第十一章 供配電系統的過電壓保護,供配電系統,第11章 供配電系統的過電壓保護,11.1 過電壓及其分類 11.2 直擊雷過電壓的防護 11.3 感應雷過電壓的防護 11.4 供配電系統的防雷保護,11.1 過電壓及其分類,11.1.1 大氣過電壓 大氣過電壓又稱雷電過電壓，是由于電力系統的設備或建(構)筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應而引起的過電壓，因其能量來自系統外部，故又稱為外部過電壓。 雷電過電壓有兩種基本形式：直擊雷過電壓和感應雷過電壓,11.1 過電壓及其分類,1直擊雷過電壓 雷云雷電先導 迎雷先導 主放電階段 余輝放電 主放電電流很大，高達幾百千安，但持續時間極短，一般只有50100s。 余輝放電階段電流較小，約幾百安，持續時間約為0.030.15s。,11.1 過電壓及其分類,雷電流波形 雷電流由零增大到幅值的這段時間的波形稱為波頭wh(wave head)。 雷電流從幅值衰減到幅值的一半的一段波形稱為波尾wt(wave tail)。 雷電波的陡度用雷電流波頭部分的增長速度來表示，即 。,11.1 過電壓及其分類,2感應雷過電壓 所謂感應雷過電壓，是指當架空線附近出現對地雷擊時，在輸電線路上感應的雷電過電壓。,11.1 過電壓及其分類,11.1.2 內部過電壓 操作過電壓 諧振過電壓,11.1 過電壓及其分類,限制內部過電壓的措施 （1）采用滅弧能力強的快速高壓斷路器，在斷路器主觸頭上并聯電阻(約3000)，在并聯電阻上串聯一個輔助觸頭，以減少電弧重燃的次數，控制操作過電壓的倍數。 （2）裝設磁吹避雷器或氧化鋅避雷器。 （3）對于對地電容電流大的網絡，中性點經消弧線圈接地，限制電弧接地過電壓。 （4）增加對地電容或減少系統中電壓互感器中性點接地的臺數，即增加母線對地的感抗，從而減小固有自振頻率，避免因系統擾動而發生母線鐵磁諧振過電壓。,11.2 直擊雷過電壓的防護,11.2.1 建筑物的防雷分類 （1）第一類防雷建筑物 因電火花而引起爆炸，會造成巨大破壞和人身傷亡者，包括制造、使用或貯存炸藥、火藥、起爆藥、化工品等大量爆炸物質的建筑物；具有氣體爆炸、粉塵爆炸危險環境的建筑物。 （2）第二類防雷建筑物 包括：國家級重點文物保護的建筑物；具有特別重要用途的建筑物，如國家級的會堂、大型火車站等；對國民經濟有重要意義且裝有大量電子設備的建筑物，如國家級計算中心、國際通信樞紐等；具有氣體爆炸危險的可能，且電火花不易引起爆炸的建筑物；工業企業內有爆炸危險的露天鋼質封閉氣罐；年預計雷擊次數大于0.06次的辦公建筑物及其他重要或人員密集的公共建筑物；年預計雷擊次數大于0.3次的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物。,11.2 直擊雷過電壓的防護,11.2.1 建筑物的防雷分類 （3）第三類防雷建筑物 包括：省級重點文物保護的建筑物及省級檔案館；年預計雷擊次數在0.0120.06之間的辦公建筑物及其他重要或人員密集的公共建筑物；年預計雷擊次數在0.060.3之間的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物；年預計雷擊次數大于等于0.06的一般性工業建筑物；根據雷擊后果及具體情況，確定需要防雷的火災危險環境；在平均雷暴日大于15天/年的地區，高度在15m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物；在平均雷暴日小于或等于15天/年的地區，高度在20m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑。,11.2 直擊雷過電壓的防護,11.2.2 直擊雷的防護裝置 1避雷針及其保護范圍 避雷針由承受雷擊的接閃器、支持構架、接地引下線和接地體四部分構成。,11.2 直擊雷過電壓的防護,1避雷針及其保護范圍 所謂“滾球法”，就是選擇一個半徑為hr(滾球半徑見表9.2.1)的球體，沿需要防護直擊雷的部位滾動。如果球體只接觸到避雷針(線)與地面，而不觸及需要保護的部位，則該部位就在避雷針(線)的保護范圍之內。,表9.2.1 按建筑物防雷類別確定滾球半徑和避雷網格尺寸,11.2 直擊雷過電壓的防護,單支避雷針的保護范圍，按下列方法確定 （1）當避雷針高度hhr時 距地面hr處作一與地面平行的平行線。 以避雷針的針尖為圓心，hr為半徑作弧線，交上述平行線于a、b兩點。 分別以a、b為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線均與針尖相交并與地面相切。由此弧線起到地面上的整個錐形空間，就是避雷針的保護范圍。 避雷針在被保護物高度hx水平面上的保護半徑，按下式計算：,11.2 直擊雷過電壓的防護,（2）當避雷針高度hhr時 在避雷針上取高度hr的一點代替單支避雷針的針尖作圓心，其余保護范圍的求法同hhr時。,11.2 直擊雷過電壓的防護,2避雷線及其保護范圍 對于單根避雷線的保護范圍，當避雷線的高度h2hr時，無保護范圍；當避雷線的高度h2hr時，應按下列方法確定，參見圖9.2.2。 1）距地面hr處畫一與地面平行的平行線。 2）以避雷線為圓心，hr為半徑作弧線，交平行線于a、b兩點。 3）以a、b為圓心，hr為半徑作弧線，該兩弧線相交或相切，并與地面相切。從該弧線起到地面上的空間就是其保護范圍。 4）當2hrhhr時，保護范圍最高點的高度h0按下式計算：h02hrh 5）避雷線在被保護物高度hx的水平面上的保護寬度，按下式計算：,11.2 直擊雷過電壓的防護,3避雷帶和避雷網 避雷帶和避雷網主要用來保護其所處的整幢高層建筑物免遭雷擊。 4消雷器及其保護范圍 （1）抑制和消除上行雷 （2）中和雷云電荷 （3）抑制下行雷主放電電流,11.2 直擊雷過電壓的防護,11.2.3 防護雷電流反擊的措施 如圖9.2.4所示，當雷擊避雷針以后，雷電流沿接地引下線入地，在a、b兩點產生高電位。若避雷針與被保護物之間的空中距離sa或它們的接地體在土壤中的距離se不能承受a、b兩點的高電位，就會造成sa或se間隙擊穿或閃絡，這種現象稱為反擊。為了防止反擊的發生，避雷針必須與被保護物之間保持一定的安全距離。,11.2 直擊雷過電壓的防護,11.2.3 防護雷電流反擊的措施 式中h被保護物的高度，m； l0避雷針上單位長度的電感，常取1.3h/m； rsh避雷針的沖擊接地電阻，； i雷電流，ka，從安全考慮常取幅值為150ka； 雷電流陡度，ka/s，若為斜角波頭，且波頭長為2.6s，則最大陡度。 上式可簡化為：,若取雷電壓的電阻分量對空氣間隙的擊穿強度為500kv/m，雷電壓的電感分量對空氣間隙的擊穿強度為700kv/m，則避雷針對被保護物不發生反擊的最小安全距離工程上常取：,獨立避雷針的接地體與被保護物的接地體在地中也應保持一定的安全距離，同樣可得：,一般情況下，sa不允許小于5m，se不應小于3m。,11.3 感應雷過電壓的防護,11.3.1 雷電沖擊波沿導線的傳播 1沖擊波沿導線傳播的基本規律 雷電沖擊波行進的速度只與線路導線的分布電感和導線對地的分布電容有關，電壓波和電流波幅值之比的關系為： 式中：l0一一-導線的分布電感，h/m； c0導線的對地分布電容，f/m。,z稱為波阻抗,11.3 感應雷過電壓的防護,波阻抗與歐姆定律的區別 兩者雖然形式上一樣，但物理意義不同。 歐姆定律反映的是直流穩態下電壓和電流的關系，而波阻抗反映的是沿導線傳播的沖擊波電壓和沖擊波電流之間的動態關系。 它只決定于線路導線本身的分布參數l0、c0，而與導線長度和線路終端負載的性質無關。 架空線路波阻抗約為400500，電纜線路波阻抗約為1050。,11.3 感應雷過電壓的防護,2波的折射與反射 如圖所示，對結點a而言，根據邊界能量守恒原則，任何瞬間在結點上只能呈現一個電壓值和電流值，則邊界方程為：,11.3 感應雷過電壓的防護,聯立方程求解 ，也可以用如圖所示的一個集中參數等效電路表示（稱之為等效集中參數定理或彼得遜規則）,11.3 感應雷過電壓的防護,下面討論幾種特殊情況： 線路末端開路時 線路末端斷開處可視為結點，結點后面的波阻抗z2=。則2，1，即urw2uin，uewuin，此時線路開路末端會呈現出2uin的電壓，嚴重威脅絕緣安全，必須設置防雷保護。 線路末端短接時 線路末端短接處可視為結點，結點后面的波阻抗z2=0，則0，1，即urw0，uewuin。此時在進線線路上的合成波電壓為零，這說明只要有良好的接地，則侵入線路的沖擊波電壓能迅速消失，不致造成危害。,11.3 感應雷過電壓的防護,11.3.2 避雷器 1保護間隙 保護間隙又稱放電間隙，是最簡單的防雷保護裝置，它由主間隙s1、輔助間隙s2和支持瓷瓶組成。主間隙按結構型式不同，分為棒型、環型和角型。,當供電系統遭到大氣過電壓時，保護間隙s1作為一個薄弱環節首先擊穿，并將雷電流釋放到地中.,輔助間隙s2的作用是為了防止主間隙被異物短路引起誤動作。,保護間隙構造簡單，成本低廉，維護方便，但由于無專門滅孤裝置，滅弧能力很差。規程規定，在具有自動重合閘的線路中和管型避雷器或閥型避雷器的參數不能滿足安裝地點的要求時，可以采用保護間隙。,9.3 感應雷過電壓的防護,2管型避雷器(播放動畫） 管型避雷器由產氣管、內部間隙和外部間隙三部分組成。 產氣管由纖維、有機玻璃或塑料制成。 內部間隙裝在產氣管內部，一個電極為棒形，另一個電極為環形。 外部間隙設在避雷器和帶電的導體之間，其作用是保證正常時避雷器與電網的隔離，避免纖維管受潮漏電。,由于管型避雷器伏秒特性較陡，不易與變壓器的伏秒特性相配合，且在動作時有氣體噴出，因此，管型避雷器主要用于室外線路上。,11.3 感應雷過電壓的防護,3閥型避雷器 閥型避雷器由裝在密封磁套管中的火花間隙組和具有非線性電阻特性的閥片串聯組成。,11.3 感應雷過電壓的防護,火花間隙組是根據額定電壓的不同采用若干個單間隙疊合而成。 每個間隙由兩個黃銅電極和一個云母墊圈組成。由于兩黃銅電極間間距小，面積較大，因而電場較均勻，可得到較平緩的放電伏秒特性。,圖9.3.5 單個平板型火花間隙 1黃銅電極；2云母片,11.3 感應雷過電壓的防護,閥片是由金剛砂（sic）和結合劑在一定的高溫下燒結而成，具有良好的非線性特性和較高的通流能力。 閥片的電阻值隨著所加電壓變化而變化，當閥片上所加電壓增大時，電阻值減小；當閥片上電壓減小時，電阻值增大。 這樣，在通過較大雷電流時，使避雷器上出現的殘壓不會過高，對較小的工頻續流又能加以限制，為火花間隙的切斷續流創造了良好的條件。,由于閥型避雷器具有伏秒特性比較平緩，殘壓較低的特點，因此，常用來保護變電所中的電氣設備。,11.3 感應雷過電壓的防護,4金屬氧化物避雷器 金屬氧化物避雷器又稱壓敏避雷器。它在結構上沒有火花間隙，由氧化鋅或氧化鉍等金屬氧化物燒結而成的壓敏電阻片（閥片）組成。 這種避雷器的閥片具有優異的非線性伏安特性，在工頻電壓下，閥片具有極大的電阻，呈絕緣狀態，能迅速有效的阻斷工頻續流，因此無需火花間隙來熄滅工頻電壓引起的電弧；當電壓超過一定值（稱為起動電壓）時，閥片“導通”，呈低阻狀態，將大電流泄入地中；當危險過電壓消失以后，閥片迅速恢復高阻絕緣狀態。,金屬氧化物避雷器具有無間隙、無續流、通流量大、殘壓低、體積小、重量輕等優點，因此很有發展前途，世界上許多國家都已用它取代了碳化硅閥式避雷器。,11.3 感應雷過電壓的防護,11.3.3 避雷器與被保護物絕緣的伏秒特性配合 電氣設備的沖擊絕緣強度是用伏秒特性表示。所謂伏秒特性，即絕緣材料在不同幅值的沖擊電壓作用下，其沖擊放電電壓與對應的起始放電時間的關系。,避雷器要能可靠的保護該設備，其伏秒特性必須低于被保護物的伏秒特性，并且要留有一定的間距，這樣才能保證在同一沖擊電壓作用下，避雷器總是首先擊穿對地放電。,11.4 供配電系統的防雷保護,11.4.1 配電變壓器的防雷保護 在供配電系統中，常常在變壓器的高壓側裝設閥型避雷器作為變壓器的防雷保護。對于y/yn0接線的變壓器，一般把外殼、中性點與避雷器共同接地。,11.4 供配電系統的防雷保護,11.4.2 架空線路的防雷措施 （1）架設避雷線 （2）提高線路本身的絕緣水平 （3）利用三角形排列的頂線兼作防雷保護線 （4）加強絕緣弱點的保護 （5）裝設自動重合閘裝置,11.4 供配電系統的防雷保護,9.4.3 變配電所的防雷措施 1變配電所的直擊雷保護 變電所內如下設備和建筑物應該有直擊雷保護裝置： （1）屋外的配電裝置（包括母線廊道、架空母線橋、軟連線等）； （2）遭受雷擊后可能引起火災的建筑物，例如露天的油箱和油設備等建筑物以及易燃材料的倉庫； （3）有爆炸危險的建筑物，例如氫氣設備和乙炔發生裝置等； （4）雷擊后可能引起機械性能破壞的高大建筑物，例如煙囪、冷卻塔和變壓器修理間等。,11.4 供配電系統的防雷保護,235110kv變電所的進線保護 進線保護的目的在于防止線路上落雷后雷電波侵入變電所，危害變電所的配電裝置。,不采用全線裝設避雷線的線路，可以在進線段12km內架設避雷線，防護直接雷擊，還可以使感應雷過電壓產生在12km以外，靠進線段本身的阻抗起限流作用，降低雷電沖擊波的幅值和陡度。,為了限制線路上遭受直擊雷產生的高電壓，該線路進線段的首端，裝設一組管型避雷器f1，且其工頻接地電阻應在10以下。,在靠近隔離開關或斷路器qf1處裝設一組管型避雷器f2，防止線路上的雷電波侵入到隔離開關或斷路器開路處由于反射而形成兩倍侵入波幅值的電壓，損壞隔離開關或斷路器。f2的外間隙應調整于正常運行時不被擊穿。,閥型避雷器f3保護價值高而絕緣相對薄弱的變壓器。,播放動畫,11.4 供配電系統的防