第六章++电力系统过电压案例

第六章
过电压保护
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主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节

过电压概述 直接雷击过电压保护 雷电侵入波保护 过电压保护设备
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第一节 过电压概述
电力系统运行中，出现危及电气设备 绝缘的电压称为过电压，即在电气线路 或电气设备上出现的超过正常工作要求 的电压。 过电压对电气设备和电力系Байду номын сангаас安全 运行很危险，必须采取相应的保护措施。
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二、过电压分类
1、雷电过电压
雷电过电压又称大气过电压或外部过电压，它是由于 电力系统内的设备或建筑物遭受来自大气中的雷击或雷电 感应而引起的过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波，其 电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，对供 电系统的危害极大。
2、内部过电压
内部过电压是由于电力系统内的开关操作、发生故障 或其他原因，使系统的工作状态突然改变，从而在系统内 部出现电磁振荡而引起的过电压。 内部过电压又分操作过电压、谐振过电压和工频过电 压等形式。其中工频过电压和谐振过电压又称为暂时过电 压。内部过电压一般不会超过系统正常运行时相电压的3～4 倍，因此对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。
因直接雷击或感应雷击在输电线路导线中形成迅速 流动的电荷称为雷电进行波，雷电进行波对前进道路上 的电气设备构成威胁，因此又称为雷电侵入波。最大的 威胁是：当雷电侵入波前行时，如遇到处于分闸状态的 线路开关，或者来到变压器线圈尾端中性点处，则会产 生进行波的全反射。这个反射与侵入波迭加，过电压增 高一倍，极容易造成击穿事故。
2、雷电放电
雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应 出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同 数量电荷的雷云之间，或雷云和大地之间就形成了强 大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着 雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离 放电的临界电场强度(大气中约30kV/cm，有水滴存在 时约10kV/cm)时，就会发生云间或对大地的火花放电； 放出几十乃至几百千安的电流；产生强烈的光和热(放 电通道温度高达15000℃至20000℃)，使空气急剧膨胀 震动，发生霹雳轰鸣，这就是闪电伴随雷鸣，称为雷 电之故。 大多数雷电放电发生在雷云之间，如果雷云较低， 其附近又没有带异号电荷的其它雷云，这时，雷云就 会对地放电，特别是对地面上的高大树木或高大建筑 放电。
雷云对电力架空线路的杆塔顶部放电，或者雷云对 电力架空线路杆塔顶部的避雷线放电。这时，雷电流经 杆塔入地时，在杆塔顶部和接地装置阻抗上存在电压降。 因此，杆塔顶部出现高电位，这个高电位作用于线路的 导线绝缘子上，如果电压足够高，有可能产生击穿，对 导线放电，这种情况称为雷电反击过电压。
5、雷电侵入波
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三、雷电过电压
1、雷云形成
雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，雷电放电 是由带电荷的“雷云”引起的。 雷云带电原因的解释很多，一般认为，雷云是 在有利的大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流 不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升 气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负 电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云；大滴 水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一 些局部带正电的区域。 据观测，在地面上产生雷击的雷云多为负雷云。
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一、过电压及其危害
为了考核电气设备的绝缘水平，规定了与电力 系统额定电压对应的允许最高工作电压，一般地， 电力系统的运行电压在正常情况下不会超过最高工 作电压。 由于雷击或电力系统中的操作、事故等原因， 使某些电气设备和线路上承受的电压大大超过正常 运行电压，危及设备和线路的绝缘。 过电压对电力系统的安全运行有极大危害，雷 击会造成人员伤亡，也会造成电力线路或设备绝缘 击穿损坏，不仅中断供电，甚至引起火灾。由于电 气设备运行操作不当引起的内部过电压，也会引起 设备绝缘击穿损坏，造成电力系统的极大破坏。
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雷电的危害 1、雷电的热效应和机械效应 遭受直接雷击的树木、电杆、房屋等，因 通过强大的雷电流会产生很大的热量，但在极 短的时间内又不易散发出来，所以会使金属熔 化，使树木烧焦。同时由于物体的水分受高热 而汽化膨胀，将产生强大的机械力而爆炸，使 建筑物等遭受严重的破坏。 2、雷电的磁效应 在雷电流通过的周围，将有强大的电磁场 产生，使附近的导体或金属结构以及电力装置 中产生很高的感应电压，可达几十万伏，足以 破坏一般电气设备的绝缘；在金属结构回路中， 接触不良或有空隙的地方，将产生火花放电， 引起爆炸或火灾。
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3、直接雷击过电压 雷云对大地的放电虽然只占少数，但是一 旦发生就有可纶带来严重的危险。 雷云直接对电器设备或电力线路放电，雷 电流流过这些设备时，在雷电流流通路径上的 阻抗(包括接地电阻)上产生冲击电压，引起过 电压。这种过电压称为直接雷击过电压。
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4、雷电反击过电压
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据观测，雷云对地放电大多数要重复2～3次。其 中第一次放电过程是分级发展的(称为先导)，如图52所示。 先导放电：雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附 近地面上感应出正电荷，当雷云与大地之间局部电场 强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通 道自雷云边缘向大地发展。这一放电阶段称为先导放 电。先导通道逐步发展当临近地面时，由于局部空间 电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导 放电向天空发展，称为迎面先导。当先导通道到达地 面或与迎面先导相遇以后，形成一个高导电率的等离 子体通道，使先导通道中的正、负电荷强烈吸引中和， 这就是主放电阶段。 第一次主放电电流最大，能达几十、上百千安， 主放电时间很短，只有50～100μs。第一次主放电结 束后，经过0.03～0.05s间隔时间后，沿第一次放电 通路出现第二次放电。第二次放电不再分级进行而是 连续发展出现主放电。
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6、感应雷击过电压
架空线路在附近出现对地雷击时极易产生感应过电 压。当雷云出现在架空线路上方时，线路上由于静电感 应而积聚大量异性的束缚电荷，当雷云对地或其他雷云 放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷，向 线路两端泄放，形成电位很高的过电压波，对供电系统 危害也很大。如下图所示。