电力系统大气过电压及保护课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二篇,电力系统过电压及其防护,第五章 电力系统大气过电压及保护,.,第二篇电力系统过电压及其防护第五章 电力系统大气过电压及,1,主要内容,5.1 雷电放电过程及雷电参数,5.2 防雷保护装置,5.3 输电线路的防雷保护,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,5.5 变压器的防雷保护,5.6 旋转电机的防雷保护,.,主要内容5.1 雷电放电过程及雷电参数.,2,5.1 雷电放电过程及雷电参数,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数.,3,5.1 雷电放电过程及雷电参数,雷电,是自然中最宏伟壮观的现象也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。,早在,18,世纪初，,富兰克林,等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质，随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数雷电是自然中最宏伟壮观的现象也,4,雷电放电实质上是一种超长气隙的,火花放电,，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的,电磁效应、机械效应和热效应。,5.1 雷电放电过程及雷电参数,从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是：,雷电放电在电力系统中引起,很高的雷电过电压,，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一；,产生巨大电流,，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。,.,雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流,5,一、雷电放电的过程,二、雷电参数,三、雷击时计算雷电流的等值电路,5.1 雷电放电过程及雷电参数,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数.,6,5.1 雷电放电过程及雷电参数,一、雷电放电的过程,水滴分裂起电理论,：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。,雷云中的电荷分布,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数一、雷电放电的过程水滴分裂起电,7,雷电放电就其本质而言是,一种超长气隙的火花放电,5.1 雷电放电过程及雷电参数,.,雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电5.1 雷电放电,8,二、雷电参数,5.1 雷电放电过程及雷电参数,为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的,在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个,雷电日T,d,或一个,雷电小时T,h,由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值,年平均雷电日,1、雷暴日及雷暴小时,.,二、雷电参数5.1 雷电放电过程及雷电参数为评价某地区雷电活,9,雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关,T,5.1 雷电放电过程及雷电参数,.,雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关T5.1,10,输电线路年平均遭受雷击的次数,5.1 雷电放电过程及雷电参数,单位：次/100公里年,我国标准对,T,d,=40,的地区，取,地面落雷密度指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里雷电日）,2、地面落雷密度和输电线路落雷次数,.,输电线路年平均遭受雷击的次数5.1 雷电放电过程及雷电参数单,11,主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z,0,的雷道投射到雷击点的波过程。,我国有关规程建议取300400,。,5.1 雷电放电过程及雷电参数,雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为,雷道波阻抗。,3、雷电通道的波阻抗,.,主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击,12,4、雷电的极性,负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。,5.1 雷电放电过程及雷电参数,5、雷电流的幅值,通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波,I,0,的两倍，即,.,4、雷电的极性 5.1 雷电放电过程及雷电参数5、雷电流的幅,13,一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算,5.1 雷电放电过程及雷电参数,6、雷电流的波前时间、陡度及波长,雷电流的波前时间T,1,处于14us的范围内，平均为2.6us。波长T,2,处于20100us的范围内，多数为40us左右。,我国防雷设计采用2.6/40us的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50us。,.,一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算5.1 雷电放电过,14,雷电流波前的平均陡度为,5.1 雷电放电过程及雷电参数,(kA/us),7、雷电流的计算波形,在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形,1、双指数波,.,雷电流波前的平均陡度为5.1 雷电放电过程及雷电参数(kA/,15,5.1 雷电放电过程及雷电参数,2、斜角波,3、斜角平顶波,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数2、斜角波3、斜角平顶波.,16,5.1 雷电放电过程及雷电参数,半余弦波,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数半余弦波 .,17,5.1 雷电放电过程及雷电参数,三、雷击时计算雷电流的等值电路,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数三、雷击时计算雷电流的等值电路,18,5.1 雷电放电过程及雷电参数,流经物体的电流波与被击,物体的波阻抗有关,当,Z,j,=0,时，流经被击物体,的电流定义为雷电流,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数流经物体的电流波与被击.,19,5.1 雷电放电过程及雷电参数,.,5.1 雷电放电过程及雷电参数.,20,主要内容,5.1 雷电放电过程及雷电参数,5.2 防雷保护装置,5.3 输电线路的防雷保护,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,5.5 变压器的防雷保护,.,主要内容5.1 雷电放电过程及雷电参数.,21,5.2 防雷保护装置,一、避雷针和避雷线,二、避雷器,三、防雷接地,.,5.2 防雷保护装置.,22,5.2 防雷保护装置,现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。,.,5.2 防雷保护装置现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要,23,避雷针,保护原理,：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针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。,5.2 防雷保护装置,一、避雷针和避雷线,.,避雷针5.2 防雷保护装置一、避雷针和避雷线.,24,避雷针保护范围,h 30m， P1,30m 65m时，导线上的感应雷过电压的最大值为,（,雷击点接地电阻较大，最大雷电流幅值可采用I100kA进行估算）,感应雷过电压极性与雷云的极性相反,相邻导线同时产生相同极性的感应雷过电压，因此相间不存在电位差，只存在对地闪络的可能，但如果两相或三相同时对地闪络，就会转化为相间闪络事故,在d50m以内雷将被线路吸引而击中线路本身,H,d,： 导线悬挂高度；,S： 雷击点距线路距离。,.,5.3 输电线路的防雷保护（2） 无避雷线时的感应雷过电压,54,5.3 输电线路的防雷保护,（3） 有避雷线时的感应雷过电压,先导电荷产生的电力线有一部分被避雷线截住，即避雷线的屏蔽作用，因而导线上的感应束缚电荷减少，相应的感应电压也减少。,雷电流分别在导线和避雷线的感应电位U,gd,和U,gb,为：,导线和避雷线存在耦合系数k,因此导线电位为：,.,5.3 输电线路的防雷保护（3） 有避雷线时的感应雷过电压,55,5.3 输电线路的防雷保护,当雷直击于导线以外的任何位置而不产生反击时，由于空中电磁场的变化，将会在导线上产生很高的感应雷过电压。研究指出：它与导线的平均高度成正比,当无避雷线时，对一般高度的线路可用下式计算感应雷过电压最大值：,a为感应过电压系数（kV/m），数值上等于雷电流的时间陡度平均值，即aI/2.6（kV/s）,有避雷线时，感应雷过电压最大值：,.,5.3 输电线路的防雷保护当雷直击于导线以外的任何位置而不,56,5.3 输电线路的防雷保护,三、输电线路直击雷过电压,.,5.3 输电线路的防雷保护三、输电线路直击雷过电压.,57,5.3 输电线路的防雷保护,（1） 雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平-反击,.,5.3 输电线路的防雷保护（1） 雷击杆塔塔顶时的过电压和,58,5.3 输电线路的防雷保护,塔顶电位幅值,导线电位幅值,线路绝缘子串上两端电压,感应雷过电压,避雷线在导线上感应电压,.,5.3 输电线路的防雷保护塔顶电位幅值感应雷过电压避雷线在,59,5.3 输电线路的防雷保护,耐雷水平,有避雷线,无避雷线,工程实用中往往以降低Ri和提高k值作为提高输电线路耐雷水平的主要途径。,.,5.3 输电线路的防雷保护耐雷水平.,60,5.3 输电线路的防雷保护,击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。,.,5.3 输电线路的防雷保护击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的,61,5.3 输电线路的防雷保护,2. 雷击避雷线档距中央时的过电压,.,5.3 输电线路的防雷保护2. 雷击避雷线档距中央时的过电,62,5.3 输电线路的防雷保护,流入雷击点的雷电流波为,雷击点的电压,取雷电流为斜角波头：,i,L,=at,雷击处避雷线与导线间的空气间隙上所承受的最大电压,.,5.3 输电线路的防雷保护流入雷击点的雷电流波为.,63,5.3 输电线路的防雷保护,3. 雷绕过避雷线击于导线时的过电压-绕击,.,5.3 输电线路的防雷保护3. 雷绕过避雷线击于导线时的过,64,5.3 输电线路的防雷保护,流经雷击点的雷电流波为,导线上电压为,幅值,绕击时耐雷水平,.,5.3 输电线路的防雷保护流经雷击点的雷电流波为.,65,5.3 输电线路的防雷保护,雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击率,P,。,P,之值与避雷线对边相导线的保护角、杆塔高度,h,t,及线路通过地区的地形、地貌等因素有关。,平原线路,山区线路,.,5.3 输电线路的防雷保护雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率,66,5.3 输电线路的防雷保护,有避雷线线路雷击跳闸率的计算,（1）雷击杆塔时的跳闸率（反击率）,（2）绕击跳闸率（绕击率）,（3）线路的雷击跳闸率,次/100km年,P,1,雷电流超过反击耐压水平的雷电流,P,2,雷电流超过绕击耐压水平的雷电流,.,5.3 输电线路的防雷保护有避雷线线路雷击跳闸率的计算P1,67,5.3 输电线路的防雷保护,1. 架设避雷线,2. 降低杆塔接地电阻,3. 架设耦合地线,4. 采用不平衡绝缘的方式,5. 自动重合闸,6. 采用消弧线圈接地方式,7. 架设线路避雷器,8. 加强绝缘,.,5.3 输电线路的防雷保护1. 架设避雷线.,68,主要内容,5.1 雷电放电过程及雷电参数,5.2 防雷保护装置,5.3 输电线路的防雷保护,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,5.5 变压器的防雷保护,.,主要内容5.1 雷电放电过程及雷电参数.,69,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电,所的雷害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变,电设备的内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自,恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防,雷保护与输电线路相比，要求更严格、措施更严密、可,靠。,变电所中出现的雷电过电压的两个来源：,雷电直击变电所；,沿输电线入侵的雷电过电压波。,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护线路的雷害事故往往只导致电网,70,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,一、 发电厂、变电所的直击雷保护,二、 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护.,71,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,一、 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)。,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护一、 发电厂、变电所的直击雷,72,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,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。,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护 变电所的直击雷防,73,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S,1,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,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护 为了防止避雷针对构架发生,74,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,E,1,、E,2,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针的空气间距和地中距离：,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护E1、E2为空气间隙平均冲击,75,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,二、 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。,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护二、 发电厂、变电所的雷电侵,76,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,（1）避雷器与被保护设备连接一点,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护（1）避雷器与被保护设备连接,77,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,（2）避雷器与被保护设备不在一点,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护（2）避雷器与被保护设备不在,78,5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护,.,5.2 发电厂、变电所的雷电侵入波保护.,79,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,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。,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护被保护绝缘与避雷器间的电气距,80,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,绝缘冲击耐压水平应满足：,阀式避雷器的保护距离：,K,为变电所出线修正系数,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。,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护绝缘冲击耐压水平应满足：避雷,81,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,（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。,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护（3）变电所的进线段保护保证,82,5.4 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,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护进线段的作用：.,83,5.4 发电厂和变电所的防雷保护,流过避雷器的冲击电流,U,b,阀式避雷器的残压，kV,.,5.4 发电厂和变电所的防雷保护流过避雷器的冲击电流Ub阀式,84,5.5 变压器的防雷保护,一、三绕组变压器的防雷保护,二、自耦变压器的防雷保护,三、变压器中性点的保护,.,5.5 变压器的防雷保护.,85,5.5 变压器的防雷保护,一、三绕组变压器的防雷保护,高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，低压侧出现一定过电压。静电分量使低压绕组三相电位同时升高。,措施：在任一相低压绕组出线端加装阀式避雷器。,.,5.5 变压器的防雷保护一、三绕组变压器的防雷保护 高压,86,5.5 变压器的防雷保护,二、自耦变压器的防雷保护,高压侧进波时，应在中压断路器QF2的内侧装设一组阀式避雷器（图中的FV2）进行保护，,中压侧进波时，在高压断路器 QF1的内侧也应装设一组避雷器 （图中的F1）进行保护。,当中压侧接有出线时，还应在AA之间再跨接一组避雷器（图中的FV3）。,自耦变压器典型的保护接线,.,5.5 变压器的防雷保护二、自耦变压器的防雷保护高压侧进波时,87,5.5 变压器的防雷保护,三、变压器中性点的保护,110kV及以上的中性点有效接地系统,1、,中性点为全绝缘时，一般不需采用专门的保护。但在变电所只有一台变压器且为单路进线的情况下，仍需在中性点加装一台与绕组首端同样电压等级的避雷器。,2、,当中性点为降级绝缘时，则必须选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护，同时注意校核避雷器的灭弧电压,35kV及以下的中性点非有效接地系统,变压器的中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置。,.,5.5 变压器的防雷保护三、变压器中性点的保护110kV及以,88,5.6 旋转电机的防雷保护,直配电机的防雷保护特点,绝缘水平低；,易老化；,绝缘水平的配合裕度小；,电机的匝绝缘要求必须把入侵波陡度限制；,需对电机中性点采取保护措施。,.,5.6 旋转电机的防雷保护.,89,7、直配电机的防雷保护,直接与架空线相连的旋转电机（包括发电机、同期调相机、大型电动机等）称为直配电机。因线路上雷电波可以直接传入电机，故其防雷保护显得特别突出。,直配电机的防雷保护包括电机主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘的保护。,直配电机防雷保护的特点：,电机主绝缘的冲击耐压数值低；,保护旋转电机用的磁吹避雷器的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小,.,7、直配电机的防雷保护直接与架空线相连的旋转电机（包括发电机,90,7、直配电机的防雷保护,直配电机的防雷措施：,避雷器保护：限制侵入波幅值,电容器保护：限制侵入波幅值a和降低感应过电压,电缆段保护（进线段保护）：限制流经避雷器中的雷电流小于3kA（对直配电机以3kA下的残压作为设计标准）,电抗器保护：使F,2,可靠动作,电机母线上装设电容C以限制来波陡度,（a）原理接线图 （b）等值电路 Z,g,电机波阻抗,.,7、直配电机的防雷保护直配电机的防雷措施：电机母线上装设电容,91,7、直配电机的防雷保护,有电缆段的电机进线段保护接线,L1-电缆芯线的自感；L2- 电缆外皮的自感； L3- 电缆末端外皮接地线的自感 ；L4- 电缆末端至发电机之间连接线的自感 ；M- 电缆外皮与芯线间的互感；,.,7、直配电机的防雷保护有电缆段的电机进线段保护接线.,92,小结,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、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。,装设阀式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，但是还需要有“进线段保护”与之配合。,进线段的作用：,1）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；,2）限制流过避雷器的冲击电流幅值,.,小结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、,93,