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1、第七章 过电压及防护,课程基本内容,大气电压雷电冲击波沿导线的传播防雷保护装置变电所与线路的防雷内部过电压变电所保护接地,7.1 大气过电压,7.1.1 雷电放电过程,先导阶段,主放电和迎面流注阶段,余辉阶段,7.1.2 雷电参数,雷暴日(Td)：一年中发生雷电的天数(30-40)。雷暴小时(Th)：一年中发生雷电的小时数(100)。地面落雷密度():每平方公里地面在一个雷暴日 中受到的平均雷击次数。,通道波阻抗,一般地区：,少雷地区：,I雷电流幅值（kA),P幅值大于I的雷电流出现的概率,经验公式：,雷电流的波前时间、波长、陡度,我国在防雷设计中取,波前的平均陡度：,实测表明：,雷电流极性及
2、计算波形,7590%的雷电流是负极性，在防雷设计中一般按负极性考虑,常用计算波形：,(1).双指数波,(2).等值斜角平顶波前,(3).等值半余弦波前,7.2 雷电冲击波沿导线的传播,1.波过程的定义,在本课程中指电压波（或电流波）在输电线路、电缆、变压器、电机等电力设备上的传播过程,2.波过程的特点,电压、电流不但是时间t的函数，而且也是空间位置x 的函数，需要用分布参数电路来分析。,3.分布参数电路的应用范围,主要有两大类：长线路和高频电压（如雷电冲击电压波）,冲击波波前在线路上的分布长度只有360m,波沿均匀无损单导线传播示意图,7.2.1 波沿均匀无损单导线的传播,1 均匀无损单导线系
3、统的波阻抗：,线路各点电气参数完全一样；线路无能量损耗（R0=0，G0=0）,单元等值电路：,设dt时间内，行波前进了dx距离，则长度为dx的线路被充电，充电电容为Codx，使其电位为U，在这段时间内，导线获得的电荷为：,行波前进了dx距离，磁通的增加量：,(2),（1）(2),（2）(1),波速,波阻抗,由电磁场理论可知：,对架空线：,对油纸绝缘电缆：,比较波阻抗Z和R：,波阻抗是一个比例常数，其数值只与导线单位长度的电感和电容有关，与线路长度无关；而线路的电阻与线路长度成正比；,波阻抗是储能元件，它从电源吸收能量，以电磁波的形式沿导线向前传播，能量以电磁能的形式储存在导线周围的介质中；电阻
4、是耗能元件，它从电源吸收的能量转换成热能而散失。,二者量纲相同，并且都和电源频率或 波形无关，可见波阻抗是阻性的；,2 均匀无损单导线的波动方程：,电压沿x方向的变化是由于电流在L0上的电感压降；电流沿x方向的变化是由于在C0上分去了电容电流；负号表示在x正方向上电压和电流都将减少。,注意：,前行电压波和前行电流波表示电压和电流在导线上的坐标是以速度v沿x的正方向移动。反行电压波和反行电流波表示电压和电流在导线上的坐标是以速度v沿x的负方向移动。,电压波的符号只取决于导线对地电容所充电荷的符号，与电荷的运动方向无关电流波的符号不仅与相应电荷符号有关，而且也与电荷运动方向有关一般取正电荷沿x正方
5、向运动形成的波为正电流波,行波计算的基本方程：,例题1：沿高度10m，半径为10mm的单根架空线有一个幅值700kV的过电压波运动，求电流波的幅值。解题：导线的波阻抗为：电流波幅值为：例题2：如还有一个幅值为500kV的过电压波反向运动，求两波叠加范围内导线上的电压和电流,反行波电流导线电压：导线电流：I=1.561.11=0.45kA,7.2.2 行波的折射和反射,1 折射波和反射波的计算,波未到达节点A时，线路1上有：,波到达节点A后，线路1上有：线路2上有：,节点A上电压、电流 的连续性,线路末端开路,此时有：,线路末端电压：,电压反射波：,末端电流：,电流反射波：,几种特殊情况：,末端
6、开路时，末端电压波发生正的全反射，电流波发生 负的全反射，电压反射波所到之处，线路电压加倍；电 流反射波 所到之处，线路电流变零。,线路末端短路（接地）,此时有：,线路末端电压：,电压反射波：,反射波所到之处：,电流反射波：,末端接地时，末端电压波发生负的全反射，电流波发生 正的全反射，电压反射波所到之处，线路电压变零；电 流反射波 所到之处，线路电流加倍。,线路末端既没有电压反射波，又没有电流反射波，线路上电压电流波形保持不变。,线路末端接负载（）,此时有：,2 集中参数等值电路,建立集中参数等值电路（彼德逊法则）：,彼德逊法则使用条件：,7.2.3 行波通过串联电感和并联电容,1.波穿过电
7、感,其中：,电压折射波的波前陡度：,电压反射波：,电感相当于开路,电感的作用完全消失,2.波旁过电容,其中：,电压折射波的波前陡度：,电压反射波：,电容相当于短路,电容的作用完全消失,3.串联电感、并联电容对波过程的影响,波前被拉平，波前陡度减小，L 或C 越大，陡度越小；,在无限长直角波作用下，L、C对电压的稳态值没有影响；,各自的适用场合,7.3 防雷保护装置,7.3.1 避雷针、避雷线,1.保护原理：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。,防雷保护装置：指
8、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。,2.保护范围、绕击率,雷击定向高度：雷电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。,当h30m时，H=20h;当h30m时，H600m,3.适用范围,避雷针适宜于象变电所、发电厂那样相对集中的保护对象；避雷线主要用于架空线路那样伸展很广的保护对象。(消雷器),4.单支避雷针的保护范围,在某一被保护物高度 水平面上，其保护半径 为：,5.等高双避雷针的保护范围,两针联合保护范围上部边缘的最低点高度,在高度 的水平面上，保护范围的最小宽度,一般情况下取,两针外侧的保护范围按单支避
9、雷针的计算方法确定，两针中间的保护范围用下式求得：,6.单根避雷线的保护范围,单根避雷线的保护范围一侧宽度为：,保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角,7.3.2 避雷器,基本分类：,避雷器是一种过电压限制器，它与被保护设备并联运行，当作用电压超过一定幅值以后避雷器总是先动作，泄放大量能量，限制过电压，保护电气设备。,对避雷器的基本技术要求：,过电压作用时，避雷器要先于被保护设备放电，这需要由 两者的全伏秒特性的配合来保证；,避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在第一次 过零时的工频续流，使系统恢复正常；,1被保护绝缘2保护间隙或管式避雷器3阀式避雷器,1 保护间隙和管式避雷器
10、,结构简单、价格低廉；熄弧能力弱、伏秒特性陡峭、难以与被保护设备配合，动作产生截波、不能保护带绕组的设备，主要用于10kV以下配电网线路的保护，往往与自动重合闸装置配合使用。,保护间隙：,角形保护间隙1主间隙;2辅助间隙3绝缘瓷瓶,实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙。伏秒特性陡峭、动作产生截波、放电分散性大，主要用于输电线路上绝缘比较薄弱的地方和变电站、发电厂的进线段保护。,管式避雷器：,1产气管；2棒电极3环电极 4导线S1灭弧间隙 S2外间隙,2 阀式避雷器,原理结构图,F火花间隙R非线性阀片电阻,主要特性参数,动作过程,结构特征,火花间隙：平板间隙和磁吹式间隙,单个平板火花间隙：1黄
11、铜电极；2云母垫圈；3间隙放电区普通阀式避雷器的火花间隙由多个这种间隙串联而成,旋弧型磁吹间隙：主要用于FCD系列中1永磁铁 2内电极3外电极 4电弧,灭弧栅型磁吹间隙：主要用于FCZ系列中1磁吹线圈 2辅助间隙3主间隙 4主电极 5灭弧栅 6分路电阻 7阀片电阻,阀片电阻：SiC阀片和MOV阀片,阀片的非线性伏安特性：,特点：流过小电流时（如工频续流），电阻大;流过大电流时（如雷电流），电阻小,必须用火花间隙,金属氧化物避雷器,7.4 变电所与线路的防雷,7.4.1 发电厂、变电所的直击雷保护,发电厂、变电所必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架
12、避雷针两类。注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。,变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。,为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S1应满足下式要求：,为了防止避雷针接地装置与变电所接地网之间因土壤击穿而连在一起，地下距离S2亦应满足下式要求,独立避雷针应有的空气间隙,发电厂和变电所的防雷保护,E1、E2为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均冲击击穿场强。用下面两个公式校核独立避雷
13、针的空气间距和地中距离：,7.4.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,装设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。避雷器的保护作用基于三个前提：它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合 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 被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。,1 避雷器与被保护设备连接一点,2 避雷器与被保护设备不在一点,但是在变电所中不可能也没有必要在每个设备旁都装一组避雷器，一般只在变电所母线上安装避雷器，它除保护变压器外，还要对其他设备提供保护。这样，避雷器与各个电气设备之
14、间就不可避免地要有一定距离的电气引线。在这种情况下，当阀式避雷器动作时，由于波的折射与反射，会使作用于被保护设备上的电压高于避雷器的冲击放电电压或残压，影响了避雷器的保护效果。,被保护绝缘与避雷器间的电气距离越大、进波陡度a越大，电压差值 也就越大。,绝缘冲击耐压水平应满足：阀式避雷器的保护距离：,避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压器近一些。,3 变电所的进线段保护,保证在靠近变电所的一段不长(一般为l2km)的线路上不出现绕击或反击。对于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
15、近变电所(l 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110kV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。,发电厂和变电所的防雷保护,进线段的作用：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；限制流过避雷器的冲击电流幅值,内部过电压通常以标幺值pu(per unit)表示,基准取：,7.5 电力系统内部过电压,即系统的最大工作相电压幅值,7.5.1 截流过电压,截流现象：断路器在电流自然过零点 之前强行切断电弧,1 产生过电压的基本过程,工频电压下，iCiL,设截流瞬间激磁电流为I0，
16、电容上电压为U0，则：,当全部磁场能量转化为电场能量时：,忽略截流时电容上储存的能量，则：,变压器的特性阻抗,在一般变压器中，ZT很大，因而所以在近似计算中，完全可以忽略,切空变时过电压：,2 影响过电压的因素,断路器的性能,变压器特性,3 限制过电压的措施,断路器的主触头上并电阻,减小变压器的特性阻抗,采用纠结式绕组增大CT、采用优质铁芯减小IL或LT,采用避雷器保护,高值电阻，数万欧；,ZnO避雷器效果很好,7.5.2 电弧重燃过电压,1 产生过电压的过程（以切空载长线为例）,等值电路：,电流 为容性，,第一次重燃：,第二次重燃：,2 影响过电压的因素,3 限制过电压的措施,采用不重燃断路
17、器,触头加装并联分闸电阻,分闸过程：主Q1先断开 R抑制回路振荡 1.52周期后，辅Q2分闸,7.5.3 弧光接地接地过电压,1.发展过程,故障点接地电流：,电弧自熄过程：,很大弧道电离程度高、介质恢复慢,过零时电弧经暂时熄灭后很快重燃，可以认为 电弧稳定燃烧，不致引起强烈振荡,很小弧道电离程度低、介质恢复快,过零时电弧熄灭后不重燃，永久熄弧,中等（数安数百安）,电弧暂时熄灭（工频半个周期），短时后再度击穿产生强烈振荡，故障相和健全相都产生过电压,熄弧：三相电容上电荷重新分配中性点电压位移,工频熄弧健全相 3.5pu高频熄弧健全相 7.5pu,实际电网中过电压受多种因素影响，一般在3.0pu以下,危害：持续时间长，遍布全网；配电系统绝缘弱点多，可能发展为相间短路,2.防护措施,.在66kV及以下电网中，根据情况采用 中性点经消弧线圈的接地方式运行、或 采用中性点绝缘方式运行；,.在110kV 及以上电网中采用中性点 有效接地方式运行；,消弧线圈：是在电网中性点与地之间接入的带气隙 铁心、电感可调的电抗器。,作用：补偿接地点容性电流 降低接地点恢复电压速度,接消弧线圈后：,补偿度：,脱谐度：,7.5.4 铁磁谐振过电压,基波谐振：,为稳定点,当，,当，,回路平衡方程：,三个平衡点：，,非谐振稳定点,非稳定点,谐振稳定点,从 的方式（谐振的产生）：,线性与非线性谐振比较：,初态电感,
