第五章过电压保护.

1、第五章第五章 过电压保护过电压保护v 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。过电压对电气设备和电力系统安全运行是很危险的，必须采取相应的保护措施。v 本章主要介绍过电压的产生、分类、危害及其防护措施。第一节第一节 过电压概述过电压概述v一、过电压及其危害一、过电压及其危害v 电气设备在正常运行时，所受电压为其相应的额定电压。由于受各种因素的影响，实际电压会偏离额定电压某一数值，但不能超越允许的范围。v 为了考核电气设备的绝缘水平，我国有关技术标准规定了与电力系统额定电压对应的允许最高工作电压。v 例如：。v 一般来说，电力系统的运行电压在正常情况下是不会超过最高工作电压的。v

2、v 但是，由于雷击或电力系统中的操作、事故等原因，使某些电气设备和线路上承受的电压大大超过正常运行电压，危及设备和线路的绝缘。电力系统中这种危及绝缘的电压升高称为过电压。v 过电压对电力系统的安全运行有极大危害，如雷击会造成人员伤亡。同样，雷击会造成电力线路或电气设备绝缘击穿损坏，不仅中断供电，甚至引起火灾。而且由于电气设备运行操作不当引起的内部过电压，同样也会引起电气设备绝缘击穿损坏，造成电力系统的极大破坏。 v二、过电压分类二、过电压分类v 一般把电力系统的过电压分成雷电过电压和内部过电压两大类。雷电过电压与气象条件有关，是外部原因造成的，因此又称之为大气过电压或外部过电压。v 内部过电压

3、是由电力系统内部能量的传递或转化引起的，与等多种因数有关，十分复杂。不同原因引起的内部过电压，其过电压数值大小、波形、频率、延续时间长短也并不完全相同，防止的对策也有区别。为了便于研究，一般把内部过电压又分为工频过电压、谐振过电压和操作过电压。这三类内部过电压中的工频过电压和谐振过电压又称作暂时过电压暂时过电压。v 三、雷电过电压三、雷电过电压v 1雷云形成v 雷电是带电荷的云所引起的放电现象。那么雷云是怎么形成的呢?我们都知道，夏季空气闷热，空气中的水蒸气接近饱和。由于太阳光的照射，接近地面的空气受热上升，形成上升气流。在高空，气压随高度增加而降低，而且十分寒冷。随着压力和温度的降低，潮湿的

4、空气中的水蒸气大量凝结，形成小水滴受重力作用下沉。这时，地面的热气流急剧膨胀上升，与下沉的小水滴冲击摩擦。小水滴在上升热气流的作用下分裂为更细微的小水珠。在快速分裂的过程中带上了正、负电荷。带正电荷的小水珠下降，带负电荷的小水珠被热气流带动上升，形成带负电荷的雷云(见图51)。一般情况下，带负电荷的雷云较多。v2雷电放电雷电放电v 雷电放电是雷云所引起的放电现象。如果天空中有两块带异号电荷的雷云，当它们互相接近时，会使两块云之间的空气绝缘击穿，这就是发生在空中的闪电。如果雷云较低，其附近又没有带异号电荷的其他雷云，这时，雷云就会对地放电，特别是对地面上的高大树木或高大建筑放电。v 根据雷电观测

5、资料，雷云对地放电大多数要重复23次。其中第一次放电过程是分级发展的(称为先导)，如图52所示。在经过数次分级先导发展后，雷云的负电荷和地面的正电荷贯通接触，沿先导发展路径开始主放电。 v 第一次主放电电流最大。主放电时间很短，只有50100s。第一次主放电结束后，经过0.030.05s间隔时间后，沿第一次放电通路出现第二次放电。第二次放电不再分级进行，而是连续发展出现主放电。图52的上半部阴影部分是主放电之后的余辉放电，电流很小，因此发光微弱，但时间较长。图52下半部是雷电放电时的雷电流曲线。主放电时的电流很大，能达几千安甚至几十、上百千安。地面上的物体被雷击中时，强大的雷电流快速流过被击物

6、体时，产生很高的冲击电压，冲击电压大小与雷电流大小和被击物体冲击电阻大小有关。v重点： 主放电电流最大，主放电时间很短。余辉放电，电流很小，但时间较长。v 冲击电压大小与雷电流大小和被击物体冲击电阻大小有关v v3直接雷击过电压直接雷击过电压v 雷云直接对电器设备或电力线路放电，雷电流流过这些设备时，在雷电流流通路径的阻抗(包括接地电阻)上产生冲击电压，引起过电压。这种过电压称为直接雷击过电压。v 4雷电反击过电压雷电反击过电压v 雷云对电力架空线路的杆塔顶部放电，或者雷云对电力架空线路杆塔顶部的避雷线放电，这时雷电流经杆塔入地。雷电流流经杆塔入地时，在杆塔阻抗和接地装置阻抗上存在电压降。因此

7、，杆塔顶部出现高电位，这个高电位作用于线路的导线绝缘子上，如果电压足够高，有可能产生击穿，对导线放电，这种情况称为雷电反击过电压。v5感应雷过电压感应雷过电压v 应雷过电压是指在电气设备(例如架空电力线路)的附近不远处发生闪电，虽然雷电没有直接击中线路，但在导线上会感应出大量的和雷云极性相反的束缚电荷，形成雷电过电压。在输电线路附近有雷云，当雷云处于先导放电阶段，先导通道中的电荷对输电线路产生静电感应，将与雷云异常的电荷由导线两端拉到靠近先导放电的一段导线上成为束缚电荷。雷云在主放电阶段先导通道中的电荷迅速中和，这时输电线路导线上原有束缚电荷立即转为自由电荷，自由电荷向导线两侧流动而造成的过电

8、压为感应过电压。 v重点：重点：直接雷击过电压、雷电反击过电压和直接雷击过电压、雷电反击过电压和感应雷过电压感应雷过电压三个名称解释三个名称解释v6雷电侵入波雷电侵入波v 因直接雷击或感应雷击在输电线路导线中形成迅速流动的电荷称它为雷电进行波。雷电进行波对其前进道路上的电气设备构成威胁，因此也称为雷电侵入波。一般的变电所，如果有架空进出线，则必须考虑对雷电侵入波的预防。雷电侵入波对电气设备的严重威胁还在于：当雷电侵入波前行时，例如遇到处于分闸状态的线路开关，或者来到变压器线圈尾端中性点处，则会产生进行波的全反射。这个反射与侵入波迭加，过电压增高一倍，极容易造成击穿事故。v重点：当雷电侵入波前行

9、时，例如遇到处于分闸状态的线路开关分闸状态的线路开关，或者来到变压器线圈变压器线圈尾端中性点处尾端中性点处，则会产生进行波的全反射。这个反射与侵入波迭加，过电压增高一倍。v四、内部过电压四、内部过电压v1工频过电压工频过电压v 电力系统中的工频过电压一般由线路空载、单相接地或三相系统中发生不对称故障时引起。在中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统里，当发生单相接地故障时，其他两健全相的对地电压可增高到倍相电压。v 如高电压长线路空载运行时，在导线中流动的主要是对地和线间电容电流。电容电流在导线的阻抗上有电压降。由于超高压架空线路的阻抗主要是电感电抗，电容电流流经感抗后使末端电压升高，即通常所说的

10、电容效应电压升高。v 工频过电压一般由线路空载、单相接地或线路空载、单相接地或三相系统中发生不对称故障时三相系统中发生不对称故障时引起v v 工频过电压的特点特点是持续时间可能较长持续时间可能较长，但工工频过电压数值并不很大频过电压数值并不很大，对电力系统的正常绝缘危险不大。但是，如果在发生其他内部过电压的时候，又存在工频过电压，则过电压更为严重。v2谐振过电压谐振过电压v 如果串联电路中包括有电感、电容，当电感电抗和电容电抗数值都很很大，而且彼此绝对值相等或十分接近相等时，其综合阻抗会十分微小，这时即使在不太高的电源电压下也会出现极大的电流。这个极大的电流在电感、电容上产生很高的电压降。这就

11、是串联谐振过电压 当谐振过电压发生在铁磁电感与电容组成的电路中时，称为铁磁谐振电路，有可能出现过电压事故。v 由于这种过电压持续时间较长，而且由于频率低，电压互感器的铁心严重饱和，因此常会招致电压互感器损坏和阀型避雷器爆炸。为了防止发生分频谐振过电压事故，主要措施是对10kV供电的用户变电所要求电压互感器组采用V/V接线，这样在系统发生单相接地，健全相对地电压升高时，可避免因电压互感器铁心饱和而引起铁磁谐振过电压。v重点： v3操作过电压操作过电压v 操作过电压是指电力系统中由于操作或事故，使设备运行状态发生改变(例如停、送电时分、合闸操作)，而引起相关设备电容、电感上的电场、磁场能量相互转换

12、，这种电、磁场能量的相互转换可能引起振荡，从而产生过电压。如果电路中的电阻较大，能起到较好的阻尼作用，则振荡时能量消耗较快，电流电压迅速衰减进入稳态，过电压较快消失。v v 在电力系统运行操作时，较容易发生操作过电压的常见操作项目有：切、合高电压空载长线路，切、合空载变压器，切、合电容器，开断高压电动机等。v 高电压空载长线路可以看作是电感电容串联电路。因为高压线路都有电感，而且有对地电容，构成电感、电容谐振电路。在利用开关设备分断空载长线路时，电流波形瞬时值经过零点时，开关触头间电弧熄灭，但是这时电压波形瞬时值恰好经过幅值，设为Um=U，由于线路存在电容的缘故，这个电压瞬间不会立即消失。经过

13、交流电半个周期v后，电源电压的瞬时值变化到极性相反的最大值，设为-Um。在开关触头间作用的电位差为：Um-（-Um）=2Um，等于电源电压幅值的两倍，有可能使触头间电弧重燃，间隙再次击穿。开关触头间间隙再次击穿后，电源电压对线路又一次充电，由于线路上已有残存电压，电源电压再次对其作用，从而形成振荡，出现过电压。如此反复，会出现很高的过电压数值。由此可见，断路器灭弧能力不够强，在开断时触头间发生电弧重燃容易引起操作过电压。v反之，断路器灭弧能力特别强，在电流波形瞬时值未达到零点之前，就强行将电流截断，如果分断的又是电感性负载，例如高压电动机，或者变压器、电抗器等设备，则有可能发生截流过电压。因为

14、电流的突然变化，电感性负载设备磁路中磁通量跟着发生突变，根据电工基础中有关电磁感应的理论知识，磁通突然变化会产生很高的感应电势，从而发生过电压。由此可见，对于电感性负载设备来说， v 断路器灭弧能力特别强，如果分断的又是电感性负载，断路器灭弧能力特别强，如果分断的又是电感性负载，例如高压电动机，或者变压器、电抗器等设备，则有可能发例如高压电动机，或者变压器、电抗器等设备，则有可能发生截流过电压。生截流过电压。开断空载变压器和开断高压电动机都有可能出现强制灭弧(截流)过电压。v如果开关设备的灭弧能力特别强，则有可能引发截流过电压。开断空载变压器和开断高压电动机都有可能出现强制灭弧(截流)过电压。

15、v空载长线路在合闸时也可能会出现过电压。这是由于在合闸时，电源电压对由线路电感、电容构成的振荡回路充电，在达到稳态之前，要经历一个高频振荡过程，从而引起过电压。v在中性点不接地系统中发生单相不稳定电弧接地时，接地点的电弧间隙性的熄灭和重燃，则在电网健全相和故障相都可能产生过电压，一般把这种过电压称为电弧接地过电压。产生电弧接地过电压的原因是线路具有电感和对地电容而接地故障使对地电压发生变化，引起电场能量和磁场能量互相转换，在间隙性电弧作用下这种电磁场能量的转换产生强烈振荡，从而引起严重过电压。v第二节第二节 直接雷击过电压保护直接雷击过电压保护 v为防止直接雷击电力设备，一般采用避雷针或避雷线

16、避雷针或避雷线。为防止直接雷击高压架空线路，一般多用架空避雷线(俗称架空地线)。v一、单支避雷针的保护范围一、单支避雷针的保护范围v单支避雷针的保护范围如图53所示。图53中，避雷针高为h，避雷针在地面上的保护半径为1.5hp；在被保护物高度为hx时，hx水平面上的保护半径rx按以下公式计算确定：v（1） （51）v（2） （52）v式中 ；rx避雷针在高度为hx水平面上的保护半径；v hx被保护物的高度；v ha避雷针的有效高度；v p高度影响系数，h30m时，p=1；30m120m时，p= 取h=120m。h5 . 5h5 . 5h5 . 5v二、两支等高避雷针保护范围二、两支等高避雷针保

17、护范围v两支避雷针，其高度都等于h，两支等高度避雷针的保护范围如图54所示。图54中1、2为两支等高避雷针，其保护范围按下列方法确定：v1)两针外侧的保护范围应该按单支避雷针的计算方法确定。v2)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的最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R0，O点离地高度为h0，计算方法如下：vh0=h （53）v 式中：h0两针间保护范围上部边缘最低点的高度(m)；v D两避雷针间的距离(m)；v P高度影响系数，见式51和式52；v h避雷针高度(m)。v两针间bx水平面上保护范围一侧的最小宽度(见图55)可按下式近似计算，精确数据应从有关规程查取。vbx=1.5

18、(h0hx) （54）v三、多支避雷针保护范围三、多支避雷针保护范围v13支等高避雷针的保护范围支等高避雷针的保护范围v3支等高避雷针的保护范围；由3支避雷针构成的三角形外侧的保护范围，可分别按两支等高避雷针的计算方法确定；在三角形内侧，如果在被保护物v最大高度hx水平面上，则全部面积即受到保护。24支及以上等高避雷针的保护范围支及以上等高避雷针的保护范围v4支及以上等高避雷针所形成的四边形或多边形，可先将其分成两个或几个三角形，然后分别按三只等高避雷针的方法计算，如各边保护范围的一侧最小宽度bx0，则全部面积受到保护。四、单根避雷线保护范围四、单根避雷线保护范围v单根避雷线保护范围应按下列方

19、法确定(见图55)。 （1）在高度为hx的水平线上避雷线每侧保护范围的宽度应按下式确定v1)当hx 时vrx =0.47(hhx )p （55）v2)当hx 时vrx =(h 1.53hx) p （56）v式中：hx保护高度(m)；v rx高度为hx水平面沿避雷线向两侧每侧保护范围的宽度(m)；v h避雷线的高度(m)；v P高度影响系数，见式（51）和式（52）。v（2）在hx水平面上避雷线起末端端部的保护半径rx也按式（55）、式（56）确定。即两端的保护范围是以rx为半径的半圆。v五、两根避雷线保护范围五、两根避雷线保护范围v两根平行避雷线保护范围按下列方法确定：v1)两避雷线的外侧保护

20、范围，按单根避雷线的计算方法确定。v 2)避雷线间的保护计算方法与图55相似：由通过两避雷线1、2及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，这时O点的高度h0应按下式计算vh0 =hD/4p （57）v式中：hx避雷线的高度(m)；v D两避雷线间的距离(m)；v h0两避雷线间保护范围上部边缘最低点O的高度(m)。第三节第三节 雷电侵入波防护雷电侵入波防护v为了防止感应雷过电压和雷电侵入波对变电所设备绝缘造成击穿损坏，应采取措施减少近区雷击闪络，避免出现过分强烈的感应雷过电压，并要合理配置避雷器，使雷电侵入波通过阀型避雷器对地放电，将能量泄放掉，这样就不致对电气设备的绝缘造成威胁。因此对雷电侵入

21、波的过电压保护主要措施有：变电所进线段保护、变电所母线装设阀型避雷器、主变压器中性点装设阀型避雷器、与架空线路直接连接的电力电缆终端处装设阀型避雷器等。v一、变电所进线段保护一、变电所进线段保护v 变电所进线段保护的目的是防止进入变电所的架空线路在近区遭受直接雷击，并对由远方输入的雷电侵入波通过避雷器或电缆线路、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。具体措施如下：v1)对于3kV10kV配电装置(或电力变压器)其进线防雷保护和母线防雷保护的接线 如图56所示。从图中可见配电装置的每组母线上装设站用阀型避雷器FS一组；在每路架空进线上也装设配电线路用阀型避雷器FS一组

22、(图56中线路1)，有电缆段的架空线路(图56中线路2)避雷器应装设在电缆头附近，v其接地端应和电缆金属外皮相连；如果进线电缆在与母线相连时串接有电抗器(图56中线路3)，则应在电抗器和电缆头之间增加一组阀型避雷器，如图56所示。实际上无论电缆进线或架空进线，只要与母线之间的隔离开关或断路器在夏季雷雨季节时经常处于断路状态，而线路侧又带电时，则靠近隔离开关或断路器处必须在线路侧装设一组阀型避雷器，以防止雷电侵入波遇到断口时无法行进，出现反射波而使绝缘击穿造成事故。v由上述可知，对于变电所来说，凡正常处于分闸状态的高压进出线，必须在断路器(或隔离开关)的断口外侧(线路侧)加装避雷器或保护间隙。而

23、对于配电线路，如果线路上有正常处于分闸状态的分段开关，则在开关两侧也都应装设避雷器或防雷间隙。v在图56中，母线上避雷器与主变压器的电气距离不宜超过表51的规定。v 3)35kV110kV线路如果有电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设阀型避雷器，其接地端应与电缆的金属外皮连接。v如果进线电缆段不超过50m，则电缆末端可不装避雷器；如果进线电缆段超过50m，且进线电缆段的断路器在雷季经常断路运行，则电缆末端(靠近母线侧)必须装设避雷器。连接进线电缆段的1km架空线路，应装设避雷线。v二、变电所母线防雷保护二、变电所母线防雷保护v ，见图58所示。v35kV及以上变电所具有架空进线的每组母线上

24、都必须装设避雷器。避雷器与主变压器及其他被保护电气设备的电气距离应不超过有关规程的要求。v三、变压器中性点防雷保护三、变压器中性点防雷保护v1)中性点直接接地系统中，中性点不接地的变压器，如变压器中性点的绝缘按线电压设计，但变电所为单进线且为单台变压器运行，则中性点应装设防雷保护装置；如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。v2)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装置；但多雷区单进线变电所宜装设保护装置；中性点接有消弧线圈的变压器，如有单进线运行可能，也应在中性点装设保护装置。v 变电所内所有阀式避雷器应以最短的接地线与主接地网连接，同时

25、应在其附近装设集中接地装置。v四、配电变压器防雷保护四、配电变压器防雷保护v v 2)35kV/0.4kV配电变压器其高低压侧均应装设阀式避雷器保护，以防止低压侧雷电侵入波击穿高压侧绝缘。3kV10kV配电变压器，如为Y、yn接线，宜在低压侧也装设一组阀型避雷器。第四节第四节 过电压保护设备过电压保护设备v一、保护间隙一、保护间隙v 保护间隙是由两个金属电极构成的较简单的防雷设备，如图57所示。固定在绝缘子上的电极一端和带电部分相连，另一个电极则通过辅助间隙(图中2)与接地装置相连接，辅助间隙的作用，主要是防止主间隙因鸟类、树枝等造成短路时，不致引起线路接地。放电间隙按结构的不同分为棒型、球形

26、或角型等形式。v图57中1为主间隙，2为辅助间隙。在正常运行时，间隙对地是绝缘的。而当架空电力线路遭受雷击时，间隙的空气被击穿，将雷电流泄入大地，使线路绝缘子或其他电气设备的绝缘上不致发生闪络，起到了保护作用。v 对于6kV和10kV保护间隙，主间隙分别不小于15mm和25mm，辅助间隙均为10mm。v二、阀型避雷器二、阀型避雷器v 常用的阀型避雷器有。v 1普通阀型避雷器普通阀型避雷器v 普通阀型避雷器是指碳化硅阀式避雷器(图58)。v (1)结构及工作原理 碳化硅阀式避雷器主要由若干火花间隙和金刚砂阀性电阻盘串联组成。每个火花间隙(图59)由上、下两个冲压成型的黄铜平板电极和一个环形云母垫

27、圈组成。上、下黄铜电极之间的间隙为0.51mm，间隙电场近似均匀电场。单个间隙的工频放电压约为2.7kV3.0kV。金刚砂阀性电组盘简称阀片，是由金刚砂(硅化硅)颗粒和水玻璃混合后，经模型压制成饼状，在高温下焙烧而成。阀片的电阻阻值随电流的大小而变化。v电流大时电阻变小，电流小时电阻变大。电压电流的关系可用公式UkIa表示，a为非线性系数，其值小于1，一般为0.2左右。阀片也称为非线性电阻片。 v(2)型号及用途 普通碳化硅阀型避雷器常用的有FZ和FS两种型号。，其结构除了平板火花间隙和阀片电阻外，在火花间隙旁并联有均压电阻。在工频电压作用下，并联电阻中流过的电流比火花间隙中的电容电流大，因此

28、电压分布主要取决于并联电阻值，使各间隙上的电压分布均匀，间隙不容易击穿。在雷电冲击电压作用下，由于所加电压频率较高，容抗变小，使火花间隙上电压分布变得不均匀，容易击穿。v这样既保证了一定的工频放电电压，又尽量降低了冲击放电电压，使避雷器的保护性能得到了改善。v ，火花间隙旁没有并联均压电阻，因此性能不如FZ型，但结构比FZ型简单，体积也较小。FZ型比FS型的残压要低。例如10kV避雷器FZ10的残压为45kV，而FS10的残压为50kV。FZ型多用于发电厂和变电所的电气设备防雷保护；FS型则多用在配电线路和配电变压器、开关设备的防雷保护上。FZ型能使峰值不大于80A的工频续流在第一次过零时电弧

29、熄灭；FS型能使峰值不大于50A的工频续流在第一次过零时电弧熄灭。 v2磁吹阀型避雷器磁吹阀型避雷器v 磁吹避雷器是阀型避雷器的一种。普通阀型避雷器的火花间隙灭弧完全依靠间隙的自然灭弧能力。由于阀片的热容量有限，不能承受内过电压长时间的冲击电流作用，因此，。v 磁吹避雷器也是由间隙和阀片串联组成，但是间隙的结构形状与普通阀型避雷器不同，而且增加磁吹部分使电弧在磁场作用下被拉长，得到更好的去游离，使电弧易于熄灭。v 磁吹避雷器的灭弧性能好,工频放电电压和残压都可以做得较低,有很好的保护性能,可以用作旋转电机等绝缘要求较低的电气设备防雷保护和内过电压保护。磁吹避雷器常用的有FCD型和FCZ型，前者用于保护旋转电机，后者用于发电厂和变电所作保护之用。 v3金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器v 金属氧化物避雷器主要工作元件为金属氧化物非线性电阻片，金属氧化物避雷器的阀片和外型如图510所示，它具有非线性伏安特性，在过电压时呈低电阻，从而限制避雷器上的残压，对被保护设备起保护作用。而在正常工频电压下呈高电阻，流过不超过1mA(一般为几十微安)的对地泄漏电流，实际上使带电母线对地处于绝缘状态，无需串联间隙来隔离工作电压。由于避雷器电阻片的阻值随外部电压的过电压而出现急剧变小，因此也称其为压敏电阻。氧化物阀片具有很理想的伏安特性，在非线性区其非线性系数a约为0.015