第9章供配电系统的过电压保护

第9章供配电系统的过电压保护苏州大学城市轨道交通学院范臻供配电技术第9章供配电系统的过电压保护9.1过电压及其分类9.2直击雷过电压的防护9.3感应雷过电压的防护9.4供配电系统的防雷保护9.5接地与接零过电压是指在电气线路上或电气设备上出现的超过正常工作电压的对绝缘很有危害的异常电压。在电力系统中，过电压按其产生的原因，可分为内部过电压和外部过电压两大类。9.1过电压及其分类1、内部过电压内部过电压是指由于电力系统本身的开关操作、负荷剧变或发生故障等原因，使系统的工作状态突然改变，从而在系统内部出现电磁能量转换、振荡而引起的过电压。内部过电压又分操作过电压和谐振过电压等形式。操作过电压是由于系统中的开关操作或负荷剧变而引起的过电压。谐振过电压是由于系统中的电路参数（R、L、C）在不利的组合下发生谐振或由于故障而出现断续性接地电弧所引起的过电压，也包括电力变压器铁心饱和而引起的铁磁谐振过电压。内部过电压一般不会超过系统正常运行时相对地（即单相）额定电压的3～4倍，因此对电力系统和电气设备绝缘的威胁不是很大。2、外部过电压外部过电压又称大气过电压或雷电过电压，它是由于电力系统中的线路、设备或建（构）筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，因此对供电系统的危害极大，必须加以防护。雷电过电压一般分为直击雷过电压、感应雷（又称间接雷击）过电压和雷电侵入波过电压三种类型，简称为直击雷、感应雷和雷电侵入波。9.1.1雷电过电压雷电过电压又称大气过电压，是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，因其能量来自系统外部，故又称为外部过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，因此对供电系统的危害极大，必须加以防护。雷电过电压有三种基本形式：直击雷过电压、感应雷过电压和雷电侵入波过电压，简称为直击雷、感应雷和雷电侵入波。1．直击雷•是指雷电直接击中电气线路、设备或建（构）筑物，其过电压引起的强大的雷电流通过这些物体放电入地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，相伴的还有电磁脉冲和闪络放电。•直击雷的雷电流可高达几百千安，雷电压可达几百万伏，对供电系统危害极大，必须采取防御措施。（1）直击雷形成原理雷电是带有电荷的“雷云”之间或“雷云”对大地或物体之间产生急剧放电的一种自然现象。关于雷云形成的理论或学说较多，比较公认的看法是：地面上的水汽受热蒸发上升，在高空低温影响下，水蒸汽凝结成冰晶。冰晶受到上升气流的冲击而破碎分裂，气流挟带一部分带正电的小冰晶上升，形成“正雷云”，而另一部分较大的带负电的冰晶则下降，形成“负雷云”。由于高空气流的流动，所以正、负雷云均在天空中飘浮不定。据观测，在地面上产生雷击的雷云多为负雷云。当空中的雷云靠近大地时，雷云与大地之间形成一个很大的雷电场。由于静电感应作用，使地面上出现与雷云的电荷极性相反的电荷，如图a所示。当雷云与大地之间在某一方位的电场强度达到25～30kV/cm时，雷云就会开始向这一方位放电，形成一个导电的空气通道，称为雷电先导。在雷电先导下行到离地面100～300m时，大地感应出的异性电荷集中在上述方位，也形成一个上行的迎雷先导，如图b所示。当上、下雷电先导相互接近时，正、负电荷强烈吸引中和而产生强大的雷电流，并伴有雷鸣电闪。这就是直击雷的主放电阶段。主放电电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只有50～100μs。主放电阶段之后，雷云中的剩余电荷继续沿着主放电通道向大地放电，形成断续的隆隆雷声。这就是直击雷的余辉放电阶段，时间约为0.03～0.15s，电流较小，约几百安。雷电先导在主放电阶段前与地面上雷击对象之间的最小空间距离，称为“闪击距离”，简称“击距”。雷电的闪击距离，与雷电流的幅值和陡度有关。雷电过电压的高低也与雷电流陡度有关，陡度越大，雷电压越高。（2）雷电流波形雷电流是指流入雷击点的电流，是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流。雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头τwh。雷电流从幅值衰减到幅值的一半的一段波形称为波尾τwt。雷电波的陡度α用雷电流波头部分的增长速度来表示，即，据测定，雷电流陡度可达50KA/μs以上。dtdidtdidtdidtdidtdia2．感应雷•是指雷电没有直接击中电力系统中的任何部分，而是由雷电对线路、设备或其他物体的静电感应或电磁感应所产生的过电压。•高压线路上感应雷可高达几十万伏，低压线路上感应雷也可达几万伏，将对电力网络造成危害。感应雷的形成原理架空线路在其附近出现对地雷击时，极易产生感应过电压。当雷云出现在架空线路上方时，线路上由于静电感应而积聚大量异性的束缚电荷，如图a所示。当雷云对地放电或与其他异性雷云中和放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷，向线路两端泄放，形成很高的感应过电压，如图b所示，这就是“感应雷”。3.雷电侵入波是感应雷的另一种表现形式，是由于架空线路或金属管道遭受直接雷击或间接雷击而引起的过电压波，沿着架空线路或金属管道侵入变配电所或其他建筑物内，从而对电气设备造成危害。雷电侵入波造成的雷害事故，占所有雷害事故的50%～70%，比例很大，因此对雷电波侵入的防护应予以足够的重视。9.1.2内部过电压操作过电压谐振过电压限制内部过电压的措施（1）采用灭弧能力强的快速高压断路器，在断路器主触头上并联电阻(约3000Ω)，在并联电阻上串联一个辅助触头，以减少电弧重燃的次数，控制操作过电压的倍数。（2）装设磁吹避雷器或氧化锌避雷器。（3）对于对地电容电流大的网络，中性点经消弧线圈接地，限制电弧接地过电压。（4）增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数，即增加母线对地的感抗，从而减小固有自振频率，避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压。9.2直击雷过电压的防护9.2.1建筑物的防雷分类（1）第一类防雷建筑物因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者，包括制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、化工品等大量爆炸物质的建筑物；具有气体爆炸、粉尘爆炸危险环境的建筑物。（2）第二类防雷建筑物包括：①国家级重点文物保护的建筑物；②具有特别重要用途的建筑物，如国家级的会堂、大型火车站等；③对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物，如国家级计算中心、国际通信枢纽等；④具有气体爆炸危险的可能，且电火花不易引起爆炸的建筑物；⑤工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐；⑥年预计雷击次数大于0.06次的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；⑦年预计雷击次数大于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。（3）第三类防雷建筑物包括：①省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆；②年预计雷击次数在0.012～0.06之间的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；③年预计雷击次数在0.06～0.3之间的住宅、办公楼等一般性民用建筑物；④年预计雷击次数大于等于0.06的一般性工业建筑物；⑤根据雷击后果及具体情况，确定需要防雷的火灾危险环境；⑥在平均雷暴日大于15天/年的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；在平均雷暴日小于或等于15天/年的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑。9.2.2直击雷的防护装置对直击雷的防护主要是利用防雷装置，把雷电流迅速流散到大地中去。一个完整的防雷装置是由接闪器、引下线和接地装置等组成的。1、接闪器接闪器就是专门用来接受直接雷击的金属物体。接闪的金属杆，称为避雷针；接闪的金属线，称为避雷线，亦称架空地线；接闪的金属带，称为避雷带；接闪的金属网，称为避雷网。（1）避雷针一般采用镀锌圆钢或钢管制成，其直径不应小于下列情况：针长1m以下：圆钢为12mm，钢管为20mm。针长1～2m时：圆钢为16mm，钢管为25mm。通常安装在电杆（支柱）或构架、建筑物上，它的下端要经引下线与接地装置相连。避雷针防护装置示意图1-避雷针；2-引下线；3-接地装置避雷针的功能实质上是引雷作用，它能对雷电场产生一个附加电场，这附加电场是由于雷云对避雷针产生静电感应引起的，它使雷电场畸变，从而将雷云放电的通道，由原来可能向被保护物体发展的方向，吸引到避雷针本身，然后经与避雷针相连的引下线和接地装置，将雷电流泄放到大地中去，使被保护物体免受雷击。所以，避雷针实质是“引雷针”，它把雷电流引入地下，从而保护了线路、设备和建筑物等。避雷针的保护范围，以它能够防护直击雷的空间来表示。现行国家标准GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》规定采用IEC推荐的“滚球法”来确定避雷针的保护范围。所谓“滚球法”，就是选择一个半径为“滚球半径”hr的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动，如果球体只接触到避雷针（线）或避雷针（线）与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针（线）的保护范围之内。滚球半径：按建筑物的防雷类别不同而取不同值，如下表所示。表9.2.1按建筑物防雷类别确定滚球半径和避雷网格尺寸建筑物防雷类别第一类第二类第三类滚球半径hr/m304560避雷网格尺寸（不大于）/m5×5或6×410×10或12×820×20或24×16单支避雷针的保护范围，按下列方法确定①当避雷针高度h≤hr时距地面hr处作一与地面平行的平行线。以避雷针的针尖为圆心，hr为半径作弧线，交上述平行线于A、B两点。分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线均与针尖相交并与地面相切。由此弧线起到地面上的整个锥形空间，就是避雷针的保护范围。避雷针在被保护物高度hx水平面上的保护半径，按下式计算：xrxrxhhhhhhr22②当避雷针高度h＞hr时在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作圆心，其余保护范围的求法同h≤hr时相同。需要注意的是，公式中的h用hr代入。例题某厂一座高30m的水塔旁边，建有一水泵房（属第三类防雷建筑物），尺寸如图所示。水塔上安装有一支高2m的避雷针。试问此避雷针能否保护这一水泵房。rhhxh32(26032)6(2606)26.9xrmmm22126518.7xrmmr例题所示避雷针的保护范围解：根据表9.2.1，滚球半径hr=60m，而h=30m+2m=32m，hx=6m，故避雷针在水泵房顶部高度上的水平保护半径为而水泵房顶部最远一角距离避雷针的水平距离为由此可见，水塔上的避雷针完全能够保护这一水泵房。32(26032)6(2606)26.9xrm22(126)518.7xrmr（2）避雷线一般采用截面不小于35mm2的镀锌钢绞线，架设在架空电力线路或建筑物的上面，以保护架空线或建筑物免遭直击雷击。其作用与原理和避雷针基本相同。由于避雷线既是架空的，又是接地的，故也称为架空地线。对于单根避雷线的保护范围，当避雷线的高度h≥2hr时，无保护范围；当避雷线的高度h2hr时，应按下列方法确定，参见图9.2.2。1）距地面hr处画一与地面平行的平行线。2）以避雷线为圆心，hr为半径作弧线，交平行线于A、B两点。3）以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切，并与地面相切。从该弧线起到地面上的空间就是其保护范围。4）当2hr＞h＞hr时，保护范围最高点的高度h0按下式计算：h0＝2hr－h5）避雷线在被保护物高度hx的水平面上的保护宽度，按下式计算：xrxrxhhhhhhb22（3）避雷带或避雷网•避雷带和避雷网主要用来保护建筑物，特别是高层建筑物，使之免遭直接雷击和感应雷击。•避雷带和避雷网宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径应不小于8mm；扁钢截面应不小于48mm2，厚度应不小于4mm。当烟囱上采用避雷环时，其圆钢直径应不小于12mm；扁钢截面应不小于100mm2，厚度应不小于4mm。避雷网的网格尺寸要求（4）消雷器及其保护范围①抑制和消除上行雷②中和雷云电荷③抑制下行雷