《电力系统工程基础 教学课件 ppt 作者 韩学山 张文 2高压篇 第8章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统工程基础 教学课件 ppt 作者 韩学山 张文 2高压篇 第8章（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 电力系统过电压及保护,8.1 雷电过电压及防雷保护 8.2 内部过电压 8.3 工频电压升高,8.1 雷电过电压及防雷保护 8.1.1 雷电的产生 雷电放电是由带电荷的雷云（带电的云）引起的。如果雷云中电荷密集处的电场达到2530 kV/cm，就会由云向地开始先导放电。 主放电：时间 50 100 s，；主放电时电流可达数千安，最大可达200 300kA。 余辉：雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达 0.03 0.15 s。,雷暴日：每年中有雷电的天数。 雷暴小时：每年中有雷电的小时数。 年平均雷暴日不超过 15 的地区为少雷区
2、；超过 40 的为多雷区。 通常将雷电引起的电力系统过电压，称为雷电过电压。 雷电过电压可分为感应雷过电压和直击雷过电压。,8.1.2 防止雷电过电压的主要设备,雷电过电压对电力系统设备是有害的，所以对它必须加以预防。电力系统防雷的重点是直击雷防护 。 避雷针 避雷线，通常又名架空地线，或简称地线 。 避雷器,8.1.3 接地,接地，就是把设备与电位参照点的地球做电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差。 接地按其目的可分为四种： 工作接地 ：为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。 保护接地 ：为了保护人身安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及
3、工作人员安全。 防雷接地 ：导泄雷电流，消除过电压对设备的危害。 静电接地 ：在可燃物场所的金属物体接地。,8.1.4 输电线路的防雷保护措施,雷击线路附近地面,雷击塔顶,雷击档距中央的避雷线,雷击 导线,输电线路防雷的措施（“四道防线”）：,防止雷直击导线 沿线架设避雷线，有时还要装避雷针与其配合。 防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 降低杆塔的接地电阻，增大耦合系数，适当加强线路绝缘，在个别杆塔上采用避雷器等。 防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 适当增加绝缘子片数，减少绝缘子串上工频电场强度，电网中采用不接地或经消弧线圈接地方式。 防止线路中断供电 采用自动重合闸，或双回路、环网供电等措
4、施。,8.1.5 发电厂、变电站的防雷,发电厂、变电站遭受雷击可来自两个方面：一是雷直击于发电厂、变电站的设备；二是雷击线路，产生的雷电过电压沿线路侵入发电厂、变电站。 发电厂、变电站由于设备相对集中，采用避雷针、避雷线后可以非常有效地防护雷击过电压。,8.1.5.1 直击雷过电压的防护,发电厂、变电所防止直击雷的措施是采用避雷针、避雷线及良好的接地网。装设的避雷针或避雷线应使所有的设备均处于其保护范围内，同时还要求当雷击避雷针或避雷线时，避雷针或避雷线不应对被保护设备进行反击。 避雷针按照其装设方式分为独立避雷针和构架避雷针。当独立避雷针受雷击（如图8-2）时，由于巨大的雷电流在避雷针本体及
5、其接地装置上产生很高的电位，因此必须保证避雷针与被保护设备之间的空气间隙Sa及避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间的地中距离Se满足一定的要求。,一般情况下，Sa不宜小于5 m，Se不宜小于3 m,8.1.5.2 侵入波过电压的防护,为防止雷电波侵入变电所损坏电气设备，一般从两方面采取保护措施： 一是使用阀型避雷器，限制来波的幅值。 二是在距变电所适当的距离内，装设可靠的进线保护段，利用导线高幅值入侵波所产生的冲击电晕，降低入侵波的陡度和幅值；利用导线自身的波阻抗限制流过阀型避雷器的冲击电流幅值。,8.1.5.3 气体绝缘变电所的防雷保护,全封闭SF6气体绝缘变电所（GIS）是除变压器以外整
6、个变电所的高压电力设备及母线，封闭在一个接地的金属壳内，壳内充以 (3 4)1.01325105 Pa大气压的SF6气体作为相间和对地的绝缘。,GIS变电所雷电过电压保护的特点,GIS绝缘的全伏秒特性比较平坦，其冲击系数很小，约为1.2 1.3。因此它的绝缘水平主要决定于雷电冲击电压。 GIS变电所的波阻抗一般在60 100之间，远比架空线路低，这对变电所的侵入波保护有利。 GIS变电所结构紧凑，设备之间的电气距离小，避雷器离被保护设备较近，防雷保护措施比敞开式变电所容易。 GIS绝缘完全不允许电晕，一旦发生电晕，将立即击穿；而且没有自恢复能力。,高电压工程基础,在电力系统内部，由于断路器的操
7、作或发生故障，使系统参数发生变化，引起电网电磁能量的转化或传递，在系统中出现过电压，这种过电压称为内部过电压。,操作过电压即电磁暂态过程中的过电压；一般持续时间在 0.ls（五个工频周波）以内的过电压称为操作过电压。,暂时过电压包括工频电压升高及谐振过电压；持续时间比操作过电压长。,8.2 内部过电压 8.2.1操作过电压,8.2.2 空载线路合闸过电压,8.2.2.1 正常空载线路合闸过电压,输电线T电路,空载线路合闸时，产生过电压的根本原因：电容、电感的振荡，其振荡电压叠加在稳态电压上所致。,对图上图的电路在t0时合闸，很容易解得,其中， ，为过渡过程的振荡角频率。对超高 压线路， 较低，
8、约为电源角频率的1.54倍，对低压线路较高。,当 时， 达最大值， 。也可以将式改为,其中， 为稳态分量； 为自由振荡分量，当仅关心过电压幅值时，显然有 过电压幅值稳态值振荡幅值 稳态值（稳态值起始值）2稳态值起始值 对空载线路，线路上不存在残余电压，起始值为零，故从上式也可得UCmax=2Em。,8.2.2.2 重合闸过电压,自动重合闸是线路发生故障后，由继电保护系统控制的合闸操作，这也是系统中经常遇到的一种操作,这时该相上过电压的幅值 起始值 过电压幅值2稳态值起始值2Em（Em）3 Em 所以，重合闸时在线路上可能出现的最大过电压幅值为3Em。,8.2.2.3 影响因素及限制措施 1.影
9、响因素,（1）合闸相位 合闸相位是随机的，有一定的概率分布，与断路器合闸过程中的预击穿特性及断路器合闸速度有关。 （2）残余电荷 过电压的大小与线路上残余电荷数值和极性有关。 （3）断路器合闸的不同期 由于三相线路之间有耦合，先合相相当于在另外两相上产生残余电荷。 （4）回路损耗 实际输电线路中，能量损耗（电阻、电晕）会引起振荡分量的衰减。 （5）电容效应 合闸空载长线时，由于电容效应使线路稳态电压增高，导致了合闸过电压增高。,2. 限制过电压的措施,（1）降低工频电压升高 目前超高压电网中采取的有效措施是装设并联电抗器和静止补偿装置（SVC），其主要作用是削弱电容效应。,（2）断路器装设并联
10、电阻 第一阶段：带电阻 R 合闸，将 R 与辅助触头串联。由于 R 对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的过电压降低。 第二阶段：大约经 8 15 ms，主触头闭合，将 R 短接，电源直接与线路相连。,（3）控制合闸相位 空载线路合闸过电压的大小与电源电压的合闸相位有关，可以通过电子装置来控制断路器的动作时间，以达到降低合闸过电压的目的。,（4）消除线路上的残余电荷 在线路侧接电磁式电压互感器，可在几个工频周波内，将全部残余电荷通过互感器泄放掉。,（5）装设避雷器 在线路首端和末端装设磁吹避雷器或金属氧化物避雷器，当出现较高的过电压时，避雷器应能可靠动作，将过电压限制在允许的范围内。,8.2.3
11、 切除空载线路引起的过电压,我国在 35 220 kV 电网中，都曾因切除空载线路时过电压引起过多次故障。多年的运行经验证明：若使用的断路器的灭弧能力不够强，以致电弧在触头间重燃时，切除空载线路的过电压事故就比较多，因此，电弧重燃是产生这种过电压的根本原因。,产生过电压的物理过程,若电弧继续重燃下去，则可能出现 -7Em ，+ 9Em ， 的过电压，可见电弧的多次重燃是切除空载线路时产生危险的过电压的根本原因。系统实测结果表明，超过 3Em 的过电压概率是很小的，这是因为过电压受多种因素影响的缘故。,13.4 切除空载变压器引起的过电压,产生过电压的物理过程,过电压产生原因：由于截流留在电感中
12、的磁场能量转化为电 容上的电场能量。,8.2.5 操作过电压的限制措施 8.2.5.1 利用断路器并联电阻限制合闸过电压,为了限制分合闸引起的过电压，在断路器主触头上并联一个大容量电阻，并在主触头外串联一个辅助触头，将分合闸过程分为两个阶段进行，缩小了每一阶段过渡过程的起始值与稳态值的差，从而减小了每一阶段的过电压，大容量电阻的阻尼加速了振荡过程的衰减，从而有效抑制了分合闸过电压的幅值。,8.2.5.2 利用避雷器限制操作过电压,避雷器限制操作过电压与限制雷电过电压相似，是以其操作波放电电压(磁吹阀型避雷器)和操作冲击残压表示其保护水平，这些数值的选取决定于系统的情况和避雷器元件的性能。设备的
13、操作冲击绝缘水平是由避雷器的操作冲击残压决定的，但是由于采用了带并联电阻的断路器，只是在并联电阻失灵或其他意外情况出现较高幅值的操作过电压时，避雷器才动作，既改善了避雷器的工作条件，又将过电压限制在允许范围内，系统得到可靠的保护。,避雷器在限制操作过电压时应注意以下几个问题： 磁吹阀型避雷器间隙的操作波放电电压可能与工频放电电压数值不同，而且分散性大； 操作过电压下流过避雷器的电流一般小于雷电流，但持续时间长得多，对避雷器的通流容量要求更严格； 操作过电压下避雷器可能动作多次，对阀片的通流容量和间隙的灭弧性能要求苛刻。,8.3 工频电压升高,操作过电压,一般而言，工频电压升高对 220kV 等
14、级以下、线路不太长的系统的正常绝缘的电气设备是没有危险的。但对超高压、远距离传输系统绝缘水平的确定却起着决定性的作用。,8.3.1空载长线的电容效应,相位系数,Z：线路波阻抗 l：线路长度,若末端开路：,当 l = / 2时： 1/4波长谐振 （末端电压无穷大）,无穷大电源 系统,高电压工程基础,8.3.2不对称短路引起的工频电压升高（A相短路为例）,K(1） ：单相接地因数，说明单相接地故障时，健全相的对地最高工频电压有效值与故障前故障相对地电压有效值之比。,中性点绝缘的3 10kV系统：X0 主要由线路容抗决定，为负值。单相接地时，健全相电压升高约为线电压的 1.1 倍。选择避雷器灭弧电压
15、时，取 110% 的线电压（110% 避雷器）。 中性点经消弧线圈接地的35 60kV系统：在过补偿状态运行时，X0 为很大的正值，单相接地时健全相电压接近线电压。选择避雷器灭弧电压时，取 100% 的线电压（100% 避雷器）。 对中性点直接接地的110 220kV系统：X0 为不大的正值，一般K（1） 小于3，健全相上电压升高不大于1.4倍相电压，约为80% 的线电压（ 80% 避雷器）。,8.3.3 突然甩负荷引起的工频电压升高,当甩负荷后，发电机中通过激磁绕组的磁通来不及变化，与其相应的电源电势Ed 不变。原来负荷的电感电流对主磁通的去磁效应突然消失，而空载线路的电容电流对主磁通起助磁
16、作用，使Ed上升。因此加剧了工频电压的升高。,其次，从机械过程来看，发电机突然甩掉一部分有功负荷，而原动机的调速器有一定惯性，在短时间内输入给原动机的功率来不及减少，主轴上有多余功率，这将使发电机转速增加。转速增加时，电源频率上升，不但发电机的电势随转速的增加而增加，而且加剧了线路的电容效应。,8.3.4 工频电压升高的限制措施,8.3.4.1 利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应,8.3.4.2利用静止补偿器补偿限制工频过电压,可控硅开关投切电容器组,可控硅相角控制的电抗器组,SVC具有时间响应快、维护简单、可靠性高等优点。当系统由于某种原因发生工频电压升高时，TSC断开，TCR导通，吸收无功功率，从而降低工频过电压。根
