9過電壓及絕緣

1、4.9 過電壓及絕緣,考試大綱9.1 了解電力系統(tǒng)過電壓的種類9.2 了解雷電過電壓的特性9.3 了解接地和接地電阻、接觸電壓和跨步電壓的基本概念9.4 了解氧化鋅避雷器的基本特性9.5 了解避雷針、避雷線保護范圍的確定,9.1 電力系統(tǒng)過電壓的種類,電力系統(tǒng)內部的過電壓主要有： （1）工頻過電壓：由于電網運行方式的突然改變，引起某些電網工頻電壓的升高。 （2）操作過電壓：由于電網內開關操作引起的過電

2、壓。 （3）諧振過電壓：由系統(tǒng)電感和電容組成的諧振回路引起的過電壓。,9.1.1 工頻過電壓,工頻電壓升高包括： （1）突然甩負荷引起的工頻電壓升高； （2）空載線路末端的電壓升高； （3）發(fā)電機自勵磁； （4）系統(tǒng)不對稱短路時的電壓升高。,9.1.1 工頻過電壓,1．突然甩負荷引起的工頻電壓升高 （1）發(fā)電機電樞反應的變化引起的工頻電壓升高 一般系統(tǒng)所帶的是感性負荷，感性負荷的電流對發(fā)電機起

3、去磁的電樞反應，當系統(tǒng)突然甩掉負荷時，這個去磁的電樞反應也隨之消失，但根據磁鏈守恒原理，穿過勵磁繞組的磁通來不及變化，故發(fā)電機端電壓將升高到 。同時，甩掉感性負荷的長線路呈容性，容性的電流又對發(fā)電機起助磁的電樞反應。,,,9.1.1 工頻過電壓,線路上的電壓將為：式中 ——線路的等值容抗，?； ——同步發(fā)電機縱軸暫態(tài)電抗，?； ——變壓器的短路電抗，?。 對于110～220kV或

4、更低電壓的線路 ，電壓約上升20％～30％；對超高壓遠距離的輸電線路，其末端電壓能達到更高的數值。,,,,,9.1.1 工頻過電壓,（2）發(fā)電機轉速上升引起的工頻電壓升高 發(fā)電機突然甩負荷后，由于發(fā)電機的調速器及調壓器來不及起作用，發(fā)電機的轉速將要上升，而電壓幾乎隨著轉速的上升成正比增加。設 表示以發(fā)電機額定轉速為基準值的標么轉速，則線路工頻電壓的升高為： 對汽輪機， 值平均為1.1～1.

5、15，對水輪機， 為1.2～1.3，相應的工頻電壓升高約為10％～15％及20％～30％。,,,9.1.1 工頻過電壓,母線及輸電線上的電壓，由于突然甩負荷，可達額定值的1.2～1.3倍。當線路電容較大時，此值還可能更高。這種電壓上升時間約為幾分之一秒，但實際上受機組調壓器、調速器以及變壓器、發(fā)電機磁飽和的限制，實際電壓上升視具體情況而定。,9.1.1 工頻過電壓,2．空載線路末端的電壓升高 線路越長，電感、電容越大，線路

6、常數越小，空載線路末端電壓也就越高，這也就是常說的長線路的電容效應。 《導則》規(guī)定，線路末端電壓不能超過系統(tǒng)額定電壓的1.15倍，持續(xù)時間不應大于20min，因此，在給線路充電時，必須估算可能產生的過電壓，當可能產生的過電壓超過允許值時，要采取相應措施。特別對500kV線路，連同電抗器一起充電，是限制其末端電壓升高的有效手段。,9.1.1 工頻過電壓,3．發(fā)電機的自勵磁 電力系統(tǒng)中，水輪發(fā)電機正常運行時，其電抗在

7、 之間呈周期變化；在異步運行時，無論水輪發(fā)電機或汽輪機發(fā)電機，它們的電抗在 之間周期變化，變化頻率均為工頻的二倍，如發(fā)電機帶有空載線路，其容抗參數與發(fā)電機感抗配合得當就可能引起參數共振，此時發(fā)電機勵磁電流很小，甚至為零，發(fā)電機端電壓和電流幅值也會急劇上升。這種現象稱為發(fā)電機自勵磁。在各種電壓等級的電網中，都可能產生自勵磁過電壓。,,,9.1.1 工頻過電壓,4．不對稱短路時的電壓升高 在發(fā)生不對稱短路時，非故

8、障相電壓將升高。,9.1.2 操作過電壓,常見的操作過電壓有： （1）切除空載線路引起的過電壓； （2）切除空載變壓器的過電壓。 （3）電弧接地過電壓； （4）電感性負載的拉閘過電壓； （5）空載線路合閘時的過電壓；,9.1.2 操作過電壓,1．切除空載線路時的過電壓 切斷空載線路或并聯(lián)電容器組時，可能引起電感-電容回路振蕩過程，引起過電壓，產生電弧重燃，引起電氣設備的多次絕緣閃絡

9、或擊穿事故。 用開關切除空載線路時，可能在線路或母線側出現危險的過電壓。在工頻條件下，由于，空載線路表現為一個等值的電容負荷，所以切除空載長線時產生的過電壓與切除電容器組時產生的過電壓性質完全相同。,9.1.2 操作過電壓,2．切除空載變壓器引起的過電壓 切除空載變壓器是電網中常見的一種操作形式。在正常運行的情況下，空載變壓器表現為一個勵磁電感（它的漏感較小得多，可以忽略），因此切除空載變壓器也即是切除電感負載。 切

10、除電動機、電抗器時，開關中的電感電流突然被切斷，電感中儲存的電能將在被切除的電器和開關上引起過電壓。,9.1.2 操作過電壓,3．弧光接地過電壓 在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，各相的相電壓升高，則流過故障點的接地電流也隨著增加，許多暫時性的單相弧光接地故障往往能自行熄滅，在接地電流不大的系統(tǒng)中，不會產生穩(wěn)定的電弧，這種間歇性的電弧引起系統(tǒng)運行方式瞬息變化，導致多次重復性電磁振蕩，在無故障相和故障相上產生嚴重的弧光過電

11、壓。,9.1.2 操作過電壓,4．電感性負載的拉閘過電壓 當切除電感性負載時，由于斷路器強制熄弧，隨著電感電流的遮斷，電感中的磁能將轉為靜電能，出現過電壓。,9.1.2 操作過電壓,5．空載線路的合閘過電壓 系統(tǒng)在合閘初瞬間的暫態(tài)過程中，電源電壓通過系統(tǒng)的電感和電容，在回路中會發(fā)生諧振，因起過電壓。,9.1.3 諧振過電壓,電力系統(tǒng)中具有許多非線性鐵心電感元件，它們和系統(tǒng)中的電容元件組成許多復雜的振蕩回路，可能

12、激發(fā)起持續(xù)時間較長的鐵磁諧振過電壓。 鐵磁諧振過電壓，可以是基波諧振，可以是高次諧波諧振，也可以是分次諧波諧振。 鐵磁諧振過電壓可以在3～500kV的任何系統(tǒng)中甚至在有載長線的情況下發(fā)生，過電壓幅值一般不超過1.5～2.5倍的系統(tǒng)最高運行相電壓，個別可達3.5倍。諧振過電壓持續(xù)時間可達十分之幾秒以上，不能用避雷器限制。 鐵磁諧振過電壓表現形式可能是單相、兩相或三相對地電壓升高，或以低頻擺動，或產生高值

13、零序電壓分量。,9.1.3 諧振過電壓,常見的發(fā)生鐵磁諧振過電壓的情況有： （1）各相不對稱斷開時的過電壓 （2）配在中性點絕緣系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓 （3）開關斷口電容與母線PT之間的串聯(lián)諧振過電壓 （4）傳遞過電壓,9.1.3 諧振過電壓,1．各相不對稱斷開時的過電壓 線路只斷開一相或兩相的情況叫作不對稱斷開。當線路末端接有中性點絕緣的空載或輕載變

14、壓器時，不對稱斷開可能引起鐵磁諧振過電壓。若變壓器中性點直接接地，則不會產生此種類型的過電壓。,9.1.3 諧振過電壓,2．在中性點絕緣系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓 電壓互感器通常接在變電所或發(fā)電機的母線上，其一次側繞組接成星形，中性點直接接地，因此各相對地勵磁電感與導線對地電容之間各自組成獨立的振蕩回路，并可看成是對地的三相負荷。 在正常運行條件下，三相對地負荷是平衡的，電網的中性點處在零電位

15、。當電網發(fā)生沖擊擾動時，可能使一相或兩相的對地電壓瞬間提高。使得相互感器的勵磁電流突然增大而發(fā)生炮和，其等值勵磁電感相應減小，這樣，三相對地負荷變成不平衡了，中性點就發(fā)生位移電壓。結果可能使一相對地電壓升高，另外兩相則降低；也可能使兩相對地電壓升高，另一相降低，一般后者常見，這就是基波譜振的表現形式。,9.1.3 諧振過電壓,3．開關斷口電容與母線PT之間的串聯(lián)諧振過電壓 當母線較短，且接有電磁式電壓互感器，母線在空載充電

16、狀態(tài)下，當線路開關跳閘，線路上的電源電壓作用于開關的斷口并聯(lián)電容和電壓互感器上。由于系統(tǒng)電源中性點是直接接地的，PT也是三相分立中性點直接接地的。網絡在正常運行條件下， 和 并聯(lián)于系統(tǒng)電源，回路是穩(wěn)定的。當斷路器斷開后，斷口的均壓電容 和PT的電感 構成了鐵磁諧振回路條件。,,,9.1.3 諧振過電壓,4．傳遞過電壓 電網中發(fā)生不對稱接地故障，開關非全相或不同期動作時，網內將出現零序電壓和三相電流不對

17、稱，通過電容的靜電耦合和電感的電磁耦合，對于相鄰的送電線路之間或變壓器繞組之間會產生電壓的傳遞現象。當系統(tǒng)接有電壓互感器等鐵磁元件時，還可能構成串聯(lián)諧振回路，產生線性諧振或鐵磁諧振傳遞過電壓。,9.2.1 雷電放電過程,放電開始時，微弱發(fā)光通道以107～108cm/s的平均速度以斷續(xù)脈沖形式向地面伸長，這一階段稱為先導放電。 當先導到達地面或與迎面先導會合后，就開始從地面向雷云發(fā)展的主放電階段。在主放電階段中，雷云與大地之間所聚焦

18、的大量電荷發(fā)生強烈“中和”，放出能量，發(fā)出強烈的閃光和震耳的雷鳴。主放電持續(xù)時間約為50?s～100?s。 隨后進入持續(xù)時間為0.05s～0.15s的間歇階段，雷云中的殘余電荷經原先的主放電通道向地面?zhèn)鞑ィ纬捎噍x階段。 在第一次放電過程完成之后，還可能發(fā)生第二次或隨后多次的放電，這是因為雷云中存在著多個空間電荷聚焦中心。,9.2.2 雷電參數,1．雷電日與雷電小時 為了表示不同地區(qū)雷電活動的頻繁程度，通常利用

19、每年平均雷電日為計量單位。 雷電日的定義是在一天內只要聽到雷聲（一次或一次以上）就算一個雷電日。在不同年份觀測到的雷電日數變化較大，一般是取多年的平均值，即年平均雷電日。 我國把年平均雷電日不超過15的地區(qū)叫做少雷區(qū)；超過15但不超過40地區(qū)叫中雷區(qū)；超過40不超過90地區(qū)叫多雷區(qū)，超過90及根據運行經驗雷害特殊重地區(qū)的叫強雷區(qū)。,9.2.2 雷電參數,2．地面落雷密度 雷云對地放電的頻繁程度，用地面落雷密度表

20、示，其定義是每個雷電日每平方公里上的年平均落雷次數。 式中 ——年平均密度，次/km2?a； ——年平均雷暴日，d/a。,,,,9.2.3 雷電流與雷電過電壓的近似表示,對于單極性的雷電流和雷電暫態(tài)過電壓脈沖波形，通常采用幅值、波頭時間和波長時間等三個參數加以描述. 對于振蕩型波形，還要附加上主振頻率這個參數。,9.2.3 雷電流與雷電過電壓的近似表示,1．雷電流幅值的累積概率 對于年平均

21、雷電日大于20的地區(qū)，我國傳統(tǒng)采用以下經驗公式來表示雷電流幅值累積概率： （4-9-7）式中 ——雷電流幅值，kA； ——表示雷電流幅值 超過的概率。,,,,9.2.3 雷電流與雷電過電壓的近似表示,2．波頭時間 先由縱軸上的0.1、0.9和1.0三個刻度分別作三條平行于橫軸的平行線，前兩條平行線分別與波形曲線的波頭部分相交于A、B兩點，過A、B

22、兩點作一條直線，該直線 波頭與波長時間定義的作圖方法示意 與第三條平行線和橫軸分別交于C、D兩點，由C點引橫軸的垂線，其垂足E點與D點之間的時間即定義為波頭時間，用 表示。,,,9.2.3 雷電流與雷電過電壓的近似表示,為了定義波長時間，再由縱軸上0.5刻度作橫軸的平行線，該平行線與波形曲線的波尾部分相交于F點，從F點引橫軸的垂線，其垂足G點與D點之間的時間即定義為波長時間，用 表示。由 波

23、頭與波長時間定義的作圖方法示意 于波長時間也是波形曲線衰減到半幅值所需要的時間,它習慣上也被稱為半幅值時間。,,9.2.4 感應過電壓,1．靜電感應 當線路或設備附近發(fā)生雷云放電時，雖然雷電流沒有直接擊中線路或設備，但在導線上會感應出大量的和雷云極性相反的束縛電荷，當雷云對大地上其他目標放電后，雷云中所帶電荷迅速消失，導線上的感應電荷就會失去雷云電荷的束縛而成為自由電荷，并以光速向導線兩端急速涌去，從而出現過電壓，稱為

24、靜電感應過電壓。 一般由雷電引起局部地區(qū)感應過電壓，在架空線路可達300～400kV，在低壓架空線路上可達100kV，在通信線路上可達40～60kV。,9.2.4 感應過電壓,2．電磁感應 由于雷電流有極大的峰值和陡度，在它周圍有強大的變化電磁場，處在此電磁場中的導體會感應出極大的電動勢，使有氣隙的導體之間放電，產生火花，引起火災。 由雷電引起的靜電感應和電磁感應統(tǒng)稱為感應雷（又叫二次雷）。解決

25、的辦法是將建筑物的金屬屋頂、建筑物內的大型金屬物品等，做良好的接地處理，使感應電荷能迅速流向大地，防止在缺口處形成高電壓和放電火花。,9.2.5 直擊雷過電壓,帶電的雷云與大地上某一點之間發(fā)生迅猛的放電現象，稱作直擊雷。當雷云通過線路或電氣設備放電時，放電瞬間線路或電氣設備將流過數十萬安的巨大雷電流，此電流以光速向線路兩端涌去，大量電荷將使線路發(fā)生很高的過電壓，勢必將絕緣薄弱處擊穿而將雷電流導入大地，這種過電壓為直擊雷過電壓。

26、 直擊雷電流（在短時間內以脈沖的形式通過）的峰值有幾十千安，甚至上百千安。雷電流的峰值時間（從雷電流上升到1/2峰值開始，到下降到1/2峰值為止的時間間隔）通常有幾微秒到幾十微秒。 防止直擊雷的措施主要采取避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網作為接閃器，把雷電流接受下來，通過接地引下線和接地裝置，將雷電流迅速而安全送到大地。,9.2.6 雷電波的侵入,雷電波的侵入主要是指直擊雷或感應雷從輸電線路、通信光纜、無線天線等金屬的引

27、入線引入建筑物內，發(fā)生閃擊和雷擊事故。 由于直擊雷在建筑物或建筑物附近入地，通過接地網入地時，接地網上會有數十千伏到數百千伏的高電位，這些高電位可以通過系統(tǒng)中的N線、保護接地線或通信系統(tǒng)的地線，以波的形式傳入室內，沿著導線的傳播方向擴大范圍。 防止雷電波侵入的主要措施是在輸電線路等能夠引起雷電波侵入的設備，在進入建筑物前裝設避雷器保護裝置，它可以將雷電高電壓限制在一定的范圍內，保證用電設備不被高電壓沖擊擊穿。,9

28、.3.1 接地,地：通常將距接地體或接地短路點20米以外，電位等于零的地方，稱為電氣上的“地”或“大地”。 對地電壓：電氣設備的接地部分，如接地體、接地的外殼等，與零電位的“大地”之間的電位差，稱為電氣設備接地部分的對地電壓，或稱接地裝置的電位。 接地：指將地面上的金屬物體或電氣回路中的某一節(jié)點通過導體與大地相連，使該物體或節(jié)點與大地保持等電位。,9.3.2 接地電阻,接地點處的電位 與接地電流 的比

29、值定義為該點的接地電阻 （4-9-10） 當接地電流 為定值時，接地電阻 愈小，則電位 愈低，反之則愈高。此時地面上的接地物體（例如變壓器外殼），也具有了電位 。 埋入地中的金屬接地體稱為接地體。最簡單的接地體就是單獨的金屬管、金屬板或金屬帶。由于金屬的電阻率遠小于土壤電阻率，所以接地體本身的電阻在接地電阻中可以忽略不計。,,,,,9.3.3

30、接觸電壓和跨步電壓,1. 接觸電壓 當電氣設備發(fā)生接地故障，接地電流流過接地體向大地流散時，大地表面形成分布電位。在地面上離設備水平距離為0.8米處與沿設備外殼離地面垂直距離1.8米處兩點之間的電位差，稱為接觸電勢。 人站在發(fā)生接地故障的電氣設備旁邊，手觸及設備的外露可導電部分，則人所接觸的兩點（如手與腳）之間所呈現的電位差，稱為接觸電壓。,9.3.3 接觸電壓和跨步電壓,2. 跨步電壓 在故障設備

31、周圍的地面上，水平距離為0.8米的兩點間的電位差，稱為跨步電勢。 人在接地故障點周圍行走，兩腳之間（人的跨步一般按0.8米計算）所呈現的電位差，稱為跨步電壓。 考慮到人腳下的土壤電阻，所以接觸電壓和跨步電壓，應小于接觸電勢和跨步電勢。,9.4 氧化鋅避雷器,1. 理想的非線性伏安特性 ZnO的伏安特性如圖所示，可分為小電流區(qū)、非線性區(qū)和飽和區(qū)。在1mA以下的區(qū)域為小電流區(qū)，非線性系數較高，在0.2左右，

32、電流在1mA到3kA范圍內， 避雷器的伏安特性 通常為非線性區(qū)，值在0.02～0.05左右，電流大于3kA，一般進入飽和區(qū)，隨電壓的增加電流增長不快。,9.4 氧化鋅避雷器,2. 氧化鋅的優(yōu)點 （1）無間隙。在工作電壓作用下，ZnO實際上相當一絕緣體，工作電壓不會使閥片燒壞，可以不用串聯(lián)間隙來隔離工作電壓。 （2）無續(xù)流。當作用在閥片上電壓超過某一值時，將發(fā)生“導通”，其后，ZnO閥片上的殘壓受其良好

33、的非線性特性所控制，當系統(tǒng)電壓降至起始動作電壓以下時，ZnO的“導通”狀態(tài)終止。相當于一絕緣體，不存在工頻續(xù)流。也可使用于直流輸電系統(tǒng)。 （3）電氣設備所受過電壓可以降低。ZnO避雷器在整個過電壓過程中都有電流流過，降低了作用在變電站電氣設備上的過電壓。 （4）通流容量大。ZnO避雷器的通流容量較大，可以用來限制內部過電壓。,9.4 氧化鋅避雷器,3. 基本特性 起始動作電壓又稱轉折電壓，從這一點

34、開始，電流將隨電壓升高而迅速增加，也即其非線性系數將迅速進入0.02～0.05的區(qū)域。通常是以1mA下的電壓作為起始動作電壓。其值約為最大允許工作電壓峰值的105％～115％。 壓比是指氧化鋅避雷器通過大電流時的殘壓與通過1mA直流電流時電壓之比。例如10kA壓比是指通過沖擊電流10kA時的殘壓與1mA（直流）時電壓之比，壓比越小，意味著通過大電流時之殘壓越低，則ZnO避雷器的保護性能越好。目前，此值約為1.6～2.0。,

35、9.4 氧化鋅避雷器,4. 應用 氧化鋅避雷器在電壓等級較低時（如110kV及以下）大部分是采用無間隙。 對于超高壓避雷器或帶大幅度降低壓比時，則采用并聯(lián)或串聯(lián)間隙的方法。 為了降低大電流時的殘壓而又不加大閥片在正常運行中的電壓負擔以減輕氧化鋅閥片的老化，往往也采用并聯(lián)或串聯(lián)間隙的方法。,9.5.1 避雷針的保護范圍,避雷針主要是對雷電場產生一附加電場（由于雷云對避雷針產生靜電感應引起），使雷電場畸

36、變，從而將雷云放電的通路由原來可能向被保護物體發(fā)展的方向，吸引到避雷針本身，經引下線到接地裝置，使被保護物免受直接雷擊。 避雷針主要用于保護建筑物、露天配電裝置、輸配電線路，防止直擊雷產生過電壓。,9.5.1 避雷針的保護范圍,1．單支避雷針 在一定高度的避雷針下面，有一個安全區(qū)域，在這個區(qū)域中的物體基本上不致遭受雷擊，故稱為避雷針的保護范圍。 單支避雷針保護范圍可以用滾球法求得，其形狀是一個對稱的錐體。,單支避

37、雷針的保護范圍,9.5.1 避雷針的保護范圍,單支避雷針的保護范圍，應按下列方法確定： （1）當避雷針高度 ≤ 時，距離地面 處作一平行地面的平行線，以針尖為圓心， 為半徑作弧線，交于平行線的A、B兩點，以A、B為圓心， 為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切，則從此弧線起到地面止就是保護范圍。 避雷針在 高度的 平面上的保護半徑，得： （4-9-12）式中

38、 ──避雷針在hx高度的XX?平面上的保護半徑，m； ──滾球半徑，m； ──被保護物的高度，m。 （2）當 ＞ 時，在避雷針上取高度 的一點代替單支避雷針的針尖作為圓心。其余作法與（1）相同。,,,,,,,9.5.1 避雷針的保護范圍,2．雙支等高避雷針的保護范圍 基本按單支避雷針所規(guī)定的方法確定。,9.5.1 避雷針的保護范圍,3．雙支不等高避雷針的保護范

39、圍,9.5.1 避雷針的保護范圍,4．矩形布置的四支等高避雷針的保護范圍,9.5.2 避雷線的保護范圍,避雷線又叫架空地線，懸掛在高空的接地導線。 避雷線主要用于保護變配電所的電氣設備、輸配電線路等免受直擊雷過電壓。沿每根支柱引下線與接地裝置相連接，它的作用與避雷針一樣。,9.5.2 避雷線的保護范圍,1.單根避雷線的保護范圍 當單根避雷線的高度 時，是無保護范圍的，故不應采用。當避雷線高度

40、 時，距離地面 處作一平行于地面的平行線，以避雷線為圓心， 為半徑作弧線，交于平行線的A、B兩點，以A、B為圓心， 為半徑作弧線，兩弧線相交或相切并與地面相切，則從此該兩弧線起到地面止就是保護范圍。,,,,,,9.5.2 避雷線的保護范圍,當避雷線的高度 時，保護范圍的最高點的高度 按下式計算：