电力系统过电压与防雷技术浅析

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1、经 验 交 流电力系统过电压与防雷技术浅析摘要 过电压对电力系统危害很大， 尤其是雷电对电力系统的影响，通过 了解过电压的特点 及其产生的规律，采取相关的技术措施，加强防雷工作， 就能有效地对其防护。这对于防止电气 设备受到破坏及保证供电系统的正常运行具有重要的意义。关键词：电力系统；过电压；雷电保护；防雷措施； 重要性电力系统的电气设备在运行中除了承受工作电压外 ，还会遭受到过电压的作用和侵害 。过电压从其数 值上已远远超过工作电压 ，它将使电力系统运行的电气设备绝缘 受损，设备寿命缩短，甚至造成停电事故， 破坏电力设备，因此必须采用有效 措施来限制和预防过电压。 得益于防雷技术的发展和创新

2、，采取相关的 技术措施能有效地减少雷电对系统及设备的危害 ，保证供电的正常运行。 本文结合过电压的特点及雷电的 危害，对电力系统中主要防雷措施的具体运用进行了总结 。1 电力系统的过电压过电压是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压的现象。 按其起因及持续时间， 可分为内部过电压和外 部过电压两大类。 1.1 内部过电压 电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压称为内部过电 压，又分暂态过电压、操作过电压和谐 振过电压。 暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障而使电力系统经历过渡过程 后重新达到某种暂时稳定的 情况下所出现的过电压，又称工频电压升高1。常见的有：空载长线电容效

3、应。不对称短路接地。甩负荷过电压。 操作过电压是由于操作断路器 或发生短路而引起的衰减较快、持续时间较短的过电压，常见的有空载 线路合闸和重合闸过电压、切除空载线路过电压、切断空载变压器过电压和弧光接地过电压2。谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的瞬间高 电压。一般按起因分为线性谐振过电压、铁磁谐振过电压和参量谐振过电压。 内部过电压的幅值一般不超过电网额定电压的 33.5 倍，对供电系统的危害较小3。这是因为它比大气过电压小得多，且电气设备和线路在设计时的绝缘强度留有一定的裕量。 1.2 外部过电压 外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，是由大

4、气中的雷云对地面放电而引起的，主要有直击雷过电 压和感应雷过电压两种。 直击雷过电压由雷电流通过被击物在阻抗上产生的压降和兼有雷电通道的电磁场的感应电压共同组成， 其幅值极高；感应雷过电压是在输电线路附近地面遭到雷击时，由电场和电磁场的剧烈变化形成的过电压， 这种过电压多数为正极性，波前时间约 l0us，其幅值一般不大于 500kV，对 60kV 以下的线路有击穿的危 险4。2 雷与防雷设备2.1 雷电基本知识 1）雷电的形成 雷电的形成过程可分为气流上升、电荷分离和放电三个阶段。在雷雨季节，地面上的水分受热变成蒸汽 上升，与冷空气相遇之后凝成水滴，形成积云。云中水滴受强气流摩擦产生电荷，小水

5、滴容易被气流带走，经 验 交 流形成带负电的云，较大水滴形成带正电的云。由于静电感应，大地表面与云层之间、云层与云层之间会感应 出异性电荷，当电场强度达到一定值时，即发生雷云与大地或雷云与雷云之间的放电。 据测试，对地放电 的雷云大多带负电荷。 当其电场强度达到 2530 kV/cm 时，使附近的空气绝缘破坏，便产生雷云放电5。典型的雷击发展过程如图 1 所示。地面闪电积雨云图 1 雷云对地放电示意图 2）雷电的特点及作用形式 （1）雷电的特点 雷电流是一种冲击波，雷电流幅值 Im的变化范围很大，一般为数十至数千安培 ，其破坏性极大。雷电 流幅值一般在第一次闪击时出现，也称主放电。典型的雷电流

6、波形如图2 所示。0510 15 20 25 30 35 401020304050波头波尾(kA)Im(us)t图 2 雷电流波形示意图 雷电流一般在 5s 左右增长到幅值 Im，雷电流在幅值以前的一段波形称为波头；从幅值起到雷电流衰 减至 Im/2 的一段波形称为波尾。 2）雷电的选择性 通常雷击点选择在地面电场强度最大的地方，即 地面电荷最集中的地方，从那里升起迎面先导。地面 上导电良好和地形特别突出的地方， 集中了更多电荷，电场强度也就越大，成为遭受雷击的目标。例如旷 野中孤立的大树、高塔或单独的房屋、小 丘顶部、建筑物最高的尖顶、屋脊、烟囱、避雷针、避雷线等， 都是最容易遭受雷击的地方

7、。 3）雷电击的基本形式 直击雷 当雷云飘近地面时，就在附近地面特别是凸出的树木或建筑物上感应出异性电荷。电场强 度达到一定值时，雷云就会通过这些物体与大地之间放电，发生雷击。这种直接击在建筑物或其他物体上的 雷电叫直击雷。 感应雷 当建筑上空有雷云时，在 建筑物上便会感应出相反电荷。在雷云放电后，云与大地电场消 失了，由于屋顶上仍聚集大量电荷，因此地面会感应产生较高电压，造成屋内电线、金属管道和大型金属 设备放电，这里的感应电荷主要是由于雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应造成的，所 以称为感应雷。经验交流 雷电波侵入 当输电线路或金属管路遭受直接雷击或发 生感应雷，雷电波便沿

8、着这些线路侵入室内。 雷电波侵入造成的事故在雷害事故中占相当大的比重 。 球形雷 球形雷的形成研究还没有完整的理论，通常认为它是一个温度极高的特别明亮的眩目发光 球体，直径为 1020cm 或更大。球形雷通常在电闪 后发生，以每秒几米的速度在空气中漂行，它能从门、 窗或烟囱进入建筑物内部造成破坏。 4）雷电的危害 雷电发生时伴随着大电流和高电压，放电过程破坏力极大。雷电的危害主要是以下几方面： 雷电的热效应 雷电产生强大的热能使金属熔化，烧断输电导线，摧毁用电设备，甚至引起火灾和爆 炸。 雷电的机械效应 雷电产生强大的电动力可以击毁电杆，破坏建筑物，人畜亦不能幸免。 雷电的闪络放电 雷电产生的

9、高电压会引起绝缘子烧坏，断路器跳闸，导致供电线路停电。2.2 防雷装置 防雷装置由接闪器、接地引下线和接地体三部分组成。 1） 避雷针 避雷针属于接闪器，常用镀锌圆钢或焊接钢管 制成，头部呈尖形。避雷针经引下线与接地装置焊接 形 成可靠接地。由于避雷针安装高度高于被保护物，又与大地相连，因此当雷电先导临近地面时， 能使雷电 场发生畸变，改变雷电先导的通道方向，将之引向避雷针 本体并对其放电，雷电流就经避雷针、引下线泄 放至大地而避免了被保护物遭受雷击。 2） 避雷线 避雷线的原理及作用与避雷针基本相同，它主要用于保护架空线路，因此又称为架空地线。避雷线一般 架设在架空线路导线的上方，用引下线与

10、接地装置连接，以保护架空线路免受直接雷击6。3）避雷网和避雷带 避雷网和避雷带普遍用来保护高层建筑物免遭直击雷和感应雷的侵害。 构成避雷带的圆钢直径应不小 于 8mm，扁钢的截面应不小于 48mm2。避雷网除了沿屋顶周围装设外，屋顶上面还用圆钢或扁钢纵横连接 成网状。避雷带、避雷网必须经 12 根引下线与接地装置可靠地连接。 4）避雷器 由前所述，当雷电所产生的感应过电压沿架空线路侵入变配电所或其他建筑物内时，将发生闪络，甚至 将电气设备的绝缘击穿。因此，假如在电气设备的电源进线端并联一种保护设备，如图3 所示，令其放电 电压低于被保护设备的绝缘耐压值，当过电压来临时，该保护设 备立即对地放电

11、，从而使被保护设备免受 雷击。常用避雷器类型有阀型、管型 、保护间隙和金属氧化物等。过电压波线路被保护设备避雷器图 3 避雷器的连接示意图 避雷器的电阻由于具有非线性特性，因此能有效地通过雷电流，阻断工频电流，达到避雷效果 。 5）引下线 引下线是连接防雷装置与接地装置的一段导线，其作用是将雷电流引入接地装置。 引下线一般采用圆经 验 交 流钢或扁钢，其尺寸和防腐蚀要求与 避雷网、避雷带相同。用钢绞线作引下线，其截面积不得小于 25mm2。 6）接地装置 将雷电流通过引下线引入大地的散流装置称为接地装置。接地装置由接地体和接地线组成。接地线是连 接引下线和接地体的导线，一般用直径为 10 mm

12、 的圆钢组成。接地体分 人工接地体和自然接地 体。接地装 置时首先应充分利用自然接地体，以节约投资。当 使用的自然接地体电阻不能满足要求时才考虑 装设人工 接地体作为补充。 人工接地体可用圆钢、扁钢或 角钢等组成，有垂直埋设和水平埋设两种基本结构，如图 4 所示。引下线引下线(a)(b)60lm0.8m2.5m0.8m图 4 人工接地体结构示意图3 电力系统防雷措施3.1 电缆线路的防雷保护 电缆线路多数埋于地下，遭到直击雷的可能性小，雷电过电压一般通过连接的架空线路侵入，故 仅需 防护雷电侵入波。同时电缆拥有较小的波阻抗，便于入侵的雷电过电压在电缆两端来回反射， 这样对短电 缆线路极易产生过

13、电压，因此需装设保护避雷器。电缆线路保护避雷器一般装设在电缆的始端、末端或者 两端。 3.2 架空线路的防雷保护 1）架设避雷线 总结现场经验可知，架空线路装设 避雷线能有效地预防雷电过电压。由于其较高的造价，一般只在 63kV 以上的架空线路上才全线架 设，35kV 的架空线路上仅在变电所进、出线的部分线路上装设，而 10kV 及以下线路不装设。 2）提高线路本身的绝缘水平 使用木横担、瓷横担代替铁横担，或装设更高耐压等 级的绝缘子，以提高架空线路的防雷水平，这种 防雷措施主要应用于 10 kV 及以下架空线路。 3）利用三角形排列的顶线兼作保护线 通常 310kV 的架空线路是中性点不接地

14、的系统，因此可在三角形排列的顶线绝缘子上装设保护间隙。 当雷电对顶线放电时，击穿保护间隙，通过保护间隙对地释放巨大的雷 电流，从而保护了下面两根导线， 避免雷击引起线路跳闸停电。 4）装设自动重合闸装置 雷击时产生耀眼的电弧，极易造成 线路短路故障。断路器跳闸后，电弧即自动熄灭。 通过装设自动重 合闸装置，在预设时间之后尝试 自动重合闸，此时电弧通常已消失，线路因短路故障解除而 恢复供电，短 时停电一般不会对普通用户造成严重损失。 5）绝缘薄弱点装设避雷器 架空线路上的跨越杆、分支杆、木杆线路中个别金属杆或个别横担电杆等处 的绝缘一般比较薄弱，可 装设排气式避雷器或保护间隙 实现防雷保护。 3

15、.3 变电所（配电所）防雷保护 变配电所的防雷保护主要有两个重要方面 ：一是要防止变配电所建筑物和户外配电装置遭受直击雷，经验交流二是防止过电压雷电波沿进线侵入变配电所，危及变配电所电气设备的安全。变配电所的防雷保护主要采 用以下措施： 1）防直击雷 一般采用装设避雷针（线）来防直击雷。如果变配电所位于 附近的高大建筑物上的避雷针保护范围内， 或者变配电所是在室内的，则不必考虑直击雷的防护。 2）雷电波的入侵 对于 35kV 的进线，一般在靠近变配电所 500m 左右的距离处给进线开始装设一段 避雷线并可靠地接地， 同时在进线上安装避雷器。对 于 610kV 的进线一般不装设避雷线，只需要在线

16、路上安装阀型避雷器即可 满足保护要求，如图 5 所示。F2QF电缆F1F3架空进线架空线TQF610kVA220/380V图 5 610kV 进线防雷电波侵入接线示意图 图 5 中接在母线上的避雷器主要是保护变压器不受雷电波危害 ，在安装时应尽量靠近变压 器，其接地 线应与变压器低压侧接地的中性点及金属外壳一起接地 。 3）高压电动机的防雷保护 电动机绕组由于其结构特殊，没有变压器绕组那样的油绝缘环境，因此其绝缘 水平远不如变压器。电 动机绕组直接与空气接触，同时机身存在间隙而未处于绝对密封的环境内， 长期运行时，绕组易受潮、受 粉尘污染、受酸碱气体的侵蚀。另外， 运行过程中的热效应 也会加速绕组的绝缘介质的老化。 高压电动机一般采用如下的防雷措施：对定子绕组的中性点能引出的大功率高压电动机，在中性点加装 相电压磁吹阀式避雷器或金属氧化物避雷器，对中性点不能引出的电动机，目前普遍采用磁吹阀式避雷器与 电容器 C 并联的方法来保护，如图 6 所示，并联的电容器容量一般选择 1.52