电力系统大气过电压及保护.ppt

1、第三讲 电力系统大气过电压及保护,主要内容,1 雷电放电过程及雷电参数 2 防雷保护装置 3 输电线路的防雷保护 4 发电厂和变电所的防雷保护 5 变压器的防雷保护 6 直配电机的防雷保护,1 雷电放电过程及雷电参数,1 雷电放电过程及雷电参数,雷电是自然中最宏伟壮观的现象也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。 早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质。例如著名的风筝实验，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种大气火花放电现象的秘密。 随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。,Lightn

2、ing Protection of Buildings,雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。,从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方是： 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。,雷电放电的过程,水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云的底部大多是带负电荷，在地面上感应出大

3、量的负电荷。 带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了强大的电场。,雷云中的电荷分布,当空间电场强度超过大气电离的放电的临界电场强度时，就会发生云间或对大地的火花放电。 放电通道的电流可达几十或几百千安。,雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电,雷电放电的基本过程,1先导放电通道；2强电离区；3主放电通道,流经物体的电流波与被击 物体的波阻抗有关 当Zj=0时，流经被击物体 的电流定义为雷电流,2,流经被击物体的电流：,彼德逊法则,研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0 雷电流波：,雷电流

4、通道的波阻抗Z0的数值通常取为300欧,2、雷击时计算雷电流的等值电路,雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放；从电源性质来看，这相当于一个电流源的作用过程； 雷电放电的物理过程虽然很复杂，但从地面感受到的实际效果和防雷保护实际工程角度，可以把它看成是一个沿者固定波阻抗的雷电通道向地面传播电磁波的过程。可依据此建立计算模型。 在雷电放电的过程中，人们能够测知的电量，是雷击地面时流过被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推雷电波的电流。,注意理解：,若：ZZ0时，iZiL,国际上都习惯把雷击于低接地阻抗（Z 0或30欧姆）物体时，流过该物体的电流称为雷电流。 应特别注意：定义中的雷电流iZ

5、恰好等于沿雷电通道传播而来的雷电流波 的两倍。 因此，在防雷保护计算的彼德逊等值电路中，等值电流源通常直接用电流源来表示，如图5.3。,研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0 雷电流波：,2,彼德逊法则,雷击大地时的电流：,为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的 在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日Td或一个雷电小时Th 由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值年平均雷电日,1、雷暴日及雷暴小时,雷电参数,雷暴日与该地区所在纬度、当地

6、气象条件、地形地貌有关,若一般高度的线路的等值受雷面的宽度为10h(h为线路平均高度(m)，则输电线路年平均遭受雷击的次数：,单位：次/100公里年,我国规程规定，对Td=40的地区，取 次/平方公里.雷电日,地面落雷密度：指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里雷电日）,2、地面落雷密度和输电线路落雷次数,主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷电通道传播到雷击点的波过程。,雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷电通道波阻抗。我国有关规程建议取,3、雷电通道的波阻抗,4、雷电的极性 负极性雷击均占7590%，对设

7、备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。,5、雷电流的幅值,通常定义雷电流为雷IL击于低阻接地电阻(30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即,一般地区，雷电流幅值超过 I的概率可按下式计算,6、雷电流的波前时间、陡度及波长 雷电流的波前时间T1处于14s的范围内，平均为2.6s。波长T2处于20100s的范围内，多数为40s左右。 我国防雷设计采用2.6/50s的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50s,雷电流波前的平均陡度为,(kA/s),7、雷电流的计算波形,在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形,1、双指数波,2、斜角波,

8、3、斜角平顶波,4、半余弦波,5.1 雷电放电过程及雷电参数 5.2 防雷保护装置 5.3 输电线路的防雷保护 5.4 发电厂和变电所的防雷保护 5.5 变压器的防雷保护 5.6 直配电机的防雷保护,2 防雷保护装置,避雷针和避雷线 避雷器 防雷接地,现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。,避雷针 保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地从而使被保护物体免遭雷击,避雷针和避雷线,避雷针

9、保护范围,h 30m， P1 30m h 120m， h 避雷针高度 P 高度修正系数 hx - 被保护物的高度 rx - 保护范围,避雷针保护范围,单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的近似锥体的空间。,保护范围：由模拟试验确定。它只有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完全不受保护。 绕击率：雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象，规程推荐的保护范围是对应0.1%绕击率而言。 避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击。,避雷线 作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所 保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半

10、个圆锥体空间 在架空输电线路上多采用保护角来表示避雷线的保护程度 保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角， 越小，雷击导线的概率越小，对导线的屏蔽保护越可靠,避雷线保护范围,因此单根避雷线的保护半径要比单根避雷针的保护半径小。,避雷线保护范围,对避雷器的基本技术要求 过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，这需要由两者的伏秒特性的配合来保护。 避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在某次过零时的工频续流，使系统恢复正常。,避雷器,避雷器的作用是限制过电压。它的保护原理与避雷针不同。它实质上是一个放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电

11、，从而限制过电压的发展，从而保护了其它电气设备免遭击穿损坏。 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。,1. 保护间隙与管型避雷器,保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。,缺点： 伏秒特性很陡； 保护间隙没有专门的灭弧装置 产生大幅值的截波,应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。,应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变电所、发电厂的进线段保护中。,管型避雷器实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接一只外火花间隙。,缺点： 工频续流太

12、小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂； 伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似，维护较麻烦；,变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备绝缘水平的基础。,结构：主要由火花间隙1及与之串联的工作电阻2（阀片）两大部分组成。,2.阀型避雷器,火花间隙： 结构特点； 电压分布（并联电阻并联在火花间隙上，起均压作用）； 作用 隔离工作电压，避免电阻阀片长期流过电流； 伏秒特性平坦，易与被保护设备伏秒特性配合； 工频续流电弧被分割成许多短弧，使电弧容易熄灭。,电阻阀片： 阀片电阻的伏安特性 u=Ci ；（ ：非线性系数） 作

13、用 避免出现对绝缘不利的截波； 限制工频续流以利于熄弧； 限制作用于被保护设备上的冲击电压。,基本元件,特点： 对工作电阻（阀片）的首位要求是它应具有良好的非线性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小，让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工频电流下，阻值要变大，限制工频续流，以利于电弧熄灭。,避雷器的相关参数和术语 额定电压：指正常工作时加在避雷器上的工频工作电压 灭弧电压：指保证避雷器能够在工频续流第一次经过零值时灭弧条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压。 残压：雷电流流过避雷器产生的电压峰值。我国规定流过避雷器的雷电流大小为5kA（330kV及以上为10kA）的残压作为设计依据。 工频

14、续流：过电压消失后，由工作电压产生的工频电弧电流； 通流容量：避雷器耐受通过电流的能力；,氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。,3.金属氧化物避雷器,小电流区域,非线性区域,饱和区域,特点： 取消了火花间隙，结构非常简单； 伏安特性平坦，保护性能好；（ ：0.010.04） 无续流，作动作负载轻，重复动作能力强； 通流容量大； 耐污性能好,1. 接地,电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。接地是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经常保持等电位。,电力系统的接地分为三类：,工作接地：根据系统正常运行要求设置。如三相系

15、统的中性点接地，其作用是稳定电网的对地电位，以降低电气设备的绝缘水平。（0.5-10） 保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用（1-10） 防雷接地：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压（1-30）,防雷接地,2、接地电阻,接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。,冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲击系数。,当雷电流流过接地装置时，接地体和土壤所呈现的响应不同于工频响应，即冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻 火花效应和电感效应,i的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。,接触电

16、压(U1)：站立点与接地设备之间的电压（1.8m高， 0.8m水平距离 ）； 跨步电压(U2)：人的两脚之间的电位差（ 0.8m水平距离 ） 。 流过人体电流危险值（10mA）,大地并不是理想导体，具有一定的电阻率。因此，在外界的作用下若内部一旦有电流，大地也就不再保持等电位。 当地面上被强制流进的电流从一点注入时，进入大地的电流将以电流场的形式向周围远处扩散。,3、接地装置： 埋于地下的一组人工接地导体，其功用是减小接地电阻，以降低雷电流通过避雷针（线）或避雷器时的过电压。 垂直接地体 水平接地体 接地网,输电线路的防雷接地：在每一基杆塔下一般都有接地装置，并通过引线与避雷线相连，其目的是使

17、击中避雷线的雷电流流过较低的接地电阻而进入大地； 发电厂和变电站的防雷接地：根据安全和工作接地要求敷设一个同统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷接地的要求。,小结,电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接雷击防护装置。 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。 变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。 ZnO具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向，正在逐步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。 防雷接地装置可以是单独的，也可以与变电所、发电厂的总接地网连成一体。防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。,主要内容,1 雷电放电过程及雷电

18、参数 2 防雷保护装置 3 输电线路的防雷保护 4 发电厂和变电所的防雷保护 5 变压器的防雷保护 6 直配电机的防雷保护,3 输电线路的防雷保护,电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等各个环节。,3 输电线路的防雷保护,输电线路耐雷性能的若干指标 输电线路的感应雷过电压 输电线路直击雷过电压,输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施效果在工程上用耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。 每100km线路的年落雷次数N 次/(100km.年) 为地面落雷密度； b 为两根避雷线之间的距离； h 为避雷线的平均对地高度； Td 为雷暴日数,输电线路耐雷性能的若干指标,耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于

19、发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。 我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见下表：,耐雷水平,雷击跳闸率是指折算为统一条件（规定每年40个雷电日和100km的线路长度）下，因雷击而引起的线路跳闸的次数。单位为“次/(100km40雷暴日)”。,雷击跳闸的过程： 雷电流超过了线路的耐雷水平，就会引起冲击闪络，只有冲击闪络之后并转化为稳定的工频电弧，才会引起线路跳闸。 由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率(),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压梯度有关。可由下式求得,雷击跳闸率,线路雷害事故发展过程及防护措施 只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电

20、事故。,输电线路防雷措施 防止雷直击导线 防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 防止线路中断供电,雷击输电线路过电压分类： 感应雷过电压、直击雷过电压,雷击线路附近大地时，由于电磁感应在导线上产生的过电压。,雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压,感应雷,直击雷,（1） 感应雷过电压的产生（静电感应和电磁感应）,输电线路的感应雷过电压,先导阶段：束缚电荷， 与雷云电荷异号，运动速度缓慢,主放电：束缚电荷迅速释放，形成电压波向两侧传播，且幅值高感应过电压的静电分量,感应过电压的电磁分量：在主放电的过程中伴随着雷电流的冲击波，在放电通道周围空间出现甚强的脉

21、冲磁场，其中一部分磁力线穿过导线大地回路。将产生感应电势使导线对地电位升高感应过电压的电磁分量； 由于主放电通道与导线几乎互相垂直，互感不大，电磁感应较弱，因此，电磁感应分量比静电感应分量小得多。 感应过电压幅值中，静电分量起主要作用。,输电线路直击雷过电压,（1） 雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平-反击,感应雷过电压,避雷线在导线上耦合电压,塔顶电位幅值,导线电位幅值,线路绝缘子串上两端电压,Uc,Utop,有避雷线 无避雷线 工程实用中往往以降低Ri和提高k值作为提高输电线路耐雷水平的主要途径,耐雷水平,是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。,击杆率g：雷击杆

22、塔次数与雷击线路总数的比值。,避雷线根数,地形,(2) 雷击避雷线档距中央时的过电压,流入雷击点的雷电流波为 雷击点的电压 取雷电流为斜角波头：iL=at 雷击处避雷线与导线间的空气间隙上所承受的最大电压,(3) 雷绕过避雷线击于导线时的过电压-绕击,流经雷击点的雷电流波为 导线上电压为 幅值 绕击时耐雷水平,雷绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击率P。 P之值与避雷线对边相导线的保护角、杆塔高度ht及线路通过地区的地形、地貌等因素有关。,平原线路,山区线路,（1）雷击杆塔时的跳闸率（反击率） （2）绕击跳闸率（绕击率） （3）线路的雷击跳闸率,P1雷电流超过反击耐压水平的雷电流 P2雷电流

23、超过绕击耐压水平的雷电流,雷击跳闸率的计算,输电线路的防雷措施,(一)避雷线（架空地线） 110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设避雷线；35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。,（二）降低杆塔接地电阻 提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为1030。,（三）加强线路绝缘 增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一般优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水平。,（四）耦合地线 作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率

24、。,(五)消弧线圈 能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。,(六) 线路型避雷器 仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。,(七)不平衡绝缘 一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。,(八)自动重合闸 线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。,主要内容,1 雷电放电过程及雷电参数 2 防雷保护装置 3 输电线路的防雷保护 4 发电厂和变电所的防雷保护 5 变压器的防雷保护 6 直配电机的防雷保护,4 发电厂和变电所的防雷保护,线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电所的雷

25、害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变电设备的内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防雷保护与输电线路相比，要求更严格、措施更严密、可靠。 变电所中出现的雷电过电压的两个来源： 雷电直击变电所； 沿输电线入侵的雷电过电压波。,发电厂、变电所的直击雷保护 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,发电厂、变电所的直击雷保护,发电厂、变电所必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避雷针两类。注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。,变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针

26、的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。,为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S1应满足下式要求：,为了防止避雷针接地装置与变电所接地网之间因土壤击穿而连在一起，地下距离S2亦应满足下式要求,独立避雷针应有的空气间隙,E1、E2为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均冲击击穿场强。 用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和地中距离：,发电厂、变电所的雷电侵入波保护,装设避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需

27、要有“进线段保护”与之配合。 避雷器的保护作用基于三个前提： 它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合; 它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度; 被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。,（1）避雷器与被保护设备连接一点,t,i,u,避雷器的伏秒特性与侵入波电压相交时，避雷器动作。,？,放电电压：决定于避雷器的伏秒特性。,避雷器的残压最大值：决定于避雷器的伏秒特性和流过避雷器电流的大小。,td,由于阀片的非线性，电流在很大范围内变动时残压变化很小。波尾较平。 避雷器的冲击放电电压与额定放电电流（如5kA）下的残压基本相同。 因此，避雷器上的电压Ub可近似为一斜角平顶波。

28、幅值等于避雷器的残压，波头长度等于避雷器的放电时间td,（2）避雷器与被保护设备不在一点,被保护绝缘与避雷器间的电气距离越大、进波陡度a越大，电压差值 也就越大。,绝缘冲击耐压水平应满足： 阀式避雷器的保护距离： K为变电所出线修正系数,避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压器近一些。,（3）变电所的进线段保护,为了保证在靠近变电所的一段不长(一般为l2km)的线路上不出现绕击或反击。 对于那些未沿全线架设避雷线的35kV及以下的线路来说，首先在靠近变电所(l2km)的线段上加装避雷线，使之成为进线段

29、； 对于全线有避雷线的110kV及以上的线路，将靠近变电所的一段长2km的线路划为进线段。在进线段上, 加强防雷措施、提高耐雷水平。,进线段的作用： 雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值； 限制流过避雷器的冲击电流幅值,流过避雷器的冲击电流,Ub阀式避雷器的残压，kV,主要内容,1 雷电放电过程及雷电参数 2 防雷保护装置 3 输电线路的防雷保护 4 发电厂和变电所的防雷保护 5 变压器的防雷保护 6 直配电机的防雷保护,5 变压器的防雷保护,三绕组变压器的防雷保护 自耦变压器的防雷保护 变压器中性点的保护,三绕组变压器的防雷保护,高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，低压侧出现一定过电压。在任一相低压绕组加装阀式避雷器。,自耦变压器的防雷保护,高压侧进波时，应在中压断路器QF2的内侧装设一组阀式避雷器（图中的FV2）进行保护， 中压侧进波时，在高压断路器 QF1的内侧也应装设一组避雷器 （图中的FV1）进行保护。 当中压侧接有出线时，还应在AA之间再跨接一组避雷器（图中的FV3）。,自耦变压器典型的保护接线,变压器中性点的保护,110kV及以上的中性点有效