第七章过电压保护

1、第七章：过电压及其保护“过电压”的定义：电力系统运行中，出现危及电气设备绝缘的电压称为过电压。第一节 过电压概述 一、 过电压的产生n雷击n电力系统中的操作n电力系统故障过电压对电力系统的安全运行危害n雷击：造成人员伤害 电力线路或电气设备绝缘损坏 中断供电 引起火灾n内部过电压：电气设备绝缘击穿损坏雷击建筑物雷击建筑物大面积停电雷击架空线雷击架空线二、 过电压分类 直击雷过电压 雷过电压 感应雷过电压 （大气、外部）雷电入侵波过电压 工频过电压过电压 线性谐振过电压 谐振过电压 非线性谐振过电压 参数谐振过电压 内部过电压 切、合空载长线路过电压 操作过电压 切、合空载变压器过电压 开断感应

2、电动机过电 开并联电容器过电压 弧光接地过电压第二节 雷电过电压 雷云的形成：干燥天气中的运动小车可能发产生静。太阳使地面热空气和水蒸汽上升，在高空变冷使水蒸汽结团下降，又被热的上升空气分裂、摩擦而带电。强对流天气是形成雷电活动的前提条件。空气中的水气团在上升、下降运动中的电荷分布不均的水气团分裂造成了云的带电。云层多带负电荷 。 雷电放电：云、云间的放电和云地间的放电。雷电放电的通道击穿过程（云对地放电为例）n1、云层中富含电荷，但电荷传导困难，云内气流运动可以裹携电荷位移。n2、对地面高凸物有感应效益使云内电荷在最接近处形成高电荷密度区。该区域首先电离呈为通道头部。后继电荷不能即时补充，第

3、一次先导放电结束电荷扩散使头部得到电荷补充，通道继续发展。 同时，地面高出物的尖端也有正的强电场上迎。 经过几次通道发展后，击穿云地间隙。第一次主放电形成。放电时间为50100微秒。放电幅值达到几千安、几十千安、上百千安 第一次主放电后，经过0.030.05秒间隔时间后，云层纵深区域电荷向第一次主放电形成的电荷空白区域移动，借助通道再放电，形成第二次放电。此后的放电不再分级，而连续进行。 云层边缘区域零星电荷向电荷空白区域移动，在放电末期形成余辉放电。 一次主放电的电荷量其实是不太大的。如；放电时间为50100微秒、放电幅值为一百千安时，则电荷量为10库伦，相当于10A电流维持1秒钟 。 但雷

4、击放电的高电压、电流幅值所携带的瞬时能量是巨大的。设雷击幅值电流100KA,通道和接地阻抗2欧姆，则幅值电压为200Kv、其放电幅值电功率为2000万KW。“击”无愧也。地面物体遭受雷击的后果n强大的雷电流快速流经被击中物体时，产生很高的冲击电压，其大小与雷电流大小、被击中物体冲击电阻大小有关。n俄国科学家向雷云放风筝触电死亡、长城上面打手机也同样发生过触电死亡的案例、直到今天，我们的中央电视台在预报雷雨气象时还提醒公众不要在旷野处使用手机；树木被劈裂起火、安全接地线不能保护架空线路作业人员安全。二、雷电过电压的分类n1、直击雷过电压n雷云直接对电气设备或线路放电，在雷电流入地路径阻抗上、包括

5、接地电阻上产生了过电压。遭受了直击雷的电气设备或线路，一般是会引起绝缘击穿闪络而导致系统接地故障2、雷电反击过电压n落雷点电位由原来的地（低）电位升高为高电位，击穿设备或导线绝缘放电。雷电反击过电压3、感应雷过电压n附近雷云放电前在设备上感应了大量的异极性电荷，放电后，这些感应电荷失去了带电雷云束缚引力就立即转为了自由电荷并向线路两侧流动形成冲击波。n犹如提水绳断了，水桶砸落下去一般。一桶击起千层浪4、雷电入侵波n直击雷、感应雷击后，在输电线路中形成迅速流动的电荷冲击波，称为雷电进行波。雷电进行波对其前进道路上电气设备绝缘构成威胁，即是雷电入侵波。n入侵波可以因为线路结构差异或设备的运行状态不

6、同产生加倍的破坏力。比如延电缆、双分裂到单架空线前行，线路波阻抗由小变大，入侵波幅值就可以升高。到达线路开路处就发生入侵电压波全反射，使幅值2，第三节 内部过电压n一、工频过电压n 电力系统中非正常运行如线路空载、单相接地（在中性点不接地系统中，可以使健全相对地相电压升高1.732倍）、不对称故障引起的电压升高。n 工频过电压具有时间长、过电压倍数不高、对绝缘危险不大的特点。但它可能诱发其它事故，形成新的过电压并与之共同作用就形成为害。二、谐振过电压n1、串联谐振过电压：如果串联电路中包括有电感、电容，在交流电压作用下，电感上的电压与电容电压反向，谐振时两者合起来对外就几乎没有电压降。电路阻抗

7、最小，电流极大。但无论是电感或电容本身上的电压都极高，形成了破坏能力。n2、铁谐振过电压：发生在铁磁电感和电容器组成的电路中时，称为铁谐振过电压。犹如我们玩的翘翘板，一段坐人需要很大的力气台高，两端坐等重量的人，给一点点力量，跷跷板可以让两人分别升高。谐振过电压的特点n特点：过电压持续时间长。频率低，导致铁心饱和。n后果是：烧毁互感器、避雷器爆炸n防止措施：用户变电所中的互感器采用V/V接线，抽取的是线电压，而非相电压。三、操作过电压 操作过电压是指电力系统由于操作、事故，使设备运行状态发生改变（停送电、分合闸）而引起相关电容、电感上的电场、磁场能量相互转换，并可能引起振荡，从而产生过电压。1

8、、切除高压空载长线过电压切除高压空载长线过电压n空载长线有分布电感和对地电容，以电容为主。在电流过零时，电弧熄灭，断口间电压为1.414U=Um，再经过半周期，线路电压不变，电源侧为负Um，断口间电压为2Um。发生瞬时击穿。.它所为害的是线路被切除侧的绝缘安全。n防止措施：采用灭弧能力很强的断路器（真空断路器、SF6等），以防止电弧重燃。2、合空载长线时的过电压合空载长线时的过电压n这是由于空载长线合闸时，线路电容和电感在合闸时过渡过程中有高频震荡与稳态的叠加所致。n防止措施：希望选择在最小振荡时刻合闸。3、弧光接地过电压、弧光接地过电压n只发生在中性点不接地、小接地系统。当其中一相发生非金属

9、性不稳定接地时，由于电弧的熄灭重燃，在故障相和健全相都可能产生过电压。其物理过程与切除空载线路过电压的发生、发展极为相似。n产生弧光接地过电压的原因是线路的对地电容、电感在故障中发生对地电压变化，引起电场能、磁场能的相互转换，振荡。n防止措施：电源变压器的中性点经过消弧线圈接地。2、切除空载变压器切除空载变压器（电动机、变压器、电抗器）的过电压的过电压n在切除前，感性负载有电流i存在，线圈中有磁场能Q=Li*i/2,切除中，磁场能释放，产生的感应电压U=L*di/dt,因此有很大的过电压产生。n防止措施：尽可能采用灭弧能力比较差些（少油断路器）来执行这样的操作任务好。在弱电领域，使用专门的RC

10、泄放电路。第四节 防雷装置及应用n 避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器都是常见的防雷装置。一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置n1、接闪器 u避雷针、避雷线、避雷网和避雷带 u（1）避雷针：安装在建筑物突出部位或独立装设的针形导体.可以吸引雷电流进行放电，从而保护建筑物免受雷击。n避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成，其直径不应小于下列数值：u针长 1m以下：圆钢为12mm； 钢管为20mm。 u针长 12m.： 圆钢为16mm； 钢管为25mm。 u烟囱顶上的针：圆钢为20mm； 钢管为40mm。 n 一、防雷装置一、防雷装置n（2）避雷带和避雷网：避雷带是设置于屋脊、屋檐、屋角、女

11、儿墙和山墙等条形长带；避雷网相当于纵横交错的避雷带叠加在一起，即可防直击雷，又可防感应雷。n 避雷网和避雷带宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径不应小于8mm。扁钢截面不应小于48mm2，其厚度不应小于4mm。 n 当烟的镀锌钢绞线。 n囱上采用避雷环时，其圆钢直径不应小于12mm。扁钢截面不应小于100mm2，其厚度不应小于4mm。 n（3）避雷线：架设在架空线路之上，保护架空线路免受直接雷击。n 避雷线和避雷网宜采用截面不小于35 mm2避雷针避雷针避雷带避雷带避雷带避雷带避雷带避雷带二、避雷器（一）保护间隙 结构 ，在3-10Kv电压，保护主间隙是15-25毫米，辅助间隙都是10毫米

12、 （三） 普通阀型避雷器（FS型号类=管型避雷器+串联电阻盘） 结构：若干黄铜环形平板电极中间使用环形云母垫圈分离定位而组成的间距0.5-1毫米的火花间隙，几个碳化硅阀型电阻盘串联FS阀型避雷器的工作原理n正常情况下，火花间隙有足够的绝缘强度，不被工频电压击穿，以保证系统正常运行。n雷过电压来袭时，电流剧增，击穿阀片颗粒空气，电阻下降阀片上的残压很低，就保护了设备绝缘。雷电流后的工频续流小，不能维持击穿阀片颗粒空气，电阻上升，降低了工频续流，火花间隙立即将电弧分割灭弧。系统恢复正常运行。FS型普通阀型避雷器的优缺点优点：1、放电时的电阻值很小雷电流容易通过。2、残压不随雷电流大小发生大变化。3

13、、像灭弧片那样的有一定地灭弧能力。4、可以阻止工频续流。缺点：1、残压较高，可以保护线路设备但不能保护电站设备。2、内部过电压如果击穿间隙，灭弧困难，导致避雷器爆炸。FZ:FS型普通阀型避雷器的改进1n在FS型普通阀型避雷器的每一个间隙上并联均压电阻，就是FZ（电站型）型避雷器。n工作原理：在工频情况下，间隙电压分布均匀，不易击穿；雷击时，间隙不均压，容易击穿放电。这样就保证了工频放电电压较高又降低了雷电冲击放电电压和残压（FZ-10残压为45KV，使峰值不大于80A工频续流在第一次过零时熄灭，而FS-10残压为50KV，使峰值不大于50A工频续流在第一次过零时熄灭， ）。n可以保护电站一般设

14、备，但比较FS型的体积较大些。FCZ、FCD:FZ型阀型避雷器n改进途径：对FZ型阀型避雷器的间隙进行增强灭弧能力改造。具体实施途径是对电弧加磁吹力，使电弧分拉长、旋转两式以利于灭弧。nFCZ型的拉长电弧类改造：羊角电极、线圈或磁铁磁吹、灭弧栅，可切断450A续流，在大气过电压和内部过电压情况下，可保护电站设备。nFCD类的旋转电弧类改造：环状间隙电极，线圈或磁铁磁吹使电弧在环内旋转而被冷却灭弧，可切断300A续流。在大气过电压和内部过电压情况下，保护绝缘裕度最小的电机类设备。n缺点：体积很大。造价很高。n氧化锌避雷器，全部由非线性电阻构成。具有残压更低，在正常工频电压作用下对地泄放电流不超过

15、1毫安，无需串联间隙。非线性度a为0.015-0.05，比普通FZ型避雷器的0.2-1.0更小。n放电动作快、流量大、残压低、没有续流、没有灭弧过程（相当于晶闸管），在大气过电压和内部过电压、尤其是操作过电压情况下，可保护电站所有电气设备。第五节 电力线路与变电所的防雷保护二、变电所的母线防雷保护n3-10Kv变电所应在每组母线和架空线上都装设阀型避雷器。35Kv以上变电所具有架空进线的每组母线上都必须装设避雷器。雷电入侵波的过电压保护主要措施有n变电所进线段保护n变电所母线装设阀型避雷器n主变压器中性点装设阀型避雷器n与架空线直接连接的电力电缆终端处装设阀型避雷器（一）变电站进线段的保护 进

16、线段保护：防止进入变电站的架空线路在近区遭受直击雷，并对远方输入的雷电入侵波通过避雷器、电缆线路、串联电抗器等将其过电压数值限制到一个对电气设备没有危险的较小数值 （1)、310Kv配电装置 母线上装设阀型避雷器FZ一组，架空进线上装设线路用避雷器FS一组，有电缆段的架空线路，避雷器应装设在电缆头附近，其接地段应和电缆金属外皮相连。如果进线电缆与母线相连时串接有电抗器，则电抗器与电缆间增加一组避雷器。 （2）35-110Kv架空线路，如果未沿全线路架设避雷线，则应在变电所1-2Km的进线段架设避雷线，其保护角不宜超过20度，最大不应超过30度。（3） 35-110Kv线路如果有电缆进线段 在电

17、缆与架空线连接的户外电缆头处应装设阀型避雷器，其接地段应与电缆金属外皮连接；该电缆的户内电缆头的外皮直接接地（三相电缆）。对单芯电缆，其末端金属外皮应经保护间隙接地。 如果进线电缆不超过50米，末端可以不装避雷器；超过50米，且与该进线电缆连接的断路器在雷雨季节经常是开断状态，则电缆靠近母线侧的末端，必须装设避雷器保护。连接进线电缆段的1Km架空线，应装设避雷线。三、变压器中性点防雷保护（1） 中性点直接接地系统中，中性点不接地的变压器，其中性点的绝缘按线电压设计（3倍相电压）。 如果变压器中性点绝缘没有按线电压设计则无论进线多少，均应装设防雷保护装置。 即使中性点的绝缘按线电压设计，变电所是

18、属于单主变或单线路的变电所，则中性点应装设防雷保护装置。 （2） 中性点小接地电流系统中的变压器，一般不装设中性点防雷保护；但多雷区单进线变电所宜装设保护装置。中性点装设有消弧线圈的变压器，如果是单进线运行的，也应装设中性点保护装置。n（3）中性点经消弧线圈接地系统中，如变压器所有单进线运行可能，则中性点均应装设防雷保护 变电所内的所有阀型避雷器应以最短的接地线与主接地网连接，同时应在其附近装设集中接地装置。（4）配电变压器防雷保护 1）3-10千伏配电变压器应装设阀型避雷器保护。避雷器应尽量靠近变压器，接地线与变压器中性点、金属外壳连在一起。 2）35/0.4千伏配电变压器其高低压侧均应装设阀型避雷器保护，3-10千伏配电变压器，如果为Y/Yn接线，宜在低电压侧装设一组阀型避雷器保护。三、引下线u 引下线宜采用圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢，圆钢直径不应小于 8mm。扁钢截面不应小于48mm2，其厚度不应小于4mm。 n用钢绞线不小于25mm2.铜导线截面不小于16mm2u 引下线应沿建筑物外墙明敷，