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电力系统二次设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 摘要 雷电是一种能量巨大且危险的自然现象，为了减轻雷电的危害，必须 掌握雷电活动规律，进行相关的研究及实验验证，以便根据数据来设计防 雷保护设备和制定防雷保护方案，采取经济和有效的防雷保护。 。：本文通过对雷击点附近电磁感应过电压的实验研究，了解了雷击二次 效应对电力系统二次设备的危害及二次电缆受空间电磁能量的影响，通过 分析，确定雷电二次效应的防护措施。利用冲击电流发生器模拟雷电流对 雷电空间电磁感应过电压进行测量，并对数据进行分析。提出了利用中和 变压器衰减避雷器陡度和抑制截波过电压，降低线路入侵二次系统雷电分 量电磁感应，并就此进行了实验分析。实验表明，中和变压器对避雷器的 残压衰减率可达9 0 以上，使二次设备的耐雷水平与衰减后的避雷器形成合 理的绝缘配合。运行经验表明，中和变压器的使用极大地降低了二次系统 雷击故障率。目前该技术已实际应用在多个综合自动化变电站中，并取得 了良好的效果。 关键词：雷电二次效应电磁感应过电压雷击 s t u d ya b o u ti n d u c t i o no v e r v o l t a g en e a r t h el i g h t n i n gs t r i k e a b s t r a c t t h el i g h t n i n gi so n ek i n do fe n e r g yw h a ti sh u g ea n dd a n g e r o u sn a t u r a lp h e n o m e n o n i n o r d e rt or e d u c et h eh a r mo fl i g h t n i n g ，w em u s tg r a s pt h el i g h t n i n ga c t i o n ，c a r r i e so nt h e c o r r e l a t i o nr e s e a r c ha n dt h ee x p e r i m e n tc o n f m n s a c c o r d i n gt ot h i sd a t a , w ec a nd e s i g n st h e a n t i r a d a rp r o t e c t i o nd e v i c ea n dp l a nt h ea n t i - r a d a rp r o t e c t i o np r o j e c t f i n a l l y ，：w ec a na d o p t s e c o n o m i c a la n dt h ee f f e c t i v ea n t i - r a d a rp r o t e c t i o n 。 i nt h i sa r t i c l e ，w es t u d yt ot h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o no v e r v o l t a g ew h i c hn e a rb yt h e l i g h t n i n gs t r i k e t h o u g ht ot h i ss t u d y ，w eu n d e r s t a n dt h eh a r mo ft h et w ot i m e sl i g h t n i n g s t r i k ed o m i n oe f f e c t sa n dt h es p a t i a le l e c t r o m a g n e t i s me n e r g yd i s t r i b u t e dr u l e t h o u g ht h e a n a l y s i s ，w eh a sd e t e r m i n e dt h ep r o t e c t i v em e a s u r e so ft h et w ot i m e sl i g h t n i n gd o m i n oe f f e c t s w eu s et h ei m p a c te l e c t r i cc u r r e n to c c u r r e n c em a c h i n et os i m u l a t i o nt h el i g h t n i n gc u r r e n ta n d m e a s u r et h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o no v e r v o l t a g eo fl i g h t n i n gs p a c e w i t ht h i sd a t a , w e a n a l y z et h es a f e t ye f f e c to fi m p a c te l e c t r i cc u r r e n to c c u r r e n c em a c h i n ew h i c hc a nr e d u c et h e g r a d i e n to fa r r e s t e r a n ds u p p r e s s i o nt h et r u n c a t i o nw a v eo v e r v o l t a g ea n dr e d u c el i n e s l i g h t n i n gi n v a s i o nq u a d r a t i cs y s t e mc o m p o n e n te l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，f o rt h a tw eh a da e x p e r i m e n t a la n a l y s i s t e s ts h o w st h a tt h el i g h t n i n ga r r e s t e ra n dt r a n s f o r m e r si nt h er e s i d u a l p r e s s u r ed e c a yr a t eo fm o r et h a n9 0 ，s ot h a t ，t h es e c o n d a r ye q u i p m e n tl i g h t n i n ga t t e n u a t i o n l e v e lo ft h ea r r e s t e ra n dar e a s o n a b l ei n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n e x p e r i e n c eh a ss h o w nt h a t r u n n i n g ，a n dt h eu s eo ft r a n s f o r m e rg r e a t l yr e d u c et h ef a i l u r er a t eo fl i g h t n i n gq u a d r a t i c s y s t e m a tp r e s e n tt h et e c h n o l o g y h a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nan u m b e ro fi n t e g r a t e d s u b s t a t i o na u t o m a t i o n , a n dh a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：t w ot i m e so fl i g h t n i n gd o m i n oe f f e c t s ；e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n o v e r v o l t a g e ；i g h t n i n gs t r i k e 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：剜纠年蝴a 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：压欠刨 导师签名： l 印 7 矽年2 月0 日 广西大学工程司n b 掌位论文电力系统二茹起设- 8 防雷及二次电缆电磁感应实验研究 1 1 课题的提出 第一章引言 随着科学技术的日新月异，微机保护和自动化装置以其高度的灵敏性、速动性和维 护管理的方便性，在电力系统得到了飞速的发展和广泛的应用。但微机系统越是先进， 芯片的集成度就越高，电路越复杂，工作电压就越低，对环境稳定性的要求也越高。抗 干扰和耐冲击始终是微机系统在电力工业恶劣电磁环境下应用中的两大薄弱环节，而雷 击事件由于其极高的电压幅值和不可预测性极大地威胁着现代化变电站的运行安全，桂 东电力供电公司信都变电站和西湾变电站都是已经实现综合自动化控制的变电站，由于 在雷击中雷电波通过站用变的低压侧和通信电缆入侵，致使载波机电源、远动柜电源插 f 件、r t u 信号插件、u p s 和后台监控微机都受到了不同程度的损坏，给公司造成了较大 的损失。而总结雷电的主要危害，有以下几种： ( 1 )雷电击在建筑物避雷针上，由避雷针通过引下线，将雷电流泄放大地，引下 线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络线等 相对切割磁力线，产生感应高压并沿线路传输击毁设备。 ( 2 )雷击会放出十几至上千安的强大电流，并产生大量的热能，在雷击点聚集的。 热量可以导致金属熔化，引发火灾和爆炸。 ( 3 )雷击可使被击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象，导致财产损失和人 员伤亡。 ( 4 )雷电流静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电荷，当雷电 消失，大量电荷来不及流散时，即会产生很高电压发生放电现象从而导致雷 击事故。 ( 5 )雷电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置 或电气线路断路而燃烧导致火灾。 ( 6 )在雷害严重的电力系统中，雷电流能破坏电力系统的各元件，有可能造成发 电机、电力变压器、断路器和其它电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘子也会 因雷击而发生闪络或碎裂、导致烧断和木质电杆被雷劈等事故。 因此，综上所述，要预防和减轻雷害，必须研究雷电活动的规律和掌握雷电的性质 广西大掌工程硕士掌位论文 电力系统= 欢设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 以及各种雷电参数，对相关参数进行实验验证，以便根据这些数据来设计防雷保护设备 和制定防雷保护方式，采取有效和经济的防雷保护措施。 要掌握雷电规律，必须注意以下参数： ( 1 ) 雷电流波形 实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波，这与雷电放电过程的原理解释是一致的。 对地放电的雷云有7 5 - - 9 0 是负极性的，雷电流的波前时间在1 5 烬范围内，平均为 2 5 p s ，半峰时间一般在2 0 1 0 0 烬范围内，平均约为5 0 峪，超过5 0 烬的概率只有1 8 3 0 。我国规定的标准波形如图( 卜1 ) 所示，其中t 1 代表波前时间，t 2 代表半峰时间， i m a x 代表冲击电流峰值。 i 矗o l o 。鲁 o 5 o 3 o 圈1 1 标撞譬屯冲击电浇竣形 f i $ i - ! s t a n d a r dl i i l 知t n i n i tc 哪懒t 镇馐翻囟帕n ( 2 ) 雷电流幅值 为便于统计比较测量结果，规定以雷击物体阻抗z = o 时流过物体的电流作为雷电流 的统计值。我国现行标准推荐按式( 1 1 ) 计算： 1 9 p = - 志 q - 1 ) 式中i 为雷电流峰值( k a ) ，p 是峰值等于或大于i 的雷电流概率。 ( 3 ) 雷电流陡度 雷电流陡度是指雷电流在单位时间内上升的数值，表示雷电流增长的速度。由于雷 电流的波头长度变化范围不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密切相关。雷电流陡度对 过电压有直接影响，它的数值是由雷电流 2 , e - 西大学工程硕士掌位论文电力系统：奠起设备防雷及二次电线电磁感应实验研究 i ( t ) 对时间t 的微分求得：雷电流陡度口= d y ( t ) m 。 ( 4 ) 地面落雷密度 地面落雷密度是指每一雷暴日每平方千米地面遭受雷击的次数，以y 表示。我国建 议采用y = 0 0 1 5 k i n 2 雷电日。雷击概率为：n = 0 0 1 5 t k l 砭x h 2x 1 0 _ 4 ( 次年) 。其 中，t 为年雷电日数；k l 为落雷不均匀系数，易受雷击的建筑物k - - - 1 5 2 0 ；k ：为建 筑物影响系数；金属材料取k ：= 1 5 ，非金属材料取k ：= o 1 5 ；h 为避雷针的高度( m ) 。 1 2 课题的意义 变电站二次设备是在一个干扰强度高的电磁环境中运行。除了雷电冲击之外，所有 ， 高压设备的操作，尤其是站内带电一次设备故障和邻近变电站带电送电线路故障，都不 可避免地对二次系统产生损害性过电压或破坏信号流的电磁冲击，轻则引起系统控制混 乱，重则损坏设备，对于担任一定区域供电任务的变电站如发生雷击事故导致停电，对 电力企业和社会都会造成严重的影响。 当雷击中避雷针或其它避雷装置时，如图1 2 所示，雷电流通过线路传到弱电设备 ( 芯片) ，弱电设备内部存在着一对地电容，它与电路上的电感组成谐振电路，在电容 与避雷器之间形成回路，就可能造成弱电设备内部的谐振过电压，导致弱电设备的损坏。 另外，假如弱电设备没损坏，但弱电设备的保护装置可能会因为雷击而造成保护误动作， 若要恢复设备工作，必须查找出保护误动作的原因，这就会给查线造成困难。因为弱电 设备极易遭受雷电的危害，所以对弱电设备的防雷保护是十分必要的。 l 图1 2 雷击弱电设备原理图 3 广西大掌工程硕士掌位论文电力系统= 欢设备防雷及二次电舒【电磁感应实验研究 1 3 国内外研究的趋势 防雷技术发展到今天，还远不够完善。根据国际电工委员会的防雷击电磁脉冲 ( l e m p ) ( i e c 6 1 3 1 2 ) ，信息防雷应根据雷电电磁脉冲的严重程度，人、物和信息系统 对雷电及雷电电磁脉冲的感受强度不同，把建筑物内、外电磁环境分为不同等级的雷电 保护区( l p z ) ：l p z o a 区、l p z o b 区、l p z l 区。在不同的保护区需要使用相应的避雷 器件。现今，我们采用的避雷器件主还远远达不到可靠防雷的水平，由于动作可靠、耐 雷水平高、造价成本低的防雷器件难制造，例如纳米避雷器，它是由很多个集成芯片构 成，由于分子间结构排列紧凑，工频下不发生爆炸，有很好的耐雷水平，但都还在研究 阶段，还不能很好地生产与推广，这将是我们防雷发展的目标。若防雷器件达不到要求， 我们还可以采用雷电预警装置，来切断雷电流的传播线路，达到断电防雷的目的。 、 另外，现有的避雷器遭受雷击时，在用户侧产生的残压很高，会对用电设备造成损 坏。在线路中产生的截波过电压也会对用电设备构成威胁。在避雷器与用户之间加装中 和变压器能有效的降低避雷器产生的残压，以及线路中产生的截波过电压。我们期望通 过一定的有效措施，来改善或减小雷击对用电设备的危害，对新型的避雷装置的实验和 研究还在继续。 本课题通过对对雷击点附近电缆线中感应过电压的实验研究，以及中和变压器的实 验研究，对一种新型的避雷装置一中和变压器的防护效果进行分析，为工程的实践提 供理论依据。 4 广西大掌工程硕士掌位论文电力系统：稳起设备防雷玩= 坎电缆电磁感应实验句阳宅 2 1 基本概念 第二章雷电瞬变电磁场理论 雷电的电磁感应是指雷电流在5 0 一- 1 0 0 微秒的时间内，从0 安变化到几十万安，再 由几十万安变化到0 安，在其周围空间产生瞬变的强电磁场，在空间变化电磁场中的被 保护物，不论是导体还是非导体均做切割磁力线运动，使其产生更高的电磁感应电动势 造成危害，同时闪电能辐射出从频率为几赫兹的低频率直到几千兆赫的高频率，其中以 5 - - - 1 0 千赫兹的电磁辐射强度最大。当被保护物距离雷电较近时，主要受静电感应影响、 距离雷电较远时，主要受电磁辐射的影响，轻则干扰信号线、天线等无线电通讯，重则 损坏仪器设备。 2 2 电磁场理论 当物体被雷击后，由于电磁感应，会在雷击点附近产生感应过电压。如图2 - 1 所示， 由电磁感应定律可知，开口金属环上的最大感应电势为： 阶m 嚣 协1 ) 不考虑其方向，则有： 即m 慧 式中，e m 表示感应电势，单位为：v ； m 表示互感系数，单位为：h ； d l l d t 表示雷电流陡度，单位为：a s ； ( 2 - 2 ) 广西大学工程硕士掌位论文 电力系统二次设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 曼 - 。一 、- 一它_ ， 工 图2 1感应电压模型 根据电磁场理论有： l 4 - dl ；l 2h 弧x = j h z 彘 d = b ds = u o h ds 因： d 辔2p 。h 口。dx ( 2 - 3 ) 则： m 暑f h dx 暑鼍爿x ( 2 - 4 ) 又因： m 蕾 式中，h 表示：磁场强度，单位为：a m ； b 表示：磁感应强度，单位为：t ； 6 ( 2 - 5 ) 广西大掌工程硕士学位论文 电力系绞：冀欠设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 表示：穿过金属环的磁通量，单位为：w b ； m 表示：互感系数，单位为：h ； 鳓表示：磁常数，其值胁= 4 x 1 0 4 ( 1 - i m ) a 、b 表示：矩形金属环的长和宽，单位为：m ； l 表示：闭环积分线路，单位为：m ； x l 、x 2 表示：开口金属环与地线平行边的距离，单位为：m ： s 表示：矩形金属环的面积，单位为：n 1 2 ； 因为x 2 = b + x 1 ，代入上式可以得： 扫+ x l m ；2xl0 4 l n _ ( 2 6 ) 由此可知，在冲击地线附近开口金属环上的感应电势为： ，即2 川_ 嘞警一 7 ) 如果图2 - 1 中的闪击电流峰值取6 0 k a ，金属环边长为a = b = 6 m ，雷电流陡度取2 5 k a us ，则距离雷击点2 0 0 m 也可以感应产生8 5 1 v 电压。 开口金属环上的最大感应电压为： ”等恤等筹 ( 2 - 8 ) 由上分析可知：雷电流的幅值大，雷击点附近各部位的磁通密度加大，雷电流的陡 度的大小直接影响到雷击点感应电势的大小，感应电压与雷电流的幅值和陡度成正比， 所以雷击点越近，感应电压就越大。 为了找出解决雷击感应过电压的方法，通过冲击电流发生器对电缆感应过电压进行 测量，由第三章叙述。 7 广西大掌工程硕士掌位论文 电力系统二次设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 3 1 概述 第三章冲击电流发生器及实验 在大气过电压及操作过电压下绝缘设备遭受破坏，不仅由于电场强度高使绝缘材料 发生击穿，还由于此时流过的大电流所伴随而来的热和力的破坏作用而造成损坏。所以 需要产生模拟这些大电流的设备一冲击电流发生器。模拟雷电流的有产生_ _ + 4 1 0等,us 的多种单极性标准冲击电流的冲击电流发生器，模拟操作冲击电流的有产生单极性方波 发生器。目前冲击电流发生器的应用已超出电力运行部门和电工制造部门，在核物理、 加速器、激光、脉冲功率技术等技术物理部门已得到广泛的应用。 根据i e c 及中国国家标准的规定，标准冲击电流波分为两类，第一类为指数波，第 二类为方波。指数波以巧肛表示，有l 声2 0 p x ，4 l a s l o r e ，8 p s 2 0 1 a s ，3 0 p s 8 0 r e 四种。图3 1 为冲击电流发生器产生的8 1 a 2 0 i s 波形。方波峰值持续时间乃为5 0 0 坤， 1 0 0 0 , u s ，2 0 0 0 声及2 0 0 0 u s - - 3 2 0 0 艘四种。 ， 图3 1 冲击电流发生器产生的8 # s 2 0 p s 波形 对指数形冲击电流波的峰值、波前时间巧、半峰时间z 的容许偏差均规定为1 0 内。在指数形冲击波峰值附近，允许小的过冲或振荡，但是单个峰值的过冲和振荡不应 超过其峰值的5 。当电流下降到零后，反极性的振荡幅值不应超过峰值的2 0 。 8 广西大学工程硕士学位论文电力系统：冀怒设备防雷蕴= 欢电缆电磁感应实验研究 3 2 冲击电流发生器的构成 3 2 1 冲击电流发生器的原理 冲击电流发生器的基本原理是：数台或数组大容量的电容器经由高压直流装置，以 整流电压或恒流方式进行并联充电，然后通过间隙放电使试品上流过冲击大电流。如图 3 2 所示，以表示以高压整流电压作为充电电源的冲击电流发生器的基本原理图： 酬o s c i l l o s c o p e 图3 2 冲击电流发生器原理图 i 【验品屯 t e s t e do b j e c t 其中，d 3 0 0 k a 2 a 高压二极管 c 1 0 0 k v 3pf 高压电容器1 5 只 l 分布电感1 0 m h s 一采样无感电阻0 1 7q r 0 保护用限流水阻6 0 0 kq r x - - - 2 0 0 2 0 0 x 8 x1 0 0 0 角型钢 工作时先由整流装置向电容器组充电到所需电压，送一触发脉冲到球间隙g ，使g 击穿，于是电容器组c 经l ，r 及试品放电。根据充电电压的高低和回路参数的大小， 可产生不同大小的脉冲电流。 从图中可以看出，冲击电流发生器实际上是个r l c 放电回路。从电路理论可知，在 这种回路中，当r ( 2 4 t c 时，产生的电流是振荡波；r = ：4 z c 时则产生非振荡波的 临界值； r ) 2 4 t c ，产生的是非振荡波。其中，令= 詈兰 冲击电流发生器的微分方程为： 砜一吉如= 等+ r ， c3 1 ， 该回路工作在以下三种状态： 9 广西大掌工程硕士学位论文 电力系统二次设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 周期振荡。如果回路中存在电阻，将形成衰减振荡波。这时放电电流为衰减的 周期性振荡电流，它的幅值按指数曲线下降。电流达到第一个幅值的时间为： 乙：x 一l c ( 1 一口：) 一；t g 一( 鱼蔓)r 崩=一口2 ) 2 叫( = 二i ) 电流的第一个幅值为： 居叫意培。1 矧 = 咚捱他净警2 颤咖痒厂( ? 形= 二联c 式中 2 ”一储存在电容器组c 中的能量。 在f = 0 瞬间，脉冲电流的陡度最大，即 ( 等) 肼= ( 乳粤 图3 - 3 欠阻尼输出波形 1 0 广西大掌工程硕士掌位论文电力系统= 放设备防雷及二次电缆龟j 缘感应【实验研究 t 二相苯 一p 一? 一1p 卞、 ： 一二j 二- 辛- - 二二o i 二。- 。- t m m - m m j ? 。? ? ? ! 一净? ? ? t l z ? ：，? ? 喜，j ! ? 7 二二j # ，z l 。 t 叉。4 i o - i - - 0 1 。! 一 p 1 图3 4 欠阻尼输出雷电冲击电流波形 输出指数冲击电流时，冲击电流发生装置工作在欠阻尼工作状态。可见，冲击 电流波尾阶段过零后有一反峰，该反向幅值不能够超过冲击电流幅值的3 0 - ( 低压 防雷要求不小于2 0 ) 。 q = l 临界阻尼状态，放电电流为非周期性脉冲电流。 以) = t u o 纪一去 。= 警= 面 c 参= c 籼= 警 其典型波形如下图所示： 丁 i i 7 | j 1 f； ? j ： 05 图3 - 5 临界阻尼输出电流波形 l l 2 5 l u s 】 3 0 o a 5 o 5 0 s o 5 o 5 k 2 o 7 器 2 2 翁 iiiil 广西大掌工程硕士学位论文电力系统= 炊设备防雷及二次电绞电磁感应实验研究 砸) = 击瞻s ；呱历去) 乙= 磐鼬一1 ( 届a 2 - 1 口) 4 a 2 1 一层唧 焉一南 。 砜三他) = 警2 讹) = 厣( 口) ( 匐二= ( 现寺 卜。 i 、 。 图3 - 6 过阻尼输出电流波形 3 0 8 0i is 等长波尾冲击电流即工作在过阻尼状态下。 从上面分析，可以得到以下三点： r ( 1 ) 无论放电电流是周期性的或是非周期性的，脉冲电流的幅值1 朋都与电容器组c 中储存的能量w 和放电回路中的电感l 有关。 要增加脉冲电流的幅值，可以从两方面着手： rr 一方面是增加电容器组中储存的能量，即提高电容器组的充电电压u 0 和增加电容 器组的电容量c 。另一方面是减小放电回路的电感l 。 1 2 广西大学工程硕士学位论文 电力系统= 冀欠设- i b 防雷殁= 次电缆电磁感应实验研究 ( 2 ) 无论放电电流是周期性的或是非周期性的，脉冲电流的幅值1 m 都和放电回路 中的电阻r 有关，厂( 口) 随r 减小而增加为了增加脉冲电流幅值，应尽可能减小放电回 路的电阻r 。 ( 3 ) 无论放电电流是周期性的或是非周期性的或是非周期性的，脉冲电流的最大陡 度都是一样的，即( d z d t ) 册= u o l ，而且只取决于电容器组的充电电压砜和放电回路的 电感l ，与放电回路的电阻无关。 为了获得最大的电流陡度，应适当提高充电电压和尽量减小放电回路的电感l 。 3 2 2 冲击电流发生器的结构 如图3 - 7 所示，冲击电流发生器主要包括：充电装置、发生器本体、控制台及测量 等部分。 警 3 2 - 2 1 充电装置 图3 - 7 冲击电流发生器电路 充电装置包括恒流充电的电抗器l 和电容器c 、双向可控硅、充电变压器、高压硅 整流器、保护电阻、自动接地装置和直流电阻分压器，除恒流充电的电抗器、电容器和 双向可控硅安装在控制台内，其它部分均安装在一个手推移动的槽钢底盘上。 产生不同的冲击电流波形和幅值，采用全波倍压或者桥式整流的充电方式。产生 + lo o k v 时采用桥式整流充电方式。产生_ - t 2 0 0 k v 时采用双边不对称倍压充电方式。 充电变压器采用绝缘外壳油浸结构。 高压硅整流器采用2 d l 一2 0 0 k v 1 0 0 m a 型式。 试验结束后，充电设备能自动接地。 广西大学工程硕士掌位论文 电力系统二次设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 3 2 2 2 发生器本体 发生器本体的主电容器为低电感脉冲金属外壳电容器，电容器的电容量和数量根据 所要求的电流波形和幅值而定。本发生器采用1 2 台m w f l 0 0 2 ( 2 微法l o o k v ) 电容器。 电容器的输出端串联限流电阻，在正常情况下，由于阻值很小，可作为调波电阻的 一部分，在故障时，限制故障电流，保护电容器。主电容器不接地，用绝缘柱支撑，放 电球采用嵌钨铜球，球隙触发采用上球固定，下球机械运动触发，保证准确、可靠地触 发球隙放电输出波形。 3 2 2 3 控制设备 冲击电流发主器的控制台为手动控制台j 根据试验需要，选择好整流器极性和充电 方式，检查主放电回路后，拿开接地棒，关闭所有通入试区的门，合主电源，用钥匙打 开控制电源，将“手动自动”选择开关拔到手动位置。并选择“充电速度( 快慢) 开 关，按“启动”按钮，这时接地棒自动拉开，然后按“充电 按钮进行充电，当充电电压 达到预期值，按“触发 按钮，下球向上运动，球隙放电输出冲击电流，测量系统可对电 流波形和残压进行测量，第一次放电结束后，接着可进行第二次充电和放电，当试验结束 时，按下“停止 按钮，接地棒自动接地，转动钥匙开关断开主电源，挂上接地棒。 3 3 冲击电流发生器测量电缆中感应的过电压 3 3 1 冲击发生器测量电缆中感应过电压实验原理图 如图3 8 所示，为冲击电流实验原理图。 岛一 腑 角钢j 图3 8 冲击电流实验原理图 1 4 广西大学工程硕士学位论文 电力系统二次设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 图中，d 为高压二极管，其作用是将交流转变为直流； r 。为保护球隙的电阻 c 为用于充放电的电容； g 为放电球间隙； p 为地线； k 为电缆； q 为示波器； r 为保护电阻，阻值为7 5 q ； 3 3 2 实验数据及波形 实验所用的控制电缆有8 根芯线，长度为1 0 m 。 本次试验冲击电流波形 t 坐标参数：探头衰减1 0 ，5 v 格，5i ts 格( 如图3 9 ) ，冲击电流峰值约9 k a 日 ：。! ! ! “ti ；。ii 。i 。i ti i “ii - i li i 。；。ji。 r 蝌t 群篓薯 | i 0 薹 。；。；。；。；。：；。：lj 图3 - 9 1 控制电缆与地线相隔2 0 厘米 + 控制电缆无屏蔽距地线2 0 厘米芯地电压 控制电缆长1 0 米，控制电缆与地线相隔2 0 c m ，一根芯线接地，其余悬空，测其中 芯线与地之间电压。( 如图3 1 0 ) 坐标参数i v 格，li ts 格，探头不衰减，感应电压峰值约3 5 v 。 广西大掌工程硕士学位论丈 电力系统：放设薯r 防雷及二次电线电磁感应实验研究 ! ：1 ：i 1 。；。l i 。；。i i 。ii ；。；。i l 。! ! ! 。! i _ - 一? ：o 。： ，一 。：。；。：。：。：。 i ；：- - 图3 1 0， 控制电缆无屏蔽距地线2 0 厘米芯芯电压 控制电缆长1 0 米，控制电缆与地线相隔2 0 e r a ，一根芯线接地，其余悬空，测其中 芯线与芯线之间电压。( 如图3 - 1 1 ) 坐标参数i v 格，5l as 格，探头不衰减，感应电压峰值约3 v 。 ! 。：。：，： 。；i i ；li ：。；。；，；。“州 篱誉 鬻一：| - | 川i | 一 图3 1 1 2 控制电缆与地线紧贴 控制电缆长1 0 米，控制电缆与地线紧贴长度为5 6 米，六根芯线两两绞结，全部芯 线悬空，屏蔽层两端接地，测量芯线之间电压。( 如图3 1 2 ) 坐标参数：探头不衰减，5 v 格，5us 格感应电压峰值约1 7 v 。 1 6 广西大掌工穗蛹页士掌位论文电力系统：茹设备防雷及= 次电蝮电磁感应禹；验研究 ，l 一一一一i ， ， - i ， !j；： r1i i i li l 一三麓 秽 ；l l i 。j ： 。；i ；：；l - 图3 1 2 控制电缆长l o 米，控制电缆与地线紧贴长度为5 6 米，全部芯线悬空，芯芯电压( 图 3 1 3 ) 坐标参数：探头不衰减，5 v 格，1 | ls 格，感应电压峰值约2 0 v 。 图3 1 3 控制电缆长1 0 米，控制电缆与地线紧贴长度为5 6 米，芯芯电压( 图3 1 4 ) 探头不衰减，坐标参数：5 v 格，5us 格感应电压峰值约2 5 v 。 1 7 广西大学工程司旺b 学位论文电力系统：放设备防瞳及二次电筑电磁感应实验研究 图3 - 1 4 控制电缆长1 0 米，控制电缆与地线紧贴长度为5 6 米，一根芯线接地，其余悬空， 测其中芯与地之间电压( 如图3 1 5 ) 坐标参数：探头不衰减，5 v 格，5us 格，感应电压峰值约18 v 。 ：! ：! ! ! ! l = 0 | o 一 0 0 0 ； ：- ；，：，；i 。 ；z | 。jli - it 。- 。i - l ，l ；- i j 。 澎 ，。j 。j ；l ：。l i ：i 图3 1 5 。 控制电缆长1 0 米，控制电缆与地线紧贴长度为5 6 米，一根芯线接地，其余悬空， 测其中芯线与芯线之间电压。( 图3 1 6 ) 坐标参数：探头不衰减，5 v 格，5 | is 格，感应电压峰值约2 0 v 。 1 8 广西大掌工程硕士掌位论文电力系统：麓欠设备防雷及二次电舒电磁感应实验研究 3 3 3 实验结论 ：。! ： 一一一一曩 ； ；i i i ；i ii ii ii - i t ；蠢置纛 瞄瓣 ，! ”! i l 。 叠曩一叠l。；j ；：_ 图3 1 6 由以上数据总结列出下表：其中，控制电缆的长度为l o r e 控制电缆与地屏蔽层接地方 芯线接地方式测试电压芯线感应电压峰值 线紧贴长度式 2 0 c m 一根芯线接地 两端接地芯一地 3 5 v 2 0 c m 一根芯线接地 两端接地芯一芯 3 v 5 6 m 一根芯线接地两端接地芯一地 1 8 v 5 6 m 一根芯线接地两端接地芯一芯 2 0 v ： 可以看出，在相同的接地方式下，控制电缆与地线紧贴长度为5 6 m 与控制电缆与 地线紧贴长度为2 0 c m 相比较，控制电缆与地线紧贴长度为5 6 m 时的感应电压是控制电 缆与地线紧贴长度为2 0 e m 时的5 - 8 倍。 为了避免电缆上产生很大的过电压，可以将电缆远离易流过雷电流的地线，有效地 减少雷击时雷电流在电缆上感应的过电压。 线路上的感应过电压不仅发生在电缆上，常见的雷击线路上的感应过电压还可能发 生在装了避雷器的线路上。由第一章中所述的弱电设备遭雷击损坏的机理可知，线路的 防雷在装了避雷器的情况下也不是完全可靠的，在此，我们可以采用一种新型的装置一 一中和变压器来弥补避在雷器遭雷击时的缺陷，将在第四章叙述。 1 9 广西大掌工程硕士掌位论文电力系统：冀起设备功r 雷及二次电缆电磁感应实验习院 第四章中和变压器 4 1 概述 4 1 1 雷电侵入二次设备的途径 随着变电站“三化 的实施，变电站的防雷问题将显得更加重要变电站二次设备是 关系到一次设备安全的关键由于二次设备均以集成电路为核心，其耐受过电压的能力 极低。况且二次设备通过电压、电流互感器与一次设备、输电线路相连，受雷面积巨大。 线路落雷、变电站落雷时沿线路入侵的雷电波及雷电空间电磁辐射波将会作用到二次设。 备，使二次设备损坏。 桂东电力供电公司北网部分变电站遭受雷击的部分损失情况： 2 0 0 5 年5 月2 1 日1 9 时1 0 分，西湾1 i o k v 变电站遭受强雷电击，致使该变电站的 保护装置通信面板，综合测量装置通信面板，五防工控机烧毁，送往调度中心的数据监 控信号停止。 2 0 0 6 年6 月1 9 日1 6 时0 9 分，信都变电站遭受强雷电击，致使该变电站的保护模 块从控s c p u 主板3 块，测控c p u 主板3 ，d a 数采板2 块，遥控板l 块，m o d e m 通信l 块绝缘击穿，设备烧坏。 2 0 0 6 年6 月2 7 日2 时0 4 分，信都变电站遭受强雷电击，致使该变电站的3 台i o k v 电压互感器绝缘击穿，设备烧坏。 经过分析可知道雷电入侵二次设备的途径有： 雷击线路时沿架空线通过电压、电流互感器作用到二次设备接口 雷击线路时沿站用电源入侵到二次设备电源。 雷击变电站避雷针时，地网中的雷电流通过电缆沟中的地线耦合到电缆沟中的所有 电缆中去。 变电站上空的雷云电场，通过静电感应耦合到电缆沟中所有电缆中去。 ， 雷击变电站避雷针时，地网电位的提高会出现地网电位高于线路电压的情况，雷电 会通过所有避雷器接地端“倒灌到相应的导线中去。同时，在绝缘薄弱处还会发生 “反击 。 通讯线路也是雷电入侵的路径。 广西大学工程硕士掌位论文 电力系统：冀设鲁防雷殁= 次电线电磁感应明恕验研究 4 1 2 二次设备的防雷措施 由于雷击对二次设备造成的威胁十分大，对雷击二次设备的保护必须是可靠的。目 前的制造工艺，使避雷器的残压比额定电压高6 倍例如在220 伏线路使用的避雷器 残压为13 00 伏显然己经大大地超过了二次设备所能承受的安全电压此时避雷器 已经失去防雷保护作用这是二次设备防雷保护的难点另外需要强调的是避雷器动作 时会在芯片内产生截波过电压( 导线电感与芯片电容形成谐振回路) ，这一点是直接使 用避雷器时新发现的弊端。 对二次设备的防雷措施有： 为实现对由线路涌入的雷电波的衰减，在p t 输出端安装避雷器。 为减小由地网向电缆沟中导线的感应，沿电缆沟两侧( 外侧) 铺设分流地线。电 缆沟内采用对称结构的地线，使雷电磁场互相抵消，减小雷电感应。( 减小雷电耦合) 。 为减小雷云静电场的感应，在电缆沟铺设屏蔽线。( 减小雷电耦合) 使用隔离变。隔离变的作用：( 1 ) 电位浮动：为根治反击，二次设备用电源通过1 ： 1 隔离变压器向二次设备供电。实现二次设备局部地网电位“浮动，利用“水涨船高刀 原理消除反击。( 2 ) 雷电波隔离：通过隔离变压器初、次级开路的原理对沿电源入侵的雷 电波实现隔离，被隔离的雷电能量经隔离变出、次级的避雷器入地。 4 使用稳压管：对雷电波实现精密限幅，消除雷电毛刺，实现对边沿触发的芯片保 护( 尤其是c m o s 器件) 。 由于避雷器遭雷击时会产生很高的残压，可能会使与其相连的设备上产生过电压， 例如变压器，这就会造成设备的损坏。对于这种现状，还是如今防雷的难点之一。目前， 一种新型的防雷措施，可以很好的衰减避雷器残压和抑制避雷器的截波过电压，这就是 中和变压器，下面将叙述中和变压器的原理及其有关内容，并进行实验验证。 4 2 中和变压器的原理 中和变压器的原理图4 1 ( a ) 、( b ) 所示，它是由一个环形的铁心和绕在铁心上的线 圈组成。在变压器的左端接电网线路，变压器右端接用电户。由于中和变压器的铁心为 环形，当输入差模信号时，根据右手定则，铁心上的互感大小相等，方向相反，则可认 为相互抵消，而在铁心里无互感，也无自感；当输入共模信号时，根据右手定则，铁心 上的互感、自感方向相同，大小相等，铁心内的自感、互感倍增。 2 1 广西大掌工程硕士掌位论文 电力系统= 坎设备功r 雷及二次电缆电磁感应实验研究 4 4 半0 8 m h 3 汰| = 1 3 2 i f ( 2 ) s h 己半3 3 0 0 p f ( y ) 4 7 = j rq 2 5 0 v 一9 0 a5 0 6 0 h zt 。2 5 0 0 v 一1 m i j 图4 1 ( a )中和变压器电路原理图 输入差模信号输入共模信号 图4 - 1 ( b ) 中和变压器信号输入原理 图4 1 中和变压器原理图 4 3 中和变压器的作用 4 3 1 中和变压器可以降低避雷器的残压 当输电线路不接中和变压器，直接接到用电户时，按照规定，在电网端必须加避雷 装置，如图4 2 所示，雷击中避雷器后，在避雷器上会产生一个残压。根据文献【1 】由电 磁感应定律可知，雷击时，在用电端可产生很高的残压，其数值约为2 5 k v ，会导致用 电设备击穿、设备烧坏，甚至可能威胁到使用用电设备的人的人身安全。 为了解决此问题，我们在电网与用户端之间加装中和变压器，根据中和变压器的原 理可知，当输入共模信号时，变压器铁心中的自感与互感倍增，由电磁感应定律知，在 广西大掌工程硕士学位论文 电力系统二次设备防雷及二次电缆电磁感应实验研究 电网处的雷击过电压可达1 3 k v ，由于互感与自感倍增，使中和变压器两端的压降为原 来的2 倍，起到了分压的作用，可能存在的残压只有约0 2 k v 左右，这与用电设备的额 定电压相接近，对用电设备不造成威胁。 所以在电网和用户之间加装中和变压器可以衰减避雷器的残压。 1 3 k v 1 3 k v 2 u 图4 - 2 加装避雷器后中和变压器的电路图 0 2 k v 4 3 2 中和变压器可以抑制截波过电压 ， 在用户端，我们假设用户为一芯片，如图4 3 所示，在输电线路上装避雷器，输电 线路与芯片之间存在着一对地电容c 和电感l 。当雷击中输电线路时，在线路中会产生 截波过电压，对电力系统的稳定性构成威胁。 一 仇 j _ 心 竞 下c j 图4 3 不接中和变压器的电路图一 广西大学工程硕士学位论文 电力系统：- 放设备防雷及二次电缆电磁感应实验习”宅 f l l 图4 - 4