发电厂电气装置第六讲过电压与接地

杭州电子科技大学自动化学院电气工程与自动化章坚民发电厂电气装置第六讲(书本第九章)过电压防护、接地及电气安全知识过电压概念•正常运行的电力系统，由于雷击、倒闸操作、故障或电力系统参数配合不当等原因，会使电力系统中某些部分的电压突然升高，成倍超过其额定电压。这种电压升高的现象称为“电力系统过电压”。大气过电压或称外过电压•由于直击雷或雷电感应面引起的过电压称为大气过电压或称外过电压。•这种过电压持续时间很短，具有脉冲特性，雷电冲击电流和冲击电压的幅值都很大，所以破坏性大。内过电压•由于电力系统内部操作或故障而引起的过电压称为内过电压。•内过电压持续时间较长，过电压的幅值和瞬时功率比外部过电压来得小，但它同样具有极大的破坏性。•外过电压和内过电压由于产生的原因不同，变化的特性不同，因而所采用的防护方法也不完全相同。雷云：潮湿热气流上升进入稀薄大气层冷凝而形成。带不同电荷雷云之间形成强大电场，临近地面的雷云在大地或建筑物感应出电荷而形成电场。1）先导放电。当电场强度达到使空气绝缘破坏（约25～30kV/cm）,空气游离，导电通道形成，由雷云逐步向地面发展。2）主放电。到达异性电荷中心，开始主放电阶段，电流可达几十万安，电压可达几百万伏，温度可达二万摄氏度。3）余辉放电。雷云中剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地。雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。雷电过电压的形成,及特性6.4过电压防护、接地及电气安全知识（1）直击雷——雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应。变电所采用避雷针和避雷线作为直击雷保护。（2）感应过电压——雷电流产生的电磁效应和静电效应。发生雷击后，电气设备感应的电压。雷电流的分类：直雷电过电压和感应过电压（三）防雷设备1、避雷针与避雷线避雷针的保护范围。常采用“滚球法”来确定防雷设备滚球法半径为45米的滚球在建筑物上的移动轨迹接闪器的保护范围滚球半径的确定（表10－1）单支避雷针双支避雷针避雷线避雷线1）110kV及以上的架空输电线路，一般全线装设避雷线；2）35kV架空线只在进变电所的1-2km线路上装设避雷线；3）10kV一般不设避雷线。线路与避雷线选择避雷网当建筑物较高。屋顶面积较大但坡度不大时，可采用避雷网作为屋面保护的接闪装置。避雷网（带）分明装和暗装两种。明装避雷网（带）一般可用直径8mm的圆钢或截面12x4mm2的扁钢做成。为避免接闪部位的振动力，宜将网（带）支起10～20cm，支持点间距取1~1.5m，应注意美观和伸缩问题。暗装时可利用建筑内不小于3mm的钢筋。2、保护间隙和避雷器保护电气设备免遭入侵雷电波损坏。1保护间隙保护间隙和避雷器：第2道防线2、保护间隙和避雷器保护电气设备免遭入侵雷电波损坏。2管型避雷器6.4过电压防护、接地及电气安全知识管型避雷器技术管型避雷器技术是利用一种具有喷气熄弧功能的间隙装置，此装置有内外两个间隙，外间隙类似保护间隙，两极均固定在绝缘件上，内间隙置于避雷器管内，当雷电过电压内外间隙击穿时，雷电流和工频短路电流经管内壁接地，管壁物质受热气化，有较大压力气体经内间隙喷出管外，强制间隙熄弧。管型避雷器技术也存在很多的缺点：此装置的的选用受安装地点的限制，其次还受线路最大、最小短路电流的制约，最大短路电流大于避雷器的断流上限时避雷器会爆炸；短路电流小于避雷器的断流下限时就不能熄弧，避雷器可能烧坏。另外管型避雷器多次动作后，管内径会逐渐增大，熄弧能力会下降甚致消失。3阀型避雷器6.4过电压防护、接地及电气安全知识阀型避雷器的工作原理：当系统正常时，火花间隙将阀片电阻和工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生的电流使阀片电阻烧坏。一旦工作母线上的电压超过其击穿电压值时，火花间隙将被击穿并引导雷电流通过阀片电阻泄入大地，此时阀片电阻的阻值将自动变小以降低在其两端形成的残压。雷电流消逝后，作用在阀片电阻上的电压即为工频电压，此时阀片电阻的阻值将自动变大，限制了工频续流以促使电弧快速可靠熄灭。（2）阀型避雷器由多个火花间隙和阀片电阻串联构成。火花间隙极间距离小，电场近似与均匀电场，伏秒特性比较平坦，易于实现绝缘配合。且多个间隙使工频续流时电弧分段，短弧相对长弧而言，更易于切断，提高了间隙绝缘强度的恢复能力。阀片电阻的存在避免出现对绝缘不利的截波。它的非线性使通过雷电流时呈现低电阻，以限制避雷器的残压，提高了保护性能；通过工频续流时呈现高电阻，电压一定，以限制工频续流，提高了灭弧性能。•氧化锌避雷器氧化锌避雷器，其阀片以氧化锌为主要材料，附以少量精选过的金属氧化物，在高温下烧结而成。氧化锌具有很理想的非线性伏安特性。如图所示：（1）氧化锌避雷器的工作原理：在工作电压作用下，流经ZnO阀片的电流远小于1mA（主要成分为电容电流），相当于绝缘体，不会使阀片烧坏，所以可以不用串联间隙来隔离工作电压。当作用在ZnO阀片上的电压超过某一值（起始动作电压U1mA）时，将发生“导通”，“导通”后ZnO阀片的电阻很小，残压与流过它的电流大小基本无关。当作用电压降到动作电压以下时，ZnO阀片“导通”终止，又相当于绝缘体，因此不存在工频续流。这就是MOA可以做到无间而又无续流的原因。（雷电流过去即变为绝缘体，故只有雷电流通过ZnO阀片）与碳化硅SiC阀片相比，ZnO阀片具有很理想的非线性伏安特性。（2）与由SiC阀片和串联间隙构成的传统避雷器相比，氧化锌无间隙避雷器具有下述优点：①结构简单，适合大规模自动化生产，尺寸小，重量轻，造价低廉。②保护性能优越。由于ZnO阀片具有优异的伏安特性，残压更低；在整个过电压作用期间均能释放能量，没有火花，所以不存在放电时延，具有很好的陡波响应特性，特别适用于GIS气体绝缘变电站、直流系统的保护。③耐重复动作能力强，只吸收过电压能量，不需吸收续流能量。④通流容量大。ZnO阀片单位面积的通流能力为SiC阀片的4~5倍。可作为内部过电压的后备保护。⑤耐污性能好。由于没有串联间隙，因而可避免因瓷套表面不均匀污染使串联火花间隙放电电压不稳定的问题，易于制造防污型和带电清洗型避雷器。（不受表面污染影响）金属氧化物避雷器（MOA）金属氧化物避雷器又称为压敏电阻避雷器。这是一种没有火花间隙，只有压敏电阻片的新型避雷器。输电线路的防雷•1、架设避雷线•2、降低杆塔接地电阻•3、架设耦合地线•4、装设自动重合闸•5、采用消弧线圈接地方式•6、装设管型避雷器•7、加强绝缘变电所防雷保护•变电所遭受雷害可能来自两个方面：(1)雷直击于变电所；(2)雷击线路，沿线路向变电所入侵的雷电波。1、对直击雷的保护，一般采用避雷针或避雷线。（建筑物及电气、电子设备等）2、由于线路落雷频繁，所以沿线路入侵的雷电波是变电所遭受雷害的主要原因。其主要防护措施是在变电所内装设阀型避雷器，在线路进口及沿线布置，以限制入侵雷电波的幅值。•2、变电所的直击雷保护为了防止雷直击于发电厂、变电所，可以装设避雷针，应该使所有设备都处于避雷针保护范围之内，此外，还应采取措施，防止雷击避雷针时的反击事故。•3、变电所内阀型避雷器的保护作用变电所内必须装设阀型避雷器以限制雷电波入侵时的过电压，这是变电所防雷保护的基本措施之一。•4、三相绕组变压器的防雷保护当变压器高压侧有雷电波入侵时，通过绕组间的静电和电磁耦合，在其低压侧也将出现过电压。为了限制这种过电压，只要在任一相低压绕组直接出口处对地加装一个避雷器即可，中压绕组虽也有开路的可能，但其绝缘水平较高，一般不装。内部过电压产生的3大原因：1.操作过电压：1）切断空载线路或并联电容器组时：可能出现LC震荡，从而产生过电压。2）切断空载变压器时；可能出现磁能转化为电能。2.电弧接地过电压。3.谐振过电压：LC参数，出现LC谐振，从而引起过电压。内部过电压的三大原因内部过电压与电力网的结构、参数、中性点接地方式、断路器的性能、操作方式等因素有关。防护措施1.阀型避雷器2、压敏电阻3、调节电路参数4、装设电容器—破坏谐振。内部过电压的防范一、接地，既将电气设备的某些部分用导线（接地线）与埋在土壤中或水中的金属导体（接地体）相连接。按照接地的作用，电气设备的接地主要有三种形式：⑴工作接地。工作接地是为了使电气装置正常工作而将电气回路中的某一特定点接地，使之与地基本保持同电位。如三相系统中性点直接接地，或经小电阻或消弧线圈接地。⑵保护接地。保护接地是将主要电气设备可能带电的金属部分进行接地，防备由于绝缘损坏使外壳带危险电压，以保护人身的安全。⑶防雷接地。其作用是将雷电流安全地泄入地中，消除过电压的危险影响。二、接零，与系统中性点（零）连接在一起。接地与接零接地电阻和地中电位的分布接地电流流入地下以后，就通过接地体向大地作半球形散开，这一接地电流就叫做流散电流。流散电流在土壤中遇到的全部电阻叫叫做流散电阻。接地电阻是接地体的流散电阻与接地线的电阻之和。接地线电阻一般很小，可以忽略不计。因此，可以认为流散电阻就是接地电阻。▉接触电压接地体电压UE=IE*RE最大其中IE为接地电流，RE为接地体电阻书本上有详细的电压曲线计算公式电气设备外壳是接地的，即与接地体同电位该点为接地体电压此人手的电位为UE，脚的电位为所在地的电压U1，故其手脚之间的电压达到UC，是很高的此人手的电位为UE，脚的电位为所在地的电压U1，故其手脚之间的电压达到UC，是很高的▉跨步电压中心区跨步电压大非中心区跨步电压小书本上有详细的电压曲线计算公式跨步电压触电绝缘损坏或线路一相断线落地。离导线落地点20m外，地面电位近似为零。人走近导线落地点，在两脚之间出现电位差，即跨步电压。离电流入地点越近，跨步电压越大；在20m外，跨步电压很小，可看作为零。当发现跨步电压威胁时应赶快把双脚并在一起，或赶快用一条腿跳着离开危险区。US跨步电压ⅠⅡ20mABC导线落地后，还会产生接触电压触电；或由于接地装置布置不合理，接地设备发生碰壳时造成电位分布不均匀而形成一个电位分布区域。在人体与带电设备外壳相接触时，便会发生接触电压触电。接触电压触电BCDD40m以上SOUxg2xgUR0＝Rd2xgU▉保护接地与接地方式(1)所谓工作接地，在低压交流电网中就是将三相电源中的中性点直接接地。(2)所谓保护接地，就是将受电设备在正常情况下与带电部分绝缘的金属外壳部分与接地装置作良好的电气连接。在低压交流电网中就是将三相电源中的中性点直接接地。目的：(1)降低触电电压(2)迅速切断故障在中性点接地的系统中，一相接地后的电流较大，保护装置迅速动作，断开故障点。(3)降低电气设备对地的绝缘水平工作接地保护接地当电气设备内部绝缘损坏发生一相碰壳时：由于外壳带电,当人触及外壳,接地电流Ie将经过人体入地后,再经其它两相对地绝缘电阻R及分布电容C回到电源。当R值较低、C较大时，Ib将达到或超过危险值。电气设备外壳未装保护接地时R'C'IbIe对地绝缘电阻分布电容R'C'对地绝缘电阻电气设备外壳有保护接地时通过人体的电流：b00ebRRRIIRb与Ro并联，且RbRo通过人体的电流可减小到安全值以内。利用接地装置的分流作用来减少通过人体的电流。保护接地：将电气设备的金属外壳(正常情况下是不带电的)接地。用于中性点不接地的低压系统分布电容R0IbIeI0(a)R0保护接零（用于380V/220V三相四线制系统）将电气设备的外壳可靠地接到零线上。当电气设备绝缘损坏造成一相碰壳，该相电源短路，其短路电流使保护设备动作，将故障设备从电源切除，防止人身触电。把电源碰壳，变成单相短路，使保护设备能迅速可靠地动作，切断电源。接地工作接地保护接地IT系统TT系统TN系统TN-S系统TN-C系统TN-C-S系统保护接地方式TN系统（我国过去称作保护接零系统）TT系统（我国过去称作保护接地系统）IT系统（仅负荷则接地）第一个字母表示电源侧中性点接地状态，即：T——表示直接接地；I——表示不接地(或高电阻接地)。第二个字母表示负载侧接地状态，即：T——表示电气设备外露导体的接地与