供配電系統(tǒng)的過電壓保護(hù)課件

第9章 供配電系統(tǒng)的過電壓保護(hù)供配電技術(shù)第9章 供配電系統(tǒng)的過電壓保護(hù)9.1過電壓及其分類9.2直擊雷過電壓的防護(hù)9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)9.4供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)9.5接地與接零9.1過電壓及其分類

9.1.1大氣過電壓大氣過電壓又稱雷電過電壓，是由于電力系統(tǒng)的設(shè)備或建(構(gòu))筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應(yīng)而引起的過電壓，因其能量來自系統(tǒng)外部，故又稱為外部過電壓。雷電過電壓有兩種基本形式：直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。9.1過電壓及其分類雷電流波形

雷電流由零增大到幅值的這段時間的波形稱為波頭τwh(wavehead)。雷電流從幅值衰減到幅值的一半的一段波形稱為波尾τwt(wavetail)。雷電波的陡度α用雷電流波頭部分的增長速度來表示，即。9.1過電壓及其分類2．感應(yīng)雷過電壓所謂感應(yīng)雷過電壓，是指當(dāng)架空線附近出現(xiàn)對地雷擊時，在輸電線路上感應(yīng)的雷電過電壓。

9.1過電壓及其分類9.1.2內(nèi)部過電壓操作過電壓諧振過電壓9.2直擊雷過電壓的防護(hù)9.2.1建筑物的防雷分類（1）第一類防雷建筑物 因電火花而引起爆炸，會造成巨大破壞和人身傷亡者，包括制造、使用或儲存炸藥、火藥、起爆藥、化工品等大量爆炸物質(zhì)的建筑物；具有氣體爆炸、粉塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物。（2）第二類防雷建筑物 包括：①國家級重點(diǎn)文物保護(hù)的建筑物；②具有特別重要用途的建筑物，如國家級的會堂、大型火車站等；③對國民經(jīng)濟(jì)有重要意義且裝有大量電子設(shè)備的建筑物，如國家級計(jì)算中心、國際通信樞紐等；④具有氣體爆炸危險(xiǎn)的可能，且電火花不易引起爆炸的建筑物；⑤工業(yè)企業(yè)內(nèi)有爆炸危險(xiǎn)的露天鋼質(zhì)封閉氣罐；⑥年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.06次的辦公建筑物及其他重要或人員密集的公共建筑物；⑦年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.3次的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物。9.2直擊雷過電壓的防護(hù)9.2.1建筑物的防雷分類（3）第三類防雷建筑物 包括：①省級重點(diǎn)文物保護(hù)的建筑物及省級檔案館；②年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)在0.012～0.06之間的辦公建筑物及其他重要或人員密集的公共建筑物；③年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)在0.06～0.3之間的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物；④年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于等于0.06的一般性工業(yè)建筑物；⑤根據(jù)雷擊后果及具體情況，確定需要防雷的火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境；⑥在平均雷暴日大于15天/年的地區(qū)，高度在15m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物；在平均雷暴日小于或等于15天/年的地區(qū)，高度在20m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑。9.2直擊雷過電壓的防護(hù)9.2.2直擊雷的防護(hù)裝置1．避雷針及其保護(hù)范圍避雷針由承受雷擊的接閃器、支持構(gòu)架、接地引下線和接地體四部分構(gòu)成。9.2直擊雷過電壓的防護(hù)單支避雷針的保護(hù)范圍，按下列方法確定（1）當(dāng)避雷針高度h≤hr時距地面hr處作一與地面平行的平行線。以避雷針的針尖為圓心，hr為半徑作弧線，交上述平行線于A、B兩點(diǎn)。分別以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線均與針尖相交并與地面相切。由此弧線起到地面上的整個錐形空間，就是避雷針的保護(hù)范圍。避雷針在被保護(hù)物高度hx水平面上的保護(hù)半徑，按下式計(jì)算：9.2直擊雷過電壓的防護(hù)（2）當(dāng)避雷針高度h＞hr時在避雷針上取高度hr的一點(diǎn)代替單支避雷針的針尖作圓心，其余保護(hù)范圍的求法同h≤hr時。9.2直擊雷過電壓的防護(hù)2．避雷線及其保護(hù)范圍對于單根避雷線的保護(hù)范圍，當(dāng)避雷線的高度h≥2hr時，無保護(hù)范圍；當(dāng)避雷線的高度h<2hr時，應(yīng)按下列方法確定，參見圖9.2.2。1）距地面hr處畫一與地面平行的平行線。2）以避雷線為圓心，hr為半徑作弧線，交平行線于A、B兩點(diǎn)。3）以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該兩弧線相交或相切，并與地面相切。從該弧線起到地面上的空間就是其保護(hù)范圍。4）當(dāng)2hr＞h＞hr時，保護(hù)范圍最高點(diǎn)的高度h0按下式計(jì)算：h0＝2hr－h(huán)

5）避雷線在被保護(hù)物高度hx的水平面上的保護(hù)寬度，按下式計(jì)算：9.2直擊雷過電壓的防護(hù)9.2.3防護(hù)雷電流反擊的措施如圖9.2.4所示，當(dāng)雷擊避雷針以后，雷電流沿接地引下線入地，在A、B兩點(diǎn)產(chǎn)生高電位。若避雷針與被保護(hù)物之間的空中距離Sa或它們的接地體在土壤中的距離Se不能承受A、B兩點(diǎn)的高電位，就會造成Sa或Se間隙擊穿或閃絡(luò)，這種現(xiàn)象稱為反擊。為了防止反擊的發(fā)生，避雷針必須與被保護(hù)物之間保持一定的安全距離。9.2直擊雷過電壓的防護(hù)9.2.3防護(hù)雷電流反擊的措施式中h——被保護(hù)物的高度，m；L0——避雷針上單位長度的電感，常取1.3μH/m；Rsh——避雷針的沖擊接地電阻，Ω；i——雷電流，kA，從安全考慮常取幅值為150kA； ——雷電流陡度，kA/μs，若為斜角波頭，且波頭長為2.6μs，則最大陡度。上式可簡化為：

若取雷電壓的電阻分量對空氣間隙的擊穿強(qiáng)度為500kV/m，雷電壓的電感分量對空氣間隙的擊穿強(qiáng)度為700kV/m，則避雷針對被保護(hù)物不發(fā)生反擊的最小安全距離工程上常?。?/p>

獨(dú)立避雷針的接地體與被保護(hù)物的接地體在地中也應(yīng)保持一定的安全距離，同樣可得：一般情況下，Sa不允許小于5m，Se不應(yīng)小于3m。9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)9.3.1雷電沖擊波沿導(dǎo)線的傳播1．沖擊波沿導(dǎo)線傳播的基本規(guī)律雷電沖擊波行進(jìn)的速度只與線路導(dǎo)線的分布電感和導(dǎo)線對地的分布電容有關(guān)，電壓波和電流波幅值之比的關(guān)系為：式中：L0——導(dǎo)線的分布電感，H/m；C0——導(dǎo)線的對地分布電容，F(xiàn)/m。Z稱為波阻抗9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)2．波的折射與反射如圖所示，對結(jié)點(diǎn)A而言，根據(jù)邊界能量守恒原則，任何瞬間在結(jié)點(diǎn)上只能呈現(xiàn)一個電壓值和電流值，則邊界方程為：

9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)聯(lián)立方程求解，也可以用如圖所示的一個集中參數(shù)等效電路表示（稱之為等效集中參數(shù)定理或彼得遜規(guī)則）

9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)下面討論幾種特殊情況：線路末端開路時 線路末端斷開處可視為結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)后面的波阻抗Z2=∞。則α＝2，β＝1，即Urw＝2Uin，Uew＝Uin，此時線路開路末端會呈現(xiàn)出2Uin的電壓，嚴(yán)重威脅絕緣安全，必須設(shè)置防雷保護(hù)。線路末端短接時 線路末端短接處可視為結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)后面的波阻抗Z2=0，則α＝0，β＝－1，即Urw＝0，Uew＝－Uin。此時在進(jìn)線線路上的合成波電壓為零，這說明只要有良好的接地，則侵入線路的沖擊波電壓能迅速消失，不致造成危害。9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)2．管型避雷器(播放動畫）管型避雷器由產(chǎn)氣管、內(nèi)部間隙和外部間隙三部分組成。產(chǎn)氣管由纖維、有機(jī)玻璃或塑料制成。內(nèi)部間隙裝在產(chǎn)氣管內(nèi)部，一個電極為棒形，另一個電極為環(huán)形。外部間隙設(shè)在避雷器和帶電的導(dǎo)體之間，其作用是保證正常時避雷器與電網(wǎng)的隔離，避免纖維管受潮漏電。由于管型避雷器伏秒特性較陡，不易與變壓器的伏秒特性相配合，且在動作時有氣體噴出，因此，管型避雷器主要用于室外線路上。9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)3．閥型避雷器

閥型避雷器由裝在密封磁套管中的火花間隙組和具有非線性電阻特性的閥片串聯(lián)組成。9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)4．金屬氧化物避雷器金屬氧化物避雷器又稱壓敏避雷器。它在結(jié)構(gòu)上沒有火花間隙，由氧化鋅或氧化鉍等金屬氧化物燒結(jié)而成的壓敏電阻片（閥片）組成。這種避雷器的閥片具有優(yōu)異的非線性伏安特性，在工頻電壓下，閥片具有極大的電阻，呈絕緣狀態(tài)，能迅速有效的阻斷工頻續(xù)流，因此無需火花間隙來熄滅工頻電壓引起的電??；當(dāng)電壓超過一定值（稱為起動電壓）時，閥片“導(dǎo)通”，呈低阻狀態(tài)，將大電流泄入地中；當(dāng)危險(xiǎn)過電壓消失以后，閥片迅速恢復(fù)高阻絕緣狀態(tài)。金屬氧化物避雷器具有無間隙、無續(xù)流、通流量大、殘壓低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此很有發(fā)展前途，世界上許多國家都已用它取代了碳化硅閥式避雷器。

9.3感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)9.3.3避雷器與被保護(hù)物絕緣的伏秒特性配合電氣設(shè)備的沖擊絕緣強(qiáng)度是用伏秒特性表示。所謂伏秒特性，即絕緣材料在不同幅值的沖擊電壓作用下，其沖擊放電電壓與對應(yīng)的起始放電時間的關(guān)系。避雷器要能可靠的保護(hù)該設(shè)備，其伏秒特性必須低于被保護(hù)物的伏秒特性，并且要留有一定的間距，這樣才能保證在同一沖擊電壓作用下，避雷器總是首先擊穿對地放電。

9.4供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)9.4.1配電變壓器的防雷保護(hù)

在供配電系統(tǒng)中，常常在變壓器的高壓側(cè)裝設(shè)閥型避雷器作為變壓器的防雷保護(hù)。對于Y/Yn0接線的變壓器，一般把外殼、中性點(diǎn)與避雷器共同接地。9.4供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)9.4.2架空線路的防雷措施（1）架設(shè)避雷線（2）提高線路本身的絕緣水平（3）利用三角形排列的頂線兼作防雷保護(hù)線 （4）加強(qiáng)絕緣弱點(diǎn)的保護(hù)（5）裝設(shè)自動重合閘裝置

9.4供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)9.4.3變配電所的防雷措施

1．變配電所的直擊雷保護(hù)變電所內(nèi)如下設(shè)備和建筑物應(yīng)該有直擊雷保護(hù)裝置：（1）屋外的配電裝置（包括母線廊道、架空母線橋、軟連線等）；（2）遭受雷擊后可能引起火災(zāi)的建筑物，例如露天的油箱和油設(shè)備等建筑物以及易燃材料的倉庫；（3）有爆炸危險(xiǎn)的建筑物，例如氫氣設(shè)備和乙炔發(fā)生裝置等；（4）雷擊后可能引起力學(xué)性能破壞的高大建筑物，例如煙囪、冷卻塔和變壓器修理間等。9.4供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)2．35～110kV變電所的進(jìn)線保護(hù)進(jìn)線保護(hù)的目的在于防止線路上落雷后雷電波侵入變電所，危害變電所的配電裝置。不采用全線裝設(shè)避雷線的線路，可以在進(jìn)線段1～2km內(nèi)架設(shè)避雷線，防護(hù)直接雷擊，還可以使感應(yīng)雷過電壓產(chǎn)生在1～2km以外，靠進(jìn)線段本身的阻抗起限流作用，降低雷電沖擊波的幅值和陡度。為了限制線路上遭受直擊雷產(chǎn)生的高電壓，該線路進(jìn)線段的首端，裝設(shè)一組管型避雷器F1，且其工頻接地電阻應(yīng)在10Ω以下。

在靠近隔離開關(guān)或斷路器QF1處裝設(shè)一組管型避雷器F2，防止線路上的雷電波侵入到隔離開關(guān)或斷路器開路處由于反射而形成兩倍侵入波幅值的電壓，損壞隔離開關(guān)或斷路器。F2的外間隙應(yīng)調(diào)整于正常運(yùn)行時不被擊穿。

閥型避雷器F3保護(hù)價值高而絕緣相對薄弱的變壓器。

播放動畫9.4供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)3．高壓電動機(jī)的防雷保護(hù)在運(yùn)行中電動機(jī)繞組的安全沖擊耐壓值常低于磁吹閥型避雷器的殘壓，因此單靠避雷器構(gòu)成的高壓電動機(jī)保護(hù)不夠完善，必須與電容器和電纜線段等聯(lián)合組成保護(hù)。

當(dāng)侵入波使管型避雷器F1擊穿后，電纜首端的金屬外皮和芯線間被電弧短路，由于雷電流頻率很高和強(qiáng)烈的趨膚效應(yīng)使雷電流沿電纜金屬外皮流動，而流過電線芯線的雷電流很小。同時，由于電纜和架空線的波阻抗不同（架空線約400～500Ω，電纜約10～50Ω），雷電波在架空線與電纜的連接點(diǎn)上會發(fā)生折射與反射。雷電波侵入電纜以后，電壓波幅值已經(jīng)大大降低。

采用F2與電容器C并聯(lián)來降低母線上侵入波的波幅值和波陡度，保護(hù)中性點(diǎn)的絕緣。9.5接地與接零9.5.1接地與接零的類型

按接地目的和作用不同，可分為工作接地和保護(hù)接地兩大類。電力系統(tǒng)由于運(yùn)行和安全的需要，常將發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn)以及避雷器、避雷針的接地端與大地連接，稱為工作接地。為避免觸電事故的發(fā)生，保障人身安全而將電氣設(shè)備的金屬外殼進(jìn)行接地，稱為保護(hù)接地。這種接地方式可以起到降低觸電電壓，迅速切斷故障設(shè)備或降低電氣設(shè)備對地的絕緣水平等作用。9.5接地與接零根據(jù)保護(hù)接地的實(shí)現(xiàn)方式又可以分為IT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)以及TT系統(tǒng)。1．IT系統(tǒng)在中性點(diǎn)不接地的三相三線制低壓系統(tǒng)中，將電氣設(shè)備正常情況下不帶電的外露可導(dǎo)電部分（金屬外殼和構(gòu)架等）與接地體之間作很好的金屬連接，稱為IT系統(tǒng)。

9.5接地與接零如果電氣設(shè)備的外殼未接地，當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生一相碰殼而使其外殼帶電時，人體觸及外殼，則電流經(jīng)人體而構(gòu)成通路，造成觸電危險(xiǎn)。

如果設(shè)備外殼接地，則由于人體電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接地電阻，即使人體觸及外殼，流經(jīng)人體的電流較小，沒有多大危險(xiǎn)。9.5接地與接零2．TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)適用于中性點(diǎn)接地的三相四線制的低壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電氣設(shè)備的金屬外殼經(jīng)公共的保護(hù)線（PE線，protectiveearthing）或保護(hù)中性線（PEN線，又稱零線）與系統(tǒng)中性點(diǎn)相連接地。當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生一相碰殼時，短路電流經(jīng)外殼和零線構(gòu)成回路，回路中相線、零線和設(shè)備外殼阻抗很小，短路電流很大，令線路上的熔斷器迅速熔斷，切除故障。

9.5接地與接零TN系統(tǒng)根據(jù)保護(hù)線與中線的組合形式分為TN－C系統(tǒng)、TN－S系統(tǒng)和TN－C－S系統(tǒng)。9.5接地與接零3．TT系統(tǒng)TT系統(tǒng)適用于中性點(diǎn)直接接地的三相四線制系統(tǒng)，電氣設(shè)備的金屬外殼均各自單獨(dú)接地，該接地點(diǎn)與系統(tǒng)接地點(diǎn)無關(guān)。當(dāng)發(fā)生接地故障時，故障點(diǎn)對地電壓將為110V，通過人體的電流將達(dá)0.1～0.2A，顯然不能保證人身安全。因此，TT系統(tǒng)中應(yīng)該裝設(shè)漏電保護(hù)裝置。

9.5接地與接零9.5.2重復(fù)接地在TN系統(tǒng)中，當(dāng)PE線或PEN線斷線且有設(shè)備發(fā)生單相碰殼時，接在斷線處后面的設(shè)備外殼上出現(xiàn)接近于相電壓的對地電壓，存在觸電危險(xiǎn)。因此，為了進(jìn)一步提高安全可靠性，除系統(tǒng)中性點(diǎn)進(jìn)行工作接地外，還必須在以下地點(diǎn)重復(fù)接地。(1)架空線路末端及沿線每隔1km處；(2)電纜和架空線引入車間和大型建筑物處。

9.5接地與接零9.5.3接地裝置1.接地裝置的構(gòu)成

接地裝置由接地體和接地線兩部分構(gòu)成。接地體分為水平接地體和垂直接地體。垂直接地體通常采用直徑50mm，長2～2.5m的鋼管或50×50×5mm，長2.5m的角鋼，打入地中與大地直接相連。水平接地體一般采用扁鋼或角鋼，將垂直接地體連接起來。連接于接地體與電氣設(shè)備金屬外殼之間的金屬導(dǎo)線，稱為接地線。接地線通常采用25×4mm或40×4mm的扁鋼或直徑16mm的圓鋼。9.5接地與接零2.接地裝置的散流效應(yīng)

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地故障時，電流經(jīng)接地裝置是以半球面形狀向大地散開的，稱為散流效應(yīng)。在距接地體20m左右處，散流電阻