第9章 过电压及其保护.doc

山西大同大学煤炭工程学院讲义第9章 过电压及其保护电力系统过电压分类:大气过电压,内部过电压;大气过电压(外部过电压):雷击线路产生瞬间系统电压升高; 内部过电压:断路器的操作、线路故障、其他原因使系统参数发生变化,引起电网内部电磁能量的转化,或传递所造成的电压升高.主要包括操作过电压和谐振过电压; 操作过电压:系统故障,或操作断路器引起系统电压暂态升高,持续时间较短; 谐振过电压:因系统电感和电容参数配合不当,出现各种持续时间很长的谐振现象和电压升高.9.1 大气过电压对供电系统的影响大气过电压:由于大气中雷电的影响而产生的对电气设备(如发电机、变压器、送电线路、绝缘子、母线等)绝缘有危害的电压升高.9.1.1 大气过电压对供电系统的侵袭与防雷保护大气过电压:雷云直接对地面的建筑物放电(直接雷击过电压),或对电气设备附近的物体放电而在电气设备上引起过电压(感应过电压);雷云形成的三个基本条件: 空气中有足够的水蒸气; 潮湿的空气能够上升并开始凝结为水珠; 气流能够强烈持久地上升.1.直击雷过电压天空中密集的云块团因流动而产生摩擦,从而带有负电荷或正电荷,形成雷云.因静电感应作用,在雷云下面的大地将感应出异性电荷,二者形成一巨大电容器,当雷云附近的电场强度达到2530kV/cm时,空气开始游离,形成导电性的通道,叫先导放电通道.雷云对大地放电,形成一段先导通路,称雷电先导;当雷电先导达到离地面约100300m时,大地感应的异性电荷更加集中,特别易于聚集在较为突起部分或较高的地面,形成迎雷先导;当雷电先导与迎雷先导接触时,气隙被强电场瞬时击穿,电荷发生强烈中和,出现极大的电流并发出声和光,就是主放电阶段,电流可达数十万安,电压达数百万伏,时间约50100s;主放电结束后,雷云中的残余电荷继续经放电通道入地,称为余晖放电阶段.放电电流不大于数百安,持续时间约为0.030.05s.图9.1 图9.1 雷云放电三个阶段雷电电流波形示意图雷电的特点:电压高,电流大,释放时间短,破坏性大;2.感应雷过电压雷云携带大量的电荷,将产生静电场.静电感应,将在架空线相应的位置上积累大量的异性束缚电荷,图9.2 图9.2 架空线上的感应过电压的形成(a)线路上感应束缚电荷;(b)雷云放电后的感应冲击当雷云在架空线附近对地放电量,特别是主放电阶段,放电电流大,放电速度快,在放电通道周围产生很强空间变化磁场,使导线上产生很高的感应电压,主放电阶段结束,线路上的束缚电荷释放而形成自由电荷,以电磁波的速度向导线两边流动,形成雷电流,从而在线路上感应冲击波,使所到之处电压升高,即为感应过电压; 感应过电压幅值一般小于300kV,个别可达500600kV.通常用避雷器保护;3.雷电冲击波的基本特性雷电流是一种冲击波,其大小由雷电流的幅值和波头的陡度来确定.一般幅值和最大陡度都出现在波头部分,故防雷设计只考虑波头部分;波头:雷电流由零增长至最大幅值的这一部分.通常只有14s; 波尾:电流幅值下降的部分,长达数十微秒,这种波的形状称为半余波.图9.3. 图9.3 雷电冲击波 (a)雷电流波形;(b)电流幅值与雷电流陡度关系雷电流数学表达式: (9.1)雷电流陡度:在波头部分,电流对时间的变化率,且 (9.2) 陡度的数值,开始时很快增加,最大值对半余波来说在1/2处,以后逐渐减小,当雷电流的幅值达到最大时,; 为了简化计算,在工程设计中也可取用斜角波头(虚线部分)计算;4.雷电冲击波沿导线的传播(1)行波的概念雷电行波:当输电线路受到雷击时,输电线上有雷电冲击波沿导线两侧流动,称为行波;无损线路:雷电冲击波沿导线传播时,其传播速度受线路参数的影响,起主要作用的是线路电感和对地电容,而线路电阻和对地电导很小,忽略不计.称为无损线路;均匀无损线路:当输电线路单位长度上电感,电容都相等时,称为均匀无损线路.图9.4. 图9.4 均匀无损线路分布参数示意图 ,可按下式计算: (9.3) (9.4)-真空的磁导率,;-真空的介质系数度,;-介质的相对磁导率,对空气和电缆;-介质的相对介质系数,对空气,对电缆;-为导线的平均高度,m;D-为导线的直径,m. 等效回路中长度为的线路电感为,电容为.如果从左侧加电压冲击波左侧的第1个电容立即充电,第2个电容及后面的电容受到各个电感的影响,电压并不能立即升高,有一定的延时.电容距离起始点越远,冲击波到达的时间越晚,这样冲击波就在线路上以一定速度传播开,从而形成了行波; 假设在t=0时把斜角波雷电流加在无限长导线的左端A点,则在任一时间t,电流沿导线的分布,如图9.5; 图9.5 冲击波电流加于无限长导线上电流沿导线的分布 B点电位为零,从A到B的电感为,其上的电压降就是A点电位,即 (9.5) 同时,A点的电位与A点段对地电容上储藏的电荷量有关.设单位长度导线上的电荷为,则在A处段上的电荷为,根据电压、电容量和电荷量之间的一般关系,得 (9.6)而 (9.7)代入上式 (9.8)与式(9.5)比较 (9.9)-冲击波传播速度,也就是波头在单位时间内推进的距离; 将式(9.3)和式(9.4)代入式(9.9),并将架空线的参数代入,得 (9.10) 架空线的电流波和电压波沿架空线传播的速度和光速相同;将电缆线路的有关参数代入,得 (9.11) 电缆中行波速度只是架空线的1/2(因为电缆介质系数大、电容存大、充电时间长). 将和代入式(9.5),得 故 (9.12) 称为导线的波阻抗.架空线,电缆的约为架空线的1/10; 波阻抗反映了沿导线传播的电压冲击波和电流冲击波之间的动态关系,它只决定于线路的分布参数,而与导线的长度及终端负荷性质无关.(2)波的折射与反射行波在行进过程中,遇到线路波阻抗改变,如由架空线进入电缆、电抗器、变压器、线路开关、短路、经接地装置入地等情况,地结点处都会使行波的电场和磁场能量重新分配,其中沿线路继续前进的一部分称为入射波,向波源方向返回的部分,称为反射波.将整理,得 (9.13) 式(9.13)左边单位长度线路中电场储的能量,右边是单位长度线路中磁场储的能量,即冲击波沿无损导线传播时,沿导线单位长空间储存的磁能恰好等于单位长空间中储存的电能. 冲击波在沿导线传播过程中遇到结点(波阻抗改变)时,会发生折射和反射.图9.6. 图9.6 不同波阻抗时导线行波的变化(a)行波;(b)行波的折射和反射假设冲击波沿导线由左向右传播为正方向,则沿波阻抗为的导线正方向传播的冲击波称为前行波,遇到结点A后,继续沿波阻抗为的导线正方向传播的冲击波称为折射波,而沿波阻抗为的导线反方向传播的冲击波称为反射波. 根据分界能量守恒的原则,结点处在任何瞬间只能有一个电压值和电流值.即 (9.14)联立求解,得 (9.15) 式(9.15)可用1个集中参数的等效线路代表,称为等效集中参数定理.其内容为:当流动波流过导线时,为计算结点电压和结点电流,可以用集中参数电路代替,电路中电源电动势取前行波电压的两倍(),行波所流过通道的波阻抗为电源的内阻. 图9.7 雷电冲击波于地面的情况(a)示意图;(b)等效电路 由图可知: (9.16) 为射系数; 因为 所以 (9.17) -反射系数; (9.18) (9.19)下面讨论几种特殊条件: 当时,折射系数,反射系数,即经过A点行波仍然按原来幅值前行.这说明A点前后是同一条导线; 当,相当于导线在A点开路,此时折射系数,同时,形成电压波全反射,使A点电压增大到行波电压的2倍.而电流波形成负的全反射,使A点电流为零,图9.8. 图9.8 时行波的折射 当时,相当于导线在A点接地,此时,即,电流波形成正的全反射,使折射电流增加到行波的2倍(即),电压波形成负的全反射,使A点电压为零.图9.9. 图9.9 时行波的折射5.输电线的防雷措施(1)架设避雷线架设避雷线,是110kV及以上电压等级线路的基本防雷措施;主要作用是减少雷直击导线;架设避雷线,当雷击塔顶时,避雷线上的分流降低了塔顶电位,通过对导线的耦合作用,进一步降低了绝缘子串上承受的电压;避雷线对导线的屏蔽效应降低了导线感应过电压;为了降低正常运行时避雷线中感应电流的功率损耗和利用避雷线兼作高频通道,常将避雷线通过一小间隙接地,这样,只有在雷击过电压使间隙绝缘击穿时才使避雷线接地;(2)降低杆塔接地电阻通常是提高杆塔耐雷水平;在电阻率的土壤中,杆塔接地电阻容易降低,投资不多;要高土壤电阻率的地区,采用多根放射形或连续升长接地体和采用有效的降阻剂等措施来降低接地电阻.线路杆塔的工频接地电阻,表9.1表9.1 线路杆塔的工频接地电阻土壤电阻率/()1001005005001000100020002000接地电阻/1015202530(3)增设耦合接地高阻地区在降低接地电阻有困难的线段,可以在导线之下再增设一条耦合地线(它具有分流、对导线的耦合、降低导线上的感应过电压作用);(4)采用消弧线圈接地方式对处于雷电活动强烈而接地电阻又不易降低的山区110154kV电网,如有可能尽量采用消弧线圈接地的运行方式(这样,可使雷击引起的单相闪络由于消弧线圈的作用而大部分被消除,可使雷击跳闸率降低1/3);(5)提高绝缘水平大跨越高杆塔线段的雷击过电压高于一般线段.为降低跳闸率,要加大跨越挡距和导线与避雷线的间距,增强绝缘子串的片数;(6)装设自动重合闸线路绝缘的自恢复性,能使它在雷击造成线路跳闸后能很快自行消除故障,因此安装自动重合闸装置,对迅速恢复线路供电有良好效果.9.1.2 变电站防雷变电站雷害来源: 雷直击变电站的导线和电气设备时产生的直击雷过电压; 变电站避雷针(线)遭受雷击时产生的感应过电压和反击过电压; 沿导线传来入侵雷电波.1.对直击雷的防护变电站对直击雷的防护是装设避雷针(线),将进线杆塔和室外电气设备全部置于避雷针(线)的保护范围内;避雷针的作用是引雷当雷电先导发展到一定高度(定向)时,避雷针影响雷电先导的发展方向,将其引导到避雷针(线)上,使雷电击向避雷针(线),将雷电流泻入大地;避雷针的保护范围,以其能防护直击雷的空间来表示,采用“滚球法”来确定;滚球法:选择一个半径为的滚球,沿需要防护直击雷的部分滚动,如果球体只触及接闪器或接闪器和地面,而不触及需要保护的部位时,则该部位就在这个接闪器的保护范围之内;建筑物防雷类别 第一类建筑物的防雷凡存放爆炸性物品,或在正常情况下能形成爆炸性混合物,因火花而爆炸的建筑物,会造成巨大破坏和人身伤亡的称为第一类建筑物; 第一类建筑物就装设独立避雷针(或消雷器),防止直击雷; 接地的冲击电阻应小于 第二类建筑物的防雷 重要的或人员密集的大型建筑物为第二类建筑物; 防雷措施与第一类建筑物相同,可采用装设避雷针和避雷带两种混合方式防直击雷; 第三类建筑物的防雷 凡不属于第一、二类建筑物,又需要作防雷保护的建筑物称第三类建筑物; 应有防直击雷、感应雷、防雷电波入侵的措施,在技术上没前两类要求高.避雷针接闪器,用来接受直接雷击的金属物体;避雷针,接闪器的金属杆;避雷针的作用,保护露天变配电设备及建筑物; 接闪器的金属线称为避雷线或架空地线,主要用于保护输电线路;接闪器的金属带、金属网称为避雷带、避雷网,主要用于保护建筑物.它们都是利用其高出被保护物的凸出地位,把雷电引向自身,然后通过引下线和接地装置把雷电流泄放到大地,使被保护的线路、设备、建筑物免受雷击.滚球半径是按建筑物防雷类别确定.表9.2表9.2 各类防雷建筑物的滚球半径和避雷网尺寸建筑物防雷类别滚球半径 /m避雷网格尺寸第一类防雷建筑物305m5m或6m4m第二类防雷建筑物4510m10m或12m8m第三类防雷建筑物6020m20m或24m16m(1)单只避雷针的保护范围 图9.10 单支避雷针的保护范围避雷针高度为时: 距地面处,作一平行于地面的平行线; 以避雷针的针尖为圆心,为半径,作弧线交平行于A、B两点; 以A、B为圆心,为半径作弧线,该弧线与针尖相交,并与地面相切.由此弧线起到地面为止的整个锥形空间,就是单支避雷针的保护范围. 避雷针在被保护物高度的平面上的保护半径: (9.20) 避雷针在地面上的保护半径: (9.21) -滚球半径，由表9.2确定;圆的方程:,圆心,半径证明: 将点(圆心)的坐标代入圆的方程,得 将点(避雷针尖)的坐标代入式得 将点坐标代入式,得 将式代入式得 证毕当避雷针高度(滚球半径),在避雷针上取高度(滚球半径)的一点代替避雷针的针尖作为圆心,余下的作法与避雷针高度时相同.式与式中的用代入.避雷针高度再增加,保护范围也不会扩大避雷针的保护范围计算,参见GB50057-1994【例】某厂锅炉房烟囟高40m,烟囱上安装一支2m的避雷针,锅炉房(属第三类防雷建筑物)尺寸如图9.11.试问此避雷针能否保护锅炉房. 图9.11解:查表第三类防雷建筑物,滚球半径取,避雷针顶端的高度,锅炉房高度(被保护物).避雷针保护半径: 锅炉房顶,在高度上,最远一角距离避雷针的水平距离: 通过(2)两支避雷针保护范围两支等高避雷针的保护范围.图9.12 图9.12 两支等高避雷针保护范围在避雷针高度的情况下,两支避雷针之间的距离:时,应按单支避雷针保护范围计算;时,按图9.12的方法确定;AEBC外侧的保护范围,按照单只避雷针的方法确定.即 两支避雷针之间C、E两点位于两针的垂直平分线上,在地面每侧的最小保护宽度为: (9.22)在AOB轴线上,距中心线任一距离x处,在保护范围上边线上的保护高度: (9.23) 该保护范围上边线是以中心线距地面的一点为圆心,以及为半径,所作的圆弧.两针间AEBC内的保护范围ACO,BCO,BEO,AEO部分的保护范围确定方法相同;以ACO为例.在任一保护高度和C点所处的垂直平面上,以作为假相的避雷针,按单只避雷针的方法逐点确定.图9.12的I-I剖面; 确定立面平面上的保护范围以单支避雷针的保护半径为半径,以A、B为圆心作弧线与四边形AEBC相交;以单支避雷针的为半径,以E,C为圆心作弧线与上述弧线相接.图中虚线;(3)两支不等高避雷针的保护范围计算 图9.13 两支不等高避雷针的保护范围在,分别小于或等于的情况下,当 时,避雷针的保护范围计算,按单支规定的方法计算;当时,计算方法: 外侧的保护范围,按照单支避雷针的方法确定; 线或线的位置计算: (9.24)证明: 证毕 在地面上每侧最小保护范围: (9.25) 在AOB轴线上,A、B间保护范围上边线: (9.26) -距CE线或线的距离; 该保护范围上边线,是以线上距地面的一点为圆心,以为半径,所作的圆弧. 两针间AEBC内的保护范围,ACO与AEO对称,BCO与BEO对称.ACO部分的保护范围按以下方法确定: 在和C点所处的垂直平面上,以作为假相的避雷针,按单支避雷针的方法确定; 确定AEO,BCO,BEO部分的保护范围的方法与ACO部分相同; 确定平面上保护范围截面的方法与双支等高避雷针相同.(4)四支等高避雷针的保护范围当矩形布置的4支等高避雷针:高度,时,其保护范围应按双支等高避雷针的方法确定; 高度,时,按图9.14,保护范围确定:图9.14 四支等高避雷针的保护范围 4支避雷针的外侧,各按两支避雷针的方法确定; B,E避雷针连线上的保护范围(1-1剖面),外侧部分按单支避雷针的方法确定. 两针间的保护范围按以下方法确定:以B,E两避雷针针尖为圆心,为半径作弧线交于O点,以O点为圆心,为半径作圆弧,与针尖相连的这段圆弧,即为针间保护范围.保护范围最低点的高度: (9.27) 2-2剖面图的保护范围: 以P点垂直线上距地面高度为的O点为圆心,为半径作圆弧,与B、C和A、E两支避雷针所作出在剖面图的外侧保护范围延长圆弧相交于F、H点,F点(H点与此类同)的位置及高度: (9.28) (9.29) 3-3剖面保护范围的方法步步骤同2-2剖面; 确定4支等高避雷针中间在至之间于高度的平面上保护范围截面的方法: 以P点为圆心,为半径作圆或圆弧,与各双支避雷针外侧所作的保护范围截面组成该保护范围.图中虚线. 证明: 圆的方程;参见图2-2剖面.取圆心坐标点,得方程;将线与弧的交点代入,得证毕对于比较大的保护范围,采用单支避雷针,由于保护范围并不随避雷针的高度成正比例增大,所以大大增大避雷针的高度,导致安装困难,投资大,在这种情况下采用双支避雷针或多支避雷针.(5)避雷线保护范围单根避雷线保护范围 图9.15 单根架空避雷线的保护范围 (a);(b)当避雷线的高度时,无保护范围;当避雷线的高度时,保护范围按图9.15确定. 确定架空避雷线的高度时,应计及弧垂的影响.在无法确定弧垂的情况下,当等高支柱间的距离小于120m时,架空避雷线中点的弧垂宜采用2m;距离为120150m时,宜采用3m; 距地面处作一平行于地面的平行线; 以避雷线为圆心,为半径,作弧线交于平行线的A、B两点; 以A,B为圆心,为半径作弧线,该两弧线相交或相切并与地面相切.从该弧线起到地面止就是保护范围; 当小于且大于时,保护范围最高点的高度为: (9.30) 证明: ,参见图9.15a.设圆心为:,则圆的方程: 将坐标点代入,求的a为:; 直角三角形: 将式代入式得 ,整理得 式的根: ,取 证毕 避雷线在高度的平面上的保护宽度: (9.31)-避雷线的高度,m;-滚球半径,按表9.2确定; -被保护物的高度,m. 避雷线两端的保护范围,按单支避雷针的方法确定;两根等高避雷线的保护范围在避雷线高度,时,各按单根避雷线所规定的方法确定;在避雷线高度,时,按下列方法确定.图9.16. 图9.16 两根等高避雷线在时的保护范围 两根避雷线的外侧,各按单根避雷线的方法确定; 两根避雷线之间的保护范围按以下方法确定: 以A,B两避雷线为圆心,为半径作圆弧交于O点,以O点为圆心, 为半径作圆弧交于A,B点; 两避雷线之间保护范围最低点的高度为 (9.32) 避雷线两端的保护范围按双支避雷针的方法确定,但在中线上 线的内移位置按以下方法确定(参见1-1剖面).以双支避雷针所确定的保护范围中点最低点的高度作为假想避雷针,将其保护范围的延长弧线与线交于E点.内移位置的距离也可按下式计算: (9.33) 在避雷线高度,避雷线之间的距离时,按下列方法确定.图9.17 图9.17 两根等高避雷线在高度时的保护范围 距地面处作一与地面平行的线; 以避雷线A,B为圆心,为半径作弧线相交于O点,并与平行线相交于C,E点; 以O点为圆心,为半径,作弧线交于A,B; 以C,E为圆心, 为半径,作弧线交于A,B并与地面相切; 两避雷线之间保护范围最低点的高度: (9.34) 最小保护范围宽度: (9.35) 避雷线两端的保护范围,按双支高度的避雷针确定,但在中线上线的内移位置按图1-1剖面确定:以双支高度的避雷针所确定的中点保护范围最低点的高度()作为假想避雷针,将其保护范围的延长线与线交于F点.内移位置的距离也可按下式计算: (9.36)(6)滚球法各图书中所画的地面也可以是位于建筑物上的金属物、其他接闪器.当接闪器在“地面上保护范围的截面”的外周线触及接地金属物、其他接闪器时,各图的保护范围均适用这些接闪器.(7)单独的避雷针受到雷击时,在接闪器、引下线、接地体上都产生很高的电位,如果避雷针与附近设施的距离不够,二者之间便会放电,产生反击过电压.反击过电压:在雷击时,避雷针向被保护物产生放电现象; 为防止避雷针产生反击过电压,要求避雷针与被保护物之间有一定的距离.图9.18. 图9.18 独立避雷针与被保护物的最小距离 图中A点电压: (9.37)-独立避雷针的冲击接地电阻,;,-接地电阻,-接地体的冲击系数;-避雷针单位长度上的电感,;-避雷针从A点到地面的高度.m. 如果通过避雷针的雷电流为斜角波头,其电流幅值为150kA,波头长度为2.6,取避雷针单位长度上的电感为,代入上式得: (9.38) 由于电位的电感的电压降只存在于斜角波的2.6内,其时间短,所以取空气平均击穿电压为750kV/m.接地电阻上的电压降却存在于雷电波的整个整个持续时间,约几十微秒,所以取空气平均击穿电压为500kV/m.可求出不产生避雷针向被保护物反击的空间距离: (9.39) 规程规定不小于5m. 雷击避雷针还产生感应过电压.图9.19 图9.19 感应过电压原理 当雷电流击中避雷针时,在避雷针周围产生强大突变的电磁场,处在这一电磁场中的金属导体(如金属管路)会感应出电动势,从而使间隙ab产生火化放电; 即使未形成间隙,如果接触不良,也会产生局部发热,这对存放易燃、易爆物的建筑物是比较危险的. 解决办法:将互相靠近的金属物体很好地连接起来.如果条件允许可适当增大.2.对入侵雷电波的防护变电所的主变压器,防护入侵波的主要装置是避雷器;避雷器的选择,必须使其伏安特性的上限低于变压器伏安特性的下限,并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度.但是它们的数值都必须小于冲击波的幅值,以保证入侵波能够受到避雷器放电的限制;避雷器尽量安装在电气上靠近主变压器的地方(因为距离越远,变压器上过电压幅值就越大,所以规定了变压器与避雷器之间的最大允许距离);设避雷器与变压器之间的安装距离为,图9.20.有陡度为的行波流向避雷器,其值为,波速为,假定波头到达避雷器A点时为起始时间(t=0),则行波由避雷器传到变压器的时间为; 图9.20 避雷器与主变压器的安装距离 当时,A点的电压随行波的到来,以a的陡度上升,避雷器上的电压幅值为; 当时,行波波头到达变压器B点处,由于该点处近似开路,行波在变压器入口处产生全反射,使B点处电压为前行波与反射波的叠加,作用于变压器上的电压是行波电压的2倍,即,陡度为;当时,反射波到达A点,与原来的波叠加,使避雷器上的电压,陡度为; 设时,避雷器上的电压达到放电电压,开始放电,于是限制了的继续上升,基本变为平直线,避雷器放电的效果经时间才能达到B点,这时变压器处的电压仍以陡度上升,幅值为,变压器比避雷器处的电压高出,即 (9.40) 由式(9.40)可知,变压器承受的电压与避雷器和变压器之间的距离成正比,变压器与避雷器之间的最大保护距离为 (9.41) 变压器与避雷器的保护距离随行波陡度的减小而增大; 变电站出线回路多,或线路没有避雷线,都将使a降低,使保护距离增大.3.对进线段的防护对于全线无避雷线的35kV变电所进线,当雷击于附近架空线时,冲击波的陡度会超过变电所电气设备绝缘所允许的程度,流过避雷器的电流也会超过5kA,这是不允许的;35110kV变电所,靠近变电所12km进线段上装设避雷线.图9.21 图9.21 35110kV全线无避雷线的进线段防雷保护接线 只有保护段外发生雷击时,才会有入侵波; 由于进线段本身阻抗的作用,流过避雷器电流幅值将得到限制,而沿导线的行波陡度a也将由于冲击电晕作用而降低; 避雷线长为12km,行波在线段中往返一次需要6.713.3,此时雷电波已经过避雷器,故不考虑反射波的作用; 管式避雷器:对一般线路,无需装设管式避雷器.但是当线路的耐冲击绝缘水平特别高(如木杆线路,钢筋混凝土杆,木横担,降压运行的线路),致使变电所中阀型避雷器通过雷电流可能达5kA时,需要装设管型避雷器,并使处的接地电阻尽量降低到1以下; 管式避雷器:断路器或隔离开关在雷季可能经常断开而线路侧又带有电压时,为避免雷电波在开路末端产生反射过电压,应装设管式避雷器(因为当行波在开路处上升为行波幅值的2倍时,将使开关电器的绝缘支座对地放电,在线路带电的情况下引起工频短路,烧坏支座,故应装设管式避雷器);外间隙整定应满足,既能在开关断开时能够可靠工作以保护高压电气设备,又能在开关合上时不误动作; 阀型避雷器:避免变压器的分布电容与线路的电感,经放电后的形成振荡回路,危及变压器的绝缘; 距离变压器和电压互感器的最大电气距离不宜大于10m.9.2内部过电压及其保护内部过电压:由于电力系统内部状态变化而产生的过电压.内部过电压分类:由操作开关引起的操作过电压;由接地间歇性电弧产生的弧光接在过电压;由系统中电感、电容构成振荡回路而出现的谐振过电压;操作:断路器的正常合闸/分闸,事故时断路器跳闸;操作的结果是,该处的阻抗参数在某时刻发生突变;电力系统中的操作过,使电网的运行状态突然变化,导致系统内部电感和电容之间的电磁能量相互转换,造成振荡,因而在某些设备或局部电网上出现过电压;常见的操作过电压:切断小电感电流负载,开断电容性负载,接通空载长线路;1.切断小电感性负载产生的过电压切断小电感性负载:如切除空载变压器、电动机等;断路器灭弧能力一般是按照切断大电流设计的,其灭弧能力强;在切断小电感性负载时,使电流在未过零前强制熄弧而造成截流,设备的电感和电容中储存的能量相互转换而形成电磁振荡.由于对地杂散电容较小,当全部能量转换为电场能时,就会产生过电压;图9.22是切除空载变压器的等效值电路. 图9.22 切除空载变压器的等值电路 -变压器绕组对地电容;-变压器的激磁电感 在工频时,电容的阻抗比电感的阻抗大的多,流过的电流可略去不计,流过断路器的电流就是变压器激磁电流; 当断路器断开,并在时强迫灭弧,其截流值为,上的电压为,截流后变压器激磁绕组电感中储存的磁场能量为,中存储的电场能量为,故在变压器的LC振荡回路中共储有能量.振荡角频率,振荡过程中的过电压为 (9.42) -为变压器阻抗, 得过电压的复值 (9.43) 若断路器在激磁电流最大时产生截流,此时,电容上电压,最大过电压为 (9.44) 从能量关系上也可看出,在LC振荡回路中,当全部磁场能转换为电能时,电容电压达到最大值为 (9.45) 得 (9.46)2.断开电容性负载产生的过电压电容性负载:电容器、电缆、空载长线路等;断路器断开电容性设备的过程中,若断口上的恢复电压上升速度超过其介质强度上升速度,即会造成断路器开断时电弧重燃.此时,若断口两端电压极性相反,加之电源继续供给能量,则会使振荡充分发展,产生过电压;合闸空载长线路时,由于线路的残余电压与电源电压极性相反,会导致振荡过程的加剧.同时,空载长线路的电容效应使合闸空载长线路时产生的过电压可能达到额定电压的3倍.由于电网结构不同,其操作过电压的幅值也不尽相同.在中性点不接地电网中,随着电网电压等级的升高,合闸空载长线路产生的过电压更加突出;开断空载长线路的等值电路,图9.23. 图9.23 开断空载长线路的等值电路(a)空载长线路的T型等值电路;(b)振荡回路等值电路L-线路电感;C-线路对地电容;QF-断路器当QF发生电弧重燃时,LC组成的振荡回路,振荡频率比工频商出很多,在讨论振荡过程中出现过电压时,电源电压可视为不变,此时的交流电源可用一直流电动势替代.如图b.最不利的合闸情况,工频相电压为最大值时,电路合闸时的方程: ,(C上的充电电流) (9.47) (9.48)解得 (9.50) -为振荡电路角频率; 根据初始条件确定积分常数A,B. 当时,对式(9.50)微分,得 (9.51) 代入式(9.50),得 要使时,式(9.50)成立,必须 振荡过程中电容C上的电压方程: (9.52) 当时,电容C上的过电压最高,且 (9.53)开断电容性电路时,电弧重燃的次数越多,产生的过电压越高解决办法:灭弧能力强、断口介质强度恢复电压高的断路器.如真空断路器、六氟化硫断路器等,减少电弧重燃途径,抑制过电压产生; 也可在断路器断口设置并联电阻,起阻尼作用,防止电弧重燃;图9.24 图9.24 在断路器主断口设置并联电阻 1-主断口;2-辅助断口;R-并联电阻 当断路器并联电阻的主断口先断开时,线路电容上的残存电荷经并联电阻向电源排放,排放电流在电阻R上的压降即断路器主断口上的恢复电压.只要R选择合适,就可降低主断口和辅助断口的恢复电压,防止电弧重燃.即使发生重燃,由于R的阻尼作用,也可使过电压幅值降低.R通常取10003000.3.电弧接地过电压电弧接地产生过电压,出现在中性点不接地的电网;在中性点不接地系统(小电流接地系统)中,当发生单相接地故障,接地电流大于10A时,电弧难以自行熄灭.而这种接地电容电流又不足以形成稳定的电弧,出现电弧时燃时灭(间歇性)电弧,使电网中的电感、电容回路产生电磁振荡,产生遍及全电网的电弧接地过电压;小电流接地系统中发生单相接地时,可允许带故障运行不超2h.此段时间内,电弧可能多次重燃、熄灭,使线路对地电容上的电荷多次重新分配,并与电感形成振荡,形成过电压.电弧接地产生过电压,幅值一般为额定电压的3.5倍可能发展成为相间短路;电弧接地产生过电压原理,图9.25 图9.25 小电流接地系统电弧接地过电压产生的原理(a)接线图;(b)等值振荡回路;(c)相量图 图a中,A相在电压为峰值时接地并产生电弧,变压器和线路电感L与对地电容C构成串联振荡回路. 在产生电弧前的瞬间,上的电压为(-0.5),产生电弧后的瞬间,B、C相对地电压为(-1.5),等值振荡回路及相量图b,图c; 根据等值回路和式(9.53)得,A相第一次产生电弧时非故障相的过电压为 (9.54) 高频振荡电流在第一次过零时电弧熄灭,此时,上的电荷量均为(-2.5),总的电荷量在三相对地电容上衙新分布,并与电源电压叠加,其结果使各相电容对地有一直流电位; 如果A相第一次熄弧后,经过工频半周(即A相电压达到-)电弧又重燃,重燃前瞬间, ,上对地电压为 (9.55)A相重燃后,B、C相对地电压上升到1.5,产生高频振荡,此时非故障相B,C的过电压为 (9.56) 当接地电弧不断的熄灭、重燃时,在非故障和故障相均可能出现较高的过电压;电弧接地过电压的大小与产生电弧时工频电压的相位角有关,也与电弧燃烧时间的长短有关.如果电弧在经过几个高频振荡周期后熄灭,则由于线路有损耗,使振荡衰减,从而降低了过电压的倍数;线间电容大小对过电压也有影响.图9.26. 图9.26 线间电容的大小对过电压的影响 在A相对地发弧的瞬间,与并联,与并联,因而造成电容电荷的重新分布故障相电压的起始值出现一个增量(一般情况,635kV线路,)非故障相上电压的起始值与稳定值的差变小,过电压降低;消除电弧接地的有效措施是中性占直接接地,当发生单相接地时,产生大的接地电流,使保护装置动作,切除故障;对不宜采用中性点直接接地的供电系统,可采用经消弧线圈接地,当发生单相接地时,消弧线圈电感电流与线路对地电容电流同时流经故障点,使接地电流减小到不能产生电弧的程度,因而消除电弧过电压;4.谐振过电压电力系统中的电感和电容等储能元件,可能形成多种不同的谐振回路,并在一定条件下产生不同类型的谐振,出现谐振过电压;谐振常属于稳态性质,持续时间比操作过电压长,可以稳定的存在,直到进行新的操作破坏了原回路的谐振条件为止.这种过电压的严重性在于其幅值的大小和持续时间的长短,它不仅危害设备的绝缘,而且产生大的零序电压分量,出现虚假接地现象和不正确的接地指示,在电压互感器产生持续的过电流,引起熔断器烧坏或互感器烧坏,并能使小的异步电动机反转.9.3 变电所的保护接地9.3.1 变电站保护接地的作用1.保护接地的作用保护接地作用:保障系统安全、可靠运行,保障人身及设备的安全;变电站接地:防雷接地、工作接地、保护接地; 防雷接地:将强大的雷电流引入大地,消除过电压对设备的危害; 工作接地:为了满足系统运行方式的需要,保证电力或电子设备在正常或事故情况下能可靠工作而设的接地; 保护接地:防止设备因绝缘损坏造成不该带电的部分带电,从而危及人身安全而设的接地. 几种接地形式.图9.27 图9.27 变电站的几种接地形式 (a),(b)工作接地;(c)保护接地;(d)共同接地;(e)重复接地保护接地的作用.图9.28 图9.28 保护接地的作用(a)无保护接地;(b)有保护接地 图a,运行中的设备一相绝缘击穿外壳带电(设备底座与大地的接触电阻较大)人触及设备外壳接地电流通过人体、电网与大地间的分布电容构成回路人有生命危险; 图b,装有保护接地,人体电阻与接地电阻并联,通过人身的电流只是接地电流的一部分,接地电阻越小,流过人身的电流越小; 由于地中自然电场和人工电场的影响,设备接地处的电位常常不为0,当有电流流过接地体流入地中时,设备地处的电位会相当高.在大电流接地系统中,接地电位可能达到2000V及以上.在雷击时,接地体的瞬时电位可能达到数十万伏.由于接地体的电位升高,会使设备受到反