1、山西大同大学煤炭工程学院讲义1第 9 章 过电压及其保护电力系统过电压分类:大气过电压,内部过电压; 大气过电压(外部过电压 ):雷击线路产生瞬间系统电压升高; 内部过电压:断路器的操作、线路故障、其他原因使系统参数发生变化,引起电网内部电磁能量的转化,或传递所造成的电压升高.主要包括操作过电压和谐振过电压;操作过电压:系统故障,或操作断路器引起系统电压暂态升高,持续时间较短;谐振过电压:因系统电感和电容参数配合不当,出现各种持续时间很长的谐振现象和电压升高.9.1 大气过电压对供电系统的影响大气过电压:由于大气中雷电的影响而产生的对电气设备(如发电机、变压器、送电线路、绝缘子、母线等)绝缘有
2、危害的电压升高.9.1.1 大气过电压对供电系统的侵袭与防雷保护大气过电压:雷云直接对地面的建筑物放电(直接雷击过电压),或对电气设备附近的物体放电而在电气设备上引起过电压(感应过电压);雷云形成的三个基本条件: 空气中有足够的水蒸气; 潮湿的空气能够上升并开始凝结为水珠; 气流能够强烈持久地上升.1.直击雷过电压天空中密集的云块团因流动而产生摩擦,从而带有负电荷或正电荷,形成雷云.因静电感应作用,在雷云下面的大地将感应出异性电荷,二者形成一巨大电容山西大同大学煤炭工程学院讲义2器,当雷云附近的电场强度达到 2530kV/cm 时,空气开始游离,形成导电性的通道,叫先导放电通道.雷云对大地放电
3、,形成一段先导通路,称雷电先导;当雷电先导达到离地面约 100300m 时,大地感应的异性电荷更加集中,特别易于聚集在较为突起部分或较高的地面,形成迎雷先导;当雷电先导与迎雷先导接触时,气隙被强电场瞬时击穿,电荷发生强烈中和,出现极大的电流并发出声和光,就是主放电阶段,电流可达数十万安,电压达数百万伏,时间约 50100s;主放电结束后,雷云中的残余电荷继续经放电通道入地,称为余晖放电阶段.放电电流不大于数百安,持续时间约为 0.030.05s.图 9.1图 9.1 雷云放电三个阶段雷电电流波形示意图雷电的特点:电压高,电流大,释放时间短,破坏性大;2.感应雷过电压雷云携带大量的电荷,将产生静
4、电场.静电感应,将在架空线相应的位置上积累大量的异性束缚电荷,图 9.2图 9.2 架空线上的感应过电压的形成(a)线路上感应束缚电荷;(b)雷云放电后的感应冲击 当雷云在架空线附近对地放电量,特别是主放电阶段 ,放电电流大,放电速度快,在放电通道周围产生很强空间变化磁场,使导线上产生很高的感应电压,主放电阶段结束,线路上的束缚电荷释放而形成自由电荷,以电磁波的速度向导线两边流动,形成雷电流,从而在线路上感应冲击波,使所到之处电压升高,即为感应过电压; 感应过电压幅值一般小于 300kV,个别可达 500600kV.通常用避山西大同大学煤炭工程学院讲义3雷器保护;3.雷电冲击波的基本特性雷电流
5、是一种冲击波,其大小由雷电流的幅值和波头的陡度来确定.一般幅值和最大陡度都出现在波头部分,故防雷设计只考虑波头部分;波头:雷电流由零增长至最大幅值的这一部分.通常只有 14s;波尾:电流幅值下降的部分,长达数十微秒,这种波的形状称为半余波.图 9.3.图 9.3 雷电冲击波(a)雷电流波形;(b)电流幅值与雷电流陡度关系 雷电流数学表达式:(9.1)1cos2mIit 雷电流陡度 :在波头部分 ,电流对时间的变化率,且(9.2)maxsinmIditt陡度的数值,开始时很快增加,最大值对半余波来说在 1/2 处,以后逐渐减小,当雷电流的幅值达到最大时, ;0为了简化计算,在工程设计中也可取用斜
6、角波头(虚线部分)计算;4.雷电冲击波沿导线的传播(1)行波的概念雷电行波:当输电线路受到雷击时,输电线上有雷电冲击波沿导线山西大同大学煤炭工程学院讲义4两侧流动,称为行波;无损线路:雷电冲击波沿导线传播时,其传播速度受线路参数的影响,起主要作用的是线路电感和对地电容,而线路电阻和对地电导很小,忽略不计.称为无损线路;均匀无损线路:当输电线路单位长度上电感 ,电容 都相等时,称0L0C为均匀无损线路.图 9.4.图 9.4 均匀无损线路分布参数示意图 , 可按下式计算 :0LC(9.3)04ln2ravhD(9.4)0lrav-真空的磁导率, ;07041()Hm-真空的介质系数度, ;090
7、36F-介质的相对磁导率,对空气和电缆 ;r1r-介质的相对介质系数,对空气 ,对电缆 ;r r4r-为导线的平均高度,m;avhD-为导线的直径,m. 等效回路中长度为 的线路电感为 ,电容为 .如果从左侧dx0Ldx0Cdx加电压冲击波左侧的第 1 个电容立即充电,第 2 个电容及后面的电容受到各个电感的影响,电压并不能立即升高,有一定的延山西大同大学煤炭工程学院讲义5时.电容距离起始点越远,冲击波到达的时间越晚,这样冲击波就在线路上以一定速度传播开,从而形成了行波; 假设在 t=0 时把斜角波雷电流 加在无限长导线的左端 A 点,iat则在任一时间 t,电流沿导线的分布,如图 9.5;图
8、 9.5 冲击波电流加于无限长导线上电流沿导线的分布B 点电位为零,从 A 到 B 的电感为 ,其上的电压降就是0LxvtA 点电位 ,即u(9.5)00AdiLvtta同时,A 点的电位与 A 点 段对地电容 上储藏的电荷量有x0Cdx关.设单位长度导线上的电荷为 ,则在 A 处 段上的电荷为q,根据电压、电容量和电荷量之间的一般关系,得qdx(9.6)00AqdxuC而 (9.7)代入上式ivatt(9.8)与式(9.5)比较0Au00atLvC(9.9)01-冲击波传播速度,也就是波头在单位时间内推进的距离;v山西大同大学煤炭工程学院讲义6将式(9.3)和式(9.4)代入式(9.9),并
9、将架空线的参数代入,得(9.10)8013(/)(vmsc光 速 )架空线的电流波和电压波沿架空线传播的速度和光速相同;将电缆线路的有关参数代入,得(9.11)81.50(/)vms电缆中行波速度只是架空线的 1/2(因为电缆介质系数大、电容存大、充电时间长).将 和 代入式(9.5),得01vLCiat01AuvtiLC故 (9.12)0Zi 称为导线的波阻抗.架空线 ,电缆的 约为架空线的 1/10;0Z040Z波阻抗反映了沿导线传播的电压冲击波和电流冲击波之间的动态关系,它只决定于线路的分布参数,而与导线的长度及终端负荷性质无关.(2)波的折射与反射行波在行进过程中,遇到线路波阻抗改变,
10、如由架空线进入电缆、电抗器、变压器、线路开关、短路、经接地装置入地等情况,地结点处都会使行波的电场和磁场能量重新分配,其中沿线路继续前进的一部分称为入射波,向波源方向返回的部分,称为反射波.将 整理,得0ALuZiC20Ai山西大同大学煤炭工程学院讲义7(9.13)22001AuCiL 式(9.13) 左边单位长度线路中电场储的能量 ,右边是单位长度线路中磁场储的能量,即冲击波沿无损导线传播时,沿导线单位长空间储存的磁能恰好等于单位长空间中储存的电能. 冲击波在沿导线传播过程中遇到结点(波阻抗改变)时,会发生折射和反射.图 9.6.图 9.6 不同波阻抗时导线行波的变化(a)行波;(b)行波的
11、折射和反射 假设冲击波沿导线由左向右传播为正方向,则沿 波阻抗为 的导线正方向1Z传播的冲击波称为前行波 ,遇到结点 A 后,继续沿波阻抗为 的导线正fu2方向传播的冲击波称为折射波 ,而沿波阻抗为 的导线反方向传播的冲r 1击波称为反射波 .rl 根据分界能量守恒的原则,结点处在任何瞬间只能有一个电压值和电流值.即rftlurfrlii1ffZ(9.14)rlfui联立求解,得(9.15)12friZ式(9.15)可用 1 个集中参数的等效线路代表,称为等效集中参数定理.其内容为:山西大同大学煤炭工程学院讲义8当流动波流过导线时,为计算结点电压和结点电流,可以用集中参数电路代替,电路中电源电
12、动势取前行波电压的两倍( ),行波所流过通道的波阻抗 为电源的内阻.2fu1Z图 9.7 雷电冲击波于地面的情况(a)示意图;(b)等效电路由图可知:(9.16)21rffZuu为射系数;因为 rfrl所以 (9.17)211rlffffffZuuu-反射系数;(9.18)212rfuiZ(9.19)121rlrl fZi下面讨论几种特殊条件: 当 时,折射系数 ,反射系数 ,即经过 A 点行波仍然12Z0按原来幅值前行.这说明 A 点前后是同一条导线; 当 ,相当于导线在 A 点开路,此时折射系数 , ,同22rlfu山西大同大学煤炭工程学院讲义9时 , ,形成电压波全反射,使 A 点电压增
13、大到行波电0ri1frluiZ压的 2 倍.而电流波形成负的全反射,使 A 点电流为零,图 9.8.图 9.8 时行波的折射2Z 当 时,相当于导线在 A 点接地,此时 , ,即 ,20Z 010ru,电流波形成正的全反射,使折射电流 增加到行波1frlfuii ri的 2 倍(即 ),电压波形成负的全反射,使 A 点电压为零.fifi图 9.9.图 9.9 时行波的折射20Z5.输电线的防雷措施(1)架设避雷线架设避雷线,是 110kV 及以上电压等级线路的基本防雷措施;主要作用是减少雷直击导线;架设避雷线,当雷击塔顶时,避雷线上的分流降低了塔顶电位,通过对导线的耦合作用,进一步降低了绝缘子
14、串上承受的电压;山西大同大学煤炭工程学院讲义10避雷线对导线的屏蔽效应降低了导线感应过电压;为了降低正常运行时避雷线中感应电流的功率损耗和利用避雷线兼作高频通道,常将避雷线通过一小间隙接地,这样,只有在雷击过电压使间隙绝缘击穿时才使避雷线接地;(2)降低杆塔接地电阻通常是提高杆塔耐雷水平;在电阻率 的土壤中,杆塔接地电阻容易降低,投资不多;230m要高土壤电阻率的地区,采用多根放射形或连续升长接地体和采用有效的降阻剂等措施来降低接地电阻.线路杆塔的工频接地电阻,表 9.1表 9.1 线路杆塔的工频接地电阻土壤电阻率/( )2m100 100500 5001000 10002000 2000接地
15、电阻/ 10 15 20 25 30(3)增设耦合接地高阻地区在降低接地电阻有困难的线段,可以在导线之下再增设一条耦合地线(它具有分流、对导线的耦合、降低导线上的感应过电压作用);(4)采用消弧线圈接地方式对处于雷电活动强烈而接地电阻又不易降低的山区 110154kV 电网,如有可能尽量采用消弧线圈接地的运行方式(这样,可使雷击引起的单相闪络由于消弧线圈的作用而大部分被消除,可使雷击跳闸率降低 1/3);(5)提高绝缘水平大跨越高杆塔线段的雷击过电压高于一般线段.为降低跳闸率,要加大跨越挡距和导线与避雷线的间距,增强绝缘子串的片数;(6)装设自动重合闸山西大同大学煤炭工程学院讲义11线路绝缘的
16、自恢复性,能使它在雷击造成线路跳闸后能很快自行消除故障,因此安装自动重合闸装置,对迅速恢复线路供电有良好效果.9.1.2 变电站防雷变电站雷害来源: 雷直击变电站的导线和电气设备时产生的直击雷过电压; 变电站避雷针(线 )遭受雷击时产生的感应过电压和反击过电压; 沿导线传来入侵雷电波.1.对直击雷的防护变电站对直击雷的防护是装设避雷针(线),将进线杆塔和室外电气设备全部置于避雷针(线)的保护范围内;避雷针的作用是引雷当雷电先导发展到一定高度(定向)时,避雷针影响雷电先导的发展方向,将其引导到避雷针(线)上,使雷电击向避雷针(线),将雷电流泻入大地;避雷针的保护范围,以其能防护直击雷的空间来表示
17、,采用“滚球法”来确定;滚球法:选择一个半径为 的滚球,沿需要防护直击雷的部分滚动,rh如果球体只触及接闪器或接闪器和地面,而不触及需要保护的部位时,则该部位就在这个接闪器的保护范围之内;建筑物防雷类别 第一类建筑物的防雷凡存放爆炸性物品,或在正常情况下能形成爆炸性混合物,因火花而爆炸的建筑物,会造成巨大破坏和人身伤亡的称为第山西大同大学煤炭工程学院讲义12一类建筑物;第一类建筑物就装设独立避雷针(或消雷器),防止直击雷;接地的冲击电阻应小于 10 第二类建筑物的防雷重要的或人员密集的大型建筑物为第二类建筑物;防雷措施与第一类建筑物相同,可采用装设避雷针和避雷带两种混合方式防直击雷; 第三类建
18、筑物的防雷凡不属于第一、二类建筑物,又需要作防雷保护的建筑物称第三类建筑物;应有防直击雷、感应雷、防雷电波入侵的措施,在技术上没前两类要求高.避雷针 接闪器,用来接受直接雷击的金属物体 ; 避雷针,接闪器的金属杆 ; 避雷针的作用,保护露天变配电设备及建筑物; 接闪器的金属线称为避雷线或架空地线,主要用于保护输电线路;接闪器的金属带、金属网称为避雷带、避雷网,主要用于保护建筑物.它们都是利用其高出被保护物的凸出地位,把雷电引向自身,然后通过引下线和接地装置把雷电流泄放到大地,使被保护的线路、设备、建筑物免受雷击.滚球半径是按建筑物防雷类别确定.表 9.2山西大同大学煤炭工程学院讲义13表 9.
19、2 各类防雷建筑物的滚球半径和避雷网尺寸建筑物防雷类别 滚球半径 /mrh避雷网格尺寸第一类防雷建筑物 30 5m5m 或6m4m第二类防雷建筑物 45 10m10m 或12m8m第三类防雷建筑物 60 20m20m 或24m16m(1)单只避雷针的保护范围图 9.10 单支避雷针的保护范围避雷针高度为 时:h距地面 处,作一平行于地面的平行线;r以避雷针的针尖为圆心, 为半径,作弧线交平行于 A、B 两点;rh以 A、B 为圆心, 为半径作弧线,该弧线与针尖相交,并与地面r相切.由此弧线起到地面为止的整个锥形空间,就是单支避雷针的保护范围. 避雷针在被保护物高度 的 平面上的保护半径 :rh
20、x xr(9.20)22xrxrxrh避雷针在地面上的保护半径 :0(9.21)0rr-滚球半径，由表 9.2 确定;rh山西大同大学煤炭工程学院讲义14圆的方程:,圆心 ,半径22xaybrOabr证明: 2xrxrxrhhhrA(x,)oBaC0将 点(圆心)的坐标代入圆的方程 ,得,rBah22xaybr22rrxyh将 点(避雷针尖)的坐标代入式得0,C22rrarrrhh将 点坐标代入式,得()xA22xrrraxrrh2xrxrxra将式代入式得证毕22xrxrxrhh当避雷针高度 (滚球半径),在避雷针上取高度 (滚球半径)的r rh一点代替避雷针的针尖作为圆心,余下的作法与避雷
21、针高度 时r山西大同大学煤炭工程学院讲义15相同.式 与式 中的 用 代入.22xrxrxrhh02rrhhr避雷针高度再增加,保护范围也不会扩大避雷针的保护范围计算,参见 GB50057-1994【例】某厂锅炉房烟囟高 40m,烟囱上安装一支 2m 的避雷针,锅炉房(属第三类防雷建筑物)尺寸如图 9.11.试问此避雷针能否保护锅炉房.图 9.11解:查表第三类防雷建筑物,滚球半径取 ,避雷针顶端的高度60rhm,锅炉房高度(被保护物) .402hm8x避雷针保护半径:24260326087.3xrxrxrhh m锅炉房顶,在 高度上,最远一角距离避雷针的水平距离 :8x r通过210.513
22、.7xr mr(2)两支避雷针保护范围两支等高避雷针的保护范围.图 9.12山西大同大学煤炭工程学院讲义16图 9.12 两支等高避雷针保护范围在避雷针高度 的情况下,两支避雷针之间的距离:rh时,应按单支避雷针保护范围计算;2rD时,按图 9.12 的方法确定;rAEBC 外侧的保护范围,按照单只避雷针的方法确定.即22xrxrxrhh0r两支避雷针之间 C、E 两点位于两针的垂直平分线上,在地面每侧的最小保护宽度为:(9.22)22200rDDbOrh在 AOB 轴线上,距中心线任一距离 x 处,在保护范围上边线上的保护高度 :xh222rDOA22rFh22rxhx山西大同大学煤炭工程学
23、院讲义17(9.23)22xrrDhhx该保护范围上边线是以中心线距地面 的一点 为圆心,以及rhO为半径,所作的圆弧 .22rhAB两针间 AEBC 内的保护范围ACO,BCO,BEO,AEO 部分的保护范围确定方法相同;以 ACO 为例.在任一保护高度 和 C 点所处的垂直平面上,以 作xhrh为假相的避雷针,按单只避雷针的方法逐点确定.图 9.12 的 I-I 剖面; 22xrxrxrh0r确定立面 平面上的保护范围x以单支避雷针的保护半径 为半径,以 A、B 为圆心作弧线与四边xr形 AEBC 相交;以单支避雷针的 为半径,以 E,C 为圆心作弧线与上述弧线相0xr接.图中虚线;(3)
24、两支不等高避雷针的保护范围计算山西大同大学煤炭工程学院讲义18图 9.13 两支不等高避雷针的保护范围在 , 分别小于或等于 的情况下,当 1h2rh11222rrDhh时,避雷针的保护范围计算,按单支规定的方法计算;当 时,计算方法:1122rrD 外侧的保护范围 ,按照单支避雷针的方法确定;AEBC 线或 线的位置计算 :HO(9.24)2211rrhhDD证明: 222 22101121r rrOEhhD211221rrDhD2rrh22112rrh证毕21rrhDD山西大同大学煤炭工程学院讲义19 在地面上每侧最小保护范围 :0b(9.25)2011rbCOEhD 在 AOB 轴线上,
25、A、 B 间保护范围上边线:(9.26)221xrrhx-距 CE 线或 线的距离;CEHO 该保护范围上边线,是以 线上距地面 的一点为圆心,以rh为半径,所作的圆弧 .21rhDAB 两针间 AEBC 内的保护范围 ,ACO 与 AEO 对称,BCO 与 BEO 对称.ACO 部分的保护范围按以下方法确定:在 和 C 点所处的垂直平面上,以 作为假相的避雷针,按单支xhxh避雷针的方法确定;确定 AEO,BCO,BEO 部分的保护范围的方法与 ACO 部分相同; 确定 平面上保护范围截面的方法与双支等高避雷针相同.x(4)四支等高避雷针的保护范围当矩形布置的 4 支等高避雷针: 高度 ,
26、时,其保护范围应按双支等高避雷针rh32rDh的方法确定; 高度 , 时,按图 9.14,保护范围确定:r3r山西大同大学煤炭工程学院讲义20图 9.14 四支等高避雷针的保护范围4 支避雷针的外侧,各按两支避雷针的方法确定;B,E 避雷针连线上的保护范围(1-1 剖面),外侧部分按单支避雷针的方法确定.两针间的保护范围按以下方法确定:以 B,E 两避雷针针尖为圆心, 为半径作弧线交于 O 点,以 O 点为圆心, 为半径作圆弧,与rh rh针尖相连的这段圆弧,即为针间保护范围.保护范围最低点的高度 :0(9.27)220rrDhh2-2 剖面图的保护范围:山西大同大学煤炭工程学院讲义21以 P
27、 点垂直线上距地面高度为 的 O 点为圆心, 为半径0()rhrh作圆弧,与 B、C 和 A、E 两支避雷针所作出在剖面图的外侧保护范围延长圆弧相交于 F、H 点,F 点(H 点与此类同)的位置及高度:(9.28)220rxrhbx(9.29)210rxrDh3-3 剖面保护范围的方法步步骤同 2-2 剖面;确定 4 支等高避雷针中间在 至 之间于 高度的 平面上保0hyh护范围截面的方法:以 P 点为圆心, 为半径作圆或圆弧,与各双2002ryy支避雷针外侧所作的保护范围截面组成该保护范围.图中虚线.证明: 20ryyh圆的方程 ;参见图 2-2 剖面.取圆心坐标点2xabr,得方程;0,r
28、;将 线与弧 的交点 代入,得22rrxyhyAFHyxh0yrr 222 20000()rryrryyryxhhhh证毕22ryx对于比较大的保护范围,采用单支避雷针,由于保护范围并不随避雷针的高度成正比例增大,所以大大增大避雷针的高度,导致安装困难,投资大,在这种情况下采用双支避雷针或多支避雷针.(5)避雷线保护范围山西大同大学煤炭工程学院讲义22单根避雷线保护范围图 9.15 单根架空避雷线的保护范围(a) ;(b)2rrhrh当避雷线的高度 时,无保护范围;r当避雷线的高度 时,保护范围按图 9.15 确定.r 确定架空避雷线的高度时,应计及弧垂的影响.在无法确定弧垂的情况下,当等高支
29、柱间的距离小于 120m 时,架空避雷线中点的弧垂宜采用 2m;距离为 120150m 时,宜采用 3m; 距地面 处作一平行于地面的平行线 ;rh 以避雷线为圆心, 为半径,作弧线交于平行线的 A、B 两点;r 以 A,B 为圆心, 为半径作弧线,该两弧线相交或相切并与地面r相切.从该弧线起到地面止就是保护范围; 当 小于 且大于 时,保护范围最高点的高度 为:h2rrh0h(9.30)0r证明: ,参见图 9.15a.r设圆心为: ,则圆的方程:ah22rrxyh山西大同大学煤炭工程学院讲义23将坐标点 代入,求的 a 为:0h; 22rra0r直角三角形:22rrhah将式代入式得,整理
30、得2220rrr00rrhh式的根:,取22024rrrrhh证毕 rrhh 避雷线在 高度的 平面上的保护宽度 :x xb(9.31)22rxrxbh-避雷线的高度,m;h-滚球半径,按表 9.2 确定;r-被保护物的高度,m.x 避雷线两端的保护范围,按单支避雷针的方法确定;两根等高避雷线的保护范围在避雷线高度 , 时,各按单根避雷线所规定的方rh2rDh法确定;在避雷线高度 , 时,按下列方法确定.图 9.16.rr山西大同大学煤炭工程学院讲义24图 9.16 两根等高避雷线在 时的保护范围rh 两根避雷线的外侧,各按单根避雷线的方法确定; 两根避雷线之间的保护范围按以下方法确定:以 A
31、,B 两避雷线为圆心, 为半径作圆弧交于 O 点,以 O 点为圆rh心, 为半径作圆弧交于 A,B 点;rh两避雷线之间保护范围最低点的高度 为0h(9.32)220rrDhh避雷线两端的保护范围按双支避雷针的方法确定,但在中线上 0h线的内移位置按以下方法确定(参见 1-1 剖面).以双支避雷针所确定的保护范围中点最低点的高度 作为假想避雷22rDh针,将其保护范围的延长弧线与 线交于 E 点.内移位置的距离0也可按下式计算:x(9.33)002rxhb20rDb在避雷线高度 ,避雷线之间的距离2rrh山西大同大学煤炭工程学院讲义25时,按下列方法确定.图 9.1722rrrhhD图 9.1
32、7 两根等高避雷线在高度 时的保护范围2rrh 距地面 处作一与地面平行的线 ;rh 以避雷线 A,B 为圆心 , 为半径作弧线相交于 O 点,并与平行线r相交于 C,E 点; 以 O 点为圆心, 为半径,作弧线交于 A,B;rh 以 C,E 为圆心, 为半径,作弧线交于 A,B 并与地面相切;r 两避雷线之间保护范围最低点的高度 :0h(9.34)220rrDhh 最小保护范围宽度 :mb(9.35)2mrrbhh 避雷线两端的保护范围,按双支高度 的避雷针确定,但在中线rh上线 的内移位置按图 1-1 剖面确定:以双支高度 的避雷针所0h rh确定的中点保护范围最低点的高度( )作为假想避
33、雷针,02rD将其保护范围的延长线与 线交于 F 点.内移位置的距离 也可0hx按下式计算:山西大同大学煤炭工程学院讲义26(9.36)22002rrDxhh(6)滚球法各图书中所画的地面也可以是位于建筑物上的金属物、其他接闪器.当接闪器在“地面上保护范围的截面”的外周线触及接地金属物、其他接闪器时,各图的保护范围均适用这些接闪器.(7)单独的避雷针受到雷击时,在接闪器、引下线、接地体上都产生很高的电位,如果避雷针与附近设施的距离不够,二者之间便会放电,产生反击过电压. 反击过电压:在雷击时 ,避雷针向被保护物产生放电现象; 为防止避雷针产生反击过电压,要求避雷针与被保护物之间有一定的距离.图
34、 9.18.图 9.18 独立避雷针与被保护物的最小距离图中 A 点电压:(9.37)0shdiuiRLt-独立避雷针的冲击接地电阻,;sh, -接地电阻, -接地体的冲击系数;sEsh-避雷针单位长度上的电感, ;0LHm-避雷针从 A 点到地面的高度.m.h如果通过避雷针的雷电流为斜角波头,其电流幅值为 150kA,波头长度为2.6 ,取避雷针单位长度上的电感为 ,代入上式得:s1.3山西大同大学煤炭工程学院讲义27(9.38)150150.3752.6AshshuRR由于电位的电感的电压降只存在于斜角波的 2.6 内,其时间短,所以取s空气平均击穿电压为 750kV/m.接地电阻上的电压
35、降却存在于雷电波的整个整个持续时间,约几十微秒,所以取空气平均击穿电压为 500kV/m.可求出不产生避雷针向被保护物反击的空间距离:(9.39)15070.3.1kshshsRR规程规定 不小于 5m. 雷击避雷针还产生感应过电压.图 9.19图 9.19 感应过电压原理当雷电流击中避雷针时,在避雷针周围产生强大突变的电磁场,处在这一电磁场中的金属导体(如金属管路)会感应出电动势,从而使间隙 ab 产生火化放电;即使未形成间隙,如果接触不良,也会产生局部发热,这对存放易燃、易爆物的建筑物是比较危险的.解决办法:将互相靠近的金属物体很好地连接起来.如果条件允许可适当增大 .ks2.对入侵雷电波
36、的防护变电所的主变压器,防护入侵波的主要装置是避雷器;避雷器的选择,必须使其伏安特性的上限低于变压器伏安特性的下限,并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度.但是它们的数值都必须小于冲击波的幅值,以保证入侵波能够受到避雷器放电的限制;避雷器尽量安装在电气上靠近主变压器的地方(因为距离越远,变压器上过电压幅值就越大,所以规定了变压器与避雷器之间的最大允许距离);设避雷器与变压器之间的安装距离为 ,图 9.20.有陡度为 的行波流向避la雷器,其值为 ,波速为 ,假定波头到达避雷器 A 点时为起始时间(t=0),则uatv行波由避雷器传到变压器的时间为 ;()v山西大同大学煤炭工程学院
37、讲义28图 9.20 避雷器与主变压器的安装距离 当 时 ,A 点的电压随行波的到来 ,以 a 的陡度上升 ,避雷器上的电压幅值2t为 ;bua 当 时 ,行波波头到达变压器 B 点处,由于该点处近似开路,行波在变压器t入口处产生全反射,使 B 点处电压为前行波与反射波的叠加,作用于变压器上的电压是行波电压的 2 倍,即 ,陡度为 ;2Tuat 当 时 ,反射波到达 A 点,与原来的波叠加,使避雷器上的电压2t,陡度为 ;buatat 设 时 ,避雷器上的电压达到放电电压 ,开始放电 ,于是限制了 的继续上0t Au升, 基本变为平直线,避雷器放电的效果经时间 才能达到 B 点,这时变压A 器
38、处的电压仍以 陡度上升,幅值为 ,变压器比避雷器处的电2a02Tuat压高出 ,即u(9.40)00Tb lttv由式(9.40)可知,变压器承受的电压与避雷器和变压器之间的距离成正比,变压器与避雷器之间的最大保护距离为(9.41)2ulva变压器与避雷器的保护距离随行波陡度的减小而增大;变电站出线回路多,或线路没有避雷线,都将使 a 降低,使保护距离增大.3.对进线段的防护对于全线无避雷线的 35kV 变电所进线,当雷击于附近架空线时,冲击波的陡度会超过变电所电气设备绝缘所允许的程度,流过避雷器的电流也会超过 5kA,这是不允许的;35110kV 变电所,靠近变电所 12km 进线段上装设避
39、雷线.图 9.21山西大同大学煤炭工程学院讲义29图 9.21 35110kV 全线无避雷线的进线段防雷保护接线 只有保护段外发生雷击时,才会有入侵波; 由于进线段本身阻抗的作用,流过避雷器电流幅值将得到限制 ,而沿导线的行波陡度 a 也将由于冲击电晕作用而降低; 避雷线长为 12km,行波在线段中往返一次需要 6.713.3 ,此时雷电波s已经过避雷器,故不考虑反射波的作用; 管式避雷器 :2F对一般线路,无需装设管式避雷器 .但是当线路的耐冲击绝缘水平特别高2F(如木杆线路,钢筋混凝土杆,木横担,降压运行的线路),致使变电所中阀型避雷器通过雷电流可能达 5kA 时,需要装设管型避雷器 ,并
40、使 处的接地电阻尽22F量降低到 1 以下; 管式避雷器 :3F断路器或隔离开关在雷季可能经常断开而线路侧又带有电压时,为避免雷电波在开路末端产生反射过电压,应装设管式避雷器 (因为当行波在开路3F处上升为行波幅值的 2 倍时,将使开关电器的绝缘支座对地放电,在线路带电的情况下引起工频短路,烧坏支座,故应装设管式避雷器 );3 外间隙整定应满足,既能在开关断开时能够可靠工作以保护高压电气3F设备,又能在开关合上时不误动作; 阀型避雷器 :1避免变压器的分布电容与线路的电感,经放电后的 形成振荡回路,危及3F变压器的绝缘; 距离变压器和电压互感器的最大电气距离不宜大于 10m.1F9.2 内部过
41、电压及其保护内部过电压:由于电力系统内部状态变化而产生的过电压.内部过电压分类:由操作开关引起的操作过电压;由接地间歇性电山西大同大学煤炭工程学院讲义30弧产生的弧光接在过电压;由系统中电感、电容构成振荡回路而出现的谐振过电压;操作:断路器的正常合闸/分闸,事故时断路器跳闸;操作的结果是,该处的阻抗参数在某时刻发生突变;电力系统中的操作过,使电网的运行状态突然变化,导致系统内部电感和电容之间的电磁能量相互转换,造成振荡,因而在某些设备或局部电网上出现过电压;常见的操作过电压:切断小电感电流负载,开断电容性负载,接通空载长线路;1.切断小电感性负载产生的过电压切断小电感性负载:如切除空载变压器、电动机等;断路器灭弧能力一般是按照切断大电流设计的,其灭弧能力强;在切断小电感性负载时,使电流在未过零前强制熄弧而造成截流,设备的电感和电容中储存的能量相互转换而形成电磁振荡.由于对地杂散电容较小,当全部能量转换为电场能时,就会产生过电压;图 9.22 是切除空载变压器的等效值电路.图 9.22 切除空载变压器的等值电路-变压器绕组对地电容; -变压器的激磁电感TCTL 在工频时,电容的阻抗比电感的阻抗大的多,流过 的电流可略TC去不计,流过断路器的电流就是变压器激磁电流 ;i 当断路器断开,并在 时强迫灭弧,其截流值为 , 上的电压0t0T
