《高電壓技術(shù)》PPT課件.ppt

高電壓技術(shù),第五章 雷電放電及防雷保護(hù)裝置,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓 第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電放電在電力系統(tǒng)中的危害 雷電過(guò)電壓：造成電力系統(tǒng)絕緣故障和停電事故的主要原因之一； 巨大雷電流：有可能使被擊物體炸毀、燃燒、使導(dǎo)體熔斷或通過(guò)電動(dòng)力引起機(jī)械損壞。 雷電的熱效應(yīng)：雷電流很大但作用時(shí)間很短，因此只能產(chǎn)生局部高溫，可使體積較小的金屬熔化。雷電通道溫度1500020000，可引起森林大火 雷電的機(jī)械效應(yīng)：雷電流流過(guò)物體，發(fā)熱導(dǎo)致物體內(nèi)的水分急劇蒸發(fā)，產(chǎn)生氣體，氣體膨脹的機(jī)械作用可使樹(shù)木劈劈裂，器物的的破裂、爆炸。,雷云的形成,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,大水滴分裂成水珠和細(xì)微的水沫，出現(xiàn)電荷分離現(xiàn)象，大水珠帶正電，小水沫帶負(fù)電，細(xì)微水沫被上升氣流帶往高空，形成大片帶負(fù)電的雷云。 帶正電的水珠，形成雨水落向地面，或者懸浮在云中，形成雷云下部局部正電荷區(qū),雷云的形成機(jī)理獲得比較廣泛認(rèn)同的是水滴分裂起電理論,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電放電過(guò)程,雷電放電的本質(zhì)是一種超長(zhǎng)氣隙的不均勻放電（先導(dǎo)放電）,對(duì)地先導(dǎo)放電雷云中的負(fù)電荷積聚，同時(shí)在地面上感應(yīng)出正電荷，當(dāng)雷云與大地之間局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)大氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，開(kāi)始有局部放電通道自雷云邊緣向大地發(fā)展。 先導(dǎo)放電通道具有導(dǎo)電性，因此雷云中的負(fù)電荷沿通道分布，且繼續(xù)向地面延伸，地面上的感應(yīng)正電荷也逐漸增多,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,迎面先導(dǎo)形成 先導(dǎo)通道發(fā)展臨近地面時(shí)，由于局部空間電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，常在地面突起處出現(xiàn)正電荷的先導(dǎo)放電向天空發(fā)展，這種先導(dǎo)稱(chēng)為迎面先導(dǎo),第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,主放電階段 當(dāng)先導(dǎo)通道到達(dá)地面或與迎面先導(dǎo)相遇以后，就在通道端部因大氣強(qiáng)烈電離而產(chǎn)生高密度的等離子區(qū) 此區(qū)域自下而上迅速傳播，形成一條高導(dǎo)電率的等離子體通道，使先導(dǎo)通道以及雷云中的負(fù)電荷與大地的正電荷迅速中和，貫穿大地和雷云之間,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電參數(shù),雷電活動(dòng)頻度雷暴日Td及雷暴小時(shí)Th,雷暴日Td 一年中發(fā)生雷電的天數(shù)，以聽(tīng)到雷聲為準(zhǔn)，在一天內(nèi)只要聽(tīng)到過(guò)雷聲，無(wú)論次數(shù)多少，均計(jì)為一個(gè)雷暴日。 雷暴小時(shí)Th 一年中發(fā)生雷電放電的小時(shí)數(shù)，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)只要有一次雷電，即計(jì)為一個(gè)雷電小時(shí)。 一個(gè)雷暴日折合三個(gè)雷暴小時(shí)。 Td 40，多雷區(qū) Td 90，強(qiáng)雷區(qū),第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,地面落雷密度( )和雷擊選擇性,地面落雷密度 表示每平方公里地面在一個(gè)雷暴日受到的平均雷擊次數(shù) 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Td 40的地區(qū)，取 0.07 易擊區(qū) 空曠地區(qū)：雷擊高的物體 山區(qū)：有時(shí)山頂物體，有時(shí)迎風(fēng)面 與地質(zhì)條件有關(guān)：地質(zhì)有礦物質(zhì),第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷道波阻抗,雷道波阻抗的概念 雷電通道長(zhǎng)度數(shù)千米，半徑僅為數(shù)厘米，類(lèi)似于一條分布參數(shù)線(xiàn)路，具有某一等值波阻抗，稱(chēng)為雷道波阻抗。 主放電過(guò)程可看作是一個(gè)電流波沿著波阻抗為Z0的雷道投射到雷擊點(diǎn)的波過(guò)程。 我國(guó)有關(guān)規(guī)程建議取Z0 300,雷電的極性,負(fù)極性雷擊均占7590%，對(duì)設(shè)備絕緣危害較大，防雷計(jì)算中一般均按負(fù)極性考慮。,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電流幅值（I）,雷電流的定義 雷電流為雷擊于低接地電阻( 30)的物體時(shí)流過(guò)雷擊點(diǎn)的電流。表示雷電強(qiáng)度 雷電流幅值大小 雷電流幅值超過(guò)I的概率P 一般地區(qū) 少雷區(qū),忽略Z,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電流的波前時(shí)間、陡度及波長(zhǎng),波前時(shí)間T1：14us的范圍內(nèi)，平均為2.6us。 波長(zhǎng)（半峰值時(shí)間）T2： 20100us的范圍內(nèi)，多為40us左右 陡度： 最大極限值一般可取50 kA/us左右,雷電流的計(jì)算波形,雙指數(shù)波 斜角波 斜角平頂波 半余弦波,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電的多重放電次數(shù)及總延續(xù)時(shí)間,重復(fù)放電次數(shù) 重復(fù)放電兩次以上的占55 重復(fù)放電35次占25% 重復(fù)放電10次以上的占4% 平均重復(fù)沖擊次數(shù)取3次。 一次雷電總延續(xù)時(shí)間 小于0.2s占50% 大于0.62s的只占5%,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電的放電能量和功率,雷電的瞬時(shí)功率很大，但能量卻很小 假設(shè)雷云電位107V，放電電荷Q=20C，其能量為55kWh 但能量是在極短時(shí)間內(nèi)放出的，因而功率很大。 雷電能量的消耗方式 小部分使空氣發(fā)生電離、激勵(lì)和光輻射 大部分使雷道周?chē)諝馔蝗慌蛎?、產(chǎn)生巨響,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電過(guò)電壓的形成,雷電放電計(jì)算模型,S閉合前（先導(dǎo)放電）A點(diǎn)電位為0 先導(dǎo)放電通道具有分布參數(shù)特征，稱(chēng)為雷電通道，其波阻抗為Z0(300) S閉合后（主放電），A點(diǎn)電位突升到u=i Z 主放電過(guò)程，自雷云通過(guò)雷電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪?u0、i0)到達(dá)A點(diǎn),計(jì)算模型,主放電,先導(dǎo)放電,u0,i0,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,雷電放電彼德遜等值電路,注意：實(shí)際中可測(cè)量的是流過(guò)Ri的雷電流幅值I，則有 入射波幅值I0 A點(diǎn)電壓幅值,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,直擊雷過(guò)電壓典型算例, 雷擊于地面上接地良好的物體,已知：i0，Z0=300，接地電阻Ri=15。求流過(guò)A點(diǎn)的電流i,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓, 雷擊于導(dǎo)線(xiàn)或檔距中央的避雷線(xiàn),已知：雷電流幅值I，雷電通道Z0，線(xiàn)路阻抗Z。求A點(diǎn)的電流IA、電壓UA,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓,感應(yīng)雷擊過(guò)電壓,現(xiàn)象：雷擊于線(xiàn)路附近大地或接地的線(xiàn)路桿塔頂部等，在絕緣的導(dǎo)線(xiàn)上引起感應(yīng)過(guò)電壓。,雷擊點(diǎn)與電力線(xiàn)路之間的距離s65m的情況下 雷擊于塔頂?shù)染o靠導(dǎo)線(xiàn)的接地物體, 無(wú)避雷線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)上感應(yīng)過(guò)電壓的計(jì)算,I雷電流幅值 hc導(dǎo)線(xiàn)平均對(duì)地高度 s雷擊點(diǎn)與線(xiàn)路之間距離,a感應(yīng)過(guò)電壓系數(shù)；近似等于雷電流平均波前陡度,第一節(jié) 雷電放電和雷電過(guò)電壓, 有避雷線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)上感應(yīng)過(guò)電壓的計(jì)算,雷擊點(diǎn)與電力線(xiàn)路之間的距離s65m的情況下 雷擊于塔頂?shù)染o靠導(dǎo)線(xiàn)的接地物體,hg避雷線(xiàn)平均對(duì)地高度 k0 避雷線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)間的 耦合系數(shù) hc導(dǎo)線(xiàn)平均對(duì)地高度 s雷擊點(diǎn)與線(xiàn)路之間距離,返回,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,避雷針和避雷線(xiàn),避雷針,作用：直擊雷保護(hù),避雷針的保護(hù)原理 實(shí)質(zhì)上是引雷作用，它能對(duì)雷電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)附加電場(chǎng)(由雷云對(duì)避雷針產(chǎn)生靜電感應(yīng)引起的)使雷電場(chǎng)畸變，而將雷云的放電通道吸引到避雷針本身，由避雷針及與它相連的引下線(xiàn)和接地體將雷電流安全導(dǎo)入大地，使附近建筑物和設(shè)備免受直接雷擊。,保護(hù)范圍：具有0.1%繞擊率的空間范圍,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置, 單支避雷針保護(hù)范圍計(jì)算,避雷針在被保護(hù)物高度hx水平面上的保護(hù)半徑rx，按下式計(jì)算：,保護(hù)范圍的確定（設(shè)避雷針高度為h） 從針頂向下作45的斜線(xiàn)，構(gòu)成錐形保護(hù)空間的上部 從距針底各方向1.5h處向避雷針0.75h高處作連接線(xiàn)，與45斜線(xiàn)相交，交點(diǎn)以下的斜線(xiàn)構(gòu)成保護(hù)空間下部,注意： p為高度影響系數(shù),第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置, 兩支等高避雷針保護(hù)范圍計(jì)算,兩針外側(cè)保護(hù)范圍按單針保護(hù)的計(jì)算方法確定 兩針之間在hx水平面的保護(hù)范圍,上部邊緣最低點(diǎn)O的高度,在0-0截面hx高度兩側(cè)的水平保護(hù)寬度,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,避雷線(xiàn),作用：直擊雷保護(hù),避雷線(xiàn)的保護(hù)原理 對(duì)架空輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行屏蔽，將雷云對(duì)架空線(xiàn)路的放電引向自身并泄人大地，使線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)免遭直接雷擊,保護(hù)線(xiàn)路 我國(guó)一般110kV以上線(xiàn)路采用避雷線(xiàn) 35kV線(xiàn)路的進(jìn)線(xiàn)段 保護(hù)500kV大型超高壓發(fā)變電站,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置, 單支避雷線(xiàn)保護(hù)范圍計(jì)算,h 避雷線(xiàn)的高度 hx被保護(hù)物高度 ha避雷線(xiàn)的有效高度 rx避雷線(xiàn)每側(cè)保護(hù)半徑,單根避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍是一個(gè)屋脊式保護(hù)空間(=25) 避雷針在被保護(hù)物高度hx水平面上的保護(hù)半徑rx，按下式計(jì)算：,注意： p為高度影響系數(shù),第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置, 兩支避雷線(xiàn)保護(hù)范圍計(jì)算,兩線(xiàn)外側(cè)保護(hù)范圍按單根避雷線(xiàn)保護(hù)的計(jì)算方法確定 兩線(xiàn)之間保護(hù)范圍,上部邊緣最低點(diǎn)O的高度,保護(hù)角 保護(hù)角越小，避雷線(xiàn)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的屏蔽作用越有效 220330kV 20 500kV：15,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,避雷器,避雷器作用與保護(hù)原理,作用：用以限制由線(xiàn)路傳來(lái)的雷電過(guò)電壓或由操作引起的內(nèi)部過(guò)電壓的一種電器設(shè)備 原理：并聯(lián)連接在被保護(hù)設(shè)備附近，當(dāng)作用電壓超過(guò)避雷器的放電電壓時(shí)，避雷器先放電，限制了過(guò)電壓的發(fā)展，從而保護(hù)了其他電氣設(shè)備免遭擊穿損壞。它實(shí)質(zhì)上是一種放電器,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,避雷器的基本要求 系統(tǒng)正常工作時(shí)隔離導(dǎo)線(xiàn)與大地 動(dòng)作時(shí)限制雷電侵入波 應(yīng)有較強(qiáng)的絕緣強(qiáng)度自恢復(fù)能力，以利于快速切斷工頻續(xù)流，使系統(tǒng)得以繼續(xù)運(yùn)行 工頻續(xù)流過(guò)電壓消失后，間隙中仍有由工作電壓所產(chǎn)生的工頻電弧電流。若不及時(shí)切斷，會(huì)使設(shè)備與大地短接，從而使斷路器跳閘，導(dǎo)致停電 動(dòng)作后不產(chǎn)生截波 截波電壓在瞬間由很大的幅值突然下降為零的波 具有良好的伏秒特性，易于實(shí)現(xiàn)合理的絕緣配合,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,避雷器與電氣設(shè)備的伏秒特性配合圖,1電氣設(shè)備的伏秒特性 2避雷器的伏秒特性 3電器設(shè)備上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,避雷器的種類(lèi), 保護(hù)間隙,當(dāng)供電系統(tǒng)遭到大氣過(guò)電壓時(shí)，保護(hù)間隙S1作為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)首先擊穿，并將雷電流釋放到地中。從而保護(hù)了設(shè)備的絕緣。,輔助間隙S2的作用是為了防止主間隙被異物短路引起誤動(dòng)作。,結(jié)構(gòu) 保護(hù)間隙是最簡(jiǎn)單的防雷保護(hù)裝置，它由主間隙S1、輔助間隙S2和支持瓷瓶組成。,優(yōu)點(diǎn) 構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低廉，維護(hù)方便,保護(hù)原理,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,缺點(diǎn) 伏秒特性很陡 滅弧能力差，無(wú)法及時(shí)切除工頻續(xù)流，易導(dǎo)致斷路器跳閘、供電中斷 產(chǎn)生大幅值的截波，危及變壓器的絕緣（看教材）,應(yīng)用范圍 僅用于不重要和單相接地不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果的場(chǎng)合。并且多與自動(dòng)重合閘裝置配合使用,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置, 管式避雷器,結(jié)構(gòu) 實(shí)質(zhì)上是一只具有較強(qiáng)滅弧能力的保護(hù)間隙，其基本元件為裝在消弧管內(nèi)的火花間隙，在安裝時(shí)再串接一只外火花間隙。,滅弧原理 工頻續(xù)流電弧的高溫使管內(nèi)產(chǎn)氣材料分解大量的氣體，由環(huán)形電極的開(kāi)口噴出，形成強(qiáng)烈的縱吹，使得電弧熄滅,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,缺點(diǎn) 工頻續(xù)流太小時(shí)不能滅弧，太大時(shí)產(chǎn)氣過(guò)多，使管子爆裂 伏秒特性很陡 產(chǎn)生大幅值的截波，危及變壓器的絕緣,應(yīng)用范圍 僅安裝在輸電線(xiàn)路上絕緣比較薄弱的地方和用于變電所、發(fā)電廠的進(jìn)線(xiàn)段保護(hù)中。,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置, 閥式避雷器,結(jié)構(gòu) 火化間隙：由多個(gè)單元間隙組成，易于切斷工頻續(xù)流及防止電弧重燃 電阻閥片：由SiC（金剛砂）加結(jié)合劑（水玻璃等）在300500oC燒結(jié)而成。一支避雷器采用多個(gè)閥片串聯(lián),第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,火化間隙的作用 正常工作時(shí)：將電阻閥片與工作母線(xiàn)隔離，以免母線(xiàn)的工作電壓在電阻閥片中產(chǎn)生的電流使閥片燒壞 出現(xiàn)過(guò)電壓且其幅值超過(guò)間隙放電電壓時(shí)：間隙擊穿，沖擊電流通過(guò)閥片和接地裝置流入大地,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,閥片電阻的作用 電阻值與流過(guò)的電流有關(guān)，應(yīng)具有非線(xiàn)性特性 沖擊電流階段電阻值小 能使沖擊電流迅速流入大地； 同時(shí)在閥片上產(chǎn)生低于設(shè)備的沖擊耐壓值的殘壓。使得當(dāng)雷電波消失后，設(shè)備上所承受的電壓不會(huì)瞬時(shí)降為零，防止了截波的產(chǎn)生 工頻續(xù)流階段電阻值大 限制了工頻續(xù)流的幅值，保證火花間隙可靠滅弧,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置, 金屬氧化物避雷器（又稱(chēng)氧化鋅避雷器）,結(jié)構(gòu) 無(wú)間隙，是將相應(yīng)數(shù)量的氧化鋅電阻片（MOV）密封在瓷套或其他絕緣體內(nèi)而組成,氧化鋅電阻的特點(diǎn) ZnO電阻具有優(yōu)異的非線(xiàn)性，不僅殘壓大大降低，而且有可能取消火化間隙，避免放電間隙帶來(lái)的一系列問(wèn)題，替代傳統(tǒng)的碳化硅避雷器,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,ZnO和SiC非線(xiàn)性電阻片的UI 特性的比較（看教材）,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,氧化鋅避雷器的優(yōu)點(diǎn) 殘壓低，具有優(yōu)異的保護(hù)性能 無(wú)續(xù)流，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐重復(fù)動(dòng)作能力強(qiáng) 通流容量大，吸收過(guò)電壓能量的能力強(qiáng) 性能穩(wěn)定，抗老化能力強(qiáng) 適宜于大批量生產(chǎn)，造價(jià)低,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,防雷接地,接地的相關(guān)概念,接地 將地面上的金屬物體或電氣回路的某一節(jié)點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)體與大地相連，使該物體或節(jié)點(diǎn)與大地經(jīng)常保持等電位,接地裝置 包括引線(xiàn)在內(nèi)的埋設(shè)在地中的一個(gè)或一組金屬體或由金屬導(dǎo)體組成的金屬網(wǎng),接地電阻的定義 接地點(diǎn)的電位U(相對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處零電位)與通過(guò)接地極流入地中電流I的比值,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,電力系統(tǒng)的接地的分類(lèi),適用范圍：110kV及以上的電力系統(tǒng)中采用中性點(diǎn)接地的運(yùn)行方式。 接地目的：降低作用在設(shè)備絕緣上的電壓，因此設(shè)備的絕緣水平也可以降低，即達(dá)到縮小設(shè)備絕緣尺寸、降低設(shè)備造價(jià)的目的。 要求阻值：0.510, 工作接地,第二節(jié) 防雷保護(hù)裝置,適用范圍：電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，電氣設(shè)備的外殼將帶電，如果這時(shí)人接觸設(shè)備外殼，將產(chǎn)