防雷过电压的危害及处理.pptx
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1、在电力系统中,由于雷电、操作以及故障等因素,产生的超过正常运行的最高工作电压,使设备和线路的绝缘受到威胁,这种危及绝缘的电压升高称为过电压。过电压雷电过电压内部过电压暂时过电压操作过电压直击雷过电压雷电反击过电压感应雷过电压雷电侵入波过电压工频过电压谐振过电压线性谐振过电压参数谐振过电压非线性谐振过电压切、合空载长线路过电压切、合空载变压器过电压开断感应电动机过电压开断并联电容器过电压弧光接地过电压过电压的分类过电压的分类第1页/共80页过电压的危害过电压的危害内部过电压影响设备的造价和工程投资,一旦引起设备事故,后果严重。大气过电压电压、电流很大。机械系破坏严重,甚至危及人身安全,带来火灾等
2、。第2页/共80页影响过电压的因素影响过电压的因素地理位置及气象环境接地方式一次设备运行方式第3页/共80页雷电放电和雷电过电压雷电放电和雷电过电压雷云的形成关于雷云的形成机理有很多的理论,它们或从微观的物理过程出发、或从宏观的大气现象出发,对雷云形成过程中的电荷分离、电荷的积聚分布、雷云电场的形成等进行分析、研究,其中比较有代表性的有感应起电、对流起电、温差起电、水滴分裂起电、融化起电、冻结起电等,但至今尚无定论。就其本质而言,雷电放电是一种超长气隙的火花放电,与金属电极间的长气隙放电是相似的。所不同的是由于雷云的物理性质毕竟与金属板不同,因而具有多次重复雷击等现象和特点。第4页/共80页2
3、023/3/22雷云下部大部分带负电荷,所以大多数的雷击是负极性的,雷云中的负电荷会在地面感应出大量正电荷。这样地面与大地之间或两块带异号电荷的雷云之间,会形成强大的电场,其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。通常“云地”之间的线状雷电在开始时往往是一微弱发光的通道从雷云向地面伸展,它以逐级推进的方式向下发展,每级长度约2550m,每级的伸展速度约104 km/s,平均发展速度只有100800km/s这种预放电称为先导放电。当先导放电接近地面时,地面上一些高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离程度,会发出向上的迎面先导,当它与下行先导相遇时,就出现了强烈的电荷中和过程,出现极大的电流,这就是雷电
4、的主放电阶段,伴随着雷鸣和闪光。这段时间极短,只有50100 s,它是沿着负的下行先导通道,由下而上逆向发展的,亦称“回击”。第5页/共80页2023/3/22架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护输电线路是电力系统的大动脉,一条长100m的架空线路一年往往要遭到数十次雷击,因而线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的比重。输电线路防雷保护的根本目的就是尽可能的减少线路雷害事故的次数和损失。为了表示一条线路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果,通常采用的指标有:1.耐雷水平:雷击线路时,其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值,单位为KA。2.雷击跳闸率(n
5、):是指在雷暴日Td=40的情况下、100km的线路每年因雷击而引起的跳闸次数,其单位为“次/(100km.40雷暴日)”。第6页/共80页2023/3/22变电所的防雷保护变电所的防雷保护变电所是多条输电线路的交汇点和电力系统的枢纽。变电所中出现的雷电过电压有两个来源:雷电直击变电所;沿输电线路入侵的雷电过电压波。雷电直接击中变电所设施的导电部分,则出现的雷电过电压很高,一般都会引起绝缘的闪络或击穿,所以必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行防护。按照安装方式的不同,可将避雷针分为独立避雷针和装设在配电装置构架上的避雷针两类。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
6、它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。第7页/共80页变电所的进线段保护变电所的进线段保护从前面的分析可知:为了使避雷器有效地发挥保护作用,就必须采取措施:限制进波陡度限制流过避雷器的冲击电流幅值进线段能起两方面的作用:进入变电所的雷电过电压将来自进线段以外的线路,它们在流过进线段时将因冲击电晕而发生衰减和变形,降低了波前陡度和幅值;利用进线段来限制流过避雷器的冲击电流幅值。第8页/共80页旋转电机的防雷保护旋转电机的防雷保护旋转电机的防雷保护要比变压器困难得多,其雷害事故也往往大于变压器,这是由它的绝缘结构、运行条件等方面的特殊性造成的。在同一电压等级的电气设备中,以旋转电机的
7、冲击电气强度为最低。电机绝缘的冲击耐压水平与保护它的避雷器的保护水平相差不多、裕度很小。发电机绕组的匝间电容很小和不连续,迫使过电压进入电机绕组后只能沿着绕组导体传播,而它的每匝绕组的长度又远较变压器绕组为大。从防雷保护的观点来看,发电机可分为两大类:通过变压器再接到架空线路上去的电机,简称非直配电机;直接与架空线相连的电机,简称直配电机。理论分析和运行经验均表明:非直配电机所受到的过电压均须经过变压器绕组之间的静电和电磁传递。只要低压绕组不是空载,那么传递过来的电压就不会太大。直配电机的防雷保护是电力系统中的一大难题,因为这时的过电压波直接从线路入侵,幅值大、陡度也大。第9页/共80页工频电
8、压升高包括:(1)突然甩负荷引起的工频电压升高;(2)空载线路末端的电压升高;(3)发电机自励磁;(4)系统不对称短路时的电压升高。工频过电压的危害:(1)由于工频电压升高大都在空载或轻载条件下发生,所以它们有可能同时出现、相互叠加。(2)工频电压升高是决定某些过电压保护装置工作条件的重要依据,所以它直接影响到避雷器的保护特性和电力设备的绝缘水平。(3)由于工频电压升高是不衰减或弱衰减现象,持续时间很长,对设备绝缘及其运行条件也有很大影响。工频过电压工频过电压第10页/共80页操作过电压操作过电压 常见的操作过电压有:(1)切除空载线路引起的过电压;(2)切除空载变压器的过电压。(3)电弧接地
9、过电压;(4)电感性负载的拉闸过电压;(5)空载线路合闸时的过电压;第11页/共80页切除空载线路时的过电压 切断空载线路或并联电容器组时,可能引起电感-电容回路振荡过程,引起过电压,产生电弧重燃,引起电气设备的多次绝缘闪络或击穿事故。用开关切除空载线路时,可能在线路或母线侧出现危险的过电压。在工频条件下,由于,空载线路表现为一个等值的电容负荷,所以切除空载长线时产生的过电压与切除电容器组时产生的过电压性质完全相同。切除空载变压器引起的过电压 切除空载变压器是电网中常见的一种操作形式。在正常运行的情况下,空载变压器表现为一个励磁电感(它的漏感较小得多,可以忽略),因此切除空载变压器也即是切除电
10、感负载。切除电动机、电抗器时,开关中的电感电流突然被切断,电感中储存的电能将在被切除的电器和开关上引起过电压。第12页/共80页弧光接地过电压 在中性点不接地系统中发生单相接地故障时,各相的相电压升高,则流过故障点的接地电流也随着增加,许多暂时性的单相弧光接地故障往往能自行熄灭,在接地电流不大的系统中,不会产生稳定的电弧,这种间歇性的电弧引起系统运行方式瞬息变化,导致多次重复性电磁振荡,在无故障相和故障相上产生严重的弧光过电压。电感性负载的拉闸过电压 当切除电感性负载时,由于断路器强制熄弧,随着电感电流的遮断,电感中的磁能将转为静电能,出现过电压。空载线路的合闸过电压 系统在合闸初瞬间的暂态过
11、程中,电源电压通过系统的电感和电容,在回路中会发生谐振,因起过电压。第13页/共80页谐振过电压 电力系统中具有许多非线性铁心电感元件,它们和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路,可能激发起持续时间较长的铁磁谐振过电压。铁磁谐振过电压,可以是基波谐振,可以是高次谐波谐振,也可以是分次谐波谐振。铁磁谐振过电压可以在3500kV的任何系统中甚至在有载长线的情况下发生,过电压幅值一般不超过2.5倍的系统最高运行相电压,个别可达3.5倍。谐振过电压持续时间可达几秒以上,不能用避雷器限制。铁磁谐振过电压表现形式可能是单相、两相或三相对地电压升高,或以低频摆动,或产生高值零序电压分量。第14页/共80页
12、 常见的发生铁磁谐振过电压的情况有:(1)各相不对称断开时的过电压 (2)配在中性点绝缘系统中,电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压 (3)开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过电压 (4)传递过电压第15页/共80页各相不对称断开时的过电压 线路只断开一相或两相的情况叫作不对称断开。当线路末端接有中性点绝缘的空载或轻载变压器时,不对称断开可能引起铁磁谐振过电压。若变压器中性点直接接地,则不会产生此种类型的过电压。电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压 电压互感器通常接在变电所或发电机的母线上,其一次侧绕组接成星形,中性点直接接地,因此各相对地励磁电感与导线对地电容之间各自组成独立的振荡回路,并
13、可看成是对地的三相负荷。在正常运行条件下,三相对地负荷是平衡的,电网的中性点处在零电位。当电网发生冲击扰动时,可能使一相或两相的对地电压瞬间提高。使得相互感器的励磁电流突然增大而发生炮和,其等值励磁电感相应减小,这样,三相对地负荷变成不平衡了,中性点就发生位移电压。结果可能使一相对地电压升高,另外两相则降低;也可能使两相对地电压升高,另一相降低,一般后者常见,这就是基波谱振的表现形式。第16页/共80页开关断口电容与母线PT之间的串联谐振过电压 当母线较短,且接有电磁式电压互感器,母线在空载充电状态下,当线路开关跳闸,线路上的电源电压作用于开关的断口并联电容和电压互感器上。由于系统电源中性点是
14、直接接地的,PT也是三相分立中性点直接接地的。网络在正常运行条件下,C 和L 并联于系统电源,回路是稳定的。当断路器断开后,断口的均压电容C和PT的电感L构成了铁磁谐振回路条件。传递过电压 电网中发生不对称接地故障,开关非全相或不同期动作时,网内将出现零序电压和三相电流不对称,通过电容的静电耦合和电感的电磁耦合,对于相邻的送电线路之间或变压器绕组之间会产生电压的传递现象。当系统接有电压互感器等铁磁元件时,还可能构成串联谐振回路,产生线性谐振或铁磁谐振传递过电压。第17页/共80页2 避雷器避雷器是电力系统最重要的过电压保护器装置,是系统过电压和绝缘配合的基础第18页/共80页避雷器避雷器发展史
15、发展史放电间隙+熔断器(19世纪70年80年代)羊角间隙 、增加磁吹线圈(增强熄弧能力)、间隙串联线性电阻(限制续流)、多间隙串并联线性电阻(18961908)氧化铝和氧化铅电阻器替代线性电阻阀式避雷器原型(19071920)氧化铝和氧化铅避雷器外加羊角间隙或内串间隙(19201930)19301940发明碳化硅非线性电阻片,碳化硅阀式避雷器(19401950)磁吹阀式避雷器(19501960)氧化锌避雷器(1970至今)组合式氧化锌避雷器(组合式过电压保护器)(1990年至今)第19页/共80页绝缘内容:发电+变电+线路绝缘配合方法:Uw=Kc*UexUw:绝缘水平(系统可耐受电压)Uex:
16、过电压水平(或MOA残压)Kc:间隔系数(绝缘配合系数)避雷器避雷器绝缘配合绝缘配合第20页/共80页避雷器避雷器防雷的技术路线防雷的技术路线第21页/共80页氧化锌避雷器 氧化锌避雷器的伏安特性 ZnO的伏安特性如图所示,可分为小电流区、非线性区和饱和区。在1mA以下的区域为小电流区,呈高阻状态,基本上是线性的。当电流在1mA到10kA范围内,属于非线性区,其系数较高,值在0.020.05左右。避雷器中通过的电流在很大的范围内变化,而电压基本不变。当电流大于10kA后,一般进入饱和区,随电压的增加电流增长不快。第22页/共80页氧化锌的优点 (1)无间隙。在工作电压作用下,ZnO实际上相当一
17、绝缘体,工作电压不会使阀片烧坏,可以不用串联间隙来隔离工作电压。(2)无续流。当作用在阀片上电压超过某一值时,将发生“导通”,其后,ZnO阀片上的残压受其良好的非线性特性所控制,当系统电压降至起始动作电压以下时,ZnO的“导通”状态终止。相当于一绝缘体,不存在工频续流。也可使用于直流输电系统。(3)电气设备所受过电压可以降低。ZnO避雷器在整个过电压过程中都有电流流过,降低了作用在变电站电气设备上的过电压。(4)通流容量大。ZnO避雷器的通流容量较大,可以用来限制内部过电压。第23页/共80页基本特性 起始动作电压又称转折电压,从这一点开始,电流将随电压升高而迅速增加,也即其非线性系数将迅速进
18、入0.020.05的区域。通常是以1mA下的电压作为起始动作电压。其值约为最大允许工作电压峰值的105115。压比是指氧化锌避雷器通过大电流时的残压与通过1mA直流电流时电压之比。例如10kA压比是指通过冲击电流10kA时的残压与1mA(直流)时电压之比,压比越小,意味着通过大电流时之残压越低,则ZnO避雷器的保护性能越好。目前,此值约为1.62.0。第24页/共80页应用 氧化锌避雷器在电压等级较低时(如110kV及以下)大部分是采用无间隙。对于超高压避雷器或带大幅度降低压比时,则采用并联或串联间隙的方法。为了降低大电流时的残压而又不加大阀片在正常运行中的电压负担以减轻氧化锌阀片的老化,往往
19、也采用并联或串联间隙的方法。第25页/共80页 氧化锌压敏电阻(伏安特性)氧化锌压敏电阻(伏安特性)第26页/共80页 重要参数重要参数1、参考电压Uref:MOR或整个避雷器上测定的电压2、额定电压Ur:耐受暂态过电压(TOV)的能力3、持续运行电压Uc:允许长期施加在WGMOA两端的工频电压有效值(在一定的动作负载条件下)4、额定能量(秒安特性2ms方波):与放电持续时间、电流幅值、放电次数有关5、保护特性(伏安特性或残压比):(陡波、雷电、操作、参考等冲击电流)6、标称放电电流及等级第27页/共80页 避雷器避雷器MOA热平衡示意图热平衡示意图第28页/共80页 中压系统串联间隙的先进性
20、中压系统串联间隙的先进性 稳态电压的比较电流和电压响应比较第29页/共80页3 组合式过电压保护器过电压由四个保护单元组成的三相组合式过电压保护器,可有效地保护相间和相对地的绝缘,可有效限制大气和操作过电压的新型过电压保护装置。第30页/共80页 TE-ZGB组合式过电压保护器组合式过电压保护器 主要特点:主要特点:1、保护全面它不仅可以保护相对地过电压,而且还可以保护相间过电压。2、寿命更长利用放电间隙和氧化锌电阻的良好配合,解决了氧化锌电阻的工频老化问题(荷电率),保护残压值较低,可在操作过电压下频繁动作达105次以上。3、性能稳定接地单元采用无间隙结构,避免了分布电容及寄生电容对工频电压
21、的分布及间隙放电性能的影响,同时在其它三相间隙并联间隙电阻,使得间隙放电更稳定。从而保证了产品各项性能的稳定。4、安全性高 采用四单元三间隙的专利技术,在组合式过电压保护器中独家采用单间隙承担工频电压技术,使每个间隙的恢复电压均能达到额定电压,保证了产品自身的安全。第31页/共80页TE-ZGB(原理图)(原理图)TE-ZGBTE-ZGB原理图原理图其中:其中:J J放电间隙放电间隙R1R1、R0-R0-压敏电阻(压敏电阻(MORMOR)G G接地接地第32页/共80页TE-ZGB(工作原理)(工作原理)基本工作原理基本工作原理采用串联放电间隙的目的主要是为了截断工频电压,解决荷电率问题,在A
22、、B、C三相下各串联了一个放电间隙,截断了全部的工频电压,故接地保护单元完全没有必要再串联放电间隙。这样就避免了中心点M对地的寄生电容以及杂散电容等对其放电性能的影响,性能更加稳定。现假设由A相和B相之间产生过电压,A单元中的间隙先动作,这时过电压UA经A1后加到中心点M上。假设间隙的放电电压为UG,UA1为过电压保护时电流在A1上的残压,UA0为过电压保护时电流在A0上形成的残压。则:当|UA|UG;|UA|-|UA1|UA0|时,A单元中的间隙J动作,这时M点的实际电位为|UA0|。这时只要|UA1|+|UB|UG,则B单元中的间隙放电而限制了相间过电压,保护残压为:2UA1,相间动作值为
23、:2UG-UA0。第33页/共80页TE-ZGB(特点)(特点)基本特点简介:基本特点简介:1、安全性:由于采用放电间隙,降低了MOR的电压值,安全性决定于间隙J的恢复能力主要参数(1 1)工放值;()工放值;(2 2)切断比;()切断比;(3 3)冲放值)冲放值特点:单间隙承担工频电压2、稳定性:无寄生电容影响:中心点M对地产生寄生电容,寄生电容对与之并联的间隙产生很大的影响,但对MOV元件不会产生影响,所以说TE-ZGB的间隙动作特性不受杂散电容和寄生电容的影响。无间隙隔离:因接地单元是由MOA组成,所以每个放电间隙的下端电极平常基本上是零电位,为一个定值,它不会随电网的波动而波动,保护性
24、能更加理想。主要参数:(:(1 1)寄生电容;()寄生电容;(2 2)间隙电容特性;()间隙电容特性;(3 3)安装位置及夹具;)安装位置及夹具;(4 4)电位差;()电位差;(5 5)隔离)隔离特点:接地单元无间隙第34页/共80页TE-ZGB(同类比较)(同类比较)与同类产品比较:与同类产品比较:相同点:1:结构上采用MOR串联间隙 2:功能均可保护相间和相对地过电压不同点:结构:TE-ZGB采用三间隙四单元,其他采用全对称四单元原理:TE-ZGB是单间隙承担工频电压,其他采用两间隙串 联共同承担工频电压主要同类产品原理图主要同类产品原理图第35页/共80页 TE-ZGB(同类比较)(同类
25、比较)性能:性能:安全性:串联有间隙避雷器的安全性主要决定于所串间隙的恢复电压(灭弧电压)Uf。Uf取决于间隙的工频放电电压Ug,工频放电电压与恢复电压的比值,即切断比:K1(K1=Ug/Uf)。Ug1.1KK1Ur。(注:K:安全系数=1.1,Ur:额定电压)TE-ZGB:每个间隙满足Ug,满足安全要求其他两个间隙串联满足Ug,安全性无保障稳定性:1)寄生电容的影响寄生电容的影响:TE-ZGB接地单元为MOR,不受影响,其他接地单元有间隙,受影响2)中性点电位中性点电位:TE-ZGB三个间隙下为MOR,电位为0,间隙放电稳定;其他中心点M与地之间被间隙“隔离”开来,M点的电位实际是由A、B、
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