第七章-电力设备过电压防护与接地

发电厂及变电站电气部分三峡大学电气与新能源学院CollegeofElectricalEngineering&NewEnergy第7章过电压防护与接地第一节过电压防护过电压：雷击或电力系统中的操作、事故等原因，会使某些电气设备和线路承受的电压短时间内大大超过正常运行电压，这种危及绝缘的电压升高称为过电压。过电压的产生有内部和外部的原因，内部过电压：由电力系统内部原因引起的过电压，如断路器投切引起的操作过电压等。外部过电压：由电力系统外部的雷电引起的过电压，也称为雷电过电压。1.内部过电压及其防护1.1工频过电压及其防护工频过电压：正常送电状态下突然失去负荷和在线路受端有接地故障情况下突然失去负荷时，可能产生幅值较高的过电压。工频过电压对220kV以上系统的影响很大，主要有：①工频暂态过电压是操作过电压的强制分量，它的幅值愈高，对应的操作过电压也愈高；②工频暂态过电压决定了避雷器的灭弧电压或额定电压；③工频暂态过电压会提高断路器开断时的恢复电压，恶化开断条件；④工频暂态过电压持续时间较长，对电力设备绝缘及运行性能有影响。220kV及以下系统中，一般不采取特殊措施限制工频过电压。330kV及以上系统一般采用在线路上安装并联电抗器的措施限制工频过电压。1.2谐振过电压谐振过电压产生的原因：消弧线圈补偿网络和传递过电压的线性谐振；线路断线和电磁式电容器饱和引起的铁磁谐振及发电机同步或异步自励磁引起的参数谐振。防止谐振过电压的措施：对消弧线圈采用过补偿方式，超高压线路并联电抗器的中性点串小电抗，选用不发生非全相拒动的断路器，电磁式电压互感器中性点接阻尼电阻或防谐装置等。同时可通过安排合理的运行方式和操作程序来减少谐振过电压。1.3操作过电压操作过电压：在发生操作或故障时，电网中的电容、电感等储能元件由于工作状态发生突变，将产生充电再充电或能量转换的过渡过程，电压的强制分量叠加以暂态分量形成的过电压。操作过电压的原因：开断电容器组、空载长线路、空载变压器、并联电抗器和高压电动机等，在解列过程中也可能产生过电压，同时间歇电弧也会产生。空载线路分闸过电压是控制220kV及以下系统操作过电压绝缘水平的主要依据。220kV及以下系统中，由于绝缘水平较高，能承受可能出现的操作过电压，一般不采取限制措施。线路合闸和重合闸过电压是控制220kV以上系统操作过电压绝缘水平的主要依据。220kV以上系统中，应采用限制操作过电压的措施。限制合闸和重合闸过电压的措施有：采用金属氧化物避雷器保护，安装在出线断路器线路侧的避雷器称为线路避雷器，安装在电站侧的避雷器称为电站避雷器。2.雷电过电压及其防护2.1直击雷过电压防护为防止直接雷击电厂或变电站的电力设备，宜采用采用避雷针(线、网、带)进行保护。利用避雷针(线)可实现直击雷保护。当雷击发电厂避雷针、避雷线或建筑物、构筑物时，将引起接地网冲击电位增高，会造成对电力设备的反击，产生反击过电压。防止反击的措施有：设备的接地点尽量远离避雷针接地引下线的入地点；避雷针接地引下线尽量远离电力设备；为了防止引下线向发电机回路发生反击而可能危及发电机绝缘，宜在靠近避雷针引下线的发电机出口处装设一组避雷器。2.2雷电波过电压防护产生：输电线路受到雷击，雷电波沿导线侵入到发电厂变电所的电力设备上，产生高于绝缘水平的侵入雷电波过电压。变电所对侵入波的限制，第一道防线是变电所进线保护段，第二道防线是变电所母线上安装的避雷器。2.3感应雷过电压防护产生：雷击附近物体或地面，由于空间电磁场发生剧烈变化，在线路的导线上或其他金属导体上产生感应过电压。防护措施：独立避雷针(线)尽量远离35kV及以下电压等级的配电装置，包括组合导线，母线廊道等，以降低感应过电压。对房顶上的设备金属外壳、电缆金属外皮和金属构件均应接地。在重要设备附近装设避雷器或电容器。第二节发电厂、变电站的地人工接地极：是埋入大地并直接与大地相接触的金属导体。自然接地极：直接与大地相接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建(构)筑物的基础、金属管道和设备等。发电厂和变电站中的地，通常是预先埋设在地下，由垂直和水平接地极组成的大型水平地网(称为接地网或复合接地极)，其主要作用是电力设备的泄流和均压。地就是零电位参考点。实际的地50×5扁钢接地网干线50×50×5角钢接地极600060002500800图7-1典型的多接地极接地网防雷接地装置可采用垂直接地极，作为避雷针、避雷线和避雷器附近加强集中接地和散泄雷电流之用，一般敷设3～5根垂直接地极。在土壤电阻率较高的地区，则敷设3～5根放射形水平接地极。水平接地极垂直接地极图7-2接地网的结构为加强对雷电流的散流作用、降低对地电位，发电厂和变电站中还装设集中接地装置。第三节接地接地：用接地线将发电厂变电站的电力设备的某些部分与接地极或接地网相连接。通俗地说就是将电力系统或建筑物中的电气装置、设施的某些导电部分，经接地线连接至地(即接地极)。接地线：连接电气装置、设施的接地端子与接地极用的金属导电部分。按用途的不同，接地有下列4种不同类型：(1)工作(系统)接地(2)保护接地(3)防雷接地(4)防静电接地1.工作(系统)接地中性点的运行方式主要有三种：中性点不接地运行方式、中性点经消弧或限流装置接地运行方式和中性点直接接地运行方式。小接地电流系统大接地电流系统中性点直接接地系统中发生单相接地时，相间电压的对称关系被破坏，但未发生接地故障的两完好相的对地电压不会升高，仍维持相电压。1.1系统中性点的接地方式1.1.1中性点直接接地KIKIABC图7-3发生单相接地的中性点直接接地系统BE'BU'AUCEAE0KUa单相接地的电流回路b相量图1.1.2中性点不接地非故障相对地电压值升高倍，变为线电压。中性点处的电压由0升高到相电压。设备的相对地绝缘要按线电压来考虑，从而提高了设备的绝缘成本。3接地故障系数定义：在三相系统的选定地点(通常为设备的安装地点)以及给定的系统结构，接地故障(系统中任一点发生的单相或多相接地故障)时，健全相的最高相对地工频电压有效值与该选定地点无故障时的相对地工频电压有效值之比。接地故障系数为纯数值比(通常大于1)，概括地表征了从选定地点观察到的系统的接地条件，而与选定地点的实际运行电压无关。中性点不接地运行方式最简单，单相接地时允许带故障运行两小时，供电连续性好，接地电流仅为线路及设备的电容电流。但由于过电压水平高，要求有较高的绝缘水平，不宜用于110kV及以上电网。1.1.3中性点经消弧线圈接地b相量图a电路图图7-4中性点经消弧线圈接地系统单相短路CUCILILICILICAICBI中性点经消弧线圈接地后，当系统发生单相接地时，流过接地点的总电流是接地电容电流与流过消弧线圈的电感电流的相量和。CILI和在接地点互相抵偿后，可使接地电流小于最小起弧电流，从而消除接地点的电弧以及由此引起的各种危害。CILI使电感电流等于接地电容电流，接地处电流为零。在正常运行时的某些条件下，可能形成串联谐振，产生谐振过电压，危及系统的绝缘。1.消弧线圈的三种补偿方式：(1)完全补偿：(2)欠补偿：(3)过补偿：使电感电流小于接地的电容电流，系统发生单相接地故障时接地点还有容性的未被补偿的电流。在欠补偿方式下运行时，若部分线路停电检修或系统频率降低等原因都会使接地电流减少，又可能变为完全补偿。故装在变压器中性点的消弧线圈，以及有直配线的发电机中性点的消弧线圈，一般不采用欠补偿方式。使电感电流大于接地的电容电流，系统发生单相接地故障时接地点有剩余的感性电流。消弧线圈选择时留有一定的裕度，即使电网发展使电容电流增加，仍可以继续使用。故过补偿方式在电力系统中得到广泛应用。2.消弧线圈的容量335.1nUIWC式中：W——消弧线圈的容量，kVA；IC——接地电容电流，A；Un——系统标称电压，kV。经消弧线圈接地的发电机，在正常运行情况下，其中性点长时间电压位移不应超过发电机额定电压的10%。非直配发电机脱谐度不超过±30%，直配发电机脱谐度不超过10%，故障点的残余电流不宜超过10A。1.1.4中性点经低、高电阻接地(1)中性点经消弧线圈接地在实际运行中仍存在的缺陷：1)由于电感电流的滞后性使得电弧间歇接地过电压仍然会短时存在。2)电网的参数随时变化，调整消弧线圈的补偿容量响应速度较慢，仍然会造成过电压的出现。3)对全电缆出线的配电变电所，接地故障通常都为永久性故障，中性点安装消弧线圈已失去意义。因此，现在有些变电站不再采用中性点经消弧线圈接地方式。当接地电容电流小于规定值时，采用高阻接地方式，当接地电流大于规定值时，采用低电阻接地方式。b高电阻接地图7-6低、高电阻接地接地变低电阻a低电阻接地(3)中性点经高电阻接地接入发电机中性点高电阻的大小，将影响发电机单相接地时健全相暂时过电压值。按运行机组的耐压值为1.5倍发电机额定电压考虑，则健全相暂时过电压不宜超过2.6倍相电压。此时电阻值应为fCR21式中：R——发电机中性点接入电阻值，Ω；f——发电机工作频率，Hz；C——发电机电压系统三相对地总电容量，μF。(2)中性点经低电阻接地当发生单相接地故障时，短路点流过固定的电阻性电流，有利于馈线的零序保护动作。为防止发电机发生单相接地时，中性点变压器(简称接地变)产生较大的励磁涌流，接地变压器额定电压的选择不宜低于发电机额定电压。接地变压器的容量：11kIUSC式中：S——接地变压器容量，kVA；U1——接地变压器额定电压，kV；IC——发电机单相接地时电容电流，A；k1——过负荷系数，查图7-7变压器运行时间过负荷系数曲线。接地变低压侧接入电阻值：22222SPURkR式中：R2——接地变压器低压侧接入电阻值，Ω；U2——接地变压器低压侧电压，kV；k——接地变压器变比，k=U2/U1；P——接地变压器总损耗，W。1.1.5中性点经小电抗接地图7-8小电抗接地该接地方式的运行特点与中性点直接接地相同，发生单相接地时须立即跳开断路器。如图7-8所示，小电抗值取1/3变压器零序电抗值，两台变压器经电抗器接地，与一台变压器接地、一台变压器不接地的零序电抗值相同。当退出一台变压器运行时，可将另一台运行变压器中性点小电抗用隔离开关短接。对多台变压器也仿照此方法处理。采用变压器中性点经1/3变压器零序电抗接地，在单相接地时，变压器中性点零序电压为：xg025.0UKKU式中：U0——变压器中性点零序电压，kV；Uxg——系统最大工作相电压，kV；K——零序电抗(X0)与正序电抗(X1)比值，X0/X1≤3。要求：小电抗伏安特性为线性。中性点采用小电抗接地要求：该系统中所有变压器的中性点都经一个小电抗接地，即使系统被分裂成几个部分，也不会出现中性点不接地的变压器，对主变中性点绝缘水平要求大大降低。1.2中性点接地方式选择小接地电流系统主要优点是供电可靠性高，无通信干扰问题，主要缺点是绝缘水平要求高；大接地电流系统则相反。当单相接地故障电容电流小于时，采用不接地方式。此时，可继续运行1～2小时，不用立即跳闸，但发生间歇性电弧接地时，过电压一般为3倍额定电压，可能使绝缘损坏。A7210当电流大于7A时，接地处的电弧不能自动熄灭，将产生较高的电弧过电压(3.5～5倍)的过电压，并易发展成为多相短路，单相接地保护应瞬时动作于跳闸。1.2.1主变压器中性点接地方式3kV～10kV系统多采用中性点不接地方式。当线路长或有电缆线路而且单相接地电流越限时，可以采用经消弧线圈接地方式。当单相接地电容电流较大，采用消弧线圈很难有效地熄灭接地出的电弧时，可采用低电阻接地方式。35kV～66kV系统和3kV～10kV系统相似，由于35kV～66kV系统电网线路总长度一般都超过100km，单相接地电流都越限，因此多采用经消弧线圈接地方式。我国多数110kV系统采用中性点直接接地方式，但雷电活动较强的地区由于考虑供电可靠性也可采用经消弧线圈接地方式。220kV及以上系统采用中性点直接接地系统500kV及