过电压及防护

关于过电压及防护7.1大气过电压7.1.1雷电放电过程

先导阶段主放电和迎面流注阶段

余辉阶段第2页,共105页，2024年2月25日，星期天第3页,共105页，2024年2月25日，星期天7.1.2雷电参数雷暴日(Td)：一年中发生雷电的天数(30-40)。雷暴小时(Th)：一年中发生雷电的小时数(100)。地面落雷密度():每平方公里地面在一个雷暴日中受到的平均雷击次数。通道波阻抗

第4页,共105页，2024年2月25日，星期天第5页,共105页，2024年2月25日，星期天一般地区：少雷地区：I—雷电流幅值（kA)P—幅值大于I的雷电流出现的概率经验公式：雷电流幅值（I）：雷电流指雷击于低接地电阻（≤

）的物体时流过雷击点的电流。02II»W30第6页,共105页，2024年2月25日，星期天雷电流的波前时间、波长、陡度我国在防雷设计中取波前的平均陡度：实测表明：第7页,共105页，2024年2月25日，星期天雷电流极性及计算波形75~90%的雷电流是负极性，在防雷设计中一般按负极性考虑常用计算波形：(1).双指数波00.5II第8页,共105页，2024年2月25日，星期天(2).等值斜角平顶波前0I第9页,共105页，2024年2月25日，星期天(3).等值半余弦波前0I0.5I第10页,共105页，2024年2月25日，星期天7.2雷电冲击波沿导线的传播1.波过程的定义在本课程中指电压波（或电流波）在输电线路、电缆、变压器、电机等电力设备上的传播过程2.波过程的特点

电压、电流不但是时间t的函数，而且也是空间位置x的函数，需要用分布参数电路来分析。3.分布参数电路的应用范围主要有两大类：长线路和高频电压（如雷电冲击电压波）第11页,共105页，2024年2月25日，星期天200km6000km(20ms)1500km(5ms)冲击波空气中波的传播速度为光速220kV线路的平均长度为200~250km冲击波波前在线路上的分布长度只有360m第12页,共105页，2024年2月25日，星期天波沿均匀无损单导线传播示意图t=0t=0第13页,共105页，2024年2月25日，星期天7.2.1波沿均匀无损单导线的传播1均匀无损单导线系统的波阻抗：线路各点电气参数完全一样；线路无能量损耗（R0=0，G0=0）单元等值电路：第14页,共105页，2024年2月25日，星期天设dt时间内，行波前进了dx距离，则长度为dx的线路被充电，充电电容为Codx，使其电位为U，在这段时间内，导线获得的电荷为：(1)充电电流第15页,共105页，2024年2月25日，星期天行波前进了dx距离，磁通的增加量：(2)（1）×(2)（2）÷(1)波速波阻抗(1)充电电流第16页,共105页，2024年2月25日，星期天由电磁场理论可知：∴

对架空线：

对油纸绝缘电缆：第17页,共105页，2024年2月25日，星期天波阻抗：是表征分布参数电路特点的最重要的参数，它是储能元件，表示导线周围介质获得电磁能的大小，具有阻抗的量纲，其值决定于单位长度导线的电感和电容，与线路长度无关。对单导线架空线，Z=500左右，考虑电晕影响取400左右，电缆的波阻抗约为十几欧姆至几十不等。W第18页,共105页，2024年2月25日，星期天比较波阻抗Z和R：

波阻抗是一个比例常数，其数值只与导线单位长度的电感和电容有关，与线路长度无关；而线路的电阻与线路长度成正比；

波阻抗是储能元件，它从电源吸收能量，以电磁波的形式沿导线向前传播，能量以电磁能的形式储存在导线周围的介质中；电阻是耗能元件，它从电源吸收的能量转换成热能而散失。

二者量纲相同，并且都和电源频率或波形无关，可见波阻抗是阻性的；第19页,共105页，2024年2月25日，星期天2均匀无损单导线的波动方程：电压沿x方向的变化是由于电流在L0上的电感压降；电流沿x方向的变化是由于在C0上分去了电容电流；负号表示在x正方向上电压和电流都将减少。第20页,共105页，2024年2月25日，星期天—前行电压波（入射波）—反行电压波（反射波）—前行电流波—反行电流波

注意：前行电压波和前行电流波表示电压和电流在导线上的坐标是以速度v沿x的正方向移动。反行电压波和反行电流波表示电压和电流在导线上的坐标是以速度v沿x的负方向移动。第21页,共105页，2024年2月25日，星期天电压波的符号只取决于导线对地电容所充电荷的符号，与电荷的运动方向无关电流波的符号不仅与相应电荷符号有关，而且也与电荷运动方向有关一般取正电荷沿x正方向运动形成的波为正电流波第22页,共105页，2024年2月25日，星期天行波计算的基本方程：第23页,共105页，2024年2月25日，星期天例题1：沿高度10m，半径为10mm的单根架空线有一个幅值700kV的过电压波运动，求电流波的幅值。解题：导线的波阻抗为：电流波幅值为：例题2：如还有一个幅值为500kV的过电压波反向运动，求两波叠加范围内导线上的电压和电流第24页,共105页，2024年2月25日，星期天反行波电流导线电压：导线电流：

I=1.56－1.11=0.45kA第25页,共105页，2024年2月25日，星期天7.2.2行波的折射和反射1折射波和反射波的计算A波未到达节点A时，线路1上有：

波到达节点A后，线路1上有：线路2上有：∵节点A上电压、电流的连续性∴第26页,共105页，2024年2月25日，星期天又∵∴—电压折射系数—电压反射系数第27页,共105页，2024年2月25日，星期天线路末端开路此时有：线路末端电压：电压反射波：末端电流：电流反射波：几种特殊情况：AA★末端开路时，末端电压波发生正的全反射，电流波发生负的全反射，电压反射波所到之处，线路电压加倍；电流反射波所到之处，线路电流变零。第28页,共105页，2024年2月25日，星期天线路末端短路（接地）此时有：线路末端电压：电压反射波：反射波所到之处：电流反射波：AA★末端接地时，末端电压波发生负的全反射，电流波发生正的全反射，电压反射波所到之处，线路电压变零；电流反射波所到之处，线路电流加倍。第29页,共105页，2024年2月25日，星期天★线路末端既没有电压反射波，又没有电流反射波，线路上电压电流波形保持不变。线路末端接负载（）此时有：AA第30页,共105页，2024年2月25日，星期天2集中参数等值电路AA第31页,共105页，2024年2月25日，星期天母线AR、L、CAR、L、C电压源等值电路AR、L、C电流源等值电路第32页,共105页，2024年2月25日，星期天建立集中参数等值电路（彼德逊法则）：入射波线路1用数值等于电压入射波两倍的等值电压源2和数值等于线路波阻抗的电阻串联来等效；R、L、C等其他集中参数组件均保持不变；

折射波线路2、3分别可以用数值等于该线路波阻抗路、的电阻来等效；彼德逊法则使用条件：

入射波必须是沿分布参数线路传来的；

节点A后面的线路中没有反行波，或节点A后面的线路中反射波尚未到达节点A时；第33页,共105页，2024年2月25日，星期天7.2.3行波通过串联电感和并联电容1.波穿过电感AA第34页,共105页，2024年2月25日，星期天其中：A第35页,共105页，2024年2月25日，星期天电压折射波的波前陡度：∵

∴

第36页,共105页，2024年2月25日，星期天电压反射波：—电感相当于开路—电感的作用完全消失第37页,共105页，2024年2月25日，星期天第38页,共105页，2024年2月25日，星期天2.波旁过电容AA第39页,共105页，2024年2月25日，星期天其中：A第40页,共105页，2024年2月25日，星期天电压折射波的波前陡度：电压反射波：第41页,共105页，2024年2月25日，星期天—电容相当于短路—电容的作用完全消失第42页,共105页，2024年2月25日，星期天第43页,共105页，2024年2月25日，星期天3.串联电感、并联电容对波过程的影响

波前被拉平，波前陡度减小，L或C越大，陡度越小；在无限长直角波作用下，L、C对电压的稳态值没有影响；各自的适用场合第44页,共105页，2024年2月25日，星期天7.3防雷保护装置7.3.1避雷针、避雷线1.保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的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。防雷保护装置：指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。第45页,共105页，2024年2月25日，星期天2.保护范围、绕击率雷击定向高度：雷电先导放电朝地面发展到某一高度H后，才会在一定范围内受到避雷针的影响而对避雷针放电，H称为定向高度。当h≤30m时，H=20h;当h＞30m时，H≈600m

绕击率：指雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的概率。我国有关规程推荐的保护范围对应于0.1%的绕击率。第46页,共105页，2024年2月25日，星期天3.适用范围

避雷针适宜于象变电所、发电厂那样相对集中的保护对象；避雷线主要用于架空线路那样伸展很广的保护对象。(消雷器)第47页,共105页，2024年2月25日，星期天4.单支避雷针的保护范围

水平面上的保护范围第48页,共105页，2024年2月25日，星期天≥＜在某一被保护物高度水平面上，其保护半径为：

—高度修正系数≤30m≤120m30＜

—避雷针高度，m第49页,共105页，2024年2月25日，星期天5.等高双避雷针的保护范围12

水平面上的保护范围第50页,共105页，2024年2月25日，星期天—两针联合保护范围上部边缘的最低点高度—在高度的水平面上，保护范围的最小宽度一般情况下取两针外侧的保护范围按单支避雷针的计算方法确定，两针中间的保护范围用下式求得：第51页,共105页，2024年2月25日，星期天6.单根避雷线的保护范围第52页,共105页，2024年2月25日，星期天≥＜单根避雷线的保护范围一侧宽度为：第53页,共105页，2024年2月25日，星期天保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角第54页,共105页，2024年2月25日，星期天7.3.2避雷器基本分类：避雷器是一种过电压限制器，它与被保护设备并联运行，当作用电压超过一定幅值以后避雷器总是先动作，泄放大量能量，限制过电压，保护电气设备。避雷器保护间隙管式避雷器阀式避雷器普通阀式避雷器（FS/FZ)磁吹阀式避雷器(FCZ/FCD)金属氧化物避雷器(MOA)第55页,共105页，2024年2月25日，星期天对避雷器的基本技术要求：●过电压作用时，避雷器要先于被保护设备放电，这需要由两者的全伏秒特性的配合来保证；●避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次过零时的工频续流，使系统恢复正常；0123P1－被保护绝缘2－保护间隙或管式避雷器3－阀式避雷器第56页,共105页，2024年2月25日，星期天1保护间隙和管式避雷器结构简单、价格低廉；熄弧能力弱、伏秒特性陡峭、难以与被保护设备配合，动作产生截波、不能保护带绕组的设备，主要用于10kV以下配电网线路的保护，往往与自动重合闸装置配合使用。保护间隙：

角形保护间隙1－主间隙;2－辅助间隙3－绝缘瓷瓶0过电压波绝缘上受到的实际电压波形保护间隙的伏秒特性第57页,共105页，2024年2月25日，星期天实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙。伏秒特性陡峭、动作产生截波、放电分散性大，主要用于输电线路上绝缘比较薄弱的地方和变电站、发电厂的进线段保护。管式避雷器：1－产气管；2－棒电极3－环电极4－导线S1－灭弧间隙S2－外间隙第58页,共105页，2024年2月25日，星期天2阀式避雷器阀式避雷器普通阀式避雷器（FS/FZ)磁吹阀式避雷器(FCZ/FCD)FS：配电型，适用10kV及以下配电网中电气设备的保护FZ：变电所型，适用220kV及以下变电所电气设备的保护FCZ：变电所型，适用330～500kV变电所电气设备的保护FCD：旋转电机型，适用旋转电机的保护第59页,共105页，2024年2月25日，星期天

第60页,共105页，2024年2月25日，星期天

原理结构图瓷套F—火花间隙R—非线性阀片电阻第61页,共105页，2024年2月25日，星期天主要特性参数▼额定电压▼工频放电电压▼灭弧电压▼冲击系数▼切断比▼冲击放电电压

动作过程第62页,共105页，2024年2月25日，星期天●保护比●残压

●保护水平●通流容量第63页,共105页，2024年2月25日，星期天结构特征●火花间隙：平板间隙和磁吹式间隙单个平板火花间隙：1－黄铜电极；2－云母垫圈；3－间隙放电区普通阀式避雷器的火花间隙由多个这种间隙串联而成第64页,共105页，2024年2月25日，星期天旋弧型磁吹间隙：主要用于FCD系列中1－永磁铁2－内电极3－外电极4－电弧灭弧栅型磁吹间隙：主要用于FCZ系列中1－磁吹线圈2－辅助间隙3－主间隙4－主电极5－灭弧栅6－分路电阻7－阀片电阻第65页,共105页，2024年2月25日，星期天●阀片电阻：SiC阀片和MOV阀片阀片的非线性伏安特性：00特点：流过小电流时（如工频续流），电阻大;流过大电流时（如雷电流），电阻小线性电阻阀片电阻理想情况第66页,共105页，2024年2月25日，星期天SiCMOVUI系统相电压

必须用火花间隙第67页,共105页，2024年2月25日，星期天金属氧化物避雷器第68页,共105页，2024年2月25日，星期天7.4变电所与线路的防雷7.4.1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)。

第69页,共105页，2024年2月25日，星期天

变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、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。第70页,共105页，2024年2月25日，星期天

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第71页,共105页，2024年2月25日，星期天发电厂和变电所的防雷保护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：第72页,共105页，2024年2月25日，星期天7.4.2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。第73页,共105页，2024年2月25日，星期天1避雷器与被保护设备连接一点第74页,共105页，2024年2月25日，星期天2避雷器与被保护设备不在一点

但是在变电所中不可能也没有必要在每个设备旁都装一组避雷器，一般只在变电所母线上安装避雷器，它除保护变压器外，还要对其他设备提供保护。这样，避雷器与各个电气设备之间就不可避免地要有一定距离的电气引线。在这种情况下，当阀式避雷器动作时，由于波的折射与反射，会使作用于被保护设备上的电压高于避雷器的冲击放电电压或残压，影响了避雷器的保护效果。第75页,共105页，2024年2月25日，星期天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。第76页,共105页，2024年2月25日，星期天绝缘冲击耐压水平应满足：阀式避雷器的保护距离：

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。第77页,共105页，2024年2月25日，星期天3变电所的进线段保护保证在靠近变电所的一段不长(一般为l～2km)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(l～2km)的线段上加装避雷线，使之成为进线段；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。第78页,共105页，2024年2月25日，星期天发电厂和变电所的防雷保护进线段的作用：

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第79页,共105页，2024年2月25日，星期天内部过电压通常以标幺值pu(perunit)表示基准取：—系统额定电压有效值—容许电压偏离系数对220kV及以下系统：对330~500kV系统：7.5电力系统内部过电压即系统的最大工作相电压幅值第80页,共105页，2024年2月25日，星期天7.5.1截流过电压截流现象：断路器在电流自然过零点之前强行切断电弧第81页,共105页，2024年2月25日，星期天1产生过电压的基本过程QF闭合时：工频电压下，iC<<iL

AQF~第82页,共105页，2024年2月25日，星期天设截流瞬间激磁电流为I0，电容上电压为U0，则：当全部磁场能量转化为电场能量时：第83页,共105页，2024年2月25日，星期天忽略截流时电容上储存的能量，则：—变压器的特性阻抗在一般变压器中，ZT很大，因而所以在近似计算中，完全可以忽略第84页,共105页，2024年2月25日，星期天切空变时过电压：第85页,共105页，2024年2月25日，星期天2影响过电压的因素断路器的性能变压器特性第86页,共105页，2024年2月25日，星期天3限制过电压的措施

断路器的主触头上并电阻减小变压器的特性阻抗采用纠结式绕组增大CT、采用优质铁芯减小IL或LT采用避雷器保护高值电阻，数万欧；

ZnO避雷器效果很好第87页,共105页，2024年2月25日，星期天7.5.2电弧重燃过电压1产生过电压的过程（以切空载长线为例）~QF第88页,共105页，2024年2月25日，星期天等值电路：—线路电感—发电机和变压器的漏感之和—线路对地电容QF~AQFB~第89页,共105页，2024年2月25日，星期天QF开断时：∵∴电流为容性，第90页,共105页，2024年2月25日，星期天第91页,共105页，2024年2月25日，星期天第一次重燃：第二次重燃：第92页,共105页，2024年2月25日，星期天2影响过电压的因素断路器的性能

电网中性点接地方式第93页,共105页，2024年2月25日，星期天3限制过电压的措施采用不重燃断路器触头加装并联分闸电阻分闸过程：主Q1先断开→R抑制回路振荡→

1.5~2周期后，辅Q2分闸Q1Q2Q1Q2第94页,共105页，2024年2月25日，星期天7.5.3弧光接地接地过电压1.发展过程SNABC第95页,共105页，2024年2月25日，星期天∝

故障点接地电流：电弧自熄过程：①很大→弧道电离程度高、介质恢复慢∴过零时电弧经暂时熄灭后很快重燃，可以认为电弧稳定燃烧，不致引起强烈振荡

②

很小→弧道电离程度低、介质恢复快∴过零时电弧熄灭后不重燃，永久熄弧

③

中等（数安～数百安）电弧暂时熄灭（工频半个周期），短时后再度击穿∴产生强烈振荡，故障相和健全相都产生过电压第96页,共105页，2024年2月25日，星期天35kV，总长大于100km时，10kV，总长大于