第4章 电力系统大气过电压及防护

第4章电力系统大气过电压及防护4、1雷闪过电压一、雷闪放电过程1、先导放电阶段：当云中的电荷达到一定数量时，电场强度达到使空气绝缘破坏（击穿），变成导电通道，即先导放电通道，向地面发展（逐级）。2、主放电阶段：当先导通道头部接近地面时，先导通道头部对大地的极大电位差，使剩余间隙中产生极大的场强，造成强烈的游离，形成高导电通道，将先导通道头部与大地接通，即主放电阶段开始，发生闪电和巨大的雷响。3、余辉放电阶段：主放电完成后，云中的剩余电荷沿雷电流通道继续流向大地，形成余辉放电。二、雷电特点和参数1、雷电特点：雷击具有冲击性——在很短的时间内（0.5s），电压、电流会迅速上升（1亿伏、几十万安），电能达到2500kW.h。雷电具有重复性——放电的平均数是3。雷击具有选择性——雷云附近，因静电感应而产生的电荷的分布的特点是：地面上弯曲的部分比平坦的电荷多而密集，容易将带异性电荷的雷云拉过来，对其放电，造成定向雷击。2、雷电参数：1）雷电通道波阻抗——Z=300~400欧2）雷电流的波形——波头1~4μs，一般取τ1=2.6μs。波长40~50μs。雷电流的上升陡度为dIL/dt=IL/2.63）雷电流幅值及概率分布lgP=-IL/108例：当IL=100kA时，P=11.9%。表明每100次雷电中，大约有12次雷电流超过100kA。从曲线知：IL=300kA的概率很小。4）雷暴日T——每年中有雷电的日数。T与纬度及距海洋远近有关。我国第1大雷区：海南省那大镇130.7日/年我国第2大雷区：海南省海口市115日/年广州市84日/年5）地面落雷密度r——每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数。r=0.015次/km2.雷暴日三、冲击波过电压和伏秒特性1、冲击波过电压——作用时间很短的非周期变化的过电压2、标准冲击电压波形：标准冲击电压波形的参数：波前时间T1=（1.2±0.36）us，波长T2=（50±10）us，通常表示为：1.2/50us3、50%冲击击穿电压U50%：由于冲击电压作用下放电的分散性，如果在某一冲击电压作用下，间隙击穿的概率为50%时，称此电压为50%冲击击穿电压，用U50%表示。它表示间隙耐受冲击电压的能力。冲击系数：表示U50%与静态放电电压U0之比，即γ=U50%/U0U0—静态放电电压（直流、工频）4、间隙（绝缘结构）的伏秒特性：表示间隙放电电压与放电时间的关系曲线。四、大气过电压的类型和防雷保护设备1、大气过电压的类型直击雷过电压——雷直接对设备或导线放电感应雷过电压——雷击于设备或导线附近地面时，电磁场剧烈改变，在设备或导线上感应而产生的过电压。侵入波过电压——当远方导线遇直击雷或感应雷时，电磁波沿导线以光速传递。2、防雷保护设备1）避雷针——主要用来防护直击雷过电压。由接闪器、接地引下线、接地体组成。它应比被保护的设备高，将雷电吸引到针尖，并安全地导入大地，从而保护设备。避雷针保护范围的计算：实际上是一种确定避雷针高度和数目的工程方法。#单支避雷针保护范围的计算：保护半径的计算：#两支避雷针保护范围的计算：两针外侧的保护范围——由单针确定，两针内侧的保护范围——由双针确定，水平面上保护范围的单侧宽度计算：2）避雷线——主要用来防护直击雷过电压。其接闪器由悬挂在线路上的接地导线组成。避雷线的保护范围：保护范围呈带状，工程上常用保护角表示避雷线对输电线路的保护范围。保护角是指避雷线与外侧导线之间的夹角，用a表示。一般取a=200～300。3）避雷器——主要用来防护侵入波过电压和内部过电压。两个基本要求：#当电压超过一定值时，避雷器动作（放电）。#过电压消失后，避雷器迅速切断工频电弧。避雷器的类型：保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器、磁吹避雷器、氧化锌避雷器。保护间隙——由主间隙和辅助间隙组成。结构简单，价格低廉。电极间电场分布不均匀，伏秒特性曲线极陡，与被保护的设备难以配合。无专门的灭弧机构，不可靠，要配合自动重合闸来提高供电的可靠性。管型避雷器——由火花间隙（内间隙和外间隙）、消弧管组成。火花间隙结构稍改进电极间电场分布，比保护间隙均匀，伏秒特性曲线较陡，同样与被保护的设备不易配合。有专门的灭弧机构，但不稳定。且管型避雷器动作后，会产生振荡截波，其幅值为冲击电压的两倍，威胁被保护的设备绝缘。阀型避雷器——结构：主要由火花间隙和阀片组成。火花间隙用于切断工频续流。阀片：是一种非线性电阻。雷电流作用下，阀片呈低阻值，限制残压；对工频续流，阀片工作在高阻值区，限制工频续流，有利于灭电弧。工作原理：正常时，由于火花间隙的作用，导线对地绝缘；当过电压作用时，间隙被击穿，将电流引人大地。过电压消失后，间隙绝缘强度恢复，避雷器恢复正常状态。阀型避雷器的阀式特性：避雷器象一只阀门一样，正常时阀门关闭，导线对地绝缘；过电压作用时，阀门打开，让雷电流人地。缺点：残压太高，威胁被保护的设备绝缘。磁吹避雷器——在阀型避雷器的结构里增加了磁吹线圈（灭弧）、减少了阀片，降低了残压。氧化锌避雷器——结构：此避雷器无间隙，只有阀片，其阀片是以氧化锌为主的非线性特性的压敏电阻。在正常工作电压作用下，流过氧化锌阀片的电流很小，为10-5A，此时阀片相当于一个绝缘体，所以无需间隙。当过电压作用时，阀片呈现出很小的电阻，相当于阀片“导通”，其残压与电流几乎无关。特点：无间隙、无续流。〖课堂练习〗请在下列的空格内填入正确的序号：1保护间隙、2管型避雷器、3阀型避雷器、4磁吹避雷器、5氧化锌避雷器。在以上五类避雷器的结构中，1、有间隙的是；2、只有间隙的是；3、没有间隙的是；4、有阀片的是；5、没有阀片的是；6、有专门的灭弧装置的是；7、动作后，出现残压的是；8、可以保护发电机的是。〖课堂讨论〗间隙的功能是什么？4、2输电线路的雷闪过电压及其防护一、输电线路上的感应雷击过电压产生：雷击线路附近地面或建筑物时，由于主放电通道周围电磁场的剧烈变化，在导线上将产生过电压，称为感应过电压。特点：#电压极性与直击雷过电压极性相反；#三相导线会同时产生过电压；#有避雷线时的过电压比无避雷线时的过电压要低。1）雷击线路时，线路上的感应过电压：无避雷线时，Ug=25Ilhd/S；S65m有避雷线时，因避雷线的屏蔽作用可使感应过电压下降。2）雷击地面时，线路上的感应过电压：Ug=ahd(1-k)=Ilhd(1-k)/2.6；一般情况下，Ug500kV，对35kV及以下线路造成威胁，但110kV及以上的线路由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故。二、输电线路的直击雷过电压雷直击有避雷线的线路，有三种情况：雷击避雷线的档距中央；雷绕过避雷线击于导线；雷击杆塔。1）雷击避雷线的档距中央——用于选择S，避免Ug的数值超过S的放电电压，引起击穿。2）雷绕过避雷线击于导线——绕击时的耐雷水平：Il=U50%/1003）雷击杆塔——作用在线路绝缘子串上的电压（即塔顶与导线之间的电压）由下列3个分量组成：杆塔对地电位Utd、避雷线和导线间的耦合作用在导线上具有的电位、感应电位。塔顶电位：Ugt=βI(Rch+Lgt/2、6)导线电位：Ud=KUgt-αhd(1–K)(包含耦合以及感应)绝缘子串上的电压Uj：Uj=Ugt-Ud=I(βRch+βLgt/2、6+hd/2、6)(1–K)绝缘子串的闪络：当Uj大于绝缘子串的冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，称为“反击”。反击耐雷水平：Il=U50%/(βRch+βLgt/2、6+hd/2、6)(1–K)三、衡量输电线路防雷性能的主要指标1、耐雷水平——雷击线路时，线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值。2、雷击跳闸率——每100km线路每年由雷击引起的线路跳闸次数。四、输电线路的防雷措施1、架设避雷线2、降低杆塔接地电阻3、加强线路绝缘4、采用中性点经消弧线圈接地方式5、装设自动重合闸小结：为了防止输电线路雷害事故，可以从下述几个方面着手：1、防止线路绝缘闪络。提高耐雷水平，可减少绝缘闪络的机会。2、防止线路跳闸。只有当雷击引起的冲击闪络转变为由工作电压维持的工频电弧，并持续到等于或超过继电保护的整定时间后，才会引起跳闸。3、防止供电中断。装自动重合闸装置。4、3发电厂、变电站雷闪过电压的防护一、发电厂、变电站的防雷保护的特点1、发电厂、变电所的雷害事故主要来自两方面：直击雷和侵入波。2、设备设施集中布置，防直击雷主要采用避雷针。3、防侵人波过电压，采用避雷器。4、布置的设备贵重，防雷措施需要更加周密。5、接地系统包括防雷、工作和保护接地，必须保证良好的接地。二、避雷针安放的原则1、被保护设备应在避雷针的保护范围内；2、应防止反击。避雷针与被保护设备的空气距离Sk不小于5米，地中距离Sd不小于3米。根据防止反击的要求和配电装置的布置，决定针的安装位置，即决定了避雷针与被保护设备的水平距离。由避雷针与被保护设备的水平距离和被保护设备的高度hx确定避雷针针高h。3、35KV及以下配电装置架构上不宜装避雷针，应设独立避雷针及独立的接地装置；4、110KV及以上配电装置，在电阻率不高地区，允许将避雷针装在出线架构上，但应防止反击，并设集中接地装置，其与变电所接地网的连接点离主变与接地网的接地点之间的电气距离应不小于15米；5、变压器门型架上不允许装避雷针；6、土壤电阻率大于1000地区，架构上不宜装避雷针7、照明灯塔作为避雷针的支架时，照明灯塔的电源线必须用铅皮电缆或将电源线穿入铁管埋入地中；8、发、变电所的主控室和35KV及以下的配电装置室一般不设避雷针，只须将其金属结构接地即可；9、独立避雷针不应设在经常通行的地方，距道路不应小于3米。三、变电所侵人波过电压防护1、侵入波过电压的危害：当线路上出现过电压时，将有电磁波沿导线向变电所运动，其幅值为线路绝缘的50%放电电压。2、避雷器的保护作用：限制侵入波幅值、降低陡度。避雷器能可靠保护电气设备的条件是：①侵入的雷电流幅值不超过5kA（35~220KV）、10kA（330KV以上）②来波陡度不超过允许值。3、被保护设备上的过电压——距离效应距离效应的存在使被保护设备上的电压大于避雷器上的残压，因此避雷器不能离被保护设备太远。4、进线段保护——在靠近变电所1~2km的一段进线上装设避雷线及避雷器。5、35KV及以上变电所的进线段保护接线四、变压器的防雷保护1、三绕组变压器的防雷保护2、自耦变压器的防雷保护3、变压器中性点的防雷保护4、配电变压器的防雷保护五、旋转电机的防雷保护1、特点：其绝缘水平在相同电压等级的设备中是最低的。2、主要措施：在发电机出口母线处装设ZNO避雷器——限制侵入波幅值；在发电机出口母线处装设电容器——限制侵入波陡度；采用进线段保护。习题课：35KV升压站防雷保护范围设计