1、第五章 過電壓及低壓系統(tǒng)電涌保護,過電壓指系統(tǒng)出現(xiàn)了超過正常電壓范圍的高電壓值。過電壓主要對線路、配電設備和變壓器危害大，低壓系統(tǒng)中特定類型過電壓對用電設備和環(huán)境也有危害。 電涌是一種能量脈沖，以過電壓或過電流形式表現(xiàn)。電涌主要對低壓系統(tǒng)、用電設備和電子信息設備危害大。,學習本章的基本思路： （1）一對矛盾過電壓與設備耐壓。 過電壓：加害者及加害強度； 設備耐壓：受害者的承受能力。 第三方保護器件，避雷器或電涌保護器。調(diào)和以上矛盾。 （2）電壓是電場能量在電路中的表征參量，注意從能量轉(zhuǎn)換與傳遞的角度理解過電壓。,第一節(jié) 過電壓與設備耐壓,一、過電壓 1、過電壓的分類,外部過電壓能量來自于雷電，

2、通過各種途徑耦合到電網(wǎng)中。 又稱大氣過電壓、雷電過電壓等。,操作過電壓能量來自于操作過程中電網(wǎng)能量的轉(zhuǎn)換和重新分配,諧振過電壓能量來自于電網(wǎng)不同部分之間電、磁能量的來回轉(zhuǎn)換。,工頻過電壓能量直接來自于系統(tǒng)電源,外部過電壓能量來自于雷電，過電壓大小與系統(tǒng)標稱電壓無關(guān)，因此對中、低壓系統(tǒng)危害特別大。 內(nèi)部過電壓能量來自于系統(tǒng)本身，過電壓程度與系統(tǒng)標稱電壓密切相關(guān)，因此對超高壓和特高壓系統(tǒng)危害特別大。,電壓是電場能量在電路中的表征參量，以上類別是根據(jù)能量的來源進行劃分的。 按過電壓的持續(xù)性，過電壓還可作如下分類。,2、與過電壓量值表達相關(guān)的兩個術(shù)語 （1）系統(tǒng)最高電壓Um。在正常運行條件下，系統(tǒng)可能

3、出現(xiàn)的最大電壓值，但不包括瞬變電壓。 對中壓系統(tǒng)，Um一般為系統(tǒng)標稱電壓UN的1.2倍。 （2）系統(tǒng)最高電壓范圍。 范圍I：3.6kVUm252kV。 范圍，Um 252kV。 注意不要低壓系統(tǒng)的電壓區(qū)段混淆。,3、過電壓程度的工程表示方法。 （1）大氣過電壓：直接用電壓值表述。 （2）相對地工頻過電壓：用標幺值表述，基值為最高相電壓有效值，記為p.u.： （3）相對地操作與諧振過電壓：同樣用標幺值表述，基值為最高相電壓幅值：,二、電氣設備的耐壓 重要概念1：電氣設備耐壓與作用于其上的電壓形式和作用時間、作用次數(shù)等密切相關(guān)。 作用于其上的電壓作用電壓。 應考慮哪些形式的作用電壓呢？ 根據(jù)設備實

4、際可能承受的過電壓情況，確定出一些相對應的典型作用電壓形式，并以工程標準的形式發(fā)布推行。,重要概念2：與標準作用電壓相對應，規(guī)定了一系列標準耐受試驗，通過這些試驗，可得出設備絕緣在不同情況下的耐受電壓能力，如： 最高工作電壓：能長期承受的工頻電壓上限值，由持續(xù)工頻耐壓試驗確定。 1min短時工頻耐壓：由短時工頻耐壓試驗確定，考察對暫時過電壓承受能力。 雷電沖擊耐壓：由1.25s/50s沖擊耐壓試驗確定，考察對雷電過電壓的耐受能力。,作用電壓及耐受試驗（1）,作用電壓及耐受試驗（2）,設備耐壓參數(shù)示例（電壓互感器）,氣體絕緣沖擊耐壓的伏秒特性： 表明擊穿時間與電壓量值的關(guān)系。 注意波前擊穿與波尾

5、擊穿電壓取值不同。,第二節(jié) 變配電所過電壓保護,過電壓與設備耐壓是一對矛盾。 設備耐壓強于過電壓，無擊穿危險。 設備耐壓不及過電壓，會被擊穿。 怎么辦保護。 避雷器：典型保護器件。 原理：先于被保護設備被擊穿，釋放過電壓能量。,一、避雷器 1、類別與工作原理,（1）理想避雷器工作原理 壓控非線性阻抗，阻抗無窮大或零。,（2）保護間隙與管式避雷器 1）保護間隙。特性陡峭、滅弧能力不強、動作后有截波現(xiàn)象，安裝在室外，以泄放能量為主要任務,各種形式的保護間隙產(chǎn)品,圖8-12 保護間隙 a) 雙支持絕緣子單間隙 b) 單支持絕緣子單間隙 c) 雙支持絕緣子雙間隙 s 保護間隙 s1 主間隙 s2 輔助

6、間隙,2）排氣管式避雷器。滅弧能力提高，其他改進不大。 工頻續(xù)流、短路電流校合及截波問題。,工頻續(xù)流 過電壓過去后，避雷器仍處于導通狀態(tài)，在系統(tǒng)正常工作電壓作用下，會產(chǎn)生對地工頻電流。 三相避雷器同時對地導通，相當于三相短路。因此，工頻續(xù)流相當于三相短路電流。 避雷器應該快速熄滅工頻續(xù)流。否則，系統(tǒng)繼電保護會動作跳閘，造成停電事故；或避雷器本身會被燒壞或爆炸。,排氣管式避雷器短路電流校合 工頻續(xù)流即避雷器安裝處短路電流。 該電流過小，電弧強度不夠，排氣管產(chǎn)氣量不足以吹滅電弧，使工頻續(xù)流持續(xù)存在。 該電流過大，產(chǎn)氣過多，會使排氣管爆炸。 廠家對管式避雷器會給出一個允許的短路電流范圍。若安裝處實際

7、短路電流在該范圍內(nèi)，即為合格。確認是否合格的過程，稱為管式避雷器短路電流的校合。,截波的危害 電壓從一個較大值急劇下降，稱為電壓截波。電壓截波對設備的縱絕緣威脅較大。 縱絕緣：同一相間的絕緣，如匝間絕緣。 橫絕緣：相與相間、相與地間的絕緣。 管式避雷器導通后，導通阻抗很小，相當于對地短路，使電壓急劇下降，產(chǎn)生截波。,波頭陡度對匝間絕緣的威脅,（3）閥式避雷器 閥可開、可關(guān)。 開：通流能力。 關(guān)：封閉能力。 1）結(jié)構(gòu)：由閥片或閥片間隙串聯(lián)組合而成。 SiC閥片：為非線性電阻。缺陷：關(guān)不嚴，在正常工作電壓作用下，會產(chǎn)生較大泄漏電流。 解決辦法：串聯(lián)間隙。 ZnO閥片：接近理想“閥”特性，可不串聯(lián)間

8、隙。,SiC閥式避雷器示例,實物圖片,間隙結(jié)構(gòu),1間隙 2閥片,各種閥片與線性電阻的伏安特性。 注意SiC閥片在正常工作電壓作用下泄漏電流達到100A。,2）工作原理及優(yōu)缺點。 a）SiC閥式避雷器 正常時，由間隙隔斷泄漏電流，保證閥片不損壞。 過電壓到來時，間隙放電擊穿，通過閥片電阻泄放過電壓能量。電流大，電阻小。由于閥片電阻的存在，電壓下降陡度變緩，不會出現(xiàn)截波。 過電壓過去后，閥片電阻隨電流減小而增大，以正反饋方式快速切斷工頻續(xù)流。,主要優(yōu)缺點 優(yōu)點：工頻續(xù)流不超過半個周期，無截波。 缺點：間隙響應時間長，閥片通流容量小，不能用于內(nèi)部過電壓防護。 常見類別,b）ZnO閥式避雷器 正常時，

9、閥片泄漏電流很小，可認為可靠關(guān)斷。泄漏電流引起的閥片溫升無熱崩潰危險。 過電壓到來時，導通度隨電壓升高而增大，即時泄放過電壓能量，在完全導通前已經(jīng)衰減了過電壓幅值。 過電壓過去后，閥片阻值增大，關(guān)斷工頻續(xù)流。,與SiC閥式避雷器對比： 特點：氧化鋅閥片特性接近于理想“閥”的特性，正常工作電壓作用下泄漏電流很小，可取消串聯(lián)間隙。 優(yōu)點：響應快、無續(xù)流、通流容量大、耐重復動作、耐重載。 用途：除適用于SiC閥式避雷器傳統(tǒng)應用領域外，還可用于陡波保護和內(nèi)部過電壓保護。,各類避雷器動作比較,a）保護間隙 b）管式避雷器 c）SiC閥式避雷器 d）ZnO閥式避雷器,2、SiC閥式避雷器主要電氣參數(shù) （1

10、）額定電壓。為保證工頻續(xù)流電弧在第一次過零時熄滅，所允許加在避雷器上的最高工頻電壓。又稱滅弧電壓。 用途：避雷器的工作電壓應低于該電壓。 （2）工頻放電電壓。使避雷器發(fā)生放電的最低工頻電壓。 用途：避雷器安裝處的內(nèi)部過電壓不能高于該電壓。被保護設備工頻耐壓不應低于該電壓。,（3）沖擊放電電壓。在標準波形沖擊電壓作用下，恰好使避雷器發(fā)生放電的電壓幅值。一般按雷電沖擊電壓波形給出。 用途：該電壓應該低于被保護設備的沖擊耐壓。 （4）殘壓。避雷器導通后，沖擊放電電流在避雷器阻抗上產(chǎn)生的壓降。 殘壓與避雷器通過的電流大小有關(guān)，標準規(guī)定為5kA（220kV以下系統(tǒng)）。 用途：殘壓是避雷器的限壓效果，被保

11、護設備承受的電壓不會低于殘壓。,（5）通流容量。指避雷器泄放雷電流的能力。標準規(guī)定應達到通過20s/40s、峰值5kA沖擊電流和100A工頻半波電流各20次。 用途：保護元件自身的承受能力問題。 示例：幾種SiC閥式避雷器的參數(shù)見下頁。,3、氧化鋅閥式避雷器主要電氣參數(shù) MOA等同采用IEC標準命名參數(shù)，且沒有間隙，因此有些參數(shù)名稱不同于SiC閥式避雷器，個別參數(shù)同名不同義，有些參數(shù)測量方法不相同，應注意區(qū)分。,（1）額定電壓。避雷器吸收規(guī)定的過電壓能量（而不致發(fā)生熱崩潰）之前所允許短時加在避雷器上的最高電壓。 避雷器可能在輕度工頻過電壓情況下承受雷電過電壓 。如小接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，相地

12、電壓已升高為線電壓，避雷器的熱承受力已經(jīng)下降，此時釋放雷電過電壓能量的能力降低，額定電壓就限定了這種能力降低的程度。 MOA不能在額定電壓下長期工作！,（2）最大持續(xù)運行電壓。避雷器能長期承受的最高電壓。 這是與避雷器壽命相關(guān)聯(lián)的一個參數(shù)。 電壓高泄漏電流大發(fā)熱大溫度高壽命短 壽命定溫度限發(fā)熱限泄漏電流限電壓限 避雷器多安裝于系統(tǒng)電源端，因電壓調(diào)整等原因，電源端運行電壓可能長期高于標稱電壓。該參數(shù)正是表明了避雷器長期承受這種偏高的運行電壓的能力。,（3）起始動作電壓U1mA。超過這個電壓，避雷器將快速進入導通狀態(tài)。這個電壓所對應的泄漏電流大致為1mA。 該電壓類似于SiC避雷器的放電電壓，它們

13、都表示避雷器由截至變?yōu)閷ǖ呐R界點，但MOA沒有間隙，不存在放電問題，因此用動作電壓表征。,（4）殘壓。與SiC避雷器類同，分三種情況。 1）雷電沖擊下殘壓：8s/25s、峰值5kA電流作用下的閥片電壓。 2）操作沖擊下殘壓：30100s/60200s、峰值0.5kA、1kA、2kA電流作用下的閥片電壓。 MOA可用作防內(nèi)部過電壓，因此需考察這一參數(shù)。 3）陡波沖擊下的殘壓：1s/5s、峰值5kA電流作用下的閥片電壓。,（5）通流容量。與SiC避雷器概念相同，測試波形和方法不同，可見產(chǎn)品樣本。,二、變配電所的外部過電壓防護 （一）閥式避雷器的保護原理 1、保護有效性的必要條件 （1）避雷器保護

14、特性與被保護設備耐壓特性配合。（指擊穿時間特性） （2）避雷器殘壓應低于被保護設備沖擊耐壓。 該兩條必要條件充分嗎？取決于被保護設備和避雷器是否承受相同的電壓。,2、距離的影響,避雷器電壓uA,變壓器電壓uT,避雷器沖擊放電電壓Ush,1）分析關(guān)注的重點：避雷器上電壓uA與變壓器上電壓uT的不同。 變壓器上承受的最高電壓為 避雷器上承受的最高電壓為Ush。 變壓器承受電壓高出避雷器的部分與雷電波陡度、波速和兩者距離有關(guān)。,雷電波陡度、波速都是外界因素。因此，避雷器和被保護設備安裝距離成為工程設計時考慮的主要因素。 2）變壓器實際承受的電壓波形,0,3）變壓器耐雷能力的表征。 為什么不直接用沖擊

15、耐壓？ 避雷器動作后，變壓器實際承受的不再是一個完整的雷電波，而是一個震蕩過電壓波形，其作用與截波較為類似。 工程上一般以變壓器的多次截波耐壓作為變壓器耐受雷電過電壓的能力。多次截波耐壓記作為Uit。 如：35kV變壓器多次截波耐壓為196kV，而同級FZ避雷器殘壓為134kV。,4）變壓器與避雷器間最大安裝距離。 由以上分析，保護有效的條件是 因此，變壓器和避雷器之間最大允許距離為,小結(jié)：在避雷器保護特性與變壓器耐壓特性正確配合，以及避雷器殘壓與變壓器截波耐壓正確配合的前提下，還必須控制避雷器與變壓器的安裝電氣距離，才可使變壓器得到有效保護。,（二）變配電所電氣設備的過電壓保護 變壓器為最弱

16、設備，其他設備耐壓強于變壓器。只要變壓器受到可靠保護，其他設備應無問題。 （三）變配電所進線段保護 進線段：變配電所前12km這段架空線。 保護措施：架設避雷線，降低雷電能量直接向相導線釋放的概率；裝設管式避雷器，泄放雷電能量，降低過電壓。,35kV變電所簡化進線段保護示例 解釋F2、F1和F的作用,三、10/0.38kV變配電所過電壓防護示例 以供配電系統(tǒng)最常見的室內(nèi)10/0.4kV變配電所為例，從以下兩方面介紹過電壓保護設計所需考慮的問題。 （1）保護設置。 （2）參數(shù)配合。過電壓與設備耐壓的配合，設備耐壓與避雷器參數(shù)的配合。,1、保護措施 進線段保護設置。 變壓器保護設置。 低壓側(cè)IT系

17、統(tǒng)中性點過電壓保護設置。 低壓側(cè)TN系統(tǒng)過電壓保護設置正變換，逆變換。,2、參數(shù)配合 10kV配電設備耐受電壓的選擇。 1min工頻耐壓：相地42kV/相間42kV。 1.25/50s雷電沖擊耐壓：75kV。 錯誤示例：選擇符合歐盟標準的12kV配電設備： 1min工頻耐壓：相地28kV/相間42kV； 1.25/50s雷電沖擊耐壓：60kV/75kV。 不適用于中國小接地10kV系統(tǒng)。,第三節(jié) 低壓系統(tǒng)常見電壓異常的危害與防護,一、中性點位移 1、中性點位移概念 本質(zhì)：電氣上的“中性點”與電路中的“節(jié)點”的對應關(guān)系變化。 典型現(xiàn)象：Y接負載星接節(jié)點不再是電氣中性點，使得各相電壓不再相等。 自學復習：中性點概念。 辯異：“中性點位移”與 “中性點對地電壓偏移”。,2、中性點位移產(chǎn)生原因及量值大小分析 中性線斷線、三相負荷不平衡。,假設負載為純電阻,3、中性點