过电压及其防护教学课件

第八章过电压及其防护1第八章过电压及其防护1-2-Ch.8过电压及其防护8.1概述8.2内部过电压及其防护8.3电力系统防雷保护8.4电力系统绝缘配合-2-Ch.8过电压及其防护8.1概述-3-8.1概述过电压(over-voltage)的概念电力系统中，各种绝缘除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的作用。所谓的过电压就是指超过最高运行电压并可使电力系统绝缘或电气设备损坏的电压升高。过电压的分类过电压工频电压升高谐振过电压直击雷过电压内部过电压外部过电压操作过电压感应雷过电压暂时过电压雷电过电压大气过电压雷电侵入波-3-8.1概述过电压(over-voltage)的概念-4-概述过电压对绝缘的威胁过电压幅值过电压上升陡度、波形过电压持续时间过电压的特点雷电过电压能量来自系统外部，注入的能量不受系统的影响，过电压幅值高，波头短（1-2s），波的持续时间约100s，电压上升陡度大感应雷过电压幅值不超过300kV-400kV，落到地面的雷电流幅值通常<100kA，过电压波头上升缓慢直击雷过电压幅值高，注入的能量大，雷电流幅值通常达150kA-230kA，波头短-4-概述过电压对绝缘的威胁-5-概述过电压的特点操作过电压能量来自系统内部，幅值与系统结构、运行方式、设备性能，尤其是断路器性能有关，波的持续时间<0.1s，含有较强的高频分量，阻尼强工频过电压幅值不高，通常<2p.u.，持续时间>0.1s，甚至几分钟到几个小时，高频分量少，弱阻尼，频率接近工频谐振过电压根据电感、电容元件的特性不同而不同，与系统中性点接地方式、系统结构、设备性能有关，一旦出现，幅值较高，须破坏谐振条件才能消失，通常从设计和运行上避开VFTO(VeryFastTransientOver-voltage)幅值较高，通常<2.5p.u.，波头几个ns-几十个ns，等值频率达几个MHz-几百MHz（为什么？）？-5-概述过电压的特点（为什么？）？-6-概述过电压的防护防护的目的：防止电气设备的绝缘遭受过电压的破坏防护方法：大气过电压和内部过电压发生的原因不同，防护方法亦不同内部过电压：了解其产生的原因及特性，针对性的采取措施，避免其危害大气过电压：设法防止其侵入电气设备，并采取相应的措施将其尽可能的降低到对电气设备的绝缘不造成损坏的程度-6-概述过电压的防护内部过电压：了解其产生的原因及特性，针-7-8.2

内部过电压及其防护§8.2.1.操作过电压§8.2.2.谐振过电压§8.2.3.工频电压升高-7-8.2内部过电压及其防护§8.2.1.操作过电压-8-8.2.1、操作过电压操作过电压：因操作引起的暂态电压升高“操作”：断路器的正常操作，如分、合闸空载线路或空载变压器、电抗器等；也包括各类故障，如接地、断线故障等电力系统中存在着很多电感（变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器及输电线路的电感等),电容(线路对地电容和相间电容、补偿用的并联或串联电容器组、高压设备的杂散电容等）元件。电感和电容均为储能元件，可在电力系统中组成各种振荡回路。原因：在电力系统运行时，由于“操作”将使系统的运行状态发生突然变化，导致系统内部的电感和电容元件之间电磁能量的相互转换，回路将会发生从一种工作状态通过振荡转变到另一种工作状态的过渡过程，并出现操作过电压-8-8.2.1、操作过电压操作过电压：因操作引起的暂态电压-9-常见的操作过电压有：切除空载变压器过电压切除空载线路过电压空载线路合闸过电压中性点不接地系统中电弧接地过电压8.2.1、操作过电压特点：幅值高、存在高频振荡、强阻尼、持续时间短空载长线路操作过电压-9-常见的操作过电压有：8.2.1、操作过电压特点：幅值高-10-限制措施在低压系统中安装消弧线圈在高压线路上装设并联电抗器采用带有并联电阻的断路器采用避雷器技术水平近年来，由于高压断路器灭弧性能的改善，变压器铁芯材料的改进、避雷器制造水平的提高，限制了切除空载线路和空载变压器的过电压，但空载线路合闸过电压仍未得到有效的限制，尤其在超高压及特高压系统中，这种过电压已成为决定电网绝缘水平的主要依据。8.2.1、操作过电压-10-限制措施8.2.1、操作过电压-11-8.2.1、操作过电压§1.合闸空载线路引起的过电压§2.切除空载线路引起的过电压§3.切除空载变压器产生的过电压§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)-11-8.2.1、操作过电压§1.合闸空载线路引起的过电-12-§1.合闸空载线路引起的过电压合闸空载线路过电压形成的原因合闸空载线路产生过电压的根本原因是电容、电感的振荡，其振荡电压叠加在稳态电压上所致。合闸空载线路正常合闸：由于正常运行需要而进行的合闸操作自动重合闸：为了减少鸟害和雷害等暂时性故障引起的线路跳闸损失，由继保装置控制QF跳闸后，经过一短暂时间后再合闸。（一般情况下引起的过电压较为严重）对于超高压输电系统，合闸和重合闸过电压最为重要，因为它对决定系统设备的绝缘水平起着决定性的作用。影响因素：电源容量、系统接线方式、线路长度、合闸相位、开关性能、故障类别、限压措施-12-§1.合闸空载线路引起的过电压合闸空载线路过电压形-13-设电源电势为Emcosωt。单相线路采用集中参数T型电路来等值；LT，CT分别为线路总的电感、电容；电源电感为LS；忽略线路及电源的电阻。L=LS+LT/2。

§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理L与C构成振荡电路一般情况下ω0比工频高得多，因此可假设过渡过程初期电源电压近似不变，为直流电源直流电动势等于工频相电压的幅值，相当于最严重情况假设电容初始电压为零，二阶电路零状态响应-13-设电源电势为Emcosωt。单相线路采用集中参数T型-14-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理不计电路电阻，关合空载线路时，线路电容上出现的过电压可达电源电压E的2倍实际线路中存在电阻R，若R<2√L/C，则经过若干振荡周期后，uC(t)将衰减到稳态值—电源电压E假设电容初始电压为零，二阶电路零状态响应-14-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理不计-15-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理不计电路电阻，关合空载线路时，线路电容上出现的过电压可达电源电压E的2倍实际线路中存在电阻R，若R<2√L/C，则经过若干振荡周期后，uC(t)将衰减到稳态值—电源电压E-15-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理不计-16-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理uC(t)可以看做由两部分叠加而成

第一部分为稳态值E第二部分是振荡部分，是由起始状态和稳定状态的差异引起的—振荡部分的振幅为稳态值与起始值之差过电压=稳态值+振荡幅值

=稳态值+（稳态值-起始值）

=2倍稳态值-起始值-16-§1.合闸空载线路引起的过电压产生过电压的机理uC-17-产生过电压的机理重合闸的情况下，线路上有残余电荷，相当于电容上有初始电压UC0设断路器开断时电容的残余电压为电源幅值，即：UC0=Em重合闸时，如果电源电压恰好达到极性相反的幅值-Em，则重合闸过电压将达2(-Em)-Em=-3Em§1.合闸空载线路引起的过电压-17-产生过电压的机理§1.合闸空载线路引起的过电压-18-影响过电压的因素合闸空载线路过电压以重合闸最为严重。理论上重合闸过电压可达3Em。但实际中过电压的幅值受到很多因素的影响。合闸相位：e(t)＝Emsin(ωt＋0)；正常合闸时，若0＝±90°，即e(0)＝±Em是其中最严重的情况；线路残压：在自动重合闸的过程中，由于线路残余电荷的泄放，实际上线路残压是下降的。线路损耗：实际输电线路的能量损耗会引起自由分量的衰减，使过电压幅值降低。三相断路器不同期合闸：会使过电压幅值增高10％～30％。单相自动重合闸：单相重合闸过电压低于正常重合闸过电压。母线上接有其他出线时：过电压将越小。§1.合闸空载线路引起的过电压-18-影响过电压的因素§1.合闸空载线路引起的过电压-19-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施限制空载线路合闸过电压的措施可以从两方面入手：一是降低线路的稳态电压分量；二是限制其自由电压分量。①降低工频电压升高空载线路上的操作过电压是在工频稳态电压的基础上由振荡产生的。显然，降低工频电压升高会使操作过电压下降。目前超高压电网中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补偿装置（SVC），其主要作用是削弱电容效应。②断路器装设并联电阻将线路合闸分两个阶段进行。第一阶段带电阻R合闸，即将R与辅助触头串联。由于R对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的过电压降低。大约经过8~15ms，主触头闭合，将R短接，电源直接与线路相连，完成合闸操作，这是合闸的第二个阶段。-19-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施-20-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施-20-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施-21-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施②断路器装设并联电阻R的最佳值：合闸的第一阶段，要求R值较大，使阻尼效果较好。而在第二阶段则要求R值小，使短接时，回路振荡程度较弱。因此，空载线路合闸过电压的大小与合闸电阻值的关系呈一条V形曲线。对500kV线路的断路器，国外大多采用400Ω，国内由于电阻的热容量的原因，大多取1000Ω左右。-21-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施对-22-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施③控制合闸相位空载线路合闸过电压的大小与电源电压的合闸相位有关，因此可以通过一些电子装置来控制断路器的动作时间，在各相合闸时，将电源电压的相位角控制在一定范围内，以达到降低合闸过电压的目的。④消除线路上的残余电荷在线路侧接电磁式电压互感器，可在几个工频周波内，将全部残余电荷通过互感器泄放掉。⑤装设避雷器在线路首端和末端装设磁吹避雷器或金属氧化物避雷器，当出现较高的过电压时，避雷器应能可靠动作，将过电压限制在允许的范围内。-22-§1.合闸空载线路引起的过电压限制过电压的措施-23-§2.切除空载线路引起的过电压切除空载线路引起过电压的原因：电弧重燃过电压产生的物理过程稳定时，若假定e(t)=Emcosωt，则i=-ωCTEmsinωt（忽略电感）线路容抗远远大于感抗回路的自振角频率单相空载线路采用T型电路来等值；LT，CT分别为线路总的电感、电容；电源电感为LS；忽略线路及电源的电阻。L=LS+LT/2。

-23-§2.切除空载线路引起的过电压切除空载线路引起过电-24-断路器开断前：§2.切除空载线路引起的过电压过电压产生的物理过程此后电源与线路断开，线路保持一个直流电压（±Em

）,电源电压继续变化。t1时刻，断路器开断容性电流并在电流过零时熄弧（电源电压达到最大值±Em）：回路流过容性电流，线路电压约等于电源电压；电流超前电压90°-24-断路器开断前：§2.切除空载线路引起的过电压-25-第一次重燃，t2时刻半个工频周期之后电源电压反向，断路器触头之间电压为2Em，如果此时断路器触头之间介质的绝缘强度没有恢复到一定的值，就可能发生电弧重燃。初始值稳态值+Em-Em过电压值：

-3Emt3时刻，高频电流过零熄弧线路电压保持为-3Em§2.切除空载线路引起的过电压过电压产生的物理过程高频振荡电压幅值2Em频率ω0=1/√LC-25-第一次重燃，t2时刻半个工频周期之后电源电压反向-26-过电压产生的物理过程重复步骤：反向燃弧熄弧线路电压发展：-3Em→5Em→-7Em→9Em§2.切除空载线路引起的过电压-26-过电压产生的物理过程重复步骤：反向燃弧熄弧线路电压发-27-§2.切除空载线路引起的过电压影响过电压的因素断路器的性能如前所述，断路器中电弧的重燃是产生过电压的根本原因。如果断路器触头分得很快，触头间绝缘恢复强度的上升速度大于触头间恢复电压上升速度，则电弧就不会发生重燃，当然也就不会出现高的过电压。中性点接地方式在中性点直接接地的电网中，虽然存在线路间的耦合，但各相可自成独立回路，切除空载线路的过程基本上和以上讨论的单相线路情况一样。但在中性点非直接接地电网中，三相断路器分闸不同期会构成瞬间的不对称电路，使中性点产生位移，相间的耦合，使分闸过程变得复杂，过电压增高（一般会比中性点直接接地电网高出20%左右）。-27-§2.切除空载线路引起的过电压影响过电压的因素-28-§2.切除空载线路引起的过电压影响过电压的因素损耗切除空载线路出现过电压后，线路上会产生强烈的电晕，电晕要消耗能量，相应地降低了过电压。此外计及电源及线路损耗也会使过电压降低。其它若母线上有很多出线时，相当于加大了母线的电容，电弧重燃后，线路上的残余电荷重新分配，改变了起始值，因而降低了过电压。此外，当线路装有电磁式电压互感器时，将泄放线路上的残余电荷，从而降低了过电压。国内外大量实测数据表明，在中性点不接地系统中，过电压倍数一般不超过3.5~4；在中性点直接接地系统中，一般不超过3。这是因为过电压受多种因素影响的缘故。-28-§2.切除空载线路引起的过电压影响过电压的因素国内-29-§2.切除空载线路引起的过电压限制过电压的措施采用不重燃断路器国内外制造实践已证明，制造不重燃断路器是完全可能的。我国的220kV断路器在限制切除空载线路过电压方面的性能已大有改善，330kV，500kV断路器基本做到了电弧不重燃。在断路器装设分闸电阻（在QF主触头上并联电阻）在切除线路时，先打开主触头，此时电源通过分闸电阻R仍和线路相连，线路上的残余电荷通过分闸电阻向电源释放，R上的压降就是主触头两端的恢复电压。R越小，主触头恢复电压就越小，即不会产生重燃。当经过一段时间后，辅助触头才打开，此时它的恢复电压也较低，不会发生电弧的重燃，即使发生重燃，R将对其振荡过程产生阻尼，使过电压降低。-29-§2.切除空载线路引起的过电压限制过电压的措施-30-§2.切除空载线路引起的过电压限制过电压的措施线路上装设泄流设备由前述分析可知，在线路侧若接有并联电抗器或电磁式电压互感器，都能使线路上的残余电荷得以泄放或产生衰减振荡，改变幅值与极性，最终降低断路器间的恢复电压，减少重燃的可能性，达到降低过电压的目的。装设避雷器在线路首末端装设可以限制操作过电压的磁吹避雷器或金属氧化物避雷器-30-§2.切除空载线路引起的过电压限制过电压的措施-31-§3.切除空载变压器产生的过电压切除空载变压器引起过电压的原因在正常运行时，空载变压器可等值为一激磁电感，因此切除空载变压器相当于切除一个小容量的电感负荷。变压器空载电流（励磁电流）I0有效值约几安至几十安之间，仅为短路电流的几百分之一到几万分之一在开断100A以上的交流电流时，QF通常是在工频电流过零时实现断弧的；在切断小电感电流时，由于能量小，通常弧道中的电离并不强烈，电弧很不稳定，加之断路器去电离作用很强，可能在工频电流过零前使电弧电流截断而强制熄弧，这种现象称为“截流”。由于截流留在电感中的磁场能量转化为电容上的电场能量，从而产生了过电压。强制熄弧，电感能量转化为电容能量-31-§3.切除空载变压器产生的过电压切除空载变压器引起-32-§3.切除空载变压器产生的过电压过电压产生的物理过程切断空载变压器的等效电路L为变压器的激磁电抗；

C为变压器本身及连接母线等的对地电容，其数值视具体情况而定，约为几百至几千皮法，很小；

e(t)为电源电势开断前：C很小，XC很大，iC可忽略熄弧时，若电流为I0，电容电压为U0，则：电感储存能量：电容储存能量：-32-§3.切除空载变压器产生的过电压过电压产生的物理过-33-变压器特征阻抗§3.

切除空载变压器产生的过电压过电压产生的物理过程熄弧后，两者能量在L-C回路中产生振荡，电感能量全部转化为电容能量时，电容电压将达最大值UCmax：一般情况下，I0并不大，极限值为激磁电流的最大值Im，只有几安到几十安;可是变压器的特征阻抗Zm

很大，可达上万欧，故能产生很高的过电压。截流值I0愈大，则过电压UCmax愈高，当截流发生在励磁电流的幅值Im时，有I0=Im，U0=0-33-变压器特征阻抗§3.切除空载变压器产生的过电压过电-34-§3.

切除空载变压器产生的过电压过电压产生的物理过程电流在幅值截断后，电感中的电流iL(t)和电容上的电压uC(t)可由L-C振荡回路的微分方程求解，若不计衰减：—自振荡角频率-34-§3.切除空载变压器产生的过电压过电压产生的物理过-35-影响过电压的因素及其限制措施断路器的性能切除空载变压器引起的过电压与截流数值成正比，断路器截断电流的能力愈大，过电压UCmax

就越高。因此，降低断路器的截流能力能够限制过电压的大小。变压器的参数变压器L愈大，C愈小，则过电压愈高。现代变压器采用纠结式绕组，大大增加绕组的电容；铁心采用冷轧硅钢片，减小励磁电感L，其励磁电流I0仅为额定电流的0.5%左右切除这种变压器时，过电压倍数一般不会大于2其他变压器的相数、线组接线方式、铁芯结构、中性点接地方式、断路器的断口电容，以及与变压器相连的电缆线段、架空线段等，都会对切除空载压器过电压产生影响。§3.

切除空载变压器产生的过电压-35-影响过电压的因素及其限制措施§3.切除空载变压器产-36-影响过电压的因素及其限制措施避雷器限制过电压金属氧化物避雷器MOA(MetalOxideArrester)接在断路器的变压器侧，以保证QF断开后避雷器仍能留在变压器的连线上非雷雨季节也不能退出运行§3.

切除空载变压器产生的过电压-36-影响过电压的因素及其限制措施§3.切除空载变压器产-37-§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压中性点不接地系统电弧接地过电压出现的条件中性点不接地系统，单相接地时，若电弧不能熄灭，也不能稳定燃烧，则由于电弧的重燃，可能引起过电压。我国35kV电压等级以下的电网中，经常采用中性点不接地系统(提高供电可靠性)，当单相接地电流大于一定值(3-6kV电网，30A；10kV电网，20A；35kV电网，10A)时，电弧便难以熄灭，然而这种电流还不至于形成稳定的电弧，因此形成电弧时而熄灭时而燃烧的情况，在电网中引起电磁能量的振荡，形成间歇性电弧接地过电压。电弧的熄灭与重燃时间是决定最大过电压的重要因素。-37-§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压中性点不-38-单相电弧接地时流过弧道的电流有两个分量：工频电流（强制）分量和高频电流（自由）分量分析电弧接地过电压时的两种假设：以高频电流第一次过零时熄弧为前提进行分析，称高频电流熄弧理论。因高频电流过零时，高频振荡电压恰为最大值，熄弧后残留在非故障相上的电荷量较大，故按此分析，过电压值较高；以工频电流过零时熄弧为条件进行分析，称为工频电流熄弧理论。按此分析，熄弧时残留在非故障相上的电荷量较少，过电压值较低，但接近于电网中的实际测量值。§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压过电压发展的物理过程-38-单相电弧接地时流过弧道的电流有两个分量：§4.中性-39-设电源相电压为eA、eB、eC，各相对地电压为uA、uB、uC。假设A相电压在幅值（-Um）时对地闪络（t＝0），令Um＝1。则有：uA(0－)＝-1，uB(0－)＝uC(0－)＝0.5

工频熄弧时电弧接地过电压的发展过程

发弧后瞬间（t＝0+时刻），A相对地电容C0上电荷通过电弧泄入地下，其相电压降为零，即

uA(0+)＝0，uB(0+)＝uBA(0+)＝1.5uC(0+)＝uCA(0+)＝1.5在(0－，0+)期间，电源经线路电感给B、C相对地电容C0充电，形成一个高频振荡过程。§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压过渡过程中出现的最高振荡电压幅值为UBm＝UCm＝2×1.5－0.5＝2.5

若A相发生金属性接地，或电弧熄灭后不再重燃，则在健全相的过电压倍数≤2.5-39-设电源相电压为eA、eB、eC，各相对地电压为uA、-40-其后，过渡过程很快衰减，B、C相对地电容上的电压稳定到线电压eBA和eCA

经过半个工频周期，在t＝t1时刻，B、C相对地电容上的电压将等于-1.5，此时接地点的工频接地电流if通过零点，电弧自动熄灭，即发生第一次工频熄弧§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压-40-其后，过渡过程很快衰减，B、C相对地电容上的电压稳定-41-其后，每隔半个工频周期依次发生熄弧和重燃，其过渡过程与上述过程完全相同。据此可得非故障相：UBm＝UCm＝3.5

故障相：UAm＝2

§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压熄弧后，相对地电压逐渐恢复，再经半个工频周期，在t＝t2时刻，B、C相对地电容上的电压变为-0.5，A相对地电容上的电压则高达-2，这时可能引起故障点接地电弧重燃，B、C相对地电容C0电压将从起始值（-0.5）被充电至线电压的瞬时值1.5，过渡过程的最高电压为UBm＝UCm＝2×1.5－(-0.5)＝3.5。过渡过程衰减后，B、C相将稳定在线电压运行。-41-其后，每隔半个工频周期依次发生熄弧和重燃，其过渡过程-42-§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压限制过电压的措施 消除电弧接地过电压最根本的途径是消除间歇性电弧。①中性点直接接地。使发生单相接地故障时形成很大的单相短路电流，将线路断开，待故障消除后恢复供电。目前110kV及以上电网大都采用中性点直接接地的运行方式。②中性点经消弧线圈接地在电压等级较低的配电网中，单相接地事故率相对较大，如采用中性点直接接地方式，势必引起断路器频繁跳闸，这不仅要增设大量的重合闸装置，还会增加断路器的维修工作量，故宜采用中性点绝缘的运行方式。为减小电容电流，使电弧易于熄灭，我国35kV及以下电压等级的配电网系采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。-42-§4.中性点不接地系统电弧接地引起的过电压限制过电-43-§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)快速暂态过电压隔离开关操作时电弧重燃隔离开关分合空母线操作属于常规操作，在分合空母线时，由于触头运动速度慢(1cm/s数量级)，开关本身的灭弧能力差，触头间会发生多次击穿或燃弧，引起的阶跃波(3-20ns)在GIS中传播并折反射造成快速暂态过电压（VeryFastTransientOvervoltage)。幅值<2p.u.，也可超过2.5p.u.陡度电压上升时间3-20ns频率数十至数百赫兹基本振荡数十兆赫兹的高频振荡数百兆赫兹的特高频振荡-43-§5.GIS中快速暂态过电压(VFTO)快速暂态过-44-§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)快速暂态过电压-44-§5.GIS中快速暂态过电压(VFTO)快速暂态过-45-影响因素①残余电荷当DS开断带电的GIS母线时，母线上可能存在的残余电荷会影响到VFTO的幅值。电源侧、母线侧以及支撑绝缘子上的过电压幅值与残余电荷近似呈线性关系。一般地，不同残余电荷(x1，x2)与所对应的电压幅值(V1，V2)之间具有下列关系(均以标么值表示):在不同残余电荷下，同一节点的过电压波形相同，但幅值不同；VFTO幅值较大的节点和操作支路上受残余电荷的影响大于GIS内其余节点。残余电荷电压与负载侧电容电流大小、开关速度、重燃时刻及母线上的泄漏有关。其中，电容电流影响最大。开断前电容电流越大，母线上储存的电荷越多，残余电荷电压就越高。§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)-45-影响因素§5.GIS中快速暂态过电压(VFTO)-46-影响因素②变压器入口电容CT在分析变电所的防雷保护时，因雷电波作用时间很短，可以忽略变压器绕组中的电感电流，将变压器用归算至首端的对地电容来代替，通常称为入口电容。GIS中的VFTO频率很高，用CT等效变压器并不失去准确性。变压器的入口电容和它的结构、电压等级、容量有关。一般来说，电压等级越高、变压器额定功率越大，CT也相对越大。VFTO的幅值随入口电容的增加而增加，有计算表明:CT每增加1000pF,VFTO幅值约增加0.2(p.u.)。主要原因是在断口电弧重燃前，变压器的等值电容储存了一定的能量，触头击穿后的放电所致。CT越大储存的能量越多，VFTO的幅值自然越大，但进一步研究表明：随着CT的增加，VF'TO的幅值不一定始终增加，这决定于GIS的结构，特别是所操作母线的尺寸，以及操作的方式。§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)-46-影响因素§5.GIS中快速暂态过电压(VFTO)-47-§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)影响因素③电压的上升时间Tr

GIS中冲击电压的上升时间Tr在3-20ns之间，Tr增加使VFTO幅值下降，因为此时会表现出一种阻尼作用，使那些Tr

较小时出现的暂态电压的极高频分量消失。④GIS的支路长度GIS支路的长度对VFTO幅值的影响没有明显的规律。⑤开关弧道电阻Rarc的影响开关弧道电阻Rarc对过电压有阻尼作用，其值越大，过电压幅值越小。因此，可以考虑在隔离开关上串联一电阻降低过电压幅值。⑥其他因素GIS的布置，内部结构，接线方式及外部设备等。-47-§5.GIS中快速暂态过电压(VFTO)影响因素-48-当母线上流过频率很高的VFTO波时，由于集肤效应，VFTO波仅沿母线的外表层及外壳的内表层流动，外壳电位为0。当VFTO波到达套管处时会发生折反射，如图（b）所示，便是VFTO到达A点后电流的流通路径示意图，其等值电路图如图（c）所示。根据该等值电路可计算出外壳上A点处的电压U3为：§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)VFTO的危害暂态地电位升高-48-当母线上流过频率很高的VFTO波时，由于集肤效应，V-49-VFTO的危害对二次设备的影响VFTO可以通过电压互感器、电流互感器内部的杂散电容传入与其相连的二次电缆，也可通过接地网和电缆的屏蔽层耦合到二次设备，从而影响到二次设备的正常运行。对变压器的影响VFTO可能危及到与GIS相连的变压器的安全，事实上，我国已经发生过由于VFTO导致变压器损坏的事例(大亚湾，1992年)。VFTO在变压器处可达0.49MV/μs,其危害比截波更严重；VFTO所含有的谐波分量会在变压器绕组的局部引起共振。§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)-49-VFTO的危害§5.GIS中快速暂态过电压(VFT-50-§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)VFTO的防护快速动作隔离开关合闸电阻铁氧体磁环改变操作程序和简化接线其他措施-50-§5.GIS中快速暂态过电压(VFTO)VFTO的-51-建立元件模型，对各种运行方式分别进行计算。§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)-51-建立元件模型，对各种运行方式分别进行计算。§5.G-52-幅值：2.189p.u.频谱：50kHz左右，基频分量0.1-1.5MHz，特快瞬变过程频率2MHz,特高频分量§5.

GIS中快速暂态过电压(VFTO)-52-幅值：2.189p.u.§5.GIS中快速暂态过-53-8.2.2.谐振过电压原因电力系统中存在着大量的“储能元件”，包括储静电能量的电容和储磁能的电感。这些元件组成了各种不同的振荡回路，在正常运行时，这些振荡回路被负载所阻尼，一般不会产生严重的振荡。但在发生故障时，系统接线方式和参数发生改变，就有可能发生谐振。危害常常引起严重的、持续时间很长的过电压；有时即使过电压不太高，也会出现一些异常现象，使系统无法正常运行。类型：线性谐振参数谐振铁磁谐振（非线性谐振）-53-8.2.2.谐振过电压原因-54-8.2.2.谐振过电压1、线性谐振谐振回路由不带铁心的电感元件（输电线路的电感、变压器的漏感）或励磁特性接近线性的带铁心的电感元件（消弧线圈，其铁心中含有空气隙）和系统中的电容元件所组成。电感和电容参数均为常数，在交流电源的作用下，等效回路的自振频率等于或接近电源频率时形成的谐振现象。-54-8.2.2.谐振过电压1、线性谐振-55-8.2.2.谐振过电压1、线性谐振实际电力系统中，往往可以在设计或运行时避开这种谐振，因此完全满足线性谐振的机会是极少的。但是，即使在接近谐振条件下，往往也会产生很高的过电压。线性谐振过电压幅值受到回路中损耗（电阻）的限制；同时，在有些情况下，由于谐振时电流的急剧增加，回路中的铁磁元件趋向饱和，使系统自动偏离谐振状态而限制其过电压幅值。-55-8.2.2.谐振过电压1、线性谐振-56-8.2.2.谐振过电压1、线性谐振不同参数条件下的谐振

-56-8.2.2.谐振过电压1、线性谐振不同参数条件下的-57-8.2.2.谐振过电压2、参数谐振系统中某些电感元件的电感参数在某种情况下会发生周期性的变化。电感元件的电感参数周期性变化的典型：发电机当发电机带有电容性负载，如一段空载线路，在某种参数搭配下，就有可能产生参数谐振现象。有时将这种现象称作发电机的自励磁或自激。发电机投入电网运行前，设计部门要进行自激的校核，一般正常情况下，参数谐振是不会发生的。-57-8.2.2.谐振过电压2、参数谐振电感元件的电感参-58-8.2.2.谐振过电压3、铁磁谐振电力系统中发生铁磁谐振的机会是相当多的。国内外运行经验表明，它是电力系统某些严重事故的直接原因。电路中带有铁芯的电感元件（空载变压器、电压互感器），会产生饱和现象，其电感不再是常数，而是随着电流或磁通的变化而变化。这种含有非线性电感元件的电路，在满足一定条件时，会发生铁磁谐振。铁心元件的非线性特性-58-8.2.2.谐振过电压3、铁磁谐振铁心元件的非线性-59-8.2.2.谐振过电压3、铁磁谐振电感L为非线性电感，要精确求解该电路，必须解非线性微分方程-59-8.2.2.谐振过电压3、铁磁谐振电感L为非线性电-60-8.2.2.谐振过电压

由线性电容和铁芯电感组成的串联铁磁谐振回路，其电感和电容上的电压随电流变化的曲线如图。由于电容C为常数，UC(I)＝I/ωC是一条直线。由于铁芯的饱和程度会随着电流的增大而增大，电感L会随着电流的增大而逐渐减小，因此回路中电感的伏安特性，即UL(I)＝ωLI是非线性的。

在两者的交点b处，UC=UL，即满足谐振条件ωL=1/（ωC）

-60-8.2.2.谐振过电压由线性电容和铁芯电感组成的-61-8.2.2.谐振过电压铁磁谐振具有以下特点：由于电感的伏安特性是逐渐趋于饱和的，所以只要在电压不高、电流不大时，回路呈现感性，也就是说铁芯尚未饱和时的电感值L0满足：UL＞UC，即：

ωL0>1/（ωC）或C＞1/（ω2L0）在此条件下，两条曲线必有交点b

即电容C值在满足上式条件的很大范围内都有可能发生铁磁谐振不论什么原因使铁芯达到饱和，都可能引起过电压。但是需要激发才会出现谐振。如变压器（具有铁心的电感线圈）突然合闸时出现的励磁涌流就会使铁心强烈饱和而激发铁磁谐振过电压。C值太大时，出现铁磁谐振的可能性将减小。C值越大，1/（ωC）就越小，曲线1的α角变小-61-8.2.2.谐振过电压铁磁谐振具有以下特点：不论什-62-8.2.2.谐振过电压铁磁谐振具有以下特点：在铁磁谐振时，L和C上的电压都不会象线性谐振时那样趋于无限大，而是有一定的数值。UL由铁心的饱和程度决定。铁磁谐振的产生虽需由电源电压来激发，但当激发过去后，铁磁谐振过电压仍可能继续存在，即谐振状态可能自保持。产生铁磁谐振时，电流相角将有180o转变，这叫作电流的“翻相”。在交流电路中即使只有一个非线性电感L单独存在，电流波形也会发生畸变。现有L与C串联，问题就更加复杂。一般来说，非线性振荡电路中的电流波形除了工频分量（基波）外，还有高次谐波，甚至可能有分次谐波（例如1/2次，1/3次等）。-62-8.2.2.谐振过电压铁磁谐振具有以下特点：铁磁谐-63-8.2.2.谐振过电压限制和消除铁磁谐振过电压的主要措施：（1）改善电磁式电压互感器的励磁特性，或改用电容式电压互感器；（2）在电压互感器开口三角形绕组中接入阻尼电阻，或在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻；人为地增大电阻R。（3）在有些情况下，可在10kV及以下的母线上装设一组三相对地电容器，或用电缆段代替架空载线路段，以增大对地电容，从参数搭配上避开谐振；（4）在特殊情况下，可将系统中性点临时经电阻接地或直接接地，或投入消弧线圈，也可以按事先规定投入某些线路或设备以改变电路参数，消除谐振过电压。-63-8.2.2.谐振过电压限制和消除铁磁谐振过电压的主-64-4、电力系统中常见谐振过电压及其防治1．断线谐振过电压

在电力系统运行中，常会出现导线断落、断路器非全相动作或严重的不同期操作、熔断器的一相或两相熔断等故障，造成系统的非全相运行。非全相运行时，可能组成多种多样的串联谐振回路（空载或轻载运行的变压器的励磁电感，导线对地和相间部分电容、电感线圈对地杂散电容）。在一定的参数配合和激发条件下，可能出现铁磁谐振过电压。这类铁磁谐振过电压统称断线谐振过电压。限制断线过电压的措施有：(1)不采用熔断器，减少三相断路器的不同期操作，尽量使三相同期；(2)在中性点接地的系统中，操作中性点不接地的变压器时，将变压器的中性点临时接地。8.2.2.谐振过电压-64-4、电力系统中常见谐振过电压及其防治8.2.2.谐-65-2．中性点不接地系统中电压互感器饱和过电压

正常工作时电压互感器接近于空载状态，呈现为一个很大的励磁电感，当回路受到激发（电压和电流的突然增大）后，励磁电感会因饱和而突然减小，从而引起过电压。

在中性点不接地的电网中，当电源对只带电压互感器的空母线突然合闸或一相导线突然对地发弧时，电压互感器都会出现涌流。理论分析和实验结果都表明：由于此时电压互感器上的交流电压突变引起的涌流都会使电压互感器的励磁电感大为减小，引起电压互感器饱和过电压。当电源向只带有电压互感器的空母线合闸时，容易产生基波（工频）过电压；当电网带有线路运行时，如果电压互感器的励磁特性不好，在线路一相接地又自动熄弧时，容易产生1/2次谐波过电压。

将电网中性点改为经消弧线圈（电抗器）接地或直接接地，就破坏了谐振回路的形成，并且相对地稳定了中性点的电位，因此就不太可能出现电压互感器饱和过电压。8.2.2.谐振过电压-65-2．中性点不接地系统中电压互感器饱和过电压8.2.2-66-选用以下措施消除电压互感器饱和过电压：选用励磁特性较好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互感器；在零序回路中接入阻尼电阻；在个别情况下，可在10kV及以下的母线上装设一组三相对地电容器，或利用电缆段代替架空载线路段，减小对地容抗，有利于避免谐振；特殊情况下，可将电网中性点改为暂时经电阻接地或直接接地，也可以采用临时的倒闸措施来改变电路参数，以消除谐振过电压；禁止只使用一相或两相电压互感器接在相线与地线间，以保证三相对地阻抗的对称性，避免中性点位移或产生谐振。8.2.2.谐振过电压-66-选用以下措施消除电压互感器饱和过电压：8.2.2.-67-3．中性点接地系统中电压互感器饱和过电压

在110kV、220kV中性点接地系统中，电压互感器饱和过电压出现在用断口间具有并联电容的断路器切空载线路时。当C值小时，谐振往往属于基波性质，测量到的过电压为额定相电压的1.65～3倍；当C值大时，谐振具有分频性质（主要是1/3次），过电压幅值不高，但因频率和相应的励磁感抗均下降到工频时的1/3，励磁电流往往很大，测到的最大励磁电流可达额定励磁电流的80倍，这会使电压互感器过热烧毁，甚至喷油爆炸。4．传递过电压

当系统中发生不对称接地故障或断路器不同期操作时，可能出现明显的零序工频电压分量，通过静电和电磁耦合在相邻输电线路之间或变压器绕组之间会产生工频电压传递现象，从而危及低压侧电气设备绝缘的安全；

若与接在电源中性点的消弧线圈或电压互感器等铁磁元件组成谐振回路，还可能产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压。8.2.2.谐振过电压-67-3．中性点接地系统中电压互感器饱和过电压8.2.2.-68-（1）工频谐振过电压（2）高频谐振过电压（3）分频谐振过电压5．超高压系统中的谐振过电压

超高压系统电压高、传输距离长，往往装有串联、并联补偿装置，这些集中的电容、电感元件使网络增加了谐振的可能性。主要有非全相切合并联电抗器时的工频传递谐振，串、并联补偿网络的分频谐振以及空载线路合闸于发电机变压器单元接线时引起的高频谐振等。8.2.2.谐振过电压-68-（1）工频谐振过电压5．超高压系统中的谐振过电压8-69-8.2.3工频电压升高电力系统中在正常或故障时可能出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高，统称工频电压升高，或称为工频过电压。工频电压升高本身对系统中正常绝缘的电器设备一般是没有危险的，但是在超高压系统的绝缘配合中具有重要作用，因为：

①其大小将直接影响操作过电压的幅值； ②其数值是决定避雷器额定电压的重要依据； ③持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安全运行。通常，合闸后0.1s时间内出现的电压升高叫作操作过电压；0.1s至1s时间内，由于发电机自动电压调整器的惰性，发电机电势E′尚保持不变，在E′的基础上再加上空载线路的电容效应所引起的工频电压升高，总称暂态工频电压升高；时间再长，发电机自动电压调整器发生作用，母线电压逐渐下降，在2～3s以后，系统进入稳定状态，这时的工频电压升高为稳态工频电压升高。-69-8.2.3工频电压升高电力系统中在正常或故障时可能-70-一、空载长线路电容效应引起的工频电压升高

对于一般电压等级的输电线路，传输距离不太长时，可以用集中参数T型或Π型等值电路表示。当线路空载时，该等值电路就构成了一个R、L、C回路。若其参数R<<1/(ωC)、ωL，且有1/(ωC)>ωL，当有正弦交流电流流过时，由于电感与电容上的压降UL、UC反相，且其有效值UC>UL，于是电容上的压降大于电源的电势。这就是集中参数电路中的电感－电容效应，简称电容效应。

对于超高压空载长线路。研究这种空载长线路电容效应引起的工频电压升高时，就需要采用分布参数模型。对于分布参数电路，当末端空载时，一定条件下，首端的输入阻抗为容性，计及电源内阻抗的影响（感性）时，由于电容效应不仅使线路末端电压高于首端，而且使线路首、末端电压高于电源电势。这就是系统中的空载长线路的工频电压升高。

为了限制空载长线路的工频电压升高，通常采用并联电抗器来补偿线路电容电流以削弱电容效应，其效果十分显著。8.2.3工频电压升高-70-一、空载长线路电容效应引起的工频电压升高-71-不对称短路是输电线路最常见的故障形式，当发生单相或两相接地短路时，短路电流的零序分量会使健全相出现工频电压升高，常称为不对称效应，以不对称效应系数或接地系数表示由此而产生的工频电压升高的程度。二、不对称短路引起的工频电压升高8.2.3工频电压升高接地系数的大小与零序阻抗关系极大。右图给出了单相接地短路时健全相的工频电压升高与X0/X1的关系曲线。

单相接地时健全相的电压升高

-71-不对称短路是输电线路最常见的故障形式，当发生单相或两系统的正序电抗X1包括发电机的次暂态同步电抗、变压器漏抗及线路感抗等，一般是感性的，而系统的零序电抗X0则因系统中性点接地方式的不同而有较大的差别：单相接地时健全相的电压升高

对中性点不接地系统，X0取决于线路容抗，X0/X1∈(-∞～-20)，为负值。单相接地时健全相的工频电压升高可达1.1倍额定电压。采用110％避雷器；对中性点经消弧线圈接地35～60kV系统，按补偿度可以分为两种情况。欠补偿方式时，|X0/X1|→-∞；过补偿方式时，|X0/X1|→+∞。单相接地故障时，健全相电压接近等于额定电压。采用100％避雷器；对中性点有效接地的110～220kV系统，X0为不大的正值，其X0/X1≤3。单相接地故障时，健全相的工频电压升高为0.8倍额定电压U。采用80％避雷器；对330kV及以上系统，输送距离较长，计及长线路的电容效应时，线路末端工频电压升高可能超过系统最高电压的80％。分别采用80％避雷器(电站型)和90％避雷器(线路型)。8.2.3工频电压升高-72-系统的正序电抗X1包括发电机的次暂态同步电抗、变压器漏抗及线-73-三、甩负荷引起的工频电压升高

当输电线路重负荷运行时，由于某种原因（例如发生短路故障）线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，是造成工频电压升高的另一重要原因，通常称作甩负荷效应。

这种情况下，影响工频电压升高的因素主要有：①断路器跳闸前输送负荷的大小；②空载长线路的电容效应；③发电机励磁系统及电压调节器的特性，原动机调速器及制动设备的惰性，等等。

在发电机突然失去部分或全部负荷时，通过励磁绕组的磁通因须遵循磁链守恒原则而不会突变，与其对应的电源电势E'

维持原来的数值。原先负荷的电感电流对发电机主磁通的去磁效应突然消失，而空载线路的电容电流对主磁通起助磁作用，使E'反而增大，要等到自动电压调节器开始发挥作用时，才逐步下降。另一方面，发电机突然甩掉一部分有功负荷后，由于调速器和制动设备的惰性，不能立即起到应有的调速效果，导致发电机加速旋转（飞逸现象）、频率上升，不但发电机的电势随转速的增大而升高，而且还会加剧线路的电容效应，从而使空载线路中的工频电压升高更为严重。待自动电压调整器起作用后E'

将降低，一般这个过程可持续几秒钟之久。

措施：并联电抗器或静止补偿装置。8.2.3工频电压升高-73-三、甩负荷引起的工频电压升高8.2.3工频电压升高-74-8.3电力系统防雷保护8.3.1.雷电放电的发展过程8.3.2.雷电参数8.3.3.避雷针和避雷线8.3.4.避雷器8.3.5.防雷接地-74-8.3电力系统防雷保护8.3.1.雷电放电的发展-75-§1.雷电放电的发展过程雷电过电压通常将雷电引起的电力系统过电压，称为大气过电压或者雷电过电压。分类感应雷过电压感应雷过电压是由于电磁场的剧烈变化，电磁耦合而产生的直击雷过电压（电力系统防雷重点）直击雷过电压则是由于流经被击物的很大的雷电流所造成的危害输电线路在我国高压输电线路运行的总跳闸事故中，由雷击引起的跳闸事故占40％～70％。发电厂和变电站直击雷或侵入波可能造成发电厂或变电所内重要设备损坏感应雷过电压一般不会超过500kV，故对35kV及以下电压等级的绝缘是有危险的，而对110kV以上的设备，绝缘最小冲击耐压水平通常已高于此值，一般不会产生危害。-75-§1.雷电放电的发展过程雷电过电压感应雷过电压一般-76-云的形成雷云带电强气流使云中水滴吹裂时，较大的水滴带正电，而较小的水滴带负电，小水滴同时被气流携走，于是云的各个部分有不同的电荷。水灾结冰时，冰粒上会带正电，被风吹走的剩余的水将带负电。带电过程也可能和他们吸收离子、相互撞击或融合的过程有关。§1.雷电放电的发展过程水蒸汽水太阳水滴或冰晶（热雷云）上升冷却-76-云的形成§1.雷电放电的发展过程水蒸汽水太阳水滴或-77-雷云带电在5～12km高度的雷云主要是带正电荷，在1～5km高度的雷云主要是负电荷。当云中电荷密集中心的场强达到25～30kV/cm时，就可能引发雷电放电。雷云放电主要是在云间或云内进行，只有小部分是对地发生的，而且往往对地放电危害最大。75～90％左右的雷电流是负极性的。§1.雷电放电的发展过程

根据云－地之间线状雷电的光学照片，一般一次雷击包括先导、主放电和余辉三个阶段。

-77-雷云带电§1.雷电放电的发展过程根据云－地之-78-1．先导阶段雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展是分级推进的，每一级的长度为25-50m，停歇时间为30-90s，下行的平均速度约为0.1-0.8m/s，此过程称为先导放电过程。2．主放电和迎面流注阶段当雷电先导接近地面时，会从地面较突起的部分发出向上的迎面先导（也称迎面流注），当不同极性的下行先导和迎面先导相遇时，就产生强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪电，出现极大的电流（数十至数百kA），这就是主放电阶段。3．余辉阶段在主放电过程结束后，云中残余电荷经过主放电通道流向大地，这一阶段称为余辉（余光）阶段。§1.雷电放电的发展过程-78-1．先导阶段3．余辉阶段§1.雷电放电的发展过程-79-雷电的能量和功率雷电放电的瞬间功率极大，给人类造成了较大的损害，但能量却很小，无利用价值。以中等雷电为例，雷云电位为50MV计，电荷Q为8C，其能量为：假定放电电流为50kA，弧道压降为6kV/m，雷云以1000m高度计，则主放电功率P可达：§1.雷电放电的发展过程-79-雷电的能量和功率§1.雷电放电的发展过程-80-§2.雷电参数雷电活动强度雷暴日：是每年中有雷电的天数，在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日。雷暴小时：是每年中有雷电的小时数，即在一个小时内只要听到雷声就算作一个雷暴小时。据统计，我国大部分地区一个雷暴日可折合为3个雷暴小时。少雷区15日40日90日多雷区雷电活动特殊强烈地区中雷区-80-§2.雷电参数雷电活动强度少雷区15日40日90日-81-全国53年（1954-2006）平均雷暴日数分布图§2.雷电参数-81-全国53年（1954-2006）平均雷暴日数分布图§-82-§2.雷电参数落雷密度每一个雷暴日、每平方公里对地面落雷次数γ称为地面落雷密度。我国有关规程建议取γ=0.015。但在土壤电阻率突变地带的低电阻率地区，易形成雷云的向阳或迎风的山坡，雷云经常经过的峡谷，这些地区γ

值比一般地区大得多，在选择发、变电站位置时应尽量避开这些地区。雷电流的极性负极性雷占绝大多数，约占75~90%。防雷计算一般按负极性考虑。-82-§2.雷电参数落雷密度雷电流的极性-83-雷电流幅值雷击具有一定参数的物体（如后面将介绍的避雷针、线路杆塔、地线或导线）时，流过被击物的电流与被击物之波阻抗（Zj）有关，Zj

愈小，流过被击物电流愈大。当Zj

为零时，流经被击物的电流定义为“雷电流”。实际上被击物阻抗不可能为零。规程规定，雷电流是指雷击于Rj≤30

的低接地电阻物体时，流过该物体的电流。§2.雷电参数雷电流的波头和波长波头：1~5s

，多为2.5~2.6s波长：在20~100s范围，多数为50s左右-83-雷电流幅值§2.雷电参数雷电流的波头和波长-84-雷电流的陡度雷电流的幅值与波头，决定了雷电流的上升陡度，也就是雷电流随时间的变化率。可认为雷电流的陡度与幅值I

有线性的关系。一般认为陡度超过50kA/s

的雷电流出现的概率已经很小。陡度=幅值波头时间§2.雷电参数-84-雷电流的陡度陡度=幅值波头时间§2.雷电参数-85-防雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。最基本的有：

一、避雷针二、避雷线三、避雷器四、防雷接地避雷针和避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，称作直击雷保护；避雷器可以防止沿输电线侵入变电站的雷电过电压波，称作侵入波保护；接地装置的作用是减少避雷针(线)或避雷器与大地(零电位)之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。§3.避雷针和避雷线-85-防雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身-86-

避雷针包括三部分：接闪器(避雷针的针头)、引下线和接地体。避雷针的保护原理是：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部场强集中的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，再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。先导放电朝地面发展到某一高度H后，才会在一定范围内受到避雷针的影响而对避雷针放电。H称为定向高度，与避雷针的高度h有关。根据模拟试验：当h≤30m时，H=20h

当h>30m时，H≈600m

避雷针的保护范围是由模拟试验确定的，只具有相对的意义。我国有关规程所推荐的保护范围是对应0.1％的绕击率而言的。所谓绕击系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。§3.避雷针和避雷线-86-避雷针包括三部分：接闪器(避雷针的针头)、引下线和-87-

单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。式中，h为避雷针的高度；p为高度修正系数，当h≤30m，p＝1；当30＜h≤120m时，

在被保护物高度hx水平面上，其保护半径rx为§3.避雷针和避雷线单根避雷针的保护范围-87-单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间。它的侧

两避雷针外侧的保护范围按单支避雷针的计算方法确定。击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷，可能被相邻避雷针吸引而击于其上，从而使两针间保护范围加大。两避雷针间的保护范围应按通过两避雷针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R0，O点高度h0按下式计算：

h0＝h－D/7p两支等高避雷针的保护范围

§3.避雷针和避雷线两根等高避雷针的保护范围-88-两避雷针外侧的保护范围按单支避雷针的计算方法确定。两支等高-89-两根不等高避雷针的保护范围首先按单个避雷针分别作出其保护范围，然后由低针2的顶点作水平线，与高针1的保护范围边界交于点3，点3即为一假想等高针的顶点，再求出等高避雷针2和3的保护范围。§3.避雷针和避雷线-89-两根不等高避雷针的保护范围§3.避雷针和避雷线-90-单根避雷线的保护范围§3.避雷针和避雷线

避雷线比同高的避雷针引雷空间要小，又考虑到避雷线受风吹而摆动，因此保护宽度也要取得小些，但其保护范围的长度与线路等长，两端还有其保护的半个圆锥体空间-90-单根避雷线的保护范围§3.避雷针和避雷线避雷线比-91-0点的高度h0： 0点高度；h： 避雷线的高度；D： 两根避雷线间的水平距离；Ph： 高度修正系数，含义同前。§3.避雷针和避雷线两条等高避雷线的保护范围两线外侧的保护范围与单线时相同；两线内侧的保护范围的横截面，由通过两线及保护范围上部边缘最低点0的圆弧确定。-91-0点的高度h0： 0点高度；§3.避雷针和避雷-92-§3.避雷针和避雷线保护角用避雷线保护输电线路时，其保护范围用保护角表示更为实用。所谓保护角是指避雷线的铅锤线和避雷线与边导线连线之夹角。保护角越小，对导线直击雷保护越可靠，即雷击导线的概率越小。单根避雷线的保护角一般在20～30o。220～330kV双避雷线线路，一般采用20o左右，500kV一般不大于15o；山区宜采用较小的保护角。-92-§3.避雷针和避雷线保护角单根避雷线的保护角一般在-93-§4.避雷器概念避雷器是防止(雷电和操作)过电压损坏电力设备的保护装置。实质是一个放电器，当雷电入侵波或操作波超过某一电压值后，避雷器将优先于与其并联的被保护电力设备放电，从而限制了过电压，使与其并联的电力设备得到保护。避雷器放电后，工频电流将沿原冲击电流的通道继续流过，此电流称为工频续流。避雷器应能迅速切断续流，才能保证电力系统的安全运行。-93-§4.避雷器概念-94-§4.避雷器对避雷器的基本要求过电压作用时，能先于被保护电力设备放电，限制过电压的幅值；当雷电波或操作波过后，能迅速、可靠地切断工频续流。避雷器的类型保护间隙管式避雷器阀式避雷器-94-§4.避雷器对避雷器的基本要求-95-保护间隙优点结构简单、廉价缺点保护效果差，伏秒特性与被保护设备很难配合；动作后产生的截波对变压器的匝间绝缘有很大的威胁；熄弧效果差，需配以自动重合闸装置才能保证安全供电。1—主间隙；2—辅助间隙§4.避雷器-95-保护间隙1—主间隙；2—辅助间隙§4.避雷器-96-管式避雷器管式避雷器实质是一个熄弧能力较高的保护间隙当雷电波使其内外间隙击穿后，冲击电流即被导入大地。然后，在系统工频电压作用下，流过短路电流。此时，在电弧的高温作用下，产气材料产生大量气体，压弧腔内压力急速升高，高压气体从喷口猛烈喷出，使电弧在经过1-3个周波后，工频电流过零时灭弧，从而解决了保护间隙不能可靠地自动熄弧、使供电中断的缺点。优点比保护间隙灭弧能力强。缺点：伏秒特性太陡；放电分散性大且间隙动作受大气条件的影响。§4.避雷器-96-管式避雷器§4.避雷器-97-§4.避雷器阀式避雷器针对管式避雷器的弱点，在放电间隙上串联(非线性)电阻得到阀式避雷器，从而避免截波的产生，限制工频续流的值-97-§4.避雷器阀式避雷器-98-单个火花间隙为均匀电场，其伏秒特性平坦(冲击系数约等于1.1)，保护性能好。普通阀式避雷器火花间隙阀式避雷器的火花间隙由多个短间隙构成，由于工频电弧被分成很多短弧，易于熄灭(80A)。通常单个间隙的工频放电电压有效值为2.7~3.0kV。在过电压作用时，云母垫圈与电极间的空气隙中发生电晕，如同对间隙照射，缩短了间隙的放电时间。切断比=灭弧电压间隙的工频耐压§4.避雷器-98-单个火花间隙为均匀电场，其伏秒特性平坦(冲击系数约等-99-§4.避雷器普通阀式避雷器在续流第一次经过零值保证不再重燃的条件下，允许作用在避雷器上的最高工频电压称为灭弧电压。避雷器的灭弧电压是由安装点可能出现的工频电压升高值决定的，它必须大于这个升高值。而工频电压升高的幅值与系统中性点的接地情况、系统的接线、系统的运行方式等因素有关。我国有关规程规定，阀式避雷器的灭弧电压，在中性点直接接地的系统中，应取设备最高运行线电压的80%，而在中性点非直接接地系统中，取值不应低于设备最高运行线电压的100%。-99-§4.避雷器普通阀式避雷器-100-普通阀式避雷器采用多个火花间隙串联：电压分布均匀性的问题影响：降低了冲击放电电压(有利)使得避雷器灭弧能力降低，工频放电电压下降且不稳定(不利因素)措施并联电阻以提高间隙在工频电压下电压分布的均匀性，在冲击电压作用下，串联间隙的电压分布主要决定于间隙的电容和各个间隙电极对地的杂散电容，因此电压分布仍然是不均匀的。冲击系数=长时间耐压50%冲击击穿电压对多个间隙的高压避雷器，其冲击系数kch

常小于1。(注意适用范围)§4.避雷器-100-普通阀式避雷器冲击系数=长时间耐压50%冲击击穿-101-普通阀式避雷器非线性电阻材料：电阻片是由金刚砂（SiC）粉末与粘合剂（如水玻璃等）模压成圆饼，在320℃温度下焙烧而成。伏安特性：强非线性伏安特性SiC颗粒电阻率很小，而氧化层电阻率随外加电场强度改变，低场强时非常大而高场时非常小；颗粒间的气隙在高场强下放电§4.避雷器-101-普通阀式避雷器§4.避雷器-102-阀片的伏安特性伏安特性可表示为：Ck：常数；α：非线性系数，0<α<1，其值愈小愈好，一般取α≈0.2。优点：减小了截断波幅值；限制了避雷器在流过大电流时的电压值抑制了续流§4.避雷器非线性电阻片残压：避雷器流过一定幅值(普通阀式避雷器为5kA)、一定波形(8/20μs)的冲击电流时，在阀片电阻上产生的最大压降，称为残压ur

。残压与灭弧电压之比叫做保护比，当然保护比的值越小越好。-102-阀片的伏安特性伏安特性可表示为：Ck：常数；优点：-103-§4.避雷器金属氧化物避雷器（MOA）主要特点：使用伏安特性的非线性非常好的ZnO阀片，无气体间隙。材料：主要成分为氧化锌(ZnO)，另外还有氧化铋(Bi2O3)以及一些其他的金属氧化物，经过煅烧、混料、造粒、成型、表面处理等工艺过程而制成。微观结构：ZnO晶粒，其平均直径约为10μm，电阻率约为1-10Ωcm。氧化铋构成的粒界层(晶间层)，厚约为0.1μm。杂散地分布在粒界层内的尖晶石(Zn7Sb2O11)，其直径约为3μm。一般认为晶粒与粒界层之间存在势垒，造成了ZnO阀片非常好的非线性。-103-§4.避雷器金属氧化物避雷器（MOA）-104-§4.避雷器金属氧化物避雷器（MOA）静态全伏安特性曲线-104-§4.避雷器金属氧化物避雷器（MOA）-105-金属氧化物阀片在正常工作电压下，通过的阻性电流很小，一般约为10-15μA，接近绝缘状态。作用于阀片上的电压升高时，电流加大。把通过阀片的阻性电流为1mA时，作用于避雷器上的电压U1mA

为起始动作电压。由于氧化锌阀片有良好的非线性特性，在通过10kA冲击电流时残压与U1mA

的比值一般不大于1.9，残压比(简称压比)越小，其保护性能越好。§4.避雷器金属氧化物避雷器（MOA）静态全伏安特性曲线-105-金属氧化物阀片在正常工作电压下，通过的阻性电流很小-106-§4.避雷器MOA与SiC电阻片的比较（非线性特性）-106-§4.避雷器MOA与SiC电阻片的比