供配电系统的过电压保护

第9章供配电系统的过电压保护 南京南自科技发展有限公司2006年12月制作 供配电技术 第9章供配电系统的过电压保护 9 1过电压及其分类9 2直击雷过电压的防护9 3感应雷过电压的防护9 4供配电系统的防雷保护9 5接地与接零 9 1过电压及其分类 9 1 1大气过电压大气过电压又称雷电过电压 是由于电力系统的设备或建 构 筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压 因其能量来自系统外部 故又称为外部过电压 雷电过电压有两种基本形式 直击雷过电压和感应雷过电压 9 1过电压及其分类 1 直击雷过电压雷云 雷电先导 迎雷先导 主放电阶段 余辉放电主放电电流很大 高达几百千安 但持续时间极短 一般只有50 100 s 余辉放电阶段电流较小 约几百安 持续时间约为0 03 0 15s 9 1过电压及其分类 雷电流波形雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头 wh wavehead 雷电流从幅值衰减到幅值的一半的一段波形称为波尾 wt wavetail 雷电波的陡度 用雷电流波头部分的增长速度来表示 即 9 1过电压及其分类 2 感应雷过电压所谓感应雷过电压 是指当架空线附近出现对地雷击时 在输电线路上感应的雷电过电压 9 1过电压及其分类 9 1 2内部过电压操作过电压谐振过电压 9 1过电压及其分类 限制内部过电压的措施 1 采用灭弧能力强的快速高压断路器 在断路器主触头上并联电阻 约3000 在并联电阻上串联一个辅助触头 以减少电弧重燃的次数 控制操作过电压的倍数 2 装设磁吹避雷器或氧化锌避雷器 3 对于对地电容电流大的网络 中性点经消弧线圈接地 限制电弧接地过电压 4 增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数 即增加母线对地的感抗 从而减小固有自振频率 避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压 9 2直击雷过电压的防护 9 2 1建筑物的防雷分类 1 第一类防雷建筑物因电火花而引起爆炸 会造成巨大破坏和人身伤亡者 包括制造 使用或储存炸药 火药 起爆药 化工品等大量爆炸物质的建筑物 具有气体爆炸 粉尘爆炸危险环境的建筑物 2 第二类防雷建筑物包括 国家级重点文物保护的建筑物 具有特别重要用途的建筑物 如国家级的会堂 大型火车站等 对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物 如国家级计算中心 国际通信枢纽等 具有气体爆炸危险的可能 且电火花不易引起爆炸的建筑物 工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐 年预计雷击次数大于0 06次的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物 年预计雷击次数大于0 3次的住宅 办公楼等一般性民用建筑物 9 2直击雷过电压的防护 9 2 1建筑物的防雷分类 3 第三类防雷建筑物包括 省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆 年预计雷击次数在0 012 0 06之间的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物 年预计雷击次数在0 06 0 3之间的住宅 办公楼等一般性民用建筑物 年预计雷击次数大于等于0 06的一般性工业建筑物 根据雷击后果及具体情况 确定需要防雷的火灾危险环境 在平均雷暴日大于15天 年的地区 高度在15m及以上的烟囱 水塔等孤立的高耸建筑物 在平均雷暴日小于或等于15天 年的地区 高度在20m及以上的烟囱 水塔等孤立的高耸建筑 9 2直击雷过电压的防护 9 2 2直击雷的防护装置1 避雷针及其保护范围避雷针由承受雷击的接闪器 支持构架 接地引下线和接地体四部分构成 9 2直击雷过电压的防护 1 避雷针及其保护范围所谓 滚球法 就是选择一个半径为hr 滚球半径见表9 2 1 的球体 沿需要防护直击雷的部位滚动 如果球体只接触到避雷针 线 与地面 而不触及需要保护的部位 则该部位就在避雷针 线 的保护范围之内 表9 2 1按建筑物防雷类别确定滚球半径和避雷网格尺寸 9 2直击雷过电压的防护 单支避雷针的保护范围 按下列方法确定 1 当避雷针高度h hr时距地面hr处作一与地面平行的平行线 以避雷针的针尖为圆心 hr为半径作弧线 交上述平行线于A B两点 分别以A B为圆心 hr为半径作弧线 该弧线均与针尖相交并与地面相切 由此弧线起到地面上的整个锥形空间 就是避雷针的保护范围 避雷针在被保护物高度hx水平面上的保护半径 按下式计算 9 2直击雷过电压的防护 2 当避雷针高度h hr时在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作圆心 其余保护范围的求法同h hr时 9 2直击雷过电压的防护 2 避雷线及其保护范围对于单根避雷线的保护范围 当避雷线的高度h 2hr时 无保护范围 当避雷线的高度h 2hr时 应按下列方法确定 参见图9 2 2 1 距地面hr处画一与地面平行的平行线 2 以避雷线为圆心 hr为半径作弧线 交平行线于A B两点 3 以A B为圆心 hr为半径作弧线 该两弧线相交或相切 并与地面相切 从该弧线起到地面上的空间就是其保护范围 4 当2hr h hr时 保护范围最高点的高度h0按下式计算 h0 2hr h5 避雷线在被保护物高度hx的水平面上的保护宽度 按下式计算 9 2直击雷过电压的防护 3 避雷带和避雷网避雷带和避雷网主要用来保护其所处的整幢高层建筑物免遭雷击 4 消雷器及其保护范围 1 抑制和消除上行雷 2 中和雷云电荷 3 抑制下行雷主放电电流 9 2直击雷过电压的防护 9 2 3防护雷电流反击的措施如图9 2 4所示 当雷击避雷针以后 雷电流沿接地引下线入地 在A B两点产生高电位 若避雷针与被保护物之间的空中距离Sa或它们的接地体在土壤中的距离Se不能承受A B两点的高电位 就会造成Sa或Se间隙击穿或闪络 这种现象称为反击 为了防止反击的发生 避雷针必须与被保护物之间保持一定的安全距离 9 2直击雷过电压的防护 9 2 3防护雷电流反击的措施式中h 被保护物的高度 m L0 避雷针上单位长度的电感 常取1 3 H m Rsh 避雷针的冲击接地电阻 i 雷电流 kA 从安全考虑常取幅值为150kA 雷电流陡度 kA s 若为斜角波头 且波头长为2 6 s 则最大陡度 上式可简化为 若取雷电压的电阻分量对空气间隙的击穿强度为500kV m 雷电压的电感分量对空气间隙的击穿强度为700kV m 则避雷针对被保护物不发生反击的最小安全距离工程上常取 独立避雷针的接地体与被保护物的接地体在地中也应保持一定的安全距离 同样可得 一般情况下 Sa不允许小于5m Se不应小于3m 9 3感应雷过电压的防护 9 3 1雷电冲击波沿导线的传播1 冲击波沿导线传播的基本规律雷电冲击波行进的速度只与线路导线的分布电感和导线对地的分布电容有关 电压波和电流波幅值之比的关系为 式中 L0 导线的分布电感 H m C0 导线的对地分布电容 F m Z称为波阻抗 9 3感应雷过电压的防护 波阻抗与欧姆定律的区别两者虽然形式上一样 但物理意义不同 欧姆定律反映的是直流稳态下电压和电流的关系 而波阻抗反映的是沿导线传播的冲击波电压和冲击波电流之间的动态关系 它只决定于线路导线本身的分布参数L0 C0 而与导线长度和线路终端负载的性质无关 架空线路波阻抗约为400 500 电缆线路波阻抗约为10 50 9 3感应雷过电压的防护 2 波的折射与反射如图所示 对结点A而言 根据边界能量守恒原则 任何瞬间在结点上只能呈现一个电压值和电流值 则边界方程为 9 3感应雷过电压的防护 联立方程求解 也可以用如图所示的一个集中参数等效电路表示 称之为等效集中参数定理或彼得逊规则 9 3感应雷过电压的防护 下面讨论几种特殊情况 线路末端开路时线路末端断开处可视为结点 结点后面的波阻抗Z2 则 2 1 即Urw 2Uin Uew Uin 此时线路开路末端会呈现出2Uin的电压 严重威胁绝缘安全 必须设置防雷保护 线路末端短接时线路末端短接处可视为结点 结点后面的波阻抗Z2 0 则 0 1 即Urw 0 Uew Uin 此时在进线线路上的合成波电压为零 这说明只要有良好的接地 则侵入线路的冲击波电压能迅速消失 不致造成危害 9 3感应雷过电压的防护 9 3 2避雷器1 保护间隙保护间隙又称放电间隙 是最简单的防雷保护装置 它由主间隙S1 辅助间隙S2和支持瓷瓶组成 主间隙按结构型式不同 分为棒型 环型和角型 当供电系统遭到大气过电压时 保护间隙S1作为一个薄弱环节首先击穿 并将雷电流释放到地中 辅助间隙S2的作用是为了防止主间隙被异物短路引起误动作 保护间隙构造简单 成本低廉 维护方便 但由于无专门灭孤装置 灭弧能力很差 规程规定 在具有自动重合闸的线路中和管型避雷器或阀型避雷器的参数不能满足安装地点的要求时 可以采用保护间隙 9 3感应雷过电压的防护 2 管型避雷器 播放动画 管型避雷器由产气管 内部间隙和外部间隙三部分组成 产气管由纤维 有机玻璃或塑料制成 内部间隙装在产气管内部 一个电极为棒形 另一个电极为环形 外部间隙设在避雷器和带电的导体之间 其作用是保证正常时避雷器与电网的隔离 避免纤维管受潮漏电 由于管型避雷器伏秒特性较陡 不易与变压器的伏秒特性相配合 且在动作时有气体喷出 因此 管型避雷器主要用于室外线路上 9 3感应雷过电压的防护 3 阀型避雷器阀型避雷器由装在密封磁套管中的火花间隙组和具有非线性电阻特性的阀片串联组成 9 3感应雷过电压的防护 火花间隙组是根据额定电压的不同采用若干个单间隙叠合而成 每个间隙由两个黄铜电极和一个云母垫圈组成 由于两黄铜电极间间距小 面积较大 因而电场较均匀 可得到较平缓的放电伏秒特性 图9 3 5单个平板型火花间隙1 黄铜电极 2 云母片 9 3感应雷过电压的防护 阀片是由金刚砂 SiC 和结合剂在一定的高温下烧结而成 具有良好的非线性特性和较高的通流能力 阀片的电阻值随着所加电压变化而变化 当阀片上所加电压增大时 电阻值减小 当阀片上电压减小时 电阻值增大 这样 在通过较大雷电流时 使避雷器上出现的残压不会过高 对较小的工频续流又能加以限制 为火花间隙的切断续流创造了良好的条件 由于阀型避雷器具有伏秒特性比较平缓 残压较低的特点 因此 常用来保护变电所中的电气设备 9 3感应雷过电压的防护 4 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器又称压敏避雷器 它在结构上没有火花间隙 由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成的压敏电阻片 阀片 组成 这种避雷器的阀片具有优异的非线性伏安特性 在工频电压下 阀片具有极大的电阻 呈绝缘状态 能迅速有效的阻断工频续流 因此无需火花间隙来熄灭工频电压引起的电弧 当电压超过一定值 称为起动电压 时 阀片 导通 呈低阻状态 将大电流泄入地中 当危险过电压消失以后 阀片迅速恢复高阻绝缘状态 金属氧化物避雷器具有无间隙 无续流 通流量大 残压低 体积小 重量轻等优点 因此很有发展前途 世界上许多国家都已用它取代了碳化硅阀式避雷器 9 3感应雷过电压的防护 9 3 3避雷器与被保护物绝缘的伏秒特性配合电气设备的冲击绝缘强度是用伏秒特性表示 所谓伏秒特性 即绝缘材料在不同幅值的冲击电压作用下 其冲击放电电压与对应的起始放电时间的关系 避雷器要能可靠的保护该设备 其伏秒特性必须低于被保护物的伏秒特性 并且要留有一定的间距 这样才能保证在同一冲击电压作用下 避雷器总是首先击穿对地放电 9 4供配电系统的防雷保护 9 4 1配电变压器的防雷保护在供配电系统中 常常在变压器的高压侧装设阀型避雷器作为变压器的防雷保护 对于Y Yn0接线的变压器 一般把外壳 中性点与避雷器共同接地 9 4供配电系统的防雷保护 9 4 2架空线路的防雷措施 1 架设避雷线 2 提高线路本身的绝缘水平 3 利用三角形排列的顶线兼作防雷保护线 4 加强绝缘弱点的保护 5 装设自动重合闸装置 9 4供配电系统的防雷保护 9 4 3变配电所的防雷措施1 变配电所的直击雷保护变电所内如下设备和建筑物应该有直击雷保护装置 1 屋外的配电装置 包括母线廊道 架空母线桥 软连线等 2 遭受雷击后可能引起火灾的建筑物 例如露天的油箱和油设备等建筑物以及易燃材料的仓库 3 有爆炸危险的建筑物 例如氢气设备和乙炔发生装置等 4 雷击后可能引起力学性能破坏的高大建筑物 例如烟囱 冷却塔和变压器修理间等 9 4供配电系统的防雷保护 2 35 110kV变电所的进线保护进线保护的目的在于防止线路上落雷后雷电波侵入变电所 危害变电所的配电装置 不采用全线装设避雷线的线路 可以在进线段1 2km内架设避雷线 防护直接雷击 还可以使感应雷过电压产生在1 2km以外 靠进线段本身的阻抗起限流作用 降低雷电冲击波的幅值和陡度 为了限制线路上遭受直击雷产生的高电压 该线路进线段的首端 装设一组管型避雷器F1 且其工频接地电阻应在10 以下 在靠近隔离开关或断路器QF1处装设一组管型避雷器F2 防止线路上的雷电波侵入到隔离开关或断路器开路处由于反射而形成两倍侵入波幅值的电压 损坏隔离开关或断路器 F2的外间隙应调整于正常运行时不被击穿 阀型避雷器F3保护价值高而绝缘相对薄弱的变压器 播放动画 9 4供配电系统的防雷保护 3 高压电动机的防雷保护在运行中电动机绕组的安全冲击耐压值常低于磁吹阀型避雷器的残压 因此单靠避雷器构成的高压电动机保护不够完善 必须与电容器和电缆线段等联合组成保护 当侵入波使管型避雷器F1击穿后 电缆首端的金属外皮和芯线间被电弧短路 由于雷电流频率很高和强烈的趋肤效应使雷电流沿电缆金属外皮流动 而流过电线芯线的雷电流很小 同时 由于电缆和架空线的波阻抗不同 架空线约400 500 电缆约10 50 雷电波在架空线与电缆的连接点上会发生折射与反射 雷电波侵入电缆以后 电压波幅值已经大大降低 采用F2与电容器C并联来降低母线上侵入波的波幅值和波陡度 保护中性点的绝缘 9 5接地与接零 9 5 1接地与接零的类型按接地目的和作用不同 可分为工作接地和保护接地两大类 电力系统由于运行和安全的需要 常将发电机和变压器的中性点以及避雷器 避雷针的接地端与大地连接 称为工作接地 为避免触电事故的发生 保障人身安全而将电气设备的金属外壳进行接地 称为保护接地 这种接地方式可以起到降低触电电压 迅速切断故障设备或降低电气设备对地的绝缘水平等作用 9 5接地与接零 根据保护接地的实现方式又可以分为IT系统 TN系统以及TT系统 1 IT系统在中性点不接地的三相三线制低压系统中 将电气设备正常情况下不带电的外露可导电部分 金属外壳和构架等 与接地体之间作很好的金属连接 称为IT系统 9 5接地与接零 如果电气设备的外壳未接地 当电气设备发生一相碰壳而使其外壳带电时 人体触及外壳 则电流经人体而构成通路 造成触电危险 如果设备外壳接地 则由于人体电阻远远大于接地电阻 即使人体触及外壳 流经人体的电流较小 没有多大危险 9 5接地与接零 2 TN系统TN系统适用于中性点接地的三相四线制的低压系统 该系统将电气设备的金属外壳经公共的保护线 PE线 protectiveearthing 或保护中性线 PEN线 又称零线 与系统中性点相连接地 当电气设备发生一相碰壳时 短路电流经外壳和零线构成回路 回路中相线 零线和设备外壳阻抗很小 短路电流很大 令线路上的熔断器迅速熔断 切除故障 9 5接地与接零 TN系统根据保护线与中线的组合形式分为TN C系统 TN S系统和TN C S系统 9 5接地与接零 3 TT系统TT系统适用于中性点直接接地的三相四线制系统 电气设备的金属外壳均各自单独接地 该接地点与系统接地点无关 当发生接地故障时 故障点对地电压将为110V 通过人体的电流将达0 1 0 2A 显然不能保证人身安全 因此 TT系统中应该装设漏电保护装置 9 5接地与接零 9 5 2重复接地在TN系统中 当PE线或PEN线断线且有设备发生单相碰壳时 接在断线处后面的设备外壳上出现接近于相电压的对地电压 存在触电危险 因此 为了进一步提高安全可靠性 除系统中性点进行工作接地外 还必须在以下地点重复接地 1 架空线路末端及沿线每隔1km处 2 电缆和架空线引入车间和大型建筑物处 9 5接地与接零 9 5 3接地装置1 接地装置的构成接地装置由接地体和接地线两