供企业供电第9章 过电压及其保护 (1).ppt

1、1,第九章 过电压及其保护,2,第九章 过电压及其保护,什么是过电压？ 电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常 电压升高。过电压属于电力系统中的一种电磁扰动现象。 电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承 受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地 运行。 在相对地或导线之间出现的，峰值超过设备最高电压 峰值的电压。,3,电力系统过电压可分为大气过电压和内部过电压。 大气过电压也称为外部过电压，主要是雷击线路产生 的瞬间系统电压升高。 内部过电压则是由于断路器的操作、线路故障或其他 原因使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量的转 化或传递所造成的电压升高，它主要包括

2、操作过电压和 谐振过电压。,4,91 大气过电压对供电系统的影响,大气过电压是由于大气中雷电的影响而产生。是指雷云 直接对地面设备放电或对电气设备附近的物体放电而在电气 设备上引起的过电压。 前者称为直接雷击过电压，后者称感应过电压。 发生雷击时，雷电压可高达数千万伏，雷电流可高达数百 千安，因此对电气设备具有很大的破坏性。 雷电产生的前提是雷云的形成，雷云对大地放电形成雷 电，雷云的形成必须具备以下三个基本条件： （1）空气中有足够的水蒸汽； （2）潮湿的空气能够上升并开始凝结为水珠； （3）气流能够强烈持久地上升。,5,1直击雷过电压,天空中密集的云块团因流动而产生摩擦，从而带有负电 荷或

3、正电荷，形成雷云。 因静电感应作用，在雷云下面的大地将感应出异性电 荷，二者形成一巨大电容器，当雷云附近的电场强度达到 25kV/cm30kV/cm时，空气开始游离，形成导电性 的通道，叫做先导放电通道。 雷云对大地放电，形成一段先导通路，称雷电先导。当 雷电先导达到离地约100m300m时，大地感应的异性 电荷更加集中，特别易于聚集在较突起部分或较高的地 面，形成迎雷先导。,6,当雷电先导与迎雷先导接触时，气隙被强电场瞬时击穿， 电荷发生强烈中和，出现极大的电流并发出声和光，即出现电 闪雷鸣（雷鸣是由雷电流加热周围空气使之骤然膨胀所致）， 这就是主放电阶段。 此时，电流可达数十万安，电压达数

4、百万伏，时间约50 100s。 主放电结束后，雷云中的残余电荷继续经放电通道入地，称 为余辉放电阶段。 余辉放电电流不大于数百安，持续时间为0.03s0.05s。,雷电的主要特点是： 电压高，电流大，释放能量的时间短。雷电流流过地面的被击物时，其电压可达几百万至几千万伏，电流达几十万安，因而它产生的破坏性大。,8,2感应雷过电压,当雷云来临时，雷云携带着大量的电荷，它们将产生静 电场。静电感应将在架空线相应位置上积累大量异性束缚 电荷。 当雷云在架空线附近对地放电时，特别是主放电阶段， 由于主放电电流很大且放电速度很快，因而在放电通道周 围产生很强的空间变化磁场，使导线上产生很高的感应电 压。

5、 主放电结束，线路上的束缚电荷释放而形成自由电荷。 自由电荷以电磁波的速度向导线两边流动，形成雷电流， 从而在线路上形成感应冲击波，使所到之处电压升高，这 就是感应过电压 。,感应过电压的幅值一般不300kV，个别可达500kV一 600kV，故危害较直接雷过电压要小，通常用避雷器保护即可。,导线上束缚电荷失去束缚开始向两侧自由流动，其电流在导线波阻抗上形成过电压,主放电发生后下行先导中负电荷全部被中和,感应雷过电压主要威胁到35kV及以下输电线路,避雷针与避雷线的应用范围,避雷针在变电所、发电厂等场合有广泛的应用（集中保护场合）。 避雷线适用于输电线路防雷（分布保护场合），在变电所里有时也在

6、电气主回路上空布置多条避雷线进行雷电防护。,5输电线路的防雷措施,13,这是110kV及以上电压等级线路的基本防雷措施。 其主要作用是最大程度上减小雷直击导线的概率。 另外当雷击塔顶时避雷线上的分流不但降低了塔顶电 位、而且通过对导线的耦合作用进一步降低了绝缘子串上 承受的电压； 避雷线对导线的屏蔽效应还降低了导线的感应过电压。 从而，装设避雷线的线路具有较高的对雷击塔顶的耐雷水 平。,（1） 架设避雷线,（1）330kV及500kV线路应沿全线架避雷线。 （2）220kV线路应沿全线架设避雷线。 （3）110kV线路一般沿全线架设避雷线，在雷电活动特 殊强烈地区，宜架设双避雷线。 （4）60

7、kV线路，负荷重要且所经地区年平均雷暴日数为 30以上地区，宜沿全线架设避雷线。 （5）35kV以上线路，一般不沿全线架设避雷线。 （6）装设避雷线的线路，杆塔上双避雷线对边导线的保护 角，330kV线路及双避雷线220kV线路，一般采用20左 右。山区单避雷线线路，一般采用25左右，500kV一般 不大于15。,现行规程对各级电压线路架设避雷线的要求有如下规定：,15,对于35KV及以下电压等级线路，即使发生雷击造成 短路 或接地故障后，故障电流也不是非常的大，一般不超 过5A。 所以对于35KV及以下电压等级线路，一般不采用全 线架设避雷线的方式。而是采用中性点不接地或者经消弧 线圈接地的

8、方式。这样就可以使得雷击造成的大多数单相 接地故障能够自动消除，不致引起两相短路和跳闸。 而在两相或三相遭雷击时，雷击引起第一相导线闪络并 不会造成跳闸，闪络后的导线相当于地线，增加了偶和作 用，使未闪络相绝缘子串上的电压下降，从而提高了耐雷 水平。,（2） 降低杆塔接地电阻,降低杆塔接地电阻，主要是为了将线路上雷击放电时的 雷电流导入大地，以加强线路上的耐雷水平。,(3) 增设耦合地线,（4） 采用消弧线圈接地方式,（5） 提高绝缘水平,（6） 装设自动置合闸 线路绝缘的自恢复性能使它在雷击造成线路跳闸后能很快自行消除故障。据统计，我国110kV及以上高压线路的自动重合闸成功率达7595，3

9、5kV及以下线路为5080。,(7)输电线路避雷器,对于雷击频繁的线路常使用线路避雷器加强保护,18,9.1.2 变电站的防雷,变电站是重要的电力枢纽，必须有可靠的防雷 保护。 变电站的雷害来源于3个方面： （1）雷直击于变电站的导线和电气设备。 （2）变电站避雷针（线）遭受雷击时产生的感应过电压和反击过电压。 （3）沿导线传来的入侵雷电波。,19,雷电直击变电所,雷电冲击波沿线路入侵,变电站雷击来源,20,变电所直击雷防护,避雷针在变电所内安装数根避雷针联合保护。 避雷线在变电所内主接线上方安装数根避雷线联合保护。,21,1、对直击雷的防护,避雷针在变电所内安装数根避雷针联合保护。 避雷线在

10、变电所内主接线上方安装数根避雷线联合保护。 将变电站的进线杆塔和室外电气设备全部置于避雷针 （线）的保护范围内。 当雷电先导发展到一定高度（定向）时，避雷针影响 雷电先导的发展方向，将其引导到避雷针（线）上，使雷 电击向避雷针（线），将雷电流泄入大地。 避雷针（线）的保护范围，以它能防护直击雷的空间 范围表示，保护范围的大小与避雷针的高度有关。,变电所直击雷防护独立避雷针,35kV及以下等级变电所必须安装独立避雷针。,图中的受保护区域并非100安全 受保护区域只是保证在该区域中雷击概率是很小的数值,单支避雷针的保护范围是由 折线构成的上、下两个圆锥形。,避雷针在地面上的保护半径 在任一保护高度

11、的保护半径 由下式确定：,高度为30m的避雷针，p=1.,独立避雷针受到雷击时，在接闪器、引下线和接地 体上都产生很高电位，如果避雷针与附近设施的距离不 够，二者之间便会放电，产生反击过电压。 所谓反击过电压就是在雷击时，避雷针向被保护物产 生放电现象。反击可能引起电气设备的绝缘被破坏，金 属管道被击穿，对某些建筑物甚至会造成爆炸、火灾和 人身伤亡。 为了防止避雷针产生的反击过电压，要注意避雷针与 保护物之间有一定的距离。,避雷针与被保护物之间的距离和电位。A点电压为：,不产生避雷针向被保护物 反击的空间距离：,规程规定sk不得小于5m。,即使未形成间隙，但如果接触不良，也会产生局部发热，这对

12、于存放易燃、易爆物的建筑物是比较危险的。消除这一现象的方法是将互相靠近的金属物体很好地连接起来。如果条件允许还可适当增大sk。,值得注意的是，雷击避雷针还会产生感应过电压，当雷电流击中避雷针时，在避雷针周围产生强大突变的电磁场，处在这一电磁场中的金属导体（如金属管路）会感应出电动势，从而使间隙ab产生火花放电。,28,2对入侵雷电波的防护,变电站的输入线路分布较广，线路上发生雷电过电压的 机会较多，当雷击于线路导线时，雷电冲击波沿导线流动 传到变电所。入侵雷电波是变电站主要雷害。,防护入侵波的主要装置是避雷器。 避雷器的选择，必须使其伏秒特性的上限低于变压器的 伏秒特性的下限，并且避雷器的残压

13、必须小于变压器绝缘 耐压所能允许的程度。 但是它们的数值都必须小于冲击波的幅值，以保证入 侵波能够受到避雷器放电的限制。,29,目前，允许的保护距离是按照典型变电站的接线进行 模拟实验决定的。,避雷器应尽量安装在电气上靠近主变压器的地方，这 是因为距离越远，变压器上的过电压幅值就越大。 为了防止过高电压对变压器绝缘造成损坏，规定了变压 器与避雷器之间的最大允许距离。,30,良好的非线性（提高保护水平）。 大的通流容量（能够吸收更强的雷电能量）。 小的工频续流（雷击时防止系统注入过大的电流）。 良好的伏秒特性（无论侵入波陡度如何都保证首先动作）。,对避雷器性能的要求,进线段将靠近变电所1km2k

14、m的输电线路划为进线段， 对进线段加强防雷保护以保证进线段（几乎）不发生雷击；当进 线段以外线路发生雷击后，侵入波在进入变电站之前通过进线段 后其波前陡度和幅值会进一步降低,3对进线段的防护,对于全线无避雷线的35kV变电所进线，当雷击于附近的 架空线时，冲击波的陡度必然会超过变电所电气设备绝缘所 能允许的程度，流过避雷器的电流也会超过5kA ，这是不 能允许的。所以，这种线路靠近变电所的一段进线（1 2km）上必须装设避雷装置。,33,在进线保护段装设避雷装置后，只有保护段外发生雷 击时才会有入侵波。 由于进线段本身的阻抗作用，流过避雷器的电流幅值 将得到限制，而沿导线的行波陡度也将由于冲击

15、电晕作用而降低。 由于避雷线长度为1km2km，行波在线段中往返一 次需要6.7 13.3 ，此时雷电波已经通过避雷 器，故不考虑反射波的作用。,34,当断路器或隔离开关在雷季可能经常断开而线路侧又 带有电压时，为避免雷电波在开路末端产生反射过电压， 应设置管式避雷器F3。 因为当行波在开路处上升为行波幅值的2倍时，将使开 关电器的绝缘支座对地放电，在线路带电压情况下引起工 频短路、烧坏支座，故应装设管式避雷器F3。 阀型避雷器F1起保护作用，避免变压器的开口电容与 线路电感经放电后的形成振荡回路，危及变压器的绝缘。,在ZnO阀片的侧面上釉是为了防止沿面放电。 表面镀铝的的作用是填满表面凹孔、

16、防止电流在局部过于集中。,ZnO避雷器中起主要作用的非线性电阻元件由多片ZnO阀片堆叠而成，根据电压等级的不同堆叠层数也不同。,阀型避雷器是由空气间隙和一个非线性电阻串联并装在密 封的瓷瓶中构成的。 在正常电压下，非线性电阻阻值很大，而在过电压时，其 阻值又很小，,避雷器正是利用非线性电阻这一特性而防雷的： 在雷电波侵入时，由于电压很高（即发生过电压）， 间隙被击穿，而非线性电阻阻值很小，雷电流便迅速进入 大地，从而防止雷电波的侵入。,当过电压消失之后，非线性电阻阻值很大，间隙又恢复为 断路状态。随时准备阻止雷电波的入侵。,37,内间隙（又称灭弧间隙）置于产气材料制成的灭弧管内，外间隙将管子与

17、电网隔开。,管式避雷器,雷电过电压使内外间隙放电，内间隙电弧高温使产气材料产 生气体，管内气压迅速增加，高压气体从喷口喷出灭弧。 管式避雷器具有较大的冲击通流能力，可用在雷电流幅值很 大的地方。 主要用于变电所、发电厂的进线保护和线路绝缘弱点的保护。,对于电压35kV，容量为3150kVA5600kVA的变电所，可 以根据供电的重要性和雷电活动情况，考虑采用避雷线长为 500m600m的进线保护段。 对负荷不很重要，容量在3150kVA以下的变电所，简化进线 保护方式。应当注意的是，不论怎样简化，阀型避雷器距变压 器和电压互感器的最大电气距离不宜大10m。,图9-15 35kV 简化进线保护

18、(a) 3150kVA以下；(b) 1000kVA以下,F1,F3,QF,1000kVA 及以下,R5,F1,F2,F3,QF,150240m,150200m,R5,3150kVA 及以下,(a),(b),39,电力系统和设备的接地，按其功能分为工作接地和保 护接地。 为保证电力系统和设备达到正常工作要求而进行的接 地，称为工作接地。如电源中性点的接地、防雷装置的接 地等。 为保障人身安全，防止触电而将设备的外露可导电部 分进行接地，称为保护接地。,9.3 变电站的保护接地,40,9.3.1变电站保护接地的作用,变电站接地是防雷接地、工作接地和保护接地三者的统一。 防雷接地是为了将强大的雷电流

19、引入大地，消除过电压对设 备的危害而设的接地。 工作接地是为了满足系统运行方式的需要，保证电力或电子 设备在正常或事故情况下能可靠工作而设的接地。 保护接地是为了防止设备因绝缘损坏造成不该带电部分带电 从而危及人身安全而设的接地。,（b）工作接地；,（a）工作接地,（c）保护接地,（d）共同接地,（e）重复接地,重复接地： 将零线上的一处或多处通过接地装置与大地再 次连接，称重复接地。,TN系统TN系统的电源中性点直接接地，并引出有中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中性线（PEN线），属于三相四线制或五线制系统。,保护接地,TT系统TT系统的电源中性点直接接地，并引出有N线，属三相四线制系

20、统，设备的外露可导电部分均经与系统接地点无关的各自的接地装置单独接地。,IT系统IT系统的电源中性点不接地或经1k阻抗接地，通常不引出N线，属于三相三线制系统。,IT系统及一相接地时的故障电流,保护接地的作用,当电气设备内部绝缘损坏发生一相碰壳时：由于外壳带电 , 当人触及外壳,接地电流 Ie 将经过人体入地后, 再经其它两相对地绝缘电阻R 及分布电容C 回到电源。当R 值较低、C 较大时，Ib 将达到或超过危险值。,对地绝缘电阻,分布电容,电气设备外壳未装保护接地时:,电气设备外壳有保护接地时,通过人体的电流：,Rb与Ro并联，且 Rb Ro 通过人体的电流可减小到安全值以内。,利用接地装置

21、的分流作用来减少通过人体的电流。,保护接地：将电气设备的金属外壳(正常情况下是不带电的) 接地。,单相触电电流通过的路径,电流通过人体的心脏，肺部、和中枢神经系统的危险性比较大，特别是电流通过心脏时危险最大。所以从手到脚的电流途径最为危险。,两相触电情境,两相触电比单相触电更危险，因为此时加在人体心脏上的电压是线电压！,变电站接地，一般采用等间距和不等间距网格接地，在 土壤电阻率比较高的地方还采用垂直接地极或者深井增加 等式接地面积。,2、变电所地面的电位分布,1、接地体；2、接地干线； 3、接地支线；4、设备,电气设备的某部分与土壤之间作良好的电气连接，称之为 接地。埋入地中并直接与大地接触的金属导体称为接地体， 连接接地体和电气设备接地部分的