第六章电力系统过电压

第六章电力系统过电压第一节内部过电压第二节外部过电压第三节防雷保护装置第四节变电所的防雷设计第五节架空线的防雷设计第一节内部过电压一、操作过电压二、弧光接地过电压三、磁铁谐振过电压四、防护措施一、操作过电压在电力系统中，由于断路器的正常操作，使电网运行状态突然变化，导致系统内部电感和电容之间电磁能量的相互转换，造成振荡，因而在某些设备或局部电网上出现过电压。这种过电压称为操作过电压。（一）截流过电压当真空开关或其它类型的开关断开电路时，在电流接近自然零点以前，由于电弧不稳定，突然提前熄灭的现象称作截流，在此瞬间的电流值称作截流值。由于电流突然截止，在感性负荷上将产生异常过电压，过电压值与电路波阻抗(中频下的阻抗)成正比，与负荷功率因数成反比。产生截流过电压最严重的情况是断开刚起动的电动机，因此时功率因数最低，或断开空载变压器，因其波阻抗大，功率因数也低。

在电网充电之后，电容上保持的能量将反馈到电感上。这种传递与反馈作用将引起系统振荡。实际系统必定有损耗，因此，其阻尼作用使系统在短时之后停止振荡。（二）电弧重燃过电压用真空开关断开小电流电感电路，在电流过零之前，如果触头的开距很小，当瞬间恢复电压（电源）上升到大于触头间隙所能承受的电压时，间隙便被重新击穿而发生电弧重燃。由于电路上存在杂散电容，故在开关触头之间产生高频振荡电流。真空开关有分断高频电流的能力，在高频电流过零时切断电弧，而此时触头间隙已比前次切断的增大，则在触头间恢复电压上升到更高值时产生再次击穿，并再次引起电弧重燃。二、弧光接地过电压在中性点不直接接地的系统中，当发生一相接地故障时，接地电容电又不足以形成稳定电弧时，可能出现电弧时燃时灭的不稳定状态，称之为间歇性电弧。间歇性电弧的存在，使电网中的电感、电容回路产生电磁振荡，从而产生遍及整个电网的弧光接地过电压。弧光接地过电压的大小：1）与发弧时工频电压的相位角有关；2）与电弧燃烧时间的长短有关；3）线间电容大小对过电压也有影响。措施：减少线路长度，多采用架空线路，采用多台变压器单独供电以减少对地电容，从而减少接地电流的数值，是消除弧光接地过电压的措施之一。三、铁磁谐振过电压铁磁谐振是电路中电感元件的铁芯出现磁饱和现象，使电感量变化，构成电路的谐振条件。这种谐振由于电感的非线性，振荡回路无固有频率。工矿企业电网包含有许多铁芯电感元件，这些设备或器件大都为非线性元件，它们和电网中的电容器件组成许多复杂的振荡回路，如果满足一定的条件，就有可能引起持续时间较长的铁磁谐振过电压。常见的铁磁谐振过电压：1）变压器接有电磁式电压互感器的空载母线或短线过电压；2）配电变压器高压绕组对地短路过电压；3）输电线路一相断相后一端接地过电压；4）开关电器非同步操作过电压。措施：1）保证三相开关同期动作；2）调整电路参数；3）破坏其谐振条件。四、防护措施1）为防止切断空载变压器时产生的操作过电压对变压器绕组绝缘的损坏，可在变压器入口处装设阀型避雷器来保护。2）为防止真空断路器或真空接触器切断感性负荷时产生的操作过电压对设备绝缘的损坏，可在电路中装设压敏电阻或阻容吸收装置来保护。3）为防止电路中可能出现的谐振过电压，可采取调整电路参数或装设其谐振条件，来防止这种过电压的发生。本节小结1、间歇性电弧的存在，使电网中的电感、电容回路产生电磁振荡，从而产生遍及整个电网的弧光接地过电压。2、铁磁谐振是电路中电感元件的铁芯出现磁饱和现象，使电感量变化，构成电路的谐振条件。思考题1、什么是内部过电压？如何引起的？2、对于过电压产生的防护措施？第二节外部过电压一、基本形式二、雷电现象三、雷电参数一、基本形式外部过电压有两种基本形式(见图6-4)（一）直接雷击它是雷电直接击中电气设备或建筑物，其过电压引起强大的雷电流通过这些物体放电入地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，相伴的还有电磁效应和闪络放电。这种雷电过电压称为直击雷。（二）间接雷击间接雷击是雷电未直接击中电力系统中的任何部分而由雷电对设备、线路或其他物体的静电感应或电磁感应所产生的过电压。这种雷电过电压称为感应过电压或感应雷。二、雷电现象外部过电压是由雷云放电产生的，它是一种壮观的自然现象。包括闪电和雷鸣两种现象，二者相伴出现，因而常称之为雷电。最常见的雷云有热雷云和锋面雷云两种。雷云放电的过程叫雷电现象。雷电对电力系统而言，是一种极大的威胁。在所有电力系统中，破坏正常运行的事故，雷电事故平均占电力系统所有事故的15.7%。三、雷电参数为了对外部过电压采取保护措施，必须知道雷电参数。但雷电活动是由大自然气象变化所形成，各次雷云与放电条件千差万别，故其参数只能是多次观测所得的统计数据。

（二）雷电流幅值在相同条件下，被击物的接地电阻不同，电流值也各异。为了便于互相比较，将接地电阻小于30Ω的物体，遭到直接雷击时产生的电流最大值，叫雷电流幅值。（三）雷电流的波形与陡度雷电流是一种冲击波，其幅值和陡度随各次放电条件而异，一般幅值大的陡度也大。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。（四）雷电日(或小时)雷电日(小时)是指一年中有雷电活动的天(小时)数，用它表示雷电活动的强度。在防雷设计上，要根据雷电日数的多少而因地制宜。本节小结1、间接雷击是雷电未直接击中电力系统中的任何部分而由雷电对设备、线路或其他物体的静电感应或电磁感应所产生的过电压。2、雷云放电的过程叫雷电现象。思考题3、什么是外部过电压？如何引起的？4、外部过电压的两种基本形式？第三节防雷保护装置一、避雷针二、避雷线三、避雷器一、避雷针避雷针的作用是保护电气设备、线路及建、构筑物等免遭直击雷的危害。避雷针的功能实质上是引雷作用。它能对雷电场产生一个附加电场，使雷电场畸变，从而将雷云放电的通路，由原来可能向被保护物体发展的方向，吸引到避雷针本身，然后经与避雷针相连的引下线和接地装置将雷电流泄放到大地中去，使被保护物体免受直接雷击。二、避雷线

三、避雷器避雷器是防护雷电入侵波对电气设备产生危害的保护装置。在架空导线上发生感应雷击后，雷电波沿导线向两个方向传播。避雷器就是专设的放电电压低于所有被保护设备正常耐压值的保护设备。由于它具有良好的接地，故雷电波到来时，避雷器首先被击穿并对地放电，从而使其它电气设备受到保护。当过电压消失后，避雷器又能自动恢复到起始状态。根据放电后在恢复原态过程中熄弧方法的不同，避雷器分为管型避雷器和阀型避雷器两类，而火花间隙则是一种最原始的避雷器。本节小结1、避雷针的功能实质上是引雷作用。2、避雷线架设在架空线路的上边，以保护架空线路或其他物体免遭直接雷击。3、避雷器是防护雷电入侵波对电气设备产生危害的保护装置。思考题5、为什么说避雷针实质上是引雷针？6、避雷器的主要功能是什么？第四节变电所的防雷设计一、对直击雷的防护二、对雷电入侵波的防护三、防雷装置的接地一、对直击雷的防护变电所对直击雷的防护方法是装设避雷针（线），将变电所的进线杆塔和室外电气设备全部置于避雷针（线）的保护范围之内。为了防止在避雷针上落雷时对被保护物产生“反击”过电压，避雷针与被保护物之间应保持一定的距离。所谓“反击”就是在雷击时，避雷针向被保护物体放电。二、对雷电入侵波的防护变电所内安装使用着类型繁多的高、低压变、配电设备，这些设备均直接和供电系统的线路相连，而线路上发生雷电过电压的机会较多，因此入侵波常常是变电所主要雷害。所以必须对入侵波有足够的防护措施。变电所中防护入侵波的主要装置是阀型避雷器，为了保证避雷器的工作条件，必须采取措施对入侵波的陡度和幅值加以限制。（一）变电所进线段的防护实际上冲击波沿导线流动时都会边行进边线走过这一段路程后，波幅值和波陡度均将下降，使雷电流能限制在5kV，这对变电所的防雷保护有极大的好处。对35～110kV线路进线的变电所保护方案如图6-18所示：对于35～60kV变电所，变压器容量在3150～5000kVA时，可根据供电的重要性和雷电活动情况采用图6-19a简化结线。容量在3150kVA以下时，可采用图b结线；容量在100kVA以下时，可采用图c结线，此时避雷器尽可能安装在靠近变压器处。变电所3～10kV的配电装置（包括电力变压器）防止入侵波的保护，是在每路进线和每组母线上安装阀型避雷器，保护结线如图6-20所示:对于电缆作出线的架空线，避雷器应装在电缆头附近，其接地应和电缆的外皮相连。当避雷器动作时，电缆对地绝缘受到的电压为避雷器残压与雷电流在接地电阻上的压降之和。当接地和外皮相连时，仅为避雷器残压，其值较低。当出线接有电抗器时，应在电抗器与电缆之间装设一组阀型避雷器，用以防止电抗器处的反射过电压对电缆绝缘的危害。（二）直配电机的防护旋转电机的绝缘比较薄弱，过高的避雷器残压也能使电机的绝缘受到损坏。直接与架空电力线路相连的旋转电机，应根据电机容量，雷电活动强弱和对运行可靠性的要求，采取防雷措施。电机的主绝缘保护是在电机出口处装设一组磁吹避雷器，并在避雷器上并联一组0.25～0.5µF的电容器，以降低入侵波的陡度。对进线采取措施，限制雷电流不超过3KA。在未直接接地电机中性点装设阀型避雷器，其额定电压不应低于电机最高运行相电压。三、防雷装置的接地防雷保护的基本理论是利用低电阻通道，引导强大的雷电流迅速向大地泄露，不致引起建构筑物、电气设备被破坏、烧毁或人员伤亡事故。因此，为了使雷电流能畅通地泄漏入地，所有防雷设备都必须有良好的接地，才能起到应有的效果。在防雷接地装置中，一般由几根垂直接地体与水平联线组成，此在防雷接地装置中，或由几根水平放射线组成，而不采用伸长接地体的形式。本节小结1、入侵波常常是变电所主要雷害；2、变电所中防护入侵波的主要装置是阀型避雷器；3、为了减少变压器所受过电压幅值，阀型避雷器应尽量安装在电气距离靠近主变压器的地方。思考题7、一般工矿企业变电所有哪些防雷措施？其重点是保护什么设备？对雷电入侵波如何防护？第五节架空线的防雷设计一、3～10KV架空线路的防雷保护二、低压架空线路的防雷保护一、3～10kv架空线路的防雷保护（一）加强线路绝缘（二）利用顶相线兼作防雷保护线（三）绝缘薄弱处装设避雷器（四）架空线路上设备的防雷保护二、低压架空线路的防雷保护380/22OV低压线路的防雷保护，一般可采取以下措施：1、多雷地区当变压器采用Y,y或Y,yn接线时，宜在低压侧装设一组阀型避雷器或保护间隙。变压器中性点不接地时，应在其中性点装设击穿保险。2、对重要用户为了防止雷击低压架空线路时雷电波侵人建筑物，宜在低压线路进人室内前50m处安装一组低压避雷器，进人室内后再装一组低压避雷器。(3）一般用户为了防止雷电彼侵入，可在低压进线第一支持物处装设一组低压避雷器或击穿保险，也可将低压用户线的绝缘子铁脚接地，