电气安全第5章1.ppt

1、第五章 过电压及低压系统电涌保护,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、用电设备和电子信息设备危害大。,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，避雷器或电涌保护器。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。,第一节 过电压与设备耐压,一、过电压 1、过电压的分类,外部过电压能量来自于雷电，

2、通过各种途径耦合到电网中。 又称大气过电压、雷电过电压等。,操作过电压能量来自于操作过程中电网能量的转换和重新分配,谐振过电压能量来自于电网不同部分之间电、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，以上类别是根据能量的来源进行划分的。 按过电压的持续性，过电压还可作如下分类。,2、与过电压量值表达相关的两个术语 （1）系统最高电压Um。在正常运行条件下，系统可能

3、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）系统最高电压范围。 范围I：3.6kVUm252kV。 范围，Um 252kV。 注意不要低压系统的电压区段混淆。,3、过电压程度的工程表示方法。 （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，基值为最高相电压有效值，记为p.u.： （3）相对地操作与谐振过电压：同样用标幺值表述，基值为最高相电压幅值：,二、电气设备的耐压 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。 应考虑哪些形式的作用电压呢？ 根据设备实

4、际可能承受的过电压情况，确定出一些相对应的典型作用电压形式，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

5、击穿电压取值不同。,第二节 变配电所过电压保护,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。 避雷器：典型保护器件。 原理：先于被保护设备被击穿，释放过电压能量。,一、避雷器 1、类别与工作原理,（1）理想避雷器工作原理 压控非线性阻抗，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

6、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，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，造成停电事故；或避雷器本身会被烧坏或爆炸。,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。 厂家对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

7、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。,波头陡度对匝间绝缘的威胁,（3）阀式避雷器 阀可开、可关。 开：通流能力。 关：封闭能力。 1）结构：由阀片或阀片间隙串联组合而成。 SiC阀片：为非线性电阻。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。 ZnO阀片：接近理想“阀”特性，可不串联间

8、隙。,SiC阀式避雷器示例,实物图片,间隙结构,1间隙 2阀片,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漏电流达到100A。,2）工作原理及优缺点。 a）SiC阀式避雷器 正常时，由间隙隔断泄漏电流，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，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。,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。 常见类别,b）ZnO阀式避雷器 正常时，

9、阀片泄漏电流很小，可认为可靠关断。泄漏电流引起的阀片温升无热崩溃危险。 过电压到来时，导通度随电压升高而增大，即时泄放过电压能量，在完全导通前已经衰减了过电压幅值。 过电压过去后，阀片阻值增大，关断工频续流。,与SiC阀式避雷器对比： 特点：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。,各类避雷器动作比较,a）保护间隙 b）管式避雷器 c）SiC阀式避雷器 d）ZnO阀式避雷器,2、SiC阀式避雷器主要电气参数 （1

10、）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

11、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。,3、氧化锌阀式避雷器主要电气参数 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

12、电压已升高为线电压，避雷器的热承受力已经下降，此时释放雷电过电压能量的能力降低，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

13、都表示避雷器由截至变为导通的临界点，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。,二、变配电所的外部过电压防护 （一）阀式避雷器的保护原理 1、保护有效性的必要条件 （1）避雷器保护

14、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,0,3）变压器耐雷能力的表征。 为什么不直接用冲击

15、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。 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。,（二）变配电所电气设备的过电压保护 变压器为最弱

16、设备，其他设备耐压强于变压器。只要变压器受到可靠保护，其他设备应无问题。 （三）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,三、10/0.38kV变配电所过电压防护示例 以供配电系统最常见的室内10/0.4kV变配电所为例，从以下两方面介绍过电压保护设计所需考虑的问题。 （1）保护设置。 （2）参数配合。过电压与设备耐压的配合，设备耐压与避雷器参数的配合。,1、保护措施 进线段保护设置。 变压器保护设置。 低压侧IT系

17、统中性点过电压保护设置。 低压侧TN系统过电压保护设置正变换，逆变换。,2、参数配合 10kV配电设备耐受电压的选择。 1min工频耐压：相地42kV/相间42kV。 1.25/50s雷电冲击耐压：75kV。 错误示例：选择符合欧盟标准的12kV配电设备： 1min工频耐压：相地28kV/相间42kV； 1.25/50s雷电冲击耐压：60kV/75kV。 不适用于中国小接地10kV系统。,第三节 低压系统常见电压异常的危害与防护,一、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量值大小分析 中性线断线、三相负荷不平衡。,假设负载为纯电阻,3、中性点