第10章 系统过电压及保护.ppt

1、第10章 系统过电压及电涌保护,过电压指系统出现了超过正常电压范围的高电压值。过电压主要对线路、配电设备和变压器危害大，低压系统中特定类型过电压对用电设备和环境也有危害。 电涌是一种能量脉冲，以过电压或过电流形式表现。电涌主要对低压系统和用电设备危害大。,学习本章的基本思路： （1）一对矛盾过电压与设备耐压。 过电压：加害者及加害强度； 设备耐压：受害者的承受能力。 第三方保护器件，主要为避雷器。调和以上矛盾。 （2）电压是电场能量在电路中的表征参量，注意从能量转换与传递的角度理解过电压过电压。,第1节 过电压与设备耐压,10.1.1 过电压类型,操作过电压能量来自于操作过程中能量的转换和重新

2、分配,谐振过电压能量来自于系统不同部分之间电、磁能量的来回转换。,工频过电压能量直接来自于系统电源,外部过电压能量来自于雷电，过电压大小与系统标称电压无关，因此对中、低压系统危害特别大。 内部过电压能量来自于系统本身，过电压程度与系统标称电压密切相关，因此对超高压和特高压系统危害特别大。,电压是电场能量在电路中的表征参量，以上分类是根据能量的来源进行的。 按过电压的持续性，过电压还可作如下分类。,10.1.2 过电压量值的一些工程表示方法 1）系统最高电压Um。在正常运行条件下，系统可能出现的最大电压值，但不包括瞬变电压。 对中压系统，Um一般为系统标称电压UN的1.2倍。 2）系统最高电压范

3、围。 范围I：3.6kVUm252kV； 范围，Um 252kV。,2）过电压程度的表述。 （1）大气过电压：直接用电压值表述。 （2）相对地工频过电压：用标幺值表述，基值为有效值，记为p.u.： （3）相对地操作与谐振过电压：同样用标幺值表述，基值为幅值：,10.1.3 电气设备耐压 重要概念1：电气设备耐压与作用于其上的电压形式和作用时间、作用次数等密切相关。 作用于其上的电压作用电压。 考虑哪些形式的作用电压？根据设备实际可能承受的过电压情况，确定出一些典型的作用电压形式，并以工程标准的形式发布推行。,重要概念2：与标准作用电压相对应，规定了一系列标准耐受试验，通过这些试验，可得出设备绝

4、缘在不同情况下的耐受电压能力，如： 最高工作电压：能长期承受的工频电压上限值，由持续工频耐压试验确定。 1min短时工频耐压：由短时工频耐压试验确定，考察对暂时过电压承受能力。 雷电冲击耐压：由1.25s/50s冲击耐压试验确定，考察对雷电过电压的耐受能力。,作用电压及耐受试验（1）,作用电压及耐受试验（2）,设备耐压参数示例（电压互感器）,气体绝缘冲击耐压的伏秒特性： 表明击穿时间与电压量值的关系。 注意波前击穿与波尾击穿电压取值不同。,第2节 避雷器,过电压与设备耐压是一对矛盾。 设备耐压强于过电压，无击穿危险。 设备耐压不及过电压，会被击穿。 怎么办？ 保护呀降低过电压，找替死鬼。 避雷

5、器：替而不死的替死鬼。 原理：先于被保护设备被击穿，释放过电压能量。,10.2.1 类别与工作原理,1、理想避雷器工作原理 压控非线性电阻，阻抗无穷大或零。,2、保护间隙与管式避雷器 1）保护间隙。特性陡峭、灭弧能力不强、动作后有截波现象，安装在室外，以泄放能量为主要任务,各种形式的保护间隙产品,图8-12 保护间隙 a) 双支持绝缘子单间隙 b) 单支持绝缘子单间隙 c) 双支持绝缘子双间隙 s 保护间隙 s1 主间隙 s2 辅助间隙,2）排气管式避雷器。灭弧能力提高，其他改进不大。 工频续流、短路电流校合及截波问题。,工频续流 过电压过去后，避雷器仍处于导通状态，在系统正常工作电压作用下，

6、会产生对地工频电流。 三相避雷器同时对地导通，相当于三相短路。因此，工频续流相当于三相短路电流。 避雷器应该快速熄灭工频续流。否则，系统继电保护会动作跳闸，从而造成停电事故。,排气管式避雷器短路电流校合 工频续流即避雷器安装处短路电流。 该电流过小，电弧强度不够，排气管产气量不足以吹灭电弧，使工频续流持续存在。 该电流过大，产气过多，会使排气管爆炸。 对给定的管式避雷器，会给出一个允许的短路电流范围。若安装处实际短路电流在该范围内，即为合格。确认是否合格的过程，称为管式避雷器短路电流的校合。,截波的危害 电压从一个较大值急剧下降，称为电压截波。电压截波对设备的纵绝缘威胁较大。 纵绝缘：同一相间

7、的绝缘，如匝间绝缘。 横绝缘：相与相间、相与地间的绝缘。 管式避雷器导通后，导通阻抗很小，相当于对地短路，使电压急剧下降，产生截波。,3、SiC阀式避雷器 阀可开、可关。 开：通流能力。 关：封闭能力。 1）结构：由阀片和间隙串联组合而成。 阀片：SiC材料，为非线性电阻，起开、关电路的作用。 SiC阀片缺陷：关不严。在正常工作电压作用下，会产生较大泄漏电流。 解决办法：串联间隙。,各种阀片与线性电阻的伏安特性。 注意SiC阀片在正常工作电压作用下泄露电流达到100A。,2）工作原理。 正常时，由间隙隔断泄露电流，保证阀片不损坏。 过电压到来时，间隙放电击穿，通过阀片电阻泄放过电压能量。电流大

8、，电阻小。由于阀片电阻的存在，电压下降陡度变缓，不会出现截波。 过电压过去后，阀片电阻随电流减小而增大，以正反馈方式快速切断工频续流。,3）主要优缺点。 优点：工频续流不超过半个周期，无截波。 缺点：间隙响应时间长，阀片通流容量小，不能用于内部过电压防护。 4）常用类别。,5）主要电气参数 （1）额定电压。为保证工频续流电弧在第一次过零时熄灭，所允许加在避雷器上的最高工频电压。又称灭弧电压。 用途：避雷器的工作电压应低于该电压。 （2）工频放电电压。使避雷器发生放电的最低工频电压。 用途：避雷器安装处的内部过电压不能高于该电压。被保护设备工频耐压不应低于该电压。,（3）冲击放电电压。在标准波形

9、冲击电压作用下，恰好使避雷器发生放电的电压幅值。一般按雷电冲击电压波形给出。 用途：该电压应该低于被保护设备的冲击耐压。 （4）残压。避雷器导通后，冲击放电电流在避雷器阻抗上产生的压降。 残压与避雷器通过的电流大小有关，标准规定为5kA（220kV以下系统）。 用途：残压是避雷器的限压效果，被保护设备承受的电压不会低于残压。,（5）通流容量。指避雷器泄放雷电流的能力。标准规定应达到通过20s/40s、峰值5kA冲击电流和100A工频半波电流各20次。 用途：保护元件自身的承受能力问题。 示例：几种SiC阀式避雷器的参数见下页。,4、氧化锌阀式避雷器（MOA） 1）与SiC阀式避雷器对比： 特点

10、：氧化锌阀片特性接近于理想“阀”的特性，正常工作电压作用下泄漏电流很小，可取消串联间隙。 优点：响应快、无续流、通流容量大、耐重复动作、耐重载。 用途：除适用于SiC阀式避雷器传统应用领域外，还可用于陡波保护和内部过电压保护。,2）主要参数。 MOA等同采用IEC标准命名参数，且没有间隙，因此有些参数名称不同于SiC阀式避雷器，个别参数同名不同义，有些参数测量方法不相同，应注意区分。,（1）额定电压。避雷器吸收规定的过电压能量（而不致发生热崩溃）之前所允许短时加在避雷器上的最高电压。 避雷器可能在轻度工频过电压情况下承受雷电过电压 。如小接地系统发生单相接地时，相地电压已升高为线电压，避雷器的

11、热承受力已经下降，此时对雷电过电压能量的释放能力降低，额定电压就限定了这种能力降低的程度。 MOA不能在额定电压下长期工作！,2）最大持续运行电压。避雷器能长期承受的最高电压。 这是与避雷器寿命相关联的一个参数。 电压高泄漏电流大发热大温度高寿命短 寿命定温度限发热限泄漏电流限电压限 避雷器多安装于系统电源端，因电压调整等原因，电源端运行电压可能长期高于标称电压。该参数正是表明了避雷器长期承受这种偏高的运行电压的能力。,3）起始动作电压U1mA。超过这个电压，避雷器将快速进入导通状态。这个电压所对应的泄漏电流大致为1mA。 该电压类似于SiC避雷器的放电电压，它们都表示避雷器由截至变为导通的临

12、界点，但MOA没有间隙，不存在放电问题，因此用动作电压表征。,4）残压。与SiC避雷器类同，分三种情况。 （1）雷电冲击下残压：8s/25s、峰值5kA电流作用下的阀片电压。 （2）操作冲击下残压：30100s/60200s、峰值0.5kA、1kA、2kA电流作用下的阀片电压。 MOA可用作防内部过电压，因此需考察这一参数。 （3）陡波冲击下的残压：1s/5s、峰值5kA电流作用下的阀片电压。,5）通流容量。与SiC避雷器概念相同，测试波形和方法不同，可见产品样本。,第3节 传输线上波过程,瞬态过电压都是以行波的形式作用在系统上的。 2.3.1 传输线及特性 1、集中与分布参数电路 关键：电路

13、尺寸与电磁波波长的相对大小。 为什么尺寸如此重要？,2、集中与分布参数电路的主要区别 集中参数电路：电流、电压只是时间的函数，在一个支路范围内与位置无关。 u=u（t），i=i（t） 分布参数电路：电流、电压不仅是时间的函数，还是位置的函数，即： u=u（x，t），i=i（x，t） 因此，分布参数电路中没有节点、支路等概念，KCL、KVL不再成立。,3、传输线 1）定义。若线路长度远大于工作于其上的电磁波波长，则称该线路为传输线。 传输线是一种特殊的分布参数电路。 2）传输线的波阻抗。传输线上某一点同向传输的电压电流之比，叫做该点的波阻抗。 Z（x）=u（x，t）/i（x，t） 波阻抗也是一个

14、位置的函数。 解释线性传输线，均匀传输线，传输线的波阻抗。,3）传输线上某一点和紧邻的下一点上电流都可能不同，说明传输线上可以有净电荷的集聚。 4）波阻抗只表明某一点上电压和电流的比例关系，但并不表明存储或消耗能量，因此与集中参数电路中的阻抗有本质的差异。 5）传输线的等效电路。 如何用集中参数电路的方法去分析实为分布参数电路的传输线？ “长”与“短”的相对性及条件转换。,传输线的集中参数等效电路 无限分割级联组合,4.3.2 传输线上的行波 1）对行波的理解。 整体看：传输线比作铁路，行波就好比火车。 就传输线上任一固定点看：该点上电压（流）随时间的变化，表明不同时刻通过该点的电压（流）行波

15、的大小。 行波实际表明了能量在空间的传输。 2）行波波速 v2=1/（L0C0）=1/（00 ）,3）行波的折射与反射。当传输路径上波阻抗变化时，由于电场与磁场能量的重新分配，会产生波的折射与反射现象。 电流波：表明了磁场能量的传播。 电压波：表明了电场能量的传播。 波阻抗：表明了磁场与电场能量的比例。 根据能量守恒定律，波阻抗变化时，会发生电场和磁场能量的转换，使电流波和电压波发生变化。 4）示例。,末端短路,末端开路,第4节 输电线路大气过电压防护,4.4.1 感应雷过电压 产生条件：输电线路上空的雷云向线路附近大地放电。 产生过程：（下页图） 过电压成分：静电感应过电压和电磁感应过电压。

16、,感应雷形成的解释,静电荷释放（本为过电流）产生过电压的解释,4.4.2 直击雷过电压 1、直击杆塔 1）杆塔高电位，导线低电位，可能使绝缘子放电。 2）避雷线分流雷电流，通过磁场耦合至相导线，使相导线产生过电压（这倒有助于降低绝缘子上过电压），该过电压行波进入变电站，会对站内设备造成威胁。,2、直击避雷线 避雷线上过电压耦合至相导线，使相导线上也产生过电压。耦合过电压越大，对线路绝缘子越有利，但对变电站越不利。 雷绕击相导线，与雷击避雷线道理相同。,4.4.3 输电线路防雷措施 1、架设避雷线 降低相导线受直接雷击概率，降低线路绝缘子过电压程度。 2、降低杆塔接地电阻 减少反击相导线概率。一

17、般为1030。 3、加强线路绝缘 双刃剑，能提高线路耐雷水平，但不能降低过电压，对变配电所带来威胁。,4、中性点不接地或经消弧线圈接地 5、装设管式避雷器 6、装设自动重合闸装置。,第5节 变配电所雷电过电压防护,4.5.1 阀式避雷器的保护作用 1、保护有效的必要条件 （1）避雷器保护特性与被保护设备耐压特性配合。（指击穿时间特性） （2）避雷器残压应低于被保护设备冲击耐压。 该两条必要条件充分吗？取决于被保护设备和避雷器是否承受相同的电压。,2、距离的影响,避雷器电压uA,变压器电压uT,避雷器冲击放电电压Ush,1）分析关注的重点：避雷器上电压uA与变压器上电压uT的不同。 变压器上承受

18、的最高电压为 避雷器上承受的最高电压为Ush。 变压器承受电压高出避雷器的部分与雷电波陡度、波速和两者距离有关。,雷电波陡度、波速都是外界因素。因此，避雷器和被保护设备安装距离成为工程设计时考虑的主要因素。 2）变压器实际承受的电压波形,3）变压器耐雷能力的表征。 为什么不直接用冲击耐压？ 避雷器动作后，变压器实际承受的不再是一个完整的雷电波，而是一个震荡过电压波形，其作用与截波较为类似。 工程上一般以变压器的多次截波耐压作为变压器耐受雷电过电压的能力。多次截波耐压记作为Uit。 如：35kV变压器多次截波耐压为196kV，而同级FZ避雷器残压为134kV。,4）变压器与避雷器间最大安装距离。

19、 由以上分析，保护有效的条件是 因此，变压器和避雷器之间最大允许距离为,小结：在避雷器保护特性与变压器耐压特性正确配合，以及避雷器残压与变压器截波耐压正确配合的前提下，还必须控制避雷器与变压器的安装电气距离，才可使变压器得到有效保护。,4.5.2 变配电所进线段保护 进线段：变配电所前12km这段架空线。 保护措施：架设避雷线，降低雷电能量直接向相导线释放的概率；装设管式避雷器，泄放雷电能量，降低过电压。,35kV变电所简化进线段保护示例 解释F2、F1和F的作用。,第6节 内部过电压防护简介,4.6.1 切除空载变压器引起的过电压 过电压产生的位置：变压器相与地之间，被切除变压器的断路器端口

20、间。 过电压产生的机理：电流被突然切断，未释放的磁场能量转换成电场能量。 为什么是“空载”？能量耗散途径更少。 具体原因：电流“截流”从某个量值突降为零，即电弧在非过零时息弧。,1、等效电路模型及分析,截流示意,初始条件：,令：,解以上电路方程，得电压震荡波：,电压震荡波幅值为：,可见，过电压幅值与截流大小、截流出现时电压大小和空载变压器特征阻抗有关。,断路器开口处的过电压为：,也是一个振荡过电压，频率一般远高于工频。在介质恢强度复初期，过电压可能击穿端口使变压器重新导通，能释放掉部分过电压能量。,防护办法：加大电容减小特性阻抗；连接电阻吸收能量。（见图）,4.6.2 间隙电弧接地过电压 小接

21、地系统单相接地时，接地点拉起电弧，但电弧不稳定，时断时续，叫做间隙性电弧接地。 间隙性电弧接通瞬间，因电容电压与外加电系不一致，会产生一个很大的充电电流，使电容上存储电荷。接下来电弧熄灭，存储电荷无从释放，产生直流偏置。直流偏置与交流过电压产生迭加，使相地过电压值大于稳定接地过电压。一般故障相过电压约2p.u.，健全相可高达3.5p.u。,4.6.3 中性点位移 1、中性点位移概念 本质：电气上的“中性点”与电路中的“节点”的对应关系变化。 典型现象：Y接负载星接节点不再是电气中性点，使得各相电压不再相等。 自学复习：中性点概念。 辩异：“中性点位移”与 “中性点对地电压偏移”。,2、中性点位移产生原因及大小分析 中性线断线、三相负荷不平衡。,假设负载为纯电阻,3、中性点位移后果及防护 是一种差模（相间）与共模（相对地）混合过电压形式。差模形式是