用电检查员培训用检技师三雷电过电压及防护

用电检查员培训用检技师三雷电过电压及防护第1页/共97页培训目录第一部分过电压概述一、过电压概念二、过电压的危害三、过电压的类型第二部分雷电过电压一、雷电常识二、雷电过电压的保护第2页/共97页第一讲

过电压概述第3页/共97页过电压的概念在电力系统中，各种电压等级的输配电线路、发电机、变压器以及开关设备等，在正常情况下只承受其额定电压的作用。但在异常情况下，由于某种原因，造成上述电气设备主绝缘或匝间绝缘上的电压在极短时间内远远超过额定值。在没有防护措施和设备本身绝缘水平较低时，将使设备的绝缘击穿，使电力系统的正常运行遭到破坏。通常将这种对电气设备绝缘有危险的电压升高叫做过电压。第4页/共97页过电压的危害

使电力系统中线路、设备的绝缘弱点发生击穿或闪络，从而破坏了电力系统的正常运行。第5页/共97页过电压的类型

过电压的产生都是由于电力系统的电磁能量发生瞬间突变引起的。分为：一、外部过电压（大气过电压）：

1、直接雷过电压；

2、感应雷过电压（雷电侵入波）。二、内部过电压：

1、操作过电压；

2、电磁谐振过电压；

3、弧光接地过电压。第6页/共97页第二讲

雷电过电压及防护第7页/共97页

雷雨季节里，空中的浓积云带有正电荷或负电荷，并对大地静电感应出异性电荷。当这些电荷的电场强度达到相当程度时，击穿空气，发生放电现象，异性电荷剧烈中和，出现很大的雷电流（一般为几十千安至几百千安）。浓积云之间的雷称为空中雷，它与大地之间的雷叫做落地雷。对电力设施造成危害的是落地雷。雷电的形成：第8页/共97页第9页/共97页雷电流的波形

雷电流通过被击中物体泄入大地。，在此过程中，开始时增长很快，在极短的时间内（几微秒）达到最大值，然后慢慢降低，在几十到上百微秒内降低到零。所以称这种电流为冲击雷电流。第10页/共97页雷电流的参数1、雷电流的幅值I：雷电流所达到的最大值。（千安）2、雷电流的波头和波长：波头是雷电流由零值上升到最大值所用的时间，用τ1表示；波长是雷电流由零值上升到最大值，然后后再由最大值下降到最大值一半所用的时间，用τ2表示。根据规程规定，在防雷保护设计中前者取2.6微秒，后者取40微秒；第11页/共97页雷电流的参数3、雷电流的陡度：即雷电流波头部分上升的速率，用di/dt表示，单位是千安/微秒。4、雷电流的极性：雷电流属于静电，因此有正负极性之分。75~90%的雷电流是负极性。5、雷电流的波阻抗：直接雷击时，主放电通道变成了导体，沿着雷击通道向前运动的电压波U0与电流波I0的比值，即U0/I0=Z0叫做雷电通道波阻抗。第12页/共97页雷电过电压的类型1、直接雷击过电压当雷电放电的先导通道，不是击中地面，而是击中杆塔或建筑物，大量雷电流通过被击中物体，在被击中物体的阻抗接地电阻上产生电压降，使被击点出现很高的电位，这就是直接雷过电压。第13页/共97页雷电过电压的类型2、感应雷雷云先导向地面发展时，在线路上感应出与雷云符号相反的电荷，称为束缚电荷，在线路上产生很高的电位，称为静电感应。雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，线路上的束缚电荷得到释放后，以雷电波的形式向两侧泄放,形成电位很高的过电压。（高压线路可达几十万伏，低压线路的感应过电压也可达几万伏。）另一方面，当雷电流迅速变化时，它在周围空间产生强大的电磁场将通过电磁感应作用在附近导体（如线路等）内产生强大的电动势，就会产生电磁感应过电压。雷击杆塔对地放电时，在导线上也会产生电磁感应过电压。这些就是感应雷过电压。第14页/共97页雷电过电压的类型3、雷电侵入波过电压当雷电击中高、低压输电线路后，雷电波沿线路进入变电站，从变电站内的电气设备的薄弱点对地放电，雷电流在设备的接地阻抗上产生电压降，使被击穿点产生很高的电位，这就是雷电侵入波过电压。第15页/共97页雷电日与雷电小时

（有些资料称为雷暴日与雷暴小时)雷电日：每年中有雷电的日数；雷电小时：每年中有雷电的小时数雷电日和雷电小时的观测数据是进行防雷设计的依据，可由当地气象部门提供，在有关设计手册上也可以查到这些数据。第16页/共97页雷区等级：少雷区：指平均年雷电日数不超过15天的地区。中雷区：指平均年雷电日数超过15天但不超过40天的地区。多雷区：指平均年雷电日数超过40天但不超过90天的地区。雷电活动特殊强烈地区：指平均年雷电日数超过90天的地区及运行经验雷害特殊严重的地区。第17页/共97页第二讲

雷电过电压的保护第18页/共97页雷电过电压的保护一、防雷设备直接雷过电压保护：避雷针、架空避雷线；雷电侵入波过电压保护：主要依靠避雷器。第19页/共97页绝缘配合：所谓绝缘配合，实质上就是合理地考虑绝缘水平问题。伏秒特性配合：避雷器的伏秒特性应低于其保护的电气设备绝缘的伏秒特性。伏安特性配合：当避雷器动作后，流过避雷器的电流在避雷器电阻上产生一定的电压降（残压），正常电气设备绝缘应能承受而不击穿。第20页/共97页二.避雷针1.保护作用的原理

能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发展沿着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电流通过避雷针（线）及接地装置泄入大地而防止避雷针（线）周围的设备受到雷击。第21页/共97页独立避雷针第22页/共97页构架避雷针第23页/共97页消雷器第24页/共97页单支避雷针保护范围的计算1、避雷针在地面上的保护半径，按下式计算：

r=1.5h

式中：r——保护半径（米）；

h——避雷针高度（米）。第25页/共97页2、在被保护物hx水平面的的保护半径，按下式计算：（1）当hx≥h/2时，rx=（h-hx)p式中：rx----避雷针在hx水平面上的保护半径（米）；

hx------被保护的高度（米）；

p-------高度影响系数，h≤30米，p=1;30＜h≤120米，p=5.5/第26页/共97页（2）当hx＜h/2时，rx=(1.5h-2hx)p第27页/共97页两支等高避雷针保护范围的计算一、两针外侧的保护范围，应按单支避雷针的计算方法确定。二、两针间保护范围，应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点o的圆弧确定，圆弧的半径为Ro。o点为假想避雷针的顶点，其高度应按下式计算：

ho=h-D/7p式中ho-----两针间保护范围上部边缘最低点的高度（米）；

D------两避雷针间的距离（米）。两针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度为，

bx=1.5(ho-hx)式中bx----保护范围的一侧最小宽度（米）；当

D=7hp时，bx=0第28页/共97页两支等高避雷针的保护范围如下图第29页/共97页保护变电所用的避雷针，两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。多支等高避雷针的保护范围和不等高避雷针的保护范围的计算、作图可参见《工业与民用电力装置过电压保护的设计规范》。第30页/共97页(3).两支不等高避雷针第31页/共97页(4).多支等高避雷针第32页/共97页第33页/共97页避雷针的反击现象

当独立避雷针受雷击时，会在接地电阻和避雷针本身的电感上产生电压降，并可能达到很大幅值，对附近的电气设备和物体将引起反击现象，所以避雷针接地装置应与电气设备、接地网、人行通道至少保持规程规定的距离。第34页/共97页反击过电压的危害及预防措施

为了限制接地导体电位升高，避雷针必须接地良好，接地电阻合格，并与设备保持一定距离；避雷针与变配电设备空间距离不得小于5米，避雷针的接地网之间的地中距离应大于3米。独立避雷针不应设在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3米，否则应采取均压措施或铺设砾石或沥青地面。第35页/共97页避雷针的绕击现象避雷针的下面，有一个安全区域，在这个区域中的物体基本上不致遭受雷击，这个安全区域一般叫做避雷针的保护范围。但不能保证在保护范围内的物体就绝对不会遭到直接雷。保护区内的物体遭到雷击称为绕击。对全国各地变电所的调查统计说明，绕击事故还是有的，但概率极低。第36页/共97页二、避雷线第37页/共97页避雷线在防雷保护中的作用避雷线也叫架空地线，是沿线路架设在杆塔顶端，并有良好接地的金属导线，是输电线路的主要防雷措施。其保护原理与避雷针相似。它除了能覆盖三相导线免受直接雷外，当雷击杆顶和避雷线时，能分散雷电流，增大耦合系数，从而降低雷击过电压的幅值。第38页/共97页单根避雷线的保护范围保护电力装置用的单根避雷线在hx水平面上每侧保护范围的宽度（端部的保护半径与其相等），按下列公式计算：1、当hx≥h/2时，rx=0.47(h-hx)p式中rx----每侧保护范围的宽度（米）。2、当hx＜h/2时，rx=(h-1.53hx)p第39页/共97页单根避雷线的保护范围作图如下：第40页/共97页两根等高避雷线的保护范围：1、两避雷线外侧的保护范围，按单根避雷线的计算方法确定；2、两避雷线间各截面的保护范围，应通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点o的圆弧确定。O点的高度按下式计算：

ho=h-D/4p式中ho----两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度（米）；

D----两避雷线间的距离（米）；

h----避雷线的高度（米）。第41页/共97页3、两避雷线端部的保护范围，可按两支等效避雷针的计算方法确定，等效避雷针的高度可近似取避雷线悬挂高度的80%。两支等高避雷线的保护范围如下图第42页/共97页避雷线的架设规定330kv及以上：全线架设双避雷线，α在20度左右；220kv：宜全线架设双避雷线，α在20度左右；110kv：一般全线架设避雷线。35kv及以下：一般不沿全线架设避雷线，α取20到30度之间。第43页/共97页三、避雷器第44页/共97页避雷器的工作过程避雷器通常接在导线与地之间，与被保护的设备并联。当被保护设备在正常工作电压下运行时，避雷器不动作，即对地视为断路。一旦出现过电压，且危及被保护设备绝缘时避雷器立即动作，将高电压冲击电流导向大地，从而限制了电压幅值，保护电气设备绝缘。当过电压消失后，避雷器迅速恢复原状，使系统能够正常供电。第45页/共97页基本要求(1)能瞬时动作；(2)能自行迅速截断工频续流；(3)具有平直的伏秒特性曲线；(4)具有一定的通流容量，其残压应低于被保护物的冲击耐用名词解释：工频续流:避雷器在冲击电压作用后流经间隙的工频电弧。残压：冲击雷电流通过阀式避雷器时，在避雷器上产生的最大压降。第46页/共97页绝缘配合：所谓绝缘配合，实质上就是合理地考虑绝缘水平问题。伏秒特性配合：避雷器的伏秒特性应低于其保护的电气设备绝缘的伏秒特性。伏安特性配合：当避雷器动作后，流过避雷器的电流在避雷器电阻上产生一定的电压降（残压），正常电气设备绝缘应能承受而不击穿。第47页/共97页避雷器的型号和类别阀型避雷器：FZ—电站式阀型避雷器

FS---配电式阀型避雷器

FCZ---磁吹电站式避雷器管型避雷器：GXS1塑料式线路管型避雷器压敏电阻式避雷器：氧化锌避雷器，YH5系列、HYW系列第48页/共97页非线性电阻α:非线性系数第49页/共97页火花间隙：第50页/共97页作用原理：根据火花间隙的结构，使间隙的放电时间缩短，由于其伏秒特性曲线平缓，放电分散性也较小，由于火花间隙由若干个小间隙组合串联，易于切断工频续流，且不易重燃。第51页/共97页具有分路电阻的火花间隙：第52页/共97页为什么要在间隙两端并联电阻：

由于间隙各电极对地和对高压端有寄生电容存在，使电压在各间隙上的分布不均匀，从而使每个火花间隙的作用得不到充分发挥，减弱了避雷器的熄弧能力，也降低了工频放电电压。第53页/共97页(2).磁吹型阀式避雷器第54页/共97页结构原理：第55页/共97页阀型避雷器的技术参数

1、额定电压：避雷器安装地点的电网额定线电压；2、灭弧电压；是指保证熄灭电弧的条件下（即切断工频续流），允许加在避雷器上的最高工频电压；3、工频放电电压：加在避雷器两端使其放电的的最小工频电压；4、冲击放电电压；指避雷器预放电时间为1.5~20微秒的冲击放电电压；5、残压：当冲击雷电流流过避雷器时所造成的电压降。第56页/共97页运行中的阀型避雷器的试验1、绝缘电阻试验：用1000~2500伏测量绝缘电阻，测量结果与前一次或同类型避雷器的试验数据相比较，不应有明显变化。2、工频放电试验：对于10千伏FS型避雷器，试验电压为23~33千伏。3、FZ型避雷器一般不做工频放电试验，但应做泄漏电流试验。第57页/共97页运行中的阀型避雷器的检查1、检查瓷套表面有无裂纹、破损和脱釉，瓷套与法兰连接出的接缝胶合与密封是否良好。2、检查瓷套表面脏污情况。3、每次雷雨后及系统发生单相接地或其他过电压情况时，还应进行特殊检查。如察看放电记录器是否动作、有未损坏、避雷器引下线及接地引下线有无烧伤痕迹等。第58页/共97页阀型避雷器在运行中突然爆炸的原因：①中性点接地系统中，发生单相接地时，长时间承受线电压的情况下，可能使避雷器爆炸。②在发生铁磁谐振过电压时，可能使避雷器放电而损坏内部元件而引起爆炸。③当避雷器受击时，由于火花间隙灭弧性能差，承受不住恢复电压而击穿时，则电弧重燃工频续流将再度出现，这样将会因间隙多次重燃使得阀片电阻烧坏引起爆炸。④避雷器阀片电阻不合格，残压虽然低了但续流增大了，间隙不能灭弧，阀片长时间通过续流烧毁引起爆炸。⑤避雷器的瓷套密封不良，受潮或进水时引起爆炸。第59页/共97页管型避雷器结构第60页/共97页作用原理：当排气式避雷器受到雷电波入侵时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地；过电压消失后，在工作电压作用下，流经间隙的工频续流电弧的高温使管内产气材料分解出大量气体，管内压力升高，气体从开口孔喷出，从而使工频续流在第一次经过零值时就熄灭。管型避雷器也称为排气式避雷器第61页/共97页管型避雷器的遮断电流有两个数值（上下限），它是依靠自吹原理工作的，电流超过上限，产生气体过多，会使它的管子爆裂；电流低于下限，产生气体少，就可能灭不了电弧。所以其熄弧能力与工频续流大小有关，故对工频续流有上下限的规定。管型避雷器是一种可靠性不高的防雷设施。如果安装和维护不当，不仅不能起到保护作用，有时还会引起事故。第62页/共97页氧化锌避雷器

氧化锌避雷器是压敏避雷器的一种。它仅由压敏电阻（阀片）构成而不需要间隙。压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结而成的多晶半导体陶瓷非线性元件，其非线性系数很小，只有0.05左右，因而具有很好的伏安特性。特点：在工频电压下可呈现极大的电阻，工频续流极小，不需要间隙灭弧，但在冲击电压下电阻却很小，通流容量很大，可将过电压限制在设备允许的范围之内。氧化锌避雷器结构简单、体积小、重量轻。使用越来越广泛。第63页/共97页第64页/共97页第65页/共97页第66页/共97页第67页/共97页第68页/共97页第69页/共97页氧化锌避雷器的阀片第70页/共97页保护间隙第71页/共97页作用原理：当雷电侵入波要危及它所保护的电气设备的绝缘时，间隙首先击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备。第72页/共97页优缺点：优点：结构简单、制造方便缺点：伏秒特性曲线比较陡，绝缘配合不理想；间隙动作后会形成截波；熄弧能力低。第73页/共97页《高压电气装置规程》中规定：变电所应采取措施防止减少近区雷击闪络。未沿全线架设避雷线的35kV～110kV架空送电线路，应在变电所1km～2km的进线段架设避雷线。变电站高压配电装置对雷电侵入波过电压的保护措施主要有：

1、采用进线段保护（避雷线、避雷器和电缆段等）。

2、母线上装设阀式避雷器；

3、10千伏配电装置（包括电力变压器）在每组母线和每路架空进出线上装设阀式避雷器第74页/共97页变电所进线段过电压保护的作用进线段过电压保护的作用是，在装了进线段过电压保护之后，在变电所架空线路附近落雷时，不会直接击中线路，可以限制侵入的雷电压波头的陡度，降低雷电电流的幅值，避免避雷器和被保护设备受到直接雷的冲击。第75页/共97页未沿全线架设避雷线的35kV～110kV线路，其变电所的进线段应采用图12所示的保护接线。第76页/共97页变电所的35kV及以上电缆段，在电缆与架空线的连接处应装设阀式避雷器，其接地端应与电缆金属外皮连接。对三芯电缆，末端的金属外皮应直接接地［图13（a）］；对单芯电缆。应经金属氧化物电缆护层保护器（FC）或保护间隙（FG）接地［图13（b）］。第77页/共97页雷电在配电变压器上

的正、反变换过电压及限制措施第78页/共97页雷电在配电变压器上的

正变换过电压当雷电冲击波由低压侧侵入Y/Y0接线的配电变压器，雷电流经变压器低压绕组和接地装置入地，在变压器的铁芯中建立磁通。由于电磁感应关系，会在变压器的高压绕组中感应出高电压，因为这种变换方式是由低压边向高压的所以叫正变换。第79页/共97页第80页/共97页雷电在配电变压器上的

反变换过电压当雷电冲击波由10千伏线路从高压侧侵入Y/Y0接线的变压器时，阀型避雷器会动作放电，大量雷电流通过避雷器和接地装置入地，并且在接地电阻上产生电压降。这个电压降同时也作用在变压器的低压绕组上，经线路波阻构成通路，在铁芯中建立磁通。由于电磁感应的关系，也会在变压器的高压绕组上感应出高电压。因为这种变换方式首先由高压传到低压，然后再由低压感应到高压，所以叫做反变换过电压。第81页/共97页第82页/共97页正、反变换过电压的危害

和限制措施危害：都会在变压器的高压绕组上出现很高的过电压。损坏变压器，高压侧避雷器对这种感应过电压不起保护作用。限制措施：1、在变压器低压侧安装低压避雷器；2、采用Y/Z0型接线的变压器。第83页/共97页配电变压器防雷装置的“三位一体”

将配电变压器高压侧的阀型避雷器尾部的引下线、变压器外壳和变压器中性点连接一起后接地，接地电阻不大于4欧。在多雷区，为防止反变换过电压和低压侧雷电侵入波，变压器的低压侧也要安装1组低压避雷器。避雷器越靠近变压器越好，避雷器的引下线越短越好。这样，可以将变压器在雷击时受到的过电压仅为避雷器本身的残压，（接地装置上的电压降并没有作用在变压器的绝缘上，）降低了变压器因雷击损坏的可能性。第84页/共97页防雷接地

及其接地装置第85页/共97页定义及构成

为把雷电流迅速导入大地以防止雷害为目的的接地叫做防雷接地。防雷接地装置包括以下部分：1、雷电接受装置：直接或间接金属杆（接闪器），如避雷针、避雷网、架空地线及避雷器；2、引下线：雷电接受装置与接地装置连接用的金属导体；3、接地装置：接地线、接地体的总和。第86页/共97页工频接地电阻与冲击接地电阻：

同一接地装置，当流过工频电流时所表现的电阻值，叫做工频接地电阻。流过雷电冲击电流时所表现的电阻值叫做冲击电阻。雷电电流密度大，波头陡度高，会在接地体周围的土壤中产生局部放电火花，其效果相当与增大了接地体的尺寸，会使接地电阻的数值降低，所以冲击接地电阻要比工频接地电阻小，二者相差一个小于1的系数，叫做接地电阻冲击系数。第87页/共97页防雷接地与一般接地的区别：

雷电流流过防雷接地装置会产生反击现象，避雷针、避雷线反击电压相当高，所以要对其独立设立接地装置；而避雷器、放电间隙的导泄电流，一般都在电气绝缘的耐雷水平之内，不大会造成反击发生。因此，可以与一般电气设备的工作或保安接地装置合用，无须单独设立。为加强对雷电流的散流作用，降低避雷器的接地电阻值，重要变电所要专门为避雷器设置集中接地装置，并与主接地网相连。第88页/共97页集中接地装置：作用：降低接地电阻，加强对雷电流的散流作用。构成：一般敷设3~5根垂直接地极；在土壤电阻率较高的地区，则敷设3~5根放射形水平接地极。现在市场上也有厂家成套供应的集中接地装置。第89页/共97页各种防雷接地装置的工频接地电阻的最大允许值：1、变电所独立避雷针为10欧；2、变电所进线架上避雷针为10欧；3、变电所架空线路上所装的管形避雷器为10欧；4、与母