第七章-過電壓保護(hù)課件

第7章 過電壓及其保護(hù)供配電技術(shù)一、過電壓的概念過電壓是指工頻下交流電壓均方根值升高，超過額定值的10%，并且持續(xù)時(shí)間大于1分鐘的長時(shí)間電壓變動(dòng)現(xiàn)象；電工設(shè)備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時(shí)還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。研究各種過電壓的起因，預(yù)測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運(yùn)行都具有重要意義。7.1過電壓及其分類

7.1過電壓及其分類

二、大氣過電壓大氣過電壓又稱雷電過電壓，是由于電力系統(tǒng)的設(shè)備或建(構(gòu))筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應(yīng)而引起的過電壓，因其能量來自系統(tǒng)外部，故又稱為外部過電壓。雷電過電壓有兩種基本形式：直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。7.1過電壓及其分類1．直擊雷過電壓雷云——雷電先導(dǎo)——迎雷先導(dǎo)——主放電階段——余輝放電主放電電流很大，高達(dá)幾百千安，但持續(xù)時(shí)間極短，一般只有50～100μs。余輝放電階段電流較小，約幾百安，持續(xù)時(shí)間約為0.03～0.15s。7.1過電壓及其分類雷電流波形

雷電流由零增大到幅值的這段時(shí)間的波形稱為波頭τwh(wavehead)。雷電流從幅值衰減到幅值的一半的一段波形稱為波尾τwt(wavetail)。雷電波的陡度α用雷電流波頭部分的增長速度來表示，即。7.1過電壓及其分類2．感應(yīng)雷過電壓所謂感應(yīng)雷過電壓，是指當(dāng)架空線附近出現(xiàn)對地雷擊時(shí)，在輸電線路上感應(yīng)的雷電過電壓。

7.1過電壓及其分類三、內(nèi)部過電壓內(nèi)部過電壓是由于操作、故障或某些非正常運(yùn)行狀態(tài)，在使電力系統(tǒng)由一種穩(wěn)態(tài)過渡到另一種穩(wěn)態(tài)的過程中，系統(tǒng)內(nèi)部電源能量的振蕩、互相轉(zhuǎn)換及重新分布時(shí)，在某些設(shè)備上或系統(tǒng)中出現(xiàn)的過電壓。內(nèi)部過電壓一般不會超過系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)相電壓的3～4倍，因此對電力線路和電氣設(shè)備絕緣的威脅不是很大。操作過電壓諧振過電壓

7.1過電壓及其分類限制內(nèi)部過電壓的措施（1）采用滅弧能力強(qiáng)的快速高壓斷路器，在斷路器主觸頭上并聯(lián)電阻(約3000Ω)，在并聯(lián)電阻上串聯(lián)一個(gè)輔助觸頭，以減少電弧重燃的次數(shù)，控制操作過電壓的倍數(shù)。（2）裝設(shè)磁吹避雷器或氧化鋅避雷器。（3）對于對地電容電流大的網(wǎng)絡(luò)，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，限制電弧接地過電壓。（4）增加對地電容或減少系統(tǒng)中電壓互感器中性點(diǎn)接地的臺數(shù)，即增加母線對地的感抗，從而減小固有自振頻率，避免因系統(tǒng)擾動(dòng)而發(fā)生母線鐵磁諧振過電壓。7.2防雷保護(hù)裝置一、避雷針避雷針的作用是保護(hù)露天變配電設(shè)備及建筑物等免遭直擊雷的危害。避雷針由承受雷擊的接閃器、支持構(gòu)架、接地引下線和接地體四部分構(gòu)成。保護(hù)范圍（參考高電壓技術(shù)）7.2防雷保護(hù)裝置二、避雷線避雷線一般用截面不小于25mm2的鍍鋅鋼絞線，架設(shè)在架空線路的上邊，以保護(hù)架空線路或其他物體免遭直接雷擊。避雷線的功能和原理與避雷針基本相同。三、避雷帶和避雷網(wǎng)避雷帶和避雷網(wǎng)主要用來保護(hù)其所處的整幢高層建筑物免遭雷擊。7.2防雷保護(hù)裝置四、避雷器（防護(hù)雷電入侵波對電氣設(shè)備產(chǎn)生危害）

1．保護(hù)間隙保護(hù)間隙又稱放電間隙，是最簡單的防雷保護(hù)裝置，它由主間隙S1、輔助間隙S2和支持瓷瓶組成。主間隙按結(jié)構(gòu)型式不同，分為棒型、環(huán)型和角型。當(dāng)供電系統(tǒng)遭到大氣過電壓時(shí)，保護(hù)間隙S1作為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)首先擊穿，并將雷電流釋放到地中.輔助間隙S2的作用是為了防止主間隙被異物短路引起誤動(dòng)作。保護(hù)間隙構(gòu)造簡單，成本低廉，維護(hù)方便，但由于無專門滅孤裝置，滅弧能力很差。規(guī)程規(guī)定，在具有自動(dòng)重合閘的線路中和管型避雷器或閥型避雷器的參數(shù)不能滿足安裝地點(diǎn)的要求時(shí)，可以采用保護(hù)間隙。7.2防雷保護(hù)裝置2．管型避雷器管型避雷器由產(chǎn)氣管、內(nèi)部間隙和外部間隙三部分組成。產(chǎn)氣管由纖維、有機(jī)玻璃或塑料制成。內(nèi)部間隙裝在產(chǎn)氣管內(nèi)部，一個(gè)電極為棒形，另一個(gè)電極為環(huán)形。外部間隙設(shè)在避雷器和帶電的導(dǎo)體之間，其作用是保證正常時(shí)避雷器與電網(wǎng)的隔離，避免纖維管受潮漏電。由于管型避雷器伏秒特性較陡，不易與變壓器的伏秒特性相配合，且在動(dòng)作時(shí)有氣體噴出，因此，管型避雷器主要用于室外線路上。7.2防雷保護(hù)裝置3．閥型避雷器

閥型避雷器由裝在密封磁套管中的火花間隙組和具有非線性電阻特性的閥片串聯(lián)組成。

7.2防雷保護(hù)裝置火花間隙組是根據(jù)額定電壓的不同采用若干個(gè)單間隙疊合而成。每個(gè)間隙由兩個(gè)黃銅電極和一個(gè)云母墊圈組成。由于兩黃銅電極間間距小，面積較大，因而電場較均勻，可得到較平緩的放電伏秒特性。單個(gè)平板型火花間隙1－黃銅電極；2－云母片7.2防雷保護(hù)裝置閥片是由金剛砂（SiC）和結(jié)合劑在一定的高溫下燒結(jié)而成，具有良好的非線性特性和較高的通流能力。閥片的電阻值隨著所加電壓變化而變化，當(dāng)閥片上所加電壓增大時(shí)，電阻值減?。划?dāng)閥片上電壓減小時(shí)，電阻值增大。這樣，在通過較大雷電流時(shí)，使避雷器上出現(xiàn)的殘壓不會過高，對較小的工頻續(xù)流又能加以限制，為火花間隙的切斷續(xù)流創(chuàng)造了良好的條件。由于閥型避雷器具有伏秒特性比較平緩，殘壓較低的特點(diǎn)，因此，常用來保護(hù)變電所中的電氣設(shè)備。7.2防雷保護(hù)裝置4．金屬氧化物避雷器金屬氧化物避雷器又稱壓敏避雷器。它在結(jié)構(gòu)上沒有火花間隙，由氧化鋅或氧化鉍等金屬氧化物燒結(jié)而成的壓敏電阻片（閥片）組成。這種避雷器的閥片具有優(yōu)異的非線性伏安特性，在工頻電壓下，閥片具有極大的電阻，呈絕緣狀態(tài)，能迅速有效的阻斷工頻續(xù)流，因此無需火花間隙來熄滅工頻電壓引起的電?。划?dāng)電壓超過一定值（稱為起動(dòng)電壓）時(shí)，閥片“導(dǎo)通”，呈低阻狀態(tài)，將大電流泄入地中；當(dāng)危險(xiǎn)過電壓消失以后，閥片迅速恢復(fù)高阻絕緣狀態(tài)。金屬氧化物避雷器具有無間隙、無續(xù)流、通流量大、殘壓低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此很有發(fā)展前途，世界上許多國家都已用它取代了碳化硅閥式避雷器。

7.2防雷保護(hù)裝置五、避雷器與被保護(hù)物絕緣的伏秒特性配合電氣設(shè)備的沖擊絕緣強(qiáng)度是用伏秒特性表示。所謂伏秒特性，即絕緣材料在不同幅值的沖擊電壓作用下，其沖擊放電電壓與對應(yīng)的起始放電時(shí)間的關(guān)系。避雷器要能可靠的保護(hù)該設(shè)備，其伏秒特性必須低于被保護(hù)物的伏秒特性，并且要留有一定的間距，這樣才能保證在同一沖擊電壓作用下，避雷器總是首先擊穿對地放電。

7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)一、防直擊雷（避雷針）變電所內(nèi)如下設(shè)備和建筑物應(yīng)該有直擊雷保護(hù)裝置：（1）屋外的配電裝置（包括母線廊道、架空母線橋、軟連線等）；（2）遭受雷擊后可能引起火災(zāi)的建筑物，例如露天的油箱和油設(shè)備等建筑物以及易燃材料的倉庫；（3）有爆炸危險(xiǎn)的建筑物，例如氫氣設(shè)備和乙炔發(fā)生裝置等；（4）雷擊后可能引起力學(xué)性能破壞的高大建筑物，例如煙囪、冷卻塔和變壓器修理間等。7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)防護(hù)雷電流反擊的措施如圖所示，當(dāng)雷擊避雷針以后，雷電流沿接地引下線入地，在A、B兩點(diǎn)產(chǎn)生高電位。若避雷針與被保護(hù)物之間的空中距離Sa或它們的接地體在土壤中的距離Se不能承受A、B兩點(diǎn)的高電位，就會造成Sa或Se間隙擊穿或閃絡(luò)，這種現(xiàn)象稱為反擊。為了防止反擊的發(fā)生，避雷針必須與被保護(hù)物之間保持一定的安全距離。7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)防護(hù)雷電流反擊的措施式中h——被保護(hù)物的高度，m；

L0——避雷針上單位長度的電感，常取1.3μH/m；

Rsh——避雷針的沖擊接地電阻，Ω；

i——雷電流，kA，從安全考慮常取幅值為150kA；

——雷電流陡度，kA/μs，若為斜角波頭，且波頭長為2.6μs，則最大陡度。

若取雷電壓的電阻分量對空氣間隙的擊穿強(qiáng)度為500kV/m，雷電壓的電感分量對空氣間隙的擊穿強(qiáng)度為700kV/m，則避雷針對被保護(hù)物不發(fā)生反擊的最小安全距離工程上常取：

獨(dú)立避雷針的接地體與被保護(hù)物的接地體在地中也應(yīng)保持一定的安全距離，同樣可得：一般情況下，Sa不允許小于5m，Se不應(yīng)小于3m。7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)二、雷電入侵波的防護(hù)1．沖擊波沿導(dǎo)線傳播的基本規(guī)律雷電沖擊波行進(jìn)的速度只與線路導(dǎo)線的分布電感和導(dǎo)線對地的分布電容有關(guān)，電壓波和電流波幅值之比的關(guān)系為：式中：L0——導(dǎo)線的分布電感，H/m；

C0——導(dǎo)線的對地分布電容，F(xiàn)/m。Z稱為波阻抗7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)波阻抗與歐姆定律的區(qū)別兩者雖然形式上一樣，但物理意義不同。歐姆定律反映的是直流穩(wěn)態(tài)下電壓和電流的關(guān)系，而波阻抗反映的是沿導(dǎo)線傳播的沖擊波電壓和沖擊波電流之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。它只決定于線路導(dǎo)線本身的分布參數(shù)L0、C0，而與導(dǎo)線長度和線路終端負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)。架空線路波阻抗約為400～500Ω，電纜線路波阻抗約為10～50Ω。

7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)2．35～110kV變電所的進(jìn)線保護(hù)進(jìn)線保護(hù)的目的在于防止線路上落雷后雷電波侵入變電所，危害變電所的配電裝置。不采用全線裝設(shè)避雷線的線路，可以在進(jìn)線段1～2km內(nèi)架設(shè)避雷線，防護(hù)直接雷擊，還可以使感應(yīng)雷過電壓產(chǎn)生在1～2km以外，靠進(jìn)線段本身的阻抗起限流作用，降低雷電沖擊波的幅值和陡度。為了限制線路上遭受直擊雷產(chǎn)生的高電壓，該線路進(jìn)線段的首端，裝設(shè)一組管型避雷器F1，且其工頻接地電阻應(yīng)在10Ω以下。

在靠近隔離開關(guān)或斷路器QF1處裝設(shè)一組管型避雷器F2，防止線路上的雷電波侵入到隔離開關(guān)或斷路器開路處由于反射而形成兩倍侵入波幅值的電壓，損壞隔離開關(guān)或斷路器。F2的外間隙應(yīng)調(diào)整于正常運(yùn)行時(shí)不被擊穿。

閥型避雷器F3保護(hù)價(jià)值高而絕緣相對薄弱的變壓器。

播放動(dòng)畫7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)4.配電變壓器的防雷保護(hù)

在供配電系統(tǒng)中，常常在變壓器的高壓側(cè)裝設(shè)閥型避雷器作為變壓器的防雷保護(hù)。對于Y/Yn0接線的變壓器，一般把外殼、中性點(diǎn)與避雷器共同接地。

9.4供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)4．高壓電動(dòng)機(jī)的防雷保護(hù)在運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)繞組的安全沖擊耐壓值常低于磁吹閥型避雷器的殘壓，因此單靠避雷器構(gòu)成的高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)不夠完善，必須與電容器和電纜線段等聯(lián)合組成保護(hù)。

當(dāng)侵入波使管型避雷器F1擊穿后，電纜首端的金屬外皮和芯線間被電弧短路，由于雷電流頻率很高和強(qiáng)烈的趨膚效應(yīng)使雷電流沿電纜金屬外皮流動(dòng)，而流過電線芯線的雷電流很小。同時(shí)，由于電纜和架空線的波阻抗不同（架空線約400～500Ω，電纜約10～50Ω），雷電波在架空線與電纜的連接點(diǎn)上會發(fā)生折射與反射。雷電波侵入電纜以后，電壓波幅值已經(jīng)大大降低。

采用F2與電容器C并聯(lián)來降低母線上侵入波的波幅值和波陡度，保護(hù)中性點(diǎn)的絕緣。7.3供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)三、架空線路的防雷措施（1）架設(shè)避雷線（2）提高線路本身的絕緣水平（3）利用三角形排列的頂線兼作防雷保護(hù)線 （4）加強(qiáng)絕緣弱點(diǎn)的保護(hù)（5）裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置

7.4保護(hù)接地接地的類型

按接地目的和作用不同，可分為工作接地和保護(hù)接地兩大類。電力系統(tǒng)由于運(yùn)行和安全的需要，常將發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn)以及避雷器、避雷針的接地端與大地連接，稱為工作接地。為避免觸電事故的發(fā)生，保障人身安全而將電氣設(shè)備的金屬外殼進(jìn)行接地，稱為保護(hù)接地。這種接地方式可以起到降低觸電電壓，迅速切斷故障設(shè)備或降低電氣設(shè)備對地的絕緣水平等作用。如果設(shè)備外殼接地，則由于人體電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接地電阻，即使人體觸及外殼，流經(jīng)人體的電流較小，沒有多大危險(xiǎn)。保護(hù)接地的基本原理如果電氣設(shè)備的外殼未接地，當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生一相碰殼而使其外殼帶電時(shí)，人體觸及外殼，則電流經(jīng)人體而構(gòu)成通路，造成觸電危險(xiǎn)。

7.4保護(hù)接地接地裝置1.接地裝置的構(gòu)成

接地裝置由接地體和接地線兩部分構(gòu)成。接地體分為水平接地體和垂直接地體。垂直接地體通常采用直徑50mm，長2～2.5m的鋼管或50×50×5mm，長2.5m的角鋼，打入地中與大地直接相連。水平接地體一般采用扁鋼或角鋼，將垂直接地體連接起來。連接于接地體與電氣設(shè)備金屬外殼之間的金屬導(dǎo)線，稱為接地線。接地線通常采用25×4mm或40×4mm的扁鋼或直徑16mm的圓鋼。7.4保護(hù)接地2.接地裝置的散流效應(yīng)

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，電流經(jīng)接地裝置是以半球面形狀向大地散開的，稱為散流效應(yīng)。在距接地體20m左右處，散流電阻趨近于零，該處電位也接近于零，稱為電氣上的“地”。

7.4保護(hù)接地3.接觸電壓與跨步電壓由于