过电压及其防护(精)

L
反击引起 的闪络
R
3.3 输电线路雷电防护
雷 云
雷击情 况分 析—— 感应雷 过电压1
下行先导负电 荷在导线上感 应出束缚电荷， 极性为正
++ + + + + + ++ +
雷云发出 的下行先 导，其中 有大量负 电荷
3.3 输电线路雷电防护
雷 云
雷击情 况分 析—— 感应雷 过电压2
感应雷过电 压主要威胁 到35kV及以 下输电线路
3.3 输电线路雷电防护
3.3 输电线路雷电防护
雷击中避雷线
输电线路 雷击分类
雷绕过避雷 线击中导线 雷击中杆塔
感应
3.3 输电线路雷电防护
输电线路遭受雷击后引发的后 果
• 导线—避雷线、导线—杆塔、导线—大 地闪络。 • 侵入波沿线路侵入变电所、配电所、发 电厂。
3.3 输电线路雷电防护
输电线路防雷四道防线
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的优劣评判
U / kV
B
A
系统 相电压
10 -5
10 -4
10 -3
10 -2
10 -1
1
10
10 2
10 3
10 4 I /A
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
3.2 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
下法兰
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器在系统中的连接
• 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。
3.2 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）。3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的参数
U / kV
残压 起始 动作电 压 （1mA参考 电压 ） 额定 电压
容许 最大持 续 运行 电压 10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
1
10
10
2
10
3
10
4
I /A
1 m A 电流
（雷 电、操 作） 冲击 电流幅 值
额定电压和容许最大持续运行电压为有效值，1mA参考电压常在直流下测得
• 这两种方法往往结合进行。
3.4 变电站雷电防护
变电所侵入波防护—避雷器与 待保护变压器间距离的影响
• 首先对有关条件进行简 化：
假设侵入波为斜角波 假设分析过程中变压器 处于开路状态 假设避雷的残压等于动 作电压 假设变压器开路
斜角入射波 避雷器动作电压
• 由右图可见，避雷器将 通过的波头进行了限压。
φ
3.3 输电线路雷电防护
雷击情况分析—反击
• 杆塔可以用塔身电感L和接 地电阻R串联的等效电路模 型来代表。 • 当雷击中杆塔时，雷电流在 L、R上产生压降，当这个 压降足够高时将使绝缘子与 杆塔之间发生闪络。 • 因而，降低杆塔接地电阻具 有极其重要的意义。 • 当雷击中避雷线时也可能造 成反击。
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的特性曲线
U / kV
系统 相电压 10 -5
10 -4
10 -3
10 -2
10 -1
1
10
10 2
10 3
10 4 I /A
• 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。
如图可知，两端 接地的避雷线相 当于在输电导线 上加装了一个 “短路环”，而 这个“短路环” 与输电线路存在 电磁耦合，并通 过这个电磁耦合 消耗一部分输电 线路输送的电能
电磁 耦合 避雷 线 输电 导线 U sin(314 t) ZL
3.3 输电线路雷电防护
避雷线有关问题—采用架空绝 缘地线
• 通过在避雷线和杆 塔之间加装一片绝 缘子就可以解决上 述损耗问题。 • 一片绝缘子的闪络 电压相对来说很低， 故不影响避雷线的 防雷保护效果。
衡量输电线路防雷水平的指标
• 耐雷水平——雷击线路不至使绝缘发生 闪络的最小雷电流幅值（注意耐雷水平 指的是雷电流而不是雷电压）。 • 雷击跳闸率——标准条件下（雷暴日数 ＝40、线路长度＝100km）每年雷击引起 的跳闸次数。
3.3 输电线路雷电防护
雷击导线引起的过电压计算
• 图中Z1为雷电通道的波阻抗， 其数值约为300Ω，Z2为输电 导线的波阻抗，其数值为 300Ω～400Ω。 • 从彼德逊等效电路中可以求 出： Z Z 2
3.3 输电线路雷电防护
避雷线有关问题—光纤复合架 空地线—OPGW
• 常规避雷线为钢芯铝绞线，在钢芯铝绞线中央安装一 根或数根光纤就构成了光纤复合架空地线（OPGW）。 • OPGW既可以完成避雷线所需完成的任务，其中的光纤 又可以组建一个电力系统通信网。
3.4 变电站雷电防护
3.4 变电站雷电防护
hx
rx
受保护区域
避雷线保护范围
3.1 避雷针与避雷线
双避雷线联合保护范围
避雷线1 避雷线2
rx=0.47(h-hx)p rx=(h-1.53hx)p
h
h/2
D
双避雷线联合保护范围
D /4p
受保护区域
双避雷线在输电线路上应用极为广泛
3.1 避雷针与避雷线
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。
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的参数
10kA 下残压 • 压比： 1mA参考电压 • 荷电率： 容许最大持续运行电压 （幅值） 荷电率 1mA参考电压 压比
• 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。 • 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。
h
B'
D
A'
B--B'展开
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“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
3.1 避雷针与避雷线
单根避雷线保护范围
避雷线
rx=0.47(h-hx)p rx=(h-1.53hx)p
h h/2
避雷 针
变电 所构架
s1
支座
电气主接线
s2
3.4 变电站雷电防护
变电所直击雷防护—构架避雷针
• 对于110kV及 以上电压等 级系统，由 于外绝缘水 平相对较高 不易发生反 击，可以考 虑将避雷针 安装在构架 上。
避雷针
变电所构架
电 气主 接线
3.4 变电站雷电防护
变电所侵入波防护
• 对雷电侵入波的防护通过以下两种方法进行：
避雷器——吸收雷电侵入波的能量限制电压升高 进线段——将靠近变电所1km～2km的输电线路划 为进线段，对进线段加强防雷保护（采用小的避雷 线保护角、降低杆塔接地电阻、必要时安装线路避 雷器）以保证进线段（几乎）不发生雷击；当进线 段以外线路发生雷击后，侵入波在进入变电站之前 通过进线段后其波前陡度和幅值会进一步降低
3.1 避雷针与避雷线
修正系数p——避雷针高度 ≤30m时
避雷针
rx=h-hx

h
rx
rx=1.5h-2hx
h/2
hx
避雷针保护范围 折线法 h<=30m
避雷针高度h≤30m时修正系数p＝1
受保护区域
3.1 避雷针与避雷线
修正系数p——避雷针高度＞ 30m时
避雷针
rx=(h-hx)p
修正后 未修正
3.1 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。
3.2 金属氧化物避雷器
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO阀片
镀铝
上釉
• 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。
导线上束缚电 荷失去束缚开 始向两侧自由 流动，其电流 在导线波阻抗 上形成过电压
++ + + + + + ++ +
主放电发 生后下行 先导中负 电荷全部 被中和
3.3 输电线路雷电防护
输电线路避雷器
对于雷击频繁的线路常使 用线路避雷器加强保护
3.3 输电线路雷电防护
避雷线有 关问题— 避雷线损 耗
折射波 反射波
反射波
折射波 最大幅值
U m ax
3.4 变电站雷电防护
变电所侵入波防护—避雷器与 待保护变压器间距离的影响
• 综合分析前页图和右图可以看出：
侵入波的陡度越大，则折射波的幅值越大 避雷器和变压器距离越大、则进入变压器的 折射波的幅值越大
• 根据规程要求，避雷器与待保护变压器 之间的距离不得大于规定的数值，详见 教材表8-7。