第7章-過電壓與防護(hù)

第7章-過電壓與防護(hù)第一頁，共104頁。第一節(jié)

大氣過電壓第二頁，共104頁。一、雷電放電過程先導(dǎo)階段、主放電和迎面流注階段、余輝階段。第三頁，共104頁。二、雷電參數(shù)雷暴日(Td)：一年中發(fā)生雷電的天數(shù)(30-40)。雷暴小時(shí)(Th)：一年中發(fā)生雷電的小時(shí)數(shù)(100)。地面落雷密度():每平方公里地面在一個(gè)雷暴日中受到的平均雷擊次數(shù)。通道波阻抗第四頁，共104頁。第五頁，共104頁。一般地區(qū)：少雷地區(qū)：I—雷電流幅值（kA)P—幅值大于I的雷電流出現(xiàn)的概率經(jīng)驗(yàn)公式：雷電流幅值（I）：雷電流指雷擊于低接地電阻（≤

）的物體時(shí)流過雷擊點(diǎn)的電流。02II?W30I0—電流入射波（kA)第六頁，共104頁。雷電流的波前時(shí)間、波長、陡度我國在防雷設(shè)計(jì)中取波前的平均陡度：實(shí)測(cè)表明：第七頁，共104頁。雷電流極性及計(jì)算波形75~90%的雷電流是負(fù)極性，在防雷設(shè)計(jì)中一般按負(fù)極性考慮。常用計(jì)算波形：(1)雙指數(shù)波00.5II第八頁，共104頁。(2)等值斜角平頂波0I第九頁，共104頁。(3)等值半余弦波0I0.5I第十頁，共104頁。第二節(jié)

雷電沖擊波沿導(dǎo)線的傳播第十一頁，共104頁。a.波過程的定義在本課程中指電壓波（或電流波）在輸電線路、電纜、變壓器、電機(jī)等電力設(shè)備上的傳播過程b.波過程的特點(diǎn)電壓、電流不但是時(shí)間t的函數(shù)，而且也是空間位置x的函數(shù)，需要用分布參數(shù)電路來分析。c.分布參數(shù)電路的應(yīng)用范圍主要有兩大類：長線路和高頻電壓（如雷電沖擊電壓波）第十二頁，共104頁。200km6000km(20ms)1500km(5ms)沖擊波空氣中波的傳播速度為光速220kV線路的平均長度為200~250km沖擊波波前在線路上的分布長度只有360m第十三頁，共104頁。波沿均勻無損單導(dǎo)線傳播示意圖t=0t=0第十四頁，共104頁。一、波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播1.均勻無損單導(dǎo)線系統(tǒng)的波阻抗：線路各點(diǎn)電氣參數(shù)完全一樣；線路無能量損耗（R0=0，G0=0）單元等值電路：第十五頁，共104頁。設(shè)dt時(shí)間內(nèi)，行波前進(jìn)了dx距離，則長度為dx的線路被充電，充電電容為Codx，使其電位為U，在這段時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)線獲得的電荷為：(1)充電電流第十六頁，共104頁。行波前進(jìn)了dx距離，磁通的增加量：(2)（1）×(2)（2）÷(1)波速波阻抗(1)充電電流第十七頁，共104頁。由電磁場理論可知：∴對(duì)架空線：對(duì)油紙絕緣電纜：第十八頁，共104頁。波阻抗：是表征分布參數(shù)電路特點(diǎn)的最重要的參數(shù)，它是儲(chǔ)能元件，表示導(dǎo)線周圍介質(zhì)獲得電磁能的大小，具有阻抗的量綱，其值決定于單位長度導(dǎo)線的電感和電容，與線路長度無關(guān)。對(duì)單導(dǎo)線架空線，Z=500左右，考慮電暈影響取400左右，電纜的波阻抗約為十幾歐姆至幾十不等。電暈的產(chǎn)生是因?yàn)椴黄交膶?dǎo)體產(chǎn)生不均勻的電場，在不均勻的電場周圍曲率半徑小的電極附近當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，由于空氣游離就會(huì)發(fā)生放電，形成電暈。第十九頁，共104頁。比較波阻抗Z和R：波阻抗是一個(gè)比例常數(shù)，其數(shù)值只與導(dǎo)線單位長度的電感和電容有關(guān)，與線路長度無關(guān)；而線路的電阻與線路長度成正比；波阻抗是儲(chǔ)能元件，它從電源吸收能量，以電磁波的形式沿導(dǎo)線向前傳播，能量以電磁能的形式儲(chǔ)存在導(dǎo)線周圍的介質(zhì)中；電阻是耗能元件，它從電源吸收的能量轉(zhuǎn)換成熱能而散失。二者量綱相同，并且都和電源頻率或波形無關(guān)，可見波阻抗是阻性的；第二十頁，共104頁。2.均勻無損單導(dǎo)線的波動(dòng)方程：電壓沿x方向的變化是由于電流在L0上的電感壓降；電流沿x方向的變化是由于在C0上分去了電容電流；負(fù)號(hào)表示在x正方向上電壓和電流都將減少。第二十一頁，共104頁?！靶须妷翰ǎㄈ肷洳ǎ葱须妷翰ǎǚ瓷洳ǎ靶须娏鞑ā葱须娏鞑?/p>

注意：前行電壓波和前行電流波表示電壓和電流在導(dǎo)線上的坐標(biāo)是以速度v沿x的正方向移動(dòng)。反行電壓波和反行電流波表示電壓和電流在導(dǎo)線上的坐標(biāo)是以速度v沿x的負(fù)方向移動(dòng)。第二十二頁，共104頁。電壓波的符號(hào)只取決于導(dǎo)線對(duì)地電容所充電荷的符號(hào)，與電荷的運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)電流波的符號(hào)不僅與相應(yīng)電荷符號(hào)有關(guān)，而且也與電荷運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)一般取正電荷沿x正方向運(yùn)動(dòng)形成的波為正電流波第二十三頁，共104頁。行波計(jì)算的基本方程：第二十四頁，共104頁。例題1：沿高度10m，半徑為10mm的單根架空線有一個(gè)幅值700kV的過電壓波運(yùn)動(dòng)，求電流波的幅值。解題：導(dǎo)線的波阻抗為：電流波幅值為：第二十五頁，共104頁。反行波電流導(dǎo)線電壓：導(dǎo)線電流：I=1.56－1.11=0.45kA例題2：如還有一個(gè)幅值為500kV的過電壓波反向運(yùn)動(dòng)，求兩波疊加范圍內(nèi)導(dǎo)線上的電壓和電流第二十六頁，共104頁。二、行波的折射和反射1.折射波和反射波的計(jì)算A波未到達(dá)節(jié)點(diǎn)A時(shí)，線路1上有：波到達(dá)節(jié)點(diǎn)A后，線路1上有：線路2上有：∵節(jié)點(diǎn)A上電壓、電流的連續(xù)性∴第二十七頁，共104頁。又∵∴—電壓折射系數(shù)—電壓反射系數(shù)第二十八頁，共104頁。線路末端開路此時(shí)有：線路末端電壓：電壓反射波：末端電流：電流反射波：幾種特殊情況：AA★末端開路時(shí)，末端電壓波發(fā)生正的全反射，電流波發(fā)生負(fù)的全反射，電壓反射波所到之處，線路電壓加倍；電流反射波所到之處，線路電流變零。第二十九頁，共104頁。線路末端短路（接地）此時(shí)有：線路末端電壓：電壓反射波：反射波所到之處：電流反射波：AA★末端接地時(shí)，末端電壓波發(fā)生負(fù)的全反射，電流波發(fā)生正的全反射，電壓反射波所到之處，線路電壓變零；電流反射波所到之處，線路電流加倍。第三十頁，共104頁?！锞€路末端既沒有電壓反射波，又沒有電流反射波，線路上電壓電流波形保持不變。線路末端接負(fù)載（）此時(shí)有：AA第三十一頁，共104頁。（2）集中參數(shù)等值電路AA第三十二頁，共104頁。母線AR、L、CAR、L、C電壓源等值電路AR、L、C電流源等值電路第三十三頁，共104頁。建立集中參數(shù)等值電路（彼德遜法則）：入射波線路1用數(shù)值等于電壓入射波兩倍的等值電壓源2和數(shù)值等于線路波阻抗的電阻串聯(lián)來等效；R、L、C等其他集中參數(shù)組件均保持不變；

折射波線路2、3分別可以用數(shù)值等于該線路波阻抗路、的電阻來等效；彼德遜法則使用條件：入射波必須是沿分布參數(shù)線路傳來的；

節(jié)點(diǎn)A后面的線路中沒有反行波，或節(jié)點(diǎn)A后面的線路中反射波尚未到達(dá)節(jié)點(diǎn)A時(shí)；第三十四頁，共104頁。三、行波通過串聯(lián)電感和并聯(lián)電容1.波穿過電感AA第三十五頁，共104頁。其中：A第三十六頁，共104頁。電壓折射波的波前陡度：∵∴第三十七頁，共104頁。電壓反射波：—電感相當(dāng)于開路—電感的作用完全消失第三十八頁，共104頁。第三十九頁，共104頁。2.波旁過電容AA第四十頁，共104頁。其中：A第四十一頁，共104頁。電壓折射波的波前陡度：電壓反射波：第四十二頁，共104頁。—電容相當(dāng)于短路—電容的作用完全消失第四十三頁，共104頁。第四十四頁，共104頁。3.串聯(lián)電感、并聯(lián)電容對(duì)波過程的影響波前被拉平，波前陡度減小，L或C越大，陡度越??；在無限長直角波作用下，L、C對(duì)電壓的穩(wěn)態(tài)值沒有影響；各自的適用場合第四十五頁，共104頁。第三節(jié)

防雷保護(hù)裝置第四十六頁，共104頁。一、避雷針、避雷線1.保護(hù)原理：當(dāng)雷云放電時(shí)使地面電場畸變，在避雷針的頂端形成局部場強(qiáng)集中的空間以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向，使雷電對(duì)避雷針放電，再經(jīng)過接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護(hù)物體免遭雷擊。防雷保護(hù)裝置：指能使被保護(hù)物體避免雷擊，而引雷于本身，并順利地泄入大地的裝置。雷擊定向高度：雷電先導(dǎo)放電朝地面發(fā)展到某一高度H后，才會(huì)在一定范圍內(nèi)受到避雷針的影響而對(duì)避雷針放電，H稱為定向高度。當(dāng)h≤30m時(shí)，H=20h;當(dāng)h＞30m時(shí)，H≈600m第四十七頁，共104頁。2.保護(hù)范圍、繞擊率繞擊率：指雷電繞過避雷裝置而擊中被保護(hù)物體的概率。我國有關(guān)規(guī)程推薦的保護(hù)范圍對(duì)應(yīng)于0.1%的繞擊率。3.適用范圍避雷針適宜于象變電所、發(fā)電廠那樣相對(duì)集中的保護(hù)對(duì)象；避雷線主要用于架空線路那樣伸展很廣的保護(hù)對(duì)象。(消雷器)第四十八頁，共104頁。4.單支避雷針的保護(hù)范圍

水平面上的保護(hù)范圍第四十九頁，共104頁?！荩荚谀骋槐槐Ｗo(hù)物高度水平面上，其保護(hù)半徑為：—高度修正系數(shù)≤30m≤120m30＜—避雷針高度，m第五十頁，共104頁。5.等高雙避雷針的保護(hù)范圍12

水平面上的保護(hù)范圍第五十一頁，共104頁?！獌舍樎?lián)合保護(hù)范圍上部邊緣的最低點(diǎn)高度—在高度的水平面上，保護(hù)范圍的最小寬度一般情況下取兩針外側(cè)的保護(hù)范圍按單支避雷針的計(jì)算方法確定，兩針中間的保護(hù)范圍用下式求得：第五十二頁，共104頁。6.單根避雷線的保護(hù)范圍第五十三頁，共104頁?！荩紗胃芾拙€的保護(hù)范圍一側(cè)寬度為：第五十四頁，共104頁。保護(hù)角：避雷線的鉛垂線與避雷線和邊導(dǎo)線連線的夾角第五十五頁，共104頁。二、避雷器基本分類：

避雷器是一種過電壓限制器，它與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)作用電壓超過一定幅值以后避雷器總是先動(dòng)作，泄放大量能量，限制過電壓，保護(hù)電氣設(shè)備。避雷器保護(hù)間隙管式避雷器閥式避雷器普通閥式避雷器（FS/FZ)磁吹閥式避雷器(FCZ/FCD)金屬氧化物避雷器(MOA)第五十六頁，共104頁。對(duì)避雷器的基本技術(shù)要求：●過電壓作用時(shí)，避雷器要先于被保護(hù)設(shè)備放電，這需要由兩者的全伏秒特性的配合來保證；●避雷器應(yīng)具有一定的熄弧能力，以便可靠地切斷在第一次過零時(shí)的工頻續(xù)流，使系統(tǒng)恢復(fù)正常；0123P第五十七頁，共104頁。1.保護(hù)間隙和管式避雷器保護(hù)間隙：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉；熄弧能力弱、伏秒特性陡峭、難以與被保護(hù)設(shè)備配合，動(dòng)作產(chǎn)生截波、不能保護(hù)帶繞組的設(shè)備，主要用于10kV以下配電網(wǎng)線路的保護(hù)，往往與自動(dòng)重合閘裝置配合使用。角形保護(hù)間隙1－主間隙;2－輔助間隙3－絕緣瓷瓶0過電壓波絕緣上受到的實(shí)際電壓波形保護(hù)間隙的伏秒特性第五十八頁，共104頁。管式避雷器：實(shí)質(zhì)上是一只具有較強(qiáng)滅弧能力的保護(hù)間隙。伏秒特性陡峭、動(dòng)作產(chǎn)生截波、放電分散性大，主要用于輸電線路上絕緣比較薄弱的地方和變電站、發(fā)電廠的進(jìn)線段保護(hù)。1－產(chǎn)氣管；2－棒電極；3－環(huán)電極4－導(dǎo)線；S1－滅弧間隙；S2－外間隙第五十九頁，共104頁。2.閥式避雷器閥式避雷器普通閥式避雷器（FS/FZ)磁吹閥式避雷器(FCZ/FCD)FS：配電型，適用10kV及以下配電網(wǎng)中電氣設(shè)備的保護(hù)FZ：變電所型，適用220kV及以下變電所電氣設(shè)備的保護(hù)FCZ：變電所型，適用330～500kV變電所電氣設(shè)備的保護(hù)FCD：旋轉(zhuǎn)電機(jī)型，適用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的保護(hù)第六十頁，共104頁。第六十一頁，共104頁。原理結(jié)構(gòu)圖瓷套F—火花間隙R—非線性閥片電阻第六十二頁，共104頁。主要特性參數(shù)▼額定電壓▼工頻放電電壓▼滅弧電壓▼沖擊系數(shù)▼切斷比▼沖擊放電電壓動(dòng)作過程▼保護(hù)比▼殘壓▼保護(hù)水平▼通流容量第六十三頁，共104頁。結(jié)構(gòu)特征●火花間隙：平板間隙和磁吹式間隙單個(gè)平板火花間隙：1－黃銅電極；2－云母墊圈；3－間隙放電區(qū)普通閥式避雷器的火花間隙由多個(gè)這種間隙串聯(lián)而成第六十四頁，共104頁。旋弧型磁吹間隙：主要用于FCD系列中1－永磁鐵2－內(nèi)電極3－外電極4－電弧滅弧柵型磁吹間隙：主要用于FCZ系列中1－磁吹線圈2－輔助間隙3－主間隙4－主電極5－滅弧柵6－分路電阻7－閥片電阻第六十五頁，共104頁?！耖y片電阻：SiC閥片和MOV閥片閥片的非線性伏安特性：00特點(diǎn)：流過小電流時(shí)（如工頻續(xù)流），電阻大;流過大電流時(shí)（如雷電流），電阻小線性電阻閥片電阻理想情況第六十六頁，共104頁。SiCMOVUI系統(tǒng)相電壓必須用火花間隙第六十七頁，共104頁。金屬氧化物避雷器第六十八頁，共104頁。第四節(jié)

變電所與線路的防雷第六十九頁，共104頁。一、發(fā)電廠、變電所的直擊雷保護(hù)發(fā)電廠、變電所必須裝設(shè)避雷針或避雷線對(duì)直擊雷進(jìn)行保護(hù)。按安裝方式的不同，避雷針分為獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針兩類。注意對(duì)絕緣水平不高的35kV以下的配電裝置，構(gòu)架避雷針容易導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)(反擊)。第七十頁，共104頁。變電所的直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是選擇避雷針的支數(shù)、高度、裝設(shè)位置、驗(yàn)算它們的保護(hù)范圍、應(yīng)有的接地電阻、防雷接地裝置設(shè)計(jì)等。對(duì)于獨(dú)立避雷針，則還有一個(gè)驗(yàn)算它對(duì)相鄰配電裝置構(gòu)架及其接地裝置的空氣間距及地下距離的問題。第七十一頁，共104頁。為了防止避雷針對(duì)構(gòu)架發(fā)生反擊，其空氣間距S1應(yīng)滿足下式要求：為了防止避雷針接地裝置與變電所接地網(wǎng)之間因土壤擊穿而連在一起，地下距離S2亦應(yīng)滿足下式要求：獨(dú)立避雷針應(yīng)有的空氣間隙第七十二頁，共104頁。發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)E1、E2為空氣間隙平均沖擊擊穿場強(qiáng)和土壤平均沖擊擊穿場強(qiáng)。用下面兩個(gè)公式校核獨(dú)立避雷針的空氣間距和地中距離：第七十三頁，共104頁。二、發(fā)電廠、變電所的雷電侵入波保護(hù)裝設(shè)避雷器是變電所對(duì)入侵雷電過電壓波進(jìn)行防護(hù)的主要措施，它的保護(hù)作用主要是限制過電壓波的幅值。但是還需要有“進(jìn)線段保護(hù)”與之配合。避雷器的保護(hù)作用基于三個(gè)前提：它的伏秒特性與被保護(hù)絕緣的伏秒特性有良好的配合它的伏安特性應(yīng)保證其殘壓低于被保護(hù)絕緣的沖擊電氣強(qiáng)度被保護(hù)絕緣必須處于該避雷器的保護(hù)距離之內(nèi)。第七十四頁，共104頁。1.避雷器與被保護(hù)設(shè)備連接一點(diǎn)第七十五頁，共104頁。2.避雷器與被保護(hù)設(shè)備不在一點(diǎn)但是在變電所中不可能也沒有必要在每個(gè)設(shè)備旁都裝一組避雷器，一般只在變電所母線上安裝避雷器，它除保護(hù)變壓器外，還要對(duì)其他設(shè)備提供保護(hù)。這樣，避雷器與各個(gè)電氣設(shè)備之間就不可避免地要有一定距離的電氣引線。在這種情況下，當(dāng)閥式避雷器動(dòng)作時(shí)，由于波的折射與反射，會(huì)使作用于被保護(hù)設(shè)備上的電壓高于避雷器的沖擊放電電壓或殘壓，影響了避雷器的保護(hù)效果。第七十六頁，共104頁。被保護(hù)絕緣與避雷器間的電氣距離越大、進(jìn)波陡度a越大，電壓差值也就越大。第七十七頁，共104頁。絕緣沖擊耐壓水平應(yīng)滿足：閥式避雷器的保護(hù)距離：避雷器具體安裝點(diǎn)選擇原則：“確保重點(diǎn)、兼顧一般”。在諸多的變電設(shè)備中，需要確保的重點(diǎn)無疑是主變壓器，應(yīng)盡可能把閥式避雷器裝得離主變壓器近一些。第七十八頁，共104頁。3.變電所的進(jìn)線段保護(hù)保證在靠近變電所的一段不長(一般為l～2km)的線路上不出現(xiàn)繞擊或反擊。對(duì)于那些未沿全線架設(shè)避雷線的35kV及以下的線路來說，首先在靠近變電所(l～2km)的線段上加裝避雷線，使之成為進(jìn)線段；對(duì)于全線有避雷線的110kV及以上的線路，將靠近變電所的一段長2km的線路劃為進(jìn)線段。在進(jìn)線段上,加強(qiáng)防雷措施、提高耐雷水平。第七十九頁，共104頁。發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)進(jìn)線段的作用：雷電過電壓波在流過進(jìn)線段時(shí)因沖擊電暈而發(fā)生衰減和變形，降低了波前陡度和幅值；限制流過避雷器的沖擊電流幅值第八十頁，共104頁。第五節(jié)

電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓第八十一頁，共104頁。內(nèi)部過電壓通常以標(biāo)幺值pu(perunit)表示基準(zhǔn)取：—系統(tǒng)額定電壓有效值—容許電壓偏離系數(shù)對(duì)220kV及以下系統(tǒng)：對(duì)330~500kV系統(tǒng)：即系統(tǒng)的最大工作相電壓幅值第八十二頁，共104頁。一、截流過電壓截流現(xiàn)象：斷路器在電流自然過零點(diǎn)之前強(qiáng)行切斷電弧第八十三頁，共104頁。1.產(chǎn)生過電壓的基本過程QF閉合時(shí)：工頻電壓下，iC<<iL

AQF~LCLiiii?+=第八十四頁，共104頁。設(shè)截流瞬間激磁電流為I0，電容上電壓為U0，則：當(dāng)全部磁場能量轉(zhuǎn)化為電場能量時(shí)：第八十五頁，共104頁。忽略截流時(shí)電容上儲(chǔ)存的能量，則：—變壓器的特性阻抗在一般變壓器中，ZT很大，因而所以在近似計(jì)算中，完全可以忽略第八十六頁，共104頁。切空變時(shí)過電壓：第八十七頁，共104頁。2.影響過電壓的因素?cái)嗦菲鞯男阅茏儔浩魈匦?.限制過電壓的措施斷路器的主觸頭上并電阻減小變壓器的特性阻抗采用糾結(jié)式繞組增大CT、采用優(yōu)質(zhì)鐵芯減小IL或LT采用避雷器保護(hù)高值電阻，數(shù)萬歐ZnO避雷器效果很好第八十八頁，共104頁。二、電弧重燃過電壓1.產(chǎn)生過電壓的過程（以切空載長線為例）~QF第八十九頁，共104頁。等值電路：—線路電感—發(fā)電機(jī)和變壓器的漏感之和—線路對(duì)地電容QF~AQFB~第九十頁，共104頁。QF開斷時(shí)：∵∴電流為容性，第九十一頁，共104頁。第九十二頁，共104頁。第一次重燃：第二次重燃：第九十三頁，共104頁。2.影響過電壓的因素?cái)嗦菲鞯男阅茈娋W(wǎng)中性點(diǎn)接地方式3.限制過電壓的措施采用不重燃斷路器觸頭加裝并聯(lián)分閘電阻分閘過程：主Q1先斷開→R抑制回路振蕩→1.5~2周期后，輔Q2分閘Q1Q2Q1Q2第九十四頁，共104頁。三、弧光接地接地過電壓1.發(fā)展過程SNABC第九十五頁，共104頁?！毓收宵c(diǎn)接地電流：電弧自熄過程：①很大→弧道電離程度高、介質(zhì)恢復(fù)慢∴過零時(shí)電弧經(jīng)暫時(shí)熄滅后很快重燃，可以認(rèn)為電弧穩(wěn)定燃燒，不致引起強(qiáng)烈振蕩②很小→弧道電離程度低、