过电压及其防护

过电压及其防护 6.1 雷电过电压及其防护 6.2 操作过电压的限制措施 6.1.1 雷电参数 6.1.2 防雷保护的基本措施 6.1.3 架空输电线路的雷电过电压 6.1.4 发电厂、变电站的雷电过电压及其防护 6.2 操作过电压的限制措施 6.2.1 空载线路合闸过电压 6.2.2 切除空载线路过电压 6.2.3 切除空载变压器过电压 6.2.4 操作过电压的限制措施 6.2.5 绝缘配合的基本概念与基本方法

6.1.1 雷电参数 雷电流的波形和极性:单极性的脉冲波,绝大部分为负极性雷电冲击波. 雷电流的幅值,陡度,波头和波长: 幅值和波头决定了雷电流的上升陡度,即雷电流随时间的变化率,陡度对过电压和设备安全有直接影响. 波长是脉冲电流从起始到衰减到一半幅值时的持续时间. 这些参数实测数据规律相近但分散性很大,因为雷电放电本身随机性大,另外测量条件和技术水平差异大.

雷暴日,雷电小时和落雷密度 雷暴日:雷电活动的频繁程度.指某地区一年中听到雷闪放电的天数. 雷电小时:区别不同地区每个雷暴日内雷电活动持续时间的差别.一个小时内听到一次以上雷声算一个雷电小时.我国每个雷暴日平均约有3个雷电小时,西北地区少些,广东等雷电活动强烈区多些. 落雷密度指每雷暴日中每平方公里地面内落雷的次数.

6.1.2 防雷保护的基本措施 防雷保护的基本措施就是设置避雷针,避雷线,避雷器和接地装置. 6.1.2 防雷保护的基本措施 防雷保护的基本措施就是设置避雷针,避雷线,避雷器和接地装置. 避雷针是明显高出被保护物体的金属支柱,使被保护物免遭直击雷; 避雷线又名架空地线,简称地线,处于比线路高出承受雷击,用于保护架空线路. 避雷器:一般接于导线与地之间，与被保护设备并联，装在被保护设备的电源侧,保护设备免遭线路传来的雷电冲击波. 接地装置:埋设在地下的一组导体,用于减小避雷装置与大地(零电位)间的电阻值,以此降低雷电冲击电压幅值.

避雷装置示意图 (C)

1. 避雷针 避雷针的保护原理: 当雷云放电时使地面电场畸变,在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间,以影响雷闪先导发电的发展方向,使雷闪对避雷针放电,在经过接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物体免遭雷击. 避雷针必须高于被保护物体.但是避雷针在雷云-大地这个大电场中的影响十分有限.雷云在高空随机漂移,先导放电的开始阶段随机地向地面的任意方向发展.只有当发展到距离地面某一个高度H时,才会在一定范围内受到避雷针的影响而对避雷针放电.H称为定向高度,与避雷针的高度h有关: 一般 当h≤30m时,H≈20h; 当h>30m时,H ≈ 600m.

避雷针由接闪器、引下线、接地体三部分组成： 　　接闪器：避雷针的最高部分，专用来接受雷云放电，称为“受雷尖端”。 　　接地引下线：它是接闪器与接地体之间的连接线，它将接闪器上的雷电流安全地引入接地体，使之尽快地泄入大地。引下线一般采用直径为8mm的镀锌圆钢或截面不小于25mm2的镀锌钢绞线。 　　接地体：是避雷针的地下部分，其作用是将雷电流直接泄入大地。接地体埋设深度不应小于0.6m，垂直接地体的长度不应小于2.5m，垂直接地体之间的距离一般不小于5m。接地体一般采用直径为19mm镀锌圆钢。

避雷针保护范围 避雷针保护范围的大小与其高度有关，采用“滚球法”来确定保护范围。以单支避雷针的保护范围计算为例。 单支避雷针的保护范围按下列方法确定（见下页图示）： （1）当避雷针高度h≤hr（滚球半径）时 距地面hr 处作一平行于地面的平行线； b. 以避雷针的针尖为圆心、hr为半径，作弧线交平行线于A、B两点； c. 以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。由此弧线起到地面为止的整个锥形空间就是避雷针的保护范围。

避雷针在被保护物高度hx的xx′平面上的保护半径rx按下式计算： 式中，hr为滚球半径，由各类防雷建筑物的类别确定:一类防雷建筑物:hr=30m;二类:hr=45m;三类:hr=60m （2）当避雷针高度h>hr时： 在避雷针上取高度hr的一点代替避雷针的针尖作为圆心。 余下作法与避雷针高度h≤hr相同，则半径rx公式计算中h取为hr。

例　某厂锅炉房烟囱高40m，烟囱上安装一支高2m的避雷针，锅炉房（属第三类防雷建筑物）尺寸如图，试问此避雷针能否保护锅炉房。 解　已知第三类防雷建筑物滚球半径hr=60m，而避雷针顶端高度h=40+2=42m，hx=8m，根据公式得避雷针保护半径为： 现锅炉房在hx=8m 高度上最远屋角距离避雷针的水平距离为： 由此可见，烟囱上的避雷针能保护锅炉房。

2. 避雷线 避雷线的作用原理与避雷针相同,主要用于输电线路保护,以及用于保护发电厂和变电所.近年来国际上都采用其保护500kV大型超高压变电站. 对于输电线路, 避雷线可以防止雷电直击导线 有分流作用,以减小流经杆塔入地的雷电流,从而降低塔顶电位. 避雷线对导线的耦合作用可以降低导线上的感应过电压. 500kV超高压直流输电线路

当避雷线高度h<2hr时,保护范围如下页图所示,按以下方法确定: 避雷线的保护范围 当单根避雷线高度h≥2hr时,无保护范围; 当避雷线高度h<2hr时,保护范围如下页图所示,按以下方法确定: 距地面hr处作一平行于地面的平行线. 以避雷线为圆心,hr为半径作弧线交于平行线的A,B两点 以A,B两点为圆心,hr为半径作弧线,这两条弧线相交或相切,并与地面相切. 两条弧线与地面围成的空间就是避雷线的保护范围.

单根避雷线的保护范围示意图

当hr<h<2hr时,保护范围最高点的高度h0按下式计算: 当h<hr时,保护范围最高点的高度即为避雷线高度 h0=h 避雷线在hx高度的xx’平面上的保护宽度bx按下式计算: 其中,h 为避雷线的高度;hx为被保护物高度, hr为滚球半径.

确定架空避雷线的高度时,应考虑弧垂.在无法确定弧垂的情况下,等高支柱间的档距小于120m时,其避雷线中点的弧垂选用2m;档距为120～150m时,选用3m. 在架空输电线路上多用保护角来表示避雷线对导线的保护程度.保护角α是指避雷线与外侧导线之间的夹角,如图所示.

输电线路的杆塔设计中保护角α的选取如下,以此认为导线处于避雷线的保护范围内: 一般高压输电线路,保护角α=20～30度 对220kV ～ 330kV的线路, α =20度 对500kV的线路, α ≤15度. 山区宜采用较小的保护角. 杆塔上两根避雷线之间的距离不应超过导线与避雷线垂直距离的5倍. 超高压线路常采用避雷线绝缘子,使避雷线通过一个小间隙后接地. 正常运行时,避雷线对地绝缘,可以降低正常运行时避雷线中感应电流的附加损耗; 雷击时,间隙击穿,使避雷线接地泄流.

3. 避雷器 避雷器在供电系统中作过电压保护用，防止雷电产生的过电压沿线路侵入变配电所，以免危及被保护设备的绝缘。氧化锌避雷器还有吸收操作过电压的功能，通常与真空断路器配合使用。 当线路上出现雷电过电压时，避雷器动作，由高阻变为低阻状态，使过电压对大地放电，限制过电压幅值，从而保护设备的绝缘免受破坏。电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。

避雷器的保护原理与避雷针不同: 对避雷器的基本要求: 实际上是一个放电器,与被保护的电气设备并联,当作用在被保护电气设备及避雷器上的电压升高到一定程度,超过避雷器的放电电压后,避雷器先放电,从而限制了过电压的发展,保护了其他电气设备. 对避雷器的基本要求: 应具有良好的伏秒特性,较小的冲击系数,从而易于实行合理的绝缘配合; 应具有较强的快速切断工频续流,快速自动恢复绝缘强度的能力. 避雷器在冲击电压下放电,造成系统对地短路.虽然雷电压瞬间消失,但持续作用的工频电压却在避雷器中形成工频短路接地电流(工频续流),其一般以电弧放电的形式存在. 要求避雷器在第一次电流过零时即应切断工频续流,保证电力系统在开关尚未跳闸时即能继续正常工作.

避雷器种类: 保护间隙避雷器，又称角式避雷器：熄弧能力差，用于次要负荷场所，简单经济，维修方便。 管型避雷器，又称排气式避雷器,主要用于变电所、发电厂的进线段保护和配电线路绝缘弱点的保护。 阀型避雷器,包括碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器（又称氧化锌避雷器），主要用于发电厂和变电站的保护.在220kV及以下系统中主要限制雷电过电压,在330kV及以上系统中还可以限制操作过电压或作为操作过电压的后备保护.

碳化硅避雷器 基本元件：碳化硅阀片电阻和火花间隙。是由多组火花间隙和多组阀片相串联而成. 普通阀片由碳化硅(又称金刚砂)加结合剂(如水玻璃等)在300～500度的低温下烧结而成的圆饼型电阻片. 阀片电阻具有非线性：负电阻特性如图所示. R u

阀式避雷器的工作原理 正常工作电压时，避雷器串联间隙承担了全部电压,火花间隙不击穿，阀片中无电流流过避雷器不导电； 系统中出现过电压且幅值超过间隙放电电压时,火花间隙被击穿，冲击电压流经阀片入地.阀片电阻盘的非线性特征，阀片本身的压降(称残压)很小,相当于导通状态，雷电流通过避雷器泄流到大地.从而使设备上的过电压幅值得到限制,设备得到保护； 冲击电压消失后，间隙中的工频续流仍流过阀片,由于此时避雷器承受的仅是工作电压,阀片电阻盘非线性影响,电阻变大，电流远比冲击电流小,从而使间隙能够在工频电流第一次过零时将电弧切断. 这样避雷器从间隙击穿到工频续流的切断不超过半个工频周期,继电保护来不及动作,系统就已恢复正常运行。

碳化硅避雷器的类型: 除了普通碳化硅避雷器型号外; 为进一步提高阀型避雷器的保护能力,可以采用通流能力较大的碳化硅高温电阻阀片(1350～1390度的高温下烧结而成); 也可采用磁吹阀式型号。其利用流过避雷器的自身电流在磁吹线圈中形成的电动力,驱动间隙中电弧,使间隙的去游离作用加强,从而提高灭弧性能，具有更好的保护性能。

金属氧化物避雷器（又称氧化锌避雷器） 出现于20世纪70年代,由于保护性能优于碳化硅避雷器，正逐步取代后者，广泛应用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘，尤其适用于中性点有效接地的 110千伏及以上电网。 基本工作元件是密封在瓷套内的氧化锌阀片。氧化锌阀片是非线性电阻体，具有比碳化硅好得多的非线性伏安特性，在持续工作电压下仅流过微安级的泄漏电流，动作后无续流。 因此金属氧化锌避雷器不需要火花间隙，从而使结构简化(无间隙,无续流).氧化锌电阻片单位面积的通流能力是碳化硅电阻片的4～5倍,通流容量大的优点使氧化锌避雷器用于限制操作过电压,也可以耐受一定持续时间的暂时过电压.另外,氧化锌避雷器还具有动作响应快、耐多重雷电过电压或操作过电压作用、耐污秽性能好等优点。

氧化锌避雷器HY5WZ-51/134TL系列 由金属氧化物非线性电阻片叠装成芯体，采用特殊工艺将芯体封装于高性能绝缘材料内，最后采取一次压制工艺将其密封于硅橡胶体内，形成整体避雷器。不仅具有一次压制成型产品优点，亦是高压复合外套金属氧化物避雷器的最佳结构形式。 性能优异： (1) 优异的外绝缘性能； (2) 耐电腐蚀、抗老化、耐高温、体积小、重量轻； (3) 防爆性能好，耐污性能强，保护性能优异； (4) 硅橡胶成型性好，避雷器容易实现可靠性密封，没有潮气侵入的途径。

4.接地装置 接地装置是埋入地下的金属接地体,作用是降低接地电阻. 接地电阻指接地点的电位与接地电流的比值,确切地说是接地阻抗,是大地阻抗效应的总和. 接地电阻由接地体电阻和散流电阻构成.由于接地体一般由扁钢,角钢,钢管等组成,金属电阻率远远小于土壤电阻率,接地电阻中接地体电阻可以忽略不计. 当接地电流为定值时,接地电阻R越小,接地点电位越低,地面上的设备及人身安全越有保障. 按接地装置的工作特点分类: 工作接地 保护接地 防雷接地

按接地装置的工作特点分类: 工作接地, 作用是稳定电网的对地电位,降低电气设备的绝缘水平.如三相交流系统的中性点接地.工作接地一般要求接地电阻为0.5～5Ω. 保护接地,作用是保护人身安全,如将电气设备的金属外壳接地,一旦设备绝缘损坏而使外壳带电,不致于有危险的电位升高.保护接地接地电阻:对高压设备约为1 ～ 10 Ω;对低压设备约为10 ～ 100 Ω. 防雷接地,作用是降低雷电流流过时避雷针(线)或避雷器顶部的电压.如输电铁塔,避雷针下的接地装置.一般要求:在平原地区的冲击接地电阻<7 Ω;山区<15 Ω.

6.1.3 架空输电线路的雷电过电压 架空线路地处旷野,线路距离长,极易受雷击.雷击是线路跳闸的主要原因.同时雷击线路形成的雷电过电压波,沿线路传播侵入建筑,特别是变电站,是危害建筑内设备安全运行的重要因素. 大气过电压的基本形式,如下页图(a)所示: 直击雷过电压：雷电直接击中杆塔,避雷线或导线.雷电直接对建筑物或其它物体放电，其过电压引起强大的雷电流通过物体，产生破坏性很大的热效应和机械效应。它还会产生高电位反击和雷击点的电位梯度造成人畜跨步电压和接触电压危害，还会造成击毁杆塔和建筑物，烧断导线，烧毁设备，引起火灾。 感应雷过电压（雷电的二次作用）：在雷击线路附近大地,由于雷电的静电感应或电磁感应所引起的过电压,下页图(b)所示。会造成击穿电气绝缘，甚至引起火灾，对弱电设备如电脑等的危害最大。 运行经验表明:直击雷过电压对电力系统的危害最大;感应雷过电压只对35kV及以下线路有威胁.

(a) (b)

按雷击线路部位的不同,直击雷过电压分为: 雷击线路造成的危害: 雷击线路杆塔或避雷线时,雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位大大升高,当雷击点与导线间的电位差超过线路绝缘的冲击放电电压时,就会对导线发生闪络,使导线出现过电压.因为这时杆塔或避雷线的电位反而高于导线,称为反击. 雷电直接击中导线(无避雷线时)或绕过避雷线击中导线(屏蔽失效),直接在导线上引起过电压,称为绕击. 雷击线路造成的危害: 使线路发生短路接地故障.雷电作用时间很短,但导线对地发生闪络后,工频电压将沿此闪络通道放电,发展成工频电弧接地.导致继电装置动作,影响线路正常送电. 形成沿输电线路侵入变电站的雷电波,使电力设备承受很高的过电压,以致设备绝缘破坏,造成停电事故.

衡量输电线路防雷性能的优劣的指标: 耐雷水平:指线路遭受雷击时所能耐受的不致引起绝缘闪络的最大雷电流幅值. 单位:kA 该指标越高,线路防雷性能越好 雷击跳闸率:指在标准年雷电日数下,每百公里线路每年因雷击引起的线路跳闸次数. 单位:次/百公里.年 该指标是衡量线路防雷性能的综合指标.

感应过电压 概念: 当雷击发生在输电线路附近时,虽未直击导线,由于雷电过程引起在放电通道周围的电磁场的突变,会在导线上感应出高电位,即为感应过电压. 感应过电压包括:静电感应和电磁感应.一般以静电感应分量为主. 雷电流幅值越大,导线离地越高,雷击点越近,感应过电压也越高.工程上对感应过电压的简便计算法: U≈25 I h / S (kV) 其中: I为雷电流幅值(kA), S为地面雷击点距导线的水平距离(m), h为导线平均对地高度(m): 由于导线具有弧垂,导线悬挂点高度H与导线平均高度h的关系可以用下式近似: h=H-2 f /3

感应过电压 由于雷击地面,被击点地面自然接地电阻较大,雷电流最大幅值一般I≤100kV.实测表明,感应过电压一般在300～400kV,这个范围的电压对35kV及以下线路会造成闪络;对电压110kV及以上线路,由于导线与地线距离以及绝缘子串的长度足够长,一般不会引起闪络. 由于感应过电压对各相导线来说基本相同,所以不会发生相间闪络. 由于感应过电压是因电磁感应产生的,极性与雷云电荷即雷电流的极性相反,因而绝大多数感应过电压是正极性的.这与直击雷不同. 感应过电压的波形比直击雷过电压更平缓.这时因为避雷线对导线有屏蔽作用,因而能降低导线上的感应过电压幅值.

雷击导线过电压 对以下两种情况,会发生雷电直击导线情况: 雷电击中导线后,雷击点A处的电压近似计算为: UA≈0.25 I Z(kV) 无避雷线保护的线路, 我国110kV及以上线路一般都架设避雷线,但由于种种因素,可能发生避雷线屏蔽失效,雷电绕过避雷线击中导线(绕击). 雷电击中导线后,雷击点A处的电压近似计算为: UA≈0.25 I Z(kV) 设雷电通道闪径波阻抗约为线路波阻抗Z(Ω)的一半, I为雷电流幅值(kA) 雷击后,雷电波将沿线路向两侧传播, 当雷击点A处的电压UA≥U50(绝缘子串的50%冲击放电电压)时,引起绝缘子闪络.因为是直击雷,取负极性值. 由此得到线路耐雷水平: I耐=U50/(0.25Z) 一般架空线路波阻抗Z≈400 Ω,因此I耐≈ U50/100(我国电力行业标准中估算导线耐雷水平的近似公式)

例:对于500kV线路,一般悬挂28片电瓷绝缘子,绝缘子串长4. 4m,负极性U50 ≈2750kV,则耐雷水平I耐≈ U50/100=27 例:对于500kV线路,一般悬挂28片电瓷绝缘子,绝缘子串长4.4m,负极性U50 ≈2750kV,则耐雷水平I耐≈ U50/100=27.5kA. 由我国电力行业标准推荐,我国一般地区雷电流幅值超过I的概率P的计算公式: P=10-I/88 ≈48.7% 可见发生雷击的概率很高,耐雷水平太低.电压等级低一些的线路耐雷水平将更低.如110kV和220kV输电线路的耐雷水平分别只有7kA和12kA,因此发生雷击的概率更高.因此,对于110kV及以上线路,一般要求全线架设避雷线,以防止线路频繁跳闸.

雷击塔顶过电压(反击) 雷击塔顶包括塔顶附近避雷线时,杆塔电感和接地电阻的存在使塔顶电位瞬间升高,大大超过导线电位,引起绝缘子闪络,即反击.造成线路跳闸,同时在线路上形成雷电波向两侧传播,雷电波侵入发电厂变电站等,造成危害. 当作用在绝缘子串上的电压Ui≥U50(绝缘子串的50%放电电压)时,塔顶向导线放电,发生闪络,可以以此计算线路耐雷水平. 其中U50取正极性,因为负极性雷雷击塔顶,绝缘子串在塔顶的悬挂端电位为负,而导线端为正,类似于绝缘子串进行正极性冲击试验的条件.

雷击跳闸率 当雷闪放电造成线路产生雷电过电压时,若雷电流超过对应的耐雷水平,则导致线路绝缘发生闪络.但是雷电过电压的持续时间很短(几十微秒),高压开关还来不及跳闸. 只有当冲击闪络后的闪络通道发展成稳定的工频电弧时,才会导致线路跳闸. 这些过程具有随机性,工程上采用雷击跳闸率作为综合指标,来衡量线路防雷性能的优劣. 架空线路典型杆塔的耐雷水平和雷击跳闸率 电压等级(kV) 500 330 220 110 雷击杆塔耐雷水平(kA) 125～175 100～150 75～110 40～75 平原跳闸率 0.081 0.12 0.25 0.83 山区跳闸率 0.17～0.42 0.27～0.60 0.43～0.95 1.18～2.01

6.1.4 发电厂、变电站的雷电过电压及其防护 发电厂,变电站的安全运行对电力系统极其重要;发电机,变压器等主要电气设备一旦内绝缘被击穿无法自恢复,修复困难,停电时间很长.因此发电厂,变电站的雷击保护比线路更高,要求十分可靠. 雷害来自两方面: 雷闪直击厂站内设备 雷击线路,发生雷电波侵入 对应的防护措施:采用避雷针,避雷线和接地装置来防护直击雷;采用避雷器及其他措施来防护雷电侵入波.

1. 直击雷过电压的防护 主要手段:装设避雷针或避雷线,要求 避雷针按其装设方式分为:独立避雷针和构架避雷针 被保护电气设备处于避雷针或避雷线的保护范围内 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 避雷针按其装设方式分为:独立避雷针和构架避雷针 独立避雷针:造价高,布置上应考虑高位反击. 构架避雷针:造价低,便于布置.当构架离电气设备较近,反击问题更严重.对110kV及以上设备,由于设备绝缘水平较高,在土壤电阻率不高的地区(2000Ω.m以下),不易发生反击,可以采用构架避雷针.变压器是变电站最重要设备,一般不允许在变压器的门型构架上装避雷针. 因为避雷线容易断线造成母线短路危险,过去一般变电站很少使用避雷线.实际上只要设计合理,参数正确,避雷线有足够的强度防止断线,因此有很高的防雷可靠性.近年来500kV变电站多数采用避雷线保护.

采用独立避雷针时,如何避免高位反击问题: 独立避雷针受到雷击时,巨大的雷电流在避雷针本体及其接地装置上产生很高的电位,与被保护设备间形成高电位差.因此要保证: 避雷针与被保护设备间的空气间隙Sa; 避雷针接地装置与被保护设备接地装置间的地中距离Se 满足一定的要求 我国电力行业标准: Sa≥0.2Ri+0.1h Se ≥ 0.3Ri 一般情况下要求:Sa≥ 5 m Se ≥3m

2. 侵入波过电压的防护 主要措施:装设避雷器 正确选择避雷器型号,参数,合理确定保护接线方式,如避雷器的数量,位置等. 要求尽可能减少避雷器的组数,又要保护全部电气设备的安全. 由于布线上的问题,避雷器不可能直接接在设备接线端上,而是有一段距离. 变压器端部最高电压: Ut=Ur+2 a l / v 其中,Ur为避雷器残压;a为侵入波波头陡度; v为波速;l为避雷器与变压器间的连线距离 避雷器的放电电压和残压越高,侵入波越陡,避雷器离设备的电气距离越长,被保护设备上的过电压就越高.

气体绝缘变电站的过电压防护 全封闭气体绝缘变电站(GIS)是将除变压器以外的整个变电站的高压电气设备及母线封闭在一个接地的金属壳内,壳内充以3～4个大气压的SF6气体作为相间和对地的绝缘. 与敞开式变电站相比,GIS变电,站在过电压保护和绝缘配合方面有如下特点: 采用稍不均匀电场结构,绝缘水平主要取决于雷电冲击水平.可以采用保护性能优异的氧化锌避雷器限制其雷电过电压. 220kV及以上等级的GIS变电站,较多采用单相封闭同轴母线结构,波阻抗约为架空线的0.2.这对变电站侵入波保护非常有利. 结构紧凑,设备间电气距离小,避雷器与被保护设备距离近,防雷保护能力强. 不允许发生电晕.因为一旦发生电晕,绝缘立即被击穿,且不能自恢复.GIS价格昂贵.因此要求GIS系统过电压保护具有较高的可靠性,在设备绝缘配合上留有足够的裕度.

6.2 操作过电压的限制措施 电力系统运行中,由于运行状态额突然变化,例如正常或故障操作,导致系统内电感和电容元件间电磁能转换,引起振荡,在设备或局部电网上出现过电压,即操作过电压(内过电压). 中性点直接接地系统中,常见的操作过电压: 合闸空载线路过电压 (超高压系统中,最严重) 切除空载线路过电压 切除空载变压器过电压 解列过电压 (发生概率很低) 中性点非直接接地系统中,主要是弧光接地过电压.防护措施:采用中性点经消弧线圈或电阻接地. 断路器及其他设备性能改善,不严重

操作过电压由电网本身振荡引起,因此操作过电压幅值与电网本身电压有一定的倍数关系: 例如:为绝缘配合许可的相对地操作过电压倍数: 110 ～ 145kV系统(非直接接地) 3.5倍 110 ～ 220kV系统(直接接地) 3.0倍 330kV系统(直接接地) 2.75倍 相间操作过电压倍数: 35 ～ 220kV系统 1.3 ～1.4倍 330kV系统 1.4 ～1.45倍 随着系统额定电压的提高,操作过电压的幅值迅速增长. 220kV及以下系统,设备的绝缘结构设计允许承受3～4倍的操作过电压,因此不必采用专门的限压措施. 330kV及以上的超高压系统,设备的绝缘结构如仍按承受3～4倍的操作过电压设计,则成本太高;而且绝缘结构复杂,体积庞大,进一步提高了设备造价和工程投资等经济指标. 因此,在超高压系统中,必须采取措施把操作过电压强迫限制在一定水平下.

6.2.1 空载线路合闸过电压 合闸空载线路是电力系统常见的操作.分为: 正常合闸(又称计划性合闸)和自动重合闸. 1. 正常空载线路合闸过电压 合闸空载线路时的等效电路,如图所示: 其中, 线路用T型等值回路等效,LT CT分别为线路等值电感和电容.Ls为电源等值电感,e(t)=Em sin(ωt+φ)为单相电源.简化后的等效电路中,L=Ls+LT/2,Em为电源电势最大值近似为定值.

电路在t=0时合闸,得到: ω0为过渡过程的振荡角频率, . 对超高压线路,ω0较低,约为电源角频率的1.5～4倍; 对低压线路ω0较高. ω0为过渡过程的振荡角频率, . 对超高压线路,ω0较低,约为电源角频率的1.5～4倍; 对低压线路ω0较高. 当t=π/ ω0时,uc(t)达到最大值,UCmax=2Em 当然,实际线路有衰减,有阻尼,因而uc(t)是衰减振荡波形, UCmax<2Em.考虑电源电压变化时的线路电压波形图,如下图(a)所示.

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,是系统中经常遇到的操作. 如图所示,为中性点直击接地系统中常见的单相短路故障示意图. 如A相对地短路,短路信号先后流过断路器S2,S1.则S2先跳闸,B C相从S1方向看过来变成空载线路,只有导线的对地电容.S1再跳闸时, B C相触头处的电弧在电容电流过零时熄灭,此时线路上出现最大残压. 0.5s后S2自动重合闸,如残压没有泄放掉,而且B C相中有一相电源电势达到最大,如两者极性相反,则断路器两端触头间电位差最大,最容易击穿. 该相过电压波形图如上页图(b)所示,幅值:起始值=最大残压=-Em 过电压幅值=2稳态值-起始值=3Em

3. 空载线路合闸过电压的影响因素及限制措施 合闸相位:合闸相位不同将直接影响过电压幅值.因此: 改进断路器特性,提高触头运动速度,防止触头间预击穿发生; 利用专门的控制装置选择合闸相位,保证断路器触头间电位极性相同或电位差接近零时合闸. 线路损耗:线路电阻及过电压时线路可能发生电晕,都将消耗过渡过程的能量,降低过电压幅值. 线路上残压变化: 自动重合闸约0.5s,此过程中绝缘子存在泄漏电阻可以使线路残压下降10%～30%; 线路电感和电容存在阻尼振荡回路,可以泄放线路残压,降低过电压幅值. 单相自动重合闸:三相断路器合闸存在不同期问题,将加大过电压幅值,因此在超高压系统中多采用单相自动重合闸. 后备保护措施:采用带并联电阻的断路器,磁吹阀型避雷器或氧化锌避雷器作为后备保护.

6.2.2 切除空载线路过电压 切除空载线路是系统常见操作之一. 断路器切断的是容性电流(几十～几百A),比短路电流小很多,但在分闸初期,由于断路器触头间电压大于绝缘介质的强度,造成触头间发生电弧,引起电磁振荡,造成过电压. 简化等效电路,如图所示. (1) 开关S断开之前,线路电压uc(t)=e(t); (2) 触头开始分离后,流过断路器的工频电容电流过零时熄弧,线路电荷无处泄放, uc(t)保留为Em,触头间电压ur(t)=e(t)-Em; (3) 随着触头开距增大,触头间电压ur(t)也在增加,当超过绝缘介质强度时,导致触头间隙击穿重燃,电压发生振荡,相当于一次反极性重合闸.当电容电流过零时熄弧. (4) 依此类推,每工频半周重燃一次,线路将达到很高数值,直到触头间绝缘足够高,不再发生重燃.

对切除空载线路过电压的防护措施 改进断路器的灭弧性能,使其尽量不重燃(最根本的措施). 采用带并联电阻的断路器,使断路器切断小电流时不发生重燃. 线路存在泄漏,会降低过电压幅值. 高频电容电流若不在第一次过零时熄弧,而是在后几次过零时熄弧,也将降低切空线过电压幅值.

6.2.3 切除空载变压器过电压 利用断路器切除空载变压器,并联电抗器和电动机等都是系统常见操作,都属于切断感性小电流的情况. 断路器灭弧能力的改进可以有效抑制切空线过电压;但是会导致切空变时过电压.因为空载变压器的电流小,不必电流过零即可突然熄弧,发生截流现象,电流变化率diL(t)/dt 很大,引起变压器线圈上的感应电压L*diL(t)/dt 达到很高数值. 设三相完全对称,切除空变的单相等效电路,如下图所示.

6.2.3 切除空载变压器过电压 设三相完全对称,切除空变的单相等效电路,如图所示. 其中,Ls为电源内电感;L为变压器励磁电感;C为变压器等值对地电容. 开断前,由于C较小, ic(t)<<iL(t),因此i(t) ≈ iL(t),是空载电流较小,容易熄弧. 某时刻熄弧截流,LC并联回路与电源失去能量交换关系.截流前LC中残留的初始电磁能截流后在LC回路中振荡交换.某瞬间该回路达到最大电压UCm=ILm*ZT.其中ZT为变压器特征阻抗.

熄弧截流不仅造成过电压,而且在断路器触头间形成很大的恢复电压. 该电压上升速度很快,在切断过程中,当触头间分开的距离不够大时,可能发生重燃.实际中,多数情况下空压切除常有多次电弧重燃现象. 多次重燃过程中,能量发生减少,因而限制了过电压的幅值.这一点不同于切空载线路情况,因此重燃对降低过电压是有利的. 变压器参数对切空变过电压幅值显然有影响.振荡过程中,变压器的铁心及铜线的损耗会使相当部分的电磁能损耗,因此实际过电压将大大低于UCm..因此UCm称为预期过电压幅值. 对切空变过电压的主要措施:采用阀型避雷器.切空变过电压能量小,持续时间短,因此采用避雷器可以进行限制.

6.2.4 操作过电压的限制措施 1.利用断路器并联电阻限制分合闸过电压 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,缩小了每个阶段过渡过程的起始值与稳态值的差,从而减小了每个阶段的过电压,大容量电阻的阻尼加速了振荡过程的衰减,从而有效地抑制了分合闸过电压. 如图所示,利用带并联电阻的断路器切,合空载线路的简化等效电路.

并联电阻的作用十分明显:合闸被分成两个阶段,过渡过程的振荡幅值减小,振荡衰减加快,从而限制过电压幅值. (1) 利用并联电阻限制合空线过电压: 电路合闸过程: 第一阶段:辅助触头S2先合闸,将主触头S1的并联电阻R串入LC回路中; 第二阶段:经过1.5～2个工频周期后,S1再合闸,将R短接,完成整个合闸操作. 并联电阻的作用十分明显:合闸被分成两个阶段,过渡过程的振荡幅值减小,振荡衰减加快,从而限制过电压幅值. 为充分发挥并联电阻作用,要求有足够的并联电阻接入时间,使S1合闸前第一阶段的过渡过程基本结束,不再对第二阶段产生不利影响.如:我国500kV断路器并联电阻接入时间为:10 ～ 15ms.

(1) 利用并联电阻限制合空线过电压: 并联电阻的阻值对合闸过电压有影响,如图所示:第一阶段过电压幅值随R增大而迅速下降;第二阶段过电压幅值随R增大而增大.两个曲线的交点为最佳电阻值.一般R≈0.5～2.0Z(Z为线路波阻抗,一般为400Ω),因此并联电阻应取200 ～ 800 Ω 考虑到制造低值电阻时通流容量方面的困难,实际选用的电阻值均大于最佳电阻值.

(2) 利用并联电阻限制切空线过电压: 分闸过程: 第一阶段,主触头S1先断开,将R接入电路; 引起切空线过电压的原因是断路器触头间的重燃.并联电阻限制切空线过电压的作用有两种: 降低了触头间的恢复电压,减小了重燃的机会; 并联电阻本身即可减低重燃后的过电压.

(2) 利用并联电阻限制切空线过电压: 从降低触头间恢复电压的角度,打开S1时,希望R小些,这样触头S1间的恢复电压低; 因此,选R=3/ωCT时,两触头恢复电压最大值相同. 例如 220kV,400km长的线路(等值电容CT≈3.5μF), 则R ≈ 3 ～ 5k Ω 可见,切空线与合空线的要求断路器并联电阻值是不同的.实际应用中,R按切空线选择,为几千欧姆,该值对限制合空线过电压也是有用的. 对于切空变过电压,想用并联电阻达到限制过电压作用,并联电阻的阻值要求很高(几万欧姆),不予考虑,采用避雷器限制的措施.

2. 利用避雷器限制操作过电压 长期以来,避雷器是限制电力系统雷电过电压的主要措施. 随之阀型避雷器性能的改进,以及新型的金属氧化物避雷器的开发应用,利用避雷器限制操作过电压成为可能. 由于采用了带并联电阻的断路器,只有在并联电阻失灵或其他意外情况下,才会出现幅值较高的操作过电压,避雷器才动作. 避雷器在限制操作过电压时应注意以下问题: 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,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.

常见的操作过电压中,以合空线或重合闸过电压下,避雷器动作时受到的考验最严峻. 此时,线路与电源相连,过电压能量可以从电源得到补充,因此要求避雷器阀片具有较高的通流能力. 随着电力系统的容量增大,系统短路故障电流很大(甚至到100kA),对高压断路器的开断容量提出了极大挑战. 目前致力于开发快速限流装置, 当故障电流出现时,先由限流装置将巨大的故障电流限制下来,然后再由常规断路器开断. 如超导故障电流限制器,分为电阻限流器与电感限流器,都是利用超导体的超导态与正常态的转变,在几十微秒内由极低电阻变为较高电阻,从而到达限制故障电流的目的.

6.2.5 绝缘配合的基本概念与方法 1. 绝缘配合的原则 过去,设备绝缘要求以耐受运行中可能出现的最大过电压原则来满足系统安全要求. 但是随着电力系统电压等级的提高,输变电设备的绝缘部分所占的成本比重越来越大.一味提高设备绝缘水平不仅技术上困难,经济上也不划算. 目的:如何选择采用合适的限压措施及保护措施,在不过多增加设备投资前提下,既限制可能出现的高幅值过电压,保证设备系统安全可靠运行;又降低对各种输变电设备绝缘水平的要求,减少主要设备的投资成本-----提出绝缘配合问题 “绝缘配合问题”定义:根据设备在系统中可能承受的各种电压(工作电压,过电压),并考虑限压装置的特性和设备绝缘特性来确定必要的耐受强度,以便把作用于设备上的各种电压所引起的绝缘损坏和影响连续运行的概率,降低到在经济和运行上能接受的水平.

绝缘配合问题,对具体的电力系统如何选择合适的绝缘水平,还要根据不同的系统结构,不同的地区及电力系统不同的发展阶段来进行具体分析. “绝缘配合问题”体现在两个方面: 技术方面:对各种电压,各种限压措施和设备绝缘耐受能力三者之间的配合问题. 经济方面:设备投资费,运行维护费和事故损失费(可靠性)三者之间的协调关系. 绝缘配合问题,对具体的电力系统如何选择合适的绝缘水平,还要根据不同的系统结构,不同的地区及电力系统不同的发展阶段来进行具体分析. 比如不同的系统,因结构不同,过电压水平不同; 同一系统不同地点,过电压水平也不同; 同类事故发生的地点不同,造成的损失也不同; 系统发展初期,往往结构简单,系统联系薄弱,一旦发生故障经济损伤较大;系统发展中期和后期,系统联系加强,设备性能提高,造成的经济损失也下降; 系统初期,绝缘水平较高,系统中后期绝缘水平降低. 因此,不同系统在不同发展阶段应该允许根据实际情况选择不同的绝缘水平.

电气设备的绝缘水平: 用设备可以承受(不发生闪络,放电或其他损坏)的试验电压值表示. 对应于设备可能承受的各种工作电压,分为: 全波基本冲击绝缘水平 基本操作冲击绝缘水平 工频绝缘水平 对应的绝缘试验,分为: 雷击冲击试验 操作冲击试验 短时(1min)工频试验以及特殊情况下的长时工频试验. 我国国家标准规定:电气设备雷电,操作和工频试验电压值,见附表A-1,2,3(P243页)

2. 绝缘配合的基本方法: (1) 惯用法:使用最广泛 按作用在绝缘上的最大过电压和最小绝缘强度的概念来配合. 具体方法: 首先确定设备上可能出现的最危险的过电压; 然后根据经验乘上一个系数(考虑各种因素影响和一定裕度),从而决定绝缘应耐受的电压水平. 缺点:过电压幅值和绝缘强度都是随机变量,很难按照一个严格的规则去估计其范围.因此,用此方法选定绝缘,常要求有较大的安全裕度,而且无法定量估计可能的事故率.

确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平(雷电冲击保护水平和操作冲击保护水平),因而需要将设备的绝缘水平与避雷器的保护水平进行配合. 雷电或操作冲击电压对绝缘的作用,在某种程度上可以用工频耐压试验来等价.即通过了工频耐压试验的设备,可以认为在运行中能保证一定的可靠性. 工频耐压试验简单易行, 220kV及以下设备的出厂试验应逐个进行工频耐压试验; 330kV及以上设备出厂试验在条件不具备的情况下,可以用工频耐压试验替代.

这种方法不仅定量地给出设计的安全程度,而且按照使设备费,运行费和事故损失费总和最小的原则,确定一个输电系统的最佳绝缘设计方案. (2) 统计法: 概念:考虑到过电压幅值和绝缘的耐电强度都是随机变量,在已知过电压幅值和绝缘闪络电压的概率分布后,用计算方法求出绝缘闪络的概率和线路跳闸率,通过技术经济比较,正确地确定绝缘水平. 这种方法不仅定量地给出设计的安全程度,而且按照使设备费,运行费和事故损失费总和最小的原则,确定一个输电系统的最佳绝缘设计方案. 非自恢复绝缘进行绝缘放电概率的测定费用很高,难度很大,主要采用惯用法. 220kV及以下系统,降低绝缘水平经济效益不是很明显,采用惯用法. 330kV及以上系统,设备绝缘强度在操作过电压下的分散性很大,降低绝缘水平具有显著的经济效益.国际上推荐采用统计法.

统计法计算方法: 设f(u)为过电压的概率密度函数,p(u)为绝缘的放电概率函数,出现过电压u并损坏绝缘的概率为p(u)f(u)du,将该函数进行积分,得: 如图所示,A就是图中阴影部分面积,即为绝缘在过电压下遭受损坏的可能性,即由某种过电压u造成的事故的概率(故障率).

由上图可知,如果增加绝缘强度,则曲线p(u)向右方移动,绝缘故障率将减小.但是投资成本将增加. 统计法需要进行一系列试验性设计与故障率的估算,根据技术经济的比较,在绝缘成本和故障概率间进行协调,满足预定故障率的前提下,选择合理的绝缘水平. 利用统计法进行绝缘配合时,绝缘裕度不是固定值,而是与绝缘故障率的一定概率相对应的. 统计法的缺点:随机因素较多,且各个统计数据的概率分布有时并非已知.实际使用中,常采用对某些概率进行假定的简化统计法.

3. 架空输电线路绝缘水平的确定 输电线路的绝缘水平,一般不考虑与变电站的绝缘配合,通常以保证一定的耐雷水平为前提,在污秽地区或操作过电压被限制到较低值的情况下,线路绝缘水平主要由最大工作电压决定. 确定输电线路的绝缘水平主要指确定绝缘子串的片数和线路绝缘的空气间隙(都是自恢复性绝缘). 绝缘子串片数的选择,应该满足下列要求: (1) 在工作电压下不发生雾闪(污闪); (2) 在操作过电压下不发生雨闪,并具有一定的冲击耐受强度; (3) 确保线路有一定的耐雷水平. 下表给出了实际线路绝缘子串中的绝缘子片数.

空气间隙的确定:应考虑导线受风吹摇摆而使绝缘子串发生风偏的不利情况. 工作电压幅值虽然低,但是长时间作用在导线上,按照导线最大设计风速(取:20年一遇最大风速, 约25～35m/s),相应的风偏角最大; 操作过电压持续时间较短,出现频率很低,按照线路最大设计风速的一半考虑,风偏角相应减小; 雷电过电压幅值最高,但持续时间最短,通常按照计算风速10 ～ 15m/s考虑,风偏角最小. 第3章中给出了各电压等级下的最小空气间隙距离(书P67表3-2,3).实际中,考虑杆塔尺寸误差和施工误差等不利因素,最小空气间隙距离还应留有一定裕度.