1、1,第九章 過電壓及其保護,2,第九章 過電壓及其保護,什么是過電壓？ 電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的異常 電壓升高。過電壓屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。 電工設(shè)備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承 受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地 運行。 在相對地或?qū)Ь€之間出現(xiàn)的，峰值超過設(shè)備最高電壓 峰值的電壓。,3,電力系統(tǒng)過電壓可分為大氣過電壓和內(nèi)部過電壓。 大氣過電壓也稱為外部過電壓，主要是雷擊線路產(chǎn)生 的瞬間系統(tǒng)電壓升高。 內(nèi)部過電壓則是由于斷路器的操作、線路故障或其他 原因使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，引起電網(wǎng)內(nèi)部電磁能量的轉(zhuǎn) 化或傳遞所造成的電壓升高，它主要包括

2、操作過電壓和 諧振過電壓。,4,91 大氣過電壓對供電系統(tǒng)的影響,大氣過電壓是由于大氣中雷電的影響而產(chǎn)生。是指雷云 直接對地面設(shè)備放電或?qū)﹄姎庠O(shè)備附近的物體放電而在電氣 設(shè)備上引起的過電壓。 前者稱為直接雷擊過電壓，后者稱感應(yīng)過電壓。 發(fā)生雷擊時，雷電壓可高達數(shù)千萬伏，雷電流可高達數(shù)百 千安，因此對電氣設(shè)備具有很大的破壞性。 雷電產(chǎn)生的前提是雷云的形成，雷云對大地放電形成雷 電，雷云的形成必須具備以下三個基本條件： （1）空氣中有足夠的水蒸汽； （2）潮濕的空氣能夠上升并開始凝結(jié)為水珠； （3）氣流能夠強烈持久地上升。,5,1直擊雷過電壓,天空中密集的云塊團因流動而產(chǎn)生摩擦，從而帶有負(fù)電 荷或

3、正電荷，形成雷云。 因靜電感應(yīng)作用，在雷云下面的大地將感應(yīng)出異性電 荷，二者形成一巨大電容器，當(dāng)雷云附近的電場強度達到 25kV/cm30kV/cm時，空氣開始游離，形成導(dǎo)電性 的通道，叫做先導(dǎo)放電通道。 雷云對大地放電，形成一段先導(dǎo)通路，稱雷電先導(dǎo)。當(dāng) 雷電先導(dǎo)達到離地約100m300m時，大地感應(yīng)的異性 電荷更加集中，特別易于聚集在較突起部分或較高的地 面，形成迎雷先導(dǎo)。,6,當(dāng)雷電先導(dǎo)與迎雷先導(dǎo)接觸時，氣隙被強電場瞬時擊穿， 電荷發(fā)生強烈中和，出現(xiàn)極大的電流并發(fā)出聲和光，即出現(xiàn)電 閃雷鳴（雷鳴是由雷電流加熱周圍空氣使之驟然膨脹所致）， 這就是主放電階段。 此時，電流可達數(shù)十萬安，電壓達數(shù)

4、百萬伏，時間約50 100s。 主放電結(jié)束后，雷云中的殘余電荷繼續(xù)經(jīng)放電通道入地，稱 為余輝放電階段。 余輝放電電流不大于數(shù)百安，持續(xù)時間為0.03s0.05s。,雷電的主要特點是： 電壓高，電流大，釋放能量的時間短。雷電流流過地面的被擊物時，其電壓可達幾百萬至幾千萬伏，電流達幾十萬安，因而它產(chǎn)生的破壞性大。,8,2感應(yīng)雷過電壓,當(dāng)雷云來臨時，雷云攜帶著大量的電荷，它們將產(chǎn)生靜 電場。靜電感應(yīng)將在架空線相應(yīng)位置上積累大量異性束縛 電荷。 當(dāng)雷云在架空線附近對地放電時，特別是主放電階段， 由于主放電電流很大且放電速度很快，因而在放電通道周 圍產(chǎn)生很強的空間變化磁場，使導(dǎo)線上產(chǎn)生很高的感應(yīng)電 壓。

5、 主放電結(jié)束，線路上的束縛電荷釋放而形成自由電荷。 自由電荷以電磁波的速度向?qū)Ь€兩邊流動，形成雷電流， 從而在線路上形成感應(yīng)沖擊波，使所到之處電壓升高，這 就是感應(yīng)過電壓 。,感應(yīng)過電壓的幅值一般不300kV，個別可達500kV一 600kV，故危害較直接雷過電壓要小，通常用避雷器保護即可。,導(dǎo)線上束縛電荷失去束縛開始向兩側(cè)自由流動，其電流在導(dǎo)線波阻抗上形成過電壓,主放電發(fā)生后下行先導(dǎo)中負(fù)電荷全部被中和,感應(yīng)雷過電壓主要威脅到35kV及以下輸電線路,避雷針與避雷線的應(yīng)用范圍,避雷針在變電所、發(fā)電廠等場合有廣泛的應(yīng)用（集中保護場合）。 避雷線適用于輸電線路防雷（分布保護場合），在變電所里有時也在

6、電氣主回路上空布置多條避雷線進行雷電防護。,5輸電線路的防雷措施,13,這是110kV及以上電壓等級線路的基本防雷措施。 其主要作用是最大程度上減小雷直擊導(dǎo)線的概率。 另外當(dāng)雷擊塔頂時避雷線上的分流不但降低了塔頂電 位、而且通過對導(dǎo)線的耦合作用進一步降低了絕緣子串上 承受的電壓； 避雷線對導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)還降低了導(dǎo)線的感應(yīng)過電壓。 從而，裝設(shè)避雷線的線路具有較高的對雷擊塔頂?shù)哪屠姿?平。,（1） 架設(shè)避雷線,（1）330kV及500kV線路應(yīng)沿全線架避雷線。 （2）220kV線路應(yīng)沿全線架設(shè)避雷線。 （3）110kV線路一般沿全線架設(shè)避雷線，在雷電活動特 殊強烈地區(qū)，宜架設(shè)雙避雷線。 （4）60

7、kV線路，負(fù)荷重要且所經(jīng)地區(qū)年平均雷暴日數(shù)為 30以上地區(qū)，宜沿全線架設(shè)避雷線。 （5）35kV以上線路，一般不沿全線架設(shè)避雷線。 （6）裝設(shè)避雷線的線路，桿塔上雙避雷線對邊導(dǎo)線的保護 角，330kV線路及雙避雷線220kV線路，一般采用20左 右。山區(qū)單避雷線線路，一般采用25左右，500kV一般 不大于15。,現(xiàn)行規(guī)程對各級電壓線路架設(shè)避雷線的要求有如下規(guī)定：,15,對于35KV及以下電壓等級線路，即使發(fā)生雷擊造成 短路 或接地故障后，故障電流也不是非常的大，一般不超 過5A。 所以對于35KV及以下電壓等級線路，一般不采用全 線架設(shè)避雷線的方式。而是采用中性點不接地或者經(jīng)消弧 線圈接地的

8、方式。這樣就可以使得雷擊造成的大多數(shù)單相 接地故障能夠自動消除，不致引起兩相短路和跳閘。 而在兩相或三相遭雷擊時，雷擊引起第一相導(dǎo)線閃絡(luò)并 不會造成跳閘，閃絡(luò)后的導(dǎo)線相當(dāng)于地線，增加了偶和作 用，使未閃絡(luò)相絕緣子串上的電壓下降，從而提高了耐雷 水平。,（2） 降低桿塔接地電阻,降低桿塔接地電阻，主要是為了將線路上雷擊放電時的 雷電流導(dǎo)入大地，以加強線路上的耐雷水平。,(3) 增設(shè)耦合地線,（4） 采用消弧線圈接地方式,（5） 提高絕緣水平,（6） 裝設(shè)自動置合閘 線路絕緣的自恢復(fù)性能使它在雷擊造成線路跳閘后能很快自行消除故障。據(jù)統(tǒng)計，我國110kV及以上高壓線路的自動重合閘成功率達7595，3

9、5kV及以下線路為5080。,(7)輸電線路避雷器,對于雷擊頻繁的線路常使用線路避雷器加強保護,18,9.1.2 變電站的防雷,變電站是重要的電力樞紐，必須有可靠的防雷 保護。 變電站的雷害來源于3個方面： （1）雷直擊于變電站的導(dǎo)線和電氣設(shè)備。 （2）變電站避雷針（線）遭受雷擊時產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓和反擊過電壓。 （3）沿導(dǎo)線傳來的入侵雷電波。,19,雷電直擊變電所,雷電沖擊波沿線路入侵,變電站雷擊來源,20,變電所直擊雷防護,避雷針在變電所內(nèi)安裝數(shù)根避雷針聯(lián)合保護。 避雷線在變電所內(nèi)主接線上方安裝數(shù)根避雷線聯(lián)合保護。,21,1、對直擊雷的防護,避雷針在變電所內(nèi)安裝數(shù)根避雷針聯(lián)合保護。 避雷線在

10、變電所內(nèi)主接線上方安裝數(shù)根避雷線聯(lián)合保護。 將變電站的進線桿塔和室外電氣設(shè)備全部置于避雷針 （線）的保護范圍內(nèi)。 當(dāng)雷電先導(dǎo)發(fā)展到一定高度（定向）時，避雷針影響 雷電先導(dǎo)的發(fā)展方向，將其引導(dǎo)到避雷針（線）上，使雷 電擊向避雷針（線），將雷電流泄入大地。 避雷針（線）的保護范圍，以它能防護直擊雷的空間 范圍表示，保護范圍的大小與避雷針的高度有關(guān)。,變電所直擊雷防護獨立避雷針,35kV及以下等級變電所必須安裝獨立避雷針。,圖中的受保護區(qū)域并非100安全 受保護區(qū)域只是保證在該區(qū)域中雷擊概率是很小的數(shù)值,單支避雷針的保護范圍是由 折線構(gòu)成的上、下兩個圓錐形。,避雷針在地面上的保護半徑 在任一保護高度

11、的保護半徑 由下式確定：,高度為30m的避雷針，p=1.,獨立避雷針受到雷擊時，在接閃器、引下線和接地 體上都產(chǎn)生很高電位，如果避雷針與附近設(shè)施的距離不 夠，二者之間便會放電，產(chǎn)生反擊過電壓。 所謂反擊過電壓就是在雷擊時，避雷針向被保護物產(chǎn) 生放電現(xiàn)象。反擊可能引起電氣設(shè)備的絕緣被破壞，金 屬管道被擊穿，對某些建筑物甚至?xí)斐杀?、火?zāi)和 人身傷亡。 為了防止避雷針產(chǎn)生的反擊過電壓，要注意避雷針與 保護物之間有一定的距離。,避雷針與被保護物之間的距離和電位。A點電壓為：,不產(chǎn)生避雷針向被保護物 反擊的空間距離：,規(guī)程規(guī)定sk不得小于5m。,即使未形成間隙，但如果接觸不良，也會產(chǎn)生局部發(fā)熱，這對

12、于存放易燃、易爆物的建筑物是比較危險的。消除這一現(xiàn)象的方法是將互相靠近的金屬物體很好地連接起來。如果條件允許還可適當(dāng)增大sk。,值得注意的是，雷擊避雷針還會產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，當(dāng)雷電流擊中避雷針時，在避雷針周圍產(chǎn)生強大突變的電磁場，處在這一電磁場中的金屬導(dǎo)體（如金屬管路）會感應(yīng)出電動勢，從而使間隙ab產(chǎn)生火花放電。,28,2對入侵雷電波的防護,變電站的輸入線路分布較廣，線路上發(fā)生雷電過電壓的 機會較多，當(dāng)雷擊于線路導(dǎo)線時，雷電沖擊波沿導(dǎo)線流動 傳到變電所。入侵雷電波是變電站主要雷害。,防護入侵波的主要裝置是避雷器。 避雷器的選擇，必須使其伏秒特性的上限低于變壓器的 伏秒特性的下限，并且避雷器的殘壓

13、必須小于變壓器絕緣 耐壓所能允許的程度。 但是它們的數(shù)值都必須小于沖擊波的幅值，以保證入 侵波能夠受到避雷器放電的限制。,29,目前，允許的保護距離是按照典型變電站的接線進行 模擬實驗決定的。,避雷器應(yīng)盡量安裝在電氣上靠近主變壓器的地方，這 是因為距離越遠，變壓器上的過電壓幅值就越大。 為了防止過高電壓對變壓器絕緣造成損壞，規(guī)定了變壓 器與避雷器之間的最大允許距離。,30,良好的非線性（提高保護水平）。 大的通流容量（能夠吸收更強的雷電能量）。 小的工頻續(xù)流（雷擊時防止系統(tǒng)注入過大的電流）。 良好的伏秒特性（無論侵入波陡度如何都保證首先動作）。,對避雷器性能的要求,進線段將靠近變電所1km2k

14、m的輸電線路劃為進線段， 對進線段加強防雷保護以保證進線段（幾乎）不發(fā)生雷擊；當(dāng)進 線段以外線路發(fā)生雷擊后，侵入波在進入變電站之前通過進線段 后其波前陡度和幅值會進一步降低,3對進線段的防護,對于全線無避雷線的35kV變電所進線，當(dāng)雷擊于附近的 架空線時，沖擊波的陡度必然會超過變電所電氣設(shè)備絕緣所 能允許的程度，流過避雷器的電流也會超過5kA ，這是不 能允許的。所以，這種線路靠近變電所的一段進線（1 2km）上必須裝設(shè)避雷裝置。,33,在進線保護段裝設(shè)避雷裝置后，只有保護段外發(fā)生雷 擊時才會有入侵波。 由于進線段本身的阻抗作用，流過避雷器的電流幅值 將得到限制，而沿導(dǎo)線的行波陡度也將由于沖擊

15、電暈作用而降低。 由于避雷線長度為1km2km，行波在線段中往返一 次需要6.7 13.3 ，此時雷電波已經(jīng)通過避雷 器，故不考慮反射波的作用。,34,當(dāng)斷路器或隔離開關(guān)在雷季可能經(jīng)常斷開而線路側(cè)又 帶有電壓時，為避免雷電波在開路末端產(chǎn)生反射過電壓， 應(yīng)設(shè)置管式避雷器F3。 因為當(dāng)行波在開路處上升為行波幅值的2倍時，將使開 關(guān)電器的絕緣支座對地放電，在線路帶電壓情況下引起工 頻短路、燒壞支座，故應(yīng)裝設(shè)管式避雷器F3。 閥型避雷器F1起保護作用，避免變壓器的開口電容與 線路電感經(jīng)放電后的形成振蕩回路，危及變壓器的絕緣。,在ZnO閥片的側(cè)面上釉是為了防止沿面放電。 表面鍍鋁的的作用是填滿表面凹孔、

16、防止電流在局部過于集中。,ZnO避雷器中起主要作用的非線性電阻元件由多片ZnO閥片堆疊而成，根據(jù)電壓等級的不同堆疊層數(shù)也不同。,閥型避雷器是由空氣間隙和一個非線性電阻串聯(lián)并裝在密 封的瓷瓶中構(gòu)成的。 在正常電壓下，非線性電阻阻值很大，而在過電壓時，其 阻值又很小，,避雷器正是利用非線性電阻這一特性而防雷的： 在雷電波侵入時，由于電壓很高（即發(fā)生過電壓）， 間隙被擊穿，而非線性電阻阻值很小，雷電流便迅速進入 大地，從而防止雷電波的侵入。,當(dāng)過電壓消失之后，非線性電阻阻值很大，間隙又恢復(fù)為 斷路狀態(tài)。隨時準(zhǔn)備阻止雷電波的入侵。,37,內(nèi)間隙（又稱滅弧間隙）置于產(chǎn)氣材料制成的滅弧管內(nèi)，外間隙將管子與

17、電網(wǎng)隔開。,管式避雷器,雷電過電壓使內(nèi)外間隙放電，內(nèi)間隙電弧高溫使產(chǎn)氣材料產(chǎn) 生氣體，管內(nèi)氣壓迅速增加，高壓氣體從噴口噴出滅弧。 管式避雷器具有較大的沖擊通流能力，可用在雷電流幅值很 大的地方。 主要用于變電所、發(fā)電廠的進線保護和線路絕緣弱點的保護。,對于電壓35kV，容量為3150kVA5600kVA的變電所，可 以根據(jù)供電的重要性和雷電活動情況，考慮采用避雷線長為 500m600m的進線保護段。 對負(fù)荷不很重要，容量在3150kVA以下的變電所，簡化進線 保護方式。應(yīng)當(dāng)注意的是，不論怎樣簡化，閥型避雷器距變壓 器和電壓互感器的最大電氣距離不宜大10m。,圖9-15 35kV 簡化進線保護

18、(a) 3150kVA以下；(b) 1000kVA以下,F1,F3,QF,1000kVA 及以下,R5,F1,F2,F3,QF,150240m,150200m,R5,3150kVA 及以下,(a),(b),39,電力系統(tǒng)和設(shè)備的接地，按其功能分為工作接地和保 護接地。 為保證電力系統(tǒng)和設(shè)備達到正常工作要求而進行的接 地，稱為工作接地。如電源中性點的接地、防雷裝置的接 地等。 為保障人身安全，防止觸電而將設(shè)備的外露可導(dǎo)電部 分進行接地，稱為保護接地。,9.3 變電站的保護接地,40,9.3.1變電站保護接地的作用,變電站接地是防雷接地、工作接地和保護接地三者的統(tǒng)一。 防雷接地是為了將強大的雷電流

19、引入大地，消除過電壓對設(shè) 備的危害而設(shè)的接地。 工作接地是為了滿足系統(tǒng)運行方式的需要，保證電力或電子 設(shè)備在正?；蚴鹿是闆r下能可靠工作而設(shè)的接地。 保護接地是為了防止設(shè)備因絕緣損壞造成不該帶電部分帶電 從而危及人身安全而設(shè)的接地。,（b）工作接地；,（a）工作接地,（c）保護接地,（d）共同接地,（e）重復(fù)接地,重復(fù)接地： 將零線上的一處或多處通過接地裝置與大地再 次連接，稱重復(fù)接地。,TN系統(tǒng)TN系統(tǒng)的電源中性點直接接地，并引出有中性線（N線）、保護線（PE線）或保護中性線（PEN線），屬于三相四線制或五線制系統(tǒng)。,保護接地,TT系統(tǒng)TT系統(tǒng)的電源中性點直接接地，并引出有N線，屬三相四線制系

20、統(tǒng)，設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均經(jīng)與系統(tǒng)接地點無關(guān)的各自的接地裝置單獨接地。,IT系統(tǒng)IT系統(tǒng)的電源中性點不接地或經(jīng)1k阻抗接地，通常不引出N線，屬于三相三線制系統(tǒng)。,IT系統(tǒng)及一相接地時的故障電流,保護接地的作用,當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣損壞發(fā)生一相碰殼時：由于外殼帶電 , 當(dāng)人觸及外殼,接地電流 Ie 將經(jīng)過人體入地后, 再經(jīng)其它兩相對地絕緣電阻R 及分布電容C 回到電源。當(dāng)R 值較低、C 較大時，Ib 將達到或超過危險值。,對地絕緣電阻,分布電容,電氣設(shè)備外殼未裝保護接地時:,電氣設(shè)備外殼有保護接地時,通過人體的電流：,Rb與Ro并聯(lián)，且 Rb Ro 通過人體的電流可減小到安全值以內(nèi)。,利用接地裝置

21、的分流作用來減少通過人體的電流。,保護接地：將電氣設(shè)備的金屬外殼(正常情況下是不帶電的) 接地。,單相觸電電流通過的路徑,電流通過人體的心臟，肺部、和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的危險性比較大，特別是電流通過心臟時危險最大。所以從手到腳的電流途徑最為危險。,兩相觸電情境,兩相觸電比單相觸電更危險，因為此時加在人體心臟上的電壓是線電壓！,變電站接地，一般采用等間距和不等間距網(wǎng)格接地，在 土壤電阻率比較高的地方還采用垂直接地極或者深井增加 等式接地面積。,2、變電所地面的電位分布,1、接地體；2、接地干線； 3、接地支線；4、設(shè)備,電氣設(shè)備的某部分與土壤之間作良好的電氣連接，稱之為 接地。埋入地中并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體稱為接地體， 連接接地體和電氣設(shè)備接地部分的