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1、第9章过电压及其保护●电力系统过电压分类:大气过电压,内部过电压;Ø大气过电压(外部过电压):雷击线路产生瞬间系统电压升高;Ø内部过电压:断路器的操作、线路故障、其他原因使系统参数发生变化,引起电网内部电磁能量的转化,或传递所造成的电压升高.主要包括操作过电压和谐振过电压;■操作过电压:系统故障,或操作断路器引起系统电压暂态升高,持续时间较短;■谐振过电压:因系统电感和电容参数配合不当,出现各种持续时间很长的谐振现象和电压升高.9.1大气过电压对供电系统的影响●大气过电压:由于大气中雷电的影响而产生的对电气设备(如发电机、变压器、送电线路、绝缘子、母线等)绝缘有危害的电压升高.9.1.1
2、大气过电压对供电系统的侵袭与防雷保护●大气过电压:雷云直接对地面的建筑物放电(直接雷击过电压),或对电气设备附近的物体放电而在电气设备上引起过电压(感应过电压);●雷云形成的三个基本条件:Ø空气中有足够的水蒸气;Ø潮湿的空气能够上升并开始凝结为水珠;Ø气流能够强烈持久地上升.1.直击雷过电压●天空中密集的云块团因流动而产生摩擦,从而带有负电荷或正电荷,形成雷云.因静电感应作用,在雷云下面的大地将感应出异性电荷,二者形成一巨大电容器,当雷云附近的电场强度达到25~30kV/cm时,空气开始游离,形成导电性的通道,叫先导放电通道.●雷云对大地放电,形成一段先导通路,称雷电先导;●当雷电先导达
3、到离地面约100~300m时,大地感应的异性电荷更加集中,特别易于聚集在较为突起部分或较高的地面,形成迎雷先导;●当雷电先导与迎雷先导接触时,气隙被强电场瞬时击穿,电荷发生强烈中和,出现极大的电流并发出声和光,就是主放电阶段,电流可达数十万安,电压达数百万伏,时间约50~100μs;●主放电结束后,雷云中的残余电荷继续经放电通道入地,称为余晖放电阶段.放电电流不大于数百安,持续时间约为0.03~0.05s.图9.1图9.1雷云放电三个阶段雷电电流波形示意图●雷电的特点:电压高,电流大,释放时间短,破坏性大;2.感应雷过电压●雷云携带大量的电荷,将产生静电场.静电感应,将在架空线相应的位置
4、上积累大量的异性束缚电荷,图9.2图9.2架空线上的感应过电压的形成(a)线路上感应束缚电荷;(b)雷云放电后的感应冲击Ø当雷云在架空线附近对地放电量,特别是主放电阶段,放电电流大,放电速度快,在放电通道周围产生很强空间变化磁场,使导线上产生很高的感应电压,主放电阶段结束,线路上的束缚电荷释放而形成自由电荷,以电磁波的速度向导线两边流动,形成雷电流,从而在线路上感应冲击波,使所到之处电压升高,即为感应过电压;Ø感应过电压幅值一般小于300kV,个别可达500~600kV.通常用避雷器保护;3.雷电冲击波的基本特性●雷电流是一种冲击波,其大小由雷电流的幅值和波头的陡度来确定.一般幅值和最大
5、陡度都出现在波头部分,故防雷设计只考虑波头部分;●波头:雷电流由零增长至最大幅值的这一部分.通常只有1~4μs;波尾:电流幅值下降的部分,长达数十微秒,这种波的形状称为半余波.图9.3.图9.3雷电冲击波(a)雷电流波形;(b)电流幅值与雷电流陡度关系Ø雷电流数学表达式:(9.1)Ø雷电流陡度:在波头部分,电流对时间的变化率,且(9.2)■陡度的数值,开始时很快增加,最大值对半余波来说在1/2处,以后逐渐减小,当雷电流的幅值达到最大时,;■为了简化计算,在工程设计中也可取用斜角波头(虚线部分)计算;4.雷电冲击波沿导线的传播(1)行波的概念●雷电行波:当输电线路受到雷击时,输电线上有雷电
6、冲击波沿导线两侧流动,称为行波;●无损线路:雷电冲击波沿导线传播时,其传播速度受线路参数的影响,起主要作用的是线路电感和对地电容,而线路电阻和对地电导很小,忽略不计.称为无损线路;●均匀无损线路:当输电线路单位长度上电感,电容都相等时,称为均匀无损线路.图9.4.图9.4均匀无损线路分布参数示意图Ø,可按下式计算:(9.3)(9.4)-真空的磁导率,;-真空的介质系数度,;-介质的相对磁导率,对空气和电缆;-介质的相对介质系数,对空气,对电缆;-为导线的平均高度,m;D-为导线的直径,m.Ø等效回路中长度为的线路电感为,电容为.如果从左侧加电压冲击波→左侧的第1个电容立即充电,第2个电容
7、及后面的电容受到各个电感的影响,电压并不能立即升高,有一定的延时.电容距离起始点越远,冲击波到达的时间越晚,这样冲击波就在线路上以一定速度传播开,从而形成了行波;Ø假设在t=0时把斜角波雷电流加在无限长导线的左端A点,则在任一时间t,电流沿导线的分布,如图9.5;图9.5冲击波电流加于无限长导线上电流沿导线的分布■B点电位为零,从A到B的电感为,其上的电压降就是A点电位,即(9.5)■同时,A点的电位与A点段对地电容上储藏的电荷量有
