5 电力系统大气过电压及保护-1

1、第二篇电力系统过电压及其防护,第五章 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 输电线路的防雷措施 5 发电厂和变电所的防雷保护 6 变压器的防雷保护,1 雷电放电过程及雷电参数,1.1 雷电放电的等值电路 1.2 雷电流波形 1.3 雷电日与雷电小时 1.4 地面落雷密度和输电线路落雷次数,1.1雷电放电的等值电路,1.1雷电放电的等值电路（续1）,研究表明：先导通道具有分布参数的特征。 假定它具有均匀的电路参数，其波阻抗为 ，那么雷击大地的过程：把先导放电的发展看成是一根均匀分布电荷长导线自雷云向大地延伸，而将先导头部临近

2、地面时气隙被击穿看成是开关突然合闸，若土壤电阻率为零，则先导通道的对地电位为 ，由彼德逊法则可得如图5.1等值电路。,1.1雷电放电的等值电路（续2）,流经物体的电流与被击 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,1.1 雷电放电的等值电路（续3）,1.1 雷电放电的等值电路（续4）,规程建议雷电通道的波阻抗为300400 雷电流为非周期冲击波，其幅值与气象、自然条件等有关，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律 为雷电流的峰值（kA）；P为峰值超过 的雷电流的概率。,1.2 雷电流波形,我国规定在防雷设计中采用2.6/40s的波形，波长对防雷计算结果几乎无影响，

3、为简化计算，一般可视波长为无限长 雷电流陡度对过电压有直接影响，DL/T620-1997规定雷电流波前的平均陡度为 电气设备的防雷保护中一般均按负极性进冲击过电压波进行分析,1.2 雷电流波形（续1）,经简化和典型化后得到三种常用计算波形,1.2 雷电流波形（续2）,标准冲击波形 斜角平顶波 等值半余弦波,1.3 雷电日与雷电小时,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或一个雷电小时 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 各个地区雷电活动的强弱因纬度、气象等不同而有很大的

4、差异。,1.4 地面落雷密度和输电线路落雷次数,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，用 （ 单位：次/平方公里雷电日）表示 为雷暴日数。为了评价不同地区防雷系统的防雷性能，须将它们换算到同样的雷电频度条件下进行比较DL/T620-1997取40个雷电日作为基准。 输电线路年平均遭受雷击的次数 单位：次/100公里年,2 防雷保护装置,2.1 避雷针和避雷线 2.2 避雷器 2.3 防雷接地,2.1 避雷针和避雷线,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

5、从而使被保护物体免遭雷击。 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，它是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围。 避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击,2.1 避雷针和避雷线（续1）,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,2.2 避雷器,避雷器的作用是限制

6、过电压以保护电气设备。 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 避雷器的种类： 保护间隙： 用于限制大气过电压。一般用于配电 管型避雷器：系统、线路和发、变电所进线段保护 阀型避雷器：发电厂、变电所保护；220kV 以下用于限制大气 过电压，超高压系统用于限制内过电压或做内过电压后备保护 金属氧化物避雷器（MOA）：,2.2 避雷器（续1）,保护间隙 当雷电波入侵时： 间隙先击穿、工作母线接地 过电压消失后： 间隙中仍有由工作电压 所产生的工频电弧电

7、流 续流 缺点：灭弧能力差，造成 线路跳闸,2.2 避雷器（续2）,2. 阀型避雷器 （1）基本元件 火花间隙 火花间隙的并联电阻 阀片（非线性电阻） 阀片的作用：限制工频 续流，保证火花间隙可靠熄弧； （希望电阻大些） 当雷电过电压击穿时，电压不至 于突然下降形成截断波（为了降低残压要求电阻小些）,2.2 避雷器（续3）,（2）工作原理 当电力系统正常工作时，间隙将阀片与工作母线隔离； 当系统中出现过电压时，过电压峰值超过间隙放电电压，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，故在阀片上产生的压降（残压）将得到限制。 当过电压消失后，间隙上流过工频续流，此续流受阀片非线性电阻特性的限制

8、远较冲击电流小，使间隙能在工频续流第一次过零时将电流切断。继电保护来不及动作系统就已恢复正常。 （3）主要参数,2.2 避雷器（续4）,3. 金属氧化物避雷器,2.2 避雷器（续4）,（1）MOA的主要优点 无间隙 无续流 电气设备所受过电压可降低 通流容量大 特别适用于直流保护和SF6电器保护 （2）MOA的电气特性,2.3 防雷接地,1. 接地、接地电阻、接地装置 （1）接地与分类 接地是指将地面上的金属或电气回路中的某一节点通过导体与大地保持等电位 在没有电流流过时，大地具有零电位。 分类： 工作接地：根据系统正常运行要求设置（0.510） 保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等

9、接地，它在故障条件下才发挥作用（110） 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（130）,2.3 防雷接地（续1）,2.3 防雷接地（续2）,（2）接地装置 垂直接地体 水平接地体 接地网,2.3 防雷接地（续3）,2. 防雷接地及有关计算 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 常用冲击系数表示冲击接地电阻与工频接地电阻关系,3. 输电线路的防雷保护,3.1 输电线路的感应雷过电压 3.2 输电线路直击雷过电压 3.3 输电线路的雷击跳闸率,3. 输电线路的防雷保护（续1）,雷击过电压分类：

10、感应雷过电压、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 耐雷水平：雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值 雷击跳闸率：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,3. 输电线路的防雷保护（续1）,输电线路防雷四道防线 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,3.1 输电线路的感应雷过电压,一、雷击线路大地附近时，线路上的感应雷过电压 1. 感应雷过电压的产生（静电感应和电磁感应）,3.1 输电线路的感应雷过电压（续1）,2.

11、无避雷线时的感应雷过电压 规程建议：当雷击点与电力线路之间的水平距离d65m时，导线上的感应雷过电压的最大值为 雷击点接地电阻较大，最大雷电流幅值可采用I100kA进行估算 感应雷过电压极性与雷云的极性相反 相邻导线同时产生相同极性的感应雷过电压，因此相间不存在电位差，只存在对地闪络的可能，但如果两相或三相同时对地闪络，就会转化为相间闪络事故 在d50m以内雷将被线路吸引而击中线路本身,3.1 输电线路的感应雷过电压（续2）,3. 有避雷线时的感应雷过电压 当导线上方挂有接地的避雷线时，由于先导电荷产生的电力线有一部分被避雷线截住，即避雷线的屏蔽作用，因而导线上的感应束缚电荷减少，相应的感应电

12、压也减少。 导线上的实际感应雷过电压为,3.1 输电线路的感应雷过电压（续3）,二、雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压 雷击杆塔时，由于雷电通道所产生的电磁场的迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压。 规程（DL/T620-1997)建议：当无避雷线时，对一般高度（约40m以下）的线路可用下式计算感应雷过电压最大值： a为感应过电压系数（kV/m），数值上等于雷电流的时间陡度平均值，即aI/2.6（kV/s） 有避雷线时，由于屏蔽作用，感应雷过电压应为：,3.2 输电线路直击雷过电压,3.2 输电线路直击雷过电压（续1）,1. 雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平,3.2 输电线路直击

13、雷过电压（续2）,塔顶电位幅值： 导线电位幅值： 由两部分组成：耦合电压（避雷线与导线之间的耦合， 与雷电流同极性） 感应电压（雷电通道电磁场的作用， 与雷电流异极性，即雷击 有避雷线的杆塔时的感应过电压）,3.2 输电线路直击雷过电压（续3）,线路绝缘子串上两端电压 耐雷水平 有避雷线 无避雷线,3.2 输电线路直击雷过电压（续3）,线路绝缘上电压的幅值随雷电流增大而增大，当大于绝缘子串的冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔电位较导线电位高，故称为“反击”。 工程实用中往往以降低Ri和提高k（将单避雷线改为双避雷线，或在导线下方增设架空地线称耦合地线）值作为提高输电线路耐雷水平的

14、主要途径。 距避雷线最远的导线，其耦合系数最小，一般较易发生反击。,3.2 输电线路直击雷过电压（续4）,2. 雷击避雷线档距中央时的过电压,3.2 输电线路直击雷过电压（续5）,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,3.2 输电线路直击雷过电压（续6）,雷击避雷线档距中央时，雷击处避雷线与导线之间的空气间隙上的电压与耦合系数、雷电流陡度以及档距长度有关，当此电压超过空气间隙的放电电压时，间隙将被击穿造成短路事故。 规程DL/T620-1997认为对于一般档距的线路，如果档距中央导、地线间的空气距离满足下列经验公

15、式，则一般不会发生击穿事故,3.2 输电线路直击雷过电压（续6）,3. 雷绕过避雷线击于导线时的过电压,3.2 输电线路直击雷过电压（续7）,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,3.2 输电线路直击雷过电压（续8）,DL/T620-1997认为 故 根据DL/T620-1997的计算方法，35、110、220、330kV线路的饶击耐雷水平分别是3.5、7、12和16kA左右，其值较雷击杆塔时耐雷水平小得多。,3.3 输电线路的雷击跳闸率,输电线路着雷时，什么情况下才会引起线路跳闸停电呢？ 雷电流必须超过线路耐雷水平，才能引起线路绝缘发生闪络 雷电流沿闪络通道入地，并且工

16、频短路电流的电弧持续燃烧 线路才会跳闸停电,3.3 输电线路的雷击跳闸率,1. 建弧率 2. 有避雷线线路雷击跳闸率的计算 （1）雷击杆塔时的跳闸率 （2）绕击跳闸率 （3）线路的雷击跳闸率 次/100km年,4 输电线路的防雷措施,1. 架设避雷线 2. 降低杆塔接地电阻 3. 架设耦合地线 4. 采用不平衡绝缘的方式 5. 自动重合闸 6. 采用消弧线圈接地方式 7. 架设线路避雷器 8. 加强绝缘,小结,注意： 不同的雷击方式对线路绝缘的影响不同 感应雷引起导线对地的闪络； 反击和绕击引起绝缘子串的闪络； 雷击避雷线档距中央引起相间空气间隙的击穿。,5 发电厂和变电所的防雷保护,5.1

17、发电厂、变电所的直击雷保护 5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护 发电厂和变电所是电力系统的中心环节，它们的防雷保护必须是十分可靠的。,5.1 发电厂、变电所的直击雷保护,为了防止雷直击于发电厂 、变电所，可以装设避 雷针，使所有的设备都 处于避雷针的保护范围， 此外，还应采取措施， 雷击避雷针时的反击事故。,5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,（1）避雷器与被保护设备连接一点 避雷器上的两个峰值电压： 最大残压值 避雷器的冲击放电电压,5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,分析用避雷器上电压波形,5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,（2）避雷器与被保护设备不在一点,5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,（3）变电所的进线段保护,5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,6 变压器的防雷保护,6.1 三绕组变压器的防雷保护 6.2 自耦变压器的防雷保护 6.3 变压器中性点的保护,6.1 三绕组变压器的防雷保护,当变压器高压侧有雷电波入侵时，通过绕组间的静电和电磁耦合，在其低压侧将出现过电压。当低压绕组开路时，低压绕组的静电感应分量可达到很高的数值，将危及绝缘。考虑到静电感应分量将低压绕组三相的电位