新电力系统雷电防护72-8章.ppt
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1、第八章 电力系统雷电防护,重 点,避雷针与避雷线 金属氧化物避雷器 输电线路雷电防护 变电站雷电防护,防雷保护设备,雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止的,产生的雷电过电压可高达数百至数千kV,如不采取防护措施,将引起电力系统故障,造成大面积停电。 目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性,基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。 避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压,避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。,8.1 避雷针与避雷线,8.2.1 避雷针防雷原理及保护范围,避雷针防雷原理 避雷针是明显高出被保护物
2、体的金属支柱,其针头采用圆钢或钢管制成,其作用是吸引雷电击于自身,并将雷电流迅速泄入大地,从而使被保护物体免遭直接雷击。避雷针需有足够截面的接地引下线和良好的接地装置,以便将雷电流安全可靠地引入大地。,2. 避雷针的保护范围,表示避雷针的保护效能,通常采用保护范围的概念,只具有相对意义。避雷针的保护范围是指被保护物体在此空间范围内不致遭受直接雷击。我国使用的避雷针的保护范围的计算方法,是根据小电流雷电冲击模拟试验确定,并根据多年运行经验进行了校验。保护范围是按照保护概率99.9%确定的空间范围(即屏蔽失效率或绕击率0.1%)。,避雷针,8.1 避雷针与避雷线,图中的受保护区域并非100安全 受
3、保护区域只是保证在该区域中雷击概率是很小的数值,单支避雷针保护范围,上图中划定避雷针保护范围的方法称为折线法,用两段斜率不同的折线段确定保护范围(建筑防雷中采用滚球法确定保护范围) 折线表达式中的p是修正系数,根据避雷针高度的不同进行有关修正,8.1 避雷针与避雷线,修正系数p避雷针高度30m时,避雷针高度h80m时修正系数p1 hx被保护物高度,8.1 避雷针与避雷线,修正系数p避雷针高度30m时,80mh120m时修正系数:,8.1 避雷针与避雷线,如图可见,避雷针高度超过30m后其保护范围随高度而增大的趋势减缓,两支避雷针联合保护范围,两支避雷针的联合保护范围不是两个避雷针各自保护范围的
4、“并集”,而是比这个并集要大一些 图中蓝色虚线部分代表单支避雷针保护范围的界限,8.1 避雷针与避雷线,8.2.2 避雷线防雷原理及保护范围,避雷线,通常又称架空地线,简称地线。避雷线的防雷原理与避雷针相同,主要用于输电线路的保护,也可用来保护发电厂和变电所,近年来许多国家采用避雷线保护500kV大型超高压变电所。用于输电线路时,避雷线除了防止雷电直击导线外,同时还有分流作用,以减少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还可以降低导线上的感应雷过电压。,单根避雷线保护范围,8.1 避雷针与避雷线,双避雷线联合保护范围,双避雷线在输电线路上应用极为广泛,8.1 避雷针与避雷
5、线,避雷针与避雷线的应用范围,避雷针在变电所、发电厂等场合有广泛的应用(集中保护场合)。 避雷线适用于输电线路防雷(分布保护场合),在变电所里有时也在电气主回路上空布置多条避雷线进行雷电防护。,8.1 避雷针与避雷线,避雷针是不是越高越好?,答案: 随着避雷针高度的增加,其保护范围的增加越来越有限,同时其保护范围内免受雷击的概率变得不确定。 在提高避雷针高度上下功夫不如采用多针联合保护。,8.1 避雷针与避雷线,8.2.3 避雷器工作原理及常用种类,避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作过电压的一种防雷装置。避雷器实质上是一种过电压限制器,与被保护的电气设备并联连接,当过电压出现并超过
6、避雷器的放电电压时,避雷器先放电,从而限制了过电压的发展,使电气设备免遭过电压损坏。 避雷器的常用类型有:保护间隙、排气式避雷器(常称管型避雷器)、阀式避雷器和金属氧化物避雷器(常称氧化锌避雷器)四种。,避雷器1,避雷器2,1.保护间隙 保护间隙是一种简单的避雷器,按其形状可分为:角型、棒形、环形和球型等,常用角形保护间隙如图8-14所示 。,图8-14 角型保护间隙 1角型电极 2主间隙 3支柱绝缘子 4辅助间隙 5电弧的运动方向,2.排气式避雷器 排气式避雷器实质上是一种具有较高熄弧能力的保护间隙,其结构如图8-15所示,内间隙固定装在管内,管子由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成,其电极一端
7、为棒形电极2,另一端为环形电极3。外间隙裸露在大气中,由于产气材料在泄漏电流作用下会分解,因此管子不能长时间接在工作电压上,正常运行靠外间隙来隔离工作电压。,图8-15排气式避雷器 1产气管 2棒形电极 3环形电极 S1内间隙 S2外间隙,4-动作指示器,3.阀式避雷器,阀式避雷器是由装在密封瓷套中的多组火花间隙和多组非线性电阻阀片串联组成。它分普通型和磁吹型两大类。,普通阀式避雷器的单个火花间隙结构如图8-16所示,电极由黄铜圆盘冲压而成,两电极间以云母垫圈隔开形成间隙,间隙距离为0.51.0mm,间隙电场接近均匀电场,单个间隙的工频放电电压约为2.73.0kV(有效值)。阀片的伏安特性如图
8、8-17所示。,图8-16 单个火花间隙结构 1黄铜电极 2云母垫圈,图8-17 阀片的伏安特性 i1工频续流 u1工频电压 i2雷电流 u2避雷器残压,磁吹阀式避雷器(简称磁吹避雷器)的基本结构和工作原理与普通阀式避雷器相同,主要区别在于,磁吹阀式避雷器采用了磁吹式火花间隙,它是利用磁场对电弧的电动力,迫使间隙中的电弧加快运动并延伸,使间隙的去游离作用增强,从而提高了灭弧能力,磁吹式火花间隙的结构和电弧运动如图8-18所示。,图8-18 磁吹式火花间隙 角形电极 2灭弧盒 3并联电阻 4灭弧栅,多个间隙串联电路中,由于寄生电容存在,灭弧过程工频电压在各个间隙上的分布是不均匀的,将影响每个间隙
9、作用的充分发挥,减弱了灭弧能力。通常将四个火花间隙放在一个瓷套筒里组成标准间隙组,在每个标准间隙组的侧面并有两个串联的半环形非线性分路电阻,以便起均压作用,如图8-19所示。,图8-19 在间隙上并联分路电阻 (a)标准火花间隙组(普通阀式避雷器) (b)原理图,5间隙6分路电阻7工作电阻,4. 金属氧化物避雷器,金属氧化物避雷器(MOA)出现于20世纪70年代,因其性能比碳化硅避雷器更好,现在已在全世界得到广泛应用。金属氧化物避雷器的阀片是由以氧化锌(ZnO)为主要原料,并添加其它微量的氧化铋(Bi2O3)、氧化钴(Co2O3)、氧化锰(MnO2)、氧化锑(Sb2O3)、氧化铬(Cr2O3)
10、等金属氧化物作添加剂。 金属氧化物避雷器的结构非常简单,仅由相应数量的氧化锌阀片密封在瓷套内组成,所以也称氧化锌避雷器。,氧化锌阀片具有极好的非线性伏安特性,如图8-19所示,可分为小电流区、非线性区和饱和区。,图8-20 氧化锌阀片的伏安特性,ZnO阀片,在ZnO阀片的侧面上釉是为了防止沿面放电。 表面镀铝的的作用是填满表面凹孔、防止电流在局部过于集中。,金属氧化物避雷器,ZnO避雷器的结构,ZnO避雷器中起主要作用的非线性电阻元件由多片ZnO阀片堆叠而成,根据电压等级的不同堆叠层数也不同。 图中给出是目前最为先进的硅橡胶复合外套避雷器的简化结构。,金属氧化物避雷器,ZnO避雷器在系统中的连
11、接,绝大部分情况下,避雷器在系统中的连接都是星形接法。 星形接法下长期工作中的避雷器承受的是相电压。 避雷器的接地要求绝对可靠。,8.2 金属氧化物避雷器,对避雷器性能的要求,良好的非线性(提高保护水平)。 大的通流容量(能够吸收更强的雷电能量)。 小的工频续流(雷击时防止系统注入过大的电流)。 良好的伏秒特性(无论侵入波陡度如何都保证首先动作)。,8.2 金属氧化物避雷器,ZnO避雷器的特性曲线,ZnO避雷器具有显著的非线性伏安特性。 当过电压袭来时,ZnO避雷器电流剧增,有效地吸收过电压的能量并遏制住系统电压的上升趋势。,8.2 金属氧化物避雷器,ZnO避雷器的参数,额定电压和容许最大持续
12、运行电压为有效值,1mA参考电压常在直流下测得,8.2 金属氧化物避雷器,ZnO避雷器的参数,压比: 荷电率: 压比反映了避雷器伏安特性的非线性程度,压比越小非线性程度越大、保护性能越好(1.55-1.6)。 荷电率反映了长期工作条件下避雷器承担电压负荷的轻重,荷电率较高时避雷器老化速度加快。,8.2 金属氧化物避雷器,ZnO避雷器的优劣评判,显然避雷器A的非线性程度好于避雷器B,其保护性能也优于避雷器B,8.2 金属氧化物避雷器,ZnO避雷器的优点,无串联间隙 非线性程度好、保护性能优越 通流容量大 工频续流极小、可忽略不计,8.2 金属氧化物避雷器,避雷针作用是吸引雷电击于自身,并将雷电流
13、迅速泄入大地,从而使被保护物体免遭直接雷击。 避雷线,又称架空地线,简称地线。主要用于输电线路的保护,也可用来保护发电厂和变电所。 避雷器实质上是一种过电压限制器。 保护间隙 排气式避雷器 阀式避雷器 金属氧化物避雷器,小结,返回,(本节完),8.4 接地的基本概念及原理,8.4.1 接地概念及分类 8.4.2 接地电阻,接触电压和跨步电压 8.4.3 接地和接零保护,返回,8.4.1 接地概念及分类,接地就是指将电力系统中电气装置和设施的某些导电部分,经接地线连接至接地极。埋入地中并直接与大地接触的金属导体称为接地极。电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分称为接地线。接地极和接
14、地线合称接地装置。 接地按用途可分为: 工作接地 保护接地 防雷接地 静电接地,返回,8.4.2 接地电阻,接触电压和跨步电压,大地具有一定的电阻率,如果有电流经过接地极注入,电流以电流场的形式向大地作半球形扩散,则大地就不再保持等电位,将沿大地产生电压降。 设土壤电阻率为 ,大地内的电流密度为 ,则大地中电场强度为 在靠近接地极处,电流密度 和电场强度 最大,离电流注入点愈远,地中电流密度和电场强度就愈小,因此可以认为在相当远(约2040m)处,为零电位。电位分布曲线如图8-42所示。,图8-42 接地装置的电位分布 Ut接触电压 Us跨步电压,接地装置对地电位u与通过接地极流入地中电流i的
15、比值称为接地电阻。 人处于分布电位区域内,可能有两种方式触及不同电位点而受到电压的作用。当人触及漏电外壳,加于人手脚之间的电压,称为接触电压。 当人在分布电位区域内跨开一步,两脚间(水平距离0.8m)的电位差,称为跨步电位差,即跨步电压。,8.4.3 接地和接零保护,1. 发电厂、变电所的接地保护,发电厂、变电所中的接地网是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置。一般的作法是:除利用自然接地极以外,根据保护接地和工作接地要求敷设一个统一的接地网,然后再在避雷针和避雷器安装处增加35根集中接地极以满足防雷接地的要求。,按照工作接地要求,发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻应满足:
16、,2. 输电线路的接地保护,高压线路每一杆塔都有混凝土基础,它也起着接地极的作用,其接地装置通过引线与避雷线相连,目的是使击中避雷线的雷电流通过较低的接地电阻而进入大地。高压线路杆塔的自然接地极的工频接地电阻简易计算式为 ,k为各种型式接地装置简易计算式系数, 为土壤电阻率。,3. 计算用土壤电阻率,接地电阻除与接地极的形状、尺寸大小有关外,还跟土壤电阻率 密切相关。土壤电阻率 主要取决于其化学成分及湿度大小,计算防雷接地装置所采用的土壤电阻率应取雷季中最大可能的数值,一般按下式计算:,式中:,土壤电阻率,单位为m;,雷季中无雨时所测得的土壤电阻率,单位为m;,考虑土壤干燥所取的季节系数,接地
17、按用途可分为:工作接地、保护接地、防雷接地、静电接地 大地具有一定的电阻率,电流以电流场的形式向大地作半球形扩散,将沿大地产生电压降。 发电厂、变电所中的接地网是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置,小结,返回,(本节完),电力系统防雷保护,电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等各个环节。,输电线路雷电防护,8.3.1 输电线路的防雷保护,在整个电力系统的防雷中,输电线路的防雷问题最为突出。这是因为输电线路绵延数千里、地处旷野、又往往是周边地面上最为高耸的物体,因此极易遭受雷击。,输电线路防雷性能的优劣,工程中主要用耐雷水平和雷击跳闸率两个指标来衡量。所谓耐雷水平,是指雷
18、击线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值(单位为kA)。,1. 输电线路上的感应雷过电压,雷击线路附近地面时,在线路的导线上会产生感应雷过电压,由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大,雷电流幅值I一般不超过100kA。实测证明,感应过电压一般不超过300-400kV,对35kV及以下水泥杆线路会引起一定的闪络事故;对110kV及以上的线路,由于绝缘水平较高,所以一般不会引起闪络事故。 感应雷过电压同时存在于三相导线,故相间不存在电位差,只能引起对地闪络,如果二相或三相同时对地闪络即形成相间闪络事故。,设避雷线和导线悬挂的对地平均高度分别为hg和hc,若避雷线不接地,则根据教材公式(8-18)可求得
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