高电压技术第四章讲.ppt

第四章 电力系统大气过电压及防护,4.1雷闪过电压,大气过电压，也叫雷闪过电压：是由于雷电引起的电力系统过电压。雷闪过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压两种直击雷过电压：是由于流经被击物很大的雷电流造成的感应雷过电压：是由于电磁场剧烈改变而产生的过电压,4.1.1 雷闪放电及雷电参数雷闪放电雷电放电包括雷云对大地放电和云间放电两种情况按其发展的方向，雷电可分为下行雷和上行雷两种。下行雷是在雷云中产生并向大地发展的；上行雷则是由接地物体顶部激发起，并向雷云方向发展的。雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷的符号决定的，大量的实测表明，不论地质情况如何，90左右的雷电是负极性的。,下行的负极性雷对地放电可分为三个主要阶段，即先导放电、主放电和余辉放电阶段：1.雷电先导放电过程：雷电先导放电的路径服从于统计规律，在所有可能放电的方向中，最主要的方向决定于最大电场强度。雷雨云中的电荷积集到一定密度，首先从云中某处产生空气的电离而形成下行先导流注，高空先导流注放电的方向是随机的，不受地面物体的影响。雷雨云下面的地面和地物受雷云电荷的静电感应，产生出与雷电异号的电荷，并使各地物表面的电场强度增强。当下行先导流注发展到某种高度，即所谓雷电定位高度H1处时，大气电场开始被地物感应电场所歪曲，雷电先导向歪曲后的最大电场强度方向发展。当下行先导流注行进到雷击高度H2后，某一个或几个地物表面电场强度达到了击穿空气的数值，该地物就会产生迎面先导流注，它向上发展与下行先导流注汇合，然后就产生强烈的主放电，该地物就遭到了雷击。在这一过程中，地物表面的电场强度表征了该地物某处遭受雷击危险性的大小.,2.雷电的主放电阶段当先导通道的头部与迎面先导上的异号感应电荷或与大地之间距离较小，在下行先导的极高电位下，可使剩余的空气间隙击穿，便形成放电的第二阶段，即主放电阶段.先导通道头部与大地短接，这就是主放电阶段的开始。主放电开始阶段游离出来的电子迅速人大地，留下的正离子中和了该处先导通道中的负电荷。剩余间隙中形成的新通道，由于其游离程度比先导通道强烈得多，正负电荷密度比先导通道中大很多，故具有更强的光亮，很大的电导，故间隙中的新通道好似一个良导体把大地电位带到初始主放电通道的上端，使该处的电位接近于大地，而先导通道其余部分中的电荷仍留在原处未变，这些先导电荷所造成的电场也未变，这样，就在初始主放电通道上端与原先导通道下端的交界处出现了极大的场强，形成强烈的游离，也就是说将该段先导通道改变成更高电导的主放电通道，所以说主放电是从地面向云发展的。主放电发展速度极大，根据统计，约在0.070.5光速的范围内。离地越高，速度就越小。主放电通道到达云端时，主放电结束.,主放电时，通道突发地明亮，发生巨大的雷响，沿着雷电流通道流过很大的雷电流，且由于电流突然增加，使被雷击点周围的磁场发生很大变化。这就是主放电过程会造成雷电放电具有最大的破坏作用的原因.主放电的延续时间一般不超过100uS，其放电电流幅值可达几十KA甚至几百KA。电流的瞬时值是随着主放电向高空发展而逐渐减小的，形成雷电流冲击波形。,3余辉放电阶段 主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电流通道继续流向大地，形成余辉放电。与余辉放电阶段相对应的电流是逐渐衰减的，约为100010A，持续时间约为几ms,4.1.1.2 雷电参数,1.雷电通道波阻抗主放电时，雷闪通道是一导体，故可看作和普通导线一样，对电流波呈一定的阻抗，沿闪击通道运动的电压波 与电流波 的比值 就叫雷电通道波阻抗（取300400）,2.雷电流的波形（波头、陡度及波长）,标准冲击波：,斜角平顶波：,等值余弦波：,雷电的电气参数,3.雷电流：当=0时，流经被击物体的电流,(1).幅值,4.雷暴日与雷暴小时,雷暴日：每年中有雷电的日数,雷暴小时：每年中有雷电的小时数,5.地面落雷密度和输电线路落雷次数,地面落雷密度中：每一雷暴日、每平方公里地面遭受雷击的次数，以 表示.有关规程建议 r为 0.015次/(雷暴日）,N=,h-避雷线或导线对地平均高度,N落雷次数，次/（100km年）,若平均雷暴日T取为40，=0.015，则N=0.6h,对于架空线路来说，由于其高出地面有引雷作用，根据模拟试验和运行经验，一般高度的线路，其等值受雷面的宽度为10h(h为线路的平均高度，m），也就是说线路两侧各5h宽的地带为等值受雷面积。显然，线路愈长则受雷面积愈大。若线路经过地区的平均雷暴日数为T，则每年每100km一般高度的线路的落雷次数为:,四.雷电冲击波过电压和伏秒特性,1.标准波形:是根据电力系统中大量实测得到的雷电过电压波形制订的.,几个参数,波头时间：=(1.2 30%)s,波长时间:=(50 20%)s,标准波形通常用符号 表示,2.放电时延,(1).间隙击穿要满足二个条件,a.一定的电压幅值,b.一定的电压作用时间,(2).统计时延,通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间。（具有分散性）,(3).放电形成时延tf,从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间。包括从电子崩，流注到主放电的发展所需的时间。（具有分散性）,(4).放电时延tL,tL=ts+tf,统计时延ts和外加电压大小，照射强度等很多因素有关。ts随间隙上外施电压的增加而减小，这是因为间隙中出现的自由电子转变为有效电子的概率增加的缘故。若用紫外线等高能射线照射间隙，使阴极释放出更多的电子，就能减少ts,利用球隙测量冲击电压时，有时需采用这一措施,放电时延主要取决于tf，特别当间隙距离较大时，tf较长。若增加间隙上的电压，则电子的运动速度及游离能力都会增大，从而使tf减小。,气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：,t=t1+ts+tf,其中：ts+tf 就是放电时延tL,3.50%冲击放电电压U50%,放电概率为50%时的冲击放电电压,50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲击系数,p,u击,u50%,50%,U0工频静态击穿电压的幅值,4.伏秒特性,(1)定义,同一波形、不同幅值的冲击电压下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线,(2)曲线求取方法,(3)电场均匀程度对曲线的影响,不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明显地上翘,曲线比较陡.均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲线较平坦.,(4)实际意义,S1被保护设备的伏秒特性曲线，S2保护设备的绝缘伏秒特性曲线,伏秒特性是防雷设计中实现保护设备和被保护设备间绝缘配合的依据。为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线.,第二节,输电线路的防雷保护,衡量输电线路防雷性能的两个指标：,耐雷水平：雷击线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值,以KA为单位。,雷击跳闸率：每100km线路每年由雷击引起跳闸次数。这是衡量线路防雷性能的综合指标。,一.输电线路的感应雷过电压,1.感应过电压的计算,(1).导线上方无避雷线,S:雷击点与线路的垂直距离，m,:雷电流幅值 KA,:导线悬挂的平均高度 m,当雷击点离开线路的距离大于米时，导线上的感应雷过电压最大值按下式计算：,：感应过电压最大值，kv,感应电压一般不超过500kV，对35kV及其以下的水泥杆线路可能会引起闪络事故，对110kV及其以上线路，由于线路绝缘水平较高，所以一般不会引起闪络事故。,(2).导线上方挂有避雷线,K为避雷线与导线间的耦合系数，线间距离愈近，耦合系数K就愈大。由于避雷线的屏蔽作用，可使导线上的感应电压降低。,(3).雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压,无避雷线：,有避雷线：,:感应过电压系数,二.输电线路的直击雷过电压和耐雷水平,1.雷直击导线时的过电压,作用于线路绝缘上的电压最大值Ug=100。用绝缘的50%冲击闪络电压U50%代替Ug，那么 就能代表引起绝缘闪络的雷电流幅值，通常称为线路在这情况下的耐雷水平。：=U50%/100,绕击率：对平原地区：对山区地区：山区的绕击率为平原的3倍，或保护角增大8度减少绕击率：减小保护角，降低杆塔高度,2.雷击杆塔塔顶,雷电流的分布,等值电路图,流经杆塔的电流：,：分流系数,塔顶电位,横坦高度处杆塔电位的幅值,导线电位的幅值,线路绝缘上的电压幅值,雷击杆顶的耐雷水平：,2.雷击避雷线档距中央,雷电流的分布,雷击点A的电压,雷击点的最高电位,雷击处避雷线与导线间的空气隙S上承受最大电压,不会出现击穿的经验公式,3.雷绕过避雷线击于导线或直接击于导线,等值电路图,雷击点的电压,或,耐雷水平,三.输电线路的雷击跳闸率,1.建弧率,中性点直接接地系统：,中性点非直接接地系统：,2.有避雷线线路雷击跳闸率的计算,雷击杆塔时的跳闸率,绕击跳闸率,绕击率,对平原地区,对地区,输电线路雷击跳闸率,四.输电线路的防雷措施,1.架设避雷线,作用：防止雷直击于导线；对雷电流有分流作用，使塔顶电位下降；对导线有耦合作用，降低雷击杆塔时绝缘子串上电压；对导线有屏蔽作用，可降低导线上感应电压,330kv及以上：全线架设双避雷线 在20度左右,220kv：宜全线架设双避雷线 在20左右,110kv：一般全线架设避雷线,35kv及以下：一般不沿全线架设避雷线 取20到30度之间,1、310kV线路防雷保护不架设避雷线，可利用水泥杆的自然接地，为提高供电可靠性可投入自动重合闸。在雷电特别强烈地区可因地制宜采用高一电压等级的绝缘子，或顶相用针式两边改用两片悬式绝缘子，也用采用瓷横担，以提高线路的绝缘水平。对特殊用户应用用环形供电或不同杆双回路供电，必要时改为电缆供电。,2、35kV线路防雷保护一般不装设避雷线，进变电站（电站）12km设置避雷线为进线段保护。采用小接地系统运行，若线路长电容电流大则 经消弧线圈接地。装设自动重合闸，环网供电。,3、110500kV线路防雷保护110kV线路一般沿全线架设避雷线，在雷电活动特别强烈地区，宜架设双避雷线，其保护角取20；在少雷区或运行经验证明雷电活动轻微的地区，可不全线架设避雷线，但应装设自动重合闸装置。,2.降低杆塔接地电阻,3.架设耦合地线,作用：增加避雷线与导线间的耦合以降低绝缘子串上的电压；增加对雷电流的分流作用,4.采用不平衡绝缘方式,5.采用消弧线圈接地方式,6.装设自动重合闸,7.装避雷器,8.加强绝缘,例题,习题：某厂有两个原油罐，一个高为12米、直径为6米，另一个高10米、直径10米，两油罐的净距为16米。试设计采用单支避雷针保护的最佳方案，并绘出避雷针的平面保护范围。,例题,习题：某变电站内有两根等高避雷针，高度为25米、针间距离为45米。某被保护物位于两针之间，被保护物高度为11米。试计算避雷针在被保护物高度水平面上的保护范围？,第三节,发电厂和变电所的 防雷保护,发电厂、变电所遭受雷害的两个方面：,一是:雷直击于发电厂、变电所,二是:雷击输电线后产生的雷电波侵入发电厂、变电所,防护措施是采用避雷针或避雷线,防护措施是装设氧化锌避雷器，以限制流过避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度。,一.发电厂、变电所的直击雷保护,1.独立避雷针,适用范围：35kv及以下变电所,原则：所有的被保护设备均应处于避雷针的保护范围之内，以免遭受雷击。当雷击避雷针时，雷电流通过避雷针入地，使避雷针对地电位升高，此时应防止避雷针至被保护设备发生反击。,示意图,高为h的避雷针受雷击时出现的电位：,避雷针的接地装置上出现的电位,取：,于是：,为防止避雷针与被保护的配电构架或设备之间空气间隙被击穿而造成反击事故，若取空气的平均耐压强度为500kv/m，则,一般情况下：,为防止避雷针接地装置和被保护设备接地装置之间土壤中的间隙被击穿，取土壤的平均耐电强度为300kv/m，则,一般情况下：,2.构架避雷针,适用范围：110kv及以上变电所,注意事项：,a.为确保变电站中最重要而绝缘较弱的主变压器的绝缘免受反击的威胁，要求在装置避雷针的构架附近埋设辅助集中接地装置，且避雷针与主接地网的地下连接点到变压器接地线到主接地网的地下连接点，沿接地体的距离不得小于15米；,b.在变压器的门型构架上，不允许装避雷针,线路终端杆塔上的避雷线能否与变电所构架相连的问题：,110kv及以上 可以相连，若1000m 应 加集中接地装置,3560kv 当500m 不允许相连,二.变电所的侵入波保护,1.阀式避雷器的保护作用分析,(1).变压器与避雷器之间的距离为零,接线图,动作前等值电路,动作后等值电路,列出方程：,用图解法求解,避雷器电压有两个峰值：,分析,避雷器冲击放电电压，由于阀式避雷器的伏的特性较平，可认为是一个定值,避雷器最高的残压，由于流经避雷器的雷电流一般不超过5kA，因此其值取为5kA下的残压,(2).变压器和避雷器之间有一定的电器距离,接线图,分析用图,避雷器上的电压,变压器上的电压波形,变压器承受雷电波能力,变电所中变压器距避雷器的最大允许电气距离,三.变电所的进线段保护,保护目的：,为使变电所内避雷器能可靠地保护电气设备，限制流经避雷器的电流幅值不超过5kv、限制侵入波陡度不超过一定的允许值,1.进线段首端落雷，流经避雷器电流的计算,计算条件：,进线段1-2公里,雷电侵入波最大幅值为线路绝缘50%冲击闪络电压,原理接线和等值电路图,3.35kv及以上变电所的进线段保护,计算方程：,2.进入变电所的雷电波陡度的计算,令v=300m/us,陡度化为kv/m单位,3.35kv及以上变电所的进线段保护,四.变电器防雷保护的几个具体问题,1.三绕组变压器的防雷保护,措施：在低压绕组三相出线上加装阀式避雷器,2.自耦变压器的防雷保护,(1).高、低压绕组运行，中压开路,线路图,考虑各种运行方式下：如高低绕组运行，中压开路，这时中压侧套管与断路器之间装设一组避雷器。高压侧开路时，中压侧来波，高压侧感应kU电压，这时高压侧套管与断路器之间也应加装一组避雷器。,电压分布图,(2).中、低压绕组运行，高压开路,电压分布图,安装避雷器的自耦变压器,3.变压器中性点保护,(1).中性点绝缘水平,全绝缘,分级绝缘,60kv及以下,110kv及以上,(2).不同电压等级的中性点保护,60kv及以下的电网中的变压器:,一般不需要保护,多雷地区或装有消弧线圈的变压器：,宜在中性点加装避雷器,110kv及以上电网中变压器,变压器中性点宜选金属氧化物避雷器,3、变压器中性点保护三相同时进波时，中性点不接地的变压器中性点电位可能达到绕组端电压的2倍，所以中性点需保护。110kV及上变压器中性点加装Y1W或Y1.5W系列的氧化锌避雷器保护中性点绝缘。,4、配变变压器的防雷保护三点共同接地：避雷器的接地引下线、配变外壳、低压绕组的中性点连接在一起。逆变换，解决方法：低压侧某一相装设一只避雷器,五.旋转电机的防雷保护,1.旋转电机的防雷保护特点,(1).旋转电机主绝缘的冲击耐压值远低于同级变压器的冲击耐压值,(2).运行中的旋转电机主绝缘更低于出厂时的核定值,(3).保护旋转电机用的磁吹避雷器的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小,(4).由于电机绕组匝间电容较小，要求来波陡度较小,(5).电机绕组中性点一般不接地，当侵入波入侵时，会引起中性点电压升高,由此特点，旋转电机（直配电机）的防雷保护应包括：主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘的保护,2.直配电机的防雷措施,(1).避雷器保护,功能：降低侵入波幅值,(2).电容器保护,功能：限制侵入波陡度和降低感应雷过电压,(3).电缆段保护（进线段保护）,功能：限制流经FCD型避雷器中的雷电流使之小于3kA,(4).电抗器保护,功能：在雷电波侵入时抬高首端冲击电压，使安装在电缆首端的避雷器放电,保护接线图,使用排气式避雷器FE,使用FS型避雷器,