1、第七章 高電壓技術(shù) 高電壓技術(shù)高電壓技術(shù)是電工學(xué)科的一個(gè)重要分支，它主要研究高電壓、強(qiáng)電場下各種電氣物理問題。本章內(nèi)容高電壓絕緣的基本理論(重點(diǎn))預(yù)防性絕緣診斷的基本方法各種過電壓產(chǎn)生的原因 及預(yù)防和消除措施(重點(diǎn)) 高電壓技術(shù)研究的三個(gè)基本問題 高壓電氣絕緣 電絕緣診斷技術(shù) 電力系統(tǒng)過電壓及其保護(hù) 在電氣工程及自動(dòng)化工程中具有較強(qiáng)的理論性理論性、實(shí)踐性實(shí)踐性的應(yīng)用價(jià)值。7.1 概 述F 電介質(zhì)的極化正常情況下，電介質(zhì)呈中性，處于電場中時(shí)，其電荷質(zhì)點(diǎn)順電場方向產(chǎn)生位移的現(xiàn)象。極化現(xiàn)象的特點(diǎn)：1.電介質(zhì)內(nèi)部電荷總和仍為零2.內(nèi)電場與外電場方向相反7.2 高電壓絕緣的基本理論7.2.1 電介質(zhì)的極

2、化、電導(dǎo)與損耗相對介電常數(shù)： 0-真空的介電常數(shù) -介質(zhì)的介電常數(shù) r-介質(zhì)的相對介電常數(shù) A -極板面積，cm2 d -極間距離，cm00CCrdAUQC000介質(zhì)為真空時(shí)平行板電容：由介質(zhì)材料的性質(zhì)決定的，表明極板間置入某種絕緣材料后電容量增大的倍數(shù)r是反映電介質(zhì)極化特性的一個(gè)物理量 表9.1列出了常用電介質(zhì)的r值（20C時(shí)） 可見，氣體r接近于1，液體和固體多在26之間用于電容器的絕緣材料，顯然希望選用r大的電介質(zhì)，因?yàn)檫@樣可使單位電容的體積減小和重量減輕。 其他電氣設(shè)備中往往希望選用r較小的電介質(zhì)，這是因?yàn)檩^大的r往往和較大的電導(dǎo)率相聯(lián)系，因而介質(zhì)損耗也較大。 采用r較小的絕緣材料作纜

3、芯和外皮間，還可減小電纜的充電電流、提高套管的沿面放電電壓等極化現(xiàn)象的物理意義： 在高壓電氣設(shè)備中常常將幾種絕緣材料組合在一起使用，這時(shí)應(yīng)注意各種材料的r值之間的配合，因?yàn)樵诠ゎl交流電壓和沖擊電壓下，串聯(lián)的多層電介質(zhì)中的電場強(qiáng)度分布與串聯(lián)各層電介質(zhì)的r成反比(圖9.2) 1221rrEE具此可以改善組合介質(zhì)的電場分布，提高整體的耐電強(qiáng)度F 電介質(zhì)的電導(dǎo) 電導(dǎo)率電導(dǎo)率表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量，其倒數(shù)為電阻率。有損介質(zhì)等值電路如上圖所示，電介質(zhì)中流過的是電容電流 ，吸收電流 和電導(dǎo)電流 。三個(gè)分量疊加在一起為總電流 i1i2i3i介質(zhì)的絕緣電阻吸收比：一般 時(shí)絕緣狀況良好，越小泄漏電流越大，

4、絕緣受潮越嚴(yán)重IUGR160151560IIRRKa3 . 1aKaK6015RR、分別為加壓15s和60s時(shí)對應(yīng)的絕緣電阻用來判定絕緣性能的優(yōu)劣6015II、分別為加壓15s和60s時(shí)對應(yīng)的泄漏電流F 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗：在電場作用下電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱介質(zhì)損耗。流過電介質(zhì)的電流 此時(shí)介質(zhì)的功率損耗：tantancos2CUUIUIUIPCr式中： 電源角頻率； 功率因數(shù)角； 介質(zhì)損耗角 CrIIItan判斷介質(zhì)的優(yōu)劣（損耗因數(shù)） 右圖表示實(shí)驗(yàn)所得平板電極(均勻電場)氣體中的電流I與所加電壓的關(guān)系：即伏安特性。 7.2.2 氣體放電規(guī)律

5、 在曲線 段， 隨 的提高而增大，這是由于電極空間的帶電粒子向電極運(yùn)動(dòng)加速而導(dǎo)致復(fù)合數(shù)的減少所致。 UOAI當(dāng)電壓提高到 時(shí)，電流開始隨電壓的升高而增大，這是由于氣隙中出現(xiàn)碰撞電離和電子崩。 BU當(dāng)電壓達(dá)到 時(shí)，電流劇增，氣體擊穿或放電,并伴有聲、光、熱、氣味等現(xiàn)象bc段非自持放電 后，自持放電CUbcUU 由于均勻電場氣隙的擊穿電壓 等于它的自持放電起始電壓 ，均勻電場氣隙的擊穿電壓滿足下式： 上式所示規(guī)律在湯遜理論提出之前就由物理學(xué)家巴申從實(shí)驗(yàn)中得出，稱為巴申定律。 0UbU)(pdfUb 上圖所繪出的曲線，稱為巴申曲線。 巴申曲線表明，改變極間距離d的同時(shí)，也相應(yīng)改變氣壓p而使pd的乘積

6、不變，則極間距離不等的氣隙擊穿電壓卻彼此相等。 由巴申曲線可知，當(dāng)極間距離d不變時(shí)提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具有十分重要的實(shí)用意義 為了縮小電力設(shè)施的尺寸，總希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取得小一些，為此就應(yīng)采取措施來提高氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度。從實(shí)用角度出發(fā)，要提高氣隙的擊穿電壓可以采用如下途徑： 改進(jìn)電極形狀以改善電場分布采用高氣壓 采用高電氣強(qiáng)度氣體 采用高真空削弱電離的過程 圖9.7為不同氣壓的空氣和SF6氣體、變壓器油、高真空等的電氣強(qiáng)度比較。從圖上可以看出：2.8MPa的壓縮空氣具有很高的擊穿電壓 但采用高氣壓會(huì)對電氣設(shè)備外殼的密封性和機(jī)械強(qiáng)度提出很高

7、的要求，往往難以實(shí)現(xiàn)。如果用SF6來代替空氣，為了達(dá)到同樣的電氣強(qiáng)度，只要采用0.7MPa左右的氣壓就夠了 7.2.3 沿面放電 沿面放電沿面放電：沿著固體介質(zhì)表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象。 電力系統(tǒng)中絕緣子、套管等固體絕緣在機(jī)械上起固定作用，又在電氣上起絕緣作用。其絕緣狀況關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 絕緣功能的喪失可以分為以下兩種情況： 固體介質(zhì)擊穿：一旦發(fā)生擊穿，即意味著不可逆轉(zhuǎn)地喪失絕緣功能。 沿介質(zhì)表面發(fā)生閃絡(luò)：由于大多數(shù)絕緣子以電瓷、玻璃等硅酸鹽材料組成，所以沿著它們的表面發(fā)生放電或閃絡(luò)時(shí)，一般不會(huì)導(dǎo)致絕緣子的永久性損壞。電力系統(tǒng)的外絕緣，一般均為自恢復(fù)絕緣，因?yàn)榻^緣子閃絡(luò)或空氣間隙擊

8、穿后，只要切除電源，它們的絕緣性能都能很快地自動(dòng)徹底恢復(fù)。 閃絡(luò)電壓比氣體的固體單獨(dú)存在時(shí)都低,它受表面狀態(tài)空氣污穢程度、氣候條件等因素影響較大，須采取適當(dāng)措施改善界面環(huán)境。 一旦作用于固體和液體介質(zhì)的電場強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，在介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象就不再限于前面介紹的極化、電導(dǎo)和介質(zhì)損耗了。與氣體介質(zhì)相似，液體和固體介質(zhì)在強(qiáng)電場(高電壓)的作用下，也會(huì)出現(xiàn)由介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的擊穿過程 液體介質(zhì)主要有天然的礦物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質(zhì)，它們對液體介質(zhì)的擊穿有很大的影響 9.2.4 液體與固體的擊穿 純凈液體介質(zhì)的擊穿理論 在外電場足夠強(qiáng)時(shí)

9、，電子在碰撞液體分子可引起電離，使電子數(shù)倍增，形成電子崩。同時(shí)正離子在陰極附近形成空間電荷層增強(qiáng)了陰極附近的電場，使陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，導(dǎo)致液體介質(zhì)擊穿 電子碰撞電離理論（電擊穿理論） 氣泡擊穿理論（小橋理論） 液體中出現(xiàn)氣泡，在交流電壓下，串聯(lián)介質(zhì)中電場強(qiáng)度的分布與介質(zhì)的r成反比。由于氣泡的r 最小，其電氣強(qiáng)度又比液體介質(zhì)低很多，所以氣泡必先發(fā)生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離進(jìn)一步發(fā)展。電離產(chǎn)生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導(dǎo)致氣體通道擴(kuò)大。許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發(fā)生 提高液體介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度 通常采用過濾、防潮、祛氣等

10、方法來提高油的品質(zhì)，在絕緣設(shè)計(jì)中則可利用“油屏障”式絕緣(例如覆蓋層、絕緣層和隔板等)來減少雜質(zhì)的影響，這些措施都能顯著提高油隙的擊穿電壓 固體介質(zhì)擊穿電壓與電壓作用時(shí)間有關(guān) 如果電壓作用時(shí)間很短(例如0.1s以下)，固體介質(zhì)的擊穿往往是電擊穿，擊穿電壓當(dāng)然也較高 隨著電壓作用時(shí)間的增長，擊穿電壓將下降，如果在加電壓后數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)才引起擊穿，則熱擊穿往往起主要作用 不過二者有時(shí)很難分清，例如在工頻交流1min耐壓試驗(yàn)中的試品被擊穿，常常是電和熱雙重作用的結(jié)果。電壓作用時(shí)間長達(dá)數(shù)十小時(shí)甚至幾年才發(fā)生擊穿時(shí)，大多屬于電化學(xué)擊穿的范疇 不過lmin擊穿電壓與更長時(shí)間(圖9.8)的擊穿電壓相差已不太

11、大，所以通?？蓪min工頻試驗(yàn)電壓作為基礎(chǔ)來估計(jì)固體介質(zhì)在工頻電壓作用下長期工作時(shí)的熱擊穿電壓。 固體介質(zhì)的擊穿理論 1、固體介質(zhì)的電擊穿是指僅僅由于電場的作用而直接使介質(zhì)破壞并喪失絕緣性能的現(xiàn)象。 2、在介質(zhì)的電導(dǎo)很小，又有良好的散熱條件以及介質(zhì)內(nèi)部不存在局部放電的情況下，固體介質(zhì)的擊穿通常為電擊穿，擊穿場強(qiáng)可達(dá)105-106kV/m 電擊穿理論電擊穿的主要特征： 與周圍環(huán)境溫度有關(guān)； 除時(shí)間很短的情況，與電壓作用時(shí)間關(guān)系不大； 介質(zhì)發(fā)熱不顯著； 電場均勻程度對擊穿有顯著影響 熱擊穿理論 固體介質(zhì)會(huì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，如果周圍環(huán)境溫度高，散熱條件不好，介質(zhì)溫度將不斷上升而導(dǎo)致絕緣的破壞，如介

12、質(zhì)分解、熔化、碳化或燒焦，從而引起熱擊穿熱擊穿電壓會(huì)隨著周圍媒質(zhì)溫度的上升而下降； 熱擊穿電壓并不隨介質(zhì)厚度成正比增加，因厚度越大，介質(zhì)中心附近的熱量逸出越困難，所以固體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)隨h的增大而降低； 如果介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱系數(shù)也大，則熱擊穿電壓上升； f 或 tan增大時(shí)都會(huì)造成發(fā)熱增加，使臨界擊穿電壓下降熱擊穿的主要特征： 電化學(xué)擊穿 固體介質(zhì)在長期工作電壓作用下，由于介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電等原因，使絕緣劣化，電氣強(qiáng)度逐步下降并引起擊穿的現(xiàn)象稱為電化學(xué)擊穿。 局部放電是介質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如氣隙或氣泡）引起的局部性質(zhì)的放電。局部放電使介質(zhì)劣化、損傷、電氣強(qiáng)度下降的主要原因?yàn)椋?產(chǎn)生活性氣體

13、對介質(zhì)氧化、腐蝕； 溫升使局部介質(zhì)損耗增加； 切斷分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致介質(zhì)破壞。 高壓電氣設(shè)備一般采用多種電介質(zhì)組合的絕緣結(jié)構(gòu) “油-屏障”式絕緣結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的固體介質(zhì)有三種不同的形式，即覆蓋、絕緣層和屏障； 絕緣油和絕緣紙組成“油-紙”絕緣，擊穿場強(qiáng)大大提高； 分階絕緣的原則是對越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電常數(shù)越大的材料，以達(dá)到電場均勻化的目的。 9.3.1 絕緣的老化9.3 高電壓絕緣診斷技術(shù) 什么叫絕緣的老化 絕緣老化的原因有哪些 電老化 熱老化 機(jī)械老化 環(huán)境老化什么叫絕緣的老化？ 電氣設(shè)備的絕緣在長期運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生一系列物理變化和化學(xué)變化，致使其電氣、機(jī)械及其他性能逐漸劣化，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為

14、絕緣的老化。 老化的原因有哪些？ 熱、電、機(jī)械力、水分、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。一、電老化什么是絕緣的電老化？ 電老化系指在外加高電壓或強(qiáng)電場作用下的老化。 絕緣電老化的主要原因是什么？ 絕緣中出現(xiàn)局部放電。絕緣的平均壽命與外施電壓的關(guān)系0UA、n常數(shù)，決定于材料特性、外施電壓 種類及電場分布特征等試驗(yàn)條件 -絕緣的局部放電起始電壓nUUA0二、熱老化什么是絕緣的熱老化？ 在高溫的作用下，絕緣在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生明顯的劣化；即使溫度不太高，但如作用時(shí)間很長，絕緣性能也會(huì)發(fā)生不可逆的劣化，這就是絕緣的熱老化。 溫度越高，絕緣老化得越快，壽命越短絕緣材料的耐熱等級(jí)劃分 耐熱等級(jí)極限溫度(

15、)絕緣材料O90木材、紙；聚乙烯、聚氯乙??；天然橡膠A105油性樹脂漆及其漆包線；礦物油E120酚醛樹脂塑料；膠紙板；聚酯薄膜B130聚酯漆；環(huán)氧樹脂F(xiàn)155聚酯亞胺漆及其漆包線H180聚酰胺亞胺漆及其漆包線；硅橡膠C180聚酰亞胺漆及薄膜；云母；陶瓷；聚四氟乙烯熱老化規(guī)則：熱老化8規(guī)則： 對A級(jí)絕緣介質(zhì)，如果它們的工作溫度超過規(guī)定值8時(shí)，壽命約縮短一半。 相應(yīng)的對B級(jí)絕緣和H級(jí)絕緣則分別適用10和12規(guī)則三、機(jī)械老化三、機(jī)械老化 機(jī)械負(fù)荷對絕緣老化的速度有很大的機(jī)械負(fù)荷對絕緣老化的速度有很大的影響，產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致局部放電影響，產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致局部放電 紫外線，日曬雨淋，濕熱等也對絕緣紫外線，日

16、曬雨淋，濕熱等也對絕緣的老化有明顯的影響的老化有明顯的影響四、環(huán)境老化四、環(huán)境老化9.3.2 絕緣診斷技術(shù) 試驗(yàn)和測量是“診”，識(shí)別的評(píng)估是“斷” 停電監(jiān)測絕緣診斷監(jiān)測方法 在線監(jiān)測 停電監(jiān)測停電監(jiān)測 停電監(jiān)測診斷是在設(shè)備停運(yùn)的情況下利用有關(guān)儀表器具人為地對設(shè)備定時(shí)定期地進(jìn)行的接觸式檢測。目前應(yīng)用最多的是常規(guī)的預(yù)防性試驗(yàn) 預(yù)防性試驗(yàn)分為非破壞性試驗(yàn)和破壞性試驗(yàn)兩大類。 破壞性試驗(yàn)檢驗(yàn)絕緣的電氣強(qiáng)度，非破壞性試驗(yàn)檢驗(yàn)其他電氣性能常見試驗(yàn)項(xiàng)目：測量絕緣電阻和吸收比，泄漏電 流，介質(zhì)損耗角正切，局部放電，絕緣油的電氣試驗(yàn)和色譜分析，交/直流耐壓試驗(yàn)等。JFD-2B局部放電檢測系統(tǒng)HT絕緣電阻測量儀部

17、分預(yù)防性試驗(yàn)方法能發(fā)現(xiàn)的絕緣缺陷測試方法發(fā) 現(xiàn) 缺 陷 的 可 能 性分布于整個(gè)被試品的缺陷在電極間構(gòu)成橋路連續(xù)的貫穿性缺陷沒有構(gòu)成貫穿性缺陷磨損與污閃電氣強(qiáng)度的裕度降低絕緣電阻及泄漏電流嚴(yán)重受潮、貫穿性電導(dǎo)增長時(shí)能發(fā)現(xiàn)按R或I與電壓的關(guān)系曲線能很好地發(fā)現(xiàn)不易檢出能很好發(fā)現(xiàn)對某些缺陷可給出間接指示吸收比發(fā)現(xiàn)受潮很有效能檢出、必須積累經(jīng)驗(yàn)?zāi)軝z出、必須積累經(jīng)驗(yàn)?zāi)軝z出、必須積累經(jīng)驗(yàn)不能發(fā)現(xiàn)損耗因數(shù)發(fā)現(xiàn)受潮、游離小電容量的試品，能檢出小電容量的試品，能發(fā)現(xiàn)能檢出對某些缺陷可給出間接指示耐壓強(qiáng)試驗(yàn)?zāi)馨l(fā)現(xiàn)當(dāng)電氣強(qiáng)度降低時(shí)可能發(fā)現(xiàn)當(dāng)電氣強(qiáng)度降低時(shí)可能發(fā)現(xiàn)當(dāng)電氣強(qiáng)度降低時(shí)可能發(fā)現(xiàn)能發(fā)現(xiàn)局部放電能很好的發(fā)現(xiàn)游離

18、變化不能能檢出火花放電和游離能間接判斷能發(fā)現(xiàn)主要電氣設(shè)備的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目 序號(hào)電氣設(shè)備試 驗(yàn) 項(xiàng) 目測量絕緣電阻測量絕緣電阻和吸收比測量泄漏電流直流耐壓試驗(yàn)并測泄漏電流測量介質(zhì)損耗角正切測量局部放電油的介質(zhì)損耗角正切油中含水量分析油中溶解氣體分析油的電氣強(qiáng)度測量電壓分布交流耐壓試驗(yàn)1同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)2交流電動(dòng)機(jī)3油浸變壓器4電磁式電壓互感器5電流互感器6油斷路器7懸式和支柱式絕緣子8電力電纜 在線監(jiān)測 近年來發(fā)展起來的以狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷為基礎(chǔ)的一種不停電的監(jiān)測方法 特點(diǎn)：對電力設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)或隨時(shí)監(jiān)測與判斷，消滅了離線監(jiān)測所存在的死區(qū)，使計(jì)劃維修變?yōu)檫m時(shí)維修在線診斷方法見圖9

19、.10在線診斷過程中軟件須實(shí)現(xiàn)的功能 數(shù)據(jù)采樣 數(shù)據(jù)處理 提取特征值 參數(shù)管理 數(shù)據(jù)管理 巡回監(jiān)測 趨勢分析 精密分析 自動(dòng)診斷 診斷輸出 多功能、全自動(dòng)的絕緣在線診斷系統(tǒng)兩個(gè)發(fā)展方向 便攜式絕緣監(jiān)測儀 電力變壓器的在線監(jiān)測 電力變壓器在線監(jiān)測的電氣參數(shù) 電力變壓器在線監(jiān)測的電氣參數(shù) 電力變壓器在線監(jiān)測的參數(shù)采樣方法 電力變壓器 在線監(jiān)測的 邏輯參考圖 電力變壓器在線監(jiān)測的診斷功能表 電力變壓器在線監(jiān)測的診斷功能表9.4 雷電過電壓電力系統(tǒng)過電壓內(nèi)部過電壓雷電過電壓暫時(shí)過電壓操作過電壓工頻電壓升高諧振過電壓直接雷擊過電壓感應(yīng)雷擊過電壓9.4.1 過電壓分類(按產(chǎn)生的根源不同) 雷電是自然界中最

20、宏偉壯觀的氣體放電現(xiàn)象，它對人類的生活環(huán)境、工作條件等都造成了很大的影響，因此對雷電的研究和防護(hù)意義重大。 7.4.2 7.4.2 雷電過電壓的成因及危害雷電過電壓的成因及危害F 雷云：雷云：帶電的云帶電的云( (是產(chǎn)生雷電放電的先決條件是產(chǎn)生雷電放電的先決條件) )F 雷電放電的三個(gè)階段雷電放電的三個(gè)階段先導(dǎo)放電先導(dǎo)放電: : E 30kv/cm E 30kv/cm主放電主放電: :（約（約5050 100s 100s ）電流極大電流極大（ 數(shù)十上百千安）數(shù)十上百千安）v特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在時(shí)間極短存在時(shí)間極短余輝放電余輝放電: :v特點(diǎn)：特點(diǎn)：電流不大電流不大（數(shù)百安）（數(shù)百安）持續(xù)時(shí)間較長持

21、續(xù)時(shí)間較長（ 0.030.03 0.15s0.15s） 雷電放電實(shí)質(zhì)上是一種超長氣隙的火花放電，它所產(chǎn)生的雷電流高達(dá)數(shù)十、甚至數(shù)百千安，從而會(huì)引起巨大的電磁效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。 從電力工程的角度來看，最值得我們注意的兩個(gè)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(dǎo)體熔斷或通過電動(dòng)力引起機(jī)械損壞。F 雷暴日（雷暴日（T T）一年中發(fā)生雷電放電的天數(shù)一年中發(fā)生雷電放電的天數(shù)規(guī)程規(guī)定：規(guī)程規(guī)定：T T151515 T15 T404040 T40 T909090 T90 T少雷區(qū)少雷區(qū) 中雷區(qū)中雷區(qū)

22、多雷多雷區(qū)區(qū) 強(qiáng)雷強(qiáng)雷區(qū)區(qū)( (衡量雷電活動(dòng)頻繁的程度衡量雷電活動(dòng)頻繁的程度) ) 標(biāo)準(zhǔn)雷暴日：標(biāo)準(zhǔn)雷暴日：4040F 雷電流的波形雷電流的波形t t: : 波頭時(shí)間（波前時(shí)間）波頭時(shí)間（波前時(shí)間）: : 波長波長（半峰值時(shí)間）（半峰值時(shí)間） 1 1 4 s 4 s 平均平均2.6 s2.6 s 2020 100 s 100 s 多為多為40 s40 s 我國防雷設(shè)計(jì)采用2.6/40us的波形；在絕緣的沖擊高壓試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的波形定為1.2/50usF 現(xiàn)代電力系統(tǒng)中實(shí)際采用的防雷保護(hù)裝置避雷針、避雷線、保護(hù)間隙、各種避雷器、防雷接地、電抗線圈、電容器組、消弧線圈、自動(dòng)重合閘等等。

23、7.4.3 避雷針和避雷線 電力系統(tǒng)中需要安裝直接雷擊防護(hù)裝置，廣泛采用的即為避雷針和避雷線（又稱架空地線）。 避雷針適宜用于變電所、發(fā)電廠這樣相對集中的保護(hù)對象；避雷線適宜用于象架空線路那樣伸展很廣的保護(hù)對象。 保護(hù)原理：避雷針（線）一般均高于被保護(hù)對象，它們的迎面先導(dǎo)往往開始得最早，發(fā)展得最快，最先影響雷電下行先導(dǎo)的發(fā)展方向，使之擊向避雷針（線），并順利泄入地下，使處于它們周圍的較低物體受到屏蔽保護(hù)、免遭雷擊保護(hù)范圍：表示避雷裝置的保護(hù)效能，保護(hù)范圍是相對的，每一個(gè)保護(hù)范圍都有規(guī)定的繞擊（概）率，繞擊指的是雷電繞過避雷裝置而擊中被保護(hù)物體的現(xiàn)象。我國有關(guān)規(guī)程所推薦的保護(hù)范圍對應(yīng)于0.1的繞

24、擊率。 單支避雷針 當(dāng) 時(shí) P1 當(dāng) 時(shí) h 避雷針高度 P 高度修正系數(shù) - 被保護(hù)物的高度 - 保護(hù)范圍hP5 . 5mhm12030mh30 xh)2()25 . 1 (hhPhhrxxx)2()(hhPhhrxxxxr 雙根等高聯(lián)合避雷針 雙根不等高避雷針 單根避雷線因此單根避雷線的保護(hù)半徑要比單根避雷針的保護(hù)半徑小得多 )2()(47. 0hhPhhrxxx)2()53. 1(hhPhhrxxx 兩根等高避雷線兩線外側(cè)的保護(hù)范圍按單根避雷線方法確定；兩線內(nèi)側(cè)的保護(hù)高度由兩線及保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)O的圓弧來確定 避雷線的保護(hù)角7 7.4.4 .4.4 避雷器避雷器伏秒特性伏秒特性1.

25、1.保護(hù)間隙保護(hù)間隙多用于配電變壓器或中性點(diǎn)保護(hù)多用于配電變壓器或中性點(diǎn)保護(hù)缺點(diǎn)缺點(diǎn): :熄弧能力差熄弧能力差 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :便宜便宜 要消除故障必須開關(guān)動(dòng)作要消除故障必須開關(guān)動(dòng)作2.2.管型避雷器管型避雷器管式避雷器（亦稱排氣式避雷器） 它實(shí)質(zhì)上是 一只具有較強(qiáng)滅弧能力的保護(hù)間隙，其基本元件為裝在消弧管內(nèi)的火花間隙，在安裝時(shí)再串接一只外火花間隙。缺點(diǎn)： 1）續(xù)流太小時(shí)不能滅弧，太大時(shí)產(chǎn)氣過多，使管子爆裂 2）伏秒特性和產(chǎn)生截波方面與保護(hù)間隙相似 ,維護(hù)較麻煩 應(yīng)用范圍：僅安裝在輸電線路上絕緣比較薄弱的地方和用于變電所、發(fā)電廠的進(jìn)線段保護(hù)中。0.50.2 :C Siciu 0.040.01 :

26、ZnO非線性電阻片非線性電阻片( (閥片閥片) )非線性系數(shù)非線性系數(shù)3.閥型避雷器閥型避雷器 防止截波防止截波 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 伏伏- -秒特性平坦秒特性平坦, ,不產(chǎn)生截波不產(chǎn)生截波 防止截波防止截波: : 與間隙串聯(lián)一個(gè)閥片電阻與間隙串聯(lián)一個(gè)閥片電阻閥片閥片電阻的作用電阻的作用: : 阻尼振蕩阻尼振蕩 磁吹式避雷器與普通閥式避雷器類似，主要區(qū)別采用了滅弧能力較強(qiáng)的磁吹火花間隙和通流能力較大的高溫閥片。4. 金屬氧化物避雷器（MOA） 氧化鋅(ZnO) 具有極其優(yōu)異的非線性特性。優(yōu)點(diǎn)： 1）可省去串聯(lián)火花間隙，結(jié)構(gòu)大大簡單 2）由于具有極好的非線性伏安特性，保護(hù)性能優(yōu)越 3）無續(xù)流、動(dòng)作負(fù)載輕、

27、 能重復(fù)動(dòng)作實(shí)施保護(hù) 4）通流容量大， 能制成重載避雷器 5）耐污性好7.5 工 頻 過 電 壓空載線路電容效應(yīng)引起的工頻過電壓 不對稱短路引起的工頻過電壓 突然甩負(fù)荷引起的工頻過電壓 工頻過電壓在絕緣裕度較小的超高壓輸電系統(tǒng)中受到很大的注意的原因如下： 由于工頻過電壓大都在空載或輕載條件下發(fā)生，與多種操作過電壓的發(fā)生條件相同或相似，所以它們有可能同時(shí)出現(xiàn)、相互，疊加。所以在設(shè)計(jì)高電壓的絕緣時(shí)，應(yīng)計(jì)及它們的聯(lián)合作用； 工頻過電壓是決定某些過電壓保護(hù)袈置工作條件的重要依據(jù)，所以它直接影響避雷器的保護(hù)特性和電力設(shè)備的絕緣水平； 由于工頻過電壓是不衰減或弱衰減現(xiàn)象，持續(xù)的時(shí)間很長，對設(shè)備絕緣及其運(yùn)行

28、條件也有很大的影響。7.5.1 空載線路電容效應(yīng)引起的工頻過電壓 電容效應(yīng)(費(fèi)蘭梯效應(yīng)) 在集中參數(shù)串聯(lián)的電路中，如容抗大于感抗，則有：LCUEU使電容上的電壓高于電源電動(dòng)勢LCUU 隨著輸電電壓的提高、輸送距離的增長，在分析空載長線的電容效應(yīng)時(shí)，也需要采用分布參數(shù)等值電路，但基本結(jié)論與前面所述者相似。為了限制這種工頻過電壓現(xiàn)象，大多采用并聯(lián)電抗器來補(bǔ)償線路的電容電流以削弱電容效應(yīng)，效果十分顯著。7.5.2 不對短路引起的工頻過電壓 不對稱短路是電力系統(tǒng)中最常見的故障形式，當(dāng)發(fā)生單相或兩相對地短路時(shí)，健全相上的電壓都會(huì)升高，其中單相接地引起的電壓升高更大一些。此外，閥式避雷器的滅弧電壓通常也就

29、是根據(jù)單相接地時(shí)的工頻電壓升高來選定的，所以下面只討論單相接地的情況。 單相接地時(shí)，故障點(diǎn)各相的電壓、電流是不對稱的，為了計(jì)算健全相上的電壓升高，通常采用對稱分量法計(jì)算。當(dāng)A相接地時(shí)，B、C兩健全相上電壓的模值為： NCBKUUU 系數(shù)K為電壓升高倍數(shù)(接地系數(shù))。它表示單相接地故障時(shí)健全相的最高對地工頻電壓有效值與無故障時(shí)對地電壓有效值之比。 按電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式分析健全相電壓升高的程度： 對中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)，采用“110避雷器”。 對中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的3560kV電網(wǎng)，采用“100避雷器”。 對中性點(diǎn)有效接地的110220kV電網(wǎng)，采用“80避雷器”。中性點(diǎn)不接地時(shí)，采用“100避雷

30、器”。對于中性點(diǎn)直接接地的330kV及以上電網(wǎng)，線路首端采用“80避雷器”。線路未端采用“90避雷器”。7.5.3 突然甩負(fù)荷引起的工頻過電壓 當(dāng)輸電線路在傳輸較大容量時(shí)，斷路器因某種原因而突然跳閘甩掉負(fù)荷時(shí)，會(huì)在原動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)內(nèi)引起一系列機(jī)電暫態(tài)過程，它是造成工頻電壓升高的又一原因。 9.5.4 工頻過電壓的限制措施 在考慮線路的工頻電壓升高時(shí)，如果同時(shí)計(jì)及空載線路的電容效應(yīng)、單相接地及突然甩負(fù)荷等三種情況，那么工頻過電壓可達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。 實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明： 在一般情況下，220kV及以下的電網(wǎng)中不需要采取特殊措施來限制工頻電壓升高 在330500kV超高壓電網(wǎng)中，應(yīng)采用并聯(lián)電抗器或靜止

31、補(bǔ)償裝置等措施，將工頻電壓升高限制到1.31.4倍相電壓以下利用靜止補(bǔ)償器(SVC)限制工頻過電壓7.6 諧 振 過 電 壓諧振的類型 鐵磁諧振過電壓的限制措施電力系統(tǒng)中存在著大量儲(chǔ)能元件，即儲(chǔ)存靜電能量的電容元件和儲(chǔ)存磁能的電感元件。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，這些電感、電容元件就有可能形成各種不同的振蕩回路，引起諧振過電壓。9.6.1 諧振的類型通常認(rèn)為，系統(tǒng)中的電阻元件和電容元件均為線性元件，而電感元件則可分為三類：一類是線性的，第二類是非線性的，還有一類是電感值呈周期性變化的電感元件。與之相對應(yīng)，可能發(fā)生三種不同形式的諧振現(xiàn)象： 線性諧振過電壓 回路中的自振頻率和電源的角頻率相等，此時(shí)在感抗和

32、容抗上出現(xiàn)過電壓。 參數(shù)諧振過電壓 系統(tǒng)中某些元件的電感會(huì)發(fā)生周期性變化，在容性參數(shù)的配合下，有可能產(chǎn)生的諧振。 以上兩種諧振，對于實(shí)際的電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)都可避免。 鐵磁諧振 當(dāng)電感元件帶有鐵心時(shí)。一般都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)電感不再是常數(shù)而是隨著電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。 鐵磁諧振過電壓一般不超過3倍相電壓，電力系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓往往是在變壓器空載或輕載的情況下發(fā)生。9.6.2 鐵磁諧振過電壓的限制措施 改善電磁式電壓互感器的激磁特性，或改用電容式電壓互感器。 在電壓互感器開口三角繞組中接入阻尼電阻，或在電壓互感器一次繞組的中性點(diǎn)對地接入電阻。 在有

33、些情況下，可在10kV及以下的母線上裝設(shè)一組三相對地電容器，或用電纜段代替架空線段，以增大對地電容，從參數(shù)搭配上避開諧振。 在特殊情況下，可將系統(tǒng)中性點(diǎn)臨時(shí)經(jīng)電阻接地或直接接地，或投入消弧線圈，也可以按事先規(guī)定投入某些線路或設(shè)備以改變電路參數(shù)，消除諧振過電壓。9.7 操 作 過 電 壓中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電弧接地過電壓 切除空載變壓器產(chǎn)生的過電壓 切除空載線路引起的過電壓空載線路的合閘過電壓了解各種操作過電壓的形成原理與抑制措施 7.7.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電弧接地過電壓 當(dāng)中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過接地點(diǎn)電容電流較大，接地點(diǎn)電弧將不能自熄，而以間歇性電弧的形式存在，就會(huì)產(chǎn)生另一種

34、嚴(yán)重的操作過電壓間歇性電弧接地過電壓。 對付這種過電壓，最根本的防護(hù)辦法就是消除間歇性電弧，可以通過改變中性點(diǎn)接地方式來實(shí)現(xiàn)。 采用中性點(diǎn)直接接地方式 這時(shí)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(shí)間歇讓故障點(diǎn)電弧熄滅后再自動(dòng)重合。如能成功，可立即恢復(fù)送電；如不能成功，斷路器將再次跳閘，不會(huì)出現(xiàn)間歇性電弧現(xiàn)象。 采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式 采用中性點(diǎn)直接接地方式雖然能解決間歇性電弧問題，但每次發(fā)生單相接地故障都會(huì)引起斷路器跳閘，大大降低了供電可靠性。當(dāng)單相接地流過故障點(diǎn)的電容電流不大時(shí)，不能維持間歇性電弧長期存在，因而可采用中性點(diǎn)不接地的方式；當(dāng)電網(wǎng)的電容電流

35、達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，單相接地點(diǎn)的電弧將難以自熄，需要裝設(shè)消弧線圈來加以補(bǔ)償，方能避免間歇性電弧的出現(xiàn)。 下面以工頻電流過零時(shí)熄弧的情況來說明這種過電壓的發(fā)展機(jī)理：見圖9.29設(shè)接地故障發(fā)生于A相，而且是正當(dāng) 經(jīng)過幅值 時(shí)發(fā)生，這樣A相導(dǎo)線的電位立即變?yōu)榱?，中性點(diǎn)電位由零升至相電壓， 即 B、C兩相的對地電壓都升高到線電壓 、 。CAUNUBAUANUUAU 流過C2和C3的電流 和 分別較 和 超前90，其幅值為 BAUCAU3I2IPHPHCUIII3332由圖可知:流過故障點(diǎn)的電流為:LLCKIIIIII32 因此可以通過調(diào)節(jié)消弧線圈的電感量,實(shí)現(xiàn)對電容電流的補(bǔ)償,達(dá)到限制短路電流的目的 通常將電感電流補(bǔ)償電容電流的百分?jǐn)?shù)稱為消弧線圈的補(bǔ)償度 231LCIIKCLr%10%5rK電力系統(tǒng)通常采用過補(bǔ)償方式，一般取：關(guān)于消弧線圈的應(yīng)用場合：u310kV電網(wǎng)接地電流大于30Au35kV電網(wǎng)接地電流大于10Au某些雷害事故較嚴(yán)重地區(qū)的110kV電網(wǎng)7.7.2 切除空載變壓器產(chǎn)生的過電壓 空載變壓器在正常運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為一激磁電感。切除空載變壓器就是開斷一個(gè)小容量電感負(fù)荷，會(huì)在變壓器和斷路器上出現(xiàn)很高的過電壓。 發(fā)展過程 產(chǎn)生這種過電壓的原因是流過電感的電