1、第十一章第十一章 发电厂防雷与过电压保护发电厂防雷与过电压保护 雷电放电、 雷电流及雷过电压 一、雷电放电 地面湿气受热上升，凝成水滴或冰晶，形成积云积云，积云在运动过程中受到强烈气流的作用，形成了带有正、负不同电荷的带电积云称为雷云。带电积云称为雷云。在上下气流的强烈撞击和摩擦下，雷云中的电荷越聚越多，一方面在空中形成了正、负不同雷云间的强大电场；另一方面雷雷云与大地或建筑物之间也形成了强大的电场。云与大地或建筑物之间也形成了强大的电场。当雷云中电荷密集处的场强达2530kvcm时，就会发生放电。这个过程叫先导放电。 当先导放电的头部接近异性雷云电荷中心或地面感应电荷中心就开始进入放电的第二
2、阶段，即主放电阶段。 其放电的电流即雷电流，可达几十万安，电压可达几百万伏，温度可达2万摄氏度。在几个微秒时间内，使周围的空气通道烧成白热而猛烈膨胀，并出现耀眼的光亮和巨响，这就是通常所说的“打闪”和“打雷”。对地放电的雷云90左右是负极性(云带负电)的。 雷云对地放电通常分为先导放电、主放电和余光放电。 通常，不只发生一个三阶段的放电过程，而是一个接一个的多次重复过程。 一般是第一分量幅值最大，后续分量幅值依次减小。各分量中的最大电流和电流增长最大陡度，是造成被击物体上的过电压、电动力和爆破力的主要因素，而在余光阶段中流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素之一。 二、雷过电压 雷过电
3、压又称为大气过电压。雷过电压有两种：一种是雷直接击于输电线路或设备引起的，称为直击雷过电压； 另一种是雷击输电线路附近的地面或设备时，由于电磁感应引起的，称为感应雷过电压。 同时，雷电波沿输电线路入侵雷电波沿输电线路入侵变电所或升压所，也对其中设备造成威胁。最危险的是直击雷过电压。雷击输电线路往往造成跳闸事故， 避雷针与避雷线避雷针与避雷线 为了防止设备受到直接雷击，最常用的措施是装设避雷针或避雷线。它由金属制成，高于被保护物，具有良好的接地装置，其作用是将雷电引向自身并安全地将雷电流导入地中，从而保护其附近比它低的设备免受直接雷击。单支避雷针的保护范围，见图单支避雷针的保护范围，见图113，
4、避雷针包括接闪器(针头)、引下线和接地体三部分。 避雷线是悬挂在空中的水平的接地导线，又称架空地线，主要用于保护架空输电线路，也可用于发电厂、升压所作直击雷保护。第三节第三节 避雷器避雷器 避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。避雷器的类型主要有保护间隙、阀型避雷器和氧化锌避雷器。 保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。 阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护，在220kV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。一、保护间隙 一般由两个相距一定距离的、敞露于大气的电极构成，将它与被保护设备并联，
5、如图127所示，适当调整电极间的距离(间隙)，使其击穿放电电压低于被保护设备绝缘的冲击放电电压，并留一定的安全裕度。 当雷电波入侵时，主间隙先击穿，形成电弧接地。过电压消失后，主间隙中仍有正常工作电压作用下的工频工频续流。 由于这种间隙的熄弧能力较差，间隙电弧往往不能自行熄灭，对中性点接地系统而言，这种间隙的工频续流就是间隙处的接地短路电流。将引起断路器跳闸，这是保护间隙的主要缺点。此外，由于间隙敞露，其放电特性也受气象和外界条件的影响。 正常情况下，火花间隙将带电部分与阀片隔开。当雷电波的幅值超过避雷器的冲击放电电压时，火花间隙被击穿，冲击电流经阀片流入大地，阀片上出现电压降(残压)。只要使
6、避雷器的冲击放电电压和残压低于被保护设备的冲击耐压值，设备就可得到保护。 而避雷器的灭弧电压必须高于所在系统的最高工作电压，这样才能保证雷电波过后顺利熄灭工频续流电弧。二、阀型避雷器由装在密封瓷套中的火花间隙和非线性电阻(又称阀片)串联构成，如图118所示。阀片的电阻值与流过的电流有关，电流愈大电阻愈小。 阀型避雷器分普通型和磁吹型两类。阀型避雷器分普通型和磁吹型两类。普通型的火花间隙由许多如图1210所示的单个间隙串联而成。避雷器动作后，工频续流电弧被许多单个间隙分割成许多段短弧，减小工频续流有利于间隙电弧的熄灭，因此在工频电压下，希望阀片有较大的电阻。 磁吹型：磁吹型： 利用磁场使每个间隙
7、中的电弧产生运动(如旋转或拉长)来提高灭弧能力。其原理接线见图。 辅助间隙，是为了消除磁吹线圈在冲击电流通过时产生过大的压降。阀片的作用是限制工频续流。 在冲击电压作用下，主间隙被击穿，放电电流通过磁吹线圈，其上的压降使辅助间隙击穿，放电电流便经过辅助间隙、主间隙和阀片流入大地，使避雷器的压降不致增大。当工频续流通过时，磁吹线圈上的压降减小，迫使辅助间隙中的电弧熄灭，工频续流也就很快转入磁吹线圈，产生磁场起吹弧作用。 电阻阀片都是金刚砂(SIC)和结合剂烧结而成，称为碳化硅阀片。普通型避雷器的阀片是在低温下烧结而成，不能承受持续时间较长的内过电压冲击电流；磁吹型避雷器的阀片，是在高温下烧结而成
8、，能用于限制内部过电压。目前我国生产的普通型避雷器有FS型和FZ型两种型号。 FS型避雷器，其通流容量较小，主要用于保护小容量的3一l0kV配电装置中的电气设备(如变压器等) 。FZ型避雷器，其特性较好、通流容量较大，主要用于保护发电厂、大中型变电所的变压器和电容器等设备。磁吹型避雷器主要有FCZ电站型和保护旋转电机用的FCD型。氧化锌避雷器氧化锌避雷器 氧化锌避雷器，实际上也是一种阀型避雷器，其阀片以氧化锌(ZnO)为主要材料，加入少量金属氧化物，在高温下烧结而成。金属氧化锌阀片电阻的伏安特性如图所示。伏安特性曲线分为小电流区、非饱和区和饱和区三个区域。 在额定电压(或灭弧电压)下，运行在小
9、电流区，其阀片电阻的通过电流仅数百微安，氧化锌阀片电阻呈高阻状态。当加过电压之后，电阻片的通过电流逐渐增加，其过程与一个放电间隙与非线性电阻串联的阀型避雷器击穿相似，氧化锌阀片电阻的通过电流急剧增大，过渡到非饱和区。 电压降至起始电压时，氧化锌阀片电阻终止“导通”，又恢复到小电流区运行，可视为无续流通过。 ZnO避雷器与避雷器与SiC避雷器相比较，由于避雷器相比较，由于ZnO避雷器采用避雷器采用了非线性优良的了非线性优良的ZnO阀片，使其具有许多优点。阀片，使其具有许多优点。 (1)无间隙、无续流。在工作电压下，ZnO阀片呈现极大的电阻，续流近似为零，所以一般不用串联间隙来隔离工作电压。(2)
10、通流容量大。由于续流能量极少，仅吸收冲击电流能量，故ZnO避雷器的通流容量较大，更有利于用来限制作用时间较长(与大气过电压相比)的内部过电压。 (3)可使电气设备所受过电压降低。在相同雷电流和相同残压下，SiC避雷器只有在串联间隙击穿放电后才泄放电流，而ZnO避雷器(无串联间隙)在波头上升过程中就有电流流过，这就可降低作用在设备上的过电压。 (4)在绝缘配合方面可以做到陡波、雷电波和操作波的保护裕度接近一致。(5)ZnO避雷器体积小、质量轻、结构简单、运行维护方便。目前生产的ZnO避雷器，大部分是无间隙的。对于超高压避雷器，也采用并联或串联间隙的方法。图1115表示ZnO避雷器有并联间隙的原理
11、图。图1114示出SiC避雷器、ZnO避雷器及理想避雷器的伏安特性曲线，以作比较。图中假定ZnO、SiC阀片在10kA电流下的残压相同；但在额定电压(或灭弧电压)下，ZnO伏安特性曲线所对应的电流一般在10-5A以下，可以近似认为其续流为零，而SiC伏安特性曲线所对应的续流却为100A左右。也就是说，在工作电压下ZnO阀片可看作是绝缘体。2.1 220kV避雷器额定值项 目金属氧化物避雷器a. 额定电压 (kV，有效值)200b. 额定频率 (Hz)50c. 标称放电电流 (kA)10d. 持续运行电压 (kV，有效值)1462.2 220kV避雷器保护特性项 目金属氧化物避雷器a. 陡波10
12、kA冲击电流下最大残压 (波头15s) ( kV)582b. 雷电冲击电流下最大残压 (8/20s) ( kV)520c. 2kA操作冲击电流下最大残压 (波头30100s) ( kV)442d. 工频参考电压 (工频参考电流1mA)290表113给出Y5WZ系列电站用无间隙氧化锌避雷器的技术数据。表114给出Y10W5系列中部分氧化锌避雷器的技术数据。 发电厂的接地装置发电厂的接地装置 按接地的目的，电气设备的接地可分为：工作接地、防雷接地、保护接地和仪控接地。 (1)工作接地：是为了保证电力系统正常运行所需要的接地。例如变压器中性点接地，其作用是稳定电网对地电位，从而可使对地绝缘降低。 (
13、2)防雷接地：是针对防雷保护的需要而设置的接地。例如避雷针(线)、避雷器的接地，目的是使雷电流顺利导入大地，以利于降低雷过电压，故又称为过电压保护接地。 (3)保护接地：也称安全接地，是为了人身安全而设置的接地，即电气设备的外壳(包括电缆皮)必须接地，以防外壳带电危及人身安全。 (4)仪控接地：发电厂的热力控制系统、数据采集系统、计算机监控系统、晶体管 或微机型继电保护系统和远动通信系统等，为了稳定电位、防止干扰而设置的接地。仪控接地亦称电子系统接地。一、接地电阻基本概念 接地电阻是指电流经接地体进入大地并向周围扩散时所遇到的电阻。当没有接地电流通过时，大地各处的电位是相等的，并认为其电位为零
14、。但大地不是理想导体，它具有一定的电阻率，称为大地电阻率或土壤电阻率，大地电阻率在不同的地质条件下是不同的。如果有电流流过，则大地各处就出现了不同的电位。注人大地的电流，它以电流场的形式向四处扩散，如图1116所示。离电流注入点愈远，半球形的散流面积愈大，地中的电流密度就愈小，一般认为在较远处(1520m以外)，单位扩散距离的电阻及地中电流密度已接近零，该处电位已近似为零电位。显然，当接地点有电流流入大地时，接地点电位最高，离接地点愈远，电位愈低，图1116中曲线VF(r)表示地表面的电位分布情况人们把接地点处的电位VM与接地电流I的比值定义为该点的接地电阻R=VM/I 。当接地电流为定值时，
15、接地电阻R愈小，则电位VM愈低，反之则愈高。 接地装置的接地电阻R主要决定于接地装置的结构、尺寸、埋入地下的深度及当地土壤的电阻率。因金属接地体的电阻率远小于土壤电阻率，故接地体本身的电阻在接地电阻R中可以忽略不计。二、接地电阻允许值 接地电阻的允许值是根据接地电流的大小、接地装置上出现电压时间的长短和接触几率多少，并考虑不同土壤电阻率下投资的合理性而制定。 在大电流接地系统中，接地电流都是由接地短路故障引起的，电流值较大，但故障切除时间快，接地装置上出现电压的持续时间也很短。所以规定接地网电压不得超过2000V，其接地装置的接地电阻为式中 I流经接地装置的(短路)电流。 当I4000A时，可
16、取R0.5。在大地电阻率很高时允许将R值放宽到R5，但在这种情况下，必须验证人身安全。在小电流接地系统中，接地故障电流I较小，继电保护常动作于信号，不切除故障，接地装置上出现电压的持续时间较长，因此，接地电压应限制得较低。当接地装置仅用于高压设备时，规定接地电压不得超过250v，即 当接地装置为高低压设备所共用时，考虑到人与低压设备接触的机会更多，规定接地电压不得超过120V，即一般在小电流接地系统中，接地电阻不应超过10。大地电阻率较高时，接地电阻允许取大些。 对工作接地及人身安全保护接地而言，接地电阻是指直流或工频电流流过时的电阻；对过电压保护接地而言，是指雷电冲击电流流过时的电阻，简称冲
17、击接地电阻。同一接地装置在工频电流和冲击电流作用下，将具有不同的电阻值，通常用冲击系数。表示两者的关系一般情况下，a1/C)，电路不具备线性谐振的条件。但是，由于某种原因使铁芯电感两端的电压升高导致铁芯趋于饱和时，其电感随之减小，当减小到L=1/c（0=1/ = ，即回路自振频率0等于电源频率)时，便满足串联谐振条件，此时电流I增大，在电感、电容两端出过电压，这种现象称为铁磁谐振现象。LC因为回路电感不是常数，回路没有固定的自振频率，因此同一回路具有各次谐波谐振的可能性，这是铁磁谐振的重要特点。 铁磁谐振的主要特点可归纳为： (1)对串联谐振回路，产生铁磁谐振的必要条件是0=1 /LC1/2L
18、0方)都可能产生铁磁谐振。 (2)对铁磁谐振回路，在正常电源电动势作用下，回路处于非谐振工作状态(al点)，只要受到外界强的冲击扰动就可能激发起铁磁谐振，过渡到谐振工作点(a3)。随着产生过电流和过电压的同时，电路从感性突然变成容性，发生相位反倾现象。 (3)非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因，但铁磁元件的饱和效应本身又限制了过电压的幅值。此外，回路损耗也使谐振过电压受到阻尼和限制，当回路电阻大于一定的数值时，就不会产生铁磁谐振，这就说明为什么电力系统中的铁磁谐振过电压往往发生在变压器处于空载或轻载的时候。 上面分析了基波谐振过电压的基本性质。实际运行和实验分析表明，在铁芯电感的振荡回路中
19、，如果满足一定条件，还可能出现持续性的其他频率的谐振现象。若其谐振频率等于工频的整数倍，称为高次谐波谐振过电压；若谐振频率等于工频的分数倍，则称为分次谐波谐振过电压。 与基波铁磁谐振的条件相类似，可以得出产生第是次谐波谐振的条件是，电路中的非线性电感的第k足次谐波初始感抗大于或接近于第k次谐波容抗，即 kL1/kC在发电厂中铁磁谐振往往发生在以下两种运行工况：发电机不带主变压器和厂用变压器单独零起升压的过程中；用厂用变压器向厂用中压空母线送电时。第一种工况时，如果发电机中性点不接地，而发电机带的是3台单相TV，则每相对地电压是由相对地电容与每相TV的电感来决定的，TV是非线性电感，就产生了铁磁
20、谐振的条件，而三台TV的ULf(I)曲线不可能完全一致。铁磁谐振时，发电机出口的相对地电压可能很高，而相间电压正常。如图1128所示，中性点电位从O移动到O，移动的位置与三台TV非线性电感的值和三相对地电容量有关。这种现象的产生，一般是当发电机单独做空载特性试验，电压升到1.01.3Un时更容易发生。为了防止铁磁谐振的产生，可以在TV的二次侧并进一只非线性电阻。“土”办法是将三只TV的二次侧连接成开口三角跨接一只100W白炽灯泡。“洋”办法是加装一种所谓“消谐器”，最好的办法是选择不易饱和的电压互感器。 第二种工况时，其机理与第一种工况完全一样。 11.1 什么叫直击雷过电压?什么叫感应雷过电
21、压? 11.2 避雷针防止设备受到直接雷击的原理是什么? 11.3 试述避雷器与避雷针的作用原理。 11.4 发电厂的接地装置用途有哪些? 11.5 何谓接地电阻?各种场合接地电阻的允许值是如何确定的? 11.6 什么叫“接触电压”和“跨步电压”? 11.7 仪控系统有哪些接地方式和特殊要求? 11.8 阴极保护是保护什么的，其原理是什么? 11.9 什么叫操作过电压?是什么因素引起的? 11.10 什么叫谐振过电压?是什么因素引起的? 思考题 1简述内外过电压的种类及其危害。 2. 简述阀型避雷器的基本结构和工作原理。 3. 简述磁吹避雷器的基本结构和工作原理。 4简述氧化锌避雷器的基本结构和工作原理。 5简述发电厂和变电所防止雷击的保护措施。10何谓保护接地和保护接零？可能触电有哪些的方式?13何谓接地电压、接触电压、跨步电压？其数值大小与什么有关？14过电压主要分哪些类型?避雷针、避雷线和避雷器的作用和保护范围是什么?本章结束点此进入下一章
