過電壓及其絕緣配合資料

1、過電壓及其絕緣配合資料第一章 過電壓及其絕緣配合 電力系統(tǒng)的各種電氣設備在運行中除了要承受正常的系統(tǒng)電壓外，還會受到各種過電壓的作用。因而，了解各種過電壓產(chǎn)生的機理及其對電氣設備的危害，研究防止產(chǎn)生或限制幅值的措施，對系統(tǒng)及電氣設備絕緣水平的選定有決定性的意義。本章就各種過電壓的發(fā)生機理作初步介紹。第一節(jié) 理論基礎 一、直流電源作用在lc串聯(lián)回路的過渡過程 從電路的觀點看，電力系統(tǒng)中的各種電氣設備都可以用r、l、c三個典型元件的不同組合來表示。其中l(wèi)、c為儲能元件，是過電壓形成的內(nèi)因，是作為分析復雜電路過渡過程的基礎?，F(xiàn)在，我們來研究直流電源作用于l串聯(lián)電路上的過渡過程及由之產(chǎn)生的過電壓。 如

2、圖1-1所示，根據(jù)電路第二定理可寫出 el+idt (1-1)在未合閘時，i0，uc0，變換一下形式，式(1-1)可寫為lc+uc=e (1-2)當滿足t0時，i0，uc0，式(1-2)的解為uc=e(1-cos0t)式中，0，而電路的電則為i=c=sin0t (1-3)若uc(0)0，那么uc的解為uc=e-e-uc(0)cos0t (1-4) 由上式可知，uc可以看作是由兩部分疊加而成：第一部分為穩(wěn)態(tài)值e，第二部分為振蕩部分，后者是由于起始狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)有差別而引起的，其幅值為(穩(wěn)定值一起始值)，見圖1-2。因此，由于振蕩而產(chǎn)生的過電壓可以用下列更普遍的式子求出過電壓穩(wěn)態(tài)值+振蕩幅值2穩(wěn)態(tài)

3、值-起始值 (1-5)利用上式，可以很方便地估算出由振蕩而產(chǎn)生的過電壓值。當然，實際的振蕩回路中，電阻總是存在的，電阻的存在會使振蕩波形最終衰減到穩(wěn)態(tài)或甚至根本就振蕩不起來，因此實際的過電壓值總是小于該式的估算值。 二、交流電源作用于lc振蕩回路當e(t)emsin(t+sin(t +)的交流電壓作用于lc振蕩回路時，可求得電容c上的電壓為uc=emsin(t+)=emsin(0t+) (1-6)其中前一項為強迫分量，后一項為自由振蕩分量，并且有0=；=tg-1實際上，強迫分量對應于穩(wěn)態(tài)分量，把它改寫一下便可得emsin(t+)=emsin(t+)=emsin(t+)=-sin(t+) (1-

4、7)這完全和穩(wěn)態(tài)分量一樣，畫出uc的波形(見圖l-3)，實際上就是在穩(wěn)態(tài)電壓上疊加一自由振蕩分量，若實際的電路中有電阻存在，自由振蕩分量最終衰減到零。 從式(1-6)及圖1-3可以看出，電源合閘瞬間uc上對應的電壓為最大值時，由于振蕩而引起的過電壓為ucm=2em|=2em| 一般0，ucm2em，與直流電源合閘于lc電路相類似，當電容c上有初始電壓時，并且其方向與合閘初瞬所對應的穩(wěn)態(tài)值相反時，振蕩分量的振幅就會大于em，從而使過電壓的幅值大于2em。三、均勻無損線的波過程與波的折反射 典型的分布參數(shù)回路是各種傳輸線，沿線路長度有分布的電阻及電感，在導線和地之間還有均勻分布的電容。對于雷電沖擊

5、波，由于等值頻率很高，因此在研究雷電沖擊波對導線的作用時，導線一般應按分布參數(shù)考慮。而對工頻或操作波過電壓，只有當線路較長時才把它們看作傳輸線。不考慮損耗時，無損線的方程為 (1-8) (1-9)該方程的解為u=u1(x-vt)+u2(x+vt) (1-10)i=i1(x-vt)+i2(x+vt) (1-11)其中光速 這兩個解表示：電壓和電流的解都包括兩個部分：一部分是(x-vt)的函數(shù)；另一部分是(x+vt)的函數(shù)。這兩個函數(shù)有一些什么性質(zhì)呢?我們先來研究函數(shù)u1(x-vt)，該函數(shù)表明，架空線上某電壓值出現(xiàn)的位置是隨時間而變的。參見圖1-4，設某x1tl時，x1點的電壓為ua，則t2時刻

6、，電壓為認的狀態(tài)對應于x2并應滿足關系式x1-vt1=x2-vt2任意時刻t時，電壓為ua的位置便可由下式求得u1(x-vt)=ua 即x-vt常數(shù)對上式兩邊求導得到。 這就意味著，對固定的ua來說，它在空間的坐標x將以速度v向x軸的正方向移動。我們把u1(x-vt)稱為前行電壓波。同樣，可以證明u2(x+vt)代表以速率v向x軸的負方向進行的波，顯然傳輸線上的電流也是一個正向行波和反向行波的和，而且可表示為 (1-12) (1-13) 以上分析告訴我們，分布參數(shù)電路的過渡過程可以用流動波的圖案來描述，導線上的電壓分解成前行的電壓波和反行的電壓波；而流過導線的電流也分解成前行的電流波及反行的電

7、流波，前行波和反行波在均勻無損的導線上無畸變地以波速v光速按各自的方向傳播，兩者互相獨立，互不干擾。當兩個波在導線上相遇時，可以把它們算術地相加起來。電壓行波與電流行波的關系由波阻抗z決定，這些關系可綜合成下述四個基本方程u=uq+uf (1-14)i=iq+if (1-15)uq=ziq (1-16)ut=-zif (1-17)從這四個基本方程出發(fā)，加上邊界條件和起始條件，求得相應導線上的前行波和反行波后，就可以算出該導線上任一點的電壓和電流了。四、波的折反射及等值集中參數(shù)定理上述我們已經(jīng)過論了傳輸線上以光速向遠處傳播的電壓波和電流波以及它們之間的關系，如果傳輸線是由兩段波阻不同的導線組成時

8、，導線1中電壓波與電流波的比值，與導線2中電壓波與電流波的比值不同，也就是說前行的電壓波和電流波在兩導線的連接點處將發(fā)生變化，從而造成了波的折射和反射。以圖1-5為例，設有一幅值為u0的電壓波沿導線l1入射，在其未到達連接點a時，導線l1上將只有前行電壓波uq1= u0以及相應的前行電流波iql，這些前行波到達a點后將折射為沿導線l2前行的電壓波uq2和電流波iq2，同時還出現(xiàn)沿導線l1反行的電壓波uf1和電流波if1，由a點電壓和電流的連續(xù)性可得uq1+uf1=uq2 (1-18)iq1+if1=iq2 (1-19)考慮到。上兩式可化成 （1-20） （1-21） 求解方程式(1-20)及式

9、(1-21)即可求得波在導線連接點a處的折反射電壓和入射電壓的關系式為 （1-22） （1-23）式中：為折射系數(shù)；為反射系數(shù)。它們表示式分別為 (1-24) (1-25) 應該指出，雖然折反射系數(shù)是根據(jù)兩段波阻不同的導線相連接推導出來的，但它也可以適用于導線末端接有不同負荷電阻的情況，因為波阻為z的無窮長導線在等值電路中相當于rz的電阻。下面我們對幾種特殊情況討論一下波的折反射問題。1線路末端開路 線路末端開路相當于的情況。此時根據(jù)式(1-24)及式(1-25)可算出，這一結(jié)果說明入射波u0到達開路的末端后將發(fā)生全反射，全反射的結(jié)果是使線路末端的電壓上升到入射波電壓的兩倍。由反射波電壓及電流

10、的關系可以看到，在電壓全反射的同時，電流發(fā)生了負的全反射，從而使線路末端的電流為零，如圖1-6所示。 2線路末端接有電阻rz1 這種情況下，由式(1-24)和式(1-25)可求得。也就是說，波到線路末端a點時不發(fā)生反射，和均勻?qū)Ь€的情況完全相同。因此在高壓測量中，人們常在電纜末端接以和電纜波阻相等的電阻來消除波在末端折反射所引起的測量誤差。 3線路末端接任意阻抗(等值集中參數(shù)定理)當線路末端接有任意阻抗z(見圖1-7)時，應滿足條件uq2+iq2z (1-26)電壓波到達末端時，還應有下列關系uq1+uf1=uq2 (1-27)iq1+if1=iq2 (1-28)式(1-28)乘以z1并與式(

11、1-27)兩邊相加，利用關系式uqliqlzl，uf1-if1z1，便可得2uq1=uq2+iq2z1=iq2（z1+z） （1-29）或 （1-30） 公式(1-29)的等值電路圖如圖1-8所示，這就是所謂的等值集中參數(shù)定理：在有波流動時，可以用集中參數(shù)的等值電路來計算接點的電壓和電流。此時等值電路中的電源電動勢應取為來波電壓的兩倍，等值電路的內(nèi)阻應取為來波所流過的通道的波阻。而式(1-30)則可把來波改成電流源以適應來波為電流源的情況(如雷電流)。應當注意的是，應用等值集中參數(shù)定理時，只能考慮行波的一次折反射，當計算的接點處有多次折反射時，則應分別計算。應用等值集中參數(shù)定理還可計算傳輸線中

12、接有集中參數(shù)的儲能元件時的過渡過程及波的折反射。如圖1-9所示，傳輸線中串有電感或并有電容，此時應用等值集中參數(shù)定理的等值圖如圖1-10所示，由這些等值電路可以求得傳輸線z2上的電壓分別為 （1-31）式中：為折射系數(shù)，其值等于；tl為時間常數(shù)，其值等于。 （1-32）式中：a為折射系數(shù)；tc為時間常數(shù)，其值等于。它們相應的折反射波如圖1-11所示。很顯然，傳輸線中串有電感時，當電壓波作用到電感時的瞬間，電感不允許電流發(fā)生突變，電感像開路一樣將電壓波完全反射回去，因此折射的電壓為零。隨著時間的增長電流從零逐漸增大，反射波電壓逐漸減小，折射波電壓逐漸升高。因此，傳輸線中間串有電感可以使來波的波頭

13、陡度降低。 當線路并有電容并且來波到達電容時，電容上的電壓不能發(fā)生突變，此時電容就像短路一樣，從而使得u2為零。隨著時間的增長，電容上的電壓逐漸升高，u2也逐漸升高。由此可見，傳輸線中并有集中電容時也會使來波的波頭陡度減緩。 五、波的多次折反射與網(wǎng)格法 在許多實際情況中，波在傳輸線的兩端發(fā)生反射時，而且在一個接點的折(反)射波會在另一接點發(fā)生折(反)射，所以在某一接點的電壓應是所有在該接點的折反射波的合成，通常用網(wǎng)格法來進行計算。下面我們以計算波阻各不相同的3種導線互相串聯(lián)時接點上的電壓為例，來介紹網(wǎng)格法的具體應用。 為敘述方便起見，我們先寫出波由線路1向中間線路傳播時的折射系數(shù)波由中間線路向

14、線路1傳播時的反射系數(shù)以及波由中間線路向線路2傳播時的折反射系數(shù)、，為簡單起見設線路1及2的另一端均為無限長，則有下列關系入射波為無窮長直角波，n次折反射后，b點的電壓是n個折反射波之和，即當即時，接點b上的電壓將為 六、變壓器繞組的波過程當沖擊波侵入繞組時，變壓器中會出現(xiàn)復雜的電磁波過程，這將在主、縱絕緣的元件上引起快速變化的過電壓，由于繞組分布的縱向電容和橫向電容、線匝和繞組的自電感和互電感的相互影響，準確地計算這些過程實際上是不可能的。因此下面我們采用一種能說明基本規(guī)律，并能對繞組和絕緣的合理設計指出方向的簡化計算方法。 單相變壓器繞組等值電路如圖1-13所示，繞組長度方向上元件縱向電容

15、的電荷為 (1-33)這個電荷的變化為 dq=ucodx對式(1-33)求導并作簡單的變換后可得到微分方程該方程 (1-34)該方程的解為 （1-35）其中，積分常數(shù)取決于邊界條件。當變壓器中性點接地即x=l處u=0時，可得到 （1-36）當中性點絕緣即x=l處時，可得到 （1-37）對于當今的變壓器，所以eale-al，對于大部分繞組ea(l-x)e-a(l-x)。在這種條件下，中性點絕緣或接地時，繞組在起始時刻的電壓分布實際上是一樣的u(x)=u0e-ax (1-38)圖1-14為電壓在變壓器繞組上的分布曲線，其中最上面的曲線為最大電位包線，即繞組每一點可能出現(xiàn)的最大電位。由圖1-14可見

16、，中性點絕緣時的最大電壓出現(xiàn)在繞組末端，所以不接地的半絕緣變壓器中性點應采取適當?shù)谋Ｗo措施。從圖1-14還可以看出，波入侵后的初始時刻，縱絕緣上的最大電壓出現(xiàn)在繞組首端的線匝上，理論上最大梯度是繞組電壓均勻分布時的場強的al倍，因此必須采取措施使之接近繞組的起始電位分布。通常采用的措施有電容環(huán)、靜電線匝及改變繞組的繞法。 七、鐵磁諧振的基本原理 和線性諧振不同，非線性諧振是由于鐵芯飽和，電感減小使回路性質(zhì)發(fā)生變化而引起的，鐵磁諧振時串聯(lián)支路中的電容不像線性諧振那樣要有嚴格的c值，變化范圍很大。發(fā)生諧振后，電路從感性變成了容性，因此電流的相位將有180。的轉(zhuǎn)變，由此引起電感及電容上的電壓反相(即

17、所謂電壓反傾)。下面我們對圖l-15(a)所示的電路作一初步的分析。 圖1-15(b)中曲線1為電容的伏安特性；曲線2為非線性電感的伏安特性?？紤]到電容和電感上電壓的相位關系可得曲線1和曲線2的和(即曲線3)，在曲線3上，0ad段對應的是感性部分，dh對應的是容性部分。當電源電壓大于ua時，那么串聯(lián)回路始終工作于諧振狀態(tài)；當電源電壓小于ua時，則正常情況下回路應工作在f點，整個回路呈感性。這時若由于某種擾動，將使工作點越過a點并趨向于g點，但由于g點是不穩(wěn)定的工作點，任何擾動又將使工作點偏向g-d段，出現(xiàn)電流增加，從而工作點迅速地又從g點轉(zhuǎn)移到h點，并穩(wěn)定于該點。此時電容c上的電壓高于電感l(wèi)上

18、的電壓，電路又呈現(xiàn)容性。 從圖1-15中可以得到鐵磁諧振的幾個性質(zhì)如下。 (1)產(chǎn)生鐵磁諧振的條件是（或c）。若不滿足此條件，電容c的伏安特性與電感的伏安特性無交點，電路始終呈容性，也就不可能產(chǎn)生諧振。 (2)當電源電壓大于或等于ua時，諧振總是發(fā)生。當電源電壓小于ua時，必須要有某種“激發(fā)”因素使得工作點越過a點后，才有可能產(chǎn)生諧振。(3)當時，曲線1變得平坦了，ua也就增大了，所需的激發(fā)因素也就越強了。當c值太大時，將使出現(xiàn)鐵磁諧振的可能性減小。 (4)當鐵磁諧振時，l和c上的電壓都不會像線性諧振時那樣趨于無限大，ul的大小顯然由曲線的飽和程度決定。而uc則等于ul與電源電壓之和，因此鐵磁

19、諧振過電壓幅值一般不會很高。 (5)鐵磁諧振產(chǎn)生后，工作點是一個穩(wěn)定工作點，因此諧振狀態(tài)可能自保持。 (6)由于非線性電感l(wèi)的存在，鐵磁諧振的電流波形中除了工頻分量外，還會有高次諧波分量，有時甚至有分次諧波分量，到底出現(xiàn)哪種諧振和電路的固有頻率有關。 (7)產(chǎn)生鐵磁諧振后，容抗已大于感抗，回路從感性變成容性，基波電流反相，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在三相電路中可能使工頻三相的相序改變。第二節(jié) 雷電過電壓一、雷電的電氣參數(shù)和雷電活動強度 雷電是發(fā)生在空氣間隙中的一種火花放電，其電壓可高達數(shù)百萬到數(shù)千萬伏，其電流可高達數(shù)千萬安，被雷擊中后，人畜死傷，建筑物炸毀或燃燒，線路停電以及電氣設備損壞，都是常有的雷害事故

20、。 在計算電氣設備的防雷性能時，主要的原始數(shù)據(jù)通常不是電壓而是電流。因為只有雷電流才能直接測量。雷電流的幅值與雷云中電荷多少有關，顯然是個隨機變量。它又與雷電活動的頻繁程度有關。我們采用雷日為單位，在一天內(nèi)只要聽到雷聲就算一個雷日。我國在年平均雷日大于20日的地區(qū)測過1205個雷電流，其幅值概率曲線如圖l-16所示。該曲線也可以用下式表示式中：p戶為雷電流超過i(單位為ka)的概率，例如當i100ka時，可求得p11.9，即每100次雷電流大約平均有12次雷電流幅值超過100ka。對于年平均雷日在20及以下的地區(qū)，即除陜南以外的西北地區(qū)及內(nèi)蒙古自治區(qū)的部分地區(qū)，雷電流的概率可按圖1-16曲線給

21、定的戶值查出i后，將i減半求得；也可用下式表示 (1-39) 對于雷電流的波形，各國的測量波形是基本一致的，波長大致在40s左右，波頭t大致在14s，平均在2.6s左右。我國在防雷設計中采用2.6/40s的波形，電氣設備沖擊電壓試驗的波形則取1.2/50s。 二、直擊雷過電壓及其防護 落雷時，在波直接擊中的導線上會有過電壓形成。本條款中我們將討論雷擊無窮長導線時的直擊雷過電壓及雷擊于另一端接地的有限長導線時的直擊雷過電壓。 當雷擊于無限長導線的a點時，等于沿主放電通道(其波阻z0300500)襲來一個的電流波。此時雷電流波碰到的是兩側(cè)導線的波阻相并聯(lián)，由于，所以可近似認為此時在a點沒有折反射發(fā)

22、生，于是a點直擊雷過電壓為式中 z導線波阻抗，典型值為500。 當雷擊于另一端接地的有限長導線時，為計算a點電位，可用流動波的多次反射法進行計算，但分析表明，當接地導線長度小于260m時，該段導線可以用等值電感來代替。若取入射波為斜角波，。其中，為陡度，單位為as。便可求得式中：v為光速等于300m/s；l為導線長度(m)；l為被擊導線的總電感。取雷電流幅值為100ka，波頭時間為2.6s，那么可算得雷擊于無窮長導線上的雷電過電壓為 這一過電壓相當高。雷擊于另一端接地的10m導線，考慮接地電阻為10，則雷擊點的最大電壓為 這樣高的電壓也足以對處于“零”電位導線產(chǎn)生反擊。 防直擊雷最常用的措施是

23、裝設避雷針(線)。它是由金屬制成，比被保護設備高，具有良好的接地裝置。其作用是將雷吸引到自己身上并安全地導入地中，從而保護了附近比它矮的設備和建筑免受雷擊。 單支避雷針的保護范圍見圖1-17，它是一個旋轉(zhuǎn)圓錐體。如用公式表示它的保護范圍，則在被保護物高度hx的水平面上，其保護半徑rx為考慮hx (1-40)hx (1-41)式中：h為針的高度，當h30m時，p=1；當30mh120m時，p=。其中p的取值已考慮了針太高而保護半徑不與針高成正比增大的系數(shù)。 用避雷線保護發(fā)變電所時單根避雷線的保護范圍見圖1-18，用公式表達為hx (1-42)hx (1-43)式中：p的取值同單根避雷針。 若用避

24、雷線保護輸電線路，其保護作用則是用避雷線后能引起線路絕緣閃絡的雷電流(耐雷水平)值來衡量。其計算方法與雷擊于另一端接地的短線路時計算方法基本相同，這里就不再贅述了。三、變電所進入波的防護 因為雷擊線路的機會遠遠比雷擊發(fā)電廠、變電所為多，所以沿線路侵入發(fā)電廠、變電所的雷電過電壓行波是常見的。又因為線路絕緣水平要比變壓器(或其他設備)的沖擊試驗電壓高得多，所以發(fā)電廠、變電所對行波的保護十分重要。 發(fā)電廠、變電所中限制侵入雷電波的主要設備是避雷器，由于要保護發(fā)電廠、變電所中的各種電氣設備，避雷器到被保護設備(如變壓器)總會有一段距離。因此，在雷電波的作用下，由于避雷器至被保護設備的連線間的波過程，作

25、用在被保護設備上的過電壓會超過避雷器的放電電壓和殘壓，連線越長，則超過的電壓也越高。因此避雷器有一定的保護距離，被保護設備在這個距離之外，就不能受到有效的保護。 下面我們對圖1-19的典型接線就上述情況作一初步的分析。 假設避雷器離變壓器的電氣距離為l，有陡度為此kv/s的行波向避雷器襲來。并設to時侵入波到達避雷器，該處的電壓ua將按圖1-19中曲線1上升，經(jīng)過時間(v為雷電波的傳播速度)侵入波到達變壓器，從最嚴格的條件出發(fā)，可假設變壓器的入口電容極小(開路)，所以侵入波在變壓器處發(fā)生了正全反射。圖1-19中虛線2為b處的入射波，虛線3則為變壓器上的電壓(虛線2的兩倍)，陡度為2a，又經(jīng)過時

26、間，反射波到達避雷器(圖中虛線4)，此時避雷器上的電壓為入射電壓和反射波電壓的疊加(即圖1-19中的mn段)，所以這段ua曲線與虛線重合。假定ua曲線在t0時上升到避雷器的放電電壓，此時避雷器放電，從而限制了a點電壓的繼續(xù)上升。此時ua的曲線基本上為平直線，但避雷器放電的效果要經(jīng)過時間才能到變壓器，在這段時間內(nèi)變壓器上的電壓仍以原陡度繼續(xù)上升，因此，變壓器上的最大電壓將比避雷器的放電電壓高一個u，由圖1-19可見 由此可見，為了保證變壓器上的電壓不超過一定的允許水平，變壓器與避雷器之間的距離不能太遠，變壓器上的最大電壓為 (1-44)式中：u5ka為避雷器的5ka殘壓；為以kv/m為單位的陡度

27、。實際情況下，變壓器有一定的入口電容，而入射波可簡化為具有一定陡度的斜角平頂波。進一步的分析計算可求得 (1-45)其中 式中：cr為變壓器入口電容；c為避雷器與變壓器之間的導線單位長度對地電容。通常取變壓器的多次截波耐壓值(有工頻激勵時)大于ut即可，考慮到多次截波耐壓值約為三次截波耐壓值的87左右，而變壓器及其他設備上所受沖擊電壓的波形是衰減振蕩的，其最大值約為式(1-45)求得值的87左右。因此，知道了變壓器的三次截波耐壓值uj3，便可求得避雷器到變壓器的最大距離應滿足的條件是l (1-46)實用中可以根據(jù)部頒dl/t 6201997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合所規(guī)定的參數(shù)表確定避

28、雷器到變壓器的最大允許電氣距離。理論分析與實際測量表明，避雷器動作后變壓器上所受到的電壓波形如圖l-20所示，這也證明了用變壓器多次截波耐壓值作為計算依據(jù)是合理的。 四、變壓器中性點保護 變壓器中性點絕緣與系統(tǒng)中性點接地方式有關。對于35kv及以下的電力系統(tǒng)中性點是不接地或經(jīng)消弧線圈接地，中性點絕緣水平是與相線端的絕緣水平相同的。而一般110330kv電力系統(tǒng)，出于繼電保護的要求，其中一部分變壓器中性點是不接地的，而這些變壓器的中性點絕緣水平比相線端低得多(我國110kv變壓器中性點用35kv級絕緣；220kv變壓器中性點用110kv級絕緣；330kv變壓器用154kv級絕緣)。下面分別就這兩

29、類變壓器中性點的保護問題進行討論。 對中性點不接地或經(jīng)大電感接地的35kv以下電力系統(tǒng)，沿線路三相同時來波約占來波總數(shù)的10，由本章第一節(jié)六條中可知，變壓器中性點的電位，在理論上會超過首端電位的2倍，實測值為1518倍。這會對變壓器中性點絕緣造成威脅。運行經(jīng)驗表明，在785個臺年的2060kv中性點無保護的變壓器中，只有3次中性點雷害事故，即每百臺年只有038次故障，這是可以接受的，因此部頒dl/t 6201997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合規(guī)定3560kv變壓器中性點一般不需保護。 對中性點不全部接地的110330kv電力系統(tǒng)，由于中性點絕緣水平比相線端低，所以需在中性點加裝保護。這些

30、保護應滿足以下條件。 1)沖放電壓應低于中性點沖擊耐壓。 2)避雷器的滅弧電壓應大于因電力系統(tǒng)一相接地而引起的中性點電壓升高的穩(wěn)態(tài)值u0，以免避雷器爆炸。 3)保護間隙的放電電壓應大于因電力系統(tǒng)一相接地而引起的中性點電位升高的暫態(tài)電壓最大值，以免繼電保護不能正確動作。 電力系統(tǒng)一相接地時，中性點電壓的穩(wěn)態(tài)值為而暫態(tài)值則為實際測量表明，當l.5/40s的波作用在變壓器首端時，由于變壓器繞組電感、電容以及鐵芯損耗的作用，傳到中性點的沖擊波波頭t已大于45s。若選間隙作為保護設備，棒間隙沖擊放電電壓的要求應當以波頭t=45s為依據(jù)。實際捧間隙的放電電壓是根據(jù)1.540s的沖擊波試驗而得到的，顯然波頭

31、t=45s時的放電分散性要大得多，通常可用下式選取棒間隙的放電電壓值式中：ub為變壓器的沖擊耐受電壓；kl為中性點破壞累積系數(shù)，取1.15；k2為棒間隙在t=45s時的放電分散系數(shù)，取1.135；k3為氣象系數(shù)，取1.05;k4為t=45s時的距離系數(shù)，可取l.0。 當選用避雷器保護變壓器中性點時，曾發(fā)生因斷路器非全相合閘引起避雷器爆炸的事故，為了避免上述現(xiàn)象，可采用間隙與避雷器聯(lián)合保護的方式。它們之間的放電電壓的配合，應使沖擊過電壓作用時避雷器動作，而非全相運行時則間隙動作。 五、電纜護層保護 從安全出發(fā)，高壓單芯電纜的鉛包護層必須接地，但它只能一端接地，如將它的兩端都接地則單芯電纜芯線所產(chǎn)

32、生的磁力線將在鉛皮中感應出很大的電流，這種作用幾乎和11的電流互感器差不多，所以感應電流值可達5095。這一電流不僅在鉛包中形成熱能損耗加速電纜絕緣的老化過程，而且將使電纜芯線的載流量降低40左右。但是將鉛包一端接地后，在雷電波或內(nèi)過電壓波沿芯線流動時，電纜鉛包的不接地端會出現(xiàn)很高的沖擊過電壓。當電纜鉛包外絕緣護層不能承受這些過電壓時，便會造成鉛包多點接地，這樣會出現(xiàn)鉛包環(huán)流問題。 1沖擊電壓的產(chǎn)生及保護設沿芯線及鉛包之間有一幅值為e的過電壓進行波在流動，則鉛包與芯線之間將伴隨著。流過電流ie/z。當電纜末端接地時，如圖1-2l(a)所示，過電壓波到達電纜末端后流經(jīng)芯線的沖擊電流將從末端經(jīng)過大

33、地作為回路，因此鉛包外面就出現(xiàn)了磁力線，從而使鉛包的開路端感應出過電壓。理論上該電壓可達2e，肯定會使外護層絕緣擊穿。 電纜末端芯線開路時，如圖1-21(b)所示，流經(jīng)芯線的雷電波到達開路的末端后發(fā)生反射，結(jié)果使芯線和鉛包的電流均為零，因此在鉛包上不會產(chǎn)生電壓升高。 為了限制這一過電壓，顯然只要讓電纜鉛包末端在沖擊下接地，使沖擊電流能以鉛包為回路，則電纜鉛包末端就不會有過電壓了。為此，可在電纜鉛包末端和大地間接一過電壓保護器。在沖擊電壓的作用下，部分電流將經(jīng)過電壓保護器回到鉛包，而作用在電纜末端護層上的電壓將等于過電壓保護器的殘壓。 2工頻感應過電壓的產(chǎn)生 過電壓保護器的采用解決了外護層絕緣的

34、沖擊過電壓的問題。但是必須注意，接有過電壓保護器后，在正常工作及工頻短路故障時都會有工頻電壓作用在過電壓保護器上。過電壓保護器必須能承受這一工頻電壓。下面對3種短路故障條件下的工頻過電壓作一初步的分析。 (1)單相接地短路。 當發(fā)生單相接地短路時，故障相鉛包所交鏈的磁力線最多，感應電壓最高。設故障相為u相，則 (1-47)其中式中 xs電纜鉛包的自感阻抗或芯線對鉛包的互感阻抗，； d地中等值集中電流的深度，d95，如果不能確知土壤電阻率時，一般可取d值為1000m； rs電纜鉛包的平均半徑，m； i單相短路電流，a； l電纜的長度，m。由于短路電流以大地為回路，d值很大，鉛包兩端的感應電壓是很

35、高的，再加上短路電流i流徑地網(wǎng)r時所形成的壓降，所以鉛包不接地端u相的對地電壓uu將達很高的數(shù)值 (1-48)(2)兩相不接地短路。如圖1-22所示，兩相不接地短路時，u相不接地端對地電壓uue就是電纜鉛包兩端感應電壓，應為 (1-49)顯然兩相短路時，短路電流在鉛包上的感應電壓較低。同理，三相短路時，短路電流也不以大地為回路，短路電流在鉛包上的感應電壓也比較小，而且不接地端鉛包的對地電壓也不受地網(wǎng)接地電阻影響。因此，護層和保護器所受最高電壓一般在電網(wǎng)單相對地短路故障時，特別當短路電流大、電纜線路長或接地電阻大時，此值可達極高的數(shù)值。 為了降低這一工頻過電壓，可采用電纜鉛包交叉互聯(lián)或加均壓線等

36、方法。所謂交叉互聯(lián)是指電纜鉛包全長分成三等分的倍數(shù)并把相鄰兩端的鉛皮進行交叉互聯(lián)，首端與末端鉛包互連接地。這樣連接后，三段彼此連接的鉛皮上的感應電壓大小相等而相位互差120度，因此三段相連的鉛包兩端的感應電壓等于零，正常運行時也就不會產(chǎn)生環(huán)流。發(fā)生短路故障時，由于長度相對減小，鉛包感應電壓也降低了。采用適當?shù)谋Ｗo器接線方式可大大降低單相接地時保護器所受的工頻電壓。 六、旋轉(zhuǎn)電機的防雷保護 新電機主絕緣的沖擊耐壓約為同電壓等級變壓器的13左右，比一般所用的fcd型避雷器殘壓u3只稍高一點。運行中的舊電機的沖擊耐壓更低，必須采用多種手段進行綜合保護才能保證發(fā)電機的安全。下面我們就直配發(fā)電機防雷保護

37、的典型接線作一些初步的討論。圖l23中電容的主要作用是減緩來波的陡度以降低發(fā)電機上過電壓與磁吹避雷器上殘壓的差值。同時，由于來波陡度降低后，發(fā)電機繞組匝間絕緣所受的沖擊電壓也降低了。電抗器的主要作用在于抬高它前面的沖擊電壓，使a點處的避雷器更容易放電從而限制了進波的幅值。電容器延緩來波陡度及電抗器抬高它前面所受的電壓的基本原理見有關基礎理論的分析計算。電纜段的作用稍微復雜一些，現(xiàn)敘述如下：當電纜前的gb型避雷器動作時，電纜外皮與芯線經(jīng)gb型避雷器短接在一起。由于趨膚效應雷電流主要經(jīng)過電纜外皮及大地流走，流過芯線的雷電流就被大大削弱。分析表明，電纜段長度為100m，末端外皮接地引下線到地網(wǎng)距離為

38、12m，r15時，即使在電纜首端發(fā)生直擊雷而且雷電流為50ka，則流過fcd型母線避雷器的電流也不會超過，3ka，即有l(wèi)00m電纜段的發(fā)電機耐雷水平大約為50ka。第三節(jié) 內(nèi)部過電壓 一、內(nèi)部過電壓的主要形式及一般特性 由于電力系統(tǒng)中能量的轉(zhuǎn)化或傳遞所產(chǎn)生的電力系統(tǒng)電壓的升高叫做電力系統(tǒng)的內(nèi)過電壓。這里所說的能量轉(zhuǎn)化是指磁能轉(zhuǎn)化為電能；所說的能量傳遞則主要是通過各部分相互之間的電容，電力系統(tǒng)內(nèi)的操作和故障都是激發(fā)能量轉(zhuǎn)化的原因。常見的電力系統(tǒng)內(nèi)過電壓有以下幾種。 1)切空載變壓器的過電壓。 2)切合空載長線路的過電壓。 3)電弧接地過電壓。 4)諧振過電壓。 內(nèi)過電壓的能量來自電力系統(tǒng)本身，所

39、以它的幅值是和電力系統(tǒng)工頻電壓基本上成正比的。這一比值叫內(nèi)過電壓倍數(shù)k。內(nèi)過電壓的作用時間與過電壓的類型有關，通常具有衰減振蕩沖擊波的性質(zhì)，其振蕩頻率比工頻高。這些過電壓最后以穩(wěn)態(tài)(穩(wěn)態(tài)電壓可能高于工作電壓)結(jié)束。操作過電壓的持續(xù)作用時間一般不大于幾分之一秒。 鐵磁諧振是由于變壓器電抗器等設備鐵芯的非線性引起的；線性諧振則是由于電力系統(tǒng)參數(shù)的某種組合使之滿足了線性諧振條件而引起的。這兩種諧振過電壓持續(xù)時間比較長，屬于穩(wěn)態(tài)過電壓。 長線路電容效應引起的過電壓屬于準穩(wěn)態(tài)過程，一般出現(xiàn)在330kv及以上電壓的空載長線上。這種過電壓表現(xiàn)為工頻電壓升高，其作用時間決定于狀態(tài)的性質(zhì)。 中性點絕緣系統(tǒng)中的電

40、弧接地過電壓也是衰減的振蕩波，當故障沒有消失而且線路沒有切除時，這一過電壓可能多次出現(xiàn)。 按照持續(xù)時間，內(nèi)部過電壓可以分成兩組：長時間的或準穩(wěn)態(tài)的操作過電壓及短時間的操作過電壓。過電壓對絕緣作用的危險性不僅與其大小有關，還與波形、持續(xù)時間以及重復次數(shù)有關。系統(tǒng)中所出現(xiàn)的內(nèi)過電壓倍數(shù)不應超過一定數(shù)值。過電壓作用時間越長，允許的倍數(shù)越低。我國各類電壓等級的電力系統(tǒng)允許過電壓倍數(shù)見表1-1，對220kv及以下的電力系統(tǒng)一般不需要專門的限制操作過電壓設備，對330kv以上的電力系統(tǒng)就必須用專門的避雷器等設備將操作過電壓倍數(shù)限制到表1-1中所列的數(shù)字以內(nèi)。表1-1 電力系統(tǒng)各電壓等級的內(nèi)過電壓允許倍數(shù)電

41、力系統(tǒng)額定電壓(kv)3566110110220330500中性點接地方式非直接接地非直接接地直接接地非直接接地直接接地直接接地直接接地內(nèi)過電壓倍數(shù)k14.04.03.03.53.02.2*2.0*330、500kv的內(nèi)過電壓倍數(shù)為參考值。 二、工頻電壓升高 如圖l24所示，發(fā)電機突然甩負荷，空載長線的電感電容效應和電力系統(tǒng)單相接地是使工頻電壓升高的主要原因。電力系統(tǒng)工頻電壓的升高會影響到各種內(nèi)過電壓的數(shù)值，也會影響到避雷器額定電壓(滅弧電壓)的選擇，從而也影響到避雷器的保護水平。 對于110220kv線路，xcxd+xl，其中xc為線路容抗，xl為線路電抗，xd為發(fā)電機次暫態(tài)電抗，電壓升高不

42、超過1015。對超高壓線路，線路較長并且xl較低，從而使ed比un高出1015，而ul比ed又高出1015。 突然甩負荷以后電壓升高的另一個因素是突然甩負荷后原動機的調(diào)速器和制動設備的惰性不能立即起作用，引起發(fā)電機超速。發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加，但勵磁沒有改變，感應電勢的數(shù)值與頻率都增加了。 上述兩種因素綜合在一起所造成的工頻電壓升高可達1.21.4倍，持續(xù)時間受電壓調(diào)整器的限制約幾秒鐘之久。由線路本身的電容效應所引起的工頻電壓升高可按下述方程求得 (1-50) 一般0.06，當線路長度為400km時，=1.095；當線路長度為300km時, =1.050。由此可見，只有當線路超過300km時，才考慮到

43、線路電容效應的影響。 另一種工頻電壓升高是由電力系統(tǒng)單相接地引起的。對于中性點不接地電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，健全相電壓會上升到線電壓，即相電壓的倍；對于中性點直接接地電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，健全相的電壓升高比較復雜，可用對稱分量法進行分析得 （1-51）式中 uuu相故障前的對地電壓； 接地系數(shù)，其值為 （1-52） 越大，則健全相電壓的升高就越高。當時，相當于電力系統(tǒng)中性點不接地的情況。 三、開斷電感性負荷時的過電壓 在電力系統(tǒng)中常有開斷電感性負荷的操作，例如切除空載變壓器、電抗器及電動機等，在這些操作過程中可能出現(xiàn)幅值較高的過電壓。 1開斷空載變壓器過電壓 圖125中畫出了開斷空載變壓器等

44、值電路圖。在開斷空載變壓器操作之前，回路受工頻電壓作用，流過c的電流遠小于流過l中的電流，所以可忽略c的存在。流過斷路器的電流就是電感電流i，這電流通常為變壓器額定電流的0.54。斷路器在切斷這類小電流時會在電流到達零點之前發(fā)生強制熄滅(即所謂截流)。設截斷電流為i0，此時變壓器中磁場能量及等值電容中的電場能量為。當磁場能量全部轉(zhuǎn)化成電場能量時，電容c上的電壓就是最大過電壓，因此根據(jù)，可求得 （1-53）式中：em為電源電壓幅值；im為感性電流幅值；為電流截斷瞬間與過零點之間的相位差?？紤]到，設回路自振頻率，以及高頻振蕩時只有部分磁場能量可以轉(zhuǎn)化為電場能量，所以過電壓倍數(shù)k為一般大型變壓器約為

45、0.30.45。實際的斷路器在截流后還會出現(xiàn)重燃，磁場能量在多次重燃的過程中消耗掉了，使得過電壓大大降低。我國對110220kv變壓器試驗的結(jié)果為：中性點直接接地電力系統(tǒng)中過電壓倍數(shù)一般不超過3倍；中性點不接地電力系統(tǒng)中過電壓倍數(shù)一般不超過4倍，個別的可達74倍，相間可達768倍。由于切空載變壓器過電壓的能量不大，采用一般的閥式避雷器就可以得到保護。 2，開斷電動機過電壓 開斷電動機時產(chǎn)生的過電壓與切斷空載變壓器時類似，但由于電動機的參數(shù)隨轉(zhuǎn)差率的變化而變化，所以開斷空載電動機與開斷制動狀態(tài)的電動機所產(chǎn)生的過電壓值相差很大。同時開斷電動機所使用的斷路器類型不同，那么產(chǎn)生的過電壓也不一樣，如用少

46、油斷路器開斷，主要是由于截流產(chǎn)生的截流過電壓；用真空斷路器開斷，除截流過電壓外，還會產(chǎn)生三相同時開斷和高頻重燃過電壓。 開斷電動機產(chǎn)生截流過電壓的物理過程與開斷空載變壓器相同。由于電動機的空載電流不大(約為2530額定電流)，定子的漏感也不大，所以過電壓也就不高。在一些特殊情況下，斷路器將開斷制動狀態(tài)的電動機，此時電動機電流相當于起動電流(約為額定電流的56倍)，斷路器截流值i0就可能較大。而且對應的漏感除了定子繞組的漏感外，還有轉(zhuǎn)子的漏感。因此，開斷制動狀態(tài)電動機的磁場儲能要比開斷空載運行電動機時大得多，所以過電壓也較高。國內(nèi)用snl-10型和sn2-10型少油斷路器切斷36kv、11020

47、00kw的空載電動機時，最大截流為6a，最大過電壓倍數(shù)為243倍；在同樣接線條件下，開斷起動狀態(tài)電動機的最大過電壓倍數(shù)將達49倍。在使用真空斷路器切斷小電流時，曾發(fā)現(xiàn)三相同時斷開的現(xiàn)象。這是因為連接的三相電纜相線之間有互電容及互電感，首開相回路中的高頻振蕩通過相間的耦合傳遞到其它兩相疊加在工頻電流上，從而使這兩相電流瞬間過零而被切斷。這對電動機而言，第二、三相的截流值可能很大，過電壓也就很高。例如某地在做3kv、110kw電動機開斷試驗時，發(fā)現(xiàn)同時開斷造成的過電壓倍數(shù)最高可達43倍，平均達281倍，均高于電動機的工頻試驗電壓。用真空斷路器切斷制動狀態(tài)的電動機時還可能產(chǎn)生高頻重燃，與切斷空載變壓

48、器時發(fā)生重燃不同的是，它出現(xiàn)在被切斷電流很大但不發(fā)生截流時。 設真空斷路器在工頻電流過零時熄弧，此時電源相電壓為最大值em。熄弧后，被切斷電動機側(cè)的電壓為emcos0t，其波形如圖l-26中曲線1所示，0是電動機漏感與雜散電容c組成的振蕩回路的角頻率。相對于工頻來說，0是極高的，故討論重燃過電壓時可將電源電壓維持在em不變。真空斷路器熄弧后，觸頭間恢復強度的包線以2m為基線，如圖l-26中曲線4所示。熄弧瞬間t0，電感l(wèi)中的電流il0，電容c向電感工放電并開始振蕩，觸頭間出現(xiàn)恢復電壓uh。當tt1時，ilill，uhuh1，此時恢復電壓等于恢復強度，發(fā)生第一次重燃，出現(xiàn)高頻振蕩。高頻振蕩的頻率

49、決定于斷路器兩側(cè)電容及其連線電感，它比0要高得多。振蕩衰減的穩(wěn)態(tài)值趨于電源電壓且m，振蕩電壓第一次到達最大值ul時，t=t1,u1=em+uh1,高頻振蕩電流第一次過零，再次熄弧。在t1t1的極短時間內(nèi)，il保持，il1不變，il1雖然數(shù)值不大，但已不是開斷電動機時的零值。在t1之后電動機側(cè)電壓變化如圖1-26中曲線2所示。在t2時再次重燃，振蕩最大電壓u2em+uh2，電感電流增大到il2,tz時又熄弧，類此下去振蕩過程愈來愈強烈，故在多次重燃后過電壓可達極高的幅值。實測的最大過電壓為51倍，頻率可達105106hz。顯然這種過電壓對電動機的主絕緣及匝問絕緣都有極大的危害。 四、切合空載線路

50、過電壓 電力系統(tǒng)中用斷路器切合空載線路是一種常見的常規(guī)或故障操作方式。切斷空載線路及電容器組時，由于斷路器觸頭間的重燃使線路或電容器組從電源獲得能量并積累起來，從而形成過電壓。其持續(xù)時間可達o5個工頻周期以上。合空載線路(尤其是自動重合閘)時，合閘瞬間線路的實際電壓與相應的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值之間的差異可能很大，從而由過渡過程產(chǎn)生的過電壓倍數(shù)就可能很高。 1.切斷空載線路過電壓空載線路是容性負載，為了簡化分析，可用一個電感l(wèi)0l和一個電容c0l串聯(lián)回路進行等值。在電源中性點直接接地電力系統(tǒng)中，切除空載線路可用圖1-27所示的電路進行分析。在切斷過程中，由于電弧的重燃和熄滅具有很大的隨機性，為從嚴考慮

51、出發(fā)，按可能出現(xiàn)最大過電壓的前提來決定電弧的熄滅和重燃時刻。設通過斷路器qf的工頻電流過零時間ttl，斷路器觸頭間熄弧，于是c2上的電壓為em，參見圖1-28，若不考慮c2的泄漏，c2上的電壓保持em不變。熄弧時c1上的電壓雖有振蕩，但很快衰減后按電源電勢作余弦變化。經(jīng)半個工頻周期tt2，斷路器觸頭間恢復電壓達最大值em-(-em)2em。假定此時觸頭間絕緣強度不能承受這個恢復電壓，電弧重燃，電容cl與c2并聯(lián)，考慮到通常l1l2，為簡化數(shù)學分析略去l2的影響，則重燃瞬間電荷重新分配后的電壓，可近似用u10來計算。因c1c2時，u10=-em，于是c2上的電壓要從em過渡到穩(wěn)態(tài)電壓+em。取振蕩系數(shù)為2，則t=t2時，重燃使c2上出現(xiàn)最大電壓u2m2em-(-em)3em，重燃時流過斷路器的電流主要是高頻電流。當高頻振蕩電壓為最大值時，tt3，高頻電流為零值。觸頭間再次熄弧，c2上遺留電壓為3em，又經(jīng)過半個工頻周波tt4時，觸頭間恢復電壓為4em，第二次重燃，u203em，振蕩過程中c2上最高電壓為u2m2(-em)-3em-5em。當tt5時，高頻電流過零，電弧熄火，c2上保持-5em的電壓不斷循環(huán)，直至斷路器不再重燃為止。由此可知，切斷空載線路時，因斷路器多次重燃將