过电压防护设备

10/4/2019第五章过电压防护设备10/4/2019过电压防护设备配置•目的：解决过电压对电力系统的危害•子目的：•认识高电压防护设备会配置发电厂、变电站外部过电压防护设备会配置发电厂、变电站内部过电压防护设备实例分析、读图能力方法：案例分析法、分组讨论法、自主学习法等10/4/2019操作过电压内部过电压弧光过电压谐振过电压过电压直击雷大气过电压（雷电过电压）感应雷超过设备最大运行电压的电压10/4/2019引言：雷击•阿根廷巴塔哥尼亚阴云密布的天空出现枝状闪电的壮观现场•随着手指状闪电云在云间扩散开来，美国佐治亚州坎伯兰国家海滩上空紫光闪现10/4/2019•可怕？巨大的声响、划破黑夜的强光........•月黑风高........•小时候奶奶讲的故事.........•可怕！危害电力设施安全危害人生安全危害电网安全对雷电的感觉10/4/2019↓↓↓++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++↓↓↓主放电-----------------------------------------------------•雷电：天空中的某一块云层与另一块云层或者与大地，由于所带的电荷性质相反而产生瞬间剧烈放电的现象。在这放电过程中，往往伴随着强烈耀眼的闪光和震耳欲聋的巨响。温度可达2000010/4/2019•设备遭雷击受损通常有四种情况：1.直接遭受雷击而损坏；2.雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损；3.设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏；4.设备安装的方法或安装位置不当，受雷电在空中分布的的电场、磁场影响而损坏。10/4/2019•1、雷电的破坏效应：可达数百KA的冲击电流•通过被击电气设备时由于电磁效应，形成幅值很高的冲击电压波，使电气设备绝缘破坏；•电动力的机械效应使物体炸裂；•冲击电流的热效应使金属熔化。10/4/20192、雷电放电的一般特征•雷电放电由带电荷的雷云引起•大多数的放电发生在雷云之间不危险•少数的放电发生在雷云和大地之间危险•对地放电的雷云大多数带负电荷，实测90％•理解以下几点：雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放被击物体的电位取决于雷电流和被击物体阻抗的乘积从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程人们能够测知的电量，主要是流过被击物体的电流10/4/20193、雷电对地放电的一般过程•据侧：对地放电的雷云绝大多数（75—90）％是带负电荷，雷电流为负极性。•雷闪放电过程与长间隙极不均匀电场放电过程一样，主要有：先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。（a）放电的光学照片（b）雷电流的变化情况10/4/2019◆先导放电阶段▲雷云中负电荷逐渐积聚时，地面感应出正电荷。当电场强度达到空气的击穿强度时，空气开始游离，出现电子崩→流注→形成向地面运行的不太明亮的先导（先导通道头部的电位接近雷云电位)。▲当先导发展到离地面大约100m时，还常常出现从地面向上发展的正电荷的迎面先导。先导放电特点发展速度慢，持续时间长，呈跳越式逐级发展放电电流小，约100A放电伴有不太明亮的闪光，头部最亮10/4/2019◆主放电阶段▲当先导通道到达地面或与迎面先导相遇时，通道端部因强烈游离而产生高密度的等离子区，此导电性能很好的等电离子区自地面向雷云迅速传播，形成一条高导电率的等离子通道，使先导和雷云中的电荷与大地的电荷相中和。主放电特点：发展速度快，持续时间短。放电电流大，一般100-200KA放电伴随极明亮的闪光和震耳的雷鸣10/4/2019◆余辉放电阶段▲云中残余电荷（主放电剩余的电荷）沿等离子通道继续流向大地。余辉放电的特点：放电电流小，100-1000A（云中电阻大）持续时间长（热效应）。由于云中往往有几个电荷中心，可能引起沿第一次产生的放电通道的多次放电，并且这些放电的先导是持续发展的，它们的主放电电流不超过30KA，第一次冲击放电电流幅值仍然是最高的。10/4/2019雷电放电的计算模型10/4/20194、雷电参数▲雷电流的幅值：雷闪时，雷电流所能达到的最高值，为一随机值，雷电流超过Ι的概率Ρ的对数为:年平均雷暴日20的地区年平均雷暴日≤20的地区▲波前时间和半峰值时间我国防雷设计中取2.6/50us波:▲陡度（波前斜率）44lIgPusT6.21usT502)(6.2usKAIa88lgIP10/4/2019◆雷暴日数()指该地区一年四季中有雷电放电的天数，一天中只要听到一次及以上雷声就是一个雷暴日。由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值—年平均雷暴日数规定：不足15日为少雷区，超过40的为多雷区，超过90的为强雷去。◆雷暴小时数（）指该地区一年四季中有雷电放电的小时数，一小时以内听到一次及以上雷声就算一个雷暴小时。对大部分地区来说，一个雷暴日大致拆合为三个雷暴小时。dThT10/4/2019▲地面落雷密度ϒ：指每个雷暴日每平方公里的地面上的平均落雷次数【次/平方公里●雷电日】我国取ϒ=0.07（40雷电日），国外一般取0.1—0.2▲输电线路落雷次数N：指每百公里输电线路每年落雷次数[次/(100㎞●年）]h为避雷线的平均高度（m）;b为两避雷线之间的距离（m）3.1023.0dTrdThbrN1001000410/4/2019我国雷电分布图10/4/2019第五章过电压防护设备■避雷针（线）主要防直击雷：它是由金属制成，比被保护设备高，具有良好接地的装置。其作用是将雷吸引到自己身上，并安全导入地中，从面保护了附近比它矮的设备和建筑免受雷击。■防雷器主要防雷电入侵波:利用避雷器与被保护设备间的绝缘配合关系，以及与其他防入侵波设备共同作用，可以限制入侵波陡度与幅值。■防雷接地:将雷电流安全导入地中而进行的接地，如避雷针（线）和避雷器的接地等10/4/20195.1避雷针（线）▲保护原理：当雷云放电时地面电场畸变，在避雷针顶端形成局部场强集中地空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，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。▲绕击率：雷云绕过避雷装置而击于被保护物的现象，规程推荐的保护范围是对应0.1％绕击率而言。▲避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击。10/4/2019畸变电场形成局部场强集中影响先导发展路径H：定向高度针：线：h≤30mH≈20hH≈10hh30mH=600mH=300m•高电压技术的应用与试验引雷作用10/4/20191、避雷针（线)系统的结构组成▲接闪器：避雷线本身或避雷针的针头。（Φ10-12㎜长1-2m的镀锌或镀镍钢棒)▲引下线：链接接闪器与接地体的金属导体。（Φ6㎜圆钢或截面积≮25㎜的镀锌钢绞线，也可以利用钢筋或铁塔）▲接地体：一组埋入土壤或混凝土基础中、满足规定接地电阻值得管状或带状接地电极，起作散流用。10/4/20192、避雷针和避雷线的保护对象•避雷针一般用于保护发电厂和变电站，可根据不同情况或装设在配电构架上，或独立假设。独立避雷针构架避雷针10/4/2019■避雷线主要用于保护架空线路，也可用于保护发电厂和变电站10/4/20193.避雷针（线）保护范围的概念▲避雷针（线）的保护范围是指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击。▲只有被保护物处在该立体保护范围的边界范围之内才可以能得到保护。▲保护范围是按保护概率99.9％确定的。保护范围有模拟实验确定，它只有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完全不受保护。10/4/20194、避雷针的保护范围（1）单支避雷针◆避雷针在地面上的保护半径r=1.5hPr—保护半径，mh—避雷针的高度，mP—高度影响系数当h≤30m时，P=1当30h≤120时，P=5.5/当h120m时，P=5.5/单支避雷针的保护范围h12010/4/20194、避雷针的保护范围（1）单支避雷针单支避雷针的保护范围◆在被保护物高度水平面上的保护半径当时当时hx—被保护物的高度，mha—避雷针的有效高度，m2hhxPhPhhraxx)(2hhxPhhrxx)25.1(10/4/2019特别提醒由于高度影响系数P的存在，使得当避雷针太高时保护半径不与避雷针高度成正比增大，所以不能得出“避雷针越高保护范围越大”的结论。对于面积较大的被保护对象，可以采用多支避雷针联合保护或与避雷带相结合的方法。当h≤30m时，P=1当30h≤120时，P=5.5/当h120m时，P=5.5/h12010/4/2019例题解答例：某厂油罐，高10m，直径10m,用一根高25m的避雷针保护。问针与罐之间的距离x不得超过多少？解：由于避雷针高度h=25m，故P=1则被保护物高度上的保护范围为=（1.5×25－2×10）×1=17.5m针与油罐之间的最远距离为x=17.5－10=7.5mPhhrxx)25.1(10/4/2019(2)两支等高避雷针保护范围A、两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。B、两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧确定。0R10/4/2019（3）两支不等高避雷针保护范围A、两支不等高避雷针外侧的保护范围按单支避雷针的计算方法确定。B、两支不等高避雷针间保护范围按图7—10确定。PDhh7'0)(5.10xxhhb10/4/20195、避雷针的保护范围■作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所。■保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间。10/4/2019（1）单根避雷针当当单根避雷线的保护范围（当h≤30m时，θ=25°）2hxhPhhrxx)(47.02hxhPhhrxx)53.1(10/4/2019（2）两根等高避雷线10/4/2019工程上常用保护角α来表示避雷线的保护程度一般取α=20°—30°220—300kv：α≈20°500kvα15°山区宜采用较小保护角保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角。10/4/20195.2避雷器1.基本概念◆作用：雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压（雷电入侵波）或由操作引起的内部过电压的一种电气设备。◆类型：保护间隙有线性电阻；配电系统、线路和发、排气式（管式）避雷器变电厂进线段保护阀式避雷器有非线性电阻；发、变电站内的过电压保护，220KV及以下用于雷电过④氧化锌避雷器电压保护，超高压系统还用于内部过电压保护10/4/2019避雷器发展经历:从放电间隙到氧化锌避雷器开发年代保护装置类型19世纪70~80年代棒型放电间隙和熔丝19世纪末角形保护间隙，防止雷击损坏设备绝缘而造成事故20世纪20年代铝避雷器，氧化锌避雷器20世纪30年代管式避雷器，主要用于发电厂、变电站所进线和线路的保护20世纪40年代SiC避雷器，用于交直流系统发变电设备的保护，40年代至50年代迅速发展，并一直应用至今20世纪50年代SiC磁吹避雷器，复合式避雷器20世纪60年代ZnO压敏电阻，用于电子设备的保护20世纪70年代ZnO避雷器，用于交直流电力系统发、变电设备的保护，正逐渐取代SiC避雷器20世纪80年代合成绝缘ZnO避雷器，用于发、变电设备的保护外，还包括线路防雷及深度限制操作过电压等10/4/2019▲基本概念■原理：避雷器并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏。实质:是一种放电限压器（能释放过电压能量、限制过电压幅值）10/4/201910/4/2019避雷器保护作用原理示意1—保护间隙2—排气式避雷器3—阀型避雷器4—氧化锌避雷器5—被保护电器设备10/4/2019◆对避雷器的基本技术要求A、具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合避雷器伏秒特性低且平直10/4/2019B、应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快