重庆大学高电压5 电力系统大气过电压及保护.ppt

第二篇电力系统过电压及其防护,第五章电力系统大气过电压及保护,主要内容,5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护,5.1雷电放电过程及雷电参数,5.1雷电放电过程及雷电参数,雷电是自然中最宏伟壮观的现象也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质。例如著名的风筝实验，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种大气火花放电现象的秘密。随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。,雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。,从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是：雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。,本节主要内容：5.1.1、雷电放电的过程5.1.2、雷电参数5.1.3、雷击时计算雷电流的等值电路,5.1.1雷电放电的过程,水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云的底部大多是带负电荷，在地面上感应出大量的正电荷。带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了强大的电场。,雷云中的电荷分布,当空间电场强度超过大气电离的放电的临界电场强度时，就会发生云间或对大地的火花放电。放电通道的电流可达几十或几百千安。,雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电,雷电放电的基本过程,1先导放电通道；2强电离区；3主放电通道,l先导；r主放电；v发展方向,雷电放电类型,流经物体的电流波与被击物体的波阻抗有关当Zj=0时，流经被击物体的电流定义为雷电流,2,流经被击物体的电流：,彼德逊法则,研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0雷电流波：,雷电流通道的波阻抗Z0的数值通常取为300欧,5.1.2雷击时计算雷电流的等值电路,雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放；从电源性质来看，这相当于一个电流源的作用过程；雷电放电的物理过程虽然很复杂，但从地面感受到的实际效果和防雷保护实际工程角度，可以把它看成是一个沿者固定波阻抗的雷电通道向地面传播电磁波的过程。可依据此建立计算模型。在雷电放电的过程中，人们能够测知的电量，是雷击地面时流过被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推雷电波的电流。,注意理解：,若：ZZ0时，iZiL,国际上都习惯把雷击于低接地阻抗（Z0或30欧姆）物体时，流过该物体的电流称为雷电流。应特别注意：定义中的雷电流iZ恰好等于沿雷电通道传播而来的雷电流波的两倍。因此，在防雷保护计算的彼德逊等值电路中，等值电流源通常直接用电流源来表示，如图5.3。,研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0雷电流波：,2,彼德逊法则,雷击大地时的电流：,为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日Td或一个雷电小时Th由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值年平均雷电日,1、雷暴日及雷暴小时,5.1.3雷电参数,雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关,少雷区：Td40强雷区：Td90,单位：次/100公里年,我国规程规定，对Td=40的地区，取次/平方公里.雷电日,地面落雷密度：指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里雷电日）,2、地面落雷密度和输电线路落雷次数,若一般高度的线路的等值受雷面的宽度为10h(h为线路平均高度(m)，则输电线路年平均遭受雷击的次数：,主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷电通道传播到雷击点的波过程。,雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷电通道波阻抗。我国有关规程建议取Z0300,3、雷电通道的波阻抗,4、雷电的极性雷电的极性由雷云电荷的极性决定，负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。,5、雷电流的幅值,通常定义雷电流为雷IL击于低阻接地电阻(30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即,一般地区，雷电流幅值超过I的概率可按下式计算,6、雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间T1处于14s的范围内，平均为2.6s。波长T2处于20100s的范围内，多数为50s左右。我国防雷设计采用2.6/50s的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50s,(Td20),雷电流波前的平均陡度为,(kA/s),7、雷电流的计算波形,在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形,1、双指数波,2、斜角波,3、斜角平顶波,4、半余弦波,5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护,5.2防雷保护装置,5.2.1避雷针和避雷线5.2.2避雷器5.2.3防雷接地,现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。,避雷针保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地从而使被保护物体免遭雷击,5.2.1、避雷针和避雷线,避雷针保护范围,h30m，P130m65m时(在S50m以内雷将被线路吸引而击中线路本身)，导线上的感应雷过电压的最大值为：,IL为雷电流幅值(kA)，hd为导线平均高度(m)，S为雷击点离导线水平距离。,感应雷过电压极性与雷云的极性相反。相邻导线同时产生相同极性的感应雷过电压，因此相间不存在电位差，只存在对地闪络的可能，但如果两相或三相同时对地闪络，就会转化为相间闪络事故。,特点：,（3）雷击线路附近时感应雷过电压计算有避雷线当导线上方挂有接地的避雷线时，由于先导电荷产生的电力线有一部分被避雷线截住，即避雷线的屏蔽作用，因而导线上的感应束缚电荷减少，相应的感应电压也减少。导线上的实际感应雷过电压为,k为导线和避雷线之间得耦合系数,雷击线路杆塔，当无避雷线时，对一般高度的线路可用下式计算感应雷过电压最大值：a为感应过电压系数（kV/m），数值上等于雷电流的时间陡度平均值，即aI/2.6（kV/s）当有避雷线时，由于其屏蔽效应，则：k为耦合系数,(4)雷击线路杆塔时的感应过电压,5.3.3输电线路直击雷过电压,（1）雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平-反击,感应雷过电压,避雷线在导线上耦合电压,塔顶电位幅值,导线电位幅值,线路绝缘子串上两端电压,Uc,Utop,有避雷线无避雷线工程实用中往往以降低Ri和提高k值作为提高输电线路耐雷水平的主要途径,耐雷水平,是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。,击杆率g：雷击杆塔次数与雷击线路总数的比值。,避雷线根数,地形,(2)雷击避雷线档距中央时的过电压,流入雷击点的雷电流波为雷击点的电压取雷电流为斜角波头：iL=at雷击处避雷线与导线间的空气间隙上所承受的最大电压,(3)雷绕过避雷线击于导线时的过电压-绕击,流经雷击点的雷电流波为导线上电压为幅值绕击时耐雷水平,雷绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击率P。P之值与避雷线对边相导线的保护角、杆塔高度ht及线路通过地区的地形、地貌等因素有关。,平原线路,山区线路,（1）雷击杆塔时的跳闸率(反击率)（2）绕击跳闸率(绕击率)（3）线路的雷击跳闸率,P1雷电流超过反击耐压水平的雷电流概率P2雷电流超过绕击耐压水平的雷电流概率,雷击跳闸率的计算,5.3.4输电线路的防雷措施,(一)避雷线（架空地线）110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设避雷线；35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。,(二)降低杆塔接地电阻提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为1030。,(三)加强线路绝缘增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一般优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水平。,(四)耦合地线作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。,(五)消弧线圈能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。,(六)线路型避雷器仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。,(七)不平衡绝缘一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。,(八)自动重合闸线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。,主要内容,5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护,5.4发电厂和变电所的防雷保护,线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电所的雷害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变电设备的内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防雷保护与输电线路相比，要求更严格、措施更严密、可靠。变电所中出现的雷电过电压的两个来源：雷电直击变电所；沿输电线入侵的雷电过电压波。,5.4.1发电厂、变电所的直击雷保护5.4.2发电厂、变电所的雷电侵入波保护,5.4.1发电厂、变电所的直击雷保护,发电厂、变电所必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避雷针两类。绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。,变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的数量、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。,为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S1应满足下式要求：,为了防止避雷针接地装置与变电所接地网之间因土壤击穿而连在一起，地下距离S2亦应满足下式要求,独立避雷针应有的空气间隙,E1、E2为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均冲击击穿场强。用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和地中距离：,5.4.2发电厂、变电所的雷电侵入波保护,装设避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需要有“进线段保护”与之配合。避雷器的保护作用基于三个前提：它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合;它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度;被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。,（1）避雷器与被保护设备连接一点,t,i,u,避雷器的伏秒特性与侵入波电压相交时，避雷器动作。,？,放电电压：决定于避雷器的伏秒特性。,避雷器的残压最大值：决定于避雷器的伏秒特性和流过避雷器电流的大小。,td,由于阀片的非线性，电流在很大范围内变动时残压变化很小。波尾较平。避雷器的冲击放电电压与额定放电电流（如5kA）下的残压基本相同。因此，避雷器上的电压Ub可近似为一斜角平顶波。幅值等于避雷器的残压，波头长度等于避雷器的放电时间td,（2）避雷器与被保护设备不在一点,被保护绝缘与避雷器间的电气距离越大、进波陡度a越大，电压差值也就越大。,绝缘冲击耐压水平应满足：阀式避雷器的保护距离：K为变电所出线修正系数,避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压器近一些。,（3）变电所的进线段保护,进线段保护是指临近变电所l2km的一段线路上加强防雷保护措施。对于那些未沿全线架设避雷线的35kV及以下的线路来说，首先在靠近变电所(l2km)的线段上加装避雷线；对于全线有避雷线的110kV及以上的线路，将靠近变电所的一段长l2km的线路加强防雷措施、提高耐雷水平。目的是减小进线段内绕击和反击形成侵入波的概率，使侵入变电所的雷电波主要来自进线段以外。,进线段保护的作用：雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；由于进线段波阻抗的作用，减小了流过避雷器的雷电流。,流过避雷器的冲击电流,Ub阀式避雷器的残压，kV,主要内容,5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护,5.5变压器的防雷保护,5.5.1三绕组变压器的防雷保护5.5.2自耦变压器的防雷保护5.5.3变压器中性点的保护,5.5.1三绕组变压器的防雷保护,高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，低压侧出现一定过电压。在任一相低压绕组加装阀式避雷器。,5.5.2自耦变压器的防雷保护,高压侧进波时，应在中压断路器QF2的内侧装设一组阀式避雷器（图中的FV2）进行保护，中压侧进波时，在高压断路器QF1的内侧也应装设一组避雷器（图中的FV1）进行保护。当中压侧接有出线时，还应在AA之间再跨接一组避雷器（图中的FV3）。,自耦变压器典型的保护接线,5.5.3变压器中性点的保护,110kV及以上的中性点有效接地系统1、中性点为全绝缘时，一般不需采用专门的保护。但在变电所只有一台变压器且为单路进线的情况下，仍需在中性点加装一台与绕组首端同样电压等级的避雷器。2、当中性点为降级绝缘时，则必须选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护，同时注意校核避雷器的灭弧电压35kV及以下的中性点非有效接地系统,变压器的中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置。,主要内容,5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护,5.6直配电机的防雷保护,5.6直配电机的防雷保护,从防雷的观点来看，发电机可分为两