过电压防护设备

1、第五章 过电压防护设备过电压防护设备配置 目的：解决过电压对电力系统的危害 子目的： 认识高电压防护设备 会配置发电厂、变电站外部过电压防护设备 会配置发电厂、变电站内部过电压防护设备 实例分析、读图能力方法：案例分析法、分组讨论法、自主学习法等 操作过电压 内部过电压 弧光过电压 谐振过电压 过电压 直击雷 大气过电压（雷电过电压） 感应雷 超过设备最大运行电压的电压引言：雷击阿根廷巴塔哥尼亚阴云密布的天空出现枝状闪电的壮观现场随着手指状闪电云在云间扩散开来，美国佐治亚州坎伯兰国家海滩上空紫光闪现 可怕？巨大的声响、划破黑夜的强光. 月黑风高. 小时候奶奶讲的故事. 可怕！ 危害电力设施安全

2、 危害人生安全 危害电网安全 对雷电的感觉 + 主放电 - 雷电：天空中的某一块云层与另一块云层或者与大地，由于所带的电荷性质相反而产生瞬间剧烈放电的现象。在这放电过程中，往往伴随着强烈耀眼的闪光和震耳欲聋的巨响。温度可达20000 设备遭雷击受损通常有四种情况：1.直接遭受雷击而损坏；2.雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损；3.设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏；4.设备安装的方法或安装位置不当，受雷电在空中分布的的电场、磁场影响而损坏。 1、雷电的破坏效应：可达数百KA的冲击电流 通过被击电气设备时由于电磁效应，形成幅值很高的冲击电压波

3、，使电气设备绝缘破坏； 电动力的机械效应使物体炸裂； 冲击电流的热效应使金属熔化。2、雷电放电的一般特征 雷电放电由带电荷的雷云引起 大多数的放电发生在雷云之间 不危险 少数的放电发生在雷云和大地之间 危险 对地放电的雷云大多数带负电荷 ，实测90 理解以下几点： 雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放 被击物体的电位取决于雷电流和被击物体阻抗的乘积 从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程 人们能够测知的电量，主要是流过被击物体的电流 3、雷电对地放电的一般过程 据侧：对地放电的雷云绝大多数（7590）是带负电荷，雷电流为负极性。 雷闪放电过程与长间隙极不均匀电场放电过程一样，主要有：

4、先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。（a）放电的光学照片 （b）雷电流的变化情况先导放电阶段雷云中负电荷逐渐积聚时，地面感应出正电荷。当电场强度达到空气的击穿强度时，空气开始游离，出现电子崩流注形成向地面运行的不太明亮的先导（先导通道头部的电位接近雷云电位)。当先导发展到离地面大约100m时，还常常出现从地面向上发展的正电荷的迎面先导。先导放电特点发展速度慢，持续时间长，呈跳越式逐级发展放电电流小，约100A放电伴有不太明亮的闪光，头部最亮主放电阶段当先导通道到达地面或与迎面先导相遇时，通道端部因强烈游离而产生高密度的等离子区，此导电性能很好的等电离子区自地面向雷云迅速传播，形成一条高导电率的

5、等离子通道，使先导和雷云中的电荷与大地的电荷相中和。主放电特点：发展速度快，持续时间短。放电电流大，一般100-200KA放电伴随极明亮的闪光和震耳的雷鸣余辉放电阶段云中残余电荷（主放电剩余的电荷）沿等离子通道继续流向大地。余辉放电的特点：放电电流小，100-1000A（云中电阻大）持续时间长（热效应）。由于云中往往有几个电荷中心，可能引起沿第一次产生的放电通道的多次放电，并且这些放电的先导是持续发展的，它们的主放电电流不超过30KA，第一次冲击放电电流幅值仍然是最高的。雷电放电的计算模型4、雷电参数雷电流的幅值：雷闪时，雷电流所能达到的最高值，为一随机值，雷电流超过的概率的对数为: 年平均雷

6、暴日 20的地区 年平均雷暴日20 的地区波前时间和半峰值时间我国防雷设计中取2.6/50us波:陡度（波前斜率）44lIgPusT6 . 21usT502)(6 . 2usKAIa 88lgIP雷暴日数( )指该地区一年四季中有雷电放电的天数，一天中只要听到一次及以上雷声就是一个雷暴日。由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值年平均雷暴日数规定：不足15日为少雷区，超过40的为多雷区，超过90的为强雷去。雷暴小时数（ ） 指该地区一年四季中有雷电放电的小时数，一小时以内听到一次及以上雷声就算一个雷暴小时。对大部分地区来说，一个雷暴日大致拆合为三个雷暴小时。dThT地面落雷密度?：

7、指每个雷暴日每平方公里的地面上的平均落雷次数 【次/平方公里雷电日】 我国取?=0.07（40雷电日），国外一般取0.10.2输电线路落雷次数N：指每百公里输电线路每年落雷次数 次/(100年）h为避雷线的平均高度（m）;b为两避雷线之间的距离（m）3 . 1023. 0dTr dThbrN10010004我国雷电分布图第五章 过电压防护设备避雷针（线）主要防直击雷：它是由金属制成，比被保护设备高，具有良好接地的装置。其作用是将雷吸引到自己身上，并安全导入地中，从面保护了附近比它矮的设备和建筑免受雷击。防雷器主要防雷电入侵波:利用避雷器与被保护设备间的绝缘配合关系，以及与其他防入侵波设备共同作

8、用，可以限制入侵波陡度与幅值。防雷接地:将雷电流安全导入地中而进行的接地，如避雷针（线）和避雷器的接地等5.1 避雷针（线）保护原理：当雷云放电时地面电场畸变，在避雷针顶端形成局部场强集中地空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，在经过接地装置将雷电流引入大地从而使被保护物体 免遭雷击。绕击率：雷云绕过避雷装置而击于被保护物的现象，规程推荐的保护范围是对应0.1绕击率而言。避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击。 畸变电场 形成局部场强集中 影响先导发展路径H：定向高度 针： 线： h30m H20h H10hh30m H=600m H=300m 高电压技术的应用与试验引雷

9、作用1、避雷针（线)系统的结构组成接闪器：避雷线本身或避雷针的针头。（10-12长1-2m的镀锌或镀镍钢棒)引下线：链接接闪器与接地体的金属导体。（6圆钢或截面积 25的镀锌钢绞线，也可以利用钢筋或铁塔）接地体：一组埋入土壤或混凝土基础中、满足规定接地电阻值得管状或带状接地电极，起作散流用。2、避雷针和避雷线的保护对象 避雷针一般用于保护发电厂和变电站，可根据不同情况或装设在配电构架上，或独立假设。独立避雷针构架避雷针避雷线主要用于保护架空线路，也可用于保护发电厂和变电站3.避雷针（线）保护范围的概念避雷针（线）的保护范围是指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击。只有被保护物处在该立体保护范围的

10、边界范围之内才可以能得到保护。保护范围是按保护概率99.9确定的。保护范围有模拟实验确定，它只有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完全不受保护。4、避雷针的保护范围（1）单支避雷针避雷针在地面上的保护半径 r=1.5hPr保护半径，mh避雷针的高度，mP高度影响系数当h30m时， P=1当30120m时，P=5.5/单支避雷针的保护范围h1204、避雷针的保护范围（1）单支避雷针单支避雷针的保护范围在被保护物高度水平面上的保护半径当 时当 时hx被保护物的高度，mha避雷针的有效高度，m2hhxPhPhhraxx)(2hhxPhhrxx)25 . 1

11、(特别提醒由于高度影响系数P的存在，使得当避雷针太高时保护半径不与避雷针高度成正比增大，所以不能得出“避雷针越高保护范围越大”的结论。对于面积较大的被保护对象，可以采用多支避雷针联合保护或与避雷带相结合的方法。当h30m时， P=1当30120m时，P=5.5/h120例题解答例：某厂油罐，高10m，直径10m,用一根高25m的避雷针保护。问针与罐之间的距离x不得超过多少？解：由于避雷针高度h=25m，故P=1则被保护物高度上的保护范围为 =（1.525210）1=17.5m针与油罐之间的最远距离为x=17.510=7.5mPhhrxx)25 . 1 (2)两支等高避雷针保护范围A、两针外侧的

12、保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。B、两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧确定。0R（3）两支不等高避雷针保护范围A、两支不等高避雷针外侧的保护范围按单支避雷针的计算方法确定。B、两支不等高避雷针间保护范围按图710确定。PDhh70)(5 . 10 xxhhb5、避雷针的保护范围作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所。保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间。（1）单根避雷针当当单根避雷线的保护范围（当h30m时，=25）2hxh Phhrxx)(47. 02hxh Phhrxx)53. 1( （2）两根等高避雷

13、线工程上常用保护角来表示避雷线的保护程度一般取=2030220300kv：20500kv 15山区宜采用较小保护角保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角。5.2 避雷器1.基本概念作用：雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压（雷电入侵波）或由操作引起的内部过电压的一种电气设备。类型：保护间隙 有线性电阻；配电系统、线路和发、 排气式（管式）避雷器 变电厂进线段保护阀式避雷器 有非线性电阻；发、变电站内的过 电压保护，220KV及以下用于雷电过 氧化锌避雷器 电压保护，超高压系统还用于内部 过电压保护避雷器发展经历:从放电间隙到氧化锌避雷器基本概念原理：避雷器并联连接在被保护设备附近，当

14、作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏。实质:是一种放电限压器（能释放过电压能量、限制过电压幅值）避雷器保护作用原理示意1保护间隙 2排气式避雷器 3阀型避雷器 4氧化锌避雷器 5被保护电器设备对避雷器的基本技术要求A、具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合避雷器伏秒特性低且平直B、应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使系统得以继续运行。注意：过电压作用后，对于有间隙的避雷器，间隙中仍有由工作电压产生的工频电弧电流（工频续流）。2、保护间隙和排气式避雷器保护间隙：放电后电弧的熄灭是靠短路电流过零时的自然熄弧

15、，当短路电流较大时可能发生电弧的重燃，如果短路电流引起的电弧长期存在就可能产生弧光接地过电压，危及设备绝缘，因此需采用跳断路器来消除接地故障。管型避雷器：利用电弧燃烧时产生的热量使产气管里的产气材料（纤维、塑料、橡胶等）产生气体纵吹电弧，使电弧熄灭。优点：简单、成本低。缺点：间隙为不均匀电场，不易进行伏秒特性配合； 灭弧能力差，引起断路器跳闸； 放电时产生截波，威胁绕组绝缘。图 保护间隙和管式避雷器 动作前后的电压波形1原始过电压波 2保护间隙上的电压保护间隙目前除用于变压器中性点外，已很少使用。管式避雷器主要用于大跨距和交叉档距处及变电站进线断保护。中性点保护间隙排气式避雷器实物3、阀式避雷

16、器主要结构活化间隙：由多个单个火化间隙组成，易于切断工频续流及防止电弧重燃电阻阀片：由sic（金刚砂）加结合剂（水玻璃等）在300500烧结而成。一支避雷器采用多个阀片串联火化间隙的作用正常工作时，将电阻阀片与工作母线隔离，以免母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流使阀片烧坏出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片和接地装置流入大地，在阀片上的压降称为残压，其值应低于设备的冲击耐压值阀片电阻的作用电阻值与流过的电流有关，应具有非线性特性冲击电流阶段 电阻值小，相应电阻阀片上的残压低工频续流阶段 电阻值打，使间隙能在续流第一次过零 时熄弧 伏安特性 C：常数 ：非线性系数（

17、0.2左右） 取决材料 aCIU 放电间隙的伏秒特性比较平坦，易于与被保护设备配合电阻非线性避免了动作时出现很陡的截波阀片避雷器的类型 普通型（FS、FZ型）、磁吹型（FCZ、FCD） FZ、FCZ适用于发电厂、变电站：FS适用于配电系统；FCD用于保护旋转电机。阀片避雷器的型号1、普通型阀式避雷器（复合避雷器）工频电压和恢复电压作用下，间隙电压分布主要由并联非线性电阻的分压决定，间隙电压分布均匀，提高了灭弧电压和工频放电电压。在冲击电压作用下，间隙电压分布主要由间隙电容的分压决定，但由于间隙对地和瓷套寄生电容的影响，间隙电压分布很不均匀，降低了冲击击穿电压，容易动作。2.磁吹型阀式避雷器在等

18、值频率很高的冲击电流作用下，线圈2出现较大的电压，使辅助间隙4击穿，磁吹线圈被短路，放电电流流过辅助间隙4，主间隙1和阀片电阻5流入大地，使避雷器然保持较低的残压。的那个工频续流流过时，磁吹线圈两端的电压较低，辅助间隙4不放电，电流将通过线圈2使其发挥磁吹作用。阀型避雷器主要参数（1）额定电压U 正常工作时所加的工频工作电压与安装点电网额定电压相同（2）灭弧电压 保证能够在工频续流第一次过零时灭弧的推荐下，允许加在避雷器上的最高工频电压。 灭弧电压应大于避雷器工作母线上可能出现的最高工频 电压，否则避雷器可能因不能灭弧而爆炸。（3）工频放电电压 工频电压作用下避雷器发生放电的电压 值（有效值）

19、，通常给出其上下限值。 上限（不大于）值:电压超过这个数值时避雷器将会击穿放电； mhUgfU 下限值：电压低于此值避雷器就不会击穿放电。其值应不低于该系统可能出现的内过电压值（4）冲击放电电压 冲击电压作用下，避雷器的放电电压幅值的上限值。（5）残压 雷电流（220KV及以下系统，取5KA；超高压系统，取10KA）通过避雷器时在阀片电阻上产生的电压降。a.冲击放电电压和残压都应低于被保护设备绝缘的冲击击穿电压，它们的值越低，设备绝缘水平就越低；b.冲击放电电压和残压基本相等4.金属氧化物避雷器氧化锌避雷器（MOA）是将相应数量的氧化锌电阻片（MOV）密封在瓷套或其他绝缘体内而组成包括有间隙和

20、无间隙两类MOA的主要元件氧化锌电阻片（MOV）具有极其优异的非线性特性氧化锌避雷器复合氧化锌避雷器1）氧化锌阀片的伏安特性 正常运行时，在相同相电压下，SiC阀片将流过幅值达数白安的电流，因而必须用火花间隙加以隔离；ZnO阀片流过的电流的数量级只有几十uA,所以可以省去串联的火花间隙，成为无间隙避雷器。2.无间隙金属氧化物避雷器的特点（1）结构简单，体积小，可作为其它电器的支柱（2）无间隙： a.无电弧燃烧 b.易制成直流避雷器 c.动作无时延动作早，及时减低过电压水平（3）通流容量大。 故现MOA广泛地用于电压等级的电网。ZnO避雷器的基本电气参数额定电压：允许施加的最大工频电压有效值，即

21、要耐受短时工频过电压，对应SiC的灭弧电压最大持续运行电压：允许长期连续施加的最大工频电压有效值，决定避雷器长期工作的老化性能起始动作电压：从小电流区进入大电流区的电压。直流1mA参考电压残压：包括三种放电电流波形下的残压；陡波（1/5us）、雷电冲击波（8/20us）、操作冲击波（30/60us）通流容量：短时持续时间（4/10us）大电流（101500KA）作用两次长持续时间（0.53.2ms）方波电流（1501500A）多次5.3 接地装置接地的基本概念接地的类型输电线路、发电厂和变电站的接地接地电阻的计算一、接地的基本概念 接地指将地面上的金属或电气回路中的某一节点通过导体与大地保持等

22、电位 接地装置由埋入地中的金属接地电极（接地体）和引下线（设备接地部分与接地体连接用的金属导体）构成。作用：减少接地电阻，一降低雷电流或短路电流通过时其上的电位升高；均衡地面电位分布、降低接触电位差和跨步电位差。接地体埋入地中并直接与大地接触的金属导体1）自然接地体直接与大地接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建筑物内的钢筋。金属管道和设备。2）人工接地体指人为埋入地中的金属构件 分为：垂直接地体和水平接地体。垂直接地体：钢筋或角钢，垂直打入土中水平接地体：扁钢或圆钢平放埋入0.60.8m地下 可将众多的水平和垂直接地体相互连接，并向设备引出接地抽头，构成接地网。1接地体2接地干线3接地支

23、线4电气设备5连接扁钢 接地电阻 接地装置上电压的幅值与通过接地装置流入地中电流的比值。接地电阻与土壤特性及接地体的几何尺寸有关。 工频接地电阻 当流过接地装置的电流为工频电流时的接地电阻； 冲击接地电阻 当流过接地装置的电流为冲击电流时是接地电阻。 当流过接地极的电流为定值时，接地电阻越小，接地点的电位就越低，反之则越高。 为保证设备的绝缘和人身安全，必须限制接地装置上的电位升高，故必须力求降低接地装置的接地电阻。iRR二、接地的类型工作接地：为了保证电气设备在正常和事故情况下可靠地工作进行的接地，如变压器和电机中性点接地。保护接地：当电气设备的金属外壳等因带电导体绝缘破坏而意外成为带电体时

24、，避免其危及人身安全。防雷接地：为了将雷电流安全导入地中而进行的接地，如将避雷针、避雷器接地。（1）工作接地主要指系统的中性点接地，如电网中发电机或变压器（110KV及以上）的中性点接地。目的：稳定电网的对地电位，以降低电气设备的绝缘水平，缩小设备的尺寸，接地造价。正常情况下，通过接地装置的电流为不平衡电流；在系统发生短路改造时通过数千安的电流，持续时间0.5s左右（继电保护动作）工作接地的接地电阻值一般要求不大于0.5（2）保护接地主要指电气设备的金属外壳接地。目的：保证金属外壳经常固定为地电位，一旦设备绝缘损坏而使外壳带电时不自致有危险的电位升高造成人员触电伤亡（接地装置分流出大部分电流）

25、保护接地一般要求接地电阻值不超过4.对于1KV以下的低电压电气设备，应将其金属外壳接在电源线的零线上，称为“保护零线”。当设备绝缘损坏时，单相短路电流较大，易使熔断器等保护动作，不致使外壳长期带电以保证人身安全。（3）防雷接地主要指避雷针。避雷器。避雷线接地。目的：将雷电流安全导入地防止雷电流对设备和人身的危害。流过防雷接地装置的雷电流幅值很大，可以达数百千安，等值频率很高，但持续时间很短，一般只有数十微秒。防雷装置的借的电阻有两类：工频接地电阻 和冲击接地电阻冲击系数：工频接地电阻R和冲击接地电阻 的比值，即= /iRiRiRRR 火花效应：因雷电流幅值大，地中的电场强度超过土壤的临界击穿场强，土壤内靠近接地体的部分会发生局部火花放电，从而使 电感效应：雷电冲击电流的等值频率很高，接地体自身呈现明显的电感作用，阻碍电流向接地体的远端流通，从而使得 可见冲击系数的只取决于火花效应与电感效应的强弱比较。 防雷接地的工频接地电阻值一般要求