过电压及其绝缘配合

第1章 过电压及其绝缘配合 电力系统的各种电气设备在运行中除了要承受正常的系统电压外，还会受到各种过电压的作用。因而，了解各种过电压产生的机理及其对电气设备的危害，研究防止产生或限制幅值的措施，对系统及电气设备绝缘水平的选定有决定性的意义。本章就各种过电压的发生机理作初步介绍。 第一节 理论基础 一、直流电源作用在LC串联回路的过渡过程 从电路的观点看，电力系统中的各种电气设备都可以用R、L、C三个典型元件的不同组合来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。其中L、C为储能元件，是过电压形成的内因，是作为 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 复杂电路过渡过程的基础。现在，我们来研究直流电源作用于L串联电路上的过渡过程及由之产生的过电压。 如图1-1所示，根据电路第二定理可写出 E＝L + ∫idt (1-1) 在未合闸时，i＝0，uc＝0，变换一下形式，式(1-1)可写为 LC +uc=E (1-2) 当满足t＝0时，i＝0，uc＝0，式(1-2)的解为 uc=E(1-cosω0t) 式中，ω0＝ ，而电路的电则为 i=C = sinω0t (1-3) 若uc(0)≠0，那么uc的解为 uc=E-[E-uc(0)]cosω0t (1-4) 由上式可知，uc可以看作是由两部分叠加而成：第一部分为稳态值E，第二部分为振荡部分，后者是由于起始状态和稳定状态有差别而引起的，其幅值为(稳定值 一起始值)，见图1-2。因此，由于振荡而产生的过电压 可以用下列更普遍的式子求出 过电压＝稳态值+振荡幅值＝2×稳态值-起始值 (1-5) 利用上式，可以很方便地估算出由振荡而产生的过电压值。当然，实际的振荡回路中，电阻总是存在的，电阻的存在会使振荡波形最终衰减到稳态或甚至根本就振荡不起来，因此实际的过电压值总是小于该式的估算值。 二、交流电源作用于LC振荡回路 当e(t)＝Emsin(ωt+sin(ωt +φ)的交流电压作用于LC振荡回路时，可求得电容C上的电压为 uc=Em· ·sin(ωt+φ)=Em· ·[ ]·sin(ω0t+φ) (1-6) 其中前一项为强迫分量，后一项为自由振荡分量，并且有 ω0= ；φ=tg-1 实际上，强迫分量对应于稳态分量，把它改写一下便可得 Em· ·sin(ωt+φ)=Em· ·sin(ωt+φ) =Em· ·sin(ωt+φ) =- ·sin(ωt+φ) (1-7) 这完全和稳态分量一样，画出uc的波形(见图l-3)，实际上就是在稳态电压上叠加一自由振荡分量，若实际的电路中有电阻存在，自由振荡分量最终衰减到零。 从式(1-6)及图1-3可以看出，电源合闸瞬间 uc上对应的电压为最大值时，由于振荡而引起的过电压为 ucm=2Em| |=2Em| | 一般ω0>>ω，uCm＝2Em，与直流电源合闸于LC电路相类似，当电容C上有初始电压时，并且其方向与合闸初瞬所对应的稳态值相反时，振荡分量的振幅就会大于Em，从而使过电压的幅值大于2Em。 三、均匀无损线的波过程与波的折反射 典型的分布参数回路是各种传输线，沿线路长度有分布的电阻及电感，在导线和地之间 还有均匀分布的电容。对于雷电冲击波，由于等值频率很高，因此在研究雷电冲击波对导线的作用时，导线一般应按分布参数考虑。而对工频或操作波过电压，只有当线路较长时才把它们看作传输线。 不考虑损耗时，无损线的方程为 (1-8) (1-9) 该方程的解为 u=u1(x-vt)+u2(x+vt) (1-10) i=i1(x-vt)+i2(x+vt) (1-11) 其中 光速 这两个解表示：电压和电流的解都包括两个部分： 一部分是(x-vt)的函数；另一部分是(x+vt)的函数。这两个函数有一些什么性质呢?我们先来研究函数u1(x-vt)，该函数表明，架空线上某电压值出现的位置是随时间而变的。参见图1-4，设某x1tl时，x1点的电压为Ua，则t2时刻，电压为认的状态对应于x2并应满足关系式 x1-vt1=x2-vt2 任意时刻t时，电压为Ua的位置便可由下式求得 u1(x-vt)=Ua 即x-vt＝常数 对上式两边求导得到 。 这就意味着，对固定的Ua来说，它在空间的坐标x将以速度v向x轴的正方向移动。我们把u1(x-vt)称为前行电压波。同样，可以证明u2(x+vt)代表以速率v向x轴的负方向进行的波，显然传输线上的电流也是一个正向行波和反向行波的和，而且可表示为 (1-12) (1-13) 以上分析告诉我们，分布参数电路的过渡过程可以用流动波的图案来描述，导线上的电压分解成前行的电压波和反行的电压波；而流过导线的电流也分解成前行的电流波及反行的电流波，前行波和反行波在均匀无损的导线上无畸变地以波速v＝ ＝光速按各自的方向传播，两者互相独立，互不干扰。当两个波在导线上相遇时，可以把它们算术地相加起来。电压行波与电流行波的关系由波阻抗Z决定，这些关系可综合成下述四个基本方程 u=uq+uf (1-14) i=iq+if (1-15) uq=Z·iq (1-16) ut=-Z·if (1-17) 从这四个基本方程出发，加上边界条件和起始条件，求得相应导线上的前行波和反行波后，就可以算出该导线上任一点的电压和电流了。 四、波的折反射及等值集中参数定理 上述我们已经过论了传输线上以光速向远处传播的电压波和电流波以及它们之间的关系，如果传输线是由两段波阻不同的导线组成时，导线1中电压波与电流波的比值，与导线2中电压波与电流波的比值不同，也就是说前行的电压波和电流波在两导线的连接点处将发生变化，从而造成了波的折射和反射。 以图1-5为例，设有一幅值为U0的电压波沿导线l1入射，在其未到达连接点A时，导线l1上将只有前行电压波uq1= U0以及相应的前行电流波iql，这些前行波到达A点后将折射为沿导线l2前行的电压波uq2和电流波iq2，同时还出现沿导线l1反行的电压波uf1和电流波if1，由A点电压和电流的连续性可得 uq1+uf1=uq2 (1-18) iq1+if1=iq2 (1-19) 考虑到 。上两式可化成 （1-20） （1-21） 求解方程式(1-20)及式(1-21)即可求得波在导线连接点A处的折反射电压和入射电压的关系式为 （1-22） （1-23） 式中： 为折射系数； 为反射系数。它们表示式分别为 (1-24) (1-25) 应该指出，虽然折反射系数是根据两段波阻不同的导线相连接推导出来的，但它也可以适用于导线末端接有不同负荷电阻的情况，因为波阻为Z的无穷长导线在等值电路中相当于R＝Z的电阻。下面我们对几种特殊情况讨论一下波的折反射问题。 1．线路末端开路 线路末端开路相当于 的情况。此时根据式(1-24)及式(1-25)可算出 ，这一结果说明入射波U0到达开路的末端后将发生全反射，全反射的结果是使线路末端的电压上升到入射波电压的两倍。由反射波电压及电流的关系可以看到，在电压全反射的同时，电流发生了负的全反射，从而使线路末端的电流为零，如图1-6所示。 2．线路末端接有电阻R＝Z1 这种情况下，由式(1-24)和式(1-25)可求得 。也就是说，波到线路末端A点时不发生反射，和均匀导线的情况完全相同。因此在高压测量中，人们常在电缆末端接以和电缆波阻相等的电阻来消除波在末端折反射所引起的测量误差。 3．线路末端接任意阻抗(等值集中参数定理) 当线路末端接有任意阻抗Z(见图1-7)时，应满足条件 uq2+iq2·Z (1-26) 电压波到达末端时，还应有下列关系 uq1+uf1=uq2 (1-27) iq1+if1=iq2 (1-28) 式(1-28)乘以Z1并与式(1-27)两边相加，利用关系式uql＝iql·Zl，uf1＝-if1·Z1，便可得 2uq1=uq2+iq2Z1=iq2（Z1+Z） （1-29） 或 （1-30） 公式(1-29)的等值电路图如图1-8所示，这就是所谓的等值集中参数定理：在有波流动时，可以用集中参数的等值电路来计算接点的电压和电流。此时等值电路中的电源电动势应取为来波电压的两倍，等值电路的内阻应取为来波所流过的通道的波阻。而式(1-30)则可把来波改成电流源以适应来波为电流源的情况(如雷电流)。应当注意的是，应用等值集中参数定理时，只能考虑行波的一次折反射，当计算的接点处有多次折反射时，则应分别计算。 应用等值集中参数定理还可计算传输线中接有集中参数的储能元件时的过渡过程及波的折反射。如图1-9所示，传输线中串有电感或并有电容，此时应用等值集中参数定理的等值图如图1-10所示，由这些等值电路可以求得传输线Z2上的电压分别为 （1-31） 式中： 为折射系数，其值等于 ；TL为时间常数，其值等于 。 （1-32） 式中： a为折射系数；TC为时间常数，其值等于 。 它们相应的折反射波如图1-11所示。很显然，传输线中串有电感时，当电压波作用到电感时的瞬间，电感不允许电流发生突变，电感像开路一样将电压波完全反射回去，因此折射的电压为零。随着时间的增长电流从零逐渐增大，反射波电压逐渐减小，折射波电压逐渐升高。因此，传输线中间串有电感可以使来波的波头陡度降低。 当线路并有电容并且来波到达电容时，电容上的电压不能发生突变，此时电容就像短路一样，从而使得u2为零。随着时间的增长，电容上的电压逐渐升高，u2也逐渐升高。由此可见，传输线中并有集中电容时也会使来波的波头陡度减缓。 五、波的多次折反射与网格法 在许多实际情况中，波在传输线的两端发生反射时，而且在一个接点的折(反)射波会在另一接点发生折(反)射，所以在某一接点的电压应是所有在该接点的折反射波的合成，通常用网格法来进行计算。下面我们以计算波阻各不相同的3种导线互相串联时接点上的电压为例，来介绍网格法的具体应用。 为叙述方便起见，我们先写出波由线路1向中间线路传播时的折射系数 波由中间线路向线路1传播时的反射系数 以及波由中间线路向线路2传播时的折反射系数 、 ，为简单起见设线路1及2的另一端均为无限长，则有下列关系 入射波为无穷长直角波，n次折反射后，B点的电压是n个折反射波之和，即 当 即 时，接点B上的电压将为 六、变压器绕组的波过程 当冲击波侵入绕组时，变压器中会出现复杂的电磁波过程，这将在主、纵绝缘的元件上引起快速变化的过电压，由于绕组分布的纵向电容和横向电容、线匝和绕组的自电感和互电感的相互影响，准确地计算这些过程实际上是不可能的。因此下面我们采用一种能说明基本规律，并能对绕组和绝缘的合理设计指出方向的简化计算方法。 单相变压器绕组等值电路如图1-13所示，绕组长度 方向上元件纵向电容的电荷为 (1-33) 这个电荷的变化为 dq=uCodx 对式(1-33)求导并作简单的变换后可得到微分方程该方程 EMBED Equation.3 (1-34) 该方程的解为 （1-35） 其中 ，积分常数取决于边界条件。当变压器中性点接地即x=l处u=0时，可得到 （1-36） 当中性点绝缘即x=l处 时，可得到 （1-37） 对于当今的变压器， ，所以eal>>e-al，对于大部分绕组 ea(l-x)>>e-a(l-x)。 在这种条件下，中性点绝缘或接地时，绕组在起始时刻的电压分布实际上是一样的 u(x)=U0e-ax (1-38) 图1-14为电压在变压器绕组上的分布曲线，其中最上面的曲线为最大电位包线，即绕 组每一点可能出现的最大电位。由图1-14可见，中性点绝缘时的最大电压出现在绕组末端，所以不接地的半绝缘变压器中性点应采取适当的保护措施。从图1-14还可以看出，波入侵后的初始时刻，纵绝缘上的最大电压出现在绕组首端的线匝上，理论上最大梯度是绕组电压均匀分布时的场强的al倍，因此必须采取措施使之接近绕组的起始电位分布。通常采用的措施有电容环、静电线匝及改变绕组的绕法。 七、铁磁谐振的基本原理 和线性谐振不同，非线性谐振是由于铁芯饱和，电感减小使回路性质发生变化而引起的，铁磁谐振时串联支路中的电容不像线性谐振那样要有严格的C值，变化范围很大。发生谐振后，电路从感性变成了容性，因此电流的相位将有180。的转变，由此引起电感及电容上的电压反相(即所谓电压反倾)。下面我们对图l-15(a)所示的电路作一初步的分析。 图1-15(b)中曲线1为电容的伏安特性；曲线2为非线性电感的伏安特性。考虑到电容和电感上电压的相位关系可得曲线1和曲线2的和(即曲线3)，在曲线3上，0ad段对应的是感性部分，dh对应的是容性部分。当电源电压大于Ua时，那么串联回路始终工作于谐振状态；当电源电压小于Ua时，则正常情况下回路应工作在f点，整个回路呈感性。这时若由于某种扰动，将使工作点越过a点并趋向于g点，但由于g点是不稳定的工作点，任何扰动又将使工作点偏向g-d段，出现电流增加，从而工作点迅速地又从g点转移到h点，并稳定于该点。此时电容C上的电压高于电感L上的电压，电路又呈现容性。 从图1-15中可以得到铁磁谐振的几个性质如下。 (1)产生铁磁谐振的条件是 ＞ （或C＞ ）。若不满足此条件，电容C的伏安特性与电感的伏安特性无交点，电路始终呈容性，也就不可能产生谐振。 (2)当电源电压大于或等于Ua时，谐振总是发生。当电源电压小于Ua时，必须要有某种“激发”因素使得工作点越过a点后，才有可能产生谐振。 (3)当 时，曲线1变得平坦了，Ua也就增大了，所需的激发因素也就越强了。当C值太大时，将使出现铁磁谐振的可能性减小。 (4)当铁磁谐振时，L和C上的电压都不会像线性谐振时那样趋于无限大，UL的大小显然由曲线的饱和程度决定。而Uc则等于UL与电源电压之和，因此铁磁谐振过电压幅值一般不会很高。 (5)铁磁谐振产生后，工作点是一个稳定工作点，因此谐振状态可能自保持。 (6)由于非线性电感L的存在，铁磁谐振的电流波形中除了工频分量外，还会有高次谐波分量，有时甚至有分次谐波分量，到底出现哪种谐振和电路的固有频率有关。 (7)产生铁磁谐振后，容抗已大于感抗，回路从感性变成容性，基波电流反相，这种现象出现在三相电路中可能使工频三相的相序改变。 第2节 雷电过电压 一、雷电的电气参数和雷电活动强度 雷电是发生在空气间隙中的一种火花放电，其电压可高达数百万到数千万伏，其电流可高达数千万安，被雷击中后，人畜死伤，建筑物炸毁或燃烧，线路停电以及电气设备损坏，都是常有的雷害事故。 在计算电气设备的防雷性能时，主要的原始数据通常不是电压而是电流。因为只有雷电流才能直接测量。 雷电流的幅值与雷云中电荷多少有关，显然是个随机变量。它又与雷电活动的频繁程度有关。我们采用雷日为单位，在一天内只要听到雷声就算一个雷日。我国在年平均雷日大于20日的地区测过1205个雷电流，其幅值概率曲线如图l-16所示。该曲线也可以用下式表示 式中：p户为雷电流超过I(单位为kA)的概率，例如当I＝100kA时，可求得p＝11.9％，即每100次雷电流大约平均有12次雷电流幅值超过100kA。对于年平均雷日在20及以下的地区，即除陕南以外的西北地区及内蒙古自治区的部分地区，雷电流的概率可按图1-16曲线给定的户值查出I后，将I减半求得；也可用下式表示 (1-39) 对于雷电流的波形，各国的测量波形是基本一致的，波长大致在40 s左右，波头 t大致在1～4 s，平均在2.6 s左右。我国在防雷设计中采用2.6/40 s的波形，电气设备冲击电压试验的波形则取1.2/50 s。 二、直击雷过电压及其防护 落雷时，在波直接击中的导线上会有过电压形成。本条款中我们将讨论雷击无穷长导线 时的直击雷过电压及雷击于另一端接地的有限长导线时的直击雷过电压。 当雷击于无限长导线的A点时，等于沿主放电通道(其波阻Z0＝300～500 )袭来一个 的电流波。此时雷电流波碰到的是两侧导线的波阻相并联 ，由于 ，所以可近似认为此时在A点没有折反射发生，于是A点直击雷过电压为 式中 Z——导线波阻抗，典型值为500 。 当雷击于另一端接地的有限长导线时，为计算A点电位，可用流动波的多次反射法进行计算，但分析表明，当接地导线长度小于260m时，该段导线可以用等值电感来代替。若取入射波为斜角波， 。其中， 为陡度，单位为A／s。 便可求得 式中：v为光速等于300m/ s；l为导线长度(m)；L为被击导线的总电感。 取雷电流幅值为100kA，波头时间为2.6 s，那么可算得雷击于无穷长导线上的雷电过电压为 这一过电压相当高。 雷击于另一端接地的10m导线，考虑接地电阻为10 ，则雷击点的最大电压为 这样高的电压也足以对处于“零”电位导线产生反击。 防直击雷最常用的措施是装设避雷针(线)。它是由金属制成，比被保护设备高，具有良好的接地装置。其作用是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中，从而保护了附近比它矮的设备和建筑免受雷击。 单支避雷针的保护范围见图1-17，它是一个旋转圆锥体。 如用公式表示它的保护范围，则在被保护物高度hx的水平面上，其保护半径rx为考虑 hX≥ (1-40) hX＜ (1-41) 式中：h为针的高度，当h≥30m时，p=1；当30m＜h≤120m时，p= 。其中p的取值已考虑了针太高而保护半径不与针高成正比增大的系数。 用避雷线保护发变电所时单根避雷线的保护范围见图1-18，用公式表达为 hX≥ (1-42) hX＜ (1-43) 式中：p的取值同单根避雷针。 若用避雷线保护输电线路，其保护作用则是用避雷线后能引起线路绝缘闪络的雷电流(耐雷水平)值来衡量。其计算方法与雷击于另一端接地的短线路时计算方法基本相同，这里就不再赘述了。 三、变电所进入波的防护 因为雷击线路的机会远远比雷击发电厂、变电所为多，所以沿线路侵入发电厂、变电所的雷电过电压行波是常见的。又因为线路绝缘水平要比变压器(或其他设备)的冲击试验电压高得多，所以发电厂、变电所对行波的保护十分重要。 发电厂、变电所中限制侵入雷电波的主要设备是避雷器，由于要保护发电厂、变电所中的各种电气设备，避雷器到被保护设备(如变压器)总会有一段距离。因此，在雷电波的作用下，由于避雷器至被保护设备的连线间的波过程，作用在被保护设备上的过电压会超过避雷器的放电电压和残压，连线越长，则超过的电压也越高。因此避雷器有一定的保护距离，被保护设备在这个距离之外，就不能受到有效的保护。 下面我们对图1-19的典型接线就上述情况作一初步的分析。 假设避雷器离变压器的电气距离为l，有陡度为此αkV/μs的行波向避雷器袭来。并设t＝o时侵入波到达避雷器，该处的电压UA将按图1-19中曲线1上升，经过时间τ＝ (v为雷电波的传播速度)侵入波到达变压器，从最严格的条件出发，可假设变压器的入口电容极小(开路)，所以侵入波在变压器处发生了正全反射。图1-19中虚线2为B处的入射波，虚线3则为变压器上的电压(虚线2的两倍)，陡度为2a，又经过时间τ，反射波到达避雷器(图中虚线4)，此时避雷器上的电压为入射电压和反射波电压的叠加(即图1-19中的mn段)，所以这段uA曲线与虚线重合。假定uA曲线在t0时上升到避雷器的放电电压，此时避雷器放电，从而限制了A点电压的继续上升。此 时uA的曲线基本上为平直线，但避雷器放电的效果要经过时间τ才能到变压器，在这段时间内变压器上的电压仍以原陡度继续上升，因此，变压器上的最大电压将比避雷器的放电电压高一个ΔU，由图1-19可见 由此可见，为了保证变压器上的电压不超过一定的允许水平，变压器与避雷器之间的距 离不能太远，变压器上的最大电压为 (1-44) 式中：U5kA为避雷器的5kA残压； 为以kV/m为单位的陡度 。实际情况下，变压器有一定的入口电容，而入射波可简化为具有一定陡度 的斜角平顶波。进一步的分析计算可求得 (1-45) 其中 式中：Cr为变压器入口电容；C’为避雷器与变压器之间的导线单位长度对地电容。通常取变压器的多次截波耐压值(有工频激励时)大于UT即可，考虑到多次截波耐压值约为三次截波耐压值的87％左右，而变压器及其他设备上所受冲击电压的波形是衰减振荡的，其最大值约为式(1-45)求得值的87％左右。因此，知道了变压器的三次截波耐压值Uj3，便可求得避雷器到变压器的最大距离应满足的条件是 l≤ (1-46) 实用中可以根据部颁DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》所规定的参数表确定避雷器到变压器的最大允许电气距离。理论分析与实际测量表明，避雷器动作后变压器上所受到的电压波形如图l-20所示，这也证明了用变压器多次截波耐压值作为计算依据是合理的。 四、变压器中性点保护 变压器中性点绝缘与系统中性点接地方式有关。对于35kV及以下的电力系统中性点是不接地或经消弧线圈接地，中性点绝缘水平是与相线端的绝缘水平相同的。而一般110～330kV电力系统，出于继电保护的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，其中一部分变压器中性点是不接地的，而这些变压器的中性点绝缘水平比相线端低得多(我国110kV变压器中性点用35kV级绝缘；220kV变压器中性点用110kV级绝缘；330kV变压器用154kV级绝缘)。下面分别就这两类变压器中性点的保护问题进行讨论。 对中性点不接地或经大电感接地的35kV以下电力系统，沿线路三相同时来波约占来波总数的10％，由本章第一节六条中可知，变压器中性点的电位，在理论上会超过首端电位的2倍，实测值为1．5～1．8倍。这会对变压器中性点绝缘造成威胁。运行经验表明，在785个台·年的20～60kV中性点无保护的变压器中，只有3次中性点雷害事故，即每百台·年只有0．38次故障，这是可以接受的，因此部颁DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定35～60kV变压器中性点一般不需保护。 对中性点不全部接地的110～330kV电力系统，由于中性点绝缘水平比相线端低，所以需在中性点加装保护。这些保护应满足以下条件。 1)冲放电压应低于中性点冲击耐压。 2)避雷器的灭弧电压应大于因电力系统一相接地而引起的中性点电压升高的稳态值U0，以免避雷器爆炸。 3)保护间隙的放电电压应大于因电力系统一相接地而引起的中性点电位升高的暂态电 压最大值，以免继电保护不能正确动作。 电力系统一相接地时，中性点电压的稳态值为 而暂态值则为 实际测量表明，当l.5/40μs的波作用在变压器首端时，由于变压器绕组电感、电容以及铁芯损耗的作用，传到中性点的冲击波波头τt已大于45μs。若选间隙作为保护设备，棒间隙冲击放电电压的要求应当以波头τt=45μs为依据。实际捧间隙的放电电压是根据1.5／40μs的冲击波试验而得到的，显然波头τt=45μs时的放电分散性要大得多，通常可用下式选取棒间隙的放电电压值 式中：Ub为变压器的冲击耐受电压；Kl为中性点破坏累积系数，取1.15；K2为棒间隙在τt=45μs时的放电分散系数，取1.135；K3为气象系数，取1.05;K4为τt=45μs时的距离系数，可取l.0。 当选用避雷器保护变压器中性点时，曾发生因断路器非全相合闸引起避雷器爆炸的事故，为了避免上述现象，可采用间隙与避雷器联合保护的方式。它们之间的放电电压的配合，应使冲击过电压作用时避雷器动作，而非全相运行时则间隙动作。 五、电缆护层保护 从安全出发，高压单芯电缆的铅包护层必须接地，但它只能一端接地，如将它的两端都接地则单芯电缆芯线所产生的磁力线将在铅皮中感应出很大的电流，这种作用几乎和1∶1的电流互感器差不多，所以感应电流值可达50％～95％。这一电流不仅在铅包中形成热能损耗加速电缆绝缘的老化过程，而且将使电缆芯线的载流量降低40％左右。但是将铅包一端接地后，在雷电波或内过电压波沿芯线流动时，电缆铅包的不接地端会出现很高的冲击过电压。当电缆铅包外绝缘护层不能承受这些过电压时，便会造成铅包多点接地，这样会出现铅包环流问题。 1．冲击电压的产生及保护 设沿芯线及铅包之间有一幅值为e的过电压进行波在流动，则铅包与芯线之间将伴随着。流过电流i＝e/Z。当电缆末端接地时，如图1-2l(a)所示，过电压波到达电缆末端后流经芯线的冲击电流将从末端经过大地作为回路，因此铅包外面就出现了磁力线，从而使铅包的开路端感应出过电压。理论上该电压可达2e，肯定会使外护层绝缘击穿。 电缆末端芯线开路时，如图1-21(b)所示，流经芯线的雷电波到达开路的末端后发生反射，结果使芯线和铅包的电流均为零，因此在铅包上不会产生电压升高。 为了限制这一过电压，显然只要让电缆铅包末端在冲击下接地，使冲击电流能以铅包为回路，则电缆铅包末端就不会有过电压了。为此，可在电缆铅包末端和大地间接一过电压保护器。在冲击电压的作用下，部分电流将经过电压保护器回到铅包，而作用在电缆末端护层上的电压将等于过电压保护器的残压。 2．工频感应过电压的产生 过电压保护器的采用解决了外护层绝缘的冲击过电压的问题。但是必须注意，接有过电压保护器后，在正常工作及工频短路故障时都会有工频电压作用在过电压保护器上。过电压保护器必须能承受这一工频电压。下面对3种短路故障条件下的工频过电压作一初步的分析。 (1)单相接地短路。 当发生单相接地短路时，故障相铅包所交链的磁力线最多，感应电压最高。设故障相为 U相，则 (1-47) 其中 式中 Xs——电缆铅包的自感阻抗或芯线对铅包的互感阻抗， ； D——地中等值集中电流的深度，D＝95 ，如果不能确知土壤电阻率 时，一般可取D值为1000m； rs——电缆铅包的平均半径，m； i——单相短路电流，A； l——电缆的长度，m。 由于短路电流以大地为回路，D值很大，铅包两端的感应电压是很高的，再加上短路电流i流径地网R时所形成的压降，所以铅包不接地端U相的对地电压Uu将达很高的数值 (1-48) (2)两相不接地短路。 如图1-22所示，两相不接地短路时，U相不接地端对地电压UUE就是电缆铅包两端感应电压，应为 (1-49) 显然两相短路时，短路电流在铅包上的感应电压较低。同理，三相短路时，短路电流也不以大地为回路，短路电流在铅包上的感应电压也比较小，而且不接地端铅包的对地电压也不受地网接地电阻影响。因此，护层和保护器所受最高电压一般在电网单相对地短路故障时，特别当短路电流大、电缆线路长或接地电阻大时，此值可达极高的数值。 为了降低这一工频过电压，可采用电缆铅包交叉互联或加均压线等方法。所谓交叉互联是指电缆铅包全长分成三等分的倍数并把相邻两端的铅皮进行交叉互联，首端与末端铅包互连接地。这样连接后，三段彼此连接的铅皮上的感应电压大小相等而相位互差120度，因此三段相连的铅包两端的感应电压等于零，正常运行时也就不会产生环流。发生短路故障时，由于长度相对减小，铅包感应电压也降低了。采用适当的保护器接线方式可大大降低单相接地时保护器所受的工频电压。 六、旋转电机的防雷保护 新电机主绝缘的冲击耐压约为同电压等级变压器的1／3左右，比一般所用的FCD型避雷．器残压U3只稍高一点。运行中的旧电机的冲击耐压更低，必须采用多种手段进行综合保护才能保证发电机的安全。 下面我们就直配发电机防雷保护的典型接线作一些初步的讨论。 图l—23中电容的主要作用是减缓来波的陡度以降低发电机上过电压与磁吹避雷器上残压的差值。同时，由于来波陡度降低后，发电机绕组匝间绝缘所受的冲击电压也降低了。电抗器的主要作用在于抬高它前面的冲击电压，使A点处的避雷器更容易放电从而限制了进波的幅值。电容器延缓来波陡度及电抗器抬高它前面所受的电压的基本原理见有关基础理论的分析计算。电缆段的作用稍微复杂一些，现叙述如下：当电缆前的GB型避雷器动作时，电缆外皮与芯线经GB型避雷器短接在一起。由于趋肤效应雷电流主要经过电缆外皮及大地流走，流过芯线的雷电流就被大大削弱。分析表明，电缆段长度为100m，末端外皮接地引下线到地网距离为12m，R1＝5 时，即使在电缆首端发生直击雷而且雷电流为50kA，则流过FCD型母线避雷器的电流也不会超过，3kA，即有l00m电缆段的发电机耐雷水平大约为50kA。 第3节 内部过电压 一、内部过电压的主要形式及一般特性 由于电力系统中能量的转化或传递所产生的电力系统电压的升高叫做电力系统的内过电压。这里所说的能量转化是指磁能转化为电能；所说的能量传递则主要是通过各部分相互之间的电容，电力系统内的操作和故障都是激发能量转化的原因。常见的电力系统内过电压有以下几种。 1)切空载变压器的过电压。 2)切合空载长线路的过电压。 3)电弧接地过电压。 4)谐振过电压。 内过电压的能量来自电力系统本身，所以它的幅值是和电力系统工频电压基本上成正比的。这一比值叫内过电压倍数K。内过电压的作用时间与过电压的类型有关，通常具有衰减振荡冲击波的性质，其振荡频率比工频高。这些过电压最后以稳态(稳态电压可能高于工作电压)结束。操作过电压的持续作用时间一般不大于几分之一秒。 铁磁谐振是由于变压器电抗器等设备铁芯的非线性引起的；线性谐振则是由于电力系统参数的某种组合使之满足了线性谐振条件而引起的。这两种谐振过电压持续时间比较长，属于稳态过电压。 长线路电容效应引起的过电压属于准稳态过程，一般出现在330kV及以上电压的空载长线上。这种过电压表现为工频电压升高，其作用时间决定于状态的性质。 中性点绝缘系统中的电弧接地过电压也是衰减的振荡波，当故障没有消失而且线路没有切除时，这一过电压可能多次出现。 按照持续时间，内部过电压可以分成两组：长时间的或准稳态的操作过电压及短时间的操作过电压。过电压对绝缘作用的危险性不仅与其大小有关，还与波形、持续时间以及重复次数有关。系统中所出现的内过电压倍数不应超过一定数值。过电压作用时间越长，允许的倍数越低。我国各类电压等级的电力系统允许过电压倍数见表1-1，对220kV及以下的电力系统一般不需要专门的限制操作过电压设备，对330kV以上的电力系统就必须用专门的避雷器等设备将操作过电压倍数限制到表1-1中所列的数字以内。 表1-1 电力系统各电压等级的内过电压允许倍数 电力系统额定电压(kV) 35 66 110 110 220 330 500 中性点接地方式 非直接接地 非直接接地 直接接地 非直接接地 直接接地 直接接地 直接接地 内过电压倍数K1 4.0 4.0 3.0 3.5 3.0 2.2* 2.0* *330、500kV的内过电压倍数为参考值。 二、工频电压升高 如图l—24所示，发电机突然甩负荷，空载长线的电感电容效应和电力系统单相接地是使工频电压升高的主要原因。电力系统工频电压的升高会影响到各种内过电压的数值，也会影响到避雷器额定电压(灭弧电 压)的选择，从而也影响到避雷器的保护 水平。 对于110～220kV线路，Xc>>Xd’+XL，其中XC为线路容抗，XL为线路电抗，Xd’为发电机次暂态电抗，电压升高不超过10％～15％。对超高压线路，线路较长并且XL较低，从而使Ed’比UN高出10％～15％，而Ul比Ed’又高出10％～15％。 突然甩负荷以后电压升高的另一个因素是突然甩负荷后原动机的调速器和制动设备的惰性不能立即起作用，引起发电机超速。发电机转速增加，但励磁没有改变，感应电势的数值与频率都增加了。 上述两种因素综合在一起所造成的工频电压升高可达1.2～1.4倍，持续时间受电压调整器的限制约几秒钟之久。 由线路本身的电容效应所引起的工频电压升高可按下述方程求得 (1-50) 一般 ＝0.06，当线路长度为400km时， =1.095；当线路长度为300km时, =1.050。由此可见，只有当线路超过300km时，才考虑到线路电容效应的影响。 另一种工频电压升高是由电力系统单相接地引起的。对于中性点不接地电力系统发生单相接地时，健全相电压会上升到线电压，即相电压的 倍；对于中性点直接接地电力系统发生单相接地时，健全相的电压升高比较复杂，可用对称分量法进行分析得 （1-51） 式中 Uu——U相故障前的对地电压； ——接地系数，其值为 （1-52） 越大，则健全相电压的升高就越高。当 时， ，相当于电力系统中性点不接地的情况。 三、开断电感性负荷时的过电压 在电力系统中常有开断电感性负荷的操作，例如切除空载变压器、电抗器及电动机等，在这些操作过程中可能出现幅值较高的过电压。 1．开断空载变压器过电压 图1—25中画出了开断空载变压器等值电路图。在开断空载变压器操作之前，回路受工频电压作用，流过C的电流远小于流过L中的电流，所以可忽略C的存在。流过断路器的电流就是电感电流I，这电流通常为变压器额定电流的0.5％～4％。断路器在切断这类小电流时会在电流到达零点之前发生强制熄灭(即所谓截流)。设截断电流为I0，此时变压器中磁场能量及等值电容中的电场能量为 。当磁场能量全部转化成电场能量时，电容C上的电压就是最大过电压，因此根据 ，可求得 （1-53） 式中：Em为电源电压幅值；Im为感性电流幅值； 为电流截断瞬间与过零点之间的相位差。考虑到 ，设回路自振频率 ，以及高频振荡时只有部分磁场能量可以转化为电场能量，所以过电压倍数K为 EMBED Equation.3 一般大型变压器 约为0.3～0.45。实际的断路器在截流后还会出现重燃，磁场能量在多次重燃的过程中消耗掉了，使得过电压大大降低。我国对110～220kV变压器试验的结果为：中性点直接接地电力系统中过电压倍数一般不超过3倍；中性点不接地电力系统中过电压倍数一般不超过4倍，个别的可达7．4倍，相间可达7．68倍。由于切空载变压器过电压的能量不大，采用一般的阀式避雷器就可以得到保护。 2，开断电动机过电压 开断电动机时产生的过电压与切断空载变压器时类似，但由于电动机的参数随转差率的变化而变化，所以开断空载电动机与开断制动状态的电动机所产生的过电压值相差很大。同时开断电动机所使用的断路器类型不同，那么产生的过电压也不一样，如用少油断路器开断，主要是由于截流产生的截流过电压；用真空断路器开断，除截流过电压外，还会产生三相同时开断和高频重燃过电压。 开断电动机产生截流过电压的物理过程与开断空载变压器相同。由于电动机的空载电流不大(约为25％～30％额定电流)，定子的漏感也不大，所以过电压也就不高。在一些特殊情况下，断路器将开断制动状态的电动机，此时电动机电流相当于起动电流(约为额定电流的5～6倍)，断路器截流值I0就可能较大。而且对应的漏感除了定子绕组的漏感外，还有转子的漏感。因此，开断制动状态电动机的磁场储能要比开断空载运行电动机时大得多，所以过电压也较高。国内用SNl-10型和SN2-10型少油断路器切断3～6kV、110～2000kW的空载电动机时，最大截流为6A，最大过电压倍数为2．43倍；在同样接线条件下，开断起动状态电动机的最大过电压倍数将达4．9倍。 在使用真空断路器切断小电流时，曾发现三相同时断开的现象。这是因为连接的三相电缆相线之间有互电容及互电感，首开相回路中的高频振荡通过相间的耦合传递到其它两相叠加在工频电流上，从而使这两相电流瞬间过零而被切断。这对电动机而言，第二、三相的截流值可能很大，过电压也就很高。例如某地在做3kV、110kW电动机开断试验时，发现同时开断造成的过电压倍数最高可达4．3倍，平均达2．81倍，均高于电动机的工频试验电压。 用真空断路器切断制动状态的电动机时还可能产生高频重燃，与切断空载变压器时发生重燃不同的是，它出现在被切断电流很大但不发生截流时。 设真空断路器在工频电流过零时熄弧，此时电源相电压为最大值Em。熄弧后，被切断电动机侧的电压为Emcosω0t，其波形如图l-26中曲线1所示，ω0是电动机漏感与杂散电容C组成的振荡回路的角频率。相对于工频来说，ω0是极高的，故讨论重燃过电压时可将电源电压维持在Em不变。真空断路器熄弧后，触头间恢复强度的包线以2m为基线，如图l-26中曲线4所示。熄弧瞬间t＝0，电感L中的电流iL＝0，电容C向电感工放电并开始振荡，触头间出现恢复电压Uh。当t＝t1时，iL＝ILl，Uh＝Uh1，此时恢复电压等于恢复强度，发生第一次重燃，出现高频振荡。高频振荡的频率决定于断路器两侧电容及其连线电感，它比ω0要高得多。振荡衰减的稳态值趋于电源电压且m，振荡电压第一次到达最大值Ul时，t=t’1,U1=Em+Uh1,高频振荡电流第一次过零，再次熄弧。在t1～t1’的极短时间内，iL保持，IL1不变，IL1虽然数值不大，但已不是开断电动机时的零值。在t1’之后电动机侧电压变化如图1-26中曲线2所示。在t2时再次重燃，振荡最大电压U2＝Em+Uh2，电感电流增大到IL2,tz’时又熄弧，类此下去振荡过程愈来愈强烈，故在多次重燃后过电压可达极高的幅值。实测的最大过电压为5．1倍，频率可达105～106Hz。显然这种过电压对电动机的主绝缘及匝问绝缘都有极大的危害。 四、切合空载线路过电压 电力系统中用断路器切合空载线路是一种常见的常规或故障操作方式。切断空载线路及电容器组时，由于断路器触头间的重燃使线路或电容器组从电源获得能量并积累起来，从而形成过电压。其持续时间可达o．5个工频周期以上。合空载线路(尤其是自动重合闸)时，合闸瞬间线路的实际电压与相应的工频稳态电压值之间的差异可能很大，从而由过渡过程产生的过电压倍数就可能很高。 1.切断空载线路过电压 空载线路是容性负载，为了简化分析，可用一个电感L0l和一个电容C0l串联回路进行等值。在电源中性点直接接地电力系统中，切除空载线路可用图1-27所示的电路进行分析。 在切断过程中，由于电弧的重燃和熄灭具有很大的随机性，为从严考虑出发，按可能出现最大过电压的前提来决定电弧的熄灭和重燃时刻。设通过断路器QF的工频电流过零时间t＝tl，断路器触头间熄弧，于是C2上的电压为—Em，参见图1-28，若不考虑C2的泄漏，C2上的电压保持—Em不变。熄弧时C1上的电压虽有振荡，但很快衰减后按电源电势作余弦变化。经半个工频周期t＝t2，断路器触头间恢复电压达最大值Em-(-Em)＝2Em。假定此时触头间绝缘强度不能承受这个恢复电压，电弧重燃，电容Cl与C2并联，考虑到通常L1＞L2，为简化数学分析略去L2的影响，则重燃瞬间电荷重新分配后的电压，可近似用U10＝ 来计算。因C1<