高压过电压防护

电力系统的过电压及其防护

过电压是怎样形成的？它有哪些危害？一般来说，过电压的产生都是由于电力系统的能量发生瞬间突变所引起的。过电压分为外部过电压和内部过电压。如果是由外部直击雷或雷电感应突然加到系统里所引起的，叫做大气过电压或叫做外部过电压；如果是在系统运行中，由于操作故障或其他原因所引起系统内部电磁能量振荡、积聚和传播，从而产生的过电压，叫做内部过电压。不论是大气过电压还是内部过电压，都是很危险的，均可能使输、配电线路及电气设备的绝缘弱点发生击穿或闪络，从而破坏电力系统的正常运行。电力系统的过电压及其防护

电力系统的过电压：超过正常运行电压并可使电力系统的绝缘或保护设备损坏的危险电压。分为：外部过电压和内部过电压1、外部过电压雷云放电产生的过电压分为:直击雷过电压、感应过电压、侵入波过电压2、内部过电压电力系统内部因操作或发生故障，使系统参数发生变化所引起的过电压，其能量来自系统内部，幅值与最大工作相电压有一定比例关系。分为：工频过电压、操作过电压及谐振过电压18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了“闪电就是电”的本质，而随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。雷电产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是：雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一；产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。电力系统的外部过电压雷云的形成机理有冻结起电、水滴分裂起电理论。大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云下部局部正电荷区。

雷云中的电荷分布雷云的形成先导放电当云团中E>E空=20-30V/cm，空气游离最后成为导电通道。先导放电:分级先导,发展50m左右,间隙30-90us。主放电阶段：先导放电达到地面后开始主放电。主放电电流大约从几十kA至几百kA，速度(7-50)％光速，时间<100us，同时产生闪电、雷鸣。余辉放电:云中残余电荷沿雷电通道继续流向大地，形成余辉放电，电流为1000-10A，时间约30-150ms雷闪放电过程第一次主放电箭状先导第三次主放电

雷电放电的发展过程及雷电流波形雷云放电具有多重性雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电雷电放电是雷云引起的放电现象，其放电过程和长间隙不均匀电场中的放电过程相同。

雷云对地放电大多数情况下都是重复的，每次放电都有先导放电和主放电两个阶段。当先导发展到达地面或其他物体，如输电线、杆塔等时，沿先导发展路径就开始了主放电阶段，这就是通常看见的闪电，也就是雷电放电的简单过程。雷电参数-从雷电过电压计算和防雷设计的角度来看，值得注意的雷电参数有雷暴日及雷暴小时雷电流幅值雷电流的计算波形雷电放电的基本过程

雷电放电的计算模型雷电过电压的形成

电力系统的外部过电压(二)直接雷击过电压雷击于地面上接地良好的物体雷击于导线或档距中央避雷线(三)感应雷击过电压雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝缘的导线上引起感应过电压。感应过电压与直击雷过电压的极性相反。电力系统的外部过电压先导放电阶段,虽然有束缚电荷的存在,但是由于负电荷移动较慢,故线路上产生的电流较小,相应的电压也较小,可忽略。主放电阶段,负电荷迅速被中和,束缚的正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压,而雷电流产生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和就是感应雷击过电压，分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。电力系统的外部过电压

雷击点距导线距离s>65m时，

感应过电压与成正比,与S成反比。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及其以下的线路，一般不会引起闪络事故。外部过电压及防雷防护

电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等各个环节。线路过电压包括直击雷过电压和感应雷过电压。

耐雷水平：在绕击或反击过电压作用下,引起线路缘子链发生50％闪络概率的雷电流幅值。

雷击跳闸率：在40个雷暴日情况下，每100km线路每年因雷击引起的线路跳闸次数。输电线路防雷性能用耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。架空输电线路防雷保护1、采用中性点不接地方式:杆塔自然接地（自动重合闸）2、雷电活动强烈地区,绝缘子可提高一级电压等级.3、高土壤地区，除自然接地外，可适当增加人工接地体。35-60KV线路的防雷保护不沿全线架设避雷线1、采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式2、装设自动重合闸

3-10KV线路的防雷保护

线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电所的雷害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变电设备得内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防雷保护与输电线路相比，要求更严格、措施更严密、可靠。变电所中出现的雷电过电压的两个来源：

1)雷电直击变电所；

2)沿输电线入侵的雷电过电压波。发电厂及变电所的防雷保护湖北省电力公司生产技能培训中心

阀式避雷器保护作用的分析

装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施,它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需要有“进线段保护”与之配合。阀式避雷器的保护作用基于三个前提：1)它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合2)它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度 3)被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。阀式避雷器是用来保护发、变电设备的主要元件。在有较高幅值的雷电波侵入被保护装置时，避雷器中的间隙首先放电，限制了电气设备上的过电压幅值。在泄放雷电流的过程中，由于碳化硅阀片的非线性电阻值大大减小，又使避雷器上的残压限制在设备绝缘水平下。雷电波过后，放电间隙恢复碳化硅阀片非线性电阻值又大大增加，自动地将工频电流切断，保护了电气设备。

问题：阀式避雷器保护作用和原理是什么？

临近变电所1-2km一段线路上加强防雷保护的措施，提高线路的耐雷水平，减少进线段内绕击和反击的概率。进线段的作用：1）雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流过避雷器的冲击电流幅值不超过5kA,陡度不超过允许值.架设方式：对那些未沿全线架设避雷线的35kV及以下的线路来说,首先在靠近变电所(1-2km)的线段上加装避雷线,使之成为进线段;对于全线有避雷线的110km及以上的线路,将靠近变电所的一段长2km的线路划为进线段。在进线段上,加强防雷措施、提高耐雷水平。

变电所的进线段保护

电力系统防雷保护由1-2km避雷线和避雷器F1、F2组成。1-2km长度进线段：限制避雷器中雷电流不超过5KA的要求。

F1:一般线路不装，如为木杆或木横担线路才装。

F2：雷雨季节线路断路器或隔离开关可能经常处于断开状态，而线路又带电时，应装设，重雷区也宜装设。图3-5

电力系统内部过电压及其限制

电力系统操作过电压

电力系统工频过电压

电力系统谐振过电压1、定义：在电力系统内部，由于断路器的操作或系统发生故障，使系统参数了发生变化，引起电磁能量的转化或传递，在系统中出现的过电压。2、类型：（1）操作过电压（2）工频电压升高（3）谐振过电压3、特点：（1）过电压的能量来源于电网本身（2）过电压的幅值与电网的工频电压大致有一定的倍数关系，通常以系统的最高运行相电压为基础计算过电压倍数K。（3）过电压持续的时间较长电力系统内部过电压的概念电力系统内部过电压分类图解1、产生：系统中对断路器的操作而带来的过电压。其过电压倍数K的大小和持续时间与电网的结构，断路器的性能，系统的接线方式及运行操作方式有关。K一般为3～42、类型：（1）空载线路合闸过电压（2）切除空载线路过电压（3）切除空载变压器过电压（4）中性点不接地系统中弧光过电压操作过电压的产生及类型1、220KV及以下系统的绝缘水平由雷闪过电压决定操作过电压对设备绝缘的威胁不大，可不采取专门的限制措施2、对于220KV以上的超高压、特高压系统其绝缘水平如果按（3～4）Umph的操作过电压来考虑，其绝缘费用将大幅度增加，因此必须采取措施限制操作过电压在一定水平下。操作过电压对系统的影响1、计划合闸（正常合闸）电源对电容充电的过程无阻尼（忽略R）线路上的电压E——合闸时电源电势瞬时值，是一个随机量，取决于合闸时刻。最严重时刻t=0时,E=Em当

实际上线路有电阻损耗和过电压及产生的电晕损耗，振荡是衰减的合空载线路时的等值电路(a)等值电路；(b)简化后的等值计算电路空载线路合闸过电压电力系统操作过电压自动重合闸线路出现故障时保护跳闸后，经自动重合闸装置进行合闸操作。此时线路上存在残余电压，产生的过电压比计划合闸更严重。考虑最严重的情况：假设合闸时电源电压为+Em，残余电压为-Em

则振荡过程中电容上的最大电压为：Uc=稳态值＋（稳态值－起始值）

=Em＋[Em－（－Em）]=3Em影响过电压的因素合闸相位；残余电荷；断路器合闸的不同期；回路损耗；电容效应限制过电压的措施（1）限制工频电压升高（2）断路器触头并电阻（3）消除线路上的残余电荷（4）装设避雷器1、产生的原因：断路器电弧重燃造成的，特别是油断路器在切断空载小电流时，会发生电弧重燃现象。2、讨论断路器触头两端的恢复电压UAB

第一种:当开关触头间去游离能力强，抗电强度恢复快，则电弧熄灭，不会产生过电压．第二种可能：如果开关性能差，恢复电压UAB比开关触头间的抗电强度恢复得快，则将发生电弧重燃。3、过电压幅值计算：过电压幅值=稳态值＋（稳态值－起始值）

=Em＋[Em－（－Em）]=3Em过电压的大小与电弧重燃的次数成正比。切除空载线路过电压

切空载线路过电压的发展过程

t1一第一次断弧；t2一第一次重燃；t3一第二次断弧；t4一第二次重燃；t5一第三次断弧电力系统操作过电压影响过电压的主要因素（1）断路器的性能（2）电网中性点的运行方式（3）接线方式的影响（4）线路侧电磁式电压互感器过电压的限制措施

选用灭弧能力强的快速断路器

采用带并联电阻的断路器降低触头间的恢复电压、避免重燃。

利用避雷器来保护

ZnO或磁吹避雷器安装在线路首端和末端，能有效地限制这种过电压幅值。

1、产生过电压的原因：开关断开小空载电流的“截流”现象造成的。“截流”是指电流在非自然过零时被强行切断，此时变压器线圈中的磁场能量，将转化为变压器对地电容中的电场能量，从而在变压器绕组上产生过电压。2、过电压的大小及特点（1）

ZT——变压器特性阻抗，可达几万欧。i0

一般只有几安到几十安，切除空载变压器的等效电路则Um可达上百万伏举例：i0=20AZT=50kΩ则Um=20×50=1000KV（2）特点：此过电压由于变压器电感中贮存的能量不大，过电压属于短暂的高频振荡波，对绝缘的影响与雷电波相似，可以用阀型避雷器来保护．幅值高，频率高，但持续时间短，能量小。切除空载变压器过电压断续电弧接地过电压中性点不接地电网中的单相接地电流(电容电流)较大，接地点电弧将不能自熄，而以断续电弧的形式存在，就会产生另一种严重的操作过电压——断续电弧接地过电压.这种过电压的发展过程和幅值大小都与熄弧的时间有关。存在两种熄弧时间：电弧在过渡过程中的高频振荡电流过零时即可熄灭电弧要等到工频电流过零时才能熄灭电力系统操作过电压按工频电流过零时熄弧的理论所作的分析结论是：1）两健全相的最大过电压倍数为3.5；2）故障相上不存在振荡过程,最大过电压倍数=2.0。长期以来大量试验研究表明：故障点电弧在工频电流过零时和高频电流过零时熄灭都是可能的。一般来说，发生在大气中的开放性电弧往往要到工频电流过零时才能熄灭；而在强烈去电离的条件下，电弧往往在高频电流过零时就能熄灭。电弧的燃烧和熄灭会受到发弧部位的周围媒质和大气条件等的影响，具有很强的随机性质，因而它所引起的过电压值具有统计性质。对付这种过电压，最根本的防护办法就是不让断续电弧出现，可以通过改变中性点接地方式来实现。

(一)采用中性点有效接地方式这时单相接地将造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸，切断故障，经过一段短时间歇让故障点电弧熄灭后再自动重合。如能成功，可立即恢复送电；如不能成功，断路器将再次跳闸，不会出现断续电弧现象。(二)采用中性点经消弧线圈接地方式采用中性点有效接地方式虽然能解决断续电弧问题，但每次发生单相接地故障都会引起断路器跳闸，大大降低了供电可靠性。当单相接地流过故障点的电容电流不大时，不能维持断续电弧长期存在，因而可采用中性点不接地的方式；当电网的电容电流Ic达到一定数值时，单相接地点的电弧将难以自熄，需要装设消弧线圈来加以补偿，方能避免断续电弧的出现。

防护措施

1、工频过电压的产生：系统正常运行或故障时产生。2、特点：（1）过电压倍数不大，对正常绝缘的电气设备一般无危险（2）在超高压输电中是确定系统绝缘水平的重要因素

a、工频电压升高将直接影响操作过电压的幅值。

b、工频电压升高是决定保护电器（避雷器）工作条件的重要因素。（3）工频电压升高持续时间长,对设备的绝缘不利。3、形式：（1）空载长线路末端电压升高（2）不对称短路引起的工频电压升高（3）甩负荷引起的工频电压升高电力系统工频过电压1、输电线路的等值电路：2、首端与末端电压之比为：对于无穷大容量的系统可以证明：式中：α—相位常数，α=0.06°/KM

l—线路长度即说明线路末端电压高于首端电压，线路越长，末端电压越高，这种现象是由于电容性充电电流造成的，称为电容效应。空载长线路电容效应引起的电压升高沿线路的工频电压按余弦规律分布

式中：Xs—系统电源的等值阻抗

Z—导线的波阻抗可见，电源容量越小，电抗越大，工频电压升高越严重，即电源电抗的存在相当于使线路变长了。系统电源容量对电容效应的影响1、系统发生单相或两相接地故障时，非故障相（健全相）上工频电压将升高（阀式避雷器的灭弧电压是以此升高值决定）2、分析单相接地（以A相接地为例）：利用对称分量法可以求出：（推导从略）式中：—接地系数零序电抗的大小与系统中性点接地方式有关（1）对于3～10KV系统（中性点绝缘系统）：由线路容抗决定，为负值。则的值比稍大。即：健全相上电压为1.1倍线电压选110%避雷器：如10KV避雷器的灭弧电压为（220KV及以下系统的最高工作电压按1.15Un确定）即选FZ—10/12.7的避雷器（2）对于35～60KV中性点经消弧线圈接地系统为正值，健全相上电压接近线电压选100%避雷器：如35KV避雷器的灭弧电压为1.0X1.15Un=1.15X35=40.25KV即选FZ—35/41避雷器不对称短路引起的工频电压升高电力系统工频过电压（3）110～220KV为中性点直接接地系统一般健全相上电压不大于1.4倍相电压。约80%线电压。（4）330KV及以上超高压系统系统中全部变压器中性点接地，健全相电压升高为0.75倍线电压以下。考虑电容效应：线路首端选80%避雷器，末端选90%避雷器甩负荷引起的工频电压升高当发电机突然甩负荷时，将造成线路工频电压升高此种过电压的计算较复杂，在此只引出一些结论性概念运行经验表明：220KV及以下电网一般不需要采取特殊措施限制；

220KV及以上需要采取限制措施。工频电压升高的限制措施1、利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应。2、利用静止补偿器调节系统无功，控制系统电压。3、采用降低输电线路零序阻抗的方法电力系统谐振过电压一、产生谐振过电压的原因由于系统中存在着大量的电容电感元件，在系统进行操作或发生故障时，这些电容电感元件可能形成各种不同自振频率的振荡回路，在外电源的作用下发生谐振现象，造成某些元件上出现谐振过电压。二、谐振过电压的特点谐振过电压是一种稳态现象，存在的时间较长,对电气设备绝缘的危害大。三、谐振的类型由于系统中的电阻电容元件可以认为是线性的，而电感则可能是线性的、非线性的或作周期性变化的，按电感的类型不同，谐振分为1、线性谐振2、参数谐振3、铁磁谐振四、线性谐振过电压1、L和C为常数2、交流电源的频率等于自振频率，ω＝ω。，则感抗等于容抗（ＸＬ＝ＸＣ），电路阻抗达到最小，电流很大，在Ｌ和Ｃ上出现过电压。电力系统谐振过电压串联谐振

谐振的条件如图串联电路中，电路的阻抗为发生串联谐振时阻抗的虚部为零，即或谐谐振角频率和谐振频率（固有频率）分别为结论：谐振频率由电路结构参数决定。串联电路的谐振频率由C、L决定，与R无关。

1.谐振时电路的特点阻抗为最小值(Z=R)，电流为最大值(I=U/R)

2.特性阻抗ρ和品质因数Q品质因数Q的定义：为了维持谐振电路中的电磁振荡，激励源必须不断供给能量以补偿电路中电阻损耗的能量。与谐振电路所储存电磁场总能量相比，每振荡一次电路消耗能量愈减