高壓過電壓防護

電力系統(tǒng)的過電壓及其防護

過電壓是怎樣形成的？它有哪些危害？一般來說，過電壓的產(chǎn)生都是由于電力系統(tǒng)的能量發(fā)生瞬間突變所引起的。過電壓分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。如果是由外部直擊雷或雷電感應突然加到系統(tǒng)里所引起的，叫做大氣過電壓或叫做外部過電壓；如果是在系統(tǒng)運行中，由于操作故障或其他原因所引起系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量振蕩、積聚和傳播，從而產(chǎn)生的過電壓，叫做內(nèi)部過電壓。不論是大氣過電壓還是內(nèi)部過電壓，都是很危險的，均可能使輸、配電線路及電氣設備的絕緣弱點發(fā)生擊穿或閃絡，從而破壞電力系統(tǒng)的正常運行。電力系統(tǒng)的過電壓及其防護

電力系統(tǒng)的過電壓：超過正常運行電壓并可使電力系統(tǒng)的絕緣或保護設備損壞的危險電壓。分為：外部過電壓和內(nèi)部過電壓1、外部過電壓雷云放電產(chǎn)生的過電壓分為:直擊雷過電壓、感應過電壓、侵入波過電壓2、內(nèi)部過電壓電力系統(tǒng)內(nèi)部因操作或發(fā)生故障，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化所引起的過電壓，其能量來自系統(tǒng)內(nèi)部，幅值與最大工作相電壓有一定比例關(guān)系。分為：工頻過電壓、操作過電壓及諧振過電壓18世紀初，富蘭克林等物理學家已經(jīng)揭示了“閃電就是電”的本質(zhì)，而隨著物理學的進一步發(fā)展，人們對雷電這一自然現(xiàn)象有了更深刻的認識。雷電產(chǎn)生的雷電流高達數(shù)十、甚至數(shù)百千安，會引起巨大的電磁效應、機械效應和熱效應。從電力工程的角度來看，最值得我們注意的兩個方面是：雷電放電在電力系統(tǒng)中引起很高的雷電過電壓，它是造成電力系統(tǒng)絕緣故障和停電事故的主要原因之一；產(chǎn)生巨大電流，使被擊物體炸毀、燃燒、使導體熔斷或通過電動力引起機械損壞。電力系統(tǒng)的外部過電壓雷云的形成機理有凍結(jié)起電、水滴分裂起電理論。大水滴分裂成水珠和細微的水沫，出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，大水珠帶正電，小水沫帶負電，細微水沫被上升氣流帶往高空，形成大片帶負電的雷云。雷云下部局部正電荷區(qū)。

雷云中的電荷分布雷云的形成先導放電當云團中E>E空=20-30V/cm，空氣游離最后成為導電通道。先導放電:分級先導,發(fā)展50m左右,間隙30-90us。主放電階段：先導放電達到地面后開始主放電。主放電電流大約從幾十kA至幾百kA，速度(7-50)％光速，時間<100us，同時產(chǎn)生閃電、雷鳴。余輝放電:云中殘余電荷沿雷電通道繼續(xù)流向大地，形成余輝放電，電流為1000-10A，時間約30-150ms雷閃放電過程第一次主放電箭狀先導第三次主放電

雷電放電的發(fā)展過程及雷電流波形雷云放電具有多重性雷電放電就其本質(zhì)而言是一種超長氣隙的火花放電雷電放電是雷云引起的放電現(xiàn)象，其放電過程和長間隙不均勻電場中的放電過程相同。

雷云對地放電大多數(shù)情況下都是重復的，每次放電都有先導放電和主放電兩個階段。當先導發(fā)展到達地面或其他物體，如輸電線、桿塔等時，沿先導發(fā)展路徑就開始了主放電階段，這就是通?？匆姷拈W電，也就是雷電放電的簡單過程。雷電參數(shù)-從雷電過電壓計算和防雷設計的角度來看，值得注意的雷電參數(shù)有雷暴日及雷暴小時雷電流幅值雷電流的計算波形雷電放電的基本過程

雷電放電的計算模型雷電過電壓的形成

電力系統(tǒng)的外部過電壓(二)直接雷擊過電壓雷擊于地面上接地良好的物體雷擊于導線或檔距中央避雷線(三)感應雷擊過電壓雷擊于線路附近大地或接地的線路桿塔頂部等，在絕緣的導線上引起感應過電壓。感應過電壓與直擊雷過電壓的極性相反。電力系統(tǒng)的外部過電壓先導放電階段,雖然有束縛電荷的存在,但是由于負電荷移動較慢,故線路上產(chǎn)生的電流較小,相應的電壓也較小,可忽略。主放電階段,負電荷迅速被中和,束縛的正電荷產(chǎn)生的電場使導線對地形成一定電壓,而雷電流產(chǎn)生的磁通在導線也感應出一定電壓。這兩者之和就是感應雷擊過電壓，分別稱為雷擊過電壓的靜電分量和電磁分量。電力系統(tǒng)的外部過電壓

雷擊點距導線距離s>65m時，

感應過電壓與成正比,與S成反比。一般不超過500kv，對35kV及其以下的水泥桿線路可能會引起閃絡事故，對110kV及其以下的線路，一般不會引起閃絡事故。外部過電壓及防雷防護

電力系統(tǒng)的防雷保護包括了線路、變電所、發(fā)電廠等各個環(huán)節(jié)。線路過電壓包括直擊雷過電壓和感應雷過電壓。

耐雷水平：在繞擊或反擊過電壓作用下,引起線路緣子鏈發(fā)生50％閃絡概率的雷電流幅值。

雷擊跳閘率：在40個雷暴日情況下，每100km線路每年因雷擊引起的線路跳閘次數(shù)。輸電線路防雷性能用耐雷水平和雷擊跳閘率來衡量。架空輸電線路防雷保護1、采用中性點不接地方式:桿塔自然接地（自動重合閘）2、雷電活動強烈地區(qū),絕緣子可提高一級電壓等級.3、高土壤地區(qū)，除自然接地外，可適當增加人工接地體。35-60KV線路的防雷保護不沿全線架設避雷線1、采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式2、裝設自動重合閘

3-10KV線路的防雷保護

線路的雷害事故往往只導致電網(wǎng)工況的短時惡化；變電所的雷害事故就要嚴重得多，往往導致大面積停電。變電設備得內(nèi)絕緣水平往往低于線路絕緣，而且不具有自恢復功能，一旦發(fā)生擊穿，后果十分嚴重。變電所的防雷保護與輸電線路相比，要求更嚴格、措施更嚴密、可靠。變電所中出現(xiàn)的雷電過電壓的兩個來源：

1)雷電直擊變電所；

2)沿輸電線入侵的雷電過電壓波。發(fā)電廠及變電所的防雷保護湖北省電力公司生產(chǎn)技能培訓中心

閥式避雷器保護作用的分析

裝設閥式避雷器是變電所對入侵雷電過電壓波進行防護的主要措施,它的保護作用主要是限制過電壓波的幅值。但是還需要有“進線段保護”與之配合。閥式避雷器的保護作用基于三個前提：1)它的伏秒特性與被保護絕緣的伏秒特性有良好的配合2)它的伏安特性應保證其殘壓低于被保護絕緣的沖擊電氣強度 3)被保護絕緣必須處于該避雷器的保護距離之內(nèi)。閥式避雷器是用來保護發(fā)、變電設備的主要元件。在有較高幅值的雷電波侵入被保護裝置時，避雷器中的間隙首先放電，限制了電氣設備上的過電壓幅值。在泄放雷電流的過程中，由于碳化硅閥片的非線性電阻值大大減小，又使避雷器上的殘壓限制在設備絕緣水平下。雷電波過后，放電間隙恢復碳化硅閥片非線性電阻值又大大增加，自動地將工頻電流切斷，保護了電氣設備。

問題：閥式避雷器保護作用和原理是什么？

臨近變電所1-2km一段線路上加強防雷保護的措施，提高線路的耐雷水平，減少進線段內(nèi)繞擊和反擊的概率。進線段的作用：1）雷電過電壓波在流過進線段時因沖擊電暈而發(fā)生衰減和變形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流過避雷器的沖擊電流幅值不超過5kA,陡度不超過允許值.架設方式：對那些未沿全線架設避雷線的35kV及以下的線路來說,首先在靠近變電所(1-2km)的線段上加裝避雷線,使之成為進線段;對于全線有避雷線的110km及以上的線路,將靠近變電所的一段長2km的線路劃為進線段。在進線段上,加強防雷措施、提高耐雷水平。

變電所的進線段保護

電力系統(tǒng)防雷保護由1-2km避雷線和避雷器F1、F2組成。1-2km長度進線段：限制避雷器中雷電流不超過5KA的要求。

F1:一般線路不裝，如為木桿或木橫擔線路才裝。

F2：雷雨季節(jié)線路斷路器或隔離開關(guān)可能經(jīng)常處于斷開狀態(tài)，而線路又帶電時，應裝設，重雷區(qū)也宜裝設。圖3-5

電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓及其限制

電力系統(tǒng)操作過電壓

電力系統(tǒng)工頻過電壓

電力系統(tǒng)諧振過電壓1、定義：在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器的操作或系統(tǒng)發(fā)生故障，使系統(tǒng)參數(shù)了發(fā)生變化，引起電磁能量的轉(zhuǎn)化或傳遞，在系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓。2、類型：（1）操作過電壓（2）工頻電壓升高（3）諧振過電壓3、特點：（1）過電壓的能量來源于電網(wǎng)本身（2）過電壓的幅值與電網(wǎng)的工頻電壓大致有一定的倍數(shù)關(guān)系，通常以系統(tǒng)的最高運行相電壓為基礎計算過電壓倍數(shù)K。（3）過電壓持續(xù)的時間較長電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的概念電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓分類圖解1、產(chǎn)生：系統(tǒng)中對斷路器的操作而帶來的過電壓。其過電壓倍數(shù)K的大小和持續(xù)時間與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，斷路器的性能，系統(tǒng)的接線方式及運行操作方式有關(guān)。K一般為3～42、類型：（1）空載線路合閘過電壓（2）切除空載線路過電壓（3）切除空載變壓器過電壓（4）中性點不接地系統(tǒng)中弧光過電壓操作過電壓的產(chǎn)生及類型1、220KV及以下系統(tǒng)的絕緣水平由雷閃過電壓決定操作過電壓對設備絕緣的威脅不大，可不采取專門的限制措施2、對于220KV以上的超高壓、特高壓系統(tǒng)其絕緣水平如果按（3～4）Umph的操作過電壓來考慮，其絕緣費用將大幅度增加，因此必須采取措施限制操作過電壓在一定水平下。操作過電壓對系統(tǒng)的影響1、計劃合閘（正常合閘）電源對電容充電的過程無阻尼（忽略R）線路上的電壓E——合閘時電源電勢瞬時值，是一個隨機量，取決于合閘時刻。最嚴重時刻t=0時,E=Em當

實際上線路有電阻損耗和過電壓及產(chǎn)生的電暈損耗，振蕩是衰減的合空載線路時的等值電路(a)等值電路；(b)簡化后的等值計算電路空載線路合閘過電壓電力系統(tǒng)操作過電壓自動重合閘線路出現(xiàn)故障時保護跳閘后，經(jīng)自動重合閘裝置進行合閘操作。此時線路上存在殘余電壓，產(chǎn)生的過電壓比計劃合閘更嚴重?？紤]最嚴重的情況：假設合閘時電源電壓為+Em，殘余電壓為-Em

則振蕩過程中電容上的最大電壓為：Uc=穩(wěn)態(tài)值＋（穩(wěn)態(tài)值－起始值）

=Em＋[Em－（－Em）]=3Em影響過電壓的因素合閘相位；殘余電荷；斷路器合閘的不同期；回路損耗；電容效應限制過電壓的措施（1）限制工頻電壓升高（2）斷路器觸頭并電阻（3）消除線路上的殘余電荷（4）裝設避雷器1、產(chǎn)生的原因：斷路器電弧重燃造成的，特別是油斷路器在切斷空載小電流時，會發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象。2、討論斷路器觸頭兩端的恢復電壓UAB

第一種:當開關(guān)觸頭間去游離能力強，抗電強度恢復快，則電弧熄滅，不會產(chǎn)生過電壓．第二種可能：如果開關(guān)性能差，恢復電壓UAB比開關(guān)觸頭間的抗電強度恢復得快，則將發(fā)生電弧重燃。3、過電壓幅值計算：過電壓幅值=穩(wěn)態(tài)值＋（穩(wěn)態(tài)值－起始值）

=Em＋[Em－（－Em）]=3Em過電壓的大小與電弧重燃的次數(shù)成正比。切除空載線路過電壓

切空載線路過電壓的發(fā)展過程

t1一第一次斷弧；t2一第一次重燃；t3一第二次斷?。籺4一第二次重燃；t5一第三次斷弧電力系統(tǒng)操作過電壓影響過電壓的主要因素（1）斷路器的性能（2）電網(wǎng)中性點的運行方式（3）接線方式的影響（4）線路側(cè)電磁式電壓互感器過電壓的限制措施

選用滅弧能力強的快速斷路器

采用帶并聯(lián)電阻的斷路器降低觸頭間的恢復電壓、避免重燃。

利用避雷器來保護

ZnO或磁吹避雷器安裝在線路首端和末端，能有效地限制這種過電壓幅值。

1、產(chǎn)生過電壓的原因：開關(guān)斷開小空載電流的“截流”現(xiàn)象造成的?！敖亓鳌笔侵鸽娏髟诜亲匀贿^零時被強行切斷，此時變壓器線圈中的磁場能量，將轉(zhuǎn)化為變壓器對地電容中的電場能量，從而在變壓器繞組上產(chǎn)生過電壓。2、過電壓的大小及特點（1）

ZT——變壓器特性阻抗，可達幾萬歐。i0

一般只有幾安到幾十安，切除空載變壓器的等效電路則Um可達上百萬伏舉例：i0=20AZT=50kΩ則Um=20×50=1000KV（2）特點：此過電壓由于變壓器電感中貯存的能量不大，過電壓屬于短暫的高頻振蕩波，對絕緣的影響與雷電波相似，可以用閥型避雷器來保護．幅值高，頻率高，但持續(xù)時間短，能量小。切除空載變壓器過電壓斷續(xù)電弧接地過電壓中性點不接地電網(wǎng)中的單相接地電流(電容電流)較大，接地點電弧將不能自熄，而以斷續(xù)電弧的形式存在，就會產(chǎn)生另一種嚴重的操作過電壓——斷續(xù)電弧接地過電壓.這種過電壓的發(fā)展過程和幅值大小都與熄弧的時間有關(guān)。存在兩種熄弧時間：電弧在過渡過程中的高頻振蕩電流過零時即可熄滅電弧要等到工頻電流過零時才能熄滅電力系統(tǒng)操作過電壓按工頻電流過零時熄弧的理論所作的分析結(jié)論是：1）兩健全相的最大過電壓倍數(shù)為3.5；2）故障相上不存在振蕩過程,最大過電壓倍數(shù)=2.0。長期以來大量試驗研究表明：故障點電弧在工頻電流過零時和高頻電流過零時熄滅都是可能的。一般來說，發(fā)生在大氣中的開放性電弧往往要到工頻電流過零時才能熄滅；而在強烈去電離的條件下，電弧往往在高頻電流過零時就能熄滅。電弧的燃燒和熄滅會受到發(fā)弧部位的周圍媒質(zhì)和大氣條件等的影響，具有很強的隨機性質(zhì)，因而它所引起的過電壓值具有統(tǒng)計性質(zhì)。對付這種過電壓，最根本的防護辦法就是不讓斷續(xù)電弧出現(xiàn)，可以通過改變中性點接地方式來實現(xiàn)。

(一)采用中性點有效接地方式這時單相接地將造成很大的單相短路電流，斷路器將立即跳閘，切斷故障，經(jīng)過一段短時間歇讓故障點電弧熄滅后再自動重合。如能成功，可立即恢復送電；如不能成功，斷路器將再次跳閘，不會出現(xiàn)斷續(xù)電弧現(xiàn)象。(二)采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式采用中性點有效接地方式雖然能解決斷續(xù)電弧問題，但每次發(fā)生單相接地故障都會引起斷路器跳閘，大大降低了供電可靠性。當單相接地流過故障點的電容電流不大時，不能維持斷續(xù)電弧長期存在，因而可采用中性點不接地的方式；當電網(wǎng)的電容電流Ic達到一定數(shù)值時，單相接地點的電弧將難以自熄，需要裝設消弧線圈來加以補償，方能避免斷續(xù)電弧的出現(xiàn)。

防護措施

1、工頻過電壓的產(chǎn)生：系統(tǒng)正常運行或故障時產(chǎn)生。2、特點：（1）過電壓倍數(shù)不大，對正常絕緣的電氣設備一般無危險（2）在超高壓輸電中是確定系統(tǒng)絕緣水平的重要因素

a、工頻電壓升高將直接影響操作過電壓的幅值。

b、工頻電壓升高是決定保護電器（避雷器）工作條件的重要因素。（3）工頻電壓升高持續(xù)時間長,對設備的絕緣不利。3、形式：（1）空載長線路末端電壓升高（2）不對稱短路引起的工頻電壓升高（3）甩負荷引起的工頻電壓升高電力系統(tǒng)工頻過電壓1、輸電線路的等值電路：2、首端與末端電壓之比為：對于無窮大容量的系統(tǒng)可以證明：式中：α—相位常數(shù)，α=0.06°/KM

l—線路長度即說明線路末端電壓高于首端電壓，線路越長，末端電壓越高，這種現(xiàn)象是由于電容性充電電流造成的，稱為電容效應?？蛰d長線路電容效應引起的電壓升高沿線路的工頻電壓按余弦規(guī)律分布

式中：Xs—系統(tǒng)電源的等值阻抗

Z—導線的波阻抗可見，電源容量越小，電抗越大，工頻電壓升高越嚴重，即電源電抗的存在相當于使線路變長了。系統(tǒng)電源容量對電容效應的影響1、系統(tǒng)發(fā)生單相或兩相接地故障時，非故障相（健全相）上工頻電壓將升高（閥式避雷器的滅弧電壓是以此升高值決定）2、分析單相接地（以A相接地為例）：利用對稱分量法可以求出：（推導從略）式中：—接地系數(shù)零序電抗的大小與系統(tǒng)中性點接地方式有關(guān)（1）對于3～10KV系統(tǒng)（中性點絕緣系統(tǒng)）：由線路容抗決定，為負值。則的值比稍大。即：健全相上電壓為1.1倍線電壓選110%避雷器：如10KV避雷器的滅弧電壓為（220KV及以下系統(tǒng)的最高工作電壓按1.15Un確定）即選FZ—10/12.7的避雷器（2）對于35～60KV中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)為正值，健全相上電壓接近線電壓選100%避雷器：如35KV避雷器的滅弧電壓為1.0X1.15Un=1.15X35=40.25KV即選FZ—35/41避雷器不對稱短路引起的工頻電壓升高電力系統(tǒng)工頻過電壓（3）110～220KV為中性點直接接地系統(tǒng)一般健全相上電壓不大于1.4倍相電壓。約80%線電壓。（4）330KV及以上超高壓系統(tǒng)系統(tǒng)中全部變壓器中性點接地，健全相電壓升高為0.75倍線電壓以下?？紤]電容效應：線路首端選80%避雷器，末端選90%避雷器甩負荷引起的工頻電壓升高當發(fā)電機突然甩負荷時，將造成線路工頻電壓升高此種過電壓的計算較復雜，在此只引出一些結(jié)論性概念運行經(jīng)驗表明：220KV及以下電網(wǎng)一般不需要采取特殊措施限制；

220KV及以上需要采取限制措施。工頻電壓升高的限制措施1、利用并聯(lián)電抗器補償空載線路的電容效應。2、利用靜止補償器調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功，控制系統(tǒng)電壓。3、采用降低輸電線路零序阻抗的方法電力系統(tǒng)諧振過電壓一、產(chǎn)生諧振過電壓的原因由于系統(tǒng)中存在著大量的電容電感元件，在系統(tǒng)進行操作或發(fā)生故障時，這些電容電感元件可能形成各種不同自振頻率的振蕩回路，在外電源的作用下發(fā)生諧振現(xiàn)象，造成某些元件上出現(xiàn)諧振過電壓。二、諧振過電壓的特點諧振過電壓是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，存在的時間較長,對電氣設備絕緣的危害大。三、諧振的類型由于系統(tǒng)中的電阻電容元件可以認為是線性的，而電感則可能是線性的、非線性的或作周期性變化的，按電感的類型不同，諧振分為1、線性諧振2、參數(shù)諧振3、鐵磁諧振四、線性諧振過電壓1、L和C為常數(shù)2、交流電源的頻率等于自振頻率，ω＝ω。，則感抗等于容抗（ＸＬ＝ＸＣ），電路阻抗達到最小，電流很大，在Ｌ和Ｃ上出現(xiàn)過電壓。電力系統(tǒng)諧振過電壓串聯(lián)諧振

諧振的條件如圖串聯(lián)電路中，電路的阻抗為發(fā)生串聯(lián)諧振時阻抗的虛部為零，即或諧諧振角頻率和諧振頻率（固有頻率）分別為結(jié)論：諧振頻率由電路結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。串聯(lián)電路的諧振頻率由C、L決定，與R無關(guān)。

1.諧振時電路的特點阻抗為最小值(Z=R)，電流為最大值(I=U/R)

2.特性阻抗ρ和品質(zhì)因數(shù)Q品質(zhì)因數(shù)Q的定義：為了維持諧振電路中的電磁振蕩，激勵源必須不斷供給能量以補償電路中電阻損耗的能量。與諧振電路所儲存電磁場總能量相比，每振蕩一次電路消耗能量愈減