DL T 5090 1999 水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则1

 

水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则

 

 

前  言

    本标准是根据原能源部、水利部批复的《水利水电勘测设计技术标准体系》编写的。

    为了适应水利水电工程的特点和实际需要，使水力发电厂过电压保护和绝缘配合的设计

有章可循，原电力工业部、水利部水利水电规划设计总院组织长江水利委员会长江勘测规划

设计研究院编写了本标准，并与电力行业有关标准协调一致。实施本标准，有利于推广应用

科学技术新成果，提高工程设计质量，提高工程建设效益。

    本标准由国家电力公司水电水利规划设计总院提出。

    本标准由国家电力公司水电水利规划设计总院归口。

    本标准起草单位：长江水利委员会长江勘测规划设计研究院

    本标准主要起草人：舒廉甫、覃利明

本标准由国家电力公司水电水利规划设计总院负责解释。

 

1  范  围

1.0.1  本标准规定了水力发电厂各种过电压的限制措施和保护方法，以及绝缘配合的原则和方法。

1.0.2本标准适用于新建水力发电厂3～500kV交流电气设备过电压保护和绝缘配合。

 

2  引 用 标 准

    下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在本标准出版时，

所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本

的可能性。

    GB311.1—1997 高压输变电设备的绝缘配合

    GB/T14285—93  继电保护和安全自动装置技术规程

    GB/TI6434—1996 高压架空线路和发电厂、变电所设备外绝缘污秽分级标准

DL/T613—1997进口交流无间隙金属氧化物避雷器技术规范

 

3  定  义

    本标准采用下列定义:3.0.1 少雷区：平均年雷暴日数不超过15的地区。

3.0.2中雷区：平均年雷暴日数超过15但不超过40的地区。

3.0.3多雷区：平均年雷暴日数超过40但不超过90的地区。

3.0.4雷电活动特殊强烈地区：平均年雷暴日数超过90的地区及根据运行经验雷害特殊严

重的地区。

3.0.5架空线路段：发电厂内主变压器至开关站的高压架空线路段。

3.0.6集中接地装置：为加强对雷电流的散流作用、降低对地电压而敷设的附加接地装置。

一般敷设3～5根垂直接地体；在土壤电阻率较高的地区，敷设3～5根放射形水平接地体。

4 系统电压与中性点接地方式

4.1  系统电压

4.1.1  系统标称电压和最高工作电压列于表4.1.1中。

表4.1.1  系统标称电压和最高工作电压

系统标称电压（有 效值）Un(kV)	3	6	10	35	66	110	220	330	500
系统最高工作电 压(有效 值)Um(kV)	3.6	7.2	12	40.5	72.5	126	252	363	550

 

4.1.2 发电机额定电压有：．3.15，6.3，10.5，13.8，15.75，18, 20kV。

4.1.3 运行中出现于设备绝缘上的各种电压有：

      ──—正常运行时的工频电压；

      ──—暂时过电压（工频过电压、谐振过电压）；

      ──—操作过电压；

      ──—雷电过电压。

 

4.2    系统中性点接地方式

4.2.1  3～66kV系统中性点采用不接地方式，当架空线路单相接地故障电流大于10A或电

缆线路单相接地故障电流大于30A时，中性点应采用经消弧线圈接地方式。

4.2.2  ll0～500kV系统中性点采用有效接地方式，系统任一处的零序电抗与正序电抗比值

(Xo/X₁)≤3，零序电阻与正序电抗比值(Ro/X₁)≤1。

    110～220kV变压器（除自耦变压器外）中性点采用经隔离开关接地或经小电抗接地。经隔离开关接地时，根据系统运行需要变压器中性点可以接地，也可以不接地。

    330～500kV变压器中性点应采用直接接地或经小电抗接地。

 4.2.3 发电机内部发生单相接地故障不要求快速切机时，中性点宜采用不接地方式；当单相接地故障电流超过表4.2.3规定值时，应采用经消弧线圈接地方式，补偿方式宜采用过补偿，当发电机系统电容电流变化不大时，也可以采用欠补偿。补偿后的残余电流不应超过表4.2.3中规定值。消弧线圈可装在发电机中性点，也可装在厂用变压器中性点。

表4.2.3 发电机允许单相故障电流值

发电机额定电压（kv）	3.15～6.3	10.5	13.8～15.75	18～20
故障点残余电压（A）	4.0	3.0	2.0	1.0

 

4.2.4发电机内部发生单相接地故障要求快速切机时，中性点宜采用高电阻接地方式，电阻

器宜接在发电机中性点所接单相变压器的二次绕组上。

4.3  消  弧  线  圈

4.3.1 发电厂主变压器中性点经消弧线圈接地的系统，在正常运行情况下，中性点长时间电压位移不应超过额定相电压的15%。

4.3.2 装有消弧线圈的系统，故障点的残余电流不宜超过10A。必要时可将电网分区运行，

以减少故障点的残余电流。

4.3.3 消弧线圈应采用过补偿运行方式。如消弧线圈容量不足，允许短时间以欠补偿方式运行，但脱谐度不宜超过10%。

4.3.4 消弧线圈的容量应根据电力网5年左右的发展规划确定，并应按式(4.3.4)计算瑯

 

（4.3.4）

 

式中：W──—消弧线圈的容量，kVA；

      I_c──—接地电容电流，A；

      U_n──—系统标称电压，kV。

4.3.5 消弧线圈接地的发电机，在正常运行情况下，其中性点长时间电压位移不应超过发电

机额定电压的10%。非直配发电机脱谐度不超过±30%，直配发电机脱谐度不超过10%。

4.4  小  电  抗

4.4.1变压器中性点经小电抗接地方式的接线如图4.4.1所示。小电抗值取1/3变压器零序

电抗值，两台变压器经电抗器接地，与一台变压器接地、一台变压器不接地的零序电抗值相

同。当退出一台变压器运行时，可将另一台运行变压器中性点小电抗用隔离开关短接。对多

台变压器也仿照此方法处理。与部分变压器中性点接地方式相比，变压器中性点经小电抗接

地方式可降低变压器中性点绝缘水平，同时由于过电压的降低，提高了系统运行的可靠性。

 

图4.4.1  变压器中性点经小电抗接地方式接线

4.4.2采用变压器中性点经1/3变压器零序电抗接地，在单相接地时，  变压器中性点零序

电压可按式(4.4.2)计算

（4.4.2）

式中：U_o──—变压器中性点零序电压，kV；

      U_xg──—系统最大工作相电压，kV；

      K──—零序电抗（X₀）与正序电抗（X₁）比值，Xo/X₁≤3。

4.4.3  220～500kV系统变压器中性点最大零序电压和中性点绝缘水平见表4.4.3。

表4.4.3  变压器中性点最犬零序电压和绝缘水平

4.4.4小电抗值在流过零序电流范围内应为恒值，即要求小电抗伏安特性为线性。

4.5  高  电  阻

4.5,1接入发电机中性点高电阻的大小，将影响发电机单相接地时健全相暂时过电压值。按

运行机组的耐压值为1.5倍发电机额定电压，则健全相暂时过电压不宜超过2.6倍相电压。

此时电阻值应为

    (4.5.1)

式中：R──—发电机中性点接入电阻值，；

      f──—发电机工作频率，Hz；

      C──—发电机电压系统三相对地总电容量，F。

4.5.2为防止发电机发生单相接地时，中性点变压器产生较大的励磁涌流，变压器额定电压

的选择不宜低于发电机额定电压。变压器容量与其工作时间有关，可按式(4.5.2)进行计算螂

      (4.5.2)

式中：S──—变压器容量，kVA；

      U_l──—变压器额定电压，kV；

      I_c──—发电机单相接地时电容电流，A；

      k₁──—过负荷系数，查图4.5.2中曲线。

4.5.3变压器低压侧接入电阻值，按式(4.5.3)计算

                                                                                                               (4.5.3)

式中：R₂──—变压器低压侧接入电阻值，；

      U₂──—变压器低压侧电压，kV；

K──—变压器变比，k=U₂/U₁

P──—变压器总损耗，W。

   图4.5.2  变压器运行时间过负荷系数

    5   暂时过电压、操作过电压及其保护 

    5.1  暂时过电压及其保护

5.1.1 暂时过电压的幅值和持续时间与系统结构、容量、参数、运行方式以及各种安全自动

装置的特性有关。暂时过电压除增大绝缘承受的电压外，还对选择过电压保护装置有重要影

响。

    330kV及以上系统中，当工频过电压超过规定值时，需采取措施限制工频过电压。

    各级电压系统，需采取措施防止产生谐振过电压或用特殊保护装置限制其幅值和持续时

间。

5.1.2 系统中工频过电压一般由线路空载、突然失去负荷和单相接地故障等引起。

      空载线路末端工频过电压可按式(5.1.2-1)计算

                                                  (5.1.2-1)

    =w/(对f=50Hz)

式中：U_g──—空载线路末端工频过电压，kv；

      E_d──—送端系统的等值电动势，kv；

      X_S──—送端系统的等值电抗，；

      Z──—线路波阻抗，；

      ──—线路波长，rad；

      ──—电波速度，km/s；

    ──—输电线路长度，km。

    突然失去负荷引起工频过电压可按式(5.1.2-2)计算

(5.1.2-2)

式中：──—失去负荷前发电机等值暂态电动势，kv；

        U_m──—失去负荷前母线电压，kv；

        S_f──—发电机视在功率，kVA；

        P──—线路输送功率，kW；

       X_s*──—送端系统等值电抗标么值；

       ──—功率因数角。

    单相接地故障，健全相工频过电压可按式(5.1.2-3)计算

    U=

       (5.1.2-3)

式中：U──—健全相工频过电压，kV；

      Ux──—故障相在故障前的相电压，kV;

      k──—系统零序电抗与正序电抗的比值。

5.1.3各级电压系统允许工频过电压水平不宜超过下列数值：

    3～10kV系统        1.9Uxg

    35～66kV系统      Uxg

    110～220kV系统     1.3 Uxg

    330～500kV系统

    线路断路器母线侧    1.3Uxg

    线路断路器线路侧    1.4Uxg

    线路侧工频过电压限制到1.4Uxg特别困难时，可通过技术经济比较确定限制措施和相

应的工频过电压数值，但需校核设备承受工频过电压能力。

5.1.4  220kV及以下系统中，一般不采取特殊措施限制工频过电压。

    330kV及以上系统中，正常送电状态下突然失去负荷和在线路受端有接地故障情况下突

然失去负荷时，可能产生幅值较高的工频过电压。一般采用在线路上安装并联电抗器的措施

限制工频过电压。当线路上装设一组电抗器时，应安装在线路的受电端。在线路上架设良导

体避雷线降低工频过电压时，宜通过技术经济比较加以确定。

5.1.5 各级电压系统均应采取措施，防止在电力系统操作和故障情况下，由于电感电容参数

的不利组合引起的谐振过电压。谐振过电压一般具有工频性质，持续时间长，不能用避雷器

限制。

    谐振过电压一般有自励磁过电压、水轮发电机不对称短路过电压和铁磁谐振过电压。

5.1.6水轮发电机在不同的运行情况下，其感抗值呈周期性地变化，  当发电机经升压变压

器与空载线路相连，发电机外电路容抗值在发电机感抗变化范围内，只要电感或电容上存在

微小的能量就可导致电磁能量的集聚，使电流、电压幅值急剧上升，产生自励磁过电压。由

于受发电机和变压器的磁饱和限制，自励磁过电压一般不超过(1.5～2.0)Uxg。
    当外电路容抗值在Xd～Xq和Xq～ 范围内，就会产生同步自励磁和异步自励磁过电压。同步自励磁电压上升速度较缓慢，异步自励磁电压上升速度较快。由于自励磁过电压时间长，危害性大，必须采取措施加以限制。

    1 使发电机的容量大于被投入空载线路的充电功率。

    2 采用快速励磁自动调节器限制同步自励磁过电压；采用速动过电压继电保护断开发

电机，消除可能产生的异步自励磁过电压。

    3 对330kV及以上系统，由于输电线路较长，容抗值较小，易发生自励磁过电压，常

采用并联电抗器加以限制，并联电抗器限制自励磁过电压的最小容量可按式(5.1.6)计算瑯瑯                                             (5.1.6)

式中：Q──—并联电抗器容量，kvar.

     P──—线路自然功率，kW:

     S_b──—升压变压器容量，kVA..

     S_f──—发电机容量，kVA；

    X₀ %──—升压变压器漏抗标么值；

    X_d %──—发电机直轴电抗标么值。

5.1.7水轮发电机发生不对称短路时，在发电机定子绕组和转子绕组上分别产生脉动磁场和

直流磁场，会在健全相上产生幅值较高的谐振过电压。

    在水轮发电机的转子上加装阻尼绕组，可以限制过电压幅值不超过3Uxg。

    加装阻尼绕组的水轮发电机发生不对称短路过电压可按式(5.1.7)计算                                                                                                (5.1.7)

式中：U_f──—发电机不对称短路过电压幅值，kV.

      k_d──—两相短路幻=1，两相短路接地k_d=l.5；

   ──—发电机直轴超瞬态电抗，；

   d──—发电机交轴超瞬态电抗，：

    U_xgf──—广发电机最高运行相电压幅值，kV。

5.1.8 具有铁心的电感设备，因系统操作和故障引起设备上电压增高或产生励磁涌流，都会

导致铁心饱和。在谐振频率下，当感抗与容抗值相等时，就会引起铁磁谐振过电压。

    铁磁谐振过电压的幅值一般不超过(1.5～2.5)Uxg，个别可达到3.5Uxg以上。一般引起的铁磁谐振过电压有：

    ──—电磁式电压互感器引起的铁磁谐振；

    ──—非全相运行引起的铁磁谐振；

    ──—合带空载线路的变压器引起的二次谐波的铁磁谐振。

    在直接接地系统中，采用带有均压电容的断路器开断连接有电磁式电压互感器的空

载母线，经验算有可能产生铁磁谐振过电压时，宜选用电容式电压互感器。

 在不接地系统中，带绝缘监视用的电磁式电压互感器与空载母线或空载短线引起的铁磁

谐振过电压，电源中性点发生对地位移，引起虚幻接地信号。谐振频率可能是基频谐振，也

可能是高频（2次、3次）谐振和分频（1/2次、1/3次）谐振。

    防止和限制电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压措施有：

   1)选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器；

   2）增大母线对地电容，减小对地容抗，使对地容抗与互感器励磁感抗之比(Xco/Xm）<0.01；

   3)在互感器开口三角绕组中装设R。≤0.4Xm/K²₁₃(K₁₃为互感器一次绕组与开口三角绕组

的变比)的电阻阻尼谐振或采用消谐装置消除谐振；

    4)10kV及以下互感器高压绕组中性点经R≥0.06Xm(容量大于600W)的电阻接地。

    2 中性点不接地系统中和中性点直接接地有不接地变压器的单端电源系统中，发生线

路断线或断路器（熔断器）非全相分合闸，由于空载或轻载变压器励磁电感与线路对地电容构成串联铁磁谐振，在各级电压的系统中都会发生。谐振频率可能是基频，也可能是高频和分频。

    在双端电源线路中，发生线路断线或断路器（熔断器）非全相分合闸，由于两端电源的不同步，在各级电压的系统中都会引起中性点位移过电压。不接地变压器中性点位移电压可接近2倍工频相电压。非直接接地有补偿的系统中，过电压使不接地变压器中性点位移电压更高。

    在有并联电抗器补偿的系统中，线路处于非全相空载运行状态，且并联电抗器零序电抗

小于线路零序容抗时，由于线间电容的影响，断开相上可能激发基频铁磁谐振过电压。

    防止和限制非全相运行引起铁磁谐振的措施有：

    1)采用同期性能较好的断路器。

    2)对中性点直接接地的系统，操作时应将不接地变压器中性点临时接地，必要时可在不

接地变压器中性点加装棒间隙。

    3)在并联电抗器中性点装设小电抗器，以消除并联电抗器非全相运行引起的铁磁谐振。

    3在自振频率接近100Hz的中性点直接接地的系统中，带空载变压器的线路分合闸操

作时，  由于变压器电感周期性变化，在高压空载或轻载线路中引起幅值较高的二次谐波为

主的铁磁谐振过电压。

    应避免在只带空载线路的变压器低压侧合闸，在故障中确实无法避免时，可在线路继电

保护装置内增设过电压速断保护，以缩短过电压持续时间。

    5.2操作过电压及其保护

5.2.1  系统中的操作过电压一般由下列原因引起：

    ──—间歇性电弧接地；

    ──—空载线路分、合（重合）闸；

    ──—空载变压器和并联电抗器分闸；

    ──—线路非对称故障分闸和振荡解列等。

    220kV及以下系统中，由于绝缘水平较高，能承受可能出现的操作过电压，一般不采取

限制措施。330kV及以上系统中，应采用限制操作过电压的措施。

5.2.2系统操作过电压计算倍数的确定，应考虑系统结构、系统容量、电气参数、中性点接

地方式、断路器性能、母线上的出线回路数以及系统运行接线、操作方式等因素。操作过电

压计算倍数宜取下列数值。

    对地绝缘，以设备的最高运行相电压Uxg的倍数表示：

    3～66kV       计算用最大过电压   4.0

    110～220Kv    计算用最大过电压   3.0

    330kV         2%统计过电压       2.2

    500kV         2%统计过电压       2.0

    相间绝缘，以相地操作过电压的倍数表示：

    3～220kV                         l.3～1.4

    330～500kV                       l.5

    确定相间绝缘时，两相的电位宜分别取相间操作过电压的+60%和-40%。

5.2.3 在中性点不接地的系统中，当单相接地故障电流超过一定数值时，将产生不稳定电弧，

形成熄灭和重燃交替的间歇性电弧，导致电磁能的强烈振荡，并在健全相以致故障相中产生

较高的过电压。过电压数值随接地方式不同而异，一般情况下过电压不超过下列数值：

    不接地          3.5Uxg

    消弧线圈接地    3.2Uxg

    电阻接地        2.5‰

5.2.4 空载线路在分闸过程中，当断路器触头间的绝缘恢复强度低于电压恢复强度时，断路

器发生重击穿，使线路上电压发生振荡，产生分闸过电压。对3～66kV系统空载线路分闸

过电压一般不超过4.0Uxg，110～220kV系统一般不超过3.0Uxg。空载线路分闸过电压是控

制220kV及以下系统操作过电压绝缘水平的主要依据。采用不重击穿断路器是限制分闸过

电压的有效措施。线路侧采用电磁式电压互感器，可泄放线路残余电荷，以降低触头间恢复

电压，可避免断路器重击穿或降低重击穿过电压。330kV及以上系统应采用不重击穿断路器。

5.2.5 空载线路合闸时，由于线路电感电容的振荡将产生合闸过电压。线路重合闸时，由于电源电动势较高以及线路上残余电荷的存在，加剧了这一电磁振荡过程，使过电压进一步提高。线路合闸和重合闸过电压是控制330kV及以上系统操作过电压绝缘水平的主要依据，

必须将此种过电压限制在系统允许的操作过电压范围内，限制合闸和重合闸过电压的措施

有：

    1 采用无间隙金属氧化物避雷器保护，避雷器应能承受安装点的各种过电压的幅值和

持续时间（除谐振过电压）。安装在出线断路器线路侧的避雷器称为线路避雷器，安装在电厂侧的避雷器称为电站避雷器。避雷器的通流容量和允许吸收能量应满足系统的要求。

    2 计算采用无间隙金属氧化物避雷器限制合闸过电压达不到要求时，还应采用具有合

闸电阻的断路器，使合闸分两阶段进行，以降低合闸时触头间的电位差，使振荡过电压得到

降低。

5.2.6 空载变压器和电抗器分闸时，由于断路器强制熄弧引起电磁能转换振荡而产生的过电

压。它与断路器结构、回路参数、变压器（并联电抗器）的接线和特性等因素有关。

   采用灭弧性能较强又无分闸电阻的断路器（除sF漶6断路器）断开励磁电流标么值较大的空载变压器时，所产生高幅值过电压，可在断路器与变压器（并联电抗器）间装设避雷器

予以限制。对变压器而言，避雷器可安装在低压侧或高压侧，但如高低压系统中性点接地方式

不同时，低压侧宜采用保护水平较低的避雷器。

5.2.7 系统送受端联系薄弱，如线路因非对称故障导致分闸，或在系统振荡状态下解列，将

产生线路非对称故障分闸或振荡解列过电压。预测线路非对称故障分闸过电压，可选择线路

受端存在单相接地故障的条件，分闸时线路送受端电动势功角差应按实际情况选取。当过电

压幅值较高时，应采用线路避雷器加以限制。

2008