第9章過電壓及其保護?電力系統過電壓分類:大氣過電壓,內部過電壓;＞大氣過電壓外部過電壓雷擊線路產生瞬間系統電壓升高＞內部過電壓斷路器的操作、線路故障、其他原因使系統參數發生變化,引起電網內部電磁能量的轉化,或傳遞所造成的電壓升高.主要包括操作過電壓和諧振過電壓;■操作過電壓雷系統故障,或操作斷路器引起系統電壓暫態升高,持續時間較短;■諧振過電壓雷因系統電感和電容參數配合不當,出現各種持續時間很長的諧振現象和電壓升高.9.1大氣過電壓對供電系統的影響?大氣過電壓雷由于大氣中雷電的影響而產生的對電氣設備（如發電機、變壓器、送電線路、絕緣子、母線等）絕緣有危害的電壓升高.9.1.大1氣過電壓對供電系統的侵襲與防雷保護?大氣過電壓雷雷云直接對地面的建筑物放電（直接雷擊過電壓）,或對電氣設備附近的物體放電而在電氣設備上引起過電壓（感應過電壓）;?雷云形成的三個基本條件＞空氣中有足夠的水蒸氣＞潮濕的空氣能夠上升并開始凝結為水珠＞氣流能夠強烈持久地上升1直.擊雷過電壓?天空中密集的云塊團因流動而產生摩擦,從而帶有負電荷或正電荷,形成雷云.因靜電感應作用,在雷云下面的大地將感應出異性電荷,二者形成一巨大電容器當雷云附近的電場強度達到 時空氣開始游離形成導電性的通道叫先導放電通道?雷云對大地放電形成一段先導通路稱雷電先導?當雷電先導達到離地面約 時大地感應的異性電荷更加集中特別易于聚集在較為突起部分或較高的地面形成迎雷先導?當雷電先導與迎雷先導接觸時,氣隙被強電場瞬時擊穿,電荷發生強烈中和,出現極大的電流并發出聲和光,就是主放電階段,電流可達數十萬安,電壓達數百萬伏時間約 1?主放電結束后,雷云中的殘余電荷繼續經放電通道入地,稱為余暉放電階段.放電電流不大于數百安,持續時間約為0.03~0圖.90.51s.1先導放電電流［主放電電流 It余暉放電電流10.005?0.0Is；50?lOOps0.03?0.05s ；圖9.1雷云放電三個階段雷電電流波形示意圖?雷電的特點:電壓高,電流大,釋放時間短,破壞性大感.應雷過電壓?雷云攜帶大量的電荷,將產生靜電場.靜電感應,將在架空線相應的位置上積累大量的異性束縛電荷,圖(a)線路上感應束縛電荷;(b)雷云放電后的感應沖擊＞當雷云在架空線附近對地放電量特別是主放電階段放電電流大放電速度快,在放電通道周圍產生很強空間變化磁場,使導線上產生很高的感應電壓主放電階段結束,線路上的束縛電荷釋放而形成自由電荷,以電磁波的速度向導線兩邊流動,形成雷電流,從而在線路上感應沖擊波,使所到之處電壓升高,即為感應過電壓;＞感應過電壓幅值一般小于 個別可達 通常用避雷器保護3雷.電沖擊波的基本特性?雷電流是一種沖擊波,其大小由雷電流的幅值和波頭的陡度來確定一般幅值和最大陡度都出現在波頭部分,故防雷設計只考慮波頭部分;?波頭雷電流由零增長至最大幅值的這一部分通常只有 ~波尾電流幅值下降的部分長達數十微秒這種波的形狀稱為半余A雷電流數學表達式i=―m（1-cos，t）2＞雷電流陡度…在波頭部分電流對時間的變化率且diI.… =—=—m,sm,tmaxdt2■陡度的數值,開始時很快增加,最大值對半余波來說在1/處2,以后逐漸減小當雷電流的幅值達到最大時…二0■為了簡化計算,在工程設計中也可取用斜角波頭（虛線部分）計雷.電沖擊波沿導線的傳播（1）行波的概念

?雷電行波:當輸電線路受到雷擊時,輸電線上有雷電沖擊波沿導線兩側流動,稱為行波;?無損線路:雷電沖擊波沿導線傳播時,其傳播速度受線路參數的影響,起主要作用的是線路電感和對地電容,而線路電阻和對地電導很小,忽略不計.稱為無損線路;?均勻無損線路當輸電線路單位長度上電感L電容C都相等時稱00為均勻無損線路.圖9.4.C可按下式計算0丁 €€l4hL，—0_rln ?o 2兀 D2兀88Co，-4hlnavD€0€0真空的磁導率€，4?！璱o?7（Hm）真空的介質系數度80,加F/m）€介質的相對磁導率對空氣和電纜€-1rr8介質的相對介質系數對空氣8，1對電纜8沁4r r rh為導線的平均高度av為導線的直徑＞等效回路中長度為dx的線路電感為Ldx電容為Cdx如果從左側oo加電壓沖擊波一左側的第個電容立即充電第個電容及后面

的電容受到各個電感的影響,電壓并不能立即升高,有一定的延時.電容距離起始點越遠,沖擊波到達的時間越晚,這樣沖擊波就在線路上以一定速度傳播開,從而形成了行波;＞假設在 時把斜角波雷電流i€at加在無限長導線的左端 點則在任一時間 電流沿導線的分布如圖■點電位為零從到的電感為Lx€Lvt其上的電壓降就是00點電位u即Adiu=Lvt一=LvtaA0dt0■同時點的電位與點dx段對地電容Cdx上儲藏的電荷量有關0設單位長度導線上的電荷為q則在處dx段上的電荷為qdx根據電壓、電容量和電荷量之間的一般關系,得qdxqCdxC00qdxi= =qdxi= =qv=atdtat

~Cv0代9入.上7式）與式（（99.比.5較8）Lvta€0at~Cv01V二■ “Cv00

v-沖擊波傳播速度,也就是波頭在單位時間內推進的距離;■將式（9.和3式）（9.代4入）式（9.并9將）架,空線的參數代入,得1v，. u3?108（m/s），c（光速艸0?架空線的電流波和電壓波沿架空線傳播的速度和光速相同■將電纜線路的有關參數代入,得vu1.5?108（m/s） （9.11）■電纜中行波速度只是架空線的 因為電纜介質系數大、電容存大、充電時間長■將V，■將V，^=和i，at代入式得5u，Lvta，LA?Z稱為導線的波阻抗架空線Zu400…電纜的Z約為架空線的000■波阻抗反映了沿導線傳播的電壓沖擊波和電流沖擊波之間的動態關系,它只決定于線路的分布參數,而與導線的長度及終端負荷性質無關波）的折射與反射?行波在行進過程中,遇到線路波阻抗改變,如由架空線進入電纜、電抗器、變壓器、線路開關、短路、經接地裝置入地等情況,地結點處都會使行波的電場和磁場能量重新分配,其中沿線路繼續前進的一部分稱為入射波,向波源方向返回的部分,稱為反射波.?將Ua,互,Z整理得iVC0丫0u2 L，―0-i2 C01u2C€2A0＞式 左邊單位長度線路中電場儲的能量右邊是單位長度線路中磁場儲的能量,即沖擊波沿無損導線傳播時,沿導線單位長空間儲存的磁能恰好等于單位長空間中儲存的電能.＞沖擊波在沿導線傳播過程中遇到結點波阻抗改變時會發生折射和反射.圖(a) (b)圖不同波阻抗時導線行波的變化行波 行波的折射和反射＞假設沖擊波沿導線由左向右傳播為正方向則沿波阻抗為Z的導線正方向1傳播的沖擊波稱為前行波u遇到結點后繼續沿波阻抗為Z的導線正f2方向傳播的沖擊波稱為折射波u而沿波阻抗為Z的導線反方向傳播的沖rr1擊波稱為反射波url＞根據分界能量守恒的原則結點處在任何瞬間只能有一個電壓值和電流值即u€u+urrftli€i+irrfrlu€iZff1u€，iZrlf1聯立求解,得2u€u+iZfrrrr1■式（9.1可5用）1個集中參數的等效線路代表,稱為等效集中參數定理.其內容為

當流動波流過導線時,為計算結點電壓和結點電流,可以用集中參數電路代替,電路中電源電動勢取前行波電壓的兩倍2u行波所流過通道的波阻抗Z為電源的內阻f1■由圖可知2Zu—u2 —u€rrfZ+Zf12€為射系數因為u因為u=u,urrfrl所以u—u—u—u€—u—u (a—1?—u2i—urlrrffff fZ+Z21…-反射系數aauaai=護=2urrZfZ+ZZ-Z-Z1fZ+ZZ11ai

ai

rl———a——a?一2Z1?下面討論幾種特殊條件A當z二A當z二z時折射系數€=112反射系數…=0即經過點行波仍然按原來幅值前行.這說明點前后是同一條導線A當Z-相當于導線在點開路此時折射系數€-2u-u同2 rlf時i€0/€-Uf形成電壓波全反射使點電壓增大到行波電rrrlZ1壓的倍而電流波形成負的全反射使點電流為零圖＞當Z€0時相當于導線在點接地此時?€0卩€_1即2U€0i€Z€i電流波形成正的全反射使折射電流i增加rr rlZf rr1到行波i的倍即2i 電壓波形成負的全反射使點電壓為ff零.圖圖9€0時行波的折射25輸.電線的防雷措施（1架）設避雷線?架設避雷線是 及以上電壓等級線路的基本防雷措施主要作用是減少雷直擊導線?架設避雷線,當雷擊塔頂時,避雷線上的分流降低了塔頂電位,通過對導線的耦合作用,進一步降低了絕緣子串上承受的電壓?避雷線對導線的屏蔽效應降低了導線感應過電壓;?為了降低正常運行時避雷線中感應電流的功率損耗和利用避雷線兼作高頻通道,常將避雷線通過一小間隙接地,這樣,只有在雷擊過電壓使間隙絕緣擊穿時才使避雷線接地;（2降）低桿塔接地電阻?通常是提高桿塔耐雷水平;?在電阻率p<3000.mm/的土壤中桿塔接地電阻容易降低投資不多?要高土壤電阻率的地區,采用多根放射形或連續升長接地體和采用有效的降阻劑等措施來降低接地電阻?線路桿塔的工頻接地電阻表表9.1線路桿塔的工頻接地電阻土壤電阻率0，mm2//m〉接地電阻0增）設耦合接地?高阻地區在降低接地電阻有困難的線段,可以在導線之下再增設一條耦合地線（它具有分流、對導線的耦合、降低導線上的感應過電壓作用）（4采）用消弧線圈接地方式?對處于雷電活動強烈而接地電阻又不易降低的山區110~15電網,如有可能盡量采用消弧線圈接地的運行方式（這樣,可使雷擊引起的單相閃絡由于消弧線圈的作用而大部分被消除,可使雷擊跳閘率降低1/3提高絕緣水平?大跨越高桿塔線段的雷擊過電壓高于一般線段.為降低跳閘率,要加大跨越擋距和導線與避雷線的間距,增強絕緣子串的片數;（6裝）設自動重合閘?線路絕緣的自恢復性,能使它在雷擊造成線路跳閘后能很快自行消除故障,因此安裝自動重合閘裝置,對迅速恢復線路供電有良好效果.9.1.變2電站防雷?變電站雷害來源:A雷直擊變電站的導線和電氣設備時產生的直擊雷過電壓＞變電站避雷針線遭受雷擊時產生的感應過電壓和反擊過電壓＞沿導線傳來入侵雷電波1對.直擊雷的防護?變電站對直擊雷的防護是裝設避雷針（線）,將進線桿塔和室外電氣設備全部置于避雷針（線）的保護范圍內;?避雷針的作用是引雷｛當雷電先導發展到一定高度（定向）時,避雷針影響雷電先導的發展方向,將其引導到避雷針（線）上,使雷電擊向避雷針（線）,將雷電流瀉入大地｝;?避雷針的保護范圍,以其能防護直擊雷的空間來表示,采用“滾球法”來確定;?滾球法選擇一個半徑為h的滾球沿需要防護直擊雷的部分滾動r如果球體只觸及接閃器或接閃器和地面,而不觸及需要保護的部位時,則該部位就在這個接閃器的保護范圍之內;?建筑物防雷類別＞第一類建筑物的防雷■凡存放爆炸性物品,或在正常情況下能形成爆炸性混合物,因火花而爆炸的建筑物,會造成巨大破壞和人身傷亡的稱為第一類建筑物;■第一類建筑物就裝設獨立避雷針（或消雷器）,防止直擊雷;■接地的沖擊電阻應小于10€＞第二類建筑物的防雷■重要的或人員密集的大型建筑物為第二類建筑物;■防雷措施與第一類建筑物相同,可采用裝設避雷針和避雷帶兩種混合方式防直擊雷;＞第三類建筑物的防雷■凡不屬于第一、二類建筑物,又需要作防雷保護的建筑物稱第三類建筑物;■應有防直擊雷、感應雷、防雷電波入侵的措施,在技術上沒前兩類要求高.?避雷針＞接閃器用來接受直接雷擊的金屬物體＞避雷針接閃器的金屬桿＞避雷針的作用保護露天變配電設備及建筑物＞接閃器的金屬線稱為避雷線或架空地線主要用于保護輸電線路接閃器的金屬帶、金屬網稱為避雷帶、避雷網,主要用于保護建筑物.它們都是利用其高出被保護物的凸出地位,把雷電引向自身,然后通過引下線和接地裝置把雷電流泄放到大地,使被保護的線路、設備、建筑物免受雷擊.?滾球半徑是按建筑物防雷類別確定.表9.2

表9.2各類防雷建筑物的滾球半徑和避雷網尺寸建筑物防雷類別滾球半徑hr避雷網格尺寸第一類防雷建筑物Wm 或w m第一類防雷建筑物Wx 或Wx第二類防雷建筑物Wx或Wx單)只避雷針的保護范圍?避雷針高度為h時距地面h處作一平行于地面的平行線r以避雷針的針尖為圓心h為半徑作弧線交平行于、兩點r以、為圓心h為半徑作弧線該弧線與針尖相交并與地面相r切.由此弧線起到地面為止的整個錐形空間,就是單支避雷針的保護范圍＞避雷針在被保護物高度h的xx€平面上的保護半徑rrxr=.:h(2h?h,?：h(2h?h,x r x rx避雷針在地面上的保護半徑r0=rh（2h-h）h-滾球半徑，由表9.確2定圓的方程:（x—a）2+（y—b）2?r2圓心O（a,b）半徑r證明r?：h（2h，h），:h（2h，h）x科 r 科x rx（x-a1+（y-h匕?h2 ①rr將C(0,h)點避雷針尖的坐標代入①式得（_a匕+（h一h匕?h2rra2?h2，（h一h）2?h（2h一h） ②r r r將A(r,h)點坐標代入①式得xx（r一a）z+（h一h匕?h2x xrr（r-a匕?h2，（h-h匕x rxr（r-a）z?h（2h-h）TOC\o"1-5"\h\zx xrx（r，a）?±：h（2h-h） ③x x rx將式②代入式③得r?..'h（2h，h），h（2h-h）證畢x r x rx?當避雷針高度h>h滾球半徑在避雷針上取高度h滾球半徑的rr一點代替避雷針的針尖作為圓心余下的作法與避雷針高度h<h時

相同式r='h（2h-h）-：h（2h-h）與式r，:h（2h-h中的h用h代x r x rx 0 r r入避雷針高度再增加保護范圍也不會擴大?避雷針的保護范圍計算參見【例】某廠鍋爐房煙囟高 煙囪上安裝一支 的避雷針鍋爐房屬第三類防雷建筑物尺寸如圖 試問此避雷針能否保護鍋爐房解:?查表第三類防雷建筑物滾球半徑取h，60m避雷針頂端的高度rh，40?2，42m鍋爐房高度被保護物h，8mx?避雷針保護半徑=27.3mr='h（2h-h）-'h（2h-h）=：‘42x（2x60-32）- x（2x60-8=27.3mx r x rx?鍋爐房頂在h，8m高度上最遠一角距離避雷針的水平距離rx通過r二J（12-0.5+10巾+102二23.7m<r通過兩）支避雷針保護范圍兩支等咼避雷針的保護范圍圖

?在避雷針高度h€h的情況下兩支避雷針之間的距離rD>2jh（2h-h）時應按單支避雷針保護范圍計算D…2jh（2h”-h,時按圖 的方法確定? 外側的保護范圍按照單只避雷針的方法確定即r=xr=0?兩支避雷針之間、兩點位于兩針的垂直平分線上在地面每側的最小保護寬度為:?在軸線上距中心線任一距離處在保護范圍上邊線上的保護高度hx(0'A)2=(h—h,2r(h-h1=(OF1-x2h?h?h…xr(h-h)2+■該保護范圍上邊線是以中心線距地面h的一點0＜為圓心以及r為半徑所作的圓弧AB兩針間 內的保護范圍? 部分的保護范圍確定方法相同?以為例在任一保護高度h和點所處的垂直平面上以h作為xr假相的避雷針按單只避雷針的方法逐點確定圖的剖面r?:h(2h-h)-：h(2h-h)x r x rxr?Qh(2h-h)確定立面xx，平面上的保護范圍?以單支避雷針的保護半徑r為半徑以、為圓心作弧線與四邊形x相交?以單支避雷針的(r-r)為半徑以 為圓心作弧線與上述弧線相0x接圖中虛線兩)支不等高避雷針的保護范圍計算

?在hh分別小于或等于h的情況下當D>；h(2h-h)+、:h (2h -h)1 2 r 1 r1 ' 2 r2時,避雷針的保護范圍計算,按單支規定的方法計算;?當D<^h(2h-h)^,-h(2h-h)時計算方法>AEBC外側的保護范圍按照單支避雷針的方法確定>CE線或HO'線的位置計算（h-h匕-（h-h匕+D2D= r 2 r1 TOC\o"1-5"\h\zi 2D證明:h（2h—h））-（D一D）22 r2 1D2二h（2h—h））-（D一D）22 r2 1D2=h（2h-h）-h（2h-h）?（D-D）21 1r1 2r2 1D2=2hh一h2一2hh?h2?D2一2DD?D21r1 1r2 2 1 12DD=-Vh2-2hh?h2丿+h2-2hh?h2?D21 rr1 1rr2 2證畢（h-h匕-（h-h1+D2證畢D=—2 r1 i 2D＞在地面上每側最小保護范圍b0b，CO，EO，':h（2h-h）-D20 1 r11＞在軸線上、間保護范圍上邊線h，h-、:（h-h）2?D2-x2xr r1 1x距CE線或HO…線的距離＞該保護范圍上邊線是以HO…線上距地面h的一點為圓心以rv'（h-h）2?D2為半徑所作的圓弧AB＞兩針間 內的保護范圍 與對稱與對稱部分的保護范圍按以下方法確定:■在h和 點所處的垂直平面上以h作為假相的避雷針按單支xx避雷針的方法確定;■確定 部分的保護范圍的方法與 部分相同＞確定xf平面上保護范圍截面的方法與雙支等高避雷針相同（4四）支等高避雷針的保護范圍?當矩形布置的4支等高避雷針:A咼度h＜hD＞2、jh（2h-h）時其保護范圍應按雙支等高避雷針的方法確定;＞高度h＜hD＜2Jh（2h-h）時按圖保護范圍確定

■4支避雷針的外側,各按兩支避雷針的方法確定■ 避雷針連線上的保護范圍 剖面外側部分按單支避雷針的方法確定?兩針間的保護范圍按以下方法確定以 兩避雷針針尖為圓心h為半徑作弧線交于點以點為圓心h為半徑作圓弧rr與針尖相連的這段圓弧,即為針間保護范圍.保護范圍最低點的高度h0■ 剖面圖的保護范圍

■以點垂直線上距地面高度為(h+h)的點為圓心h為半徑r0 r作圓弧與、和、兩支避雷針所作出在剖面圖的外側保護范圍延長圓弧相交于、點點點與此類同的位置及高度(h一h)2?h2一(b€x)2rxr0(h€h-h)2?h2一r0xr剖3面保護范圍的方法步步驟同2-剖2面■確定 支等高避雷針中間在h至h之間于h高度的yy＜平面上保0y護范圍截面的方法■以點為圓心,2hS—h丿―?—h》為半徑作圓或圓弧與各雙ry0 y0支避雷針外側所作的保護范圍截面組成該保護范圍.圖中虛線.證明 』2h(—h)—0—h丄ry0 y0圓的方程(x—a)2+(y-b)2?r2參見圖剖面取圓心坐標點(0,h€h)得方程r0x2+[y—h—h1?h2將yy＜線與弧FH的交點(x,h)代入得TOC\o"1-5"\h\zr0r y2?h2

rh2—2h(h—2?h2

rh2—2h(h—h,€(h—h)rry0y0‘x2?h2—「—h+(h—h)‘2?h2—r「r y0二 r_?2h(h—h)-(h—h)ry0 y0x?J2h(-h丿一S-h丄證畢ry0 y0?對于比較大的保護范圍,采用單支避雷針,由于保護范圍并不隨避雷針的高度成正比例增大,所以大大增大避雷針的高度,導致安裝困難,投資大,在這種情況下采用雙支避雷針或多支避雷針.(5避)雷線保護范圍①單根避雷線保護范圍(ah)€h€2h;(bh€)hrrr?當避雷線的高度h＞2h時無保護范圍r?當避雷線的高度h€2h時保護范圍按圖確定r＞確定架空避雷線的高度時應計及弧垂的影響在無法確定弧垂的情況下當等高支柱間的距離小于 時架空避雷線中點的弧垂宜米用 距離為 時宜米用＞距地面h處作一平行于地面的平行線r＞以避雷線為圓心h為半徑作弧線交于平行線的、兩點r＞以為圓心h為半徑作弧線該兩弧線相交或相切并與地面r相切從該弧線起到地面止就是保護范圍＞當h小于2h且大于h時保護范圍最高點的高度h為rr0h，2h一h0r證明h，2h-h參見圖0r設圓心為(a,h…則圓的方程r(x-a…2+(y-h…2，h2①rr

將坐標點(o,h)代入①求的為0a2,(h-h)2?h2orra2?2hh-h2……②oro直角三角形:(h-h)2,a2?h2③rr將式②代入式③得h2-2hh,h2,2hh-h2?h2整理得rrororh2-2hh,(2hh—h2)?0 ④oror式④的根??h…(h-h)取rrh?h+(h,h)=2h—h證畢0rrr>避雷線在h高度的xf平面上的保護寬度bxxb= ■'h（2h-h）-：'h（2h-h）x r x rxh避雷線的高度h-滾球半徑,按表9.確2定rh被保護物的高度x>避雷線兩端的保護范圍按單支避雷針的方法確定②兩根等高避雷線的保護范圍?在避雷線高度h<hD>2Jh（2h-h）時各按單根避雷線所規定的方r r法確定;?在避雷線高度h<hD<2Jh（2h-h）時按下列方法確定圖r r

＞兩根避雷線的外側各按單根避雷線的方法確定＞兩根避雷線之間的保護范圍按以下方法確定■以 兩避雷線為圓心h為半徑作圓弧交于點以點為圓心rh為半徑作圓弧交于點r■兩避雷線之間保護范圍最低點的高度h為0■避雷線兩端的保護范圍按雙支避雷針的方法確定但在中線上h0線的內移位置按以下方法確定（參見1-剖1面）.以雙支避雷針所確定的保護范圍中點最低點的高度（h-h＜2+[DY作為假想避雷\r I2丿針將其保護范圍的延長弧線與h線交于點內移位置的距離X0也可按下式計算避雷線之間的距離b0=J2（2h?h<-（彳J避雷線之間的距離?在避雷線高度h<h<2h

＞距地面h處作一與地面平行的線r＞以避雷線 為圓心h為半徑作弧線相交于點并與平行線r相交于點＞以點為圓心h為半徑作弧線交于并與地面相切r并與地面相切＞以為圓心h為半徑作弧線交于r＞兩避雷線之間保護范圍最低點的高度h0＞最小保護范圍寬度bm +Db=.：h€2h—h)< -hm r 2r＞避雷線兩端的保護范圍按雙支高度h的避雷針確定但在中線r上線h的內移位置按圖 剖面確定以雙支高度h的避雷針所0r確定的中點保護范圍最低點的高度hf=h-D作為假想避雷針0r2將其保護范圍的延長線與h線交于點內移位置的距離x也可0按下式計算

x?Jh（2h-h）…j'h2-6滾）球法各圖書中所畫的地面也可以是位于建筑物上的金屬物、其他接閃器.當接閃器在“地面上保護范圍的截面”的外周線觸及接地金屬物、其他接閃器時,各圖的保護范圍均適用這些接閃器.單）獨的避雷針受到雷擊時,在接閃器、引下線、接地體上都產生很高的電位,如果避雷針與附近設施的距離不夠,二者之間便會放電產生反擊過電壓.>反擊過電壓在雷擊時避雷針向被保護物產生放電現象>為防止避雷針產生反擊過電壓要求避雷針與被保護物之間有一定的距離.圖■圖中點電壓?iR+Lh色sh0dtR獨立避雷針的沖擊接地電阻QshR?<RR 接地電阻<接地體的沖擊系數shshEE shLL-避雷針單位長度上的電感0h避雷針從點到地面的高度■如果通過避雷針的雷電流為斜角波頭其電流幅值為 波頭長度為P6取避雷針單位長度上的電感為.3卩?-：代入上式得u?150R+1.3hx150?150R+75hA sh 2.6 sh■由于電位的電感的電壓降只存在于斜角波的€6內其時間短所以取空氣平均擊穿電壓為 接地電阻上的電壓降卻存在于雷電波的整個整個持續時間約幾十微秒所以取空氣平均擊穿電壓為 可求出不產生避雷針向被保護物反擊的空間距離s>150R,.21h=0.3R,0.1hk500sh750 sh■規程規定s不小于k>雷擊避雷針還產生感應過電壓圖圖9.19感應過電壓原理■當雷電流擊中避雷針時,在避雷針周圍產生強大突變的電磁場,處在這一電磁場中的金屬導體如金屬管路會感應出電動勢從而使間隙產生火化放電;■即使未形成間隙,如果接觸不良,也會產生局部發熱,這對存放易燃、易爆物的建筑物是比較危險的.■解決辦法:將互相靠近的金屬物體很好地連接起來.如果條件允許可適當增大sk.對入侵雷電波的防護?變電所的主變壓器,防護入侵波的主要裝置是避雷器;?避雷器的選擇,必須使其伏安特性的上限低于變壓器伏安特性的下限,并且避雷器的殘壓必須小于變壓器絕緣耐壓所能允許的程度.但是它們的數值都必須小于沖擊波的幅值,以保證入侵波能夠受到避雷器放電的限制;?避雷器盡量安裝在電氣上靠近主變壓器的地方(因為距離越遠,變壓器

上過電壓幅值就越大,所以規定了變壓器與避雷器之間的最大允許距離);?設避雷器與變壓器之間的安裝距離為l圖 有陡度為a?的行波流向避雷器其值為u=at波速為v假定波頭到達避雷器點時為起始時間 則行波由避雷器傳到變壓器的時間為…(t=-)v

圖避雷器與主變壓器的安裝距離當t<2t時點的電壓隨行波的到來以的陡度上升避雷器上的電壓幅值為u，atb>當t，€時行波波頭到達變壓器點處由于該點處近似開路行波在變壓器入口處產生全反射使 點處電壓為前行波與反射波的疊加作用于變壓器上的電壓是行波電壓的倍即u，2at陡度為2aT>當t>2€時反射波到達點與原來的波疊加使避雷器上的電壓u=at+a?t—2r)=2a?t—t…陡度為2ab>設>設t，t時避雷器上的電壓達到放電電壓0開始放電于是限制了u的繼續上A升u基本變為平直線避雷器放電的效果經時間€才能達到 點這時變壓A器處的電壓仍以2a陡度上升幅值為u，2a?t+t)變壓器比避雷器處的電T0壓高出Au即Au，u—u，2a?t+t)—2at，2a€，2aLTb00v■由式可知變壓器承受的電壓與避雷器和變壓器之間的距離成正比變壓器與避雷器之間的最大保護距離為Aul，—v2a■變壓器與避雷器的保護距離隨行波陡度的減小而增大;■變電站出線回路多或線路沒有避雷線都將使降低使保護距離增大3對.進線段的防護?對于全線無避雷線的 變電所進線當雷擊于附近架空線時沖擊波的陡度會超過變電所電氣設備絕緣所允許的程度流過避雷器的電流也會超過這是不允許的? 變電所靠近變電所 進線段上裝設避雷線圖圖 全線無避雷線的進線段防雷保護接線＞只有保護段外發生雷擊時才會有入侵波＞由于進線段本身阻抗的作用流過避雷器電流幅值將得到限制而沿導線的行波陡度也將由于沖擊電暈作用而降低＞避雷線長為 行波在線段中往返一次需要 1S此時雷電波已經過避雷器故不考慮反射波的作用＞管式避雷器F2對一般線路無需裝設管式避雷器F但是當線路的耐沖擊絕緣水平特別高2（如木桿線路,鋼筋混凝土桿,木橫擔,降壓運行的線路）,致使變電所中閥型避雷器通過雷電流可能達時需要裝設管型避雷器F并使F處的接地電阻盡22量降低到Q以下＞管式避雷器F3■斷路器或隔離開關在雷季可能經常斷開而線路側又帶有電壓時,為避免雷電波在開路末端產生反射過電壓應裝設管式避雷器F因為當行波在開路3處上升為行波幅值的2倍時,將使開關電器的絕緣支座對地放電,在線路帶電的情況下引起工頻短路燒壞支座故應裝設管式避雷器F3F外間隙整定應滿足既能在開關斷開時能夠可靠工作以保護高壓電氣3設備又能在開關合上時不誤動作＞閥型避雷器F1■避免變壓器的分布電容與線路的電感經放電后的F形成振蕩回路危及3變壓器的絕緣;F距離變壓器和電壓互感器的最大電氣距離不宜大于10波.19.內2部過電壓及其保護?內部過電壓:由于電力系統內部狀態變化而產生的過電壓.?內部過電壓分類:由操作開關引起的操作過電壓;由接地間歇性電弧產生的弧光接在過電壓;由系統中電感、電容構成振蕩回路而出現的諧振過電壓;?操作:斷路器的正常合閘/分閘,事故時斷路器跳閘;操作的結果是,該處的阻抗參數在某時刻發生突變;?電力系統中的操作過,使電網的運行狀態突然變化,導致系統內部電感和電容之間的電磁能量相互轉換,造成振蕩,因而在某些設備或局部電網上出現過電壓;?常見的操作過電壓:切斷小電感電流負載,開斷電容性負載,接通空載長線路;切斷小電感性負載產生的過電壓?切斷小電感性負載:如切除空載變壓器、電動機等;?斷路器滅弧能力一般是按照切斷大電流設計的,其滅弧能力強;在切斷小電感性負載時,使電流在未過零前強制熄弧而造成截流,設備的電感和電容中儲存的能量相互轉換而形成電磁振蕩.由于對地雜散電容較小,當全部能量轉換為電場能時,就會產生過電壓;?圖9.2是2切除空載變壓器的等效值電路.C變壓器繞組對地電容L變壓器的激磁電感TT＞在工頻時電容的阻抗比電感的阻抗大的多流過C的電流可略T去不計流過斷路器的電流就是變壓器激磁電流iT＞當斷路器斷開并在t€t時強迫滅弧其截流值為i C上的電壓0T0T

為u截流后變壓器激磁繞組電感L中儲存的磁場能量為TOC\o"1-5"\h\zCT T1Li2C中存儲的電場能量為1Cu2故在變壓器的振蕩回2TT0T 2TCT1振蕩過路中共儲有能量1(cu2+Li2)1振蕩過2TCTTT0 0程中的過電壓為u"丿?-iZsin3t,ucos3tT0T0CT 0Z 為變壓器阻抗Z?T TCYT■得過電壓的復值U?\：，(iZ)2+u2max T0T CT■若斷路器在激磁電流最大時產生截流此時i?i電容上電壓T0 Tmu ?0,最大過電壓為CTU?IZ (9.44)maxTmT■從能量關系上也可看出在振蕩回路中當全部磁場能轉換為電能時電容電壓達到最大值U為max1?1?1(c斷.開電容性負載產生的過電壓?電容性負載:電容器、電纜、空載長線路等;?斷路器斷開電容性設備的過程中,若斷口上的恢復電壓上升速度超過其介質強度上升速度,即會造成斷路器開斷時電弧重燃.此時,若斷口兩端電壓極性相反加之電源繼續供給能量,則會使振蕩充分發展,產生過電壓;?合閘空載長線路時,由于線路的殘余電壓與電源電壓極性相反,會導致振蕩過程的加劇.同時,空載長線路的電容效應使合閘空載長線路時產生的過電壓可能達到額定電壓的3倍.?由于電網結構不同,其操作過電壓的幅值也不盡相同.

?在中性點不接地電網中,隨著電網電壓等級的升高,合閘空載長線路產生的過電壓更加突出;?開斷空載長線路的等值電路,圖(a) (b)圖開斷空載長線路的等值電路空載長線路的 型等值電路振蕩回路等值電路線路電感線路對地電容斷路器?當發生電弧重燃時 組成的振蕩回路振蕩頻率比工頻商出很多,在討論振蕩過程中出現過電壓時,電源電壓可視為不變,此時的交流電源可用一直流電動勢替代.如圖?最不利的合閘情況,工頻相電壓為最大值時,電路合閘時的方程di€L+udtc上的充電電流du上的充電電流i€Ccdt=CL=CLd2ucdt2解得解得u€Asin,t+Bcos,t+Uc 0 0m，為振蕩電路角頻率0根據初始條件確定積分常數當t€0時u€Ui€0毗€0對式

C C0 dt5微分0,蕩得dudt€A,cos,t-B,sin,t=0

0000?代入式 得B€U-UC0 m■要使t€0時式 成立必須A€0■振蕩過程中電容上的電壓方程u€（U-U）C C0m0m■當COS①t€-1時電容上的過電壓最高且0u€2U?U （9.53）Cmax m C0?開斷電容性電路時電弧重燃的次數越多產生的過電壓越高f解決辦法:＞滅弧能力強、斷口介質強度恢復電壓高的斷路器如真空斷路器、六氟化硫斷路器等,減少電弧重燃途徑,抑制過電壓產生;＞也可在斷路器斷口設置并聯電阻起阻尼作用防止電弧重燃圖■當斷路器并聯電阻的主斷口先斷開時,線路電容上的殘存電荷經并聯電阻向電源排放排放電流在電阻上的壓降即斷路器主斷口上的恢復電壓只要選擇合適,就可降低主斷口和輔助斷口的恢復電壓,防止電弧重燃.即使發生重燃由于的阻尼作用也可使過電壓幅值降低通常取 Q電弧接地過電壓?電弧接地產生過電壓,出現在中性點不接地的電網;?在中性點不接地系統（小電流接地系統）中,當發生單相接地故障,接地電流大于時電弧難以自行熄滅而這種接地電容電流又不足以形成穩定的電弧出現電弧時燃時滅（間歇性）電弧,使電網中的電感、電容回路產生電磁振蕩,產生遍及全電網的電弧接地過電壓?小電流接地系統中發生單相接地時可允許帶故障運行不超 此段時間內電弧可能多次重燃、熄滅,使線路對地電容上的電荷多次重新分配,并與電感形成振蕩形成過電壓?電弧接地產生過電壓幅值一般為額定電壓的 倍一可能發展成為相間短路?電弧接地產生過電壓原理,圖接線圖 等值振蕩回路 相量圖＞圖中 相在電壓為峰值時接地并產生電弧變壓器和線路電感與對地電容構成串聯振蕩回路＞在產生電弧前的瞬間CC上的電壓為0產生電弧后的瞬間、BC m相對地電壓為0 等值振蕩回路及相量圖圖m＞根據等值回路和式得 相第一次產生電弧時非故障相的過電壓為0，0，20-0，2?(-1.50)-(-0.50)=-2.50BC mC0 m m m高頻振蕩電流在第一次過零時電弧熄滅此時C高頻振蕩電流在第一次過零時電弧熄滅此時CBC上的電荷量均為C(-20.值得總等的電荷量在三相對地電容上衙新分布等并與電源電壓疊加m其結果使各相電容對地有一直流電位;■如果相第一次熄弧后經過工頻半周即相電壓達到0電弧又重燃m重燃前瞬間CC上對地電壓為BC5 3.50.50--0，- 0m3m3m0得等產生高頻振蕩等此時非m0得等產生高頻振蕩等此時非m，—4.170m故障相的過電壓為0，0，20-0 ，2?(-1.50)-BC mC0 m■當接地電弧不斷的熄滅、重燃時在非故障和故障相均可能出現較高的過電壓?電弧接地過電壓的大小與產生電弧時工頻電壓的相位角有關,也與電弧燃燒時間的長短有關.如果電弧在經過幾個高頻振蕩周期后熄滅,則由于線路有損耗,使振蕩衰減,從而降低了過電壓的倍數;?線間電容大小對過電壓也有影響.圖9.26.＞在相對地發弧的瞬間C與C并聯C與C并聯因而造成電容電荷的122313重新分布f故障相電壓的起始值出現一個增量€u一般情況 線路€u=（0.2?0.25）Uf非故障相上電壓的起始值與穩定值的差變小過m電壓降低?消除電弧接地的有效措施是中性占直接接地,當發生單相接地時,產生大的接地電流,使保護裝置動作,切除故障;對不宜采用中性點直接接地的供電系統,可采用經消弧線圈接地,當發生單相接地時,消弧線圈電感電流與線路對地電容電流同時流經故障點,使接地電流減小到不能產生電弧的程度,因而消除電弧過電壓;4.諧振過電壓?電力系統中的電感和電容等儲能元件,可能形成多種不同的諧振回路,并在一定條件下產生不同類型的諧振,出現諧振過電壓;?諧振常屬于穩態性質,持續時間比操作過電壓長,可以穩定的存在,直到進行新的操作破壞了原回路的諧振條件為止.這種過電壓的嚴重性在于其幅值的大小和持續時間的長短,它不僅危害設備的絕緣,而且產生大的零序電壓分量,出現虛假接地現象和不正確的接地指示,在電壓互感器產生持續的過電流,引起熔斷器燒壞或互感器燒壞,并能使小的異步電動機反轉.9.變3電所的保護接地9.3.變1電站保護接地的作用1.保護接地的作用?保護接地作用:保障系統安全、可靠運行,保障人身及設備的安全;?變電站接地:防雷接地、工作接地、保護接地;＞防雷接地將強大的雷電流引入大地消除過電壓對設備的危害＞工作接地為了滿足系統運行方式的需要保證電力或電子設備

在正?；蚴鹿是闆r下能可靠工作而設的接地;＞保護接地防止設備因絕緣損壞造成不該帶電的部分帶電從而危及人身安全而設的接地＞幾種接地形式圖C

liA'消弧線圈(b)(c)(b)-C一BPEN設備(d) (e)圖 變電站的幾種接地形式工作接地 保護接地共同接地重復接地?保護接地的作用.圖圖 保護接地的作用無保護接地有保護接地＞圖運行中的設備一相絕緣擊穿外殼帶電設備底座與大地的接觸電阻較大f人觸及設備外殼f接地電流通過人體、電網與