交流电气装置过电压保护资料.docx

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交流电气装置过电压保护资料

13.1电力系统过电压的种类和过电压水平

13.1.1概述

1．定义

（1）少雷区lessthunderstormregion

平均年雷暴日数不超过15的地区。

（2）中雷区middlethunderstormregion

平均年雷暴日数超过15但不超过40的地区。

（3）多雷区morethunderstormregion

平均年雷暴日数超过40但不超过90的地区。

（4）雷电活动特殊强烈地区Thunderstormactivityspecialstrongregion

平均年雷暴日数超过90的地区及根据运行经验雷害特殊严重的地区。

2．系统系统过电压种类

（1）正常运行时的工频电压；

（2）暂时过电压（工频过电压、谐振过电压）；

（3）操作过电压；

（4）雷电过电压。

3．相对地暂时过电压和操作过电压的标么值

相对地暂时过电压和操作过电压的标么值如下：

（1）工频过电压的

；

（2）谐振过电压和操作过电压的

。

注：

Um为系统最高电压。

4.系统最高电压的范围

系统最高电压的范围：

（1）范围Ⅰ，3.6kV≤Um≤252kV；

（2）范围Ⅱ，Um＞252kV。

表13.－1系统标称电压Un和系统最高工作电压Um（方均根）kV

Un

3

6

10

20

35

66

110

220

330

500

Um

3.6

7.2

12

24

40.5

72.5

226

252

363

550

13.1.2电力系统过电压水平

1.暂时过电压（工频过电压、谐振过电压）及保护

暂时过电压（工频过电压、谐振过电压）与系统结构、容量、参数、运行方式以及各种安全自动装置的特性有关。

工频过电压、谐振过电压除增大绝缘承受电压外，还对选择过电压保护装置有重要影响。

（1）工频过电压

（a）系统中的工频过电压一般由线路空载、接地故障和甩负荷等引起。

对范围Ⅱ的工频过电压，在设计时应结合实际条件加以预测。

根据这类系统的特点，有时需综合考虑这几种因素的影响。

通常可取正常送电状态下甩负荷和在线路受端有单相接地故障情况下甩负荷作为确定系统工频过电压的条件。

对工频过电压应采取措施加以降低。

一般主要采用在线路上安装并联电抗器的措施限制工频过电压。

在线路上架设良导体避雷线降低工频过电压时，宜通过技术经济比较加以确定。

系统的工频过电压水平一般不宜超过下列数值：

线路断路器的变电所侧1.3p.u.

线路断路器的线路侧1.4p.u.

（b）对范围Ⅰ中的工频过电压

对范围Ⅰ中的110kV及220kV系统，工频过电压一般不超过1.3p.u.；3kV～10kV和35kV～66kV系统，一般分别不超过

和

。

应避免在110kV及220kV有效接地系统中偶然形成局部不接地系统，并产生较高的工频过电压。

对可能形成这种局部系统、低压侧有电源的110kV及220kV变压器不接地的中性点应装设间隙。

因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作；系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时间隙不应动作。

间隙距离的选择除应满足这两项要求外，还应兼顾雷电过电压下保护变压器中性点标准分级绝缘的要求。

（2）谐振过电压

（a）谐振过电压包括线性谐振和非线性（铁磁）谐振过电压，一般因操作或故障引起系统元件参数出现不利组合而产生。

应采取防止措施，避免出现谐振过电压的条件；或用保护装置限制其幅值和持续时间。

1）为防止发电机电感参数周期性变化引起的发电机自励磁（参数谐振）过电压，一般可采取下列防止措施：

a）使发电机的容量大于被投入空载线路的充电功率；

b）避免发电机带空载线路启动或避免以全电压向空载线路合闸；

c）快速励磁自动调节器可限制发电机同步自励过电压。

发电机异步自励过电压，仅能用速动过电压继电保护切机以限制其作用时间。

2）应该采用转子上装设阻尼绕组的水轮发电机，以限制水轮发电机不对称短路或负荷严重不平衡时产生的谐振过电压。

（b）范围Ⅱ的系统当空载线路上接有并联电抗器，且其零序电抗小于线路零序容抗时，如发生非全相运行状态（分相操动的断路器故障或采用单相重合闸时），由于线间电容的影响，断开相上可能发生谐振过电压。

上述条件下由于并联电抗器铁芯的磁饱和特性，有时在断路器操作产生的过渡过程激发下，可能发生以工频基波为主的铁磁谐振过电压。

在并联电抗器的中性点与大地之间串接一接地电抗器，一般可有效地防止这种过电压。

该接地电抗器的电抗值宜按补偿并联电抗器所接线路的相间电容选择，同时应考虑以下因素：

1）并联电抗器、接地电抗器的电抗及线路容抗的实际值与设计值的变异范围；

2）限制潜供电流的要求；

3）连接接地电抗器的并联电抗器中性点绝缘水平。

（c）范围Ⅱ的系统中，当空载线路（或其上接有空载变压器时）由电源变压器断路器合闸、重合闸或由只带有空载线路的变压器低压侧合闸、带电线路末端的空载变压器合闸以及系统解列等情况下，如由这些操作引起的过渡过程的激发使变压器铁芯磁饱和、电感作周期性变化，回路等值电感在2倍工频下的电抗与2倍工频下线路入口容抗接近相等时，可能产生以2次谐波为主的高次谐波谐振过电压。

应尽量避免产生2次谐波谐振的运行方式、操作方式以及防止在故障时出现该种谐振的接线；确实无法避免时，可在变电所线路继电保护装置内增设过电压速断保护，以缩短该过电压的持续时间。

（d）范围Ⅰ的系统中有可能出现下列谐振过电压：

1）110kV及220kV系统采用带有均压电容的断路器开断连接有电磁式电压互感器的空载母线，经验算有可能产生铁磁谐振过电压时，宜选用电容式电压互感器。

已装有电磁式电压互感器时，运行中应避免可能引起谐振的操作方式，必要时可装设专门消除此类铁磁谐振的装置。

2）由单一电源侧用断路器操作中性点不接地的变压器出现非全相或熔断器非全相熔断时，如变压器的励磁电感与对地电容产生铁磁谐振，能产生2.0p.u～3.0p.u.的过电压；有双侧电源的变压器在非全相分合闸时，由于两侧电源的不同步在变压器中性点上可出现接近于2.0p.u.的过电压，如产生铁磁谐振，则会出现更高的过电压。

3）经验算如断路器操作中因操动机构故障出现非全相或严重不同期时产生的铁磁谐振过电压可能危及中性点为标准分级绝缘、运行时中性点不接地的110kV及220kV变压器的中性点绝缘，宜在中性点装设间隙，对该间隙的要求与1.

（1）（b）同。

在操作过程中，应先将变压器中性点临时接地。

有单侧电源的变压器，如另一侧带有同期调相机或较大的同步电动机，也类似有双侧电源的情况。

4）3kV～66kV不接地系统或消弧线圈接地系统偶然脱离消弧线圈的部分，当连接有中性点接地的电磁式电压互感器的空载母线（其上带或不带空载短线路），因合闸充电或在运行时接地故障消除等原因的激发，使电压互感器过饱和则可能产生铁磁谐振过电压。

为限制这类过电压，可选取下列措施：

a）选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器。

b）减少同一系统中电压互感器中性点接地的数量，除电源侧电压互感器高压绕组中性点接地外，其它电压互感器中性点尽可能不接地。

c）个别情况下，在10kV及以下的母线上装设中性点接地的星形接线电容器组或用一段电缆代替架空线路以减少XC0，使XC0＜0.01Xm。

注：

Xm为电压互感器在线电压作用下单相绕组的励磁电抗。

d）在互感器的开口三角形绕组装设RΔ≤0.4（Xm/K132）电阻（K13为互感器一次绕组与开口三角形绕组的变比）或装设其它专门消除此类铁磁谐振的装置。

e）10kV及以下互感器高压绕组中性点经Rp·n≥0.06Xm（容量大于600W）的电阻接地。

5）3kV～66kV不接地及消弧线圈接地系统，应采用性能良好的设备并提高运行维护水平，以避免在下述条件下产生铁磁谐振过电压：

a）配电变压器高压绕组对地短路；

b）送电线路一相断线且一端接地或不接地。

6）有消弧线圈的较低电压系统，应适当选择消弧线圈的脱谐度，以便避开谐振点；无消弧线圈的较低电压系统，应采取增大其对地电容等措施（如安装电力电容器等），以防止零序电压通过电容，如变压器绕组间或两条架空线路间的电容耦合，由较高电压系统传递到中性点不接地的较低电压系统，或由较低电压系统传递到较高电压系统，或回路参数形成串联谐振条件，产生高幅值的转移过电压。

2.操作过电压及保护

（1）线路合闸和重合闸过电压

范围Ⅰ的线路合闸和重合闸过电压一般不超过3.0p.u.，通常无需采取限制措施。

（2）空载线路分闸过电压

空载线路开断时，如断路器发生重击穿，将产生操作过电压。

对范围Ⅰ，66kV及以下系统中，开断空载线路断路器发生重击穿时的过电压一般不超过3.5p.u.。

开断前系统已有单相接地故障，使用一般断路器操作时产生的过电压可能超过4.0p.u.。

为此，选用操作断路器时，应该使其开断空载线路过电压不超过4.0p.u.。

（3）开断并联电容补偿装置的过电压

3kV～66kV系统开断并联电容补偿装置如断路器发生单相重击穿时，电容器高压端对地过电压可能超过4.0p.u.。

开断前电源侧有单相接地故障时，该过电压将更高。

开断时如发生两相重击穿，电容器极间过电压可能超过

。

操作并联电容补偿装置，应采用开断时不重击穿的断路器。

对于需频繁投切的补偿装置，宜按图13.－1（a）装设并联电容补偿装置金属氧化物避雷器（F1或F2），作为限制单相重击穿过电压的后备保护装置。

在电源侧有单相接地故障不要求进行补偿装置开断操作的条件下，宜采用F1。

断路器操作频繁且开断时可能发生重击穿或者合闸过程中触头有弹跳现象时，宜按图13.－1（b）装设并联电容补偿装置金属氧化物避雷器（F1及F3或F4）。

F3或F4用以限制两相重击穿时在电容器极间出现的过电压。

当并联电容补偿装置电抗器的电抗率不低于12%时，宜采用F4。

注：

Un.C为电容器的额定电压。

图13.－1并联电容补偿装置的避雷器保护接线

（a）单相重击穿过电压的保护接线；（b）单、两相重击穿过电压的保护接线

（4）操作空载变压器和并联电抗器等的过电压。

（a）开断空载变压器由于断路器强制熄弧（截流）产生的过电压，与断路器型式、变压器铁芯材料、绕组型式、回路元件参数和系统接地方式等有关。

当开断具有冷轧硅钢片的变压器时，过电压一般不超过2.0p.u.，可不采取保护措施。

开断具有热轧硅钢片铁芯的110kV及220kV变压器的过电压一般不超过3.0p.u.；66kV及以下变压器一般不超过4.0p.u.。

采用熄弧性能较强的断路器开断激磁电流较大的变压器以及并联电抗补偿装置产生的高幅值过电压，可在断路器的非电源侧装设阀式避雷器加以限制。

保护变压器的避雷器可装在其高压侧或低压侧。

但高低压侧系统接地方式不同时，低压侧宜装设操作过电压保护水平较低的避雷器。

（b）在可能只带一条线路运行的变压器中性点消弧线圈上，宜用阀式避雷器限制切除最后一条线路两相接地故障时，强制开断消弧线圈电流在其上产生的过电压。

（c）空载变压器和并联电抗补偿装置合闸产生的操作过电压一般不超过2.0p.u.，可不采取保护措施。

（5）开断高压感应电动机的过电压。

在开断高压感应电动机时，因断路器的截流、三相同时开断和高频重复重击穿等会产生过电压（后两种仅出现于真空断路器开断时）。

过电压幅值与断路器熄弧性能、电动机和回路元件参数等有关。

开断空载电动机的过电压一般不超过2.5p.u.。

开断起动过程中的电动机时，截流过电压和三相同时开断过电压可能超过4.0p.u.，高频重复重击穿过电压可能超过5.0p.u.。

采用真空断路器或采用的少油断路器截流值较高时，宜在断路器与电动机之间装设旋转电机金属氧化物避雷器或R-C阻容吸收装置。

高压感应电动机合闸的操作过电压一般不超过2.0p.u.，可不采取保护措施。

（6）发生单相接地故障的过电压

66kV及以下系统发生单相间歇性电弧接地故障时，可产生过电压，过电压的高低随接地方式不同而异。

一般情况下最大过电压不超过下列数值：

不接地系统3.5p.u.

消弧线圈接地系统3.2p.u.

电阻接地系统2.5p.u.

具有限流电抗器、电动机负荷，且设备参数配合不利的3kV～10kV某些不接地系统，发生单相间歇性电弧接地故障时，可能产生危及设备相间或相对地绝缘的过电压。

对这种系统根据负荷性质和工程的重要程度，可进行必要的过电压预测，以确定保护方案。

3.雷电过电压

（1）架空线路上的雷电过电压

（a）距架空线路S＞65m处，雷云对地放电时，线路上产生的感应过电压最大值可按下式计算：

（2）

式中：

Ui—雷击大地时感应过电压最大值，kV；

I—雷电流幅值（一般不超过100），kA；

hc—导线平均高度，m；

S—雷击点与线路的距离，m。

线路上的感应过电压为随机变量，其最大值可达300kV～400kV，一般仅对35kV及以下线路的绝缘有一定威胁。

（b）雷击架空线路导线产生的直击雷过电压，可按下式确定：

US≈100I（3）

式中：

US—雷击点过电压最大值，kV。

雷直击导线形成的过电压易导致线路绝缘闪络。

架设避雷线可有效地减少雷直击导线的概率。

（c）因雷击架空线路避雷线、杆顶形成作用于线路绝缘的雷电反击过电压，与雷电参数、杆塔型式、高度和接地电阻等有关。

宜适当选取杆塔接地电阻，以减少雷电反击过电压的危害。

（2）发电厂和变压所内的雷电过电压来自雷电对配电装置的直接雷击、反击和架空进线上出现的雷电侵入波

（a）应该采用避雷针或避雷线对高压配电装置进行直击雷保护并采取措施防止反击。

（b）应该采取措施防止或减少发电厂和变电所近区线路的雷击闪络并在厂、所内适当配置阀式避雷器以减少雷电侵入波过电压的危害。

（c）按要求对采用的雷电侵入波过电压保护方案校验时，校验条件为保护接线一般应该保证2km外线路导线上出现雷电侵入波过电压时，不引起发电厂和变电所电气设备绝缘损坏。

13.1.3避雷针和避雷线

1.单支避雷针的保护范围

单支避雷针的保护范围如图13.－2所示：

（1）避雷针在地面上的保护半径，应按下式计算：

r＝1.5hP（4）

式中：

r—保护半径，m；

h—避雷针的高度，m；

P—高度影响系数，h≤30m，P＝1；30m＜h≤120m，

；当h＞120m时，取其等于120m。

（2）在被保护物高度hx水平面上的保护半径应按下列方法确定：

（a）当hx≥h/2时

rx＝（h-hx）P＝haP（5）

式中：

rx—避雷针在hx水平面上的保护半径，m；

hx—被保护物的高度，m；

ha—避雷针的有效高度，m。

（b）当hx＜h/2时

rx＝（1.5h-2hx）P（6）

图13.－2单支避雷针的保护范围

（h≤30m时，θ＝45°）

图13.－3高度为h的两等高避雷针的保护范围

图13.－4两等高（h）避雷针间保护范围的一侧最小宽度（bx）与D/haP的关系

（a）D/haP＝0～7；（b）D/haP＝5～7

2.两支等高避雷针的保护范围

两支等高避雷针的保护范围如图13.－3所示：

（1）两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。

（2）两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R’O。

O点为假想避雷针的顶点，其高度应按式（7）计算：

（7）

式中：

hO—两针间保护范围上部边缘最低点高度，m；

D—两避雷针间的距离，m。

两针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度应按图4确定。

当bx＞rx时，取bx＝rx。

也可按式

计算。

求得bx后，可按图13.－3绘出两针间的保护范围。

两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。

3.多支等高避雷针的保护范围

多支等高避雷针的保护范围如图13.－5（a）及图13.－5（b）所示：

（1）三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围应分别按两支等高避雷针的计算方法确定。

如在三角形内被保护物最大高度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，则全部面积受到保护。

（2）四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等高避雷针的方法计算。

如各边的保护范围一侧最小宽度bx≥0，则全部面积即受到保护。

图13.－5三、四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围

（a）三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围；

（b）四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围

图13.－6单根避雷线的保护范围

（h≤30m时，θ＝25°）

图13.－7两根平行避雷线的保护范围

4.单根避雷线保护范围

单根避雷线在hx水平面上每侧保护范围的宽度如图13.－6所示：

（1）当hx≥h/2时

rx＝0.47（h-hx）P（8）

式中：

rx—每侧保护范围的宽度，m。

（2）当hx

rx＝（h-1.53hx）P（9）

5.两根等高平行避雷线的保护范围

两根等高平行避雷线的保护范围如图13.－7所示：

（1）两避雷线外侧的保护范围应按单根避雷线的计算方法确定。

（2）两避雷线间各横截面的保护范围应由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。

O点的高度应按式（10）计算：

（10）

式中：

hO——两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；

D——两避雷线间的距离，m；

h——避雷线的高度，m。

（3）两避雷线端部的两侧保护范围仍按单根避雷线保护范围计算。

两线间保护最小宽度（参见图13.－3）按下列方法确定：

1）当hx≥h/2时

bx＝0.47（hO-hx）P（11）

2）当hx

bx＝（hO－1.53hx）P（12）

6.不等高避雷针、避雷线的保护范围

图13.－8两支不等高避雷针的保护范围

不等高避雷针、避雷线的保护范围如图13.－8所示：

（1）两支不等高避雷针外侧的保护范围应分别按单支避雷针的计算方法确定。

（2）两支不等高避雷针间的保护范围应按单支避雷针的计算方法，先确定较高避雷针1的保护范围，然后由较低避雷针2的顶点，作水平线与避雷针1的保护范围相交于点3，取点3为等效避雷针的顶点，再按两支等高避雷针的计算方法确定避雷针2和3间的保护范围。

通过避雷针2、3顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧，其弓高应按下式计算：

（13）

式中：

f—圆弧的弓高，m；

D′—避雷针2和等效避雷针3间的距离，m。

（3）对多支不等高避雷针所形成的多角形，各相邻两避雷针的外侧保护范围按两支不等高避雷针的计算方法确定；三支不等高避雷针，如在三角形内被保护物最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围一侧最小宽度bx≥0，则全部面积即受到保护；四支及以上不等高避雷针所形成的多角形，其内侧保护范围可仿照等高避雷针的方法确定。

（4）两根不等高避雷线各横截面的保护范围，应仿照两支不等高避雷针的方法，按式（10）计算。

7.山地和坡地上的避雷针保护范围修正

山地和坡地上的避雷针，由于地形、地质、气象及雷电活动的复杂性，避雷针的保护范围应有所减小。

避雷针的保护范围可按式（4）～式（6）的计算结果和依图13.－4确定的bx等乘以系数0.75求得；式（7）可修改为

；式（13）可修改为

。



利用山势设立的远离被保护物的避雷针不得作为主要保护装置。

8.相互靠近的避雷针和避雷线的联合保护范围确定

相互靠近的避雷针和避雷线的联合保护范围可近似按下列方法确定，如图13.－9所示：

避雷针、线外侧保护范围分别按单针、线的保护范围确定。

内侧首先将不等高针、线划为等高针、线，然后将等高针、线视为等高避雷线计算其保护范围。

图13.－9避雷针和避雷线的联合保护范围

13.2交流电气装置过电压保护设计要求及防护措施

13.2.1高压电气装置过电压保护设计要求及防护措施

1.过电压保护装置

（1）阀式避雷器

（a）采用阀式避雷器进行雷电过电压保护时，除旋转电机外，对不同电压范围、不同系统接地方式的避雷器选型如下：

1）有效接地系统，范围Ⅱ应该选用金属氧化物避雷器；范围Ⅰ宜采用金属氧化物避雷器。

2）气体绝缘全封闭组合电器（GIS）和低电阻接地系统应该选用金属氧化物避雷器。

3）不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统，根据系统中谐振过电压和间歇性电弧接地过电压等发生的可能性及其严重程度，可任选金属氧化物避雷器或碳化硅普通阀式避雷器。

（b）旋转电机的雷电侵入波过电压保护，宜采用旋转电机金属氧化物避雷器或旋转电机磁吹阀式避雷器。

（c）有串联间隙金属氧化物避雷器和碳化硅阀式避雷器的额定电压，在一般情况下应符合下列要求：

1）110kV及220kV有效接地系统不低于0.8Um。

2）3kV～10kV和35kV、66kV系统分别不低于1.1Um和Um；3kV及以上具有发电机的系统不低于1.1Um·g。

注：

Um·g为发电机最高运行电压。

3）中性点避雷器的额定电压，对3kV～20kV和35kV、66kV系统，分别不低于0.64Um和0.58Um；对3kV～20kV发电机，不低于0.64Um·g。

（d）采用无间隙金属氧化物避雷器作为雷电过电压保护装置时，应符合下列要求：

1）避雷器的持续运行电压和额定电压应不低于表13.－2所列数值。

表13.－2无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压和额定电压

系统接地方式

持续运行电压

kV

额定电压

kV

相地

中性点

相地

中性点

有

效接地

110kV

Um/

0.45Um

0.75Um

0.57Um

220kV

Um/

0.13Um（0.45Um）

0.75Um

0.17Um（0.57Um）

330kV、500kV

Um/

（0.59Um）

0.13Um

0.75Um（0.8Um）

0.17Um

不接地

3kV～20kV

1.1Um;Um·g

0.64Um;Um.g/

1.38Um;1.25Um·g

0.8Um;0.72Um·g

35kV、66kV

Um

Um/

1.25Um

0.72Um

消弧线圈

Um;Um·g

Um/

;Um.g/

1.25Um;1.25Um·g

0.72Um；0.72Um·g

低电阻

0.8Um

—

Um

—

高电阻

1.1Um;Um·g

1.1Um/

;Um.g/

1.38Um；1.25Um·g

0.8Um;0.72Um·g

注

1220kV括号外、内数据分别对应变压器中性点经接地电抗器接地和不接地。

2330kV、500kV括号外、内数据分别与工频过电压1.3p.u.和1.4p.u.对应。

3220kV变压器中性点经接地电抗器接地和330kV、500kV变压器或高压并联电抗器中性点经接地电抗器接地时，接地电抗器的电抗与变压器或高压并联电抗器的零序电抗之比小于等于1/3。

4110kV、220kV变压器中性点不接地且绝缘水平低于规定的数值时，避雷器的参数需另行研究确定。

2）避雷器能承受所在系统作用的暂时过电压和操作过电压能量。

（e）阀式避雷器标称放电电流下的残压，不应大于被保护电气设备（