《过电压及绝缘》PPT课件.ppt

4 9过电压及绝缘 考试大纲9 1了解电力系统过电压的种类9 2了解雷电过电压的特性9 3了解接地和接地电阻 接触电压和跨步电压的基本概念9 4了解氧化锌避雷器的基本特性9 5了解避雷针 避雷线保护范围的确定 9 1电力系统过电压的种类 电力系统内部的过电压主要有 1 工频过电压 由于电网运行方式的突然改变 引起某些电网工频电压的升高 2 操作过电压 由于电网内开关操作引起的过电压 3 谐振过电压 由系统电感和电容组成的谐振回路引起的过电压 9 1 1工频过电压 工频电压升高包括 1 突然甩负荷引起的工频电压升高 2 空载线路末端的电压升高 3 发电机自励磁 4 系统不对称短路时的电压升高 9 1 1工频过电压 1 突然甩负荷引起的工频电压升高 1 发电机电枢反应的变化引起的工频电压升高一般系统所带的是感性负荷 感性负荷的电流对发电机起去磁的电枢反应 当系统突然甩掉负荷时 这个去磁的电枢反应也随之消失 但根据磁链守恒原理 穿过励磁绕组的磁通来不及变化 故发电机端电压将升高到 同时 甩掉感性负荷的长线路呈容性 容性的电流又对发电机起助磁的电枢反应 9 1 1工频过电压 线路上的电压将为 式中 线路的等值容抗 同步发电机纵轴暂态电抗 变压器的短路电抗 对于110 220kV或更低电压的线路 电压约上升20 30 对超高压远距离的输电线路 其末端电压能达到更高的数值 9 1 1工频过电压 2 发电机转速上升引起的工频电压升高发电机突然甩负荷后 由于发电机的调速器及调压器来不及起作用 发电机的转速将要上升 而电压几乎随着转速的上升成正比增加 设表示以发电机额定转速为基准值的标么转速 则线路工频电压的升高为 对汽轮机 值平均为1 1 1 15 对水轮机 为1 2 1 3 相应的工频电压升高约为10 15 及20 30 9 1 1工频过电压 母线及输电线上的电压 由于突然甩负荷 可达额定值的1 2 1 3倍 当线路电容较大时 此值还可能更高 这种电压上升时间约为几分之一秒 但实际上受机组调压器 调速器以及变压器 发电机磁饱和的限制 实际电压上升视具体情况而定 9 1 1工频过电压 2 空载线路末端的电压升高线路越长 电感 电容越大 线路常数越小 空载线路末端电压也就越高 这也就是常说的长线路的电容效应 导则 规定 线路末端电压不能超过系统额定电压的1 15倍 持续时间不应大于20min 因此 在给线路充电时 必须估算可能产生的过电压 当可能产生的过电压超过允许值时 要采取相应措施 特别对500kV线路 连同电抗器一起充电 是限制其末端电压升高的有效手段 9 1 1工频过电压 3 发电机的自励磁电力系统中 水轮发电机正常运行时 其电抗在之间呈周期变化 在异步运行时 无论水轮发电机或汽轮机发电机 它们的电抗在之间周期变化 变化频率均为工频的二倍 如发电机带有空载线路 其容抗参数与发电机感抗配合得当就可能引起参数共振 此时发电机励磁电流很小 甚至为零 发电机端电压和电流幅值也会急剧上升 这种现象称为发电机自励磁 在各种电压等级的电网中 都可能产生自励磁过电压 9 1 1工频过电压 4 不对称短路时的电压升高在发生不对称短路时 非故障相电压将升高 9 1 2操作过电压 常见的操作过电压有 1 切除空载线路引起的过电压 2 切除空载变压器的过电压 3 电弧接地过电压 4 电感性负载的拉闸过电压 5 空载线路合闸时的过电压 9 1 2操作过电压 1 切除空载线路时的过电压切断空载线路或并联电容器组时 可能引起电感 电容回路振荡过程 引起过电压 产生电弧重燃 引起电气设备的多次绝缘闪络或击穿事故 用开关切除空载线路时 可能在线路或母线侧出现危险的过电压 在工频条件下 由于 空载线路表现为一个等值的电容负荷 所以切除空载长线时产生的过电压与切除电容器组时产生的过电压性质完全相同 9 1 2操作过电压 2 切除空载变压器引起的过电压切除空载变压器是电网中常见的一种操作形式 在正常运行的情况下 空载变压器表现为一个励磁电感 它的漏感较小得多 可以忽略 因此切除空载变压器也即是切除电感负载 切除电动机 电抗器时 开关中的电感电流突然被切断 电感中储存的电能将在被切除的电器和开关上引起过电压 9 1 2操作过电压 3 弧光接地过电压在中性点不接地系统中发生单相接地故障时 各相的相电压升高 则流过故障点的接地电流也随着增加 许多暂时性的单相弧光接地故障往往能自行熄灭 在接地电流不大的系统中 不会产生稳定的电弧 这种间歇性的电弧引起系统运行方式瞬息变化 导致多次重复性电磁振荡 在无故障相和故障相上产生严重的弧光过电压 9 1 2操作过电压 4 电感性负载的拉闸过电压当切除电感性负载时 由于断路器强制熄弧 随着电感电流的遮断 电感中的磁能将转为静电能 出现过电压 9 1 2操作过电压 5 空载线路的合闸过电压系统在合闸初瞬间的暂态过程中 电源电压通过系统的电感和电容 在回路中会发生谐振 因起过电压 9 1 3谐振过电压 电力系统中具有许多非线性铁心电感元件 它们和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路 可能激发起持续时间较长的铁磁谐振过电压 铁磁谐振过电压 可以是基波谐振 可以是高次谐波谐振 也可以是分次谐波谐振 铁磁谐振过电压可以在3 500kV的任何系统中甚至在有载长线的情况下发生 过电压幅值一般不超过1 5 2 5倍的系统最高运行相电压 个别可达3 5倍 谐振过电压持续时间可达十分之几秒以上 不能用避雷器限制 铁磁谐振过电压表现形式可能是单相 两相或三相对地电压升高 或以低频摆动 或产生高值零序电压分量 9 1 3谐振过电压 常见的发生铁磁谐振过电压的情况有 1 各相不对称断开时的过电压 2 配在中性点绝缘系统中 电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压 3 开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过电压 4 传递过电压 9 1 3谐振过电压 1 各相不对称断开时的过电压线路只断开一相或两相的情况叫作不对称断开 当线路末端接有中性点绝缘的空载或轻载变压器时 不对称断开可能引起铁磁谐振过电压 若变压器中性点直接接地 则不会产生此种类型的过电压 9 1 3谐振过电压 2 在中性点绝缘系统中 电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压电压互感器通常接在变电所或发电机的母线上 其一次侧绕组接成星形 中性点直接接地 因此各相对地励磁电感与导线对地电容之间各自组成独立的振荡回路 并可看成是对地的三相负荷 在正常运行条件下 三相对地负荷是平衡的 电网的中性点处在零电位 当电网发生冲击扰动时 可能使一相或两相的对地电压瞬间提高 使得相互感器的励磁电流突然增大而发生炮和 其等值励磁电感相应减小 这样 三相对地负荷变成不平衡了 中性点就发生位移电压 结果可能使一相对地电压升高 另外两相则降低 也可能使两相对地电压升高 另一相降低 一般后者常见 这就是基波谱振的表现形式 9 1 3谐振过电压 3 开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过电压当母线较短 且接有电磁式电压互感器 母线在空载充电状态下 当线路开关跳闸 线路上的电源电压作用于开关的断口并联电容和电压互感器上 由于系统电源中性点是直接接地的 PT也是三相分立中性点直接接地的 网络在正常运行条件下 和并联于系统电源 回路是稳定的 当断路器断开后 断口的均压电容和PT的电感构成了铁磁谐振回路条件 9 1 3谐振过电压 4 传递过电压电网中发生不对称接地故障 开关非全相或不同期动作时 网内将出现零序电压和三相电流不对称 通过电容的静电耦合和电感的电磁耦合 对于相邻的送电线路之间或变压器绕组之间会产生电压的传递现象 当系统接有电压互感器等铁磁元件时 还可能构成串联谐振回路 产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压 9 2 1雷电放电过程 放电开始时 微弱发光通道以107 108cm s的平均速度以断续脉冲形式向地面伸长 这一阶段称为先导放电 当先导到达地面或与迎面先导会合后 就开始从地面向雷云发展的主放电阶段 在主放电阶段中 雷云与大地之间所聚焦的大量电荷发生强烈 中和 放出能量 发出强烈的闪光和震耳的雷鸣 主放电持续时间约为50 s 100 s 随后进入持续时间为0 05s 0 15s的间歇阶段 雷云中的残余电荷经原先的主放电通道向地面传播 形成余辉阶段 在第一次放电过程完成之后 还可能发生第二次或随后多次的放电 这是因为雷云中存在着多个空间电荷聚焦中心 9 2 2雷电参数 1 雷电日与雷电小时为了表示不同地区雷电活动的频繁程度 通常利用每年平均雷电日为计量单位 雷电日的定义是在一天内只要听到雷声 一次或一次以上 就算一个雷电日 在不同年份观测到的雷电日数变化较大 一般是取多年的平均值 即年平均雷电日 我国把年平均雷电日不超过15的地区叫做少雷区 超过15但不超过40地区叫中雷区 超过40不超过90地区叫多雷区 超过90及根据运行经验雷害特殊重地区的叫强雷区 9 2 2雷电参数 2 地面落雷密度雷云对地放电的频繁程度 用地面落雷密度表示 其定义是每个雷电日每平方公里上的年平均落雷次数 式中 年平均密度 次 km2 a 年平均雷暴日 d a 9 2 3雷电流与雷电过电压的近似表示 对于单极性的雷电流和雷电暂态过电压脉冲波形 通常采用幅值 波头时间和波长时间等三个参数加以描述 对于振荡型波形 还要附加上主振频率这个参数 9 2 3雷电流与雷电过电压的近似表示 1 雷电流幅值的累积概率对于年平均雷电日大于20的地区 我国传统采用以下经验公式来表示雷电流幅值累积概率 4 9 7 式中 雷电流幅值 kA 表示雷电流幅值超过的概率 9 2 3雷电流与雷电过电压的近似表示 2 波头时间先由纵轴上的0 1 0 9和1 0三个刻度分别作三条平行于横轴的平行线 前两条平行线分别与波形曲线的波头部分相交于A B两点 过A B两点作一条直线 该直线波头与波长时间定义的作图方法示意与第三条平行线和横轴分别交于C D两点 由C点引横轴的垂线 其垂足E点与D点之间的时间即定义为波头时间 用表示 9 2 3雷电流与雷电过电压的近似表示 为了定义波长时间 再由纵轴上0 5刻度作横轴的平行线 该平行线与波形曲线的波尾部分相交于F点 从F点引横轴的垂线 其垂足G点与D点之间的时间即定义为波长时间 用表示 由波头与波长时间定义的作图方法示意于波长时间也是波形曲线衰减到半幅值所需要的时间 它习惯上也被称为半幅值时间 9 2 4感应过电压 1 静电感应当线路或设备附近发生雷云放电时 虽然雷电流没有直接击中线路或设备 但在导线上会感应出大量的和雷云极性相反的束缚电荷 当雷云对大地上其他目标放电后 雷云中所带电荷迅速消失 导线上的感应电荷就会失去雷云电荷的束缚而成为自由电荷 并以光速向导线两端急速涌去 从而出现过电压 称为静电感应过电压 一般由雷电引起局部地区感应过电压 在架空线路可达300 400kV 在低压架空线路上可达100kV 在通信线路上可达40 60kV 9 2 4感应过电压 2 电磁感应由于雷电流有极大的峰值和陡度 在它周围有强大的变化电磁场 处在此电磁场中的导体会感应出极大的电动势 使有气隙的导体之间放电 产生火花 引起火灾 由雷电引起的静电感应和电磁感应统称为感应雷 又叫二次雷 解决的办法是将建筑物的金属屋顶 建筑物内的大型金属物品等 做良好的接地处理 使感应电荷能迅速流向大地 防止在缺口处形成高电压和放电火花 9 2 5直击雷过电压 带电的雷云与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象 称作直击雷 当雷云通过线路或电气设备放电时 放电瞬间线路或电气设备将流过数十万安的巨大雷电流 此电流以光速向线路两端涌去 大量电荷将使线路发生很高的过电压 势必将绝缘薄弱处击穿而将雷电流导入大地 这种过电压为直击雷过电压 直击雷电流 在短时间内以脉冲的形式通过 的峰值有几十千安 甚至上百千安 雷电流的峰值时间 从雷电流上升到1 2峰值开始 到下降到1 2峰值为止的时间间隔 通常有几微秒到几十微秒 防止直击雷的措施主要采取避雷针 避雷带 避雷线 避雷网作为接闪器 把雷电流接受下来 通过接地引下线和接地装置 将雷电流迅速而安全送到大地 9 2 6雷电波的侵入 雷电波的侵入主要是指直击雷或感应雷从输电线路 通信光缆 无线天线等金属的引入线引入建筑物内 发生闪击和雷击事故 由于直击雷在建筑物或建筑物附近入地 通过接地网入地时 接地网上会有数十千伏到数百千伏的高电位 这些高电位可以通过系统中的N线 保护接地线或通信系统的地线 以波的形式传入室内 沿着导线的传播方向扩大范围 防止雷电波侵入的主要措施是在输电线路等能够引起雷电波侵入的设备 在进入建筑物前装设避雷器保护装置 它可以将雷电高电压限制在一定的范围内 保证用电设备不被高电压冲击击穿 9 3 1接地 地 通常将距接地体或接地短路点20米以外 电位等于零的地方 称为电气上的 地 或 大地 对地电压 电气设备的接地部分 如接地体 接地的外壳等 与零电位的 大地 之间的电位差 称为电气设备接地部分的对地电压 或称接地装置的电位 接地 指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地相连 使该物体或节点与大地保持等电位 9 3 2接地电阻 接地点处的电位与接地电流的比值定义为该点的接地电阻 4 9 10 当接地电流为定值时 接地电阻愈小 则电位愈低 反之则愈高 此时地面上的接地物体 例如变压器外壳 也具有了电位 埋入地中的金属接地体称为接地体 最简单的接地体就是单独的金属管 金属板或金属带 由于金属的电阻率远小于土壤电阻率 所以接地体本身的电阻在接地电阻中可以忽略不计 9 3 3接触电压和跨步电压 1 接触电压当电气设备发生接地故障 接地电流流过接地体向大地流散时 大地表面形成分布电位 在地面上离设备水平距离为0 8米处与沿设备外壳离地面垂直距离1 8米处两点之间的电位差 称为接触电势 人站在发生接地故障的电气设备旁边 手触及设备的外露可导电部分 则人所接触的两点 如手与脚 之间所呈现的电位差 称为接触电压 9 3 3接触电压和跨步电压 2 跨步电压在故障设备周围的地面上 水平距离为0 8米的两点间的电位差 称为跨步电势 人在接地故障点周围行走 两脚之间 人的跨步一般按0 8米计算 所呈现的电位差 称为跨步电压 考虑到人脚下的土壤电阻 所以接触电压和跨步电压 应小于接触电势和跨步电势 9 4氧化锌避雷器 1 理想的非线性伏安特性ZnO的伏安特性如图所示 可分为小电流区 非线性区和饱和区 在1mA以下的区域为小电流区 非线性系数较高 在0 2左右 电流在1mA到3kA范围内 避雷器的伏安特性通常为非线性区 值在0 02 0 05左右 电流大于3kA 一般进入饱和区 随电压的增加电流增长不快 9 4氧化锌避雷器 2 氧化锌的优点 1 无间隙 在工作电压作用下 ZnO实际上相当一绝缘体 工作电压不会使阀片烧坏 可以不用串联间隙来隔离工作电压 2 无续流 当作用在阀片上电压超过某一值时 将发生 导通 其后 ZnO阀片上的残压受其良好的非线性特性所控制 当系统电压降至起始动作电压以下时 ZnO的 导通 状态终止 相当于一绝缘体 不存在工频续流 也可使用于直流输电系统 3 电气设备所受过电压可以降低 ZnO避雷器在整个过电压过程中都有电流流过 降低了作用在变电站电气设备上的过电压 4 通流容量大 ZnO避雷器的通流容量较大 可以用来限制内部过电压 9 4氧化锌避雷器 3 基本特性起始动作电压又称转折电压 从这一点开始 电流将随电压升高而迅速增加 也即其非线性系数将迅速进入0 02 0 05的区域 通常是以1mA下的电压作为起始动作电压 其值约为最大允许工作电压峰值的105 115 压比是指氧化锌避雷器通过大电流时的残压与通过1mA直流电流时电压之比 例如10kA压比是指通过冲击电流10kA时的残压与1mA 直流 时电压之比 压比越小 意味着通过大电流时之残压越低 则ZnO避雷器的保护性能越好 目前 此值约为1 6 2 0 9 4氧化锌避雷器 4 应用氧化锌避雷器在电压等级较低时 如110kV及以下 大部分是采用无间隙 对于超高压避雷器或带大幅度降低压比时 则采用并联或串联间隙的方法 为了降低大电流时的残压而又不加大阀片在正常运行中的电压负担以减轻氧化锌阀片的老化 往往也采用并联或串联间隙的方法 9 5 1避雷针的保护范围 避雷针主要是对雷电场产生一附加电场 由于雷云对避雷针产生静电感应引起 使雷电场畸变 从而将雷云放电的通路由原来可能向被保护物体发展的方向 吸引到避雷针本身 经引下线到接地装置 使被保护物免受直接雷击 避雷针主要用于保护建筑物 露天配电装置 输配电线路 防止直击雷产生过电压 9 5 1避雷针的保护范围 1 单支避雷针在一定高度的避雷针下面 有一个安全区域 在这个区域中的物体基本上不致遭受雷击 故称为避雷针的保护范围 单支避雷针保护范围可以用滚球法求得 其形状