第六章--电力系统过电压资料.ppt

1,第六章过电压保护,2,主要内容,第一节过电压概述第二节直接雷击过电压保护第三节雷电侵入波保护第四节过电压保护设备,3,第一节过电压概述,电力系统运行中，出现危及电气设备绝缘的电压称为过电压，即在电气线路或电气设备上出现的超过正常工作要求的电压。过电压对电气设备和电力系统安全运行很危险，必须采取相应的保护措施。,4,一、过电压及其危害,为了考核电气设备的绝缘水平，规定了与电力系统额定电压对应的允许最高工作电压，一般地，电力系统的运行电压在正常情况下不会超过最高工作电压。由于雷击或电力系统中的操作、事故等原因，使某些电气设备和线路上承受的电压大大超过正常运行电压，危及设备和线路的绝缘。过电压对电力系统的安全运行有极大危害，雷击会造成人员伤亡，也会造成电力线路或设备绝缘击穿损坏，不仅中断供电，甚至引起火灾。由于电气设备运行操作不当引起的内部过电压，也会引起设备绝缘击穿损坏，造成电力系统的极大破坏。,5,雷电的危害1、雷电的热效应和机械效应遭受直接雷击的树木、电杆、房屋等，因通过强大的雷电流会产生很大的热量，但在极短的时间内又不易散发出来，所以会使金属熔化，使树木烧焦。同时由于物体的水分受高热而汽化膨胀，将产生强大的机械力而爆炸，使建筑物等遭受严重的破坏。2、雷电的磁效应在雷电流通过的周围，将有强大的电磁场产生，使附近的导体或金属结构以及电力装置中产生很高的感应电压，可达几十万伏，足以破坏一般电气设备的绝缘；在金属结构回路中，接触不良或有空隙的地方，将产生火花放电，引起爆炸或火灾。,6,二、过电压分类1、雷电过电压雷电过电压又称大气过电压或外部过电压，它是由于电力系统内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。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，对供电系统的危害极大。2、内部过电压内部过电压是由于电力系统内的开关操作、发生故障或其他原因，使系统的工作状态突然改变，从而在系统内部出现电磁振荡而引起的过电压。内部过电压又分操作过电压、谐振过电压和工频过电压等形式。其中工频过电压和谐振过电压又称为暂时过电压。内部过电压一般不会超过系统正常运行时相电压的34倍，因此对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。,三、雷电过电压1、雷云形成雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，雷电放电是由带电荷的“雷云”引起的。雷云带电原因的解释很多，一般认为，雷云是在有利的大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些局部带正电的区域。据观测，在地面上产生雷击的雷云多为负雷云。,8,2、雷电放电雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或雷云和大地之间就形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度(大气中约30kV/cm，有水滴存在时约10kV/cm)时，就会发生云间或对大地的火花放电；放出几十乃至几百千安的电流；产生强烈的光和热(放电通道温度高达15000至20000)，使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣，这就是闪电伴随雷鸣，称为雷电之故。大多数雷电放电发生在雷云之间，如果雷云较低，其附近又没有带异号电荷的其它雷云，这时，雷云就会对地放电，特别是对地面上的高大树木或高大建筑放电。,据观测，雷云对地放电大多数要重复23次。其中第一次放电过程是分级发展的(称为先导)，如图5-2所示。先导放电：雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附近地面上感应出正电荷，当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展。这一放电阶段称为先导放电。先导通道逐步发展当临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，称为迎面先导。当先导通道到达地面或与迎面先导相遇以后，形成一个高导电率的等离子体通道，使先导通道中的正、负电荷强烈吸引中和，这就是主放电阶段。第一次主放电电流最大，能达几十、上百千安，主放电时间很短，只有50100s。第一次主放电结束后，经过0.030.05s间隔时间后，沿第一次放电通路出现第二次放电。第二次放电不再分级进行而是连续发展出现主放电。,10,3、直接雷击过电压雷云对大地的放电虽然只占少数，但是一旦发生就有可纶带来严重的危险。雷云直接对电器设备或电力线路放电，雷电流流过这些设备时，在雷电流流通路径上的阻抗(包括接地电阻)上产生冲击电压，引起过电压。这种过电压称为直接雷击过电压。,11,4、雷电反击过电压雷云对电力架空线路的杆塔顶部放电，或者雷云对电力架空线路杆塔顶部的避雷线放电。这时，雷电流经杆塔入地时，在杆塔顶部和接地装置阻抗上存在电压降。因此，杆塔顶部出现高电位，这个高电位作用于线路的导线绝缘子上，如果电压足够高，有可能产生击穿，对导线放电，这种情况称为雷电反击过电压。5、雷电侵入波因直接雷击或感应雷击在输电线路导线中形成迅速流动的电荷称为雷电进行波，雷电进行波对前进道路上的电气设备构成威胁，因此又称为雷电侵入波。最大的威胁是：当雷电侵入波前行时，如遇到处于分闸状态的线路开关，或者来到变压器线圈尾端中性点处，则会产生进行波的全反射。这个反射与侵入波迭加，过电压增高一倍，极容易造成击穿事故。,12,6、感应雷击过电压架空线路在附近出现对地雷击时极易产生感应过电压。当雷云出现在架空线路上方时，线路上由于静电感应而积聚大量异性的束缚电荷，当雷云对地或其他雷云放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷，向线路两端泄放，形成电位很高的过电压波，对供电系统危害也很大。如下图所示。,13,雷电的有关名词概念(1)雷电流的幅值和陡度雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流，它的幅值是指流入雷击点的电流达到的最高值，陡度是指雷电流随时间上升的变化率，雷电流的陡度越大，产生的过电压越高。(2)年平均雷暴日数凡有雷电活动的日子，包括看到雷闪和听到雷声，都称为雷暴日。年平均雷暴日数不超过15天的地区，称为少雷区；超过40天的地区，称为多雷区。,四、内部过电压1、工频过电压一般由线路空载、单相接地或三相系统中发生不对称故障时引起。特点：持续时间可能较长，数值不很大，危害较小。2、谐振过电压电路中当容性电抗和感性电抗大小接近相等时，将产生谐振过电压。为了防止发生谐振过电压事故，对10kV供电的用户变电所要求电压互感器组采用VV接线。3、操作过电压由于操作或事故，使设备运行状态发生改变，而引起相关设备的电场能量和磁场能量相互转换，可能引起振荡，从而产生过电压。如果电路中电阻较大，能起较好的阻尼作用，则扬荡时能量消耗快，电流电压迅速衰减进入稳态，过电压会较快消失。,15,容易发生操作过电压的常见操作有：切、合高电压空载长线路；切、合空载变压器；切、合电容器；开断高压电动机等。断路器灭弧能力不够强，在开断时触头间发生电弧重燃容易引起操作过电压。对于感性负载设备来说，如果开关设备的灭弧能力特别强，则可能引起截流过电压。开断空载变压器和开断高压电动机都有可能出现截流过电压。空载长线路在合闸时，线路的电感、电容要经历一个高频振荡过程，也可能引起过电压。在中性点不接地系统中发生单相不稳定电弧接地时，接地点的电弧间隙性的熄灭和重燃，则在电网健全相和故障相都可能产生过电压。通常，称为电弧接地过电压。,16,第二节直接雷击过电压保护,为了防止设备免受直接雷击，通常采用装设避雷针或避雷线的措施，避雷针、避雷线高于被保护物，其作用是将雷电吸引到避雷针、避雷线本身上来，并安全地将雷电流引入大地，从而保护了设备。,17,一、单支避雷针的保护范围,18,按下式计算：,式中，p的计算如下：,例：某厂锅炉房烟囱高40m，烟囱上安装一支高2m的避雷针，锅炉房（属第三类防雷建筑物）尺寸如图，试问此避雷针能否保护锅炉房。解：由题，避雷针顶端高度h=40+2=42m，hx=8m，根据公式得避雷针保护半径为：,19,解法二：查表9-2得滚球半径hr=60m，而避雷针顶端高度h=40+2=42m，hx=8m，根据公式得避雷针保护半径为：,现锅炉房在hx=8m高度上最远屋角距离避雷针的水平距离为：,21,由此可见，烟囱上的避雷针能保护锅炉房。,22,二、双支等高避雷针保护范围,23,两针外侧的保护范围可按单针计算方法确定，两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定，O点的高度按下式计算：,截面中高度为hx的水平面上保护范围的一侧宽度可按下式计算：,24,三、两支不等高避雷针其保护范围按下法确定，两针内侧的保护范围先按单针作出高针1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一假想针的顶点，作出两等高针2和3的保护范围。两针外侧的保护范围仍按单针计算。,25,五、单根避雷线的保护范围,26,六、双根避雷线保护范围,27,两不等高避雷线的保护范围可按两不等高避雷针的保护范围的确定原则求得。,外侧的保护范围应按单线计算，两线横截面的保护范围可以通过两线1、2点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧所确定，O点的高应按下式计算。,28,第三节雷电侵入波防护对雷电侵入波的过电压保护主要措施有：变电所进线段保护、变电所母线装设阀型避雷器、主变压器中性点装设阀型避雷器、与架空线路直接连接的电力电缆终端处装设阀型避雷器等。,一、输电线路的防雷,雷击暴露在空气中的架空输电线路有四种可能：雷击线路附近地面；雷击塔顶及塔顶附近避雷线；雷击档距中央的避雷线；雷击导线。输电线路防雷的任务是：采用技术上与经济上的合理措施，使系统雷害降低到运行部门能够接受的程度，保证系统安全可靠运行。一般采用下列措施，也称为输电线路防雷的“四道防线”1、防止雷直击导线沿线架设避雷线，有时也装避雷针与其配合，有时也可改用电缆线路。,29,2、防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络输电线路的闪络指雷击塔顶或避雷线时，使塔顶电位升高，这样原来认为接地的杆塔却具有高电位，有可能对导线放电，使过电压加到导线上。3、防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧当绝缘子串发生闪络后，应尽量使它不转化为工频电弧，因为如果工频电弧建立不了，线路则不会跳闸。降低建弧率的措施有：适当增加绝缘子片数，减少绝缘子串上工频电场强度，电网中采用不接地或经消弧相劝接地方式，防止建立稳定的工频电弧。,30,4、防止线路中断供电可采用自动重合闸，或双回路、环网供电等措施，即使线路跳闸，也能不中断供电。架空线路的防雷措施有：,31,架设避雷线。这是线路防雷的最有效措施，但成本很高，只有66kV及以上线路才沿全线装设。提高线路本身的绝缘水平。利用三角形排列的顶线兼做防雷保护线。加强对绝缘薄弱点的保护。采用自动重合闸装置。绝缘子铁脚接地。,二、变配电所的防雷保护,1.防直击雷独立避雷针与被保护物之间应保持一定的空间距离So，如图。独立避雷针应装设独立的接地装置，其接地体与被保护物的接地体之间也应保持一定的地中距离SE，如图。独立避雷针及其接地装置不应设在人员经常出入的地方。,32,33,2.进线防雷保护35kV电力线路在变电所进线12km段内装设避雷线防止直接雷击。避雷线两端处装设管形避雷器。,F1、F2管形避雷器；F3阀形管形避雷器,310kV配电装置（或电力变压器）的每组母线上装设站用阀型避雷器一组；在每路架空进线也装设配电线路用阀型避雷器一组。35kV110kV架空送电线路，如果未沿全线架设避雷线，则应在变电所1km2km的进线段架设避雷线。35kV110kV线路如果有电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设阀型避雷器，其接地端与电缆的金属外皮连接。连接进线电缆段的1km架空线路，应装设避雷线。,34,35,凡正常处于分闸状态的高压进出线，必须在断路器（或隔离开关）的断口外侧（线路端）加装避雷器或保护间隙。对于配电线路，如果线路上有正常处于分闸状态的分段开关，则在开关两侧也都应装设避雷器或保护间隙。3.变电所母线防雷保护3kV10kV变电所应在每组母线和架空进线上都装设阀型避雷器。35kV及以上变电所具有架空进线的每组母线上都必须装设避雷器。避雷器与主变压器及其他被保护电气设备的电气距离应不超过有关规程的要求。,4.变压器中性点防雷保护1)中性点直接接地系统中，中性点不接地的变压器，如变压器中性点的绝缘按线电压设计，但变电所为单进线且为单台变压器运行，则中性点应装设防雷保护装置；如变压器中性点的绝缘没有按线电压设计，则无论进线多少，均应装设防雷保护装置。2)中性点小接地电流系统中的变压器，一般不装设中性点防雷保护装置；但多雷区单进线变电所宜装设防雷保护装置；中性点接有消弧线圈的变压器，如有单进线运行可能，也应在中性点装设中性点防雷保护装置。变电所内所有阀型避雷器应以最短的接地线与主接地网连接，同时应在其附近装设集中接地装置。,5.配电变压器防雷保护1)3kV10kV配电变压器应装设阀型避雷器保护。避雷器尽量靠近变压器，接地线与变压器低压侧中性点以及金属外壳连在一起。2)35kV0.4kV配电变压器其高低压侧均应装设阀型避雷器保护，以防止低压侧雷电侵入波击穿高压侧绝缘。3kV10kV配电变压器，如为Y、yn接线，宜在低压侧也装设一组阀型避雷器。,38,T电力变压器F阀形避雷器,三绕组变压器只要在任一相低压绕组直接出口处对地加装一个避雷器即可，双绕组变压器，两侧都有避雷器保护。,39,三.高压电动机的防雷保护高压电动机对雷电侵入波的防护，采用FCD型磁吹阀型避雷器或采用具有串联间隙的金属氧化物避雷器，并尽可能靠近电动机安装。对于定子绕组中性点能引出的高压电动机，就在中性点装设避雷器。,40,四.建筑物的防雷保护（1）建筑物防雷分类及防雷要求第一类防雷建筑，应有防直接雷、感应雷和雷电侵入波措施。第二类防雷建筑，应有防直接雷和雷电侵入波措施，有爆炸危险的也应有防感应雷措施。第三类建筑物，应有防直接雷和雷电侵入波措施。（2）建筑物防雷措施：防直击雷；防感应雷；防雷电侵入波,42,第四节过电压保护设备,一、接闪器接闪器：专门用来接受直接雷击的金属物体。有避雷针、避雷线、避雷网。1、避雷针避雷针一般采用镀锌圆钢或镀锌钢管制成。它通常安装在电杆(支柱)或构架、建筑物上，它的下端要经引下线与接地装置连接。避雷针实质上是引雷针，它把雷电流引入地下，从而保护了线路、设备及建筑物等。,43,2、避雷线避雷线（又称为架空地线）：一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线，架设在架空电力线路的上方，避雷线的功能和原理与避雷针基本相同。3、避雷带和避雷网避雷带和避雷网主要用来保护建筑物特别是高层建筑物免遭直击雷和感应雷。,二、避雷器避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。避雷器的类型主要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等几种。保护间隙和管型避雷器主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段的保护。阀型避雷器用于变电所和发电厂的保护。,44,1、保护间隙与管型避雷器保护间隙由两个电极（即主间隙和辅助间隙）组成，常用的角型间隙及其与保护设备相并联的接线如图所示：,45,46,固定在绝缘子上的电极一端和带电体相连，另一个电极则通过辅助间隙与接地装置相连，辅助间隙的作用，主要是防止主间隙因鸟、树杈等造成短路时，不致引起线路接地。正常运行时，间隙对地是绝缘的，当架空电力线路遭受雷击时，间隙的空气被击穿，将雷电流泄入大地，使线路绝缘子或其他电气设备的绝缘上不致发生闪络，起到保护作用。,47,48,a)双支柱瓷瓶单间隙b)单支柱瓷瓶单间隙C)双支柱瓷瓶双间隙,管型避雷器实质上是一种具有较高熄弧能力的保护间隙，原理结构见图：,49,1-产气管，2-内部电极，3-外部电极，s1-内部间隙，s2-外部间隙,50,2阀型避雷器阀型避雷器分普通型和磁吹型两类，基本元件为间隙和非线性电阻，间隙和非线性电阻元件（又称阀片）相串联。如图所示：,阀式避雷器的组成部件及特性,a)单元火花间隙b)阀片c)阀电阻特性曲线,普通阀型避雷器主要由火花间隙和金刚砂阀性电阻盘（阀片）串联组成，阀片的电阻随电压增加而减小。工作原理：正常运行时，由于火花间隙组具有足够的对地绝缘强度，而不会被工频电压击穿，阀片电阻盘不会有