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1、 杭州电子科技大学自动化学院 电气工程与自动化 章坚民 发电厂电气装置 第六讲 (书本第九章) 过电压防护、接地 及电气安全知识 过电压概念 正常运行的电力系统，由于雷击、倒闸操 作、故障或电力系统参数配合不当等原因 ，会使电力系统中某些部分的电压突然升 高，成倍超过其额定电压。这种电压升高 的现象称为“电力系统过电压”。 大气过电压或称外过电压 由于直击雷或雷电感应面引起的过电压称 为大气过电压或称外过电压。 这种过电压持续时间很短，具有脉冲特性 ，雷电冲击电流和冲击电压的幅值都很大 ，所以破坏性大。 内过电压 由于电力系统内部操作或故障而引起的过 电压称为内过电压。 内过电压持续时间较长，
2、过电压的幅值和 瞬时功率比外部过电压来得小，但它同样 具有极大的破坏性。 外过电压和内过电压由于产生的原因不同 ，变化的特性不同，因而所采用的防护方 法也不完全相同。 雷云：潮湿热气流上升进入稀薄大气层冷凝而形成。 带不同电荷雷云之间形成强大电场，临近地面的雷云在大地 或建筑物感应出电荷而形成电场。 1）先导放电。当电场强度达到使空气绝缘破坏（约25 30kV/cm）,空气游离，导电通道形成，由雷云逐步向地面 发展。 2）主放电。到达异性电荷中心，开始主放电阶段，电流可达 几十万安，电压可达几百万伏，温度可达二万摄氏度。 3）余辉放电。雷云中剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地。 雷电放电速度很快
3、，雷电流的幅值很大 ，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率 、雷击点的散流电阻有关。 雷电过电压的形成,及特性 6.4 过电压防护、接地 及电气安全知识 （1）直击雷雷直接击在建筑物和设备上而发 生的机械效应和热效应。 变电所采用避雷针和避雷线作为直击雷保护 。 （2）感应过电压雷电流产生的电磁效应和静 电效应。发生雷击后，电气设备感应的电压。 雷电流的分类： 直雷电过电压和感应过电压 （三）防雷设备 1、避雷针与避雷线 避雷针的保护范围。 常采用“滚球法”来确定 防雷设备 滚球法 半径为45米的滚球在建筑物上的移动轨迹 接闪器的保护范围 滚球半径的确定 （表101 ） 单支避雷针 双支避雷针
4、 避雷线 避雷线 1）110kV及以上的架空输电线路，一般全线装设避雷线； 2）35kV架空线只在进变电所的1-2km线路上装设避雷线； 3）10kV一般不设避雷线。 线路与避雷线选择 避雷网 当建筑物较高。屋顶面积较大但坡度不大时，可采用避雷 网作为屋面保护的接闪装置。 避雷网（带）分明装和暗 装两种。明装避雷网（带）一 般可用直径8mm的圆钢或截 面12x4mm2的扁钢做成。为 避免接闪部位的振动力，宜将 网（带）支起1020cm，支持点间距取11.5m，应注意美观和 伸缩问题。暗装时可利用建筑内不小于3mm的钢筋。 2、保护间隙和避雷器 保护电气设备免遭入侵雷电波损坏。 1 保护间隙 保
5、护间隙和避雷器：第2道防线 2、保护间隙和避雷器 保护电气设备免遭入侵雷电波损坏。 2 管型避雷器 6.4 过电压防护、接地 及电气安全知识 管型避雷器技术 管型避雷器技术是利用一种具有喷气熄弧功能的 间隙装置，此装置有内外两个间隙，外间隙类似 保护间隙，两极均固定在绝缘件上，内间隙置于 避雷器管内，当雷电过电压内外间隙击穿时， 雷电流和工频短路电流经管内壁接地， 管壁物质受热气化， 有较大压力气体经内间隙喷出管外，强制间隙熄弧。 管型避雷器技术也存在很多的缺点：此装 置的的选用受安装地点的限制，其次还受线路最大、 最小短路电流的制约，最大短路电流大于避雷器的 断流上限时避雷器会爆炸；短路电流
6、小于避雷器 的断流下限时就不能熄弧，避雷器可能烧坏。 另外管型避雷器多次动作后， 管内径会逐渐增大， 熄弧能力会下降甚致消失。 3 阀型避雷器 6.4 过电压防护、接地 及电气安全知识 阀型避雷器的工作原理： 当系统正常时，火花间隙将阀片电阻和工作母线隔离， 以免由工作电压在阀片电阻中产生的电流使阀片电阻烧坏。 一旦工作母线上的电压超过其击穿电压值时，火花间隙将 被击穿并引导雷电流通过阀片电阻泄入大地，此时阀片电阻的 阻值将自动变小以降低在其两端形成的残压。 雷电流消逝后，作用在阀片电阻上的电压即为工频电压， 此时阀片电阻的阻值将自动变大，限制了工频续流以促使 电弧快速可靠熄灭。 （2）阀型避
7、雷器由多个火花间隙和阀片电阻串联构成。 火花间隙极间距离小，电场近似与均匀电场，伏秒特 性比较平坦，易于实现绝缘配合。且多个间隙使工频续流时 电弧分段，短弧相对长弧而言，更易于切断，提高了间隙 绝缘强度的恢复能力。 阀片电阻的存在避免出现对绝缘不利的截波。它的非线性 使通过雷电流时呈现低电阻，以限制避雷器的残压， 提高了保护性能；通过工频续流时呈现高电阻，电压一定， 以限制工频续流，提高了灭弧性能。 氧化锌避雷器 氧化锌避雷器，其阀片以氧化锌为主要 材料，附以少量精选过的金属氧化物， 在高温下烧结而成。氧化锌具有很理想 的非线性伏安特性。如图所示： （1）氧化锌避雷器的工作原理： 在工作电压作
8、用下，流经ZnO阀片的电流远小于1mA（主要成分为电容电流）， 相当于绝缘体，不会使阀片烧坏，所以可以不用串联间隙来隔离工作电压。 当作用在ZnO阀片上的电压超过某一值（起始动作电压U1mA）时， 将发生“导通”，“导通”后ZnO阀片的电阻很小，残压与流过它的 电流大小基本无关。 当作用电压降到动作电压以下时，ZnO阀片“导通”终止，又相当于绝缘体， 因此不存在工频续流。 这就是MOA可以做到无间而又无续流的原因。（雷电流过去即变为绝缘体， 故只有雷电流通过ZnO阀片） 与碳化硅SiC阀片相比，ZnO阀片具有很理想的非线性伏安特性。 （2）与由SiC阀片和串联间隙构成的传统避雷器相比，氧化锌无
9、间隙避雷器 具有下述优点： 结构简单，适合大规模自动化生产，尺寸小，重量轻，造价低廉。 保护性能优越。由于ZnO阀片具有优异的伏安特性，残压更低；在整个 过电压作用期间均能释放能量，没有火花 ，所以不存在放电时延，具有很好 的陡波响应特性，特别适用于GIS气体绝缘变电站、直流系统的保护。 耐重复动作能力强，只吸收过电压能量，不需吸收续流能量。 通流容量大。ZnO阀片单位面积的通流能力为SiC阀片的45倍。可作为内部 过电压的后备保护。 耐污性能好。由于没有串联间隙，因而可避免因瓷套表面不均匀污染使串联 火花间隙放电电压不稳定的问题，易于制造防污型和带电清洗型避雷器。 （不受表面污染影响） v
10、金属氧化物避雷器（MOA） 金属氧化物避雷器又称为压敏电阻避雷器。这是一种没有火 花间隙，只有压敏电阻片的新型避雷器。 输电线路的防雷 1、架设避雷线 2、降低杆塔接地电阻 3、架设耦合地线 4、装设自动重合闸 5、采用消弧线圈接地方式 6、装设管型避雷器 7、加强绝缘 变电所防雷保护 变电所遭受雷害可能来自两个方面： (1)雷直击于变电所； (2)雷击线路，沿线路向变电所入侵的雷电波 。 1、对直击雷的保护，一般采用避雷针或避雷 线。（建筑物及电气、电子设备等） 2、由于线路落雷频繁，所以沿线路入侵的雷 电波是变电所遭受雷害的主要原因。其主要防 护措施是在变电所内装设阀型避雷器，在线路 进口
11、及沿线布置，以限制入侵雷电波的幅值。 2、变电所的直击雷保护 为了防止雷直击于发电厂、变电所 ，可以装设避雷针，应该使所有设备都 处于避雷针保护范围之内，此外，还应 采取措施，防止雷击避雷针时的反击事 故。 3、变电所内阀型避雷器的保护作用 变电所内必须装设阀型避雷器以限 制雷电波入侵时的过电压，这是变电所 防雷保护的基本措施之一。 4、三相绕组变压器的防雷保护 当变压器高压侧有雷电波入侵时， 通过绕组间的静电和电磁耦合，在其低 压侧也将出现过电压。为了限制这种过 电压，只要在任一相低压绕组直接出口 处对地加装一个避雷器即可，中压绕组 虽也有开路的可能，但其绝缘水平较高 ，一般不装。 内部过电
12、压产生的3大原因： 1.操作过电压： 1）切断空载线路或并联电容器组时：可能出现LC震荡， 从而产生过电压。 2）切断空载变压器时；可能出现磁能转化为电能。 2.电弧接地过电压。 3.谐振过电压：LC参数，出现LC谐振，从而引起过电压。 内部过电压的三大原因 内部过电压与电力网的结构、参数、中性点接地方式、断路 器的性能、操作方式等因素有关。 防护措施 1.阀型避雷器 2、压敏电阻 3、调节电路参数 4、装设电容器破坏谐振。 内部过电压的防范 一、接地，既将电气设备的某些部分用导线（接地线）与 埋在土壤中或水中的金属导体（接地体）相连接。按照接地的 作用，电气设备的接地主要有三种形式： 工作接
13、地。工作接地是为了使电气装置正常工作而 将电气回路中的某一特定点接地，使之与地基本保持 同电位。如三相系统中性点直接接地，或经小电阻或消弧线圈 接地。 保护接地。保护接地是将主要电气设备可能带电 的金属部分进行接地，防备由于绝缘损坏使外壳带危险电压 ，以保护人身的安全。 防雷接地。其作用是将雷电流安全地泄入地中，消除 过电压的危险影响。 二、接零，与系统中性点（零）连接在一起。 接地与接零 接地电阻和地中电位的分布 接地电流流入地下以后，就通过接 地体向大地作半球形散开，这一 接地电流就叫做流散电流。流散 电流在土壤中遇到的全部电阻叫 叫做流散电阻。 接地电阻是接地体的流散电 阻与接地线的电阻
14、之和。接地线 电阻一般很小，可以忽略不计。 因此，可以认为流散电阻就是接 地电阻。 接触电压 接地体电压UE=IE*RE 最大 其中IE为接地电流，RE为接地体 电阻 书本上有 详细的电 压曲线计 算公式 电气设备 外壳是接 地的，即 与接地体 同电位 该点为 接地体 电压 此人手的电位为UE， 脚的电位为所在地的 电压U1，故其手脚之 间的电压达到UC，是 很高的 此人手的电位 为UE，脚的电 位为所在地的 电压U1，故其 手脚之间的电 压达到UC，是 很高的 跨步电压 中心区跨步电压大 非中心区跨步电压小 书本上有 详细的电 压曲线计 算公式 跨步电压触电跨步电压触电 绝缘损坏或线路一相断
15、线落 地。离导线落地点20m外， 地面电位近似为零。人走近 导线落地点，在两脚之间出 现电位差，即跨步电压跨步电压。离 电流入地点越近，跨步电压 越大；在20m外，跨步电压 很小，可看作为零。当发现 跨步电压威胁时应赶快把双 脚并在一起，或赶快用一条 腿跳着离开危险区。 导线落地后，还 会产生接触电压触电 ；或由于接地装置布 置不合理，接地设备 发生碰壳时造成电位 分布不均匀而形成一 个电位分布区域。在 人体与带电设备外壳 相接触时，便会发生 接触电压触电。 接触电压触电接触电压触电 保护接地与接地方式 (1)所谓工作接地，在低压交流电网中就是将三相电源中 的中性点直接接地。 (2)所谓保护接
16、地，就是将受电设备在正常情况下与带电 部分绝缘的金属外壳部分与接地装置作良好的电气连接。 在低压交流电网中就是将三相电源中的中性点直接接地。 目的： (1) 降低触电电压 (2) 迅速切断故障 在中性点接地的系统 中，一相接地后的电流 较大，保护装置迅速动作 ，断开故障点。 (3) 降低电气设备对地 的绝缘水平 工作接地工作接地 保护接地保护接地 当电气设备内部绝缘损坏发生一相碰壳时：由 于外壳带电 , 当人触及外壳,接地电流 Ie 将经过 人体入地后, 再经其它两相对地绝缘电阻R 及分布 电容C 回到电源。当R 值较低、C 较大时，Ib 将 达到或超过危险值。 电气设备外壳未装保护接地时电气设备外壳未装保护接地时 RC Ib Ie 对地绝缘电阻 分布电容 RC 对地绝缘电阻 电气设备外壳有保护接地时 通过人体的电流： R R b b 与与 R Ro o 并联，且并联，且 R R b b R Ro o 通过人体的电流可减小到安全值以
