第五章：過電壓保護.

1、第五章：過電壓保護主講：張勝宏“過電壓”的定義：電力系統(tǒng)運行中，出現(xiàn)危及電氣設(shè)備絕緣的電壓稱為過電壓。第一節(jié) 過電壓概述 過電壓的產(chǎn)生 雷擊 電力系統(tǒng)中的操作 電力系統(tǒng)故障過電壓對電力系統(tǒng)的安全運行危害 雷擊：造成人員傷害 電力線路或電氣設(shè)備絕緣損壞 中斷供電 引起火災(zāi) 內(nèi)部過電壓：電氣設(shè)備絕緣擊穿損壞1.2 過電壓分類 直擊雷過電壓 雷過電壓 感應(yīng)雷過電壓 （大氣、外部）雷電入侵波過電壓 工頻過電壓過電壓 線性諧振過電壓 諧振過電壓 非線性諧振過電壓 參數(shù)諧振過電壓 內(nèi)部過電壓 切、合空載長線路過電壓 操作過電壓 切、合空載變壓器過電壓 開斷感應(yīng)電動機過電 開并聯(lián)電容器過電壓 弧光接地過電壓

2、1.3雷電過電壓 雷云的形成：干燥天氣中的運動小車可能發(fā)產(chǎn)生靜。太陽使地面熱空氣和水蒸汽上升，在高空變冷使水蒸汽結(jié)團下降，又被熱的上升空氣分裂、摩擦而帶電。強對流天氣是形成雷電活動的前提條件。空氣中的水氣團在上升、下降運動中的電荷分布不均的水氣團分裂造成了云的帶電。云層多帶負電荷 。 雷電放電：云、云間的放電和云地間的放電。雷電放電的通道擊穿過程（云對地放電為例）1、云層中富含電荷，但電荷傳導(dǎo)困難，云內(nèi)氣流運動可以裹攜電荷位移。2、對地面高凸物有感應(yīng)效益使云內(nèi)電荷在最接近處形成高電荷密度區(qū)。該區(qū)域首先電離呈為通道頭部。后繼電荷不能即時補充，第一次先導(dǎo)放電結(jié)束 電荷擴散使頭部得到電荷補充，通道繼

3、續(xù)發(fā)展。 同時，地面高出物的尖端也有正的強電場上迎。 經(jīng)過幾次通道發(fā)展后，擊穿云地間隙。第一次主放電形成。放電時間為50100微秒。放電幅值達到幾千安、幾十千安、上百千安 第一次主放電后，經(jīng)過0.030.05秒間隔時間后，云層縱深區(qū)域電荷向第一次主放電形成的電荷空白區(qū)域移動，借助通道再放電，形成第二次放電。此后的放電不再分級，而連續(xù)進行。 云層邊緣區(qū)域零星電荷向電荷空白區(qū)域移動，在放電末期形成余輝放電。 一次主放電的電荷量其實是不太大的。如；放電時間為50100微秒、放電幅值為一百千安時，則電荷量為10庫倫，相當(dāng)于10A電流維持1秒鐘 。 但雷擊放電的高電壓、電流幅值所攜帶的瞬時能量是巨大的。

4、設(shè)雷擊幅值電流100KA,通道和接地阻抗2歐姆，則幅值電壓為200Kv、其放電幅值電功率為2000萬KW?！皳簟睙o愧也。地面物體遭受雷擊的后果 強大的雷電流快速流經(jīng)被擊中物體時，產(chǎn)生很高的沖擊電壓，其大小與雷電流大小、被擊中物體沖擊電阻大小有關(guān)。 俄國科學(xué)家向雷云放風(fēng)箏觸電死亡、長城上面打手機也同樣發(fā)生過觸電死亡的案例、直到今天，我們的中央電視臺在預(yù)報雷雨氣象時還提醒公眾不要在曠野處使用手機；樹木被劈裂起火、安全接地線不能保護架空線路作業(yè)人員安全。1.3.3直擊雷過電壓 雷云直接對電氣設(shè)備或線路放電，在雷電流入地路徑阻抗上、包括接地電阻上產(chǎn)生了過電壓。遭受了直擊雷的電氣設(shè)備或線路，一般是會引起

5、絕緣擊穿閃絡(luò)而導(dǎo)致系統(tǒng)接地故障。1.3.4雷電反擊過電壓 落雷點電位由原來的地（低）電位升高為高電位，擊穿設(shè)備或?qū)Ь€絕緣放電。雷電反擊過電壓1.3.5感應(yīng)雷過電壓 附近雷云放電前在設(shè)備上感應(yīng)了大量的異極性電荷，放電后，這些感應(yīng)電荷失去了帶電雷云束縛引力就立即轉(zhuǎn)為了自由電荷并向線路兩側(cè)流動形成沖擊波。 猶如提水繩斷了，水桶砸落下去一般。一桶擊起千層浪1.3.6雷電入侵波 直擊雷、感應(yīng)雷擊后，在輸電線路中形成迅速流動的電荷沖擊波，稱為雷電進行波。雷電進行波對其前進道路上電氣設(shè)備絕緣構(gòu)成威脅，即是雷電入侵波。 入侵波可以因為線路結(jié)構(gòu)差異或設(shè)備的運行狀態(tài)不同產(chǎn)生加倍的破壞力。比如延電纜、雙分裂到單架空

6、線前行，線路波阻抗由小變大，入侵波幅值就可以升高。到達線路開路處就發(fā)生入侵電壓波全反射，使幅值2，1.4內(nèi)部過電壓1.4.1工頻過電壓 電力系統(tǒng)中非正常運行如線路空載、單相接地（在中性點不接地系統(tǒng)中，可以使健全相對地相電壓升高1.732倍）、不對稱故障引起的電壓升高。 工頻過電壓具有時間長、過電壓倍數(shù)不高、對絕緣危險不大的特點。但它可能誘發(fā)其它事故，形成新的過電壓并與之共同作用就形成為害。1.4.2諧振過電壓1、串聯(lián)諧振過電壓：如果串聯(lián)電路中包括有電感、電容，在交流電壓作用下，電感上的電壓與電容電壓反向，諧振時兩者合起來對外就幾乎沒有電壓降。電路阻抗最小，電流極大。但無論是電感或電容本身上的電

7、壓都極高，形成了破壞能力。2、鐵諧振過電壓：發(fā)生在鐵磁電感和電容器組成的電路中時，稱為鐵諧振過電壓。猶如我們玩的翹翹板，一段坐人需要很大的力氣臺高，兩端坐等重量的人，給一點點力量，蹺蹺板可以讓兩人分別升高。諧振過電壓的特點 特點：過電壓持續(xù)時間長。頻率低，導(dǎo)致鐵心飽和。 后果是：燒毀互感器、避雷器爆炸 防止措施：用戶變電所中的互感器采用V/V接線，抽取的是線電壓，而非相電壓。1.4.3操作過電壓 操作過電壓是指電力系統(tǒng)由于操作、事故，使設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生改變（停送電、分合閘）而引起相關(guān)電容、電感上的電場、磁場能量相互轉(zhuǎn)換，并可能引起振蕩，從而產(chǎn)生過電壓。操作過電壓實例一切除高壓空載長線過電壓切除

8、高壓空載長線過電壓 空載長線有分布電感和對地電容，以電容為主。在電流過零時，電弧熄滅，斷口間電壓為1.414U=Um，再經(jīng)過半周期，線路電壓不變，電源側(cè)為負Um，斷口間電壓為2Um。發(fā)生瞬時擊穿。.它所為害的是線路被切除側(cè)的絕緣安全。 防止措施：采用滅弧能力很強的斷路器（真空斷路器、SF6等），以防止電弧重燃。操作過電壓實例二：切除空載感性負載切除空載感性負載（電動機、變壓器、電抗器）的過電壓的過電壓 在切除前，感性負載有電流i存在，線圈中有磁場能Q=Li*i/2,切除中，磁場能釋放，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U=L*di/dt,因此有很大的過電壓產(chǎn)生。 防止措施：盡可能采用滅弧能力比較差些（少油斷路器）

9、來執(zhí)行這樣的操作任務(wù)好。在弱電領(lǐng)域，使用專門的RC泄放電路。操作過電壓實例三合空載長線時的過電壓合空載長線時的過電壓 這是由于空載長線合閘時，線路電容和電感在合閘時過渡過程中有高頻震蕩與穩(wěn)態(tài)的疊加所致。 防止措施：希望選擇在最小振蕩時刻合閘。操作過電壓實例四中性點不接地系統(tǒng)中的單相不中性點不接地系統(tǒng)中的單相不穩(wěn)定電弧接地穩(wěn)定電弧接地 只發(fā)生在中性點不接地、小接地系統(tǒng)。當(dāng)其中一相發(fā)生非金屬性不穩(wěn)定接地時，由于電弧的熄滅重燃，在故障相和健全相都可能產(chǎn)生過電壓。其物理過程與切除空載線路過電壓的發(fā)生、發(fā)展極為相似。 產(chǎn)生弧光接地過電壓的原因是線路的對地電容、電感在故障中發(fā)生對地電壓變化，引起電場能、磁

10、場能的相互轉(zhuǎn)換，振蕩。 防止措施：電源變壓器的中性點經(jīng)過消弧線圈接地。第二節(jié) 直擊雷過電壓保護2.1單枝避雷針的保護范圍 避雷針實際上是引導(dǎo)雷云按人們的意圖避開電氣設(shè)備放電的保護裝置。幾個重要數(shù)據(jù)設(shè)針高為h 地面保護范圍1.5h p （h30m時p=1） 在1/2 高度以上時 hx上保護范圍 rx=（h-hx）p=haP 在1/2 高度以下時 hx上保護范圍 rx=（1.5h-2hx）P式中：rx避雷針在hx水平面上的保護范圍hx被保護物的高度ha避雷針的有效高度P高度影響系數(shù) h30m時，P1，30mh120m時，P=5.5/ 保護范圍計算實例2.2兩支等高避雷針保護范圍1）兩針外則的保護范

11、圍應(yīng)該按單針的保護范圍計算方法確定。2）兩針間的保護范圍應(yīng)該按通過兩針頂點及保護范圍上部邊緣的最低點0的圓弧確定，圓弧的半徑為R0，0點離地高度為h03）兩針間距離D與高度h的比值D/h0時，則全部面積即受保護 一個要求是，任兩針間的距離D與針高h之比D/h不宜大于5。2.4單根避雷線的保護范圍（廣泛使用于架空線路） 1、當(dāng)hxh/2高度時，避雷線外單側(cè)保護寬度是該高度以上避雷線凈高tg250.47（h-hx）p 2、保護輸電線路用時，基本處在半高度以上。當(dāng)hxh/2高度時，避雷線外單側(cè)保護寬度是（h-1.53hx）p 區(qū)域性地面及其附著物保護一般在半高度下。比如，水電廠保護。 2.5兩根避雷

12、線保護范圍（廣泛使用于架空線路） 1）兩根避雷線外側(cè)的保護范圍計算方法按單避雷線方法計算。 2）兩避雷線間（內(nèi)側(cè)）的計算方法同“兩支等高避雷針”計算公式近似，差別在分母由7改為4。第三節(jié)雷電入侵波防護雷電入侵波的過電壓保護主要措施有 變電所進線段保護 變電所母線裝設(shè)閥型避雷器 主變壓器中性點裝設(shè)閥型避雷器 與架空線直接連接的電力電纜終端處裝設(shè)閥型避雷器3.1變電站進線段的保護 進線段保護：防止進入變電站的架空線路在近區(qū)遭受直擊雷，并對遠方輸入的雷電入侵波通過避雷器、電纜線路、串聯(lián)電抗器等將其過電壓數(shù)值限制到一個對電氣設(shè)備沒有危險的較小數(shù)值3.1.1 310Kv配電裝置 母線上裝設(shè)閥型避雷器FZ

13、一組，架空進線上裝設(shè)線路用避雷器FS一組，有電纜段的架空線路，避雷器應(yīng)裝設(shè)在電纜頭附近，其接地段應(yīng)和電纜金屬外皮相連。如果進線電纜與母線相連時串接有電抗器，則電抗器與電纜間增加一組避雷器。 3.1.2進線段保護 35-110Kv架空線路，如果未沿全線路架設(shè)避雷線，則應(yīng)在變電所1-2Km的進線段架設(shè)避雷線，其保護角不宜超過20度，最大不應(yīng)超過30度。(我的一次外出活動體會)3.1.3 35-110Kv線路如果有電纜進線段 在電纜與架空線連接的戶外電纜頭處應(yīng)裝設(shè)閥型避雷器，其接地段應(yīng)與電纜金屬外皮連接；該電纜的戶內(nèi)電纜頭的外皮直接接地（三相電纜）。對單芯電纜，其末端金屬外皮應(yīng)經(jīng)保護間隙接地。 如果

14、進線電纜不超過50米，末端可以不裝避雷器；超過50米，且與該進線電纜連接的斷路器在雷雨季節(jié)經(jīng)常是開斷狀態(tài)，則電纜靠近母線側(cè)的末端，必須裝設(shè)避雷器保護。連接進線電纜段的1Km架空線，應(yīng)裝設(shè)避雷線。3.2變電所的母線防雷保護 3-10Kv變電所應(yīng)在每組母線和架空線上都裝設(shè)閥型避雷器。35Kv以上變電所具有架空進線的每組母線上都必須裝設(shè)避雷器。3.3變壓器中性點防雷保護 中性點直接接地系統(tǒng)中，中性點不接地的變壓器，其中性點的絕緣按線電壓設(shè)計。 如果變壓器中性點絕緣沒有按線電壓設(shè)計則無論進線多少，均應(yīng)裝設(shè)防雷保護裝置。 即使中性點的絕緣按線電壓設(shè)計，變電所是屬于單主變或單線路的變電所，則中性點應(yīng)裝設(shè)防

15、雷保護裝置。 中性點小接地電流系統(tǒng)中的變壓器，一般不裝設(shè)中性點防雷保護；但多雷區(qū)單進線變電所宜裝設(shè)保護裝置。中性點裝設(shè)有消弧線圈的變壓器，如果是單進線運行的，也應(yīng)裝設(shè)中性點保護裝置。 變電所內(nèi)的所有閥型避雷器應(yīng)以最短的接地線與主接地網(wǎng)連接，同時應(yīng)在其附近裝設(shè)集中接地裝置。3.4配電變壓器防雷保護 1）3-10千伏配電變壓器應(yīng)裝設(shè)閥型避雷器保護。避雷器應(yīng)盡量靠近變壓器，接地線與變壓器中性點、金屬外殼連在一起。 2）35/0.4千伏配電變壓器其高低壓側(cè)均應(yīng)裝設(shè)閥型避雷器保護，3-10千伏配電變壓器，如果為Y/Yn接線，宜在低電壓側(cè)裝設(shè)一組閥型避雷器保護。弟四節(jié) 過電壓保護設(shè)備4.1保護間隙 結(jié)構(gòu)

16、，在3-10Kv電壓，保護主間隙是15-25毫米，輔助間隙都是10毫米 4.2 普通閥型避雷器（FS型號類=管型避雷器+串聯(lián)電阻盤） 結(jié)構(gòu)：若干黃銅環(huán)形平板電極中間使用環(huán)形云母墊圈分離定位而組成的間距0.5-1毫米的火花間隙，幾個碳化硅閥型電阻盤串聯(lián)FS閥型避雷器的工作原理 正常情況下，火花間隙有足夠的絕緣強度，不被工頻電壓擊穿，以保證系統(tǒng)正常運行。 雷過電壓來襲時，電流劇增，擊穿閥片顆?？諝?，電阻下降閥片上的殘壓很低，就保護了設(shè)備絕緣。雷電流后的工頻續(xù)流小，不能維持擊穿閥片顆?？諝猓娮枭仙?，降低了工頻續(xù)流，火花間隙立即將電弧分割滅弧。系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。FS型普通閥型避雷器的優(yōu)缺點優(yōu)點：1、

17、放電時的電阻值很小雷電流容易通過。2、殘壓不隨雷電流大小發(fā)生大變化。3、像滅弧片那樣的有一定地滅弧能力。4、可以阻止工頻續(xù)流。缺點：1、殘壓較高，可以保護線路設(shè)備但不能保護電站設(shè)備。2、內(nèi)部過電壓如果擊穿間隙，滅弧困難，導(dǎo)致避雷器爆炸。FZ:FS型普通閥型避雷器的改進1 在FS型普通閥型避雷器的每一個間隙上并聯(lián)均壓電阻，就是FZ（電站型）型避雷器。 工作原理：在工頻情況下，間隙電壓分布均勻，不易擊穿；雷擊時，間隙不均壓，容易擊穿放電。這樣就保證了工頻放電電壓較高又降低了雷電沖擊放電電壓和殘壓（FZ-10殘壓為45KV，使峰值不大于80A工頻續(xù)流在第一次過零時熄滅，而FS-10殘壓為50KV，使峰值不大于50A工頻續(xù)流在第一次過零時熄滅， ）。 可以保護電站一般設(shè)備，但比較FS型的體積較大些。FCZ、FCD:FZ型閥型避雷器的再改進2 改進途徑：對FZ型閥型避雷器的間隙進行增強滅弧能力改造。具體實施途徑是對電弧加磁吹力，使電弧分拉長、旋轉(zhuǎn)兩式以利于滅弧。 FCZ型的拉長電弧類改造：羊角電極、線圈或磁鐵磁吹、滅弧柵，可切斷450A續(xù)流，在大氣過電壓和內(nèi)部過電壓情況下，可保