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1、第七章 发电厂的过电压保护和接地装置,关于雷电的描述，直到二百多年前，一般还只有在诗文中能够读到，而且停留在神话解释。由于实验科学的出现，使人们对闪电的认识进入到自然科学领域。实验证明，雷电显示了与静电相类似的特性。与此同时，关于雷电对人和动物的各种效应，也进行了研究。早期研究工作的记载是引人入胜的，其意义并不仅仅在于“历史”价值，而是在于许多重要的原理得到验证。这些原理也正是我们今日理解雷电对人体效应的依据。,1752年6月的一个下午，美国费城的上空乌云翻滚，不时闪烁着青白色的电光，一场大雷雨即将来临。富兰克林和他的儿子一起乘着风势，将一只顶端绑着金属丝、金属丝连着细绳、细绳连着绸带、绸带和
2、绳子之间挂有一把钥匙的风筝放上了天。然后，他俩躲在草棚的屋檐下，手中紧握着没有被雨水淋湿的绸带，观察着风筝的动静。突然，一道闪电掠过，只见风筝引绳上的金属丝一下子竖了起来，这说明雷电已通过风筝和引绳传了下来。富兰克林于是用手去碰那钥匙，“哧”的一声，一个电火花在手指与钥匙之间闪过，同时他的手指感到了一阵刺痛。富兰克林顾不得疼痛，赶紧叫儿子拿来莱顿瓶（一种旧式电容器），并迅速把引绳上的钥匙和莱顿瓶连接起来，顿时，莱顿瓶火花四射，说明莱顿瓶充电了。,7-1 过电压保护概述 外部过电压：由雷电活动所引起的过电压。又称为大气过电压。内部过电压：由开关操作和系统故障而引起的过电压。又称为操作过电压。一、
3、外部过电压,雷电放电：是指雷云与大地、雷云与雷云、雷云内部发生的一种内部发生的一种气体放电现象。一次雷击过程时间虽然很短，但由于雷云的电压极高和雷电流极大，其热效应和电磁效应会使雷击通道中的建筑物和设备遭到破坏,人畜伤亡。,雷电流：指雷击低接地电阻被击物时流过被击物的电流。特性一般用峰值、陡度和波头波形描述。,我国一般雷电活动地区雷电流峰值概率,公式的含义：雷电流峰值等于或超过50kA出现的概率是33%。雷电流幅值超过108kA出现的概率是10%。我国西北、内蒙古等地区，雷电活动较弱，雷电流幅值较低，雷电流幅值概率分布,雷电危害：70年代广东从化知青农场一次雷击当场击死15人；1981年日本“
4、马特”导弹发射后遇到落地雷，导弹坠毁，操作人员也受雷击倒毙；1991年8月11日广州白云山神山镇4名农妇在屋檐下避雨遭雷击，二死二伤；1992年澳大利亚墨尔本市的一家化工厂因雷击而爆炸，导致毒气泄漏；我国鄂伦春林区火灾有半数以上是由雷击引起；我国每年因雷害伤亡人数大约在10000人左右。,1、直击雷,雷云向发电厂电气设备和建筑物直接放电称直击雷。瞬时电流高达几万安培，我国测得的最大雷电流幅值为300kA。除电效应外，还有热效应，导致火灾，熔化物体等。,2000年6月17中午，上海市郊一村民顾某和妻子在水稻田在插秧时遭雷击，顾某当场身亡，距其34米处的妻子双脚有发麻的感觉，据对雷击现场观察，雷击
5、点四周空旷，在周围150200米范围内无任何建筑物和高大的物体。另据死者妻子讲述，雷击发生时在死者身上有一团火光出现，除衣服湿透外,其他雷击痕迹不明显。,电花图没有任何迷信色彩，其原因是雷电流通过人体向大地泄放时，在人体表面发生了沿面放电而使人体上留下电花图。当身体和衣服之间发生闪络时，雷电流使皮肤上的水分和汗液变为蒸汽，如果衣服穿得紧，蒸汽的压力会把衣服撕破。雷直击人是危险的，但不一定致命，应救治受伤者。,2、感应雷,由于电磁感应形成的电压升高。放电前，地面金属物感应出大量异号电荷，放电后，感生的电荷来不及立即消失，产生高电压,会对周围放电而出现雷击现象。,感应雷幅值一般不超过500kV，对
6、110kV及以上的线路不能构成威胁。是造成低压电器设备损坏的主要雷害之一。,1997年一次闪电，雷电过电压波通过电话线引入广西大学网络中心机房，致使Modem和拨号服务器损坏。,3、雷电侵入波,当输电线路遭到直击雷或感应雷时，泄到输电线上的雷电荷将沿输电线两侧向发电厂或变电所流动，形成雷电侵入波，其所产生的高电压叫做侵入波过电压，有时高达三四十万伏，会造成发电厂电气设备绝缘的破坏。,二、内部过电压,由于操作和故障引起电网电压升高，属于内部过电压。,1、工频过电压,电路中存在电阻、电感和电容。用断路器进行操作时，在达到新稳定运行前有一过渡过程，会产生振荡过电压。,发电机突然甩负荷，电力系统中发生
7、故障等都可能引起短时超过正常工作电压的电压升高。,2、操作过电压,3、谐振过电压,系统中由电感、电容元件构成一系列不同自振频率的振荡回路。当开关操作或发生故障时，某些振荡回路与电源产生谐振现象，导致某些部分或元件上出现严重的谐振过电压。根据谐振元件的性质不同，可分为线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。,三、防止过电压危害的措施 当过电压使设备绝缘击穿，由于设备本身有工频交流电，当绝缘击穿后，工频交流电将流过其击穿通道(称为工频续流)，从而造成短路事故。1、对直击雷的防护措施 通常采用避雷针、避雷线进行保护。2、对感应雷的防护措施(1)较低电压等级的电气设备及母线，因其绝缘水平较低，不可太靠近容易引雷
8、的物体，以免发生“反击”。(2)采用避雷器泄放感应过电压。,两个妇女正在一棵高大的云杉树下避雨，闪电突然击中了那棵大树，当时一个人是背靠树站着，她的衣服并未损坏，但在头右边有4厘米4厘米一块头发被烧焦了，变成了灰色。在这块皮肤中有像擦伤的痕迹。在树干上树皮被烧坏很长的一条，长度是从树顶开始一直到离地约158厘米的地方，正与死者身高相同。另一个妇女当时正用右手扶着那棵树，她仅失去知觉十到十五分钟，她的下肢有两三个小时不会动而且没有知觉，她的身体以及脚上有烧伤，经过治疗，两天以后就出院了。,由于人与雷电流泄放通道之间的电位差较高，引起气隙击穿，反击到人体造成的。,真的不要在树下避雨！,3、对雷电侵
9、入波的防护措施,4、对内部过电压的防护措施 采用灭弧性能良好的断路器、并联电抗器、保护间隙、采用磁吹避雷器以及合理的运行操作方式等。,安装避雷器。采取进线段保护,有利于减少雷电侵入波的危害。,FV作用：保护全所设备避雷线作用：在进线段内不发生绕击，雷击于进线段以外的导线上时，导线自身电阻将消耗入侵波能量，来限制入侵波幅值。FT1：限流。FT2：保护开关。,7-2 避雷针和避雷线,一、避雷针 200多年前，富兰克林通过观察发现旷野中的孤树常遭到雷击，而树下的低矮植物却能幸免于难，于是，他设想如果在地球的表面立起一个足够高的针体的话，地球上的万物就会得到保护。于是，他发明了避雷针。富兰克林避雷针要
10、求要有足够的高度、要是尖体、但不要求接地电阻的大小。后来罗蒙诺索夫提出新型的避雷针，要求要有足够的高度、要有足够小的接地电阻、但不要求是尖体。我国国家标准中推行的避雷针是罗蒙诺索夫避雷针。避雷针的工作原理：歪变了空间电场、引雷于自身、使周围的物体得到保护。避雷针的实质是引雷装置！,避雷针组成:接闪器：避雷针最上端12m长的一段,一般由直径不小于12mm的圆钢或直径不小于20mm的焊接钢管制成。接地引下线：连接接闪器和接地装置的一段导体，采用直径不小于8mm的圆钢或截面积不小于48mm2、厚度不小于4mm的扁钢制作。接地装置：接地体和接地线的总和，是为了降低接地电阻而完成的接地整体。垂直接地体：
11、采用长度为2.5m的角钢、钢管或圆钢，埋地深度不小于0.5m，两垂直接地体之间不小于5m；水平接地体：采用扁钢或圆钢用于连接垂直接地体，采用扁钢时截面积不小于100mm2、厚度不小于4mm，采用圆钢时截面积不小于100mm2。,1.5h,h,h/2,ha,hx,45,rx,实践证明：如果被保护物完全处于上述空间内,能够得到有效保护(发生“绕击”的概率仅有0.1%)。,单支避雷针的保护范围,h0=h-D/7p;bx=1.5(h0-hx)若D7h，则ho为负值，说明两针的中点已超出联合保护范围。一般D不宜大于5h。,两支等高避雷针的保护范围,现场中应用的非常规避雷针简介,1、可控放电避雷针,可控放
12、电避雷针是武汉高压研究所经长期研究和大量的高压实验而取得的最新研究成果。它的保护原理是以变化缓慢的小电流上行雷闪放电形式释放雷云电荷，避免强烈的下行雷闪放电危害被保护对象。可控放电有针头、接地引下线、接地装置组成。它的针头不再是单针，而是由主针、动态环、贮能装置组成。,2、提前放电避雷针,提前放电避雷针在欧洲普遍采用，已经标准化（NFC17-102）。相对于传统的避雷针来讲，该种避雷针不等雷电场强增加到一定的程度就能够提前放电，保护半径更大，降低了每次接闪时的雷电流脉冲强度，减少了雷电感应引起的二次效应，更为安全。,3、半导体少长针消雷装置（SLE）,半导体少长针消雷装置是一种新型直击雷防护产
13、品。经科学实验和实际运行（已累计10000多塔年运行经验），其性能优于目前国内外各类防雷装置。SLE利用半导体材料的非线性，改变雷电发展过程，延缓雷击放电时间，减少雷电流的幅值和陡度，从而有效地保护了被保护物体及内部的各种强、弱电设备。半导体少长针的独特结构，在雷云电场下发生强烈的电晕放电，对空间电荷产生屏蔽效应，并中和雷云电荷，以达到降低雷击发生的概率。,4、无电磁辐射防雷装置,避雷针有个严重的缺点，这就是在引导雷电流时辐射强烈的电磁射线。这种电磁射线对于以大规模集成电路芯片为核心的各种设备有致命的伤害。梅忠恕经过潜心研究，设计出一种新型的无电磁辐射防雷装置，采用的方法是在避雷针的外部设计装
14、置了一个绝妙的屏蔽管。这样避雷针引到雷电流时产生的电磁射线就被完全屏蔽掉了，而不传播到周围空间。这就彻底解决了避雷针的电磁辐射干扰这个技术难题。,二、避雷线,避雷线(又称架空地线)是110kV及以上输电线路的主要防雷措施，一般沿线路全长架设，不仅保护线路本身，也减少了雷电波侵入对发电厂和变电所的危害。在发电厂中，避雷线主要用来保护主变高压引出线(当主变与户外高压配电装置相距较远时)免遭直接雷击。对于特殊地形条件的发电厂，如峡谷地区的电厂，在两侧山头上埋桩架设避雷线。,避雷线一般采用截面不小于35mm2镀锌钢铰线。接地引下线采用截面不小于25mm2镀锌钢铰线。,单根避雷线的保护范围计算,当hxh
15、/2时,rx0.47(h-hx)P(m)当hxh/2时,rx(h-1.53hx)P(m)必要时，也可架设两根等高或不等高避雷线，其保护范围可参见有关手册和规程。,三、避雷针(线)的设置,户外布置的电力变压器、配电装置、发电机电压引出线，以及油处理室、露天油罐、主变压器修理间、易燃易爆材料仓库等，均应装设直击雷保护装置。主厂房、主控制室和35kV及以下户内配电装置一般不需设置直击雷保护装置，仅将其屋顶金属结构接地即可。,避雷针分为独立避雷针和架构避雷针。避雷针的设置注意事项：(1)独立避雷针与电气设备的带电部分、电气设备的外壳、架构和建筑物的接地部分之间的空中距离Sk不应小于5m，其接地装置与被
16、保护物体的接地体之间的地中距离Sd不应小于3m。,因为避雷针落雷时其引下线泄放雷电流瞬间具有很高电位，可能会对较近的被保护物放电或者对被保护物接地装置放电(这种情形称为反击)。,(2)独立避雷针的接地装置一般是独立的，不与被保护对象的接地体相连，其工频接地电阻不应大于10。当不能满足要求时，其接地装置可与主接地网相连接，但应保证其与主接地网的连接点远离。35kV及以下设备接地线与主接地网的连接点15m。否则，避雷针上落雷时主接地网电位升高会造成反击。(3)110kV及以上的变电所可以将避雷针装设在配电装置的构架上。但避雷针的配电构架应装设辅助接地装置，此接地装置与变电所接地网的连接点距主变压器
17、接地装置与变电所接地网的连接点之间的距离15m。35kV及以下配电装置绝缘水平较低，不宜设架构避雷针，以免发生反击。,(4)110kV及以上的配电装置，可将保护线路的避雷线直接引到出线门型构架上，但土壤电阻率大于 1000 m 的地区应装设集中接地装置。(5)35kV配电装置在土壤电阻率不大于500 m的地区，允许将线路避雷线引到出线门型架上，亦应装设集中接地装置。在土壤电阻率大于500 m的地区，线路避雷线应架设到线路终端杆为止，终端杆到配电装置的一档线路，则采用独立避雷针保护(也可在线路终端杆上装设避雷针)。(6)在变压器的门型构架上不得装设避雷针(线)，而且任何避雷针(线)与主接地网的地
18、下连接点到变压器接地线与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不应小于15m，以防止变压器低压绕组的绝缘遭到反击破坏。,(7)如需要在主厂房上装避雷针来保护发电机到变压器的连线时，为防止反击，除应装设集中接地装置外，还应采取加强分流、避雷针的引下线远离电气设备及其接地点等措施，并应在靠近避雷针的发电机出口，装设一组磁吹式避雷器。(8)独立避雷针不应设在人员经常通行的地方，并应距道路不小于3m。否则，应采取均压措施或铺设砾石或沥青路面。,7-3 避雷器 一、避雷器的基本原理,避雷器实质上是一种放电器，一端接某一相带电导体，另一端接地。正常运行时，避雷器的电阻呈无限大状态，不会对地短路。,当雷电侵入
19、波沿线路进入发电厂或变电所时，避雷器的电阻会变得很小，使巨大的雷电冲击电流顺利入地。,伏秒特性：是指避雷器或设备绝缘材料在一定电压波形作用下，击穿电压的峰值与击穿延迟时间的关系曲线。,1,3,2,U,t,U,U,t,t,1,2,2,3,3电气设备上可能出现的最高工频电压,2避雷器的伏秒特性,1变压器的伏秒特性,变压器不能得到保护,变压器不能得到保护,二、阀型避雷器,阀性电阻一般由碳化硅(SiC)和粘合剂等烧结成的多个饼状阀片相叠组成,其电阻呈非线性，即流过大电流时电阻会变小，而流过小电流时电阻会变大。,火花间隙采用多个单间隙平板电极相串联。上下两片是黄铜制成的圆形平板电极,中间用0.5lmm厚
20、的云母垫圈隔开，电极中央部分为工作部分。间隙放电的伏秒特性较平缓，分散性小，用来保护具有平缓伏秒特性的设备时，不致发生绝缘配合困难。,阀型避雷器的主要元件是火花间隙和非线性(阀性)电阻，二者串联叠装在封闭的瓷套中。,正常工作时，火花间隙将带电部分与地隔开，火花间隙工频放电电压应高于安装处最高工作电压，避免误动作。当过电压幅值超过避雷器的冲击放电电压时，火花间隙被击穿，冲击电流经阀性电阻泄入大地。只要避雷器的冲击放电电压和残压低于被保护设备绝缘的冲击耐压水平，设备就可以得到保护。,普通阀式避雷器靠间隙自然灭弧。磁吹阀式的间隙采用磁场力吹弧灭弧。普通阀型避雷器有FS和FZ两种。FS系列主要用于保护
21、小容量的310kV配电装置中电气设备。,FZ系列主要用于保护发电厂、变电所的变压器及设备，额定电压等级为3220kV。额定电压35220kV的避雷器由FZ-15、FZ-20和FZ-30J三种标准单元串联组成。FZ-110J型阀型避雷器由四个FZ-30J串联而成。由于串联元件的增加，冲击电压沿各单元的分布变得不很均匀，使冲击放电电压降低，在其顶端装设均压环，改善其冲击电压分布，提高冲击放电电压。磁吹阀型避雷器分电站用FCZ型和保护旋转电机FCD型,三、氧化锌避雷器,假定ZnO、SiC电阻阀片在10kA电流下残压相同，但在额定电压下ZnO曲线对应的电流一般在10-5A以下，可近似认为续流为零,而S
22、iC曲线所对应的续流却是100A左右。,理想避雷器,线性电阻,SiC避雷器,ZnO避雷器,U,I,10kA,100A,氧化锌避雷器在正常工作电压下，具有很高的电阻；在遭受雷电过电压时，电阻变得很小，而泄放完雷电流后又立即恢复为高阻状态。,70年代初期出现了金属氧化物避雷器，其阀片以氧化锌为主要材料，附以少量精选过的金属氧化物，经高温焙烧而成。氧化锌阀片具有很理想的非线性伏安特性。,与传统的SiC避雷器相比，ZnO避雷器具有动作迅速、残压低、通流容量大、实际上无续流、结构简单、可靠性高、维护简便等优点，零部件减少40%50%，性能稳定、重量减轻50%60%，保护性能改善10%15%，放电容量增大
23、30%40%，并设有防爆装置，可防止瓷套损坏。由于氧化锌避雷器没有串联间隙，阀片不仅要承受瞬时性的雷电过电压和操作过电压，还要长期耐受正常的运行相电压。虽然平时通过的电流很小，但仍存在老化、寿命和热稳定问题。,四、避雷器的设置(1)每组母线均应装设避雷器，就近接入主接地网，并加设集中接地装置。(2)旁路母线一般不装设避雷器。(3)330kV及以上变压器和并联电抗器处必须装置避雷器，并应尽可能靠近设备本体。(4)220kV及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，变压器附近应增设一组避雷器。(5)三绕组变压器中压侧或低压侧可能会开路运行时，应在其出线处设置一组避雷器。(6)自耦变压器必须在其两
24、个自耦合的绕组出线上装设避雷器，位置在变压器与断路器之间。(7)单元接线的发电机与变压器之间的母线桥(或组合导线)无屏蔽部分长度大于50m，应在发电机侧装设磁吹避雷器。,(8)容量为25MW及以上有直配线的发电机，应在每台电机出线处装一组避雷器。25MW以下有直配线的发电机应尽量将母线上的避雷器靠近发电机装设或装在电机出线上。如果发电机出口处靠近避雷针引下线，则也应装一组避雷器以防发生反击。(9)发电厂、变电所35kV及以下电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设避雷器。(10)SF6全封闭电器的架空线路侧必须装设避雷器。(11)不接地的直配线发电机中性点上应装设一台避雷器(12)下列情况的变
25、压器中性点应装设避雷器：1)直接接地系统中，变压器中性点为分级绝缘且装隔离开关时。2)直接接地系统中，变压器中性点为全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行时。3)不接地和经消弧线圈接地系统的中性点一般不必装设，但多雷区且单进线变压器中性点需装设。,7-4 发电厂的接地装置 一、概述,接地装置由埋设在土壤中的金属接地体和接地线组成。,(1)工作接地,为保证电力系统正常运行，将电力系统中的某些点接地。例如：中性点直接接地系统中将变压器星形绕组的中性点接地；电压互感器一次侧线圈中性点接地等。,(2)保护接地,将电气设备的外壳或装设电气设备的架构等金属部件加以接地，称为保护接地也叫安全接地。这是为
26、了避免设备绝缘损坏时发生工作人员触电事故。对高压设备，保护接地电阻不宜超过10，对低压设备则不宜超过4。,(3)防雷接地,为了泄掉雷电流避雷针等防雷设备必须有可靠的接地。,自然接地体,埋设在水下或地中的各种构筑物金属部件，包括金属管道、井管、金属结构和钢筋混凝土基础等，可作为接地装置的自然接地体。但可燃液体或气体的金属管道除外。,人工接地体,人工接地体是专门为接地需要而在地下埋设的接地体。人工接地体有垂直和水平两种敷设方式。,垂直接地体一般用长约2.53m的角钢、圆钢或钢管垂直打入地下，上端埋入地下0.30.5m。水平接地体用扁钢(宽2040mm,厚不小于4mm)或直径不小于6mm的圆钢在地中
27、水平敷设,埋入地下0.51.0m。对于有强烈腐蚀性的土壤，接地体的接地线厚度和截面应适当加大，或采取镀锌；镀锡等防腐蚀措施。,二、接地电阻,接地装置接地电阻，主要决定于接地体周围土壤导电情况，还受土壤的温度、湿度等因素的影响。,三、接触电压和跨步电压,发生接地故障时，在接地点处电位最高；离接地点越远,电位越低,在半径约20m处可视为零电位。处于分布电位区域的人,可能有两种方式触及不同电位点而受到电击。,接触电压:人触及漏电外壳，加于人手与脚之间的电压。跨步电压:人在分布电位区域径向跨开一步时，两脚间的电压。,接触电压电流经过心脏，十分危险。人体可以耐受接触电压允许值，与通过人体的电流值、持续时
28、间长短及地面土壤电阻率有关。,人体遭受跨步电压时，电流不经过心脏，其允许值比接触电压允许值高些。,四、发电厂中需要保护接地的部分(1)发电机、变压器、各种电器、照明器具、携带式及移动式用电器具等的机座和金属外壳。(2)互感器的二次线圈。(3)配电盘和控制盘的框架。(4)室内外配电装置金屑构架和钢筋混凝土构架，靠近带电部分的金属围栏和门。(5)交、直流电力电缆的接线盒、终端盒的金属外壳，电缆的金属外皮及穿线钢管。(6)铠装控制电缆的金属外皮，非铠装或非金属护套电缆的12根屏蔽芯线。,五、发电厂接地装置的布置,发电厂的接地装置，除利用自然接地体或各种人工接地体之外，还应装设水平敷设的人工接地网。人
29、工接地网应围绕设备区域连成闭合形状，其面积大体与发电厂面积相同，并在其中敷设若干均压带。,水平接地网应埋在0.6m以下,以免受到机械损伤,并可减少冬季土壤表层冻结和夏季水分蒸发对接地电阻的影响。如果接地电阻难以达到规定要求时，为了减少接地装置的材料消耗和投资，在敷设人工接地体时可以采取一些措施，如敷设水下接地网等。随着电力系统的发展，电力网的接地短路电流日益增大，大接地电流系统的发电厂内，接地网电位的升高已成为重要问题。为了保证人身安全，应采取以下均压措施：(1)因接地网边角外部电位梯度较高，边角外应做成圆弧形。(2)在接地网边缘上经常有人出入的道路处，应在该道路下不同深度装设两条与接地网相连的“帽檐式”均压带，或将此处附近铺成高电阻率的路面。,
