低压电力系统浪涌抑制技术.doc

电力系统过电压及抑制技术一、 概述二、 过电压的影响及危害（补充培训教材）三、 电力系统内部外电压四、 电力系统外部过电压五、 过电压抑制制技术介绍51典型过电压波形52直击雷保护53浪涌保护器介绍 5.3.1浪涌保护器原理介绍 5.3.2元件介绍 5.3.3浪涌保护器主要技术参数 5.3.4三级布控技术介绍 5.3.5国内外防雷标准六、过电压抵制技术发展方向及的经济效益分析一、概述电力系统过电压是指超过正常运行电压并可使电力系统绝缘，或保护设备损坏的电压升高，据统计，在电力系统各种事故中，由于过电压引起的绝缘事故占主导地位。过电压可以分为内部过电压及外部过电压两大类。内部过电压是由于电力系统正常操作事故切换，发生故障或负荷骤变时引起的过电压，可分为操作过电压、工频过电压、电弧接地过电压、谐振过电压等。内部过电压的能量来自于电力系统本身，经验证明，内部过电压一般不超过系统正常运行时额定电压的3-4倍，对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。雷电过电压亦称 过电压或大气过电压，是由于系统中的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电冲击波的电压幅值可高达上亿伏，其电流幅值可高达几十万安培，对电力系统的危害远远超过内部过电压，其可能毁坏电气设备和线路的绝缘，烧毁线路，引发事故，造成大面积停电等危害，必须采取有效措施加以防护。二、过电压的影响及危害 1、造成电能质量下降、破坏电压波形、造成电能污染。 2、破坏绝缘、加速设备老化、降低电压设备使用寿命。 3、引起各类事故，如火灾、大面积停电、破坏供电线路、造成设备损坏及人身伤亡。 4、对敏感设备的干扰，如对通讯系统的干扰、精密电子设备的干扰，或造成自动装置失灵、误操作等，电度表计量误差。 5、造成损耗加大，带铁芯设备的温度升高。内部过电压危害：概括性地说，浪涌会使用户的用电成本增加；同时，浪涌会破坏设备的安全运行。我们先说浪涌与用电成本的关系。大量的科学研究已经证明，浪涌使一个用电系统的电耗增加的方式有三种： 1、系统效率下降： 通用电气公司的TECHNICAL DATA（技术通讯）杂志上发表的多篇研究报告证实，瞬流将使一个用电系统的用电效率严重下降。瞬流对所有的开关装置、接触 元件、线包绕组、半导体元件等，都有冲击作用，使电机、灯光及系统中所有的用电装置的用电效率下降。研究发现，由于经年累月的冲击，瞬流会在开关装置及其它接触性器件上造成氧化性碳膜层。在电机接触器上，每1欧姆阻抗的氧化性碳膜层的生成和存在，可使电机的效率损失13%。 瞬流导致系统用电效率下降的另一个例子来自下面这样一个研究结果：在一条120V 的电路中，电流为15A/小时，瞬流发生的频次为40000个/小时，瞬流持续的时间为100微秒。 研究人员发现，在这样一个简单的电路中，瞬流导致了8.05%的线路电耗增加。2、电机温度升高：电机的温升还由于瞬流使电感性负载电流损失增加和铜损提高而造成。实验表明，一个800周的振荡型瞬流会使铁芯材料的能耗由 0.04W/lb提高到3W/lb，能耗增加的幅度为67%。 常识也告诉我们，由于瞬流高压的冲击，多余的电能转换成热能，因而使电机的 运行温度上升。电机温度每上升一度，大约增加4%的电耗。 3、避免用电量的过度误计量：美国工程学会会刊IEE第59卷第460-464页上发表的Keener与 Nelm先生的一份研究报告，证明瞬流会严重地影响电能表的计量。其结果会导致电能表对一个系统总的应用电量的过度计量。 瞬流能使电表走快，也被其它一些学者的研究结果所证实。如Hershfiled博士在规范工程杂志发表的一篇论文，就曾详细说明瞬流如何使监测电气负载的感性电能表对系统的总电量产生过度计量。ECO Saver的应用将从两个方面切断瞬间变对电能表的影响：一是堵截外部的来路；二是切断内部的回路。ECO Saver可使电能表的计量恢复正常,用多少电，电表就正常计量多少。通过前面的叙述，我们已经了解瞬流的危害是不仅会使一个系统的电耗增加，用户多付电费；而且会严重影响到设备的安全。统计发现，50%-70%的电视返修及保修索赔，皆起因于瞬流的影响。通用电气公司持续7年时间的一系列研究还发现，当电机线包绕组的耐压从2000V提高到6000V以上的耐压水平时，电机被烧的机会降低80%。该项研究不但证明了瞬流对电机安全性的影响，还说明2000V-6000V之间的瞬流对电机安全性的影响最大。除电机外，但问题是提高了线包绕组的耐压水平意味着电机的制造成本提高，故不是一个解决问题的实际方法。瞬流还影响到所有的电子设备、电脑系统、灯光系统、配电设备，使它们荡机、损坏、寿命缩短、发生火灾等。瞬流产生的来源主要有两个方面：一是环境的。雷电感应电压、输变电站大型开关的开合、邻居大型负载的起停，都会伴随有瞬流进入到用电系统。环境因素产生的瞬流占一个系统瞬流总量的20%-30%。 二是用电系统内部产生的，它占一个系统瞬流总量的70%-80%。任何负载的起停和运行都会有大量的瞬流产生，回馈到本身的用电系统中。大的负载的起停及运行过程中所产生的瞬流还会影响到邻居及电网。电弧放电也是瞬流的一个主要来源。它可能是由不良和松动的电气连接引起，或由老旧的不干净的电刷引起。由电弧放电所产生的高频电压尖峰脉冲，会通过设备线路扩散，影响到整个系统。外部过电压危害：200多年前，富兰克林发明避雷针以后，建筑物等设施已得到了一定的保护，人们认为可以防止雷害，对防雷问题有所松懈。但是随着近代高科技的发展，尤其是微电子技术的高速发展，雷电灾害越来越频繁，损失越来越大，原先的避雷针已无法保护建筑物、人和电器设备。握着电话话筒而受雷击致死的人时有所闻，原先许多从来不发生雷电灾害的行业和部门也频频受害。这些雷害是人们意料不到的。现今全球平均每年因雷电灾害造成的直接经济损失就超过10亿美元，死亡人数在三千人以上，这个统计没有包括中国。我国根据气象部门和劳动部门的估算，每年雷击伤亡人数均超过1万，其中死亡3000多人。例如1989年，我国青岛市黄岛油库于月1日遭雷击失火，燃烧104小时才勉强扑灭。伤亡人员近百名，烧毁原油3.6万吨，整个油库毁坏殆尽，变成一片废墟。如某数据中心，集全体技术人员历时三年的研究成果和宝贵数据也因一次雷灾而化为乌有。造成的间接损失无法估算。类似的案例不胜枚举。80年代以后，雷灾出现新的特点,这主要是因为一些高大建筑的兴起,如高层智能大厦，微波站、天线塔等都会吸引落雷，从而使本身所在建筑及附近建筑遭到破坏。增设的各种架空长导线反倒引雷入室，使避雷装置失去作用。另外，随着微电子技术高度发展及广泛应用到各个领域，使雷害对象也发生了转移，从对建筑物本身的损害转移到对室内的电器、电子设备的损害。以至发生人身伤亡事故。随之防雷对象也由强电转移到弱电。雷电产生的电磁感应已成为主要危害。 雷击的危害主要有三方面：第一是直击雷。是指雷云对大地某点发生的强烈放电。它可以直接击中设备，也可以如图所示，雷电击中架空线，如电力线，电话线等。雷电流便沿着导线进入设备，从而造成损坏。第二是感应雷。它可以分为静电感应及电磁感应。下图是静电感应的例子。当带电雷云（一般带负电）出现在导线上空时，由于静电感应作用,导线上束缚了大量的相反电荷。一旦雷云对某目标放电,雷云上的负电荷便瞬间消失,此时导线上的大量正电荷依然存在,并以雷电波的形式沿着导线经设备入地，引起设备损坏。图三是电磁感应的情况。当雷电流沿着导体流入大地时,由于频率高,强度大，在导体的附近便产生很强的交变电磁场，如果设备在这个场中，便会感应出很高的电压，以致损坏。对于灵敏的电子设备，尤需注意。第三是地电位提高。当10KA的雷电流通过下导体入地时，我们假设接地电阻为10欧姆,根据欧姆定律,我们可知在入地点A处电压为100KV。因A点与B、C、D点相连，所以这几点电压都为100KV。而E点接地，其电压值为0，设备的D点与E点间有100KV的电压差，足以将设备损坏。 （1） 注意：据统计：直击雷的损坏仅占15%，感应雷与地电位提高的损坏占85%。 据不完全统计，全国35个自治区、直辖市、计划单列市、700多个市县，共发生典型雷电灾害1902例。造成人员伤亡事件808起，直接经济损失上千万元以上的事例百起，百万元以上的事例为19起。（1） 2000年9月21日 中国北京首都机场三处遭雷击,击坏部分设备。（2） 2000年9月2021日，北京大范围遭雷击，击坏延庆、顺义、房山等多个单位的计算机、通信等设备。（3） 2000年8月8日 四川人和镇重庆华新国际城市发展有限公司遭雷击，击坏两个卫星天线，直接经济损失102万元，间接经济损失15万元。（4） 2000年7月17日 天津大港区浮板玻璃有限公司遭雷击，自动化生产线因雷击发生故障，称重传感器被损坏，直接经济损失3万元，停产三天，间接经济损失约80万元。（5） 2000年7月16日 天津西青开发区今晚报社造纸有限公司遭雷击，生产供电线路被雷击瘫痪，设备损坏，经济损失约3.8万元。（6） 2000年7月16日 天津市市内电话局下属烟台道局和王顶堤局遭雷击，经济损失约6万元。（7） 2000年7月16日，天津西青开发区苏波洛克水损失60万元。（8） 2000年7月11日 韶关市西郊收费站遭雷击击坏收费监控系统，大泥有限公司遭雷击，击坏程控交换机、内部计算机网络等设备，经济损失约1.2万元。（9） 2000年6月16日 襄汾市老东关街遭雷电，原料库的棉垛和尼龙垛被雷击并引起大火，后经抢救扑灭，直接经济损失51万元。（10） 2000年5月25日 内蒙古包头铝业集团电解一、二分公司电解自控系统遭雷击损失100万元。（11） 2000年5月17日 天津外贸纸箱厂遭雷击，致使生产控制线损坏，经济损失约24万元。以上统计仅仅是对雷击造成的直接损失进行评估，由此造成的间接损失并未计算入内。全球每年有数千人死于雷击（2） 平均每年发生1600万次闪电（3） 马来西亚280什么什么（4） 直击雷最大210KA，平均值为30KA（5） 一个中等雷电的能量约为55kw.h，但什么功率P可达300000什么，电压50什么。（6） 雷电产生温度约3000K（7） 欧美国家每年21%30%的电脑故障为感应雷造成（8） 广东省每年雷击1000多次，直接经济损失上亿元（9） 我国根据气象部门和劳动部门的估算，每年雷击伤亡人数均超过1万，其中死亡3000多人（10） 现今全球平均每年因雷电灾害造成的直接经济损失就超过10亿美元三、内部过电压内部过电压是由于电网中的开关操作（如分合闸或自动重合闸动作）事故（接地、断线），或其他原因，引起电力系统的状态突然从一种稳态转变为另一种稳态的过渡过程中止的过电压。这种过电压是由于系统内部原因而造成并且能量又来自电网本身，所以叫内部过电压，内部过电压又可分为工频过电压、操作过电压、谐振过电压等。内部过电压是由于电力系统内部能量的转化或传递引起的，这里所说的能量转化是指碳能转化为电能，所说的能量传递主要指通过各部分相互之间的电碳耦合，电网内的操作（拉闸或合闸）和故障（断线或接地）都是激发能量转化的原因， 后或故障引起的暂态电压升高，称为操作过电压。因系统的电感、电容的参数配合不当，出现的各种 时间很长的谐振现象及其电压升高，称为谐振过电压。此外，电力系统中在正常或故障时不可能出现幅值超过最大工作相电压，频率为工频或接近工频的电压升高，这种电压升高，被称为工频过电压。操作过电压的存在时间，远比谐振过电压和工频过电压存在的时间短，是暂态性质的，而对谐振过电压和工频过电压来说，如不采取措施，将会长期存在，是稳定性质的。在实际运行中，为确保电网安全，要采取措施避免谐振过电压和工频过电压存在，既只允许暂态过电压存在，因此人们把谐振过电压与工频过电压列为暂时过电压类别。3.1操作过电压电力系统中存在许多电感、电容元件，电感元件有：电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路导线等元件；电容元件有线路导线的对地分布电容、相间分布电容、补偿用的并联或串联电容器组、高压设备的杂散电容等元件。电感与电容均为储能元件，可在电力系统中组成各种振荡回路，在电力系统中，当进行操作或发生故障时，将会发生回路从一种工作状态通过振荡转变到另一种工作状态的过渡过程，出现操作过电压，操作过电压存在的时间一般为几豪秒到几十豪秒，波形可用缓波前表示：电力系统常见的操作过电压有：中性点绝缘电网中的电弧接地操作过电压；开断电感性负载（空载变压器、电抗器、电动机等）过电压；开断电容性负载（空载线路、电容器组等）过电压，空载线路合闸（包括重合闸）过电压以及系统 过电压等。在断路器切断或闭合线路或负载时，由于出现电弧的燃灭、振荡现象，使电弧不能在过零点熄灭，使系统产生 的过电压，当然系统有分布电容及电阻存在，使过电压幅值不能趋于无限大，而是对分布电容充电，极限状态为操作瞬间，感性元件所储的能量全部转化为电容的能量使当断路器灭弧能力越强，越容易引起操作过电压。3.2谐振过电压当系统进行操作（例如断路顺的操作或不同动作）或发生故障（例如不对称接地故障或断线故障）时，系统中的电感电容，元件可形成多种频率的振荡回路，当外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振荡频率时，就会出现周期性的或准周期性的谐振现象，此时发生谐振的那个谐波电压的幅值和谐波电流的幅值将急剧上升。谐振是一种稳态性质的现象，虽然在某些情况下，谐振现象不能自保持，在发生后经一段短促的时间，会自动消失，但也可稳定存在，直到破坏谐振条件为止。因此谐振赤电压的危害既决定于其幅值的大小，也决定于持续时间的长短，当系统产生谐振时，可能因持续的过电压而危及电气设备的绝缘，也能因持续的过电流而烧毁小容量的电感元件设备，还会影响到保护装置的工作条件。电力系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压的有利因素，所以通常只有空载或轻载时才会发生谐振，但对零序回路参数配合不当而形成的谐振，系统的正序有功负荷是不起作用。电力系统中的电容和电阻元件，一般可认为是线性参数，可是电感元件则不然，由于振荡回路中包含不同特性的电感元件，谐振有以下不同的三种类型：（1） 线性谐振：谐振回路不带铁芯的电感元件（如输电线路的电感，变压器的 感）或励磁特性接近线性的带铁芯电感元件，当系统自振荡频率与电源频率或与谐波相等或接近时，将产生线性谐振。（2） 铁磁谐振（非线性谐振）：谐振回路中带铁芯的电感元件（如空载变压器，电压互感器）和系统中的电容元件组成，受铁芯饱合的影响，铁芯电感元件的电感参数是非线性的，这种含有非线性电感元件的回路，在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振。（3） 参数谐振：谐振回路由电感参数作周期性产化的电感元件（如凸极发电机的同步电抗的周期变化）和系统电容元件组成，当参数配合恰当时，通过电感的周期性变化，不断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐振，谐振条件W=1/当系统中存在电阻，由于电阻存在WL=1/WC时，I=E/n uL=jE/RWL uL=jEWL/R不会再稳于 大，可见电阻会对谐振过电压起到阻尼作用。四、电力系统雷电过电压及保护4.1雷电过电压及危害概述雷电过电压亦称外部过电压或大气过电压，是电力系统中的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击火雷电感应引起的过电压。雷电是由雷云放电引起的，是自然界普遍存在的一种自然危害，雷电可以引发森林火灾，可以使油床或炸药库等易燃易爆设施起火，也可以使建筑物及其内部的各种现代设施（主要是电子设备）受到损坏。它不仅会危害供电线路以及发、变电站的电器设备，还会导致大面积停电，引起用电部门的重大经济损失。雷电过电压事故在电力系统事故中占有很大的比例。4.2雷电知识介绍关于雷电的解释有很多种，常见的一种理论是在闷热、潮湿、大风的天气里，接近地面的湿气受热上升，遇到冷空气凝成冰晶，冰晶受到上升气流的冲击而破碎分裂，气流携带一部分带正电的小冰晶上升，形成正雷电，而另一部分较大的带负电的冰晶则下降形成“负雷云”，随着电荷的积累，雷什么逐渐升高，由于高空气流的流动，正负雷云，均在空中飘浮不定，当带不同电荷的雷云相互接近到一定程度时（2024K/CM），空气发生电离，并开始向大地放电，放电过程分什么放电和主放电两个阶段，放电通道强烈发光，产生强烈中和电流可达十到数百千安（幅值），但时间什么、约为什么，在雷击什么电中95%雷击发生在云对云之间，只有5%雷击发生在云与地之间。关于雷击的统计（11） 全球每年有数千人死于雷击（12） 平均每年发生1600万次闪电（13） 马来西亚280什么什么（14） 直击雷最大210KA，平均值为30KA（15） 一个中等雷电的能量约为55kw.h，但什么功率P可达300000什么，电压50什么。（16） 雷电产生温度约3000K（17） 欧美国家每年21%30%的电脑故障为感应雷造成（18） 广东省每年雷击1000多次，直接经济损失上亿元雷电参数什么，每天中听到一次雷声算一个什么雷电流波形，雷电流波形各国什么什么图我国取2.6/40s波形作为直击雷防雷设计中采用的波形。落雷密度每平方公里什么的地面什么4.3雷电过电压种类雷电可分为直击雷，感应雷，雷电侵入波三大类。直击雷过电压，当雷电直接击中电气设备、线路或建筑物时，强大的雷电流通过其流入大地，在什么击物上产生较高的电流什么，称直击雷过电压。有时雷云很低，四周有没有什么性的电荷需什么，这样有可能在地面什么物上感应出什么性电荷，在雷云与大地之间形成很大的雷电场，当雷云与大地之间在什么一方位的电场强度达2530什么时就开始放电，就是直击雷，产生雷击的雷云多为负雷云。感应雷过电压，当雷云在什么空线上方时使什么空线感应出什么电荷，雷云对其他物体放电后，什么空线上电荷被释放，形成自由电荷流向线路两端，产生电位很高的电压，称感应雷过电压。什么空线上感应过电压可高达几个甚至几十个伏，对供电系统危害很大。雷电波侵入，由于直击雷或感应雷而产生的高电压雷电波沿什么空线路或金属管道侵入什么用户，称雷电侵入波。这种雷电侵入流的危害占雷害总数的一半五、瞬态过电压抑制技术过电压的波形可分为暂时过电压与瞬态过电压两大类。过电压的波形、幅值的持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响。暂时过电压，是指其频率为工频或某谐波频率的过电压。且在其持续时间范围内无衰减或衰减缓慢的过电压。（瞬态过电压是指振荡或非振荡的过电压，通常衰减很快，持续时间只有几毫秒，且为缓波前的过电压（例如一些操作过电压）或持续时间几十个微妙且为快波前的过电压（例如一些雷电过电压）。图5.1防直击雷技术常用的防直击雷的的装置是避雷针（线），这是由导体制成，必被保护设备高，且具有良好的接地装置，避雷针的作用是将雷吸引至自己身上并安全导入地中，从而保护了附近比这矮的设备和建筑物使之不受雷击。常用的防侵入波过电压的装置是避雷器。避雷器与被保护设备并联，其作用是释放过电压能量，将过电压限制到一定水平，从而保护设备的绝缘，近年来作为新型防直击雷装置的半导体消雷器亦在雷击严重的地区和部门得到应用，其作用是减少雷击次数和限制雷电流幅值，从而降低直击雷的危害。5.1.1避雷针避雷针包括三部分：接闪器、引下线、接地体，接闪器可用直径为数字的圆钢，引下线可用直径为数字的圆钢，接地体一般可用互距5M的三根2.5M长的40*40*4mm角钢打入地中再并联后与引下线什么连接。避雷针是靠它对雷云电场引起的畸变来吸引雷电的。按我国电力行业标准字母数字交流电气装置的过电压保护和绝缘什么的规定，计算保护范围。5.1.2避雷线避雷线是由悬挂在空中的水平接地导体（接闪器）、接地引下线和接地体组成，避雷线，这主要用来保护线路，避雷线对雷云引起的畸变显然比避雷针小，所以其吸雷作用计保护宽度较避雷针小，但这可以减少自身的落雷次数，避雷线的什么尺度与线路等长什么特别适宜保护什么空线路及大型建筑物，近年来世界大多数国家已由避雷线（带）代替避雷针。架设避雷线，是线路防雷的最有效措施，但成本很高，只有66KV以上线路才适合该装设。5.2过电压保护器 过电压保护器又称避雷器、浪涌保护器（Surge Protective Device）。 浪涌保护器是一种过电压限制装置，早期主要用来限制由线路导入的雷电过电压的幅值、保护设备绝缘，后来发展到用来限制某些小能量的操作过电压。近年来已拓宽到线路防雷和深度限制操作过电压的领域中。其使用时安装在被保护设备附近，接在被保护设备的相线与地之间，在正常情况下，保护器不导通，在过电压情况下，当作用在限压器上电压达到保护器动作电压时，限压器导通，通过大电流，释放过电压能量，并将过电压限制到允许水平，达到保护目的。对构成雷电危害的外界影响，IEC标准按其严重程度分为AQ1、AQ2、AQ3三级，AQ1级严重程度最低，其雷暴天数为每年不大于25d，可予忽视而不设防，AQ2级为远处对地雷击时地面瞬变电磁场在架空电源线路上感应产生脉冲过电压，此过压沿线路进入建筑物电气装置内，可导致绝缘击穿事故，其雷暴天数为每年26d以上。AQ3级为建筑物直接被雷击或建筑物附近处落雷时，强