过电压及其防护7

1、第7章 过电压及其防护过电压危害:使电气设备绝缘损坏,影响系统正常运行;§7.1 大气过电压大气过电压: 直击雷过电压,感应雷过电压直击雷过电压:雷云直接对地面设备放电;感应雷过电压:雷云对电气设备附近的物体放电而在电力系统中引起过电压;密集雷云在天空流动过程中与空气强烈摩擦,形成带正电荷,负电荷的雷云;1.直击雷过电压雷云与大地形成巨大的电容器,雷云附近的电场强度达到2530kV/cm时雷云对大地放电空气开始游离形成一段导电性通道(雷电先导)雷电先导达到距离地面100300m时大地感应的异性电荷聚集在较突起部分或较高的地面形成迎雷先导雷电先导与迎雷先导接触时气隙被强电场瞬时击穿电荷

2、发生强烈中和产生数十万安电流,持续时间50100s主放电阶段发出光和声主放电结束雷云残余电荷继续经放电通道入地,电流约数百安,持续时间约0.030.05s,为余晖放电阶段;雷电直接对地面电气设备放电,强大的雷电电流对电气设备破坏;2.感应雷过电压当架空线路出现雷云静电感应架空导线感应出大量异性束缚电荷,图7.1 图7.1 架空线路上的感应束缚电荷当雷云对架空线路附近的大地或另一雷云放电后,云与大地间的电场突然消失,导线上的电荷来不及立即流散,产生很高的对地电位(静电感应电压),导线上束缚电荷便成为自由电荷,以电磁波的传播速度向导线两端迅速流动,在线跌上形成感应冲击波,所到之处对地电位升高,电气

3、设备绝缘薄弱的地方被击穿;图7.2 图7.2 线路上的感应冲击波感应雷过电压的幅值一般不超过300kV,个别可达500600Kv,对63kV及以下的电气设备造成较大的危害;雷电日(雷电小时):一年中有雷电的天数;我国规定,年平均雷电日在15d以下的地区为少雷区,多于40d的地区为多雷区,多于90d的地区为强雷区;雷电行波:当电力系统本身或附近受到雷击,会有雷电冲击波沿导线向线路两端流动,称为雷电行波;§7.2 防雷保护装置7.2.1 避雷针避雷针作用:防直击雷危害(引雷器);图7.3 图7.3 避雷针避雷针组成:接闪器,引下线,接地体接闪器:接受雷电流的导体,由长度12m,16mm圆

4、钢或25mm的钢管制成;引下线:将雷电流由接闪器引到接地体; 由8mm圆钢或截面12×4mm2的扁钢制成;接在体:埋入土壤中的金属导体,将雷电流发散到大地中,分别由直径10mm圆钢、截面25×4mm2的扁钢、厚度4mm角钢、壁厚3.5mm的钢管制成;接地电阻10防直击雷原理:雷电初始的发展阶段,避雷针上因静电感应聚集与雷云极性相向的电荷,电场强度增大,甚至可能发展向上的迎面先导,影响雷电先导的发展方向,使之向避雷针发展,进而对避雷针放电,雷电流泄放进放大地;避雷针的保护范围:能防护直击雷的空间避雷针保护范围计算方法:滚球法(IEC规定)滚球法:以半径hr的假想球体,球体只触

5、及接闪器和地面滚动,而不触及需要保护的部位,这个部位就是保护范围;我国建筑物防雷设计规范规定:第一类防雷建筑物,滚球半径取30m; 第二类防雷建筑物,滚球半径取45m; 第三类防雷建筑物,滚球半径取60m;单只避雷针保护范围,(画图过程)图7.4 图7.4 单支避雷针的保护范围当避雷针的高度h hr(滚球半径),在距离地面hr处作一条平行于地面的直线,以避雷针的针尖为圆心, hr为半径作弧线,与平行线相交与A、B两点,分别以A、B两点为圆心,以hr为半径作弧线,与针尖相交与地面相切,整个锥形空间即为单支避雷针的保护范围;避雷针地hx高度平面上的保护半径rx为 rx=h2hr-h-hx2hr-h

6、x当避雷针的高度h hr(滚球半径)时,在避雷针上取高度为hr的一点代替单支避雷针的针尖作为圆心,其余作法同h hr的作法;7.2.2 避雷线作用:保护物体免遭直击雷危害(架空线路,高的建筑物体)组成:接闪器,引下线,接地体输电线路避雷线的接闪器:一般采用截面35mm2的钢绞线,架空敷设在输电线路的上方避雷线保护范围计算:滚球法单根架空避雷线保护范围,图7.5 图7.5 单根避雷线保护范围避雷线在hx高度平面上的保护范围bx bx=h2hr-h-hx2hr-hx当避雷线的高度h为2hr>h>hr时,按公式h0=2hr-h确定保护范围最高点的高度h0,再按照hhr时的作法确定避雷线的

7、保护范围;当避雷线的高度h>2hr时,根据滚球法理论,滚球与避雷线的接闪器不再接确,架空敷设的接闪器下方不存在保护范围;7.2.3 避雷器作用:保护电气设备免遭感应雷过电压(和限制内部过电压);避雷器的接线:一端与被保护设备所在线路连接,另一端可靠接地;避雷器的放电电压:低于被保护设备的正常耐压值;避雷原理:雷电冲击波到来时,避雷器被击穿,对地放电,保护设备绝缘不受危害;当感应雷过电压消失,避雷器又能自动恢复到初始状态;避雷器分类:保护间隙,管型避雷器,阀型避雷器,氧化锌避雷器等;1.保护间隙,图7.6 图7.6 保护间隙工作原理 1-电气设备;2-保护间隙保护间隙的工频耐压值大于线路的

8、正常工作电压值,小于被保护设备的允许工频耐压值;原理:无雷电波入侵,间隙不击穿;有雷电波入侵,间隙击穿,对地放电,保护电气设备绝缘;保护间隙击穿后,造成工频对地短路,以电弧放电的形式出现,即工频续流;保护间隙的熄弧能力小,不能熄灭工频续流,以至形成接地短路故障,影响系统运行的可靠性,通常将间隙保护与自动重合闸配合使用;2.管型避雷器用途:变电所的进线段和线路;能自动熄弧的保护间隙,图7.7 图7.7 管型避雷器1-产气管;2-棒形电极;3-环形电极;4-动作指示器;S1-内间隙;S2-外间隙外间隙在大气中,正常时隔离工频电压;内间隙位于产气管中,由棒形电极和环形电极组成;产气管由纤维/塑料/橡

9、胶等材料制成;原理:当线路感应雷过电压超过管型避雷器的放电电压时,外间隙与内间隙同时击穿放电,雷电流和工频电流电弧高温分解管壁,管内产生大量压缩气体,形成纵吹灭弧,使工频在第一次过零时熄灭;管型避雷器工频续流电流有上下限电流的限制;3.阀型避雷器用途:保护变电所电气设备和高压电机等;阀型避雷器结构:火花间隙,电阻阀片(非线性),瓷套管;原理图7.8 图7.8 阀型避雷器原理图1-火花间隙;2-电阻阀片火花间隙(多片串联),图7.9 图7.9 普通阀型避雷器火花间隙1-黄铜电极;2-云母垫片工作原理:电力系统未过电压,火花间隙将线路与电阻阀片隔离,避免电阻阀片流过工频电流而烧坏;当系统出现的感应

10、雷过电压超过火花间隙的放电电压,间隙击穿放电,很大的雷电流经过电阻阀片时,阀片呈很小的电阻,冲击电流经电阻阀片泄放进入大地,保护设备绝缘,雷电流消失后,线路恢复工频电压,工频续流经阀片电阻呈很大的电阻,电流很小,火花间隙熄灭工频电弧电阻阀片(多片串联):碳化硅(金刚砂)和粘合济经低温烧制而成,具有非线性电阻特性,电阻与流过的电流成反比关系,R1I,利于雷电流泄放,又可降低阀片残压(雷电流在阀片上产生的电压降);阀型避雷器分类:普通阀型避雷器:配电所型FS,变电站型FZ;依靠间隙自然灭弧,通流能力小,不允许在内部过电压作用下动作;磁吹阀型避雷器:电机型FCD,变电站型FCZ;利用磁力旋转拉长电弧

11、而熄灭,灭弧能力强,通流能力大,既能限制大气过电压,又可限制内部过电压;阀型避雷器主要参数:额定电压:避雷器两端允许施加的最高工频电压有效值;冲击放电电压:在预放电时间为1.520s的冲击电压作用下,避雷器的最小放电电压值;残压:雷电电流流过阀片时,在阀片上产生的电压降;灭弧电压:在保证熄灭工频续流电弧的条件下,允许加在避雷器上最高工频电压值;工频放电电压:在工频电压作用下,避雷器发生放电的电压值;4.氧化锌避雷器(亦称金属氧化物避雷器)只有阀片没有间隙;阀片以氧化锌(ZnO)为主要成份,添加氧化铋,氧化钴,氧化锰,氧化锑等金属氧化物,经高温烧结而成;具有理想的非线性特性;特点:无间隙,无续流

12、;通流容量大,限制大气过电压,内部过电压;特别适用于直流系统的过电压保护;原理:在工作电压下,氧化锌阀片相当于绝缘体;当电压超过起始动作电压,阀片“导通”,而低于阀片起始动作电压,阀片“截止”§7.3 综合防雷措施7.3.1 变电所防雷保护1.对直击雷防护装设:避雷针,避雷线防直击雷接地电阻:10(不大于10)防反击事故,图7.10 图7.10 避雷针与被保护物的距离 1-被保护物;2-独立避雷针反击:雷电流经过避雷针时产生很高的对地电位,若被保护物与避雷针之间的距离过小,二者之间的绝缘间隙被击穿,向被保护物放电;防反击:·避雷针的接地体与被保护物的接地体之间的地下距离Se

13、>3m;·避雷针与被保护物之间的距离Sa>5m;2.对雷电入侵波的防护装设阀型避雷器;避雷器与被保护物(如主变压器)的电气距离越大,被保护物承受的过电压幅值就越大;阀型避雷器与主变压器的最大电气距离,表7.1,表7.2;表7.1 阀型避雷器与35110kV主变压器之间的最大距离电压等级(kV)进线段长度(km)最大电气距离(m)变电所进线回路数1234351254050551.5405565752507590105661456580901.560851051152801051301451101457080901.570951151302100135160180表7.2 阀

14、型避雷器与310kV变压器之间的最大电气距离雷季运行的进线回路数1234最大电气距离(m)15232730进线段:指架空避雷线(地线);变电所其他电报设备的冲击耐压值均比变压器高,避雷器与这些设备之间的电气距离按避雷器与变压器最大电气距离的1.35倍考虑;1.35110kV变电所进线侧防雷在临近变电所12km进线段上架设避雷线,防直接雷击;图7.11 图7.11 35110kV进线侧防雷保护F1(阀型避雷器):保护主变压器和其他设备;F2:进线开关在雨季可能经常断开,防雷电入侵波在开关末端产生反射电压;F3:对于木杆线路,木横担钢筋混凝土杆线路,由于线路的耐压绝缘水平特别高,在进线段的首端装设

15、;一般不装;2. 310kV配电装置的防雷35110kV变电所的610kV输出侧,610kV变电所的进线侧,应在每段母线和每路架空线路上装设阀型避雷器,且尽可能靠近主变压器;图7.12 图7.12 变电所310kV配电装置防雷保护对于电缆出线的架空线路,避雷器应装在架空线路终端的电缆头附近,其接地装置与电缆金属钱皮相连;引出线的电抗器时,在电抗器与电缆头之间装设阀型避雷器;7.3.2 直配电机的防雷保护直配电机:与架空线路直接相连的电动机;直配电机的出线处应装设一组磁吹阀型避雷器,并在避雷器上并联一组0.250.5F的电容器,以降低雷电入侵波的陡度;在雷电活动较强的地区,在临近电机至少100m的进线段采用直埋电缆线路,在架空线路终端的电缆头附近应装设一组阀型避雷器,其接地装置与电缆的金属外皮相连;在雷电活动较弱的地区,一般在临近电机450600m的进线段架设避雷线或避雷针,进线段上装设管型避雷器;7.3.3 架空电力线路的防雷保护架设避雷线,防直击雷;220kV及以上线路