关键词：电力系统；暂时过电压；仿真
中图分类号：F289 文献标识码：A
1.谐振过电压原理
1.1线性谐振过电压
如果电感元件是线性的，它们与电力系统的电容元件串联，并且与电源频率刚好接近时，回路的电感和电容阻抗值相互抵消，回路电流相当于只通过电阻，系统电阻值一般很小，所以其电流就较大，其加在电感器件和电容器件上，使电压达到很大的数值。如果电路中的电阻很大，电流相对比较小，谐振就不会发生，因为电容上的电压变化不大时，电容不会从电路中吸收或者释放太多能量。不过，如果一味地增加系统电阻大小，系统损耗会很严重，不符合电网本来的要求。因此，在电力系统设计和运行时，一般会进行躲开线性谐振过电压的计算，以稳定系统运行的状态[1]。
1.2参数谐振过电压
电力系统发电机按转子形状分为凸极式同步发电机和隐极式同步发电机，这两种电机的运行参数不同。凸极式发电机在发电运行过程中，电感随着其转动会发生周期性变化。因此参数谐振过电压一般发生在凸极同步发电机运行过程中，如果发电机带有电容性负载，其参数会出现与线性谐振相似的配合，与电机频率相近，从而发生参数谐振现象，产生过电压。这种现象也叫作发电机的自励磁和自激过电压。回路中的损耗也是谐振发展的关键，只有当参数变化吸收的能量足以补偿回路的消耗时，这种过电压才持续发展。理论上，这种谐振发展的振幅并没有极限，但是一般电感会饱和，饱和以后，谐振条件被破坏，过电压达到最大的数值并且不会再增长。发电机在投入运行前要进行电机自激的实验，避开谐振点，这样谐振就不会发生。
1.3铁磁谐振过电压
现实中，电感一般带有铁芯，铁芯带来了磁通变化的非线性现象，导致电感出现饱和现象。这时电感不再是常数，而是随电流和磁通的变化而变化，于是系统电容和电感的U-I关系曲线就有了交点，产生了谐振的基本条件。用最为简单的L-C电路来描述：电感Ｌ是一个变数，回路没有固定的谐振频率，可以产生等于电源频率的基波谐振，也可以与其他为电源频率倍数或分倍数的不利参数配合，产生各类型的谐波谐振，这是铁磁谐振一个基本特性。因为基波谐振一般比高次谐振明显，为了简化和突出基频谐振的物理概念可以忽略高次的影响，并且忽略回路的一定损耗。随着电流的增大，铁芯出现饱和，电感L的U-I曲线出现变化，最终两条曲线相交于一点[2]。虽然当电源电动势足够大时，这种谐振状态只会存在一个稳定工作点，但是为了建立这个工作点，回路必须经过强烈的扰动过程，如发生故障等。这种需要经过扰动过程建立的稳定谐振被命名为铁磁谐振的“激发”。在进行激发过程后，谐振状态会延续很长时间。
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2.工频电压升高原理
2.1空载长线电容效应引起的工频电压升高
在输电线路长度较短时，电力系统一般用集中参数进行计算和模拟，输电线路可以用相对应的电阻、电感、电容来替代。分布参数电路模型如图１所示。设电源的内电阻和内电感为R0、L0，电源电动势为E，Rt、Lt、Ct为线路Ｔ型等效电路中的数值，在线路空载时，将R0和Rt、L0和Lt合并，就可以简化成ＲLC串联电路。一般来说，R要比L和C小得多，而空载线路的电流比较小，造成了线路容抗Xc要大于工频感抗XL，因为同一LC回路的电流是一致的，故加在其上的电压要反向，Ｅ造成的电流在感抗上的压降UL要小于在容抗上的压降Uc。
图１分布参数电路模型
模型使用了单相理想交流电源AC Voltagesource、多个RLCbranch、电压测量模块等。参数设置：电源模块电压峰值设为100kV，频率设为50hHz；电源内阻R设为1×10－11Ω，因为电源内阻很小；电源内感L1设为1×10-3H，因为相对于空载长线来说电源内感也很小。在前面的原理说明了，空载长线的分布参数模型可以用集中参数模型替代，故本文用C1、C2、L2替代线路的Π型等效电路，不考虑线路电阻，也不考虑零序阻抗。
2.2不对称短路引起的工频电压升高
不对称短路在电力系统故障中最为普遍，在电力系统发生不对称短路的故障次数中，单相接地故障大约占了80%。而且只要是接地故障，健全相的工频电压都会升高。在电力系统的相关分析中，对各种不对称短路过电压的数值做了比较，一般来说，单相接地引起的工频电压升高更为严重。而且在现实中，一般要求不接地系统发生单相接地后，还能运行一段时间，这就对系统限制过电压的器件避雷器有所要求，故电力系统输电线路上的阀式避雷器的灭弧电压通常是依据单相接地时的工频电压升高来选定的[3]。
2.3负荷引起的工频电压升高
输电线路有时候会带比较多的负荷运行，而且负荷会因为断路器的缘故分为几个部分，如果断路器工作不正常而跳闸，断路器后的负荷将被甩掉，进而影响电力系统的发电机和原动机，使其处于暂态过程。这个过程不能一瞬间完成，需要过渡过程，因而它是造成工频电压升高的一种重要原因。在发电机突然失去负荷时，励磁绕组的磁通依然遵循磁链守恒原则，励磁电流不变，电动势Ｅ也不会突变。感性负荷电流因甩负荷消失，而空载电容电流对主磁通起帮助增强磁通的作用，使电源电动势E暂时增大，电压自动调节器开始作用，电压最后慢慢下降为甩负荷后的数值。甩负荷后，原动机的因为惯性功率不变，发电机的负荷变小，有了多余的有功和无功输出，输出作用在发电机身上，使其频率上升，电动势升高，线路电容效应加剧，引起了甩负荷作用的工频电压升高。甩负荷引起的工频电压升高的抑制措施一般采用并联电抗器，把过电压抑制到1.3倍相电压左右。
3.结语
如果一个超高压输电系统的绝缘裕度比较小，即使工频电压升高的倍数不大，也能对其造成比较大的危害。因为工频电压升高一般发生在空载或者轻载的情况下，它与其他操作过电压发生的条件有所相通，一旦同时出现、相互叠加，就会出现在工频电压升高的基础之上，引起更高的输电系统电压。但是无论什么时候，人们都不应该无视暂时过电压的问题，这样才可能在过电压突然出现的情况下，快速明确地进行处理。
参考文献：
[1]于毅.电力系统工频电压升高的仿真研究[J].电工技术，2019(14):78-79+82.
[2]陈峰.1000kV交流系统工频过电压与操作过电压研究[D].西安科技大学，2018.
[3]周恒.船舶中压电力系统中性点接地与过电压研究[D].武汉理工大学，2011.
论文作者:孔友
论文发表刊物:《中国电业》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/11
标签：过电压论文; 谐振论文; 电压论文; 电感论文; 发电机论文; 电力系统论文; 负荷论文; 《中国电业》2019年第16期论文;