电气安全第五章过电压及低压系统电涌防护

第五章：过电压及低压系统电涌防护过电压指系统出现了超过正常电压范围的高电压值。电力系统正常运行中，无论是过电流，还是过电压都将对系统产生影响和危害，过电流的危害主要是大电流产生的力效应和热效应会损坏系统设备，而过电压的危害主要是使绝缘遭到破坏而导致系统设备损坏！对于供配电系统，若将用电设备考虑进去，过电压危害形式要更多一些，总之，在供配电系统，短路造成的过电流一般仅危及系统安全，而过电压不仅危及系统安全，还危及用电设备、人身、建筑物等的安全，其危害更广，本章将主要研究供配电系统中过电压的产生及防护问题。第一节过电压与设备耐压：一、过电压：1、过电压的分类（1）按能量来源分：大气过电压和内部过电压。1）大气过电压（外部过电压）：直击雷过电压：是指雷云直接向杆塔、避雷线或导线放电产生的过电压，比重大，危害大。感应雷过电压：感应过电压静电分量-----雷云中电荷突然消失，进而使静电场突然消失造成的。感应过电压的电磁分量-----雷云放电中产生的突变电磁场耦合至导线上产生的感应电动势引起的过电压。感应雷过电压对35KV以下系统危害大！通常S65m时，雷击地面的概述转大，此时感应过电压最大值Ugm=25Ihl/s，I－雷电流幅值（KA），hl－导线高度（m），S－雷击点距导线距离（m）。（极性：与雷电流极性相反！）若导线上方有避雷线，则其屏蔽作用，会使感应过电压幅值降低。外部过电压能量来自于雷电，能量量值大、但作用时间短，通过各种途径耦合到电网中。过电压大小与系统标称电压无关，因此对中、低压系统危害特别大。2）内部过电压：暂时过电压：工频过电压和谐振过电压。操作过电压：间歇电弧接地，空载分合闸过电压。内部过电压能量来自于系统本身，是由于系统内部运行状态或参数发生变化引起能量重新分配过程中所产生的一种现象。*操作过电压：指在电力系统中实施了某种操作产生的过电压。操作过电压能量来自于操作过程中电网能量的转换和重新分配。常见有：投、切空载线路引起的过电压，切除空载变压器引起的过电压，开断电容器组或高压运转电机产生的过电压。*谐振过电压：电力系统中电感与电容参数在特定配合下发生的谐振。谐振过电压能量来自于电网不同部分之间电、磁能量的来回转换。常见有：线性谐振过电压、非线性（铁磁谐振）过电压。*工频电压升高：工频过电压能量直接来自于系统电源。常见有：长线电容效应，过补偿，不对称故障，甩负荷，中性点位移，高电压传导。内部过电压能量可由电网源源不断的补充、持续时间较长。过电压程度与系统标称电压密切相关，即过电压幅值与系统额定电压有直接关系，一般为系统对地最大相电压的2.75—4.0倍，因此对超高压和特高压系统危害特别大。从绝缘危协角度，内部过电压对中低压系统危协不大，但从环境安全、人身安全及用电设备安全却危害甚大，须以重视。（2）按持续时间分：瞬态过电压和暂时过电压。瞬态过电压：大气过电压、操作过电压。暂时过电压：工频过电压、谐振过电压。2、过电压量值的表示方法：（1）与过电压量值表达相关的两个术语1）系统最高电压Um。在正常运行条件下，系统可能出现的最大电压值，但不包括瞬变电压。对中压系统，Um一般为系统标称电压UN的1.2倍。2）系统最高电压范围。范围I：3.6kV≤Um≤252kV；范围Ⅱ，Um≥252kV。注意不要与低压系统的电压区段混淆。（2）过电压程度的工程表示方法1）大气过电压：直接用电压值表述，通常还要注明电压波形。2）相对地工频过电压：用标幺值表述，基值为最高相电压有效值，记为p.u.：P.u=Um/31/23）相对地操作与谐振过电压：同样用标幺值表述，基值为最高相电压幅值：P.u=21/2Um/31/2二、电气设备的耐压：1、作用电压与设备耐压（1）作用电压电气设备耐压与作用于其上的电压形式和作用时间、作用次数等密切相关。作用于其上的电压——作用电压。（应考虑哪些形式的作用电压呢？）根据设备实际可能承受的过电压情况，确定出一些相对应的典型作用电压形式，并以工程标准的形式发布推行。（见PPT）（2）设备耐压与标准作用电压相对应，规定了一系列标准耐受试验，通过这些试验，可得出设备绝缘在不同情况下的耐受电压能力，其中工频耐压和冲击耐压为最常用的耐压参数，如：1）最高工作电压：能长期承受的工频电压上限值，由持续工频耐压试验确定。2）1min短时工频耐压：由短时工频耐压试验确定，考察对暂时过电压承受能力。工频耐压决定了电气设备在工频电压升高情况下是否能不被破坏3）雷电冲击耐压：由1.25μs/50μs冲击耐压试验确定，考察对雷电过电压的耐受能力。冲击耐压用于考查电气设备在雷电过电压冲击下绝缘是否能不被破坏！（3）气体绝缘冲击耐压的伏秒特性：对于某一定的电压波形，必须用电压峰值和持续时间两者来共同表示，这就是该气隙该电压波形下的伏秒特性。伏秒特性表明击穿时间与电压量值的关系。注意：绘制伏秒特性曲线时，波前击穿与波尾击穿电压取值不同。第二节变配电所过电压保护变配电所遭受雷害可能来自两个方面，一方面雷直击，采用架避雷针、避雷线措施防护；另一方面雷击线路沿线路入侵过电压，采用装设避雷器以限制入侵至变电所、配电所的过电压。一、避雷器：1、避雷器工作原理避雷器是防止雷电产生的过电压沿电力线路入侵至变配电所或其它建筑物内的一种压控电器，当过电压沿电力线路入侵至变配电所时，避雷器先于被保护设备被击穿，释放过电压能量，保护电气设备。一般避雷器装设在线路（建筑物）的进出口处，与被保护物体并联，当侵入过电压超过某一电压时，避雷器动作使过电压被限制，从而使电气设备得到有效保护。（1）、避雷器基本要求：1）在过电压作用下，避雷器应该先于被保护设备放电。（靠两者之间的伏秒特性配合实现）2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便在工频续流第一次过零点时能迅速可靠地被切断。（2）、避雷器的基本分类及使用场合：保护间隙、管式避雷器、阀式避雷器、金属氧化物避雷器。1）保护间隙和管式避雷器：主要用于线路的过电压保护，其中保护间隙主要用于10KV及以下低压配电网线路保护，管式避雷器主要用于发电厂、变电所进线保护！2）阀式避雷器和金属氧化物避雷器：主要用于发电厂和变电所中的过电压保护，220KV及以下系统，主要用于限制大气过电压，220KV-500KV系统中除限制大气过电压外，磁吹式和金属氧化物避雷器还可以回来限制内部过电压或作为内部过电压的后备保护！2、避雷器的类别与特性：（1）、保护间隙：1)结构及工作原理：P148图5-3*结构：主要由主间隙和辅助间隙构成，有棒型、角型、常用羊角型！*工作原理：当过电压值超过保护间隙动作值时，间隙被击穿，过电压经其流入大地，过电压作用之后，工频续流产生的电弧，在羊角状间隙中利用工频电弧在自身电动力和热气流作用下向上运动，使电弧伸长，从而熄灭电弧。2）主要优缺点：*结构简单，价格低廉。*优秒特性比较陡，与被保护设备的伏秒特性很难配合。*动作后会形成截波，对变压器的纵绝缘（匝间）不利！*灭弧压力差，工频续流会导致单相接地故障。3）适用范围：10KV及以下配电系统的线路保护。（2）管式避雷器：实质是一个具有较高熄弧能力的保护间隙！1）结构及工作原理：P148图5-4*结构：主要由主气管、内间隙、外间隙、电极等构成。*工作原理：雷电过电压入侵→S1S2同时击穿，雷电流入地→过电压消失，有工频续流流过→S1产生强烈电弧使管内的材料分解产生大量气体→气体沿管口吹出→电弧迅速熄灭→S2恢复绝缘→系统正常运行！2）主要优缺点：*结构简单，灭弧压力强，经济实用。*优秒特性比较陡，不易与变压器等伏秒特性较平坦的设备配合。*动作后产生载波，对变压器纵绝缘不利！*熄弧能力与工频续流大小有关，因此选择时应根据安装点参数合理选择（存在熄灭电弧对应工频续流的上、下限问题，若续流过大，产气量过多，可能会造成产气管炸裂；续流太小时，产气量过少，管内压力太低，不足以吹灭电弧，极有上、下限规定，通常在型号中表明如GXS35/2－10）。3）选择与安装：*选择：上限要大于安装点短路电流的最大值，下限应小于安装点适中电流最小值。*安装：为防吹气时发生弧光相间短路以及管内积水，其开口端应向下傾斜，与水平面交角要大于15º－20º，三相开口方向应不同。4）适用场合：用于线路保护（如大跨距和交叉档距）以及发、变电所的进线保护。（3）、阀式避雷器：1）结构及工作原理：*结构：由火花间隙和具有非线性电阻特性的阀片组成，并装设在密封的磁套管内。*工作原理：如图P149图5-6所示，系统正常运行时，火花间隙将阀片电阻与线路隔离→过电压到来时，首先使火花间隙击穿放电→大的冲击电流由阀片导入大地→由于电流大，阀片电阻很小→残压较小且低于被保护线路及设备的冲击耐压值→使线路及设备得到保护，过电压消失后→工频续流流过时，因电流小故阀片电阻值很大→限制了工频续流值→当电弧第一次过零时被熄灭，切断电路！2）各类及常见型号：阀型避雷器分为普通型和磁吹型。*普通型：FS系列：配电型10KV及以下配电网中电气设备保护FZ系列：变电所型220KV及以下变配电所电气设备保护*磁吹型：FCZ系列：配电型10KV及以下配电网中电气设备保护FCD系列：旋转电机型，旋转电机保护3）普通型阀式避雷器及磁吹式避雷器应用场合：普通型熄弧完全依靠间隙的自然熄弧能力，热容量有限，不能承受较长持续时间的内部过电压冲击电流，故不允许在内部过电压下动作，主要用于220KV及以下系统，作为限制大气过电压。磁吹型阀型避雷器是利用磁吹电弧来强迫工频续流熄弧，其单个间隙的熄弧能力较高，其冲击放电压和残压较低，保护性能较好，且阀片热容量也较大，允许通过内部过电压作用的冲击电流，故可用作限制内过电压。4）普通阀型避雷器非磁吹火花间及隙阀片电阻：*非磁吹火花间隙：间隙0.5－1.0mm，工频放电电压2.7-3.0KV，云母垫片间隙的电晕放电使分散性小，伏秒特性平坦，易于配合多个间隙串联，灭弧能力强，可切断80－100A工频续流，且间隙恢复强度高，无热电子发射时，单个间隙初始恢复强度可达250V。*阀片电阻：阀片为SiC烧结而成（300－350℃），伏安特性：U＝Ciα，C－常数（与材料有关），α－非线性系数，一般为0.2，阀片电阻非线性越好越有利于灭弧，同时还可避免载波的产生，动作后有一定的残压，但阀片电阻有热容量间题。规定35－220KV阀型避雷器以5KA雷电流为设计依据，绝缘配合也以5KA雷电弧作用下残压为依据即Uc5！普通阀型避雷器通流容量以波形20us/4us,峰值5KA冲击电流和幅值100A工频半波电流各20次。5）磁吹阀式避雷器：*磁吹火花间隙：间隙放电后的工频续流是利用磁场使电弧运动（旋转式拉长）来提高灭弧能力，旋转型可熄灭300A工频续流（如FCD系列），限流型（拉长型）可达450A（如FCZ系列），且阀片电阻数目也可，残压低。**磁吹火花间隙的原理：冲击电压作用F→主、辅间隙被击穿→雷电流主、辅阀片入地→工频续流通过时→辅助间隙自动熄弧→工频续流进入磁吹线产生磁吹灭弧。**并联电阻：作用使间隙电压分布均匀，通常使用有足够热容量的非线性电阻！**阀片电阻：α一般为0.2，但通流容量大（高温烧结：350º－1390℃），可用于330KV以上系统中限制内部过电压。（4）、金属氧化物避雷器：1）结构与原理：*结构组成：上世纪70年代开始使用，无火花间隙，其阀片及Zn0为主要材料，少量精选过的金属氧化物经高温烧结而成，具有非常理想的非线性特性。*工作原理：正常状态下电阻值极高，通过电流仅为10－15µA，按近于绝缘状态，过电压工作下→电阻值急剧下降→相当于阀门打开，导通后残压与电流大小无关→当电压低于导通电压时→阀片电阻极大，相当于绝缘体，不存在工频续流。伏安特性U＝Ciα，α一般在0.01-0.04。2）主要特点：*无间隙：正常工作电压下电导电弧只有十几微安，相当绝缘体，故无火花间隙，结构简单，尺寸小，重量轻，安装方便！*保护性能好：伏秒特性平坦，易于配合保护变压器、变电所等设备。*通流容量大，能制成重载避雷器：通流能力为SiC阀片