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1、2020/7/31,1,一、雷电过电压 二、防雷保护装置 三、内部过电压,项目七 过电压及防雷保护,1.雷云放电 2.雷电种类及危害 3.雷电参数及活动规律,一、雷电过电压,1.雷云放电,带负电雷云的阶梯下行先导向地面移动。随着地面场强增大，迎面先导出现。,阶梯下行先导向地面发展。迎面先导向下行先导发展。,雷电的主放电阶段：当迎面先导与下行先导的一支相遇时，就产生了强烈的“中和”过程，出现极大的电流，达数十到数百千安，伴随着雷鸣和闪光。,余光阶段：云中的残余电荷经过主放电通道流下来，称为。由于云中的电阻较大，余光阶段对应的电流不大，但持续的时间却较长,1.雷云放电,（1）直击雷,带电积云与地面
2、目标之间的强烈放电称为直击雷。,2.雷电种类及危害,直击雷过电压,2.雷电种类及危害,反击耐雷水平,反击耐雷水平与导线地线间的耦合系数k，杆塔分流系数，杆塔冲击接地电阻Ri，杆塔等值电感Lt以及绝缘子串的50放电电压U50等因素有关。,绕击耐雷水平,直击雷过电压,2.雷电种类及危害,静电感应雷：由于雷云的作用，使附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷，雷云主放电时， 先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如不就近泄入地就会产生很高的电位。,电磁感应雷：雷电流迅速变化，在其周围产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电 动势。包括静电感应和电磁感应，它可使金属部件之间产生火花。
3、,（2）感应雷,2.雷电种类及危害,感应雷过电压,2.雷电种类及危害,（3）雷电侵入波,由于雷电对架空线路或金属管道的作用，雷电波可能沿着这些管线侵入屋内，危及人身或损坏设备。,发电机、变压器等主要电器设备的内绝缘大都没有自恢复的能力 220kV线路，50%放电电压为1200kV 而相应的变压器全波冲击试验电压为850kV, 全波多次冲击耐压只有850/1.1=773kV 设备损坏后将造成大面积停电,发电厂变电所雷电过电压危害,2.雷电种类及危害,降低来波陡度,进线保护段,避雷器的保护范围与作用,侵入波,防止反击,直击雷,避雷针、避雷线的保护范围,减小通过避雷器的电流,发电厂变电所防雷保护措施
4、,2.雷电种类及危害,12,对于雷暴日数20的地区(除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：,（1）雷电流幅值和波形,3.雷电参数及雷电活动规律,对于雷暴日数20的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：,3.雷电参数及雷电活动规律,雷电流的波头在15us的范围内，多为2.52.6us；波尾多在20100us的范围内，平均约为50us；按DL/T6201997标准，取为2.6/50。,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。,（1）雷电流幅值和波形,雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波和半余弦波三种。,雷暴日：一年中
5、有雷电的日数。一般把年平均雷暴日不超过15日的地区叫少雷区，超过40日的叫多雷区，超过90日的叫强雷区。,地面落雷密度：表示每一雷暴日、每平方公里地面落雷次数。在40雷暴日情况下，可取 = 0.07。,年落雷密度：(地闪密度):用Ng表示统计区域内每年每平方公里地面落雷次数。,（2）雷电活动规律,3.雷电参数及雷电活动规律,地闪密度等级划分,A 级 0.00 Ng次/（km2a） 0.78 ；灰色 B1 级 0.78 Ng次/（km2a） 2.00 ；蓝色 B2 级 2.00 Ng次/（km2a） 2.78 ；青色 C1 级 2.78 Ng次/（km2a） 5.00 ；黄色 C2 级 5.00
6、 Ng次/（km2a） 7.98 ；橙色 D1 级 7.98 Ng次/（km2a） 11.0 ；紫红 D2 级 11.0 Ng次/（km2a） 无穷.；深红,（2）雷电活动规律,3.雷电参数及雷电活动规律,1.避雷针及避雷线 2.避雷器,二、防雷保护装置,保护原理：在避雷针（线）的顶端形成局部场强集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针（线）放电，避免被保护物体遭受雷击。 避雷针（线）必须高于被保护物，避雷针的顶部为尖状。 避雷针（线）与被保护设备电气上是绝缘的 避雷针的保护范围：雷电绕击率低于0.1%的范围。 绕击：雷电绕开避雷装置而击中被保护物体。 保护范围具有相对意义，统
7、计意义。 不能保证保护范围内物体完全不受雷击， 保护范围外物体也受保护。,1.避雷针及避雷线,19,被保护物高度低时，保护半径扩大； 避雷针高度增加时，保护范围扩大有限； 工程上多采用两支或多只避雷针以扩大保护范围。,当h30m时，p=1；30mh120m时，,；当h120m时，按h=120m计算,避雷针的保护范围,1.避雷针及避雷线,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。,避雷线的保护范围,1.避雷针及避雷线,2.避雷器,避雷器作用,当发生绕击或者感应时，过电压
8、波将沿线路传播入侵发电厂、变电站等。 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。 具有良好的非线性电阻特性,保护间隙的灭弧能力很差（适用于短路电流小）； 间隙间的电场为极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，将直接影响到它的保护效果； 保护间隙击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备,保护间隙,2.避雷器,23,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
9、续流，且造价低廉。,氧化锌（ZnO）避雷器,2.避雷器,硅橡胶复合外套避雷器,ZnO避雷器外形结构,2.避雷器,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,ZnO避雷器的主要优点：,2.避雷器,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
10、（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：持续运行电压与起始动作电压之比，老化 工频耐受电压特性对工频过电压的耐受能力（1.2 1000s；1.3 100s；1.4 1s） 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,ZnO避雷器的参数,2.避雷器,27,压比： 荷电率： 压比反映了避雷器伏安特性的非线性程度，压比越小非线性程度越大、保护性能越好。 荷电率反映了长期工作条件下避雷器承担电压负荷的轻重，荷电率较高时避雷器老化速度加快。,ZnO避雷器的参数,2.避雷
11、器,28,三、电力系统内部过电压,1.内部过电压种类 2.工频过电压 3.谐振过电压 4.操作过电压,电力系统中由于断路器操作、故障发生及消失或其他原因，使系统参数发生变化，引起电网内部电磁能量转化或传递所造成的电压升高。,1.内部过电压种类,在一定位置上的的相对地或相间的过电压，具有一定的振荡频率，由于无阻尼或弱阻尼，因此持续时间较长。,操作过电压是电磁过渡过程的过电压。(0.1s以内),对正常绝缘一般没有威胁。但常伴随操作过电压，其大小直接影响操作过电压的幅值。,系统中电感和电容可能形成不同的振荡回路，在一定条件下，产生振荡现象。其持续时间较长。,1.内部过电压种类,电力系统中在正常或故障
12、时可能出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高，统称工频电压升高，或称工频过电压。,直接影响操作过电压的幅值 决定避雷器额定电压的重要依据 持续时间长，对设备绝缘及运行性能有重大影响（绝缘内部游离、过热、电晕等）,2.工频过电压,电力系统中存在大量电感和电容元件 电感元件：电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路导线电感等 电容元件：线路导线对地和相间电容、补偿用的并联和串联电容器组、高压设备的杂散电容,当系统进行操作或发生故障时，电感、电容元件可形成各种振荡回路，如某一自由振荡频率等于外加强迫频率，发生谐振。谐振是一种周期性或准周期性的运行状态。,2.谐振过电压,
13、谐振过电压,发生谐振的那个谐波的振幅会急剧上升，且持续时间长，甚至稳定存在，性质上属于暂时过电压 谐振过电压的严重性既取决于它的幅值，也取决于它的持续时间 谐振过电压危及电气设备的绝缘 持续的过电流烧毁小容量的电感元件，还影响保护装置的工作条件，如避雷器的灭弧条件 系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压得有利因素。但对于零序回路的谐振，则正序的有功负荷不起作用,谐振过电压特点,2.谐振过电压,对应三种电感参数，在一定的电容参数和其他条件的配合下，可能产生三种不同性质的谐振现象.,线性谐振 铁磁谐振 参数谐振,2.谐振过电压,谐振回路由不带铁芯的电感元件（如输电线路的电感、变压器的漏感）或励
14、磁特性接近线性的带铁芯的电感元件（如消弧线圈，其铁芯中有气隙）和系统中的电容元件所组成。在正弦电源作用下，系统自振频率与电源频率相等或接近时，可能产生线性谐振,线性谐振,2.谐振过电压,电力系统中可能发生线性谐振的情况,当空载线路到达一定长度时，会发生工频线性谐振。不对称接地故障或非全相操作则使谐振时的导线长度更加缩短。,消弧线圈补偿电网中的线性谐振 超高压补偿线路（并联电抗器）中不对称切合引起的工频谐振,两种补偿电网中的线性谐振,2.谐振过电压,参数谐振,由电感参数作周期性变化的电感元件（如凸极发电机的同步电抗的周期性变化）和系统的电容元件（如空载长线）组成回路，当参数配合时，通过电感的周期
15、变化，不断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐振过电压,2.谐振过电压,电机旋转时的电感参数发生周期性变化，同步发电机接有容性负载时（如空载线路）即使激磁电流很小，也会使发电机的端电压和电流急剧上升，最终产生很高的过电压。又称为自励磁，过电压为自励磁过电压,参数谐振的原因,2.谐振过电压,谐振回路由带铁芯的电感元件（如空载变压器、电压互感器）和系统的电容元件组成。因为铁芯电感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的，在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振，并有许多特有的性质,铁磁谐振（非线性谐振）,2.谐振过电压,4.操作过电压,电力系统内正常操作、切除故障操作或因故障所造成的过电压。操作过电压特点：幅值较高、持续时间短、衰减快。 常见操作过电压：线路合闸和重合闸操作过电压、切除空载变压器、并联电抗器、空载线路操作过电压；线路非对称故障分闸和系统解列过电压等。,限制操作过电压主要措施： 线路上装设并联电抗器，限制工频电压升高 改进断路器性能，采用带有并联电阻的断路器 采用氧化锌避雷器限制过电压,
