發(fā)電廠防雷與過電壓保護

發(fā)電廠防雷與過電壓保護第1頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第十一章發(fā)電廠防雷與過電壓保護第2頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

雷電放電、雷電流及雷過電壓

一、雷電放電 地面濕氣受熱上升，凝成水滴或冰晶，形成積云， 積云在運動過程中受到強烈氣流的作用，形成了帶有正、負不同電荷的帶電積云稱為雷云。在上下氣流的強烈撞擊和摩擦下，雷云中的電荷越聚越多， 一方面在空中形成了正、負不同雷云間的強大電場；另一方面雷云與大地或建筑物之間也形成了強大的電場。

當雷云中電荷密集處的場強達25—30kv／cm時，就會發(fā)生放電。這個過程叫先導放電。第3頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

當先導放電的頭部接近異性雷云電荷中心或地面感應電荷中心就開始進入放電的第二階段，即主放電階段。 其放電的電流即雷電流，可達幾十萬安，電壓可達幾百萬伏，溫度可達2萬攝氏度。在幾個微秒時間內(nèi)，使周圍的空氣通道燒成白熱而猛烈膨脹，并出現(xiàn)耀眼的光亮和巨響，這就是通常所說的“打閃”和“打雷”。對地放電的雷云90％左右是負極性(云帶負電)的。第4頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

雷云對地放電通常分為先導放電、主放電和余光放電。 通常，不只發(fā)生一個三階段的放電過程，而是一個接一個的多次重復過程。 一般是第一分量幅值最大，后續(xù)分量幅值依次減小。 各分量中的最大電流和電流增長最大陡度，是造成被擊物體上的過電壓、電動力和爆破力的主要因素， 而在余光階段中流過較長時間的電流則是造成雷電熱效應的重要因素之一。第5頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雷過電壓 雷過電壓又稱為大氣過電壓。雷過電壓有兩種：一種是雷直接擊于輸電線路或設備引起的，稱為直擊雷過電壓； 另一種是雷擊輸電線路附近的地面或設備時，由于電磁感應引起的，稱為感應雷過電壓。 同時，雷電波沿輸電線路入侵變電所或升壓所，也對其中設備造成威脅。 最危險的是直擊雷過電壓。雷擊輸電線路往往造成跳閘事故，第6頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

避雷針與避雷線為了防止設備受到直接雷擊，最常用的措施是裝設避雷針或避雷線。它由金屬制成，高于被保護物，具有良好的接地裝置，其作用是將雷電引向自身并安全地將雷電流導入地中，從而保護其附近比它低的設備免受直接雷擊。第7頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單支避雷針的保護范圍，見圖11—3，第8頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

避雷針包括接閃器(針頭)、引下線和接地體三部分。 避雷線是懸掛在空中的水平的接地導線，又稱架空地線，主要用于保護架空輸電線路，也可用于發(fā)電廠、升壓所作直擊雷保護。第10頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)避雷器 避雷器的作用是限制過電壓以保護電氣設備。避雷器的類型主要有保護間隙、閥型避雷器和氧化鋅避雷器。 保護間隙主要用于限制大氣過電壓，一般用于配電系統(tǒng)、線路和變電所進線段保護。 閥型避雷器與氧化鋅避雷器用于變電所和發(fā)電廠的保護，在220kV及以下系統(tǒng)主要用于限制大氣過電壓，在超高壓系統(tǒng)中還將用來限制內(nèi)過電壓或作內(nèi)過電壓的后備保護。第12頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月一、保護間隙 一般由兩個相距一定距離的、敞露于大氣的電極構成，將它與被保護設備并聯(lián)，如圖12—7所示，適當調(diào)整電極間的距離(間隙)，使其擊穿放電電壓低于被保護設備絕緣的沖擊放電電壓，并留一定的安全裕度。第13頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

當雷電波入侵時，主間隙先擊穿，形成電弧接地。過電壓消失后，主間隙中仍有正常工作電壓作用下的工頻工頻續(xù)流。 由于這種間隙的熄弧能力較差，間隙電弧往往不能自行熄滅，對中性點接地系統(tǒng)而言，這種間隙的工頻續(xù)流就是間隙處的接地短路電流。將引起斷路器跳閘，這是保護間隙的主要缺點。 此外，由于間隙敞露，其放電特性也受氣象和外界條件的影響。第14頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

正常情況下，火花間隙將帶電部分與閥片隔開。當雷電波的幅值超過避雷器的沖擊放電電壓時，火花間隙被擊穿，沖擊電流經(jīng)閥片流入大地，閥片上出現(xiàn)電壓降(殘壓)。只要使避雷器的沖擊放電電壓和殘壓低于被保護設備的沖擊耐壓值，設備就可得到保護。而避雷器的滅弧電壓必須高于所在系統(tǒng)的最高工作電壓，這樣才能保證雷電波過后順利熄滅工頻續(xù)流電弧。二、閥型避雷器 由裝在密封瓷套中的火花間隙和非線性電阻(又稱閥片)串聯(lián)構成，如圖11—8所示。閥片的電阻值與流過的電流有關，電流愈大電阻愈小。第15頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

閥型避雷器分普通型和磁吹型兩類。

普通型的火花間隙由許多如圖12—10所示的單個間隙串聯(lián)而成。避雷器動作后，工頻續(xù)流電弧被許多單個間隙分割成許多段短弧，減小工頻續(xù)流有利于間隙電弧的熄滅，因此在工頻電壓下，希望閥片有較大的電阻。第16頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁吹型： 利用磁場使每個間隙中的電弧產(chǎn)生運動(如旋轉或拉長)來提高滅弧能力。其原理接線見圖。 輔助間隙，是為了消除磁吹線圈在沖擊電流通過時產(chǎn)生過大的壓降。閥片的作用是限制工頻續(xù)流。 在沖擊電壓作用下，主間隙被擊穿，放電電流通過磁吹線圈，其上的壓降使輔助間隙擊穿，放電電流便經(jīng)過輔助間隙、主間隙和閥片流入大地，使避雷器的壓降不致增大。 當工頻續(xù)流通過時，磁吹線圈上的壓降減小，迫使輔助間隙中的電弧熄滅，工頻續(xù)流也就很快轉入磁吹線圈，產(chǎn)生磁場起吹弧作用。第18頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

電阻閥片都是金剛砂(SIC)和結合劑燒結而成，稱為碳化硅閥片。普通型避雷器的閥片是在低溫下燒結而成，不能承受持續(xù)時間較長的內(nèi)過電壓沖擊電流； 磁吹型避雷器的閥片，是在高溫下燒結而成，能用于限制內(nèi)部過電壓。目前我國生產(chǎn)的普通型避雷器有FS型和FZ型兩種型號。

FS型避雷器，其通流容量較小，主要用于保護小容量的3一l0kV配電裝置中的電氣設備(如變壓器等)。FZ型避雷器，其特性較好、通流容量較大，主要用于保護發(fā)電廠、大中型變電所的變壓器和電容器等設備。 磁吹型避雷器主要有FCZ電站型和保護旋轉電機用的FCD型。第19頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化鋅避雷器 氧化鋅避雷器，實際上也是一種閥型避雷器，其閥片以氧化鋅(ZnO)為主要材料，加入少量金屬氧化物，在高溫下燒結而成。金屬氧化鋅閥片電阻的伏安特性如圖所示。伏安特性曲線分為小電流區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。 在額定電壓(或滅弧電壓)下，運行在小電流區(qū)，其閥片電阻的通過電流僅數(shù)百微安，氧化鋅閥片電阻呈高阻狀態(tài)。第20頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

當加過電壓之后，電阻片的通過電流逐漸增加，其過程與一個放電間隙與非線性電阻串聯(lián)的閥型避雷器擊穿相似，氧化鋅閥片電阻的通過電流急劇增大，過渡到非飽和區(qū)。第21頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

電壓降至起始電壓時，氧化鋅閥片電阻終止“導通”，又恢復到小電流區(qū)運行，可視為無續(xù)流通過。

ZnO避雷器與SiC避雷器相比較，由于ZnO避雷器采用了非線性優(yōu)良的ZnO閥片，使其具有許多優(yōu)點。

(1)無間隙、無續(xù)流。在工作電壓下，ZnO閥片呈現(xiàn)極大的電阻，續(xù)流近似為零，所以一般不用串聯(lián)間隙來隔離工作電壓。

(2)通流容量大。由于續(xù)流能量極少，僅吸收沖擊電流能量，故ZnO避雷器的通流容量較大，更有利于用來限制作用時間較長(與大氣過電壓相比)的內(nèi)部過電壓。第22頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月 (3)可使電氣設備所受過電壓降低。在相同雷電流和相同殘壓下，SiC避雷器只有在串聯(lián)間隙擊穿放電后才泄放電流，而ZnO避雷器(無串聯(lián)間隙)在波頭上升過程中就有電流流過，這就可降低作用在設備上的過電壓。

(4)在絕緣配合方面可以做到陡波、雷電波和操作波的保護裕度接近一致。

(5)ZnO避雷器體積小、質(zhì)量輕、結構簡單、運行維護方便。第23頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前生產(chǎn)的ZnO避雷器，大部分是無間隙的。對于超高壓避雷器，也采用并聯(lián)或串聯(lián)間隙的方法。圖11—15表示ZnO避雷器有并聯(lián)間隙的原理圖。第24頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖11—14示出SiC避雷器、ZnO避雷器及理想避雷器的伏安特性曲線，以作比較。 圖中假定ZnO、SiC閥片在10kA電流下的殘壓相同；但在額定電壓(或滅弧電壓)下，ZnO伏安特性曲線所對應的電流一般在10-5A以下，可以近似認為其續(xù)流為零， 而SiC伏安特性曲線所對應的續(xù)流卻為100A左右。也就是說，在工作電壓下ZnO閥片可看作是絕緣體。第25頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1220kV避雷器額定值項目金屬氧化物避雷器a.額定電壓 (kV，有效值)200b.額定頻率 (Hz)50c.標稱放電電流 (kA)10d.持續(xù)運行電壓 (kV，有效值)≥146第26頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2220kV避雷器保護特性項目金屬氧化物避雷器a.陡波10kA沖擊電流下最大殘壓(波頭1~5s)(kV)≤582b.雷電沖擊電流下最大殘壓(8/20s)(kV)≤520c.2kA操作沖擊電流下最大殘壓(波頭30~100s)(kV)≤442d.工頻參考電壓(工頻參考電流1mA)≥290第27頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

表11—3給出Y5WZ系列電站用無間隙氧化鋅避雷器的技術數(shù)據(jù)。表11—4給出Y10W5系列中部分氧化鋅避雷器的技術數(shù)據(jù)。

第29頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)電廠的接地裝置 按接地的目的，電氣設備的接地可分為：工作接地、防雷接地、保護接地和儀控接地。

(1)工作接地：是為了保證電力系統(tǒng)正常運行所需要的接地。例如變壓器中性點接地，其作用是穩(wěn)定電網(wǎng)對地電位，從而可使對地絕緣降低。

(2)防雷接地：是針對防雷保護的需要而設置的接地。例如避雷針(線)、避雷器的接地，目的是使雷電流順利導入大地，以利于降低雷過電壓，故又稱為過電壓保護接地。

(3)保護接地：也稱安全接地，是為了人身安全而設置的接地，即電氣設備的外殼(包括電纜皮)必須接地，以防外殼帶電危及人身安全。

(4)儀控接地：發(fā)電廠的熱力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、晶體管或微機型繼電保護系統(tǒng)和遠動通信系統(tǒng)等，為了穩(wěn)定電位、防止干擾而設置的接地。儀控接地亦稱電子系統(tǒng)接地。第30頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月一、接地電阻基本概念 接地電阻是指電流經(jīng)接地體進入大地并向周圍擴散時所遇到的電阻。當沒有接地電流通過時，大地各處的電位是相等的，并認為其電位為零。但大地不是理想導體，它具有一定的電阻率，稱為大地電阻率或土壤電阻率，大地電阻率在不同的地質(zhì)條件下是不同的。 如果有電流流過，則大地各處就出現(xiàn)了不同的電位。注人大地的電流，它以電流場的形式向四處擴散，如圖11—16所示。第31頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

離電流注入點愈遠，半球形的散流面積愈大，地中的電流密度就愈小，一般認為在較遠處(15—20m以外)，單位擴散距離的電阻及地中電流密度已接近零，該處電位已近似為零電位。 顯然，當接地點有電流流入大地時，接地點電位最高，離接地點愈遠，電位愈低，圖11－16中曲線V＝F(r)表示地表面的電位分布情況 第32頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

人們把接地點處的電位VM與接地電流I的比值定義為該點的接地電阻R=VM/I。當接地電流為定值時，接地電阻R愈小，則電位VM愈低，反之則愈高。 接地裝置的接地電阻R主要決定于接地裝置的結構、尺寸、埋入地下的深度及當?shù)赝寥赖碾娮杪省Ｒ蚪饘俳拥伢w的電阻率遠小于土壤電阻率，故接地體本身的電阻在接地電阻R中可以忽略不計。第33頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二、接地電阻允許值 接地電阻的允許值是根據(jù)接地電流的大小、接地裝置上出現(xiàn)電壓時間的長短和接觸幾率多少，并考慮不同土壤電阻率下投資的合理性而制定。 在大電流接地系統(tǒng)中，接地電流都是由接地短路故障引起的，電流值較大，但故障切除時間快，接地裝置上出現(xiàn)電壓的持續(xù)時間也很短。所以規(guī)定接地網(wǎng)電壓不得超過2000V，其接地裝置的接地電阻為

式中I——流經(jīng)接地裝置的(短路)電流。 當I＞4000A時，可取R≤0.5?。在大地電阻率很高時允許將R值放寬到R≤5?，但在這種情況下，必須驗證人身安全。第34頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

在小電流接地系統(tǒng)中，接地故障電流I較小，繼電保護常動作于信號，不切除故障，接地裝置上出現(xiàn)電壓的持續(xù)時間較長，因此，接地電壓應限制得較低。 當接地裝置僅用于高壓設備時，規(guī)定接地電壓不得超過250v，即

當接地裝置為高低壓設備所共用時，考慮到人與低壓設備接觸的機會更多，規(guī)定接地電壓不得超過120V，即第35頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

一般在小電流接地系統(tǒng)中，接地電阻不應超過10?。大地電阻率較高時，接地電阻允許取大些。 對工作接地及人身安全保護接地而言，接地電阻是指直流或工頻電流流過時的電阻； 對過電壓保護接地而言，是指雷電沖擊電流流過時的電阻，簡稱沖擊接地電阻。同一接地裝置在工頻電流和沖擊電流作用下，將具有不同的電阻值，通常用沖擊系數(shù)。表示兩者的關系 一般情況下，a<l，也有時a≥1，這與接地體的幾何尺寸、雷電流的幅值和波形及土壤電阻率等因素有關。第36頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三、接觸電壓和跨步電壓 從人身安全考慮，一般人體通過50mA以上電流就有生命危險。人體皮膚處于干燥、潔凈和無損傷時，人身電阻高達幾十千歐以上，而皮膚有傷口或處于潮濕狀態(tài)時，可降到1000?左右。 因此在最不利的情況下，人接觸的電壓只要達0.05X1000＝50(V)左右，即有致命危險。第37頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

在電氣設備發(fā)生接地故障，外殼帶電時，人可能有兩種方式觸及不同電位點而受到電壓的作用： ①人站在離設備外殼0.8m的地面上，手觸及設備外殼離地面高為1．8m處所受到的電壓； ②人的兩腳，著地點跨距為0.8m時，兩腳之間所受到的電位差。 前者稱為接觸電壓，后者稱為跨步電壓，如圖12—16中所示的U和Uk。第38頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月四、發(fā)電廠的接地裝置 除利用自然接地體或各種人工接地體之外，還應敷設人工接地網(wǎng)，在避雷器，避雷針附近采用垂直接地體，并在其中敷設若干均壓帶，還可采取以下均壓措施：

(1)因接地網(wǎng)邊角外部電位梯度較高，邊角處應做成圓弧形。

(2)在接地網(wǎng)邊緣上經(jīng)常有人出入的走道處，應在該走道下不同深度裝設與地網(wǎng)相連的帽檐式均壓帶或者將該處附近鋪成具有高電阻率的路面。第39頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于600MW機組電廠，其500kV和220kV配電裝置、汽輪機房、鍋爐房等主要電氣建筑物下面常將深埋的水平接地體敷設成方格網(wǎng)。 一般在主廠房接地網(wǎng)和升壓變電所接地網(wǎng)連接處設有可拆部件，以便分別測試各個主接地網(wǎng)的接地電阻。主接地網(wǎng)的接地電阻一般在0.5Ω以內(nèi)。 地下接地網(wǎng)在一些適當部位連接有多股絞線，引出地面，以便連接需要接地的設備或接地母線(總地線排)，或與廠房鋼柱連接并形成整個建筑物接地。 室外防雷保護接地引下線與接地體的連接點通常設在地表下0.3～0.5m以下。第40頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)電廠中大量電氣設備或其他非載流金屬部分都必須接地，如配電盤的框架、開關柜或開關設備的支架、電動機底座、金屬電纜架、導線的金屬外包層、開關和斷路器的外殼或其他電氣設備的外殼、移動式或手持式電動工具等。 電氣設備的接地，可用直接的金屬接觸固定在已接地的建筑金屬結構上，也可用適當截面的接地線連接到已接地的接地端子或接地母線上，還可用單獨的絕緣地線與電路導線敷設在同一條電纜走道、管道、電纜或軟線內(nèi)再接到適當?shù)慕拥囟俗踊蚪拥啬妇€上。第41頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月五、電子系統(tǒng)接地要求和接地方式 電子系統(tǒng)本身對于噪聲或干擾是敏感的，必須通過適當?shù)慕拥貋斫档驮肼暬蚋蓴_電平。電子系統(tǒng)的接地必須遵循以下各項要求：

(1)所有安裝有電子設備的建筑物或綜合機房，必須設置專用的低阻抗參考地或總地線排(接地母線)。

(2)不同類型的系統(tǒng)必須相互絕緣，防止地電位差產(chǎn)生飛弧。

(3)裝有電子設備的機架或機箱，必須有效地直接連接到專用的參考接地點，也可采用樹干式接地中的一分支。

(4)必須避免形成閉合回路。

(5)當靈敏的電子設備與電磁干擾源設置在同一建筑物內(nèi)時，電纜和機箱必須屏蔽，并且在這些屏蔽體與電磁干擾源之間提供低阻抗通路。第42頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子設備接地時，有兩項重要的原則：一是安全，二是通過公共接地部分的干擾減至最小。 一般認為電子設備的接地有兩種方式，即多點接地方式和一點接地方式。在多點接地方式中，要求有一個供系統(tǒng)使用的等電位的地面。 在一點接地方式中，全部設備都以一點作為參考點，而這個參考點是與建筑物的地下接地網(wǎng)連接的。第43頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子系統(tǒng)、分支系統(tǒng)和設備可用節(jié)點型的接地分配系統(tǒng)，要求接地分配系統(tǒng)按樹干形或星形結構設置，以免形成磁場敏感環(huán)路，引起干擾。如圖12—18所示。 典型的布置是將接地母線(總地線排)作為第一級節(jié)點， 第二級節(jié)點是分區(qū)接地饋線分配點(接地匯流排)， 第三級節(jié)點是機架和機箱的接地分配點， 第四級節(jié)點是底盤或面板的接地分配點。第44頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子設備室(樓)、綜合機房或通信樓一般都有許多十分不同的設備，包括電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、采暖通風系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、通信設備等，將要接地的設備都接到一個單獨的共用地線上，效果最好。 一點接地為樓室所有設備提供一個公共參考點，就是系統(tǒng)接地點，亦稱總地線排或接地母線，一般用銅排或銅板構成。 從地下接地網(wǎng)引出的銅辮連接到這個總地線排。如果用適當粗的饋線與接地網(wǎng)連接，也可以設置在其他地方(如樓上)。 在預計會有干擾的地方，接地饋線應設置在鐵管內(nèi)，而總地線排則要裝設在屏蔽箱內(nèi)。屏蔽箱連接總地線排。饋線管道直接連接在屏蔽箱上。第45頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

各種設備的接地饋線必須按照接地設備的位置，并根據(jù)設備產(chǎn)生干擾或?qū)Ω蓴_的靈敏度特性分群設置。圖12—19是典型接地饋線的配置情況。 一個總地線排(接地母線)與設備之間的最大空間距離一般不宜超過30m，否則需要設置第二個總地線排。 在600MW機組電廠中，一般每個單元控制室及其附近的一些相關設備要設置一個總地線排，并構成一個相對獨立的接地系統(tǒng)。第46頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月六、陰極保護 發(fā)電廠和變電所的接地裝置是埋入地中的大量金屬接地體(角鋼、扁鋼、鋼管等)，為了防止地下鋼構件的腐蝕，需要利用電化學腐蝕原理進行陰極保護，使接地體壽命要求達到40年以上。第47頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)電廠的防雷保護 發(fā)電廠遭受雷害有兩種形式：一種是雷直擊于發(fā)電廠(升壓變電所、主廠房、煙囪、水冷塔等)，另一種是雷擊輸電線路時沿線路傳向發(fā)電廠的入侵雷電波。 對直擊雷的保護，除對發(fā)電廠內(nèi)建筑物的防雷措施外，配電裝置一般采用避雷針或避雷線，應使所有設備都處于避雷針(線)的保護范圍之內(nèi)。獨立設置的避雷針與被保護物之間應有一定距離，以免雷擊避雷針時造成反擊(雷電通過避雷針再側擊到附近設備)。 第48頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二、發(fā)電廠入侵波與避雷器保護作用 雷直擊輸電線路遠比直擊發(fā)電廠的概率大，所以沿線路入侵發(fā)電廠升壓所的雷電過電壓是很常見的，即使沿線路全長都裝有避雷線，雷擊避雷線時，線路上的感應過電壓波也會入侵發(fā)電廠。因線路的絕緣水平要比升壓所內(nèi)變壓器或其他設備的沖擊耐壓強度高得多，所以發(fā)電廠防入侵波的保護也十分重要。 發(fā)電廠配電裝置中，必須裝設閥型避雷器或氧化鋅避雷器，以限制雷電波入侵時的過電壓，避雷器一般應裝設在被保護設備的前面(指面對入侵波方向)，才能起到較好的保護作用。第49頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

配電裝置中有很多電氣設備，不可能在每個設備旁都裝設一組避雷器，一般只在母線上裝設避雷器。 由于主變壓器和啟動／備用變壓器離母線上的避雷器較遠，往往還必須在這些變壓器旁加裝避雷器，否則會由于波的反射而使變壓器得不到保護。第50頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)電機變壓器組的防雷保護

采用發(fā)電機變壓器組接線時，由于變壓器的保護作用，使得發(fā)電機上的過電壓比直配線電機低得多，通常將傳遞過電壓限制到不危險的程度。 因此，只要可靠地保護了變壓器，一般不需要對發(fā)電機再采取其他防雷保護措施。但有時傳遞過電壓幅值過高，為防止發(fā)電機絕緣損壞，在多雷區(qū)、200MW及其以上的機組，宜在發(fā)電機出口裝設一組FCD型磁吹避雷器或金屬氧化鋅避雷器。

第51頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月電力系統(tǒng)過電壓1．大氣過電壓－也稱為外部過電壓。2．內(nèi)過電壓 內(nèi)過電壓，是電力系統(tǒng)內(nèi)部能量的傳遞或轉化而引起的過電壓，過電壓幅值與電網(wǎng)額定電壓有直接關系。常見的內(nèi)過電壓有：

(1)操作過電壓。因斷路器分合操作及短路或接地故障引起的暫態(tài)電壓升高，稱為操作過電壓；例如投切空載線路或空載變壓器引起的過電壓。

第52頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月 (2)諧振過電壓。因斷路器操作導致回路感抗和容抗符合諧振條件（電網(wǎng)回路被分割、帶鐵芯元件飽和等），引起諧振而出現(xiàn)的電壓升高，稱為諧振過電壓。 例如電壓互感器合閘時，因其出現(xiàn)勵磁涌流和鐵心磁飽和而引起的諧振過電壓。 內(nèi)部過電壓的能量來源于電網(wǎng)本身，所以它的幅值大體上隨著電網(wǎng)額定電壓的升高成比例增大。 在220kV及以下電壓等級的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的絕緣水平主要決定于雷過電壓(大氣過電壓)； 在超高壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)的絕緣水平主要由內(nèi)部過電壓決定。第53頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

工頻電壓升高 在內(nèi)部過電壓中，頻率為工頻的過電壓，稱為工頻過電壓或稱工頻電壓升高。 常見的幾種工頻過電壓有：空載線路電容效應引起的電壓升高；不對稱短路時正常相上的電壓升高；甩負荷時引起發(fā)電機加速而產(chǎn)生的電壓升高等。 工頻電壓升高對系統(tǒng)中絕緣正常的電氣設備一般是沒有危險的，但伴隨著工頻電壓升高而同時發(fā)生的操作過電壓卻會達到很高的幅值，它等于升高后的工頻電壓疊加上高頻分量，可能影響到要求提高設備的絕緣水平。第54頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

另一方面，工頻電壓升高又是決定保護電器工作條件的重要因素， 例如避雷器的最大允許工作電壓就是按照電網(wǎng)中單相接地時非故障相的工頻電壓升高來決定的，工頻電壓升高幅值越大，要求避雷器的滅弧電壓越高，即在同樣保護比的條件下，就要提高設備的絕緣水平。第55頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

(一)空載長線路的電容效應 超高壓輸電線路，線路容抗遠大于感抗。在空載的情況下，線路中對地電容電流，使線路末端電壓U2高于首端(即電源側)電壓U1。 這種由于線路對地電容的作用，引起線路末端電壓高于首端電源電壓的現(xiàn)象，稱為空載線路的電容效應。 電容效應引起的電壓升高，除與線路長度有關外，還與電源容量有關。當電源容量有限時，其內(nèi)阻抗會增強電容效應，猶如增加了導線長度一樣。電源容量愈小，工頻電壓升高愈嚴重。第56頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于由兩端電源供電的長線路，為了減小工頻電壓升高，線路兩端的斷路器必須遵循一定的操作步驟： 當線路合閘時，先合電源容量較大的一側，后合電源容量較小的一側； 當線路切除時，則先分電源容量小的一側，后分電源容量大的一側。這種操作順序或者采取其他措施，由電力系統(tǒng)調(diào)度規(guī)程中規(guī)定。當電容效應引起工頻電壓升高超過一定限度時，可在線路上加裝并聯(lián)電抗器來補償電容電流，使線路上流通的容性電流減小，從而減小其在線路電感上引起的壓降，以限制這種工頻過電壓的升高。第57頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)不對稱短路引起的工頻電壓升高 不對稱短路是電力系統(tǒng)中最常見的故障，在單相或兩相接地短路時，非故障相的電壓一般都會升高，其中單相對地短路時可能達到更高的數(shù)值。 不對稱短路往往是由于雷擊引起，因此應該考慮非故障相的避雷器動作后，必須能在不對稱短路引起的工頻電壓升高下熄弧，所以單相對地短路時的電壓升高是確定避雷器滅弧電壓的依據(jù)。第58頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)突然甩負荷引起的電壓升高 突然甩負荷引起工頻電壓升高的主要因素有：

(1)線路輸送大功率時，發(fā)電機的電動勢高于母線電壓。甩負荷后，發(fā)電機磁鏈不能突變，將在短暫時間內(nèi)維持其暫態(tài)電動勢E'd。跳閘前輸送的功率愈大，則E'd愈高，甩負荷時的工頻電壓升高就愈大。

(2)原動機的調(diào)速器和制動設備有惰性，甩負荷后它們不能立即起作用，使發(fā)電機轉速增加，造成電動勢和頻率都上升，于是工頻電壓升高更嚴重。第59頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第60頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二、切除空載長線路時的過電壓 切除空載線路是電網(wǎng)中最常見的操作之一。對空載長線路而言，通過斷路器的電流乃是線路的電容電流，在高壓系統(tǒng)中通常只有幾十安到幾百安，比開斷短路時的電流要小得多。 但是，某些依靠電弧能量滅弧的斷路器(如油斷路器)在切斷小電流時或斷路器在開斷純?nèi)菪?、純感性電流時，卻不一定能夠在電流第一次過零時不重燃地切斷。 這是因為滅弧能量不足或在電流第一次過零時，弧隙電壓正好是最大值時，斷路器觸頭間的抗電強度耐受不住高幅值的恢復電壓作用而引起電弧重燃。電弧多次重燃是切除空載線路產(chǎn)生過電壓的根本原因。第61頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

切除空載線路時的等值電路如圖11—21(a)所示，QF代表斷路器，Ls為系統(tǒng)電源等值電感，線路以T形等值電路表示，LL為線路電感，C為線路對地電容。分析時可用圖11—21(b)進行分析，L代表Ls與LL／2合并后的等值電感，通常。ωL《1/ωC。在切除空載長線路(或電容負荷)的過程中，斷路器觸頭之間若發(fā)生電弧多次重燃，將引起電磁能的強烈振蕩，對電容進行反復充電，可能使其電壓愈升愈高，且作用在全部線路上。第62頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖11—22表示了切除空載線路時過電壓的發(fā)展過程。u為電源電壓，Uc為電容上的電壓(即線路對地電壓)，ｉb為電弧電流。在t＝t0時，斷路器QF開斷，產(chǎn)生電弧。當t＝t1時，電流過零電弧熄滅， 假若略去電感和電阻上的壓降，則此時的電容電壓Uc＝一Um(電源電壓幅值)。熄弧后，電容上的電荷無處泄漏，其電壓將保持不變，而電源電壓u仍按正弦規(guī)律變化，由一Um向Um變化，加在斷路器兩觸頭間(稱弧隙)的電壓，即恢復電壓uhf＝u一uc隨著增大。第63頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

在電流過零熄弧后再經(jīng)半個周波，即圖11—22中t2，弧隙恢復電壓升高至2Um。假設此時弧隙被擊穿，接通電路，相當于電源電壓為Um的直流電源經(jīng)電感L突然加在充有電壓為一Um的電容上，將產(chǎn)生以電源電壓Um為基準、幅值為2Um的振蕩充放電過程，電容上的最高電壓可達Um+2Um＝3Um。第64頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

另一方面，弧隙擊穿后將出現(xiàn)高頻電流ｉh，當高頻電流過零時，電容上的電壓已達最大值3Urn，如果高頻電流過零后電弧又熄滅，Uc將保持3Um不變，此后隨著電源電壓又向負方向變化，依此類推，在最不利的條件下，電容電壓將按三、五、七…倍增長。實際上，由于受到一系列復雜因素的影響，過電壓幅值不可能無限增大。 首先是開斷空載線路時，電弧是否會重燃及重燃次數(shù)有多少與斷路器的性能有關。一般而言，油斷路器的重燃次數(shù)較多，壓縮空氣斷路器的重燃次數(shù)較少或不重燃，六氟化硫斷路器一般不會重燃。即使發(fā)生重燃，第65頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

也不一定在電源電壓為最大值并與線路殘余電壓Uc呈反極性的時刻，還有線路電阻的阻尼作用，因此每次電弧重燃時，電容上的電壓升高不會像上述極端條件那么大。 在實際工程中，切除空載線路時曾出現(xiàn)幅值為相電壓幅值4倍多的過電壓。 在超高壓電網(wǎng)中，由于使用了SF6斷路器或帶并聯(lián)電阻的斷路器，基本上消除了電弧重燃現(xiàn)象，也基本上消除了這種過電壓。 我國330kV線路上的試驗結果表明，切除空載長線路多次均未發(fā)生電弧重燃，最大過電壓只測到1．2倍左右，而最大合閘過電壓卻達2倍多一些。第66頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

國外的實測試驗結果也與此大致相符。這就表明，在超高壓電網(wǎng)中，合閘空載線路時的過電壓成了主要矛盾，成為對超高壓電網(wǎng)絕緣水平起決定性作用的因素。第67頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三、空載線路的合閘過電壓 空載線路的合閘有兩種情況：一種是按計劃接通線路的合閘操作，簡稱計劃性合閘或正常合閘；另一種是故障跳合后的自動重合閘。1．計劃性合閘引起的過電壓 對正常合閘，合閘前線路正常，線路上初始電壓為零。在合閘后，電源電壓通過系統(tǒng)等值電感L對空載線路電容C充電，回路中將產(chǎn)生高頻振蕩過程，若不計電阻的阻尼作用，線路上的最高電壓可達2Em，Em為電網(wǎng)工頻相電壓的幅值。這種合閘過電壓并不嚴重。第68頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月2．自動重合閘引起的過電壓 自動重合閘是線路發(fā)生故障跳閘后，斷路器靠重合閘裝置，經(jīng)Δt(約0.3一0.5s)再自動重合。 在中性點直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，非故障相的對地電壓將上升為(1.3—1.4)Em，設上升到1.3Em，斷路器跳閘后非故障相電流過零熄弧時，線路上的殘余電壓Uo也為1.3Em，若不考慮線路的殘余電荷泄漏，則U0＝1.3Em,保持不變。若經(jīng)Δt時間斷路器重合時刻的電源電壓恰好與線路殘余電壓U0反極性，且為峰值-Em，如圖12—23所示的t1時刻，第69頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月則重合閘時的過渡過程中，在不考慮電阻的阻尼作用下，最大過電壓將為

Um＝一Em+(一Em一1.3Em)＝一3.6Em。若考慮重合時，線路殘壓一般比熄弧時已下降了30％，則

U。＝一Em十(一Em一1.3EmX30％)＝一2.91Em

若考慮到重合閘時刻電源電壓不一定恰好為最大值，也不一定和線路殘壓反極性，還有回路電阻的阻尼作用，過電壓就較上述計算值低。

限制合閘過電壓特別是重合閘過電壓的主要措施是，采用帶并聯(lián)電阻或合閘電阻的斷路器。第70頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前我國500kV斷路器上使用的合閘電阻多為400?，國外500kV斷路器的合閘電阻在400～1200?范圍內(nèi)。對于更高電壓等級的電網(wǎng)，要求操作過電壓限制在兩倍以下，斷路器可采用多級并聯(lián)(或合閘)電阻，以更好的限制合閘過電壓， 采用接在線路側的電磁式電壓互感器，以泄放線路殘余電荷，作為降低線路殘留電壓的措施，也能限制此類過電壓。 值得指出，有些國家的高壓斷路器一般沒有合閘電阻，操作過電壓比較嚴重，以氧化鋅避雷器作過電壓保護的第一道防線。 為此要求正常運行時，500kV避雷器不得退出運行，以作為操作過電壓的主保護。第71頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月四、切除空載變壓器引起的過電壓 切除空載變壓器等純電感小電流時，都有可能在被切除的電器和斷路器上出現(xiàn)過電壓。 因為開斷的電流小，輸入電弧中的能量少，而斷路器的滅弧能力又很強，因此往往在電流過零之前的某一電流值(見圖11—24中i。)時，電弧會突然熄滅，這種現(xiàn)象稱為“截流”。電感電路中電流的突變，就會產(chǎn)生很高的過電壓，過電壓的大小與變壓器本身及附近線路的分布電容有關，也與電壓升高過程中電弧是否會重燃有關。 電容增大、電弧重燃(電感中的磁場能返回給電源)都將使過電壓降低。第72頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

我國對110～220kV空載變壓器進行的不少試驗表明：在中性點直接接地電網(wǎng)中，這種過電壓一般不超過相電壓幅值的3倍；在中性點不接地電網(wǎng)中，一般不超過相電壓幅值的4倍。這種過電壓可用避雷器加以限制，采用帶并聯(lián)電阻的斷路器也可限制這種過電壓。第73頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月五、間歇電弧過電壓間歇電弧接地過電壓，一般對中性點不接地系統(tǒng)而言。在中性點不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相金屬接地時，非故障相電壓升高到線電壓。如果單相接地為不穩(wěn)定的電弧接地，即接地點的電弧間歇性地熄滅和重燃，則在電網(wǎng)非故障相和故障相將會出現(xiàn)很高的過電壓。第74頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

限制這種過電壓的措施，通常采用中性點經(jīng)消弧線圈接地，以補償電容電流；或采用中怛電經(jīng)高電阻接地，以利于電弧熄滅。 通過分析計算可知，當接地點發(fā)生間歇性電弧時，在最不利的情況下，非故障相的最大過電壓可達相電壓幅值的3．5倍，故障相最大過電壓為相電壓幅值的2倍。第75頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

第七節(jié)諧振過電壓 電力系統(tǒng)中含有許多電感和電容(包括分布電容)元件，當系統(tǒng)進行斷路器操作或發(fā)生故障時，某些電感、電容元件構成的回路可能發(fā)生串聯(lián)諧振，從而在有關元件上出現(xiàn)嚴重的諧振過電壓。 電力系統(tǒng)中的諧振過電壓不僅會在操作或事故的過渡過程中產(chǎn)生，而且還可能在過渡過程結束以后較長時間內(nèi)穩(wěn)定存在，直到進行新的操作或諧振條件受到破壞為止，所以諧振過電壓的持續(xù)時間比操作過電壓的長得多。 出現(xiàn)串聯(lián)諧振時，過電壓可能危及電氣設備的絕緣，也可能因持續(xù)的過電流而燒壞小容量的電感元件(如電壓互感器等)，還可能影響保護裝置的工作條件，如影響避雷器的滅弧條件等。第76頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

諧振過電壓可在各種電壓等級的電網(wǎng)中產(chǎn)生，尤其是在35kV及以下電壓的電網(wǎng)中，由諧振造成的事故較多，已成為普遍注意的問題，必須在設計和操作時事先進行必要的計算和安排，避免形成不利的諧振回路或采取一定的附加措施(如裝設阻尼電阻等)，以防止諧振的產(chǎn)生或降低諧振過電壓的幅值及縮短其存在時間。 電力系統(tǒng)中的有功負載能起阻尼振蕩和限制諧振過電壓的作用，因此通常只是在空載或輕載下可能發(fā)生諧振。但對零序回路參數(shù)配合不當形成的諧振，是不受系統(tǒng)的正序有功負載影響的。 電力系統(tǒng)中的電容和電阻元件，一般可認為是線性參數(shù)的，而電感元件則不然，有的電感元件可認為是恒定不變(如輸電線的、消弧線圈的——其鐵芯有氣隙)的，有的元件(如空載變壓器、電壓互感器)電感是非線性的。第77頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

此外，還有一些元件的電抗是周期性變化的，例如水輪發(fā)電機(凸極機)的同步電抗就是在直軸電抗Xd與交軸電抗xq之間周期性地變動著，每經(jīng)過一個電周期電抗將變動兩個周期。 按諧振回路中電感元件特性的不同，諧振可分為三種不同的類型，即線性諧振、鐵磁諧振(非線性揩振)和參數(shù)諧振。 線性諧振，就是通常的線性參數(shù)R、L、C串聯(lián)回路的諧振，在一般電工書中都有分析。電感周期變化的參數(shù)諧振較少遇到。第78頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖12—26所示為最簡單的鐵磁諧振電路，由電阻R、電容C和非線性鐵芯電感L串聯(lián)而成。假設在正常運行條件下，鐵芯未飽和，工作于線性段，電感較大，其初始電抗大于容抗(ωL>1/ωC)，電路不具備線性諧振的條件。但是，由于某種原因使鐵芯電感兩端的電壓升高導致鐵芯趨于飽和時，其電感隨之減小，當減小到ωL=1/ωc（ω0=1/=ω

，即回路