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1、第9章 供配电系统的过电压保护,供配电技术,第9章 供配电系统的过电压保护,9.1 过电压及其分类 9.2 直击雷过电压的防护 9.3 感应雷过电压的防护 9.4 供配电系统的防雷保护 9.5 接地与接零,9.1 过电压及其分类,9.1.1 大气过电压 大气过电压又称雷电过电压，是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，因其能量来自系统外部，故又称为外部过电压。 雷电过电压有两种基本形式：直击雷过电压和感应雷过电压 。,9.1 过电压及其分类,1直击雷过电压 雷云雷电先导 迎雷先导 主放电阶段 余辉放电 主放电电流很大，高达几百千安，但持续时间极短，一般只
2、有 50100s。 余辉放电阶段电流较小，约几百安，持续时间约为0.030.15s。,9.1 过电压及其分类,雷电流波形 雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头wh(wave head)。 雷电流从幅值衰减到幅值的一半的一段波形称为波尾wt(wave tail)。 雷电波的陡度用雷电流波头部分的增长速度来表示，即 。,9.1 过电压及其分类,2感应雷过电压 所谓感应雷过电压，是指当架空线附近出现对地雷击时，在输电线路上感应的雷电过电压。,9.1 过电压及其分类,9.1.2 内部过电压 操作过电压 谐振过电压,9.1 过电压及其分类,限制内部过电压的措施 （1）采用灭弧能力强的快速高压断路
3、器，在断路器主触头上并联电阻(约3000)，在并联电阻上串联一个辅助触头，以减少电弧重燃的次数，控制操作过电压的倍数。 （2）装设磁吹避雷器或氧化锌避雷器。 （3）对于对地电容电流大的网络，中性点经消弧线圈接地，限制电弧接地过电压。 （4）增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数，即增加母线对地的感抗，从而减小固有自振频率，避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压。,9.2 直击雷过电压的防护,9.2.1 建筑物的防雷分类 （1）第一类防雷建筑物 因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者，包括制造、使用或储存炸药、火药、起爆药、化工品等大量爆炸物质的建筑物；具有气体爆炸、粉尘爆炸
4、危险环境的建筑物。 （2）第二类防雷建筑物 包括：国家级重点文物保护的建筑物；具有特别重要用途的建筑物，如国家级的会堂、大型火车站等；对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物，如国家级计算中心、国际通信枢纽等；具有气体爆炸危险的可能，且电火花不易引起爆炸的建筑物；工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐；年预计雷击次数大于0.06次的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数大于0.3次的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。,9.2 直击雷过电压的防护,9.2.1 建筑物的防雷分类 （3）第三类防雷建筑物 包括：省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆；年预计雷击次数在0.0120
5、.06之间的办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物；年预计雷击次数在0.060.3之间的住宅、办公楼等一般性民用建筑物；年预计雷击次数大于等于0.06的一般性工业建筑物；根据雷击后果及具体情况，确定需要防雷的火灾危险环境；在平均雷暴日大于15天/年的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；在平均雷暴日小于或等于15天/年的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑。,9.2 直击雷过电压的防护,9.2.2 直击雷的防护装置 1避雷针及其保护范围 避雷针由承受雷击的接闪器、支持构架、接地引下线和接地体四部分构成。,9.2 直击雷过电压的防护,1避雷针及其保护范围 所
6、谓“滚球法”，就是选择一个半径为hr(滚球半径见表9.2.1)的球体，沿需要防护直击雷的部位滚动。如果球体只接触到避雷针(线)与地面，而不触及需要保护的部位，则该部位就在避雷针(线)的保护范围之内。,表9.2.1 按建筑物防雷类别确定滚球半径和避雷网格尺寸,9.2 直击雷过电压的防护,单支避雷针的保护范围，按下列方法确定 （1）当避雷针高度hhr时 距地面hr处作一与地面平行的平行线。 以避雷针的针尖为圆心，hr为半径作弧线，交上述平行线于A、B两点。 分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线均与针尖相交并与地面相切。由此弧线起到地面上的整个锥形空间，就是避雷针的保护范围。 避雷针在被保护
7、物高度hx水平面上的保护半径，按下式计算：,9.2 直击雷过电压的防护,（2）当避雷针高度hhr时 在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作圆心，其余保护范围的求法同hhr时。,9.2 直击雷过电压的防护,2避雷线及其保护范围 对于单根避雷线的保护范围，当避雷线的高度h2hr时，无保护范围；当避雷线的高度h2hr时，应按下列方法确定，参见图9.2.2。 1）距地面hr处画一与地面平行的平行线。 2）以避雷线为圆心，hr为半径作弧线，交平行线于A、B两点。 3）以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该两弧线相交或相切，并与地面相切。从该弧线起到地面上的空间就是其保护范围。 4）当2hrhhr
8、时，保护范围最高点的高度h0按下式计算：h02hrh 5）避雷线在被保护物高度hx的水平面上的保护宽度，按下式计算：,9.2 直击雷过电压的防护,3避雷带和避雷网 避雷带和避雷网主要用来保护其所处的整幢高层建筑物免遭雷击。 4消雷器及其保护范围 （1）抑制和消除上行雷 （2）中和雷云电荷 （3）抑制下行雷主放电电流,9.2 直击雷过电压的防护,9.2.3 防护雷电流反击的措施 如图9.2.4所示，当雷击避雷针以后，雷电流沿接地引下线入地，在A、B两点产生高电位。若避雷针与被保护物之间的空中距离Sa或它们的接地体在土壤中的距离Se不能承受A、B两点的高电位，就会造成Sa或Se间隙击穿或闪络，这种
9、现象称为反击。为了防止反击的发生，避雷针必须与被保护物之间保持一定的安全距离。,9.2 直击雷过电压的防护,9.2.3 防护雷电流反击的措施 式中h被保护物的高度，m； L0避雷针上单位长度的电感，常取1.3H/m； Rsh避雷针的冲击接地电阻，； i雷电流，kA，从安全考虑常取幅值为150kA； 雷电流陡度，kA/s，若为斜角波头，且波头长为2.6s，则最大陡度。 上式可简化为：,若取雷电压的电阻分量对空气间隙的击穿强度为500kV/m，雷电压的电感分量对空气间隙的击穿强度为700kV/m，则避雷针对被保护物不发生反击的最小安全距离工程上常取：,独立避雷针的接地体与被保护物的接地体在地中也应
10、保持一定的安全距离，同样可得：,一般情况下，Sa不允许小于5m，Se不应小于3m。,9.3 感应雷过电压的防护,9.3.2 避雷器 1保护间隙 保护间隙又称放电间隙，是最简单的防雷保护装置，它由主间隙S1、辅助间隙S2和支持瓷瓶组成。主间隙按结构型式不同，分为棒型、环型和角型。,当供电系统遭到大气过电压时，保护间隙S1作为一个薄弱环节首先击穿，并将雷电流释放到地中.,辅助间隙S2的作用是为了防止主间隙被异物短路引起误动作。,保护间隙构造简单，成本低廉，维护方便，但由于无专门灭孤装置，灭弧能力很差。规程规定，在具有自动重合闸的线路中和管型避雷器或阀型避雷器的参数不能满足安装地点的要求时，可以采用
11、保护间隙。,9.3 感应雷过电压的防护,2管型避雷器 管型避雷器由产气管、内部间隙和外部间隙三部分组成。 产气管由纤维、有机玻璃或塑料制成。 内部间隙装在产气管内部，一个电极为棒形，另一个电极为环形。 外部间隙设在避雷器和带电的导体之间，其作用是保证正常时避雷器与电网的隔离，避免纤维管受潮漏电。,由于管型避雷器伏秒特性较陡，不易与变压器的伏秒特性相配合，且在动作时有气体喷出，因此，管型避雷器主要用于室外线路上。,9.3 感应雷过电压的防护,3阀型避雷器 阀型避雷器由装在密封磁套管中的火花间隙组和具有非线性电阻特性的阀片串联组成。,9.3 感应雷过电压的防护,火花间隙组是根据额定电压的不同采用若
12、干个单间隙叠合而成。 每个间隙由两个黄铜电极和一个云母垫圈组成。由于两黄铜电极间间距小，面积较大，因而电场较均匀，可得到较平缓的放电伏秒特性。,图9.3.5 单个平板型火花间隙 1黄铜电极；2云母片,9.3 感应雷过电压的防护,阀片是由金刚砂（SiC）和结合剂在一定的高温下烧结而成，具有良好的非线性特性和较高的通流能力。 阀片的电阻值随着所加电压变化而变化，当阀片上所加电压增大时，电阻值减小；当阀片上电压减小时，电阻值增大。 这样，在通过较大雷电流时，使避雷器上出现的残压不会过高，对较小的工频续流又能加以限制，为火花间隙的切断续流创造了良好的条件。,由于阀型避雷器具有伏秒特性比较平缓，残压较低
13、的特点，因此，常用来保护变电所中的电气设备。,9.3 感应雷过电压的防护,4金属氧化物避雷器 金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它在结构上没有火花间隙，由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成的压敏电阻片（阀片）组成。 这种避雷器的阀片具有优异的非线性伏安特性，在工频电压下，阀片具有极大的电阻，呈绝缘状态，能迅速有效的阻断工频续流，因此无需火花间隙来熄灭工频电压引起的电弧；当电压超过一定值（称为起动电压）时，阀片“导通”，呈低阻状态，将大电流泄入地中；当危险过电压消失以后，阀片迅速恢复高阻绝缘状态。,金属氧化物避雷器具有无间隙、无续流、通流量大、残压低、体积小、重量轻等优点，因此很有发展前途，世界上许多国家都已用它取代了碳化硅阀式避雷器。,9.3 感应雷过电压的防护,9.3.3 避雷器与被保护物绝缘的伏秒特性配合 电气设备的冲击绝缘强度是用伏秒特性表示。所谓伏秒特性，即绝缘材料在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压与对应的起始放电时间的关系。,避雷器要能可靠的保护该设备，其伏秒特性必须低于被保护物的伏秒特性，并且要留有一定的间距，这样才能保证在同一冲击电压作用下，避雷器总是首先击穿对地放电。,