高电压技术课程设计

班级：电气化铁路1132班姓名：XXX

学号：XXXXXXXX

指导老师：赵永君

摘要

综合应用高电压技术，电力系统过电压，接地系统等知识，采用理论和实践相结合的方法，研究电力系统各种过电压和防护措施，研究接地装置的测量方法和降阻方式，设计电力系统的接地装置等。

前言

电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。研究各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。

在供电系统运行中接地装置起着至关重要的作用。它不仅是电力系统的重要组成部分，而且还是人身安全及保护用电器的主要措施。在日益发生的自然雷害面前我们特别论述防雷的危害性、重要性、必要性。

一、电力系统过电压

电力系统过电压在电力系统中，由于雷电、电磁能量的转换会使系统电压产生瞬间升高，其值可能大大超过电气设备的最高工频运行电压，这就是过电压。

过电压主要分为：外部过电压（大气过电压或雷电过电压）和内部过电压两种类型。内部过电压又分为：工频过电压、操作过电压、谐振过电压类型。

1.外部过电压（大气过电压或雷电过电压）

由直击雷或雷电感应突然加到电力系统中，使电气设备所承受的电压远远超过其额定值。大气过电压可以分为直击雷过电压和感应雷过电压。电力系统遭受大气过电压后，可使输配电线路及电气设备的绝缘发生击穿或闪络，造成停电以致危害人的生命安全。特点是持续时间短暂,冲击性强,与雷击活动强度有直接关系,与设备电压等级无关。防止大气过电压，通常采取装设避雷针、避雷线、避雷器，合理提高线路绝缘水平，采用自动重合闸装置等措施。

2.工频过电压

系统中在操作或接地故障时发生的频率等于工频(50 Hz)或接近工频的高于系统最高工作电压的过电压。产生工频过电压的主要原因是：空载长线路的电容效应，不对称接地引起的正序、负序和零序电压分量作用，系统突然甩负荷使发电机加速旋转等。特点是持续时间长,过电压倍数不高,一般对设备绝缘危险性不大,但在超高压、远距离输电确定绝缘水平时起重要作用。

限制工频过电压应针对具体情况采取专门的措施常用的方法有：采用并联电抗器补偿空载长线的电容效应，选择合理的系统中性点运行方式，对发电机进行快速电压调整控制等等。

3.操作过电压

由于操作(如断路器的合闸和分闸)、故障或其他原因，使系统参数突然变化，系统由一种状态转换为另一种状态，在此过渡过程中系统本身的电磁能振荡而产生的过电压。操作过电压特点是具有随机性，但最不利情况下过电压倍数较高。

操作过电压原因及避免措施

（1）电网的操作过电压一般由下列原因引起

A.线路合闸和重合闸；

B.空载变压器和并联电抗器分闸；

C.线路非对称故障分闸和振荡解列；

D.空载线路分闸。线路合闸和重合闸过电压对电网设备绝缘配合有重要影响，应采用有合闸电阻的断路器对该过电压加以限制。避雷器可作为变电所电气设备操作过电压的后备保护装置，该避雷器同时是变电所的雷电过电压的保护装置。设计时对A、C 类过电压，应结合电网条件加以预测。

（2）线路合闸和重合闸操作过电压

空载线路合闸时，由于线路电感电容的振荡将产生合闸过电压。线路重合时，由于电源电势较高以及线路上残余电荷的存在，加剧了这一电磁振荡过程，使过电压进一步提高。因此断路器应安装合闸电阻，以有效地降低合闸及重合闸过电

压。应按电网预测条件，求出空载线路合闸、单相重合闸和成功、非成功的三相重合闸(如运行中使用时)的过电压分布，求出包括线路受端的相对地及相间统计操作过电压。预测这类操作过电压的条件如下：A.空载线路合闸，线路断路器合闸前，电源母线电压为电网最高电压；B.成功的三相重合闸前，线路受端曾发生单相接地故障，非成功的三相重合闸时，线路受端有单相接地故障。空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸(如运行中使用时)，在线路受端产生的相对地统计操作过电压大小。

（3）分断空载变压器和并联电抗器的操作过电压

由于断路器分断这些设备的感性电流时强制熄弧所产生的操作过电压，应根据断路器结构、回路参数、变压器(并联电抗器)的接线和特性等因素确定。该操作过电压一般可用安装在断路器与变压器(并联电抗器)之间的避雷器予以限制。对变压器，避雷器可安装在低压侧或高压侧，但如高低压电网中性点接地方式不同时，低压侧宜采用磁吹阀型避雷器。当避雷器可能频繁动作时，宜采用有高值分闸电阻的断路器。

（4）线路非对称故障分闸和振荡解列操作过电压

电网送受端联系薄弱，如线路非对称故障导致分闸，或在电网振荡状态下解列，将产生线路非对称故障分闸或振荡解列过电压。预测线路非对称故障分闸过电压，可选择线路受端存在单相接地故障的条件，分闸时线路送受端电势功角差应按实际情况选取。有分闸电阻的断路器，可降低线路非对称故障分闸及振荡解列过电压。当不具备这一条件时，应采用安装于线路上的避雷器加以限制。

限制操作过电压的措施有：选用灭弧能力强的高压开关；提高开关动作的同期性；开关断口加装并联电阻；采用性能良好的避雷器，如氧化锌避雷器；使电网的中性点直接接地运行。

4.谐振过电压

电力系统中一些电感、电容元件在系统进行操作或发生故障时可形成各种振荡回路,在一定的能源作用下,会产生串联谐振现象,导致系统某些元件出现严重的过电压。

谐振过电压分为以下几种:

(1) 线性谐振过电压。谐振回路由不带铁芯的电感元件(如输电线路的电感,变压器的漏感)或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件(如消弧线圈)和系统中的电容元件所组成。

(2) 铁磁谐振过电压。谐振回路由带铁芯的电感元件(如空载变压器、电压互感器)和系统的电容元件组成。因铁芯电感元件的饱和现象,使回路的电感参数是非线性的,这种含有非线性电感元件的回路在满足一定的谐振条件时,会产生铁磁谐振。

(3) 参数谐振过电压。由电感参数作周期性变化的电感元件和系统电容元件(如空载线路)组成回路,当参数配合时,通过电感的周期性变化,不断向谐振系统输送能量,造成参数谐振过电压。

限制谐振过电压的主要措施有:

(1) 提高开关动作的同期性由于许多谐振过电压是在非全相运行条件下引起的,因此提高开关动作的同期性,防止非全相运行,可以有效防止谐振过电压的发生。

(2)在并联高压电抗器中性点加装小电抗，用这个措施可以阻断非全相运行时工频电压传递及串联谐振。

(3)破坏发电机产生自励磁的条件,防止参数谐振过电压。

二、电力系统接地装置

埋入地下与土壤有良好接触的金属导体称为接地体，连接接地体和电气装置接地部分的导线称为接地线。接地装置是接地体和接地线的总称。在供电系统运行中接地装置起着至关重要的作用。它不仅是电力系统的重要组成部分，而且还是人身安全及保护用电器的主要措施。在日益发生的自然雷害面前我们特别论述防雷的危害性、重要性、必要性。

1、接地分类及作用

（1）工作接地

在正常或异常情况下，为了保证正常且可靠地运行，必须将供电系统中的某点与地做可靠的金属连接，称为工作接地。如变压器的中性点与接地装置的可靠金属连接等。

其作用：①降低人体的接触电压，在中性点对地绝缘的系统中，当一相接地，而人体又触及另一相时，人体将受到线电压，但对中性点接地系统，人体受到的为相电压。②迅速切断故障设备。在中性点绝缘的系统中，一相接地时，接地电流仅为电容电流和泄漏电流，数值很小，不足以使保护装置动作以切断故障设备。在中性点接地系统中，发生碰地时将引起单相接地短路，能使保护装置迅速动作以切断故障。③减轻高压窜人低压的危险。

（2）保护接地

在正常工作状态下，各种电器的外壳是不带电的。但由于某些原因，造成设备绝缘损坏后可能使外壳带电，人或动物一旦接触到这种外壳带电的设备就有触电的危险。为了防止这种现象出现时危及人身安全，将电器设备正常时不带电的金属外壳、配电装置的金属部分同大地做良好的电气连接，称作保护接地。变电所（站）中需要保护接地的的部分一般有变压器及各种电器设备的底座和外壳、开关电器的操作机构、互感器副边绕组、配电屏与控制屏的框架、屋外配电装置的金属架构、钢筋混凝土架构、电缆金属支架以及靠近带电部分的金属遮栏、金属门等。

（3）防雷接地

为了使雷电流安全地向大地泄放，以保护被击建筑物或电力设备而采取的接地，称为防雷接地。

（4）防静电接地

静电是由于摩擦等原因而产生的积累电荷，为防止静电产生事故或影响电子设备的正常工作，需要有让静电荷迅速向大地泄放的接地，这种接地称为防静电接地。

（5）等电位接地

医院的某些特殊的检查室、治疗室、手术室和病房中，病人所能接触到的金属部分(如床架、床灯、医疗电器等)，不应有危险的电位差存在，因此要把这些金属部分相互连接起来成为等电位体并予以接地，这种接地方式称为等电位接地。高层建筑中为了减少雷电流造成的电位差，将每层的钢筋网及大型金属物体连接在一起并接地，也是等电位接地。

（6）屏蔽接地

一方面为了防止外来电磁波的干扰和侵入，造成电子设备的误动作或通信质量的下降，另一方面为了防止电子设备产生的高频能量向外部泄放，而将线路的滤波器、变压器的静电屏蔽层、电缆的金属屏蔽等进行的接地，称为屏蔽接地。为减少高层建筑竖井内垂直管道受雷电流感应所产生的感应电势，而将竖井混凝土壁内的钢筋予以接地，也属于屏蔽接地。

2、接地电阻的降阻方法

上面我们谈论了接地装置的知识，但是通常接地电阻过大，达不到规程规定值，雷电流不能迅速泄入大地，造成避雷器自身残压过高，或在接地电阻上产生很高的电压降，引起变压器烧毁事故。因此，接地装置的接地电阻必须符合规程规定值。

降阻方法

（1）敷设水平外延接地。

因为水平放设施工费用低，不但可以降低工频接地电阻，还可以有效地降低冲击接地电阻。

（2）深埋式接地极。

在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。在埋设地点选择时，应考虑选择地下水较丰富及地下水位较高的地方；接地网附近如有金属矿体，可将接地体插入矿体上，利用矿体来延长或扩大人工接地体的几何尺寸；深埋接地体的间距宜大于20m，可不计互相屏蔽的影响。但施工困难，土方量大，造价高，在岩石地带困难更大。

（3）利用接地电阻降阻剂

在接地极周围敷设了降阻剂后，可以起到增大接地极外形尺寸，降低接触电阻的作用。降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，是具有导电性能良好的强电解质和水分。这些强电解质和水分被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充，使它不致于随地下水和雨水而流失，因而能长期保持良好的导电作用。而降阻剂的主要作用是降低与地网接触的局部土壤电阻率,换句话说,是降低地网与土壤的接触电阻,而不是降低地网本身的接地电阻。这是目前采用的一种较新和积极推广普及的方法。降阻剂已有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是使用施工工艺都已经是相当成熟的产品了。

（4）利用电解离子接地系统（Ionic Earthing Array，简称IEA）。

IEA近几年在新建变电所中得到广泛的应用，并取得一定的效果。有研究和实践证明：土壤电阻率过高的直接原因是因为缺乏自由离子在土壤中的辅助导电作用，IEA能在土壤中提供大量的自由离子，从而有效的解决接地问题。IEA由先进的陶瓷复合材料、合金电极、中性离子化合物组成，以确保能提供稳定的、可靠的接地保护。IEA的主体是铜合金管，以确保较高的导电性能及较长的使用寿命，其内部含有特制的、无毒的电解离子化合物，能够吸收空气中的水分，通过潮解作用，将活性电解离子有效释放到周围土壤中，正是因为IEA不断的自动释放活性电解离子使得周围土壤的导电性能能始终保持在较高水平，于是故障电流能顺畅的扩散到周围的土壤中，从而充分发挥接地系统的保护作用。另外，IEA 所包含的特制回填料具有非常好的膨胀性、吸水性及离子渗透性，使IEA与周围的土壤保持良好的接触界面，无论天气或周围环境如何变化，都能使IEA保持最佳的接地保护效果。但投资相对也是比较大的。

（5）其他方法。

如何降低接地电阻目前已成为工程建设的难点之一，除了以上方法外，增加地网的埋设深度、利用深孔爆破接地技术自然接地体、局部换土、深井接地、扩大接地面积和采用两层水平接地网等等也都有一定的可行性。根据各个工程的不同情况可以选择适合的降阻措施，而各种方法也不是孤立的，可以相互配合，以取得更好的实际效果。

单支避雷针的保护范围

设单支避雷针的高度为h （m ），被保护物体的高度为h x （m ）,则避雷针的幼

小高度h a =h-h x 。在h x 高度上避雷针保护范围的半径r x 可按下式计算

当2h h x ≥

时， )()(m p h h r x x -= 当2

h h x <时， )()25.1(m p h h r x x -= 式中p ---高度影响系数。当m h 30≤时，p =1；当m h 12030≤<时，5

.5h p =；当m h 120>时，取其等于120m 。

某小型变所电的接地装置如下图： h x 水平面上保 避雷针

护范围的截面

450

h a

设备

设备 h

h x

2h

1.5h

接地体

接地线

r x

设计中的学习心得

通过本次课程设计的学习，我大致上了解了电力系统过电压的产生原理以及各种过电压的来源、特点、防护等，还了解了电力系统的接地装置及接地电阻的重要性和降阻方法。我通过翻阅课本、上网、读报等多种形式，对于相关内容的学习进行了补充，从整体上对电网过电压监测与分析这个课题有了一定的认识。首先，了解到电网过电压是如何产生的：雷电过电压是由于雷电冲击使周围空间磁场发生急剧变化而形成；内部过电压是由于电网系统内部故障和开关操作时发生电磁振荡所引起的。其次是了解各种过电压的具体分类、特点、相关原理的深入学习等。在《高电压技术》这本书中，我还浅浅学习了雷电参数、电力系统应用的防雷保护装置、输电线路雷电过电压的形成机理以及防雷保护措施、变电站直击雷与侵入波过电压的形成及防护措施；电力系统内部过电压的产生机理及抑制措施；电力系统过电压的计算机仿真技术；电力系统绝缘配合的基本概念及方法等等。通过对每个章节的学习，自我总结，从中得到启发。由于时间和能力的限制，暂时就这一本书浅浅了解一些，今后将从更多期刊、论文、书籍，多渠道进行毕业设计的准备。