得知，在高压牵引线路的工作电流作用下，在空间产生交变磁场，其磁力线交链邻近信号线路，在信号线路上会产生感应电动势；或者说是由于电力电缆与信号电缆间存在互感，通过这种感性耦合在通信电缆上感应电动势。由于此感应电动势是沿着通信线路芯线轴向分布的，所以又称为纵向感应电动势。

铁路供电强电线路在信号电缆的芯线上产生感应电动势，与强电线路中的影响电流、信号电缆的金属护套屏蔽层、信号电缆的直径、信号电缆屏蔽层的接地方式以及它们之间的距离等因素有关。

下面依据图5.16分析信号电缆线芯纵向感应电动势的计算。设强电线路中的影响电流为 ， Z1P为强电线路与信号电缆金属护套间的互感抗，Z1P = jωM1P ； Z1A为信号电缆护套与线芯间的互感抗，Z1A=jωM1A； ZPA为信号电缆金属护套与线芯间的互感抗，ZPA = jωMPA 。

当信号电缆屏蔽层不接地时，强电线路有影响电流，会通过互感抗在信号电缆屏蔽层和线芯产生磁感应电势分别为

（5-38）

（5-39）

信号电缆屏蔽层两端接地时，会在的作用下，屏蔽层中产生电流为

（5-40）

式中　RP ， LP——信号电缆屏蔽层的电阻和自电感。

屏蔽层护套内的电流也将对线芯A产生感应影响，在信号电缆线芯A上产生感应电势为

（5-41）

故考虑屏蔽层作用后，信号电缆线芯的磁感应电势为

（5-42）

由式（5-42）分析可知，信号电缆线芯的磁感应电势与强电线路的影响电流成正比关系，还和强电线路与信号电缆间的互感应系数、信号电缆屏蔽层的自由电感和电阻有关。

若以强电线路中的影响电流为参考量，则1与感应电动势的相量关系如5.17所示。图5.17中。

由相量关系图5.17还可进一步分析：当由强电线路的影响电流在线芯产生的感应电势与信号电缆屏蔽层流过的电流在线芯产生的感应电势完全反向时，在信号电缆线芯产生的感应电势最小。要使与反相，必须使滞后的相角φ等于90°，而由φ表达式可知要使φ趋向于90°，一方面可使电缆屏蔽层的自电阻RP趋于零，另一方面可使电缆屏蔽层的自电感LP趋于无穷大。

图5.17　影响电流与感应电压的向量关系

由上述分析可知，当信号电缆屏蔽层两端接地时，屏蔽层中产生的感应电流起了去磁的作用，使电缆芯的感应电势减小，为此引入电缆屏蔽系数的概念。信号电缆的屏蔽系数定义为：有金属护套时电缆芯上的感应电动势A与无金属护套时相同电缆线芯上的感应电动势之比，即

（5-43）

当屏蔽层电阻等于零时，屏蔽层的屏蔽系数称为理想屏蔽系数S0 。

当信号电缆无金属护套时，也就是强电线对线芯直接感应的纵向电势为

（5-44）

式中　M1A——强电线与信号电缆线芯间的互感应系数。

信号电缆有金属护套屏蔽层时，线芯A上产生感应电势如式（5-42）所示，则信号电缆的理想屏蔽系数为

（5-45）

由式（5-45）分析可知，信号电缆的理想屏蔽系数与强电线路和信号电缆间的互感系数、信号电缆屏蔽层的自电感和电阻有关。

由于信号电缆线芯与护套间的距离远小于信号电缆与强电线路间的距离，故有M1P≈M1A，且对于信号电缆金属护套屏蔽层一般有LP = MPA，所以

（5-46）

由式（5-46）可知，信号电缆的理想屏蔽系数与屏蔽层的自电感和自电阻有关。信号电缆的敷设，不可能做到使屏蔽层两端的接地装置的等效接地电阻等于零。因此，在实际工程运用时，必须考虑信号电缆金属护层的接地状态对屏蔽系数的影响。

（二）变压器绕组间的电压传递

在变压器的不同绕组之间亦会发生电压传递现象。如果传递的方向是从高压侧到低压侧，那就可能危及低压侧的电气设备绝缘的安全。若与接在电源中性点的消弧线圈或电压互感器等铁磁元件组成谐振回路，还可能产生线性谐振或铁磁谐振的传递过电压。

下面以实际电网中最常遇到的变压器的不同绕组间的电容传递为例，分析电压器绕组间传递过电压的产生过程。如图5.18所示为发电机-升压变压器的接线图。

系统中正序和负序电压是按绕组的变比关系（电磁关系）传递的，但零序电压则通过绕组之间的电容C12而传递（见图5.18）。假定由于某种原因，变压器的高压侧产生了对地的零序电压U0（即绕组中性点的位移电压），则可画出如图5.18 （b）所示的零序电压传递等值电路，图中3C0为变压器低压侧总的对地电容，L为发电机中性点接的消弧线圈电感，U0为高压绕组侧出现的零序电压。

图5.18　发电机-变压器绕组的接线图与等值电压

若不考虑低压侧的等值电感L的作用，则传递到变压器低压侧的电压为

（5-47）

如果U0较高，而3C0又很小（例如发电机出口断路器处在分闸状态，C0只是变压器低压绕组的对地杂散电容），传递到低压侧的过电压可能达到危险程度。

若考虑电感L的作用，L主要是消弧线圈的电感，L的作用是补偿3C0，两者的并联总阻抗等于，而vC是消弧线圈的脱谐度，这时变压器绕组侧出现零序电压，而传递到低压绕组侧的电压为

（5-48）

如果电感L处在全补偿状态下，vC=0，即L与3 C0呈并联谐振，这时图5.18 （ b）的等值电路相当于开路，零序电压全部传递到低压绕组侧，即；通常，消弧线圈调整在过补偿状态，vC ＜ 0，式（5-48）中的分母可能接近与零，这时等值电路图5.18 （b）呈串联谐振状态，会急剧增大，但低压绕组侧电压增高后，消弧线圈会趋于饱和，使得vC自动增大，过电压也就受到限制。但即使消弧线圈有饱和效应，传递电压仍会达到很高的幅值，这时发动机绝缘会造成很大的危险。

抑制传递过电压的措施有：首先是避免出现系统中性点位移电压，如尽量使断路器三相同时操作；其次是装设消弧线圈后，应当保持一定的脱谐度，避免出现谐振条件；在低压绕组侧不装消弧线圈的情况下，可在低压侧加装三相对地电容，以增大3C0。

（三）超高电压网中的潜供电流

在超高压和特高压电网中，为了限制空载线路重合闸过电压，常采用单相重合闸操作，即当系统发生单相接地故障时，采取跳开故障相线路两侧的断路器来排除故障，然后再重合闸使系统恢复正常运行。但断路器跳开后， 由于健全相上的电压和电流的作用，会在相间产生电磁传递现象。如图5.19 （a）所示，系统A相发生接地故障，该相线路两端的断路器跳闸，A相成为孤立导线，但B、 C相仍连接与电源，基本维持原来的运行状态。于是，非故障相B、 C的工作电压和负载电流可以通过相间电容和互感对A相产生静电感应和电磁感应，使故障相在与电源断开后仍能维持一定的接地电流被称为潜供电流，或称二次电流。

图5.19　电网单相开断后的传递回路

潜供电流的电磁感应分量是由B、 C相负载电流和，经互感M在A相导线上感应出来的纵向电势，该电势以A相导线对电容C0为，供给接地点电流，该电流分量称之为潜供电流的纵分量。

潜供电流的静电感应分量是由健全相B、 C的电源电势和，经相间电容C12供给接地点电流，如图5.19 （ b）所示，该电流分量称为潜供电流的横分量。

潜供电流以电弧的形式存在，而潜供电流的自熄是单相自动重合闸成功的必要条件。潜供电流的自熄取决于潜供电流的大小及电弧熄灭后作用于故障点的恢复电压。因此，电弧的自熄时间Δt（即单相重合闸的停电间隔时间）基本由潜供电流的大小来决定。通过高电压、大电流的电弧试验，获得的经验公式为

Δt = 0.25 × （0.1Ij+1）

（5-49）

若系统运行要求的重合闸时间为Δt1，当满足Δt1Δt时，即可保证在运行要求的时间内≥重合闸成功，届时可由式（5-49）估算出要求限制的潜供电流数值。例若电网快速重合闸时间要求不超过0.75 s，则潜供电流的数值应限制在20 A以下。

潜供电流自熄后，为防止故障点的电弧重燃，还要求电弧熄灭后作用于故障点的恢复电压不能太大。故障点接地电弧自熄后，A相导线的恢复电压仍由静电感应和电磁感应两个分量组成。恢复电压的静电感应分量，可将图5.19 （b）中的接地故障短路线撤去，替换为C0 ，再由该新的等值电路求得。恢复电压的电磁感应分量， 由负载电流和经互感M在A相导线上感应出来，该分量沿A相导线纵向均匀分布，由对称性分析可知A相导线中点的电磁感应点位为零，按正负极性向两侧递增，在开断断路器的线路侧点位最高，即故障点恢复电压的电磁感应分量与故障电的位置有关。

潜供电流和恢复电压均由静电感应和电磁感应两个分量组成，而起主导作用的是静电感应分量，静电感应分量是通过相间电容传递过来的。要限制潜供电流和接地故障点的恢复电压，可采取在导线间装设一组三角连接的电抗器，补偿相间电容C12，使相间阻抗趋向无穷大，这样潜供电流的横分量和恢复电压的静电感应分量都将趋于零。根据电路变换原理，一组三角连接的电抗器也可用一组星形连接而中性电不接地的电抗器来代替。再考虑系统限制空载长线路工频电压升高的要求，系统应装设一组星形连接而中性点接地的电抗器。综合这两方面考虑，系统需接如图5.20 （ a）所示的两组电抗器。在实际系统中，为了设备结构紧凑，可将两组星形连接的电抗器合并为一组中性点经小电抗XN接地的电抗器组，如图5.20 （b ）所示。

图5.20　超高压系统并联电抗器的接线方式

当系统接了这组中性点经小电抗XN接地的电抗器后，电网正常运行时，系统三相参数对称， 由图5.20 （ b）分析可知，这时小电抗XN不起作用，电抗器的正序电抗XL1起均压作用，限制沿线的工频电压升高；当系统不对称开断时，小电抗XN及电抗器的零序电抗XL0起作用，隔断相间传递，这时电抗器提供二次补偿，抑制感应分量。

目前，在我国的超高压和特高压示范工程电网中均采用接有小电抗的并联电抗器，用以限制工频电压升高和潜供电流，运行经验表明使用效果良好。并联电抗器和小电抗的参数选择与应用系统的参数有关。

在串接小电流。限制潜供电流的方法。随着开关制造的技术水平的提高，在超高压和特高压电网中亦可采用快速接地开关HSGS（ High Speed Grounding Switches）来限制潜供电流，这种方法称为故障转移法。

快速连接开关HSGS是接在输电线路两端对地的一组开关。其工作原理是将故障点的开放性电弧转移转移至两侧接地开关，使故障相上的电压和故障点的提供电压大大降低，从而使电弧易于熄灭。

HSGS的操作步骤（见图5.21）：系统发生单相接地故障时，线路两侧的断路器动作跳闸；由于导线间的静电感应和电磁感应，在故障点流过潜供电流，它以电弧形式存在；线路两侧的快速接地开关动作条开，线路消除故障，线路两侧的断路器重合闸，系统恢复正常运行。

图5.21　快速接地开关动作消除潜供电弧示意图

习题5.2

5-7　线性谐振过电压是如何产生的？

5-8　在电力系统中，哪些情况可能发生线性谐振？

5-9　如何限制线性谐振过电压？