第17講雷電及防雷保護(hù)裝置

1、28.8.2 8.8.2 三相繞組中的波過程三相繞組中的波過程u電力變壓器一般按照y、y0、 等接線方式。u雷電沖擊波可能從一相、兩相或者三相接入；u三繞組變壓器的波過程與單相變壓器基本相同，只是隨接線方式和進(jìn)波方式有所不同。1 1星形接線中性點(diǎn)接地（星形接線中性點(diǎn)接地（ y y0 0） 當(dāng)變壓器采用y0接地，三相間相互影響很小，可按三個(gè)獨(dú)立的單相繞組波過程分析。3二、星形接線中性點(diǎn)不接地（二、星形接線中性點(diǎn)不接地（y y）u一相進(jìn)波時(shí)：一相進(jìn)波時(shí)：波到達(dá)不中性點(diǎn)后經(jīng)由兩相繞組傳出。后兩相等效為并聯(lián)的兩個(gè)lkc回路0u0z0z0z)(akcl0z0z0z0 . 10 . 200 . 12 .

2、10uulx0t123maxut031u0ulancb,)(b)(c0u21acb4一相進(jìn)波的特點(diǎn)：一相進(jìn)波的特點(diǎn)：入侵波幅值為1/2u0u由于繞組的沖擊波阻抗遠(yuǎn)大于線路的波阻抗，因此其他兩相波阻抗的線路側(cè)的端點(diǎn)可認(rèn)為是接地的。u起始電位分布與后兩相關(guān)系不大，可認(rèn)為此時(shí)中性點(diǎn)電位接近為0。u穩(wěn)態(tài)電位分布時(shí)，按電阻分配，成為折線。中性點(diǎn)為1/3u0u最大電位包絡(luò)線為曲線3。振蕩過程中，中性點(diǎn)最大電位為2/3u05兩相進(jìn)波時(shí)兩相進(jìn)波時(shí)u兩相波達(dá)到中性點(diǎn)后將同時(shí)由第三個(gè)繞組傳到線路上。可按照單相進(jìn)波的疊加計(jì)算波過程。u中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電位為2/3u0，最大電位為4/3u0三相進(jìn)波時(shí)三相進(jìn)波時(shí) 規(guī)律與單相繞

3、組末端開路情況基本相同。中性點(diǎn)最大電位為首端電位的2倍。6三、三角形接線三、三角形接線一相入侵時(shí)一相入侵時(shí)：因?yàn)槔@組的沖擊波阻抗遠(yuǎn)大于線路的波阻抗，因此b、c兩端點(diǎn)相當(dāng)于接地。此時(shí)，在ab、ac繞組中的波過程與末端接地時(shí)的相同。7兩相或者三相入侵時(shí)：兩相或者三相入侵時(shí)：用疊加法分析.1表示a端或者b端進(jìn)波時(shí)的初始分布2表示a端或者b端進(jìn)波時(shí)的穩(wěn)態(tài)分布虛線3表示a、b端同時(shí)進(jìn)波時(shí)的初始分布實(shí)線4表示a、b端同時(shí)進(jìn)波時(shí)的穩(wěn)態(tài)分布振蕩過程中，最高電位在中點(diǎn)m處，為2u088.8.3 8.8.3 沖擊電壓在繞組間的傳遞沖擊電壓在繞組間的傳遞u當(dāng)波浸入變壓器的高壓繞組時(shí)，會(huì)感應(yīng)到低壓繞組中，u感應(yīng)途徑為

4、：1 靜電感應(yīng) 2 電磁感應(yīng)u感應(yīng)過電壓很大時(shí)，會(huì)造成低壓繞組處的絕緣擊穿。u近似計(jì)算這種感應(yīng)過電壓時(shí)，用疊加法，將兩種途徑的感應(yīng)過電壓分別計(jì)算后再相加。9一、繞組間的靜電感應(yīng)一、繞組間的靜電感應(yīng)由于電感中電流不能突變，因此只存在電容耦合。因此與變比無關(guān)。在繞組2開路時(shí)，靜電感應(yīng)的電壓為：02012122ucccu通常，低壓繞組和很多線路相連，因此，還有很多電容和c20并聯(lián)，此時(shí)u2不大。但當(dāng)空載時(shí)，需要進(jìn)行過電壓防護(hù)。10二、繞組間的電磁感應(yīng)二、繞組間的電磁感應(yīng)u線路電感中會(huì)逐漸流過電流。電流所產(chǎn)生的磁通會(huì)在另一個(gè)繞組中感應(yīng)出電壓。這種電壓就叫電磁感應(yīng)分量。u電磁感應(yīng)分量與變比有關(guān)，但由于鐵

5、芯損耗，所以不是與變比成正比。u通常，低壓繞組絕緣裕度的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)大于高壓繞組，因此，電磁感應(yīng)過電壓，只是在從低壓感應(yīng)到高壓時(shí)才有危險(xiǎn)。u一般依靠在高壓出線端安裝三相避雷器進(jìn)行防護(hù)。118.9 8.9 旋轉(zhuǎn)電極繞組中的波過程旋轉(zhuǎn)電極繞組中的波過程當(dāng)波作用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，也可用lck回路分析。一般選擇電機(jī)要加外部保護(hù)措施，如（在發(fā)電機(jī)前并聯(lián)電容），因此來波陡度平緩，波頭時(shí)間大于10us，即du/dt很小。無論是單匝還是多匝電機(jī)，k0du/dt都很小，因此可忽略k的影響。在計(jì)算波過程時(shí)，可將旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組看成具有一定波阻抗的導(dǎo)線。 旋轉(zhuǎn)電機(jī)指的是經(jīng)過電力變壓器或直接與電網(wǎng)相連的發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)和大型電動(dòng)

6、機(jī)等，它們的繞組在運(yùn)行過程中部有可能會(huì)受到過電壓波的作用。12一、電機(jī)繞組中的波阻抗及波速一、電機(jī)繞組中的波阻抗及波速u電機(jī)槽內(nèi)部分和端部部分的l0，c0是不同的，因此波阻和波速也有規(guī)律的變化，但一般用只看宏觀的平均值。u波阻抗與電機(jī)容量、電壓和轉(zhuǎn)速有關(guān)。 電壓升高電壓升高 每槽匝數(shù)增加電感變大 波阻抗增加波阻抗增加 容量加大容量加大 導(dǎo)線半徑增加 每格匝數(shù)減小電容增加，電感減小 波阻抗減波阻抗減小小u對于低速電機(jī)，可用圖中值的2倍估算波阻抗13波速波速容量加大容量加大 導(dǎo)線半徑增加 每格匝數(shù)減小電容增加，電感減小 ，一般電感的減小沒有電容的增加那么快波速下降14二、波在電機(jī)繞組中的傳播二、波

7、在電機(jī)繞組中的傳播 波在電機(jī)繞組中傳播時(shí)，存在鐵損、銅損、介質(zhì)損耗。以鐵損最大。因此，衰減和變形都很嚴(yán)重。 衰減可計(jì)算：xxeuu0中小容量的電機(jī)： 0.0005m-1; 大容量電機(jī)： 0.0015m-1當(dāng)波沿電機(jī)繞組傳播時(shí)，繞組中的電位如左圖所示。最大電位梯度在首端。匝間承受沖擊電壓為：valuzz因此，允許來波最大陡度為：zjlvuamax一般將進(jìn)波陡度限制在5kv/us以下。15第第9 9章章 雷電及防雷保護(hù)裝置雷電及防雷保護(hù)裝置大氣過電壓是由于雷電形成的。它是造成系統(tǒng)故障的主要原因之一9.1 9.1 雷云放電及雷電過電壓雷云放電及雷電過電壓 熱氣流上升，冷凝產(chǎn)生冰晶，冰晶碰撞分裂，導(dǎo)致

8、帶負(fù)電荷的較輕部分被風(fēng)吹走，形成雷云；帶正電荷的較重部分可能形成局部帶正電的云區(qū)或者凝聚成水滴下降。 整塊雷云可以有若干個(gè)電荷中心，負(fù)電荷位于雷云下 部，離地大約500-1000m。 雷云放電通常分為先導(dǎo)部分和主放電兩個(gè)階段。 圖中為下行負(fù)雷閃的照片。 第一次放電結(jié)束后，多半還會(huì)有重復(fù)雷擊。16179.1.2 9.1.2 雷擊時(shí)的等值電路雷擊時(shí)的等值電路主放電瞬間，可用開關(guān)s的閉合來模擬z是被擊物的阻抗。由于電荷運(yùn)動(dòng)形成電流，因此雷擊點(diǎn)的電位發(fā)生突然變化uiz雷電具有電流源的性質(zhì)。當(dāng)z0時(shí)，i=2*i0;一般，z0300-400 ，zz0，因此，也可認(rèn)為i=2*i0i稱為雷電流189.2 9.

9、2 雷電參數(shù)及雷電活動(dòng)規(guī)律雷電參數(shù)及雷電活動(dòng)規(guī)律在雷電設(shè)計(jì)中，最關(guān)心的是雷電流波形、幅值分布及落雷密度等9.2.1 9.2.1 雷電流幅值和波形雷電流幅值和波形對于雷暴日數(shù)20的地區(qū)，我國現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：88lgip對于雷暴日數(shù)20的地區(qū)(除陜南以外的西邊地區(qū)、內(nèi)蒙古部分地區(qū)），我國現(xiàn)行推薦雷電流幅值概率為：44lgip19波形和極性波形和極性 我國防雷規(guī)程建議值為：2.6/50 s，平均陡度為 在保護(hù)計(jì)算中，可取雙指數(shù)波，為簡化計(jì)算，一般可取斜角平頂波。 但在特高塔的設(shè)計(jì)中，可取半余弦波頭，表達(dá)式為：6 . 2ia )cos1 (2tiii為雷電流幅值；為角頻率，=/f=1.210

10、6s-1，f 為波頭時(shí)間（2.6s）。 極性極性：75%-90%的雷為負(fù)極性雷，因此一般按照負(fù)極性雷進(jìn)行研究。209.2.2 9.2.2 雷暴日和雷暴小時(shí)雷暴日和雷暴小時(shí)u年平均雷暴日和年平均雷暴小時(shí)是表征雷電活動(dòng)頻繁程度的指標(biāo)。u雷暴日：一年中有雷電的天數(shù)。在一天之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個(gè)雷暴日。u雷暴小時(shí)：一年中有雷電的小時(shí)數(shù)。在一小時(shí)之內(nèi)，只要聽到雷聲就算一個(gè)雷暴小時(shí)。u我國大部分地區(qū)的雷暴小時(shí)與雷暴日之比為3。u我國規(guī)程建議采用雷暴日作為計(jì)算單位。219.2.3 9.2.3 地面落雷密度和地面落雷密度和 輸電線路落雷次數(shù)輸電線路落雷次數(shù) 地面落雷密度反映了云地之間的放電。 地面落雷密度

11、地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的對地落雷次數(shù)，用表示。 e.g. 我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對雷暴日t40的地區(qū)，=0.07次/km2雷暴日 輸電線路的存在，改變了雷云地之間的電場分布，根據(jù)模擬試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，輸電線路每側(cè)的引雷寬度為2h e.g. 對每100km的輸電線路，每年遭雷擊的次數(shù)為：)4(28. 01001000)4(hbthbn229.3 9.3 避雷針和避雷線避雷針和避雷線防直擊雷最常用的措施是裝設(shè)避雷針（線）避雷針（線）的保護(hù)范圍是按照99.9%的概率計(jì)算的。hrhx水平面上保護(hù)范水平面上保護(hù)范圍的截面圍的截面1. 5 hxh /2hx45o23避雷線的保護(hù)長度與線等長，因此適用與架空

12、線路與大型建筑群。單根避雷線的保護(hù)范圍兩根避雷線的保護(hù)范圍d5/d保護(hù)角是指避雷線與所保護(hù)的外側(cè)導(dǎo)線之間的連線與經(jīng)過避雷線的鉛垂線之間的夾角 。保護(hù)角越小，避雷線對導(dǎo)線的屏蔽保護(hù)作用就越好。有些國家還采用負(fù)保護(hù)角。249.4 9.4 避雷器避雷器 當(dāng)發(fā)生繞擊或者感應(yīng)時(shí)，過電壓波將沿線路傳播入侵發(fā)電廠、變點(diǎn)站等。避雷器的要求：1良好的伏秒特性： 沖擊系數(shù)：沖擊放電電壓與工頻放電電壓之比。 沖擊系數(shù)越小，伏秒特性越平緩，保護(hù)性能越好。2絕緣自恢復(fù)能力按發(fā)展歷程看：保護(hù)間隙、管型避雷器、普通閥式避雷器、磁吹避雷器、金屬氧化物避雷器等。25氧化鋅（氧化鋅（znozno）避雷器）避雷器zno避雷器又叫金

13、屬氧化物避雷器（moa）。 zno避雷器由zno電阻片組成，具有優(yōu)異的非線性伏安特性，因此可以取消火花間隙，實(shí)現(xiàn)無間隙無續(xù)流，且造價(jià)低廉。晶界層固有電容回路固有電感晶界層電阻泄漏電阻本體電阻crrrlcrrrlzno（1） zno晶粒，粒徑為10m左右，電 阻率為110cm；（2） 包圍著zno晶粒的bi2o3晶界層，厚 度為0.1m左右，電阻率大于 1010cm；（3） 零散分布于晶界層中的尖晶石 zn7sb2o12。zno電阻片的非線性特性主要取決于晶界層，在低電場下其電阻率很高；當(dāng)層間電位梯度達(dá)到104105v/cm時(shí)，其電阻率急劇下降到低阻狀態(tài) 26znozno的伏安特性曲線的伏安特性

14、曲線u區(qū)域?yàn)榈碗妶鰠^(qū)，電流密度與電場強(qiáng)度的開方成正比，非線性系數(shù)約為0.10.2；u區(qū)域?yàn)橹须妶鰠^(qū)，晶界層電阻rv減小，非線性系數(shù)大為下降，約為0.010.04；u區(qū)域?yàn)楦邎鰪?qiáng)區(qū)，zno本體電阻r起主要作用，電流與電壓成正比，伏安特性曲線向上翹。 5104103102101100101102103104105102345678910ai /kvup/低電場區(qū)高電場區(qū)中電場區(qū)電阻片正常運(yùn)行電壓znosic電阻片27znozno避雷器的主要優(yōu)點(diǎn)：避雷器的主要優(yōu)點(diǎn)：u無間隙無間隙 結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無電壓分布不均、放電電壓不穩(wěn)定等，保護(hù)可靠性高u無續(xù)流無續(xù)流 不需吸收續(xù)流能量，動(dòng)作負(fù)載輕；可承受多次

15、重復(fù)雷擊或者重復(fù)操作過電壓u電氣設(shè)備所受過電壓可減低電氣設(shè)備所受過電壓可減低 在整個(gè)過電壓階段都有電流流過，因此降低了過電壓幅值u通流容量大通流容量大 不受串聯(lián)間隙被灼傷的制約，閥片的通流能力僅與本身通流能力有關(guān)?？刹⒙?lián)進(jìn)一步提高通流能力。u易于制成直流避雷器易于制成直流避雷器28znozno避雷器的電氣性能避雷器的電氣性能u額定電壓額定電壓 能短期耐受的最大工頻電壓有效值u最大持續(xù)運(yùn)行電壓最大持續(xù)運(yùn)行電壓 能長期持續(xù)運(yùn)行的最大工頻電壓有效值u起始動(dòng)作電壓（參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓）起始動(dòng)作電壓（參考電壓、轉(zhuǎn)折電壓） 開始進(jìn)入動(dòng)作狀態(tài)的電壓，通常為u1mau壓比壓比 在8/20us的沖擊電流規(guī)定值下，殘壓與起始動(dòng)作電壓之比。越小，非線性越好。u荷電率荷電率 最大場強(qiáng)工作電壓與起始動(dòng)作電壓之比u工頻耐受電壓特性工頻耐受電壓特性 對工頻過電壓的耐受能力u保護(hù)比保護(hù)比 額定殘壓與最大長期工作電壓峰值之比。越小，保護(hù)性能越好299.5 9.5 接地技術(shù)與接地裝置接地技術(shù)與接地裝置 接地接地：把地面上的電氣設(shè)備的一部分經(jīng)埋入地中（包含水泥和水）的接地體（如金屬棒、管、帶、網(wǎng)等）與大地作電氣連接，從而使接地點(diǎn)對地保持盡可能低的電位。9.5.1 9.5.