第17讲雷电及防雷保护装置研究报告

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1、高电压技术,2,8.8.2 三相绕组中的波过程,电力变压器一般按照Y、Y0、 等接线方式。 雷电冲击波可能从一相、两相或者三相接入； 三绕组变压器的波过程与单相变压器基本相同，只是随接线方式和进波方式有所不同。 星形接线中性点接地（ Y0） 当变压器采用Y0接地，三相间相互影响很小，可按三个独立的单相绕组波过程分析。,3,二、星形接线中性点不接地（Y）,一相进波时：波到达不中性点后经由两相绕组传出。后两相等效为并联的两个LKC回路,4,一相进波的特点：,入侵波幅值为1/2U0 由于绕组的冲击波阻抗远大于线路的波阻抗，因此其他两相波阻抗的线路侧的端点可认为是接地的。 起始电位分布与后两相关系不大

2、，可认为此时中性点电位接近为0。 稳态电位分布时，按电阻分配，成为折线。中性点为1/3U0 最大电位包络线为曲线3。振荡过程中，中性点最大电位为2/3U0,6,三、三角形接线,一相入侵时：因为绕组的冲击波阻抗远大于线路的波阻抗，因此B、C两端点相当于接地。此时，在AB、AC绕组中的波过程与末端接地时的相同。,7,两相或者三相入侵时：,用叠加法分析. 1表示A端或者B端进波时的初始分布 2表示A端或者B端进波时的稳态分布 虚线3表示A、B端同时进波时的初始分布 实线4表示A、B端同时进波时的稳态分布 振荡过程中，最高电位在中点M处，为2U0,8,8.8.3 冲击电压在绕组间的传递,当波浸入变压器

3、的高压绕组时，会感应到低压绕组中， 感应途径为：1 静电感应 2 电磁感应 感应过电压很大时，会造成低压绕组处的绝缘击穿。 近似计算这种感应过电压时，用叠加法，将两种途径的感应过电压分别计算后再相加。,9,一、绕组间的静电感应,由于电感中电流不能突变，因此只存在电容耦合。因此与变比无关。 在绕组2开路时，静电感应的电压为：,通常，低压绕组和很多线路相连，因此，还有很多电容和C20并联，此时U2不大。 但当空载时，需要进行过电压防护。,10,二、绕组间的电磁感应,线路电感中会逐渐流过电流。电流所产生的磁通会在另一个绕组中感应出电压。这种电压就叫电磁感应分量。 电磁感应分量与变比有关，但由于铁芯损

4、耗，所以不是与变比成正比。 通常，低压绕组绝缘裕度的设计远大于高压绕组，因此，电磁感应过电压，只是在从低压感应到高压时才有危险。 一般依靠在高压出线端安装三相避雷器进行防护。,11,8.9 旋转电极绕组中的波过程,当波作用于旋转电机时，也可用LCK回路分析。 一般选择电机要加外部保护措施，如（在发电机前并联电容），因此来波陡度平缓，波头时间大于10us，即du/dt很小。 无论是单匝还是多匝电机，k0du/dt都很小，因此可忽略K的影响。 在计算波过程时，可将旋转电机绕组看成具有一定波阻抗的导线。,旋转电机指的是经过电力变压器或直接与电网相连的发电机、同步调相机和大型电动机等，它们的绕组在运行

5、过程中部有可能会受到过电压波的作用。,12,一、电机绕组中的波阻抗及波速,电机槽内部分和端部部分的L0，C0是不同的，因此波阻和波速也有规律的变化，但一般用只看宏观的平均值。 波阻抗与电机容量、电压和转速有关。 电压升高 每槽匝数增加电感变大 波阻抗增加 容量加大 导线半径增加 每格匝数减小电容增加，电感减小 波阻抗减小 对于低速电机，可用图中值的2倍估算波阻抗,13,波速,容量加大 导线半径增加 每格匝数减小电容增加，电感减小 ，一般电感的减小没有电容的增加那么快波速下降,14,二、波在电机绕组中的传播,波在电机绕组中传播时，存在铁损、铜损、介质损耗。以铁损最大。因此，衰减和变形都很严重。

6、衰减可计算：,中小容量的电机： 0.0005m-1; 大容量电机： 0.0015m-1,当波沿电机绕组传播时，绕组中的电位如左图所示。最大电位梯度在首端。 匝间承受冲击电压为：,因此，允许来波最大陡度为：,一般将进波陡度限制在5kV/us以下。,15,第9章 雷电及防雷保护装置,大气过电压是由于雷电形成的。它是造成系统故障的主要原因之一 9.1 雷云放电及雷电过电压 热气流上升，冷凝产生冰晶，冰晶碰撞分裂，导致带负电荷的较轻部分被风吹走，形成雷云；带正电荷的较重部分可能形成局部带正电的云区或者凝聚成水滴下降。 整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下 部，离地大约500-1000m。 雷

7、云放电通常分为先导部分和主放电两个阶段。 图中为下行负雷闪的照片。 第一次放电结束后，多半还会有重复雷击。,16,17,9.1.2 雷击时的等值电路,主放电瞬间，可用开关S的闭合来模拟 Z是被击物的阻抗。 由于电荷运动形成电流，因此雷击点的电位发生突然变化uiZ,雷电具有电流源的性质。 当Z0时，i=2*i0; 一般，Z0300-400 ，ZZ0，因此，也可认为i=2*i0 i称为雷电流,18,9.2 雷电参数及雷电活动规律,在雷电设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等 9.2.1 雷电流幅值和波形 对于雷暴日数20的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：,对于雷暴日数20的地区(除

8、陕南以外的西边地区、内蒙古部分地区） ，我国现行推荐雷电流幅值概率为：,19,波形和极性,我国防雷规程建议值为：2.6/50 s，平均陡度为 在保护计算中，可取双指数波，为简化计算，一般可取斜角平顶波。 但在特高塔的设计中，可取半余弦波头，表达式为：,I为雷电流幅值；为角频率，=/f=1.2106s-1，f 为波头时间（2.6s）。,极性：75%-90%的雷为负极性雷，因此一般按照负极性雷进行研究。,20,9.2.2 雷暴日和雷暴小时,年平均雷暴日和年平均雷暴小时是表征雷电活动频繁程度的指标。 雷暴日：一年中有雷电的天数。在一天之内，只要听到雷声就算一个雷暴日。 雷暴小时：一年中有雷电的小时数

9、。在一小时之内，只要听到雷声就算一个雷暴小时。 我国大部分地区的雷暴小时与雷暴日之比为3。 我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。,21,9.2.3 地面落雷密度和 输电线路落雷次数,地面落雷密度反映了云地之间的放电。 地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的对地落雷次数，用表示。 e.g. 我国标准规定：对雷暴日T40的地区，=0.07次/km2雷暴日 输电线路的存在，改变了雷云地之间的电场分布，根据模拟试验和运行经验，输电线路每侧的引雷宽度为2h e.g. 对每100km的输电线路，每年遭雷击的次数为：,22,9.3 避雷针和避雷线,防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线） 避雷针（线）的保护范围是

10、按照99.9%的概率计算的。,23,避雷线的保护长度与线等长，因此适用与架空线路与大型建筑群。,单根避雷线的保护范围,两根避雷线的保护范围,保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角 。 保护角越小，避雷线对导线的屏蔽保护作用就越好。 有些国家还采用负保护角。,24,9.4 避雷器,当发生绕击或者感应时，过电压波将沿线路传播入侵发电厂、变点站等。 避雷器的要求： 良好的伏秒特性： 冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。 冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。 绝缘自恢复能力 按发展历程看： 保护间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避

11、雷器等。,25,氧化锌（ZnO）避雷器,ZnO避雷器又叫金属氧化物避雷器（MOA）。 ZnO避雷器由ZnO电阻片组成，具有优异的非线性伏安特性，因此可以取消火花间隙，实现无间隙无续流，且造价低廉。,（1） ZnO晶粒，粒径为10m左右，电 阻率为110cm； （2） 包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层，厚 度为0.1m左右，电阻率大于 1010cm； （3） 零散分布于晶界层中的尖晶石 Zn7Sb2O12。 ZnO电阻片的非线性特性主要取决于晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到104105V/cm时，其电阻率急剧下降到低阻状态,26,ZnO的伏安特性曲线,区域为低电场区，电流密度

12、与电场强度的开方成正比，非线性系数约为0.10.2； 区域为中电场区，晶界层电阻Rv减小，非线性系数大为下降，约为0.010.04； 区域为高场强区，ZnO本体电阻R起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。,27,ZnO避雷器的主要优点：,无间隙 结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压不稳定等，保护可靠性高 无续流 不需吸收续流能量，动作负载轻；可承受多次重复雷击或者重复操作过电压 电气设备所受过电压可减低 在整个过电压阶段都有电流流过，因此降低了过电压幅值 通流容量大 不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通流能力仅与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。 易于制成直流避雷器,

13、28,ZnO避雷器的电气性能,额定电压 能短期耐受的最大工频电压有效值 最大持续运行电压 能长期持续运行的最大工频电压有效值 起始动作电压（参考电压、转折电压） 开始进入动作状态的电压，通常为U1mA 压比 在8/20us的冲击电流规定值下，残压与起始动作电压之比。越小，非线性越好。 荷电率 最大场强工作电压与起始动作电压之比 工频耐受电压特性 对工频过电压的耐受能力 保护比 额定残压与最大长期工作电压峰值之比。越小，保护性能越好,29,9.5 接地技术与接地装置,接地：把地面上的电气设备的一部分经埋入地中（包含水泥和水）的接地体（如金属棒、管、带、网等）与大地作电气连接，从而使接地点对地保持尽可能低的电位。 9.5.1 接地和接地电阻的概念 电工中“地”的定义是地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。 将电气设备导电部分和非导电部分（例如电缆外皮）的某一节点通过导体与大地进行人为连接，使该设备与大地保持等电位的方法，称为接地。,30,接地装置原理图,由于大地电阻率的存在，当有电流流过时，出现电场分布，相对与无穷远处的零电位点，接地体处有电位升高。 需要降低接地电阻值。 接地体有人工和天然的两类：人工是指专门为接地而设置的；自然的是指用于别的目的，也可兼做接地。,