过电压保护高压电工进网作业.docx
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过电压保护高压电工进网作业
过电压保护
（高压电工进网作业）
主要介绍：
●雷电过电压和内部过电压；
●避雷器、避雷线保护范围；
●避雷器工作原理及结构；
●变电所的防雷保护；
一.过电压概述
1、过电压分类
过电压：
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。
过电压危害：
造成电力线路或电气设备绝缘击穿，引起电气设备损坏、人员伤亡、供电中断、引发火灾等。
可能引起过电压的因素：
主要有雷击和电力系统中的操作、事故、参数配合不当等因素。
过电压分类：
雷电过电压（大气过电压、外部过电压）和内部过电压两大类
雷电过电压分类：
1）直接雷击过电压
2）雷电反击过电压
3）感应雷过电压
4）雷电侵入波过电压
内部过电压分类：
1）工频过电压
2）谐振过电压：
（1）线性谐振过电压
（2）非线性谐振过电压（铁磁谐振）
（3）参数谐振过电压
3）操作过电压：
（1）切、合空载长线路过电压
（2）切、合空载变压器过电压
（3）开断感应电动机过电压
（4）弧光接地过电压
（5）开断并联电容器过电压
2、雷云形成
水蒸气→水滴→冲击磨擦→快速分裂→带正（负）电荷的小水珠→带负电荷的小水珠上升成为带负电荷的雷云。
3、雷电放电
雷电放电三个主要阶段：
先导、主放电通道、余辉放电。
雷电放电过程：
雷电先导通道带有与雷云极性相同的电荷（一般为负极性）,自雷云向大地分级发展。
在雷云及先导的电场的作用下，大地被感应出与雷云极性相反的电荷，当先导通道发展到离大地一定距离时，先导头部与大地之间的空气间隙被击穿，开始主放电过程，主放电结束后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地进行余辉放电。
一般要重复放电两至三次。
各阶段特点：
先导：
是经过数次分级先导发展后，才实现对地放电。
第两次以后放电不用再分级开展，沿第一次通路放电。
主放电：
沿先导发展路径进行主放电，第一次主放电电流最大（几千安至上百千安），时间短（50～100µS）。
余辉放电：
电流小，时间相对较长。
4、雷电过电压
1）直接雷击过电压
当雷云直接对电器设备或架空电力线路放电，雷电流流过这些设备时，在强大的雷电流流通路径的阻抗上将产生冲击电压，引起过电压。
2）雷电反击过电压
当雷云对电力线路杆塔顶部或避雷线放电，雷电流流经过杆塔和接地装置入地，强大的雷电流在杆塔和接地装置的阻抗上形成极大的电压降。
因此压降在杆塔顶部出现高电位，引起过电压。
架空线路接地装置主要包括接地引下线和接地体，接地装置就是埋入地中的金属接地体。
金属接地体一般是金属管、金属板或金属带。
大地是导电体，土壤也有一定的电阻率，在没有电流流通时大地和接地引下线是等电位。
当强制流进大地的电流以电流场的形式向四处扩散，离接地点愈远，地中电流的密度就愈小，电场强度也愈弱，直致接近零，则该处的电位为零电位。
3）感应雷过电压
感应雷过电压是由静电分量和电磁分量组成。
静电分量形成：
当雷云在先导分级发展阶段，架空电力线路处于雷云与先导通道的电场中，由于静电感应效应，沿线路方向的电场强度分量将线路两端与雷云异号的正电荷吸引到靠近先导通道的一段导线上来成为束缚电荷。
因先导阶段发展速度不大，所以导线上正负电荷运动很缓慢，由此引起的电流量很小，同时，由于导线对地泄漏电导的存在，导线近远处电位仍相同。
当雷云主放电后，先导通道中的负电荷被迅速中和，由先导通道所产生的电场也就迅速降低，使导线上的束缚电荷得到释放，并沿线路两端运动，形成过电压。
电磁分量形成：
雷电通道中的雷电流在通道周围空间建立了强大的磁场，此磁场的变化将使导线感应出很高的电压。
4）雷电侵入波过电压
雷电侵入波：
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。
侵入波在行进的通道上，对电气设备绝缘构成威胁。
更严重的危害还在于，当侵入波行进到处于分闸状态断路器时或者行进到变压器中性点处时，则会产生全反射波，反射波与侵入波迭加，将使过电压增高一倍。
波阻抗Z=√L0/C0L0为单位长度电感；C0为单位长度电容
反射波、折射波的数值和极性取决于电气设备波阻抗变化情况
5、内部过电压
内部过电压是由电力系统内部能量的传递或转化引起的，与电力系统内部结构、各项参数、运行状态、停送电操作和发生事故等因素有关。
不同原因引起的内部过电压，其过电压的数值大小、波形、频率、延续时间长短各不相同，应采取的防范措施也就有所区别。
1）工频过电压
工频过电压一般由线路空载运行，不接地系统发生单相接地或不对故障时引起。
单相接地引起的工频过电压：
在中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统中，当发生单相金属性接地故障时，故障相对地电压降零，另两相对地电压升高至线电压。
线路空载运行的工频过电压：
当高压长线路空载运行时，在导线中流动的主要是架空输电线路对地的电容电流。
由于高压架空线路的阻抗主要是电感电抗分量，在电容电流经过感抗后，在电感上的压降与电容上电压反相，使末端电压升高，也就是电容效应作用下电压升高。
工频过电压的特点：
持续时间长、过电压数值并不高，对电气设备绝缘危险相对较小。
但如果同时出现其它内部过电压，就比较严重。
2）谐振过电压
在电力系统中，存在许多电感（变压器、互感器、发电机等电感元件）、电容元件（输电线路对地及相间电容、高压电容设备等），它们的组合可以构成一系列不同自振频率的电感、电容串联振荡回路。
串联谐振的条件：
电感电抗和电容电抗数值很大且相等。
谐振过电压的形成：
电力系统中因开关操作或发生故障时，就有可能出现电感电抗和电容电抗数值相等，从而其阻抗变的十分微小，在电源电压作用下出现极大的电流，这大电流在电感、电容上产生很高的电压（比工作电压大很多），从而构成串联谐振过电压。
为防止发生分频谐振过电压事故，对于10kV电气回路的电压互感器采用V/V接线，这样在系统发生单相接地时，正常相对地电压升高时，可以避免因互感器铁芯饱和而引起铁磁谐振过电压。
线性过电压：
振荡回路中的电感元件不带铁芯或带铁芯但工作在励磁特性在线性区域，产生的谐振过电压。
非线性过电压（铁磁谐振）：
振荡回路中带铁芯的电感元件，因磁路严重饱和作用而激发起持续的较高幅值的过电压。
其表现形式可能是单相、两相或三相对地电压升高（超过线电压），或以低频摆动或者电压互感器中出现过电流引起熔断器熔断或互感器烧毁等。
参数谐振过电压：
如发电机发生异步运行或处在定子磁通变动的同步运行工况下，发电机电抗将在交、直轴电抗之间成周期性变动，引发同步发电机的端电压和电流幅值急剧上升，产生倍数较高的自励磁过电压。
3）操作过电压
操作过电压：
是指电力系统中由于操作或发生事故，使设备运行状态发生变化，引起相关设备电感、电容上的电场、磁场能量相互转换引起的过电压。
如果电路中电阻较大，能直到较好的阻尼作用，则振荡时能量消耗较快，电流电压迅速衰减进入稳态，过电压较快消失。
切空载长线路过电压：
切空载长线路过电压的根本原因是断路器分闸后电弧重燃。
在断路器分闸时，电流波形瞬时值过零电弧熄灭，若此刻电压波形瞬时值恰好到幅值，由于线路存在电容的缘故，线路残压不会立即消失。
再经过交流电半个周期后，电源电压的瞬时值变化到极性相反的最大值。
在断路器触头间作用的电位差成为两倍电源电压的幅值。
如果此刻断路器触头间的介质击穿电压小于电弧恢复电压时，电弧重燃间隙再次击穿。
电源电压对线路又一次充电，由于线路上已有残压，电源电压再次对其作用，若串联电感和电容而形成高频振荡（频率大高于工频），电源电压瞬时值还未下降，就因高频振荡电流过零而熄弧，则线路出现三倍电源电压幅值而过电压。
如果断路器灭弧能力仍不够强，如此反复重燃，则过电压数值会出现五倍的电源电压幅值。
合空载长线路过电压：
断路器合闸前线路初始电压为零，合闸瞬间的暂态过程中，电源电压经线路等值电感对等值电容充电，回路中将发生高频振荡过程，由于振荡频率极高，在达到稳态之前，要经历一个高频振荡过程，从而引起过电压。
如果在线路是重合闸，会因线路残压存在，引起的过电压情况将较为严重（若采用单重则不会）。
切空载变压器过电压：
根本原因是断路器灭弧能力过强，在断路器分闸后，电流波形未过零就强行将电流截断（电流突降至零）。
主要是因为电流的突变，电感性负载（如高压电机、变压器、电抗器等）设备磁路中磁通量跟着发生突变，根据电磁感应理论，磁通突变会产生很高的感应电势，从而产生过电压（即截流过电压）。
弧光接地过电压：
在中性点不接地系统中发生单相不稳定电弧接地时，即接地点的电弧间歇性地熄灭和重燃。
由于线路具有电感和对地电容，而接地故障使对地电压发生变化，引起电场能量和磁场能量相互转换，在间歇性电弧作用下，电磁场能量的转换产生强烈振荡，从而在电网健全相和故障相上将产生很高的电压。
二.
直接雷击过电压保护
1）单支避雷针的保护范围
避雷针高度为h；
避雷针在地面上的保护半径为1.5h*p；
若被保护物高度为hx时，在hx高度水平面上的保护半径rx；
计算公式一：
当hx≥h/2时，rx=（h-hx）*p=ha*p
计算公式二：
当hx＜h/2时，rx=（1.5h-2hx）*p
公式中：
ha为避雷针的有效高度；p为高度影响系数
高度影响系数p计算方法：
当h≤30m时，p=1；
当30＜h≤120m时，p=5.5/√h；
当h＞120m时，p=5.5/√h取h=120m；
2）两支等高避雷针的保护范围
计算规则：
（1）两针外侧的保护范围仍然按单支避雷针的计算方法确定；
（2）两针间保护范围按通过两针顶点及保护范围上部边缘的最低点O的圆弧确定，圆弧半径为Ro，O点离地高度为ho；
计算公式：
ho=h-D/7*p（D为两针间的距离；P按单支避雷针高度影响系数规则计算）
两针间被保护物高度hx水平面上保护范围一侧最小宽度bx=1.5（ho-hx）
两针间距离D与针高h之间比D/h不宜大于5。
3）多支避雷针的保护范围
三支等高避雷针的保护范围：
三角形外侧可分别按两支等高避雷针的计算方法确定；内侧如果在被保护物最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx≥0时，则全部面积即受到保护。
四支以上避雷针可先将其分成两个或几个三角形，然后分别按三只等高避雷针的方法计算，如各边保护的一侧最小宽度bx≥0时，则全部面积即受到保护。
4）单根避雷线保护范围
在高度为hx的水平线上避雷线每侧保护范围的宽度rx按下式确定
计算公式一：
当hx≥h/2时，rx=0.47（h-hx）*p
计算公式二：
当hx＜h/2时，rx=（h-1.53hx）*p
P按单支避雷针高度影响系数规则计算；
避雷线两端的保护范围是以rx为半径的半圆；
5）两根避雷线保护范围
两避雷线的外侧保护范围，按单根避雷线的计算方法确定。
线间的保护计算方法：
由两根避雷线间及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，O点的高度ho=h-D/4p
三.雷电侵入波防护
为防止雷电侵入波沿输电线路对发电厂或变电所设备绝缘造成击穿损坏，应采取措施减少近区雷击闪络，避免出现过分强烈的感应雷过电压，并合理配置避雷器，使雷电侵入波通过避雷器对地放电，将能量泄放掉，不致于对电气设备的绝缘造成威胁。
主要措施：
设备进线段保护；在母线、主变压器中性点、与架空线路直接连接的电力电缆终端处装设阀型避雷器。
1）变电所母线及进线段保护
对于3kV至10kV配电装置（或电力变压器）采取的措施：
母线上装设阀型FZ避雷器；
在每路架空线路上装设配电线路用的阀型避雷器FS一组；
接有电缆段的架空线路，避雷器应装设在电缆头附近，其接地端应和电缆金属外皮相连；
如果进线电缆在与母线相连时串接有电抗器时，应在电缆头和电抗器之间增加一组避雷器；
在雷雨季节断路器经常处于开断状态的带电线路，则线路靠断路器常开断开侧应装设一组避雷器；目的是防止雷电侵入波入侵时遇到开断口出现反射波而使绝缘击穿造成事故。
对于配电线路，如果线路上有正常处于分闸状态的分段开关，其两侧也应装设避雷器或防雷间隙。
3kV～10kV母线上避雷器与主变的电气距离规定：
雷季经常运行的进线路数
1
2
3
4及以上
最大电气距离（m）
15
20
25
30
对于35kV至110k架空线路应采取的措施：
如果全线未架设避雷线，则应在1km～2km的进线段架设避雷线，其保护角宜不超过20°，最大不得超过30°。
如果在电缆进线段，在电缆与架空线路连接处应装设避雷器，其接地端应和电缆金属外皮相连；若为三芯电缆其末端的金属外皮应直接接地；若为单芯则应经保护器或保护间隙接地。
接有进线电缆的防雷有关规定：
若进线电缆段不超过50米，则电缆末端可以不装避雷器；反之且在雷雨季节断路器经常处于开断状态，电缆末端必须装避雷器。
连接进线电缆段的1km架空线路应装设避雷器。
2）变压器中性点防雷保护
在中性点直接接地系统，对于中性点不接地的变压器：
如果变压器中性点的绝缘未按线电压设计，则变压器中性点必须装设避雷器。
若变压器中性点的绝缘按线电压设计，但变电所为单进线单台变，则变压器中性点必须装设避雷器。
在小电流接地系统，变压器中性点：
一般不用装设防雷保护装置。
但在多雷区宜装设防雷保护装置。
如果中性点经消弧线圈接地，配电线路可能存在单回进线运行的变压器中性点应设防雷保护装置。
避雷器应以最短的接地线与主接地网连接，同时应在其附近装设集中接地装置。
3）配电变压器防雷保护
3kV～10kV配电变压器应装设阀型避雷器。
避雷器应尽可能靠近变压器，接地线与变压器低压侧中性点以及金属外壳连在一起。
3kV～10kV配电变压器,如Y、yn接线，宜在低压侧也装设一组阀型避雷器。
35kV/0.4kV配电变压器高低压侧均应装设阀型避雷器。
以防止低压侧雷电侵入波击穿高压侧绝缘。
四.过电压保护设备
1）保护间隙
保护间隙是由两个金属电极构成的防雷设备。
一端与带电部分相连，另一端通过辅助间隙连接接地装置。
按结构区分为：
棒型、球型和角型等。
辅助间隙的作用主要是防止保护间隙因鸟或树枝等造成短路时，不致于引起线路接地。
对于6kV和10kV的保护间隙，主间隙分别不小于15mm和25mm，辅助间隙均为10mm。
2）避雷器
常用的阀型避雷器：
普通避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避雷器；
（1）普通避雷器
结构：
由若干个火花间隙及阀片串联组成。
火花间隙：
由两片黄铜平板电板夹一个环形云母垫圈组成。
阀片：
金刚砂阀性电阻盘简称阀片。
是由碳化硅颗粒和水玻璃混合后压模高温焙烧而成。
特性：
阀片的电阻阻值随电流的大小而变，电流大阻值小，电流小阻值大，具有非线性电阻的特征。
单个火花间隙，上、下电极之间的间隙为0.5mm～1mm，工频放电压约为2.7kV～3kV。
由于阀片热容量有限，不能承受内部过电压长时间的冲击电流作用，故普通阀型避雷器不允许在内部过电压下动作，只适合做为雷电压保护。
工作原理：
电力系统正常运行时，由于串联的火花间隙具有足够的对地绝缘强度，不会被工频电压击穿，阀片也就无电流通过。
当电力系统出现雷电过电压时，避雷器内的火花间隙则被击穿，雷电流通过阀片引入大地。
在雷电压作用在阀片时，阀片内的金刚砂颗粒间的小气隙被击穿，使得颗粒间的接触面加大，电阻迅速降低，雷电流容易通过，在阀片电阻上的压降减小。
因避雷器是并联在电气设备上的，所以，被保护的电气设备所承受的过电压也就是避雷器上的残压。
通过适当配置阀片参数，就可使残压不超过被保护电气设备的绝缘水平，以保证被保护电气设备的安全。
在雷电流通过后，工频电流也跟着通过火花间隙和阀片，这个电流称为工频续流。
由于工频续流比雷电流小得多，使得阀片电阻迅速增大，从而限制工频续流的通过，与此同时火花间隙组将工频续流分割成几段，将电弧熄灭，使避雷器恢复对地绝缘，电力系统恢复正常运行。
FZ站用避雷器：
是在火花间隙旁并联上均压电阻的普通阀型避雷器。
并联均压电阻的作用分析：
当火花间隙是受工频电压作用时，从并联电阻流过的电流比从火花间隙流过的电容电流大，因此电源分布取决于并联电阻值，使各间隙上的电压分布均匀，间隙就比较不容易被击穿。
当火花间隙是受雷电压作用时，由于雷电压频率比工频较高，火花间隙容抗变小，使火花间隙上电压分布不均匀，容易被击穿。
FS配电用避雷器：
是火花间隙旁未并联均压电阻的普通阀型避雷器。
避雷器
结构
残压
体积
性能
工频续流第一次过零熄弧能力
FZ
复杂
较低
较大
较好
峰值不大于80A
FS
简单
较高
较小
较差
峰值不大于50A
（2）磁吹避雷器
结构：
同普通避雷器一样也是由若干个火花间隙及阀片串联组成。
但火花间隙结构形状不同，而且增加磁吹部分，有利电弧熄灭。
按结构形式区分有电弧拉长式（即限流式）和电弧旋转式。
电弧拉长式工作原理：
间隙由装在灭弧盒上的一对羊角电极组成，灭弧合内用陶瓷或云母玻璃制成灭弧栅。
灭弧盒上下由磁吹线圈或永久磁铁产生磁场。
当羊角间隙放电后，电弧在上下轴向磁场作用下，被拉进灭弧栅，受到强烈去游离而迅速熄灭。
由于电弧被拉长且被磁吹入去游离极强的灭弧栅中，所以，电弧电阻很大起到限制续流的作用，因而又被称为限流避雷器。
因限流的效果可以适当减少阀片数目，使避雷器的残压得到有效降低。
能切断450A续流。
电弧旋转式工作原理：
间隙由圆形平面内电极和外电极构成。
内、外电极间有圆形弧道，上下有永久磁铁或磁吹线圈产生磁场。
间隙放电后产生径向电弧，在上下轴向磁场作用下产生沿圆周切线方向的电动力，使电弧沿圆周旋转。
电弧的去游离加强，而且电弧不停留在一点上，电弧容易熄灭，电极也不容易烧坏。
能切断300A续流。
磁吹避雷器具有灭弧性能好，工频放电电压和残压都可能做得较低，有很好的保护性能，可以用作电机等绝缘较低的电气设备防雷保护和内部过电压保护。
FCD型用于保护电机。
FCZ型用于发电厂和变电所作保护之用。
（3）金属氧化物避雷器
金属氧化物避雷器主要的工作元件为金属氧化物非线性电阻片，它具有非线性伏安特性，在过电压时呈现低电阻，限制避雷器残压，对被保护设备起到良好的保护作用。
而在工频电压下，则呈现高电阻，流过不超过1mA（一般只有几十微安）的对地泄漏电流，故实际上对地处于绝缘状态，无需串联间隙来隔离工作电压。
其非线性系数约为0.015～0.05，比碳化硅阀片小得多。
特点：
不需要进行灭弧，也不要设火花间隙。
动作迅速、通流量大、残压低、无续流。
对雷电过电压和内部过电压均有起到保护作用。
额定电压：
是指正常运行时避雷器所承受的最大工频电压有效值。
系统标称电压：
是指系统额定电压。
持续运行电压：
是指避雷器在运行中允许持久地施加在避雷器上的工频电压有效值。
金属氧化物避雷器持续运行电压实际略高于系统的最高相电压。
考题：
115.在过电压作用过去后，阀型避雷器中（C）。
A.无电流流过B.流过雷电流C.流过工频续流
116.FZ型避雷器残压比FS型避雷器残压低，适合作为（C）的防雷保护。
A.线路B.配电变压器C.发电厂和变电所电气设备
117.与FZ型避雷器残压相比，FS型避雷器具有（B）特点。
A.残压低B.体积小C.有均压电阻
118.FZ型避雷器残压与FS型避雷器相比，具有（B）优点。
A.残压低B.体积小C.结构简单
119.金属氧化物避雷器持续运行电压实际应略高于系统的（A）。
A.最高相电压B.平均相电压C.线电压
141.雷云对电力架空线路的杆塔顶部放电时，线路绝缘子可能被击穿并对导线放电，因此而产生的过电压称为（C）。
A.直接雷击过电压B.感应雷过电压C.雷电反击过电压
154.采用两支等高避雷针作为防雷保护时，两针间距与针高之比不宜大于（C）。
A.3B.4C.5
155.雷云对地放电过程中，主放电持续时间为（B）。
A.30～50UsB.50～100UsC.30～50ms
156.在雷云对地放电的过程中，余辉放电阶段（B）。
A.放电电流很小，持续时间较短B.放电电流很小，持续时间较长
C.放电电流很大，持续时间较短
179.架空线路接地装置主要包括（D）。
A.避雷线和接地引下线B.避雷线和接地体
C.杆塔和和接地体D.接地引下线和接地体
184.在（B）系统中，变压器中性点一般不装设防雷保护。
A.中性点直接接地B.中性点经消弧线圈接地C.中性点不接地
185.当电压过高时，电动机可能（B）。
A.不能启动B.绝缘老化加快C.温度升高
192.（D）是架空电力线路导线之间及导线对地的自然绝缘介质。
A.金具B.杆塔C.绝缘子D.空气
35.（A、B、D）可以作为电气设备的内过电压保护。
A.FS阀型避雷器B.FZ阀型避雷器C.磁吹阀型避雷器D.金属氧化物避雷器
36.内部过电压与（A、C、D）等多种因素有关。
A.各项参数B.气象条件C.电网结构D.停送电操作
68.35～110KV线路电缆进线段为三芯电缆时，避雷器接地端应与电缆金属外皮连接，其末端金属外皮应经保护器接地或保护间隙接地。
（√）（×）
69.3～10KV变电所每组母线和架空进线上都必须装设阀型避雷器。
（√）
82.电路中电阻较大时，可以起到较好的阻尼作用，使过电压较快消失。
（√）
90,电气设备附近遭受雷击，在设备的导体上感应出大量与雷云极性相反的束缚电荷，形成过电压，称为雷电反击过电压。
（×）
91.杆塔的作用是支持导线、避雷线和其他附件。
（×）（√）
95.在雷云对地放电的过程中，主放电阶段放电电流最大，持续时间最长。
（×）
108.交流电弧电流瞬时过零时，此后若触头间介质击穿电压>触头间恢复电压，则电弧将彻底熄灭。
（√）
115.对于10KV供电用户变电所，为避免引起铁磁谐振过电压．要求电压互感器组采用Y，y接线。
（×）
116.开断空载变压器和高压电动机时，由于开关设备的灭弧能力不够强，在开断时触头间有可能发生电弧重燃引起操作过电压。
（√）（×）
166.线路空载运行可能会引起工频过电压。
（×）（√）
190.在中性点不接地系统中发生单相稳定电弧接地时，可能产生电弧接地过电压。
（√）（×）
191.工频过电压的特点是数值不很大，持续时间长。
（√）
9.某变电站避雷针架设高度为20m，则该避雷针在6m的高度的保护半径是（C）。
A.14mB.16mC.18m
10.某变电站避雷针架设高度为20m，则该避雷针在8m的高度的保护半径是（B）。
A.12mB.14mC.16m
（保护半径rx=1.5h-2hx其中：
h：
避雷针高度，hx：
被保护物高度）
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