煤矿机电知识之防雷保护装置.ppt

2024/9/71第二部分防雷保护装置2024/9/72第一节避雷针与避雷线¨ 避雷针的保护原理是当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击 ¨ 避雷针 的组成：接闪器（避雷针的针头）、引下线和接地体¨ 避雷针的保护范围：指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击保护范围”只具有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击 煤矿机电论文2024/9/73¨避雷针的保护范围计算方法有折线法和滚球法，这里主要讲折线法1．单支避雷针 保护范围是一个以避雷针为轴线的曲线圆锥体，它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线，在被保护物高度hx水平面上，其保护半径rx满足下式: 2024/9/74¨ 式中，rx为避雷针hx在水平面上的保护半径，m；h为避雷针的高度，m，当h≤30m时，θ=45°；hx为被保护物的高度，m；p为高度影响系数当h≤30m时，p=1，当30m＜h≤120m时，p＝5.5/ ， 当h＞120m时，按120m计算。

2024/9/75折线法单支避雷针的保护范围 2024/9/762.双支等高避雷针的联合¨ 等高双避雷针的联合保护范围要比两针各自保护范围的和要大避雷针的外侧保护范围同样可由上式确定，而击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷，可能被相邻避雷针吸引而击于其上，从而使两针间保护范围加大¨ 注意：要两针能构成联合保护，两针间距离D太大是不行的，即使被保护物高度为零，两针间的距离也必须小于7hp,而当被保护物高度为hx时，两针间的距离必须小于7（h-hx)p2024/9/77折线法两只等高避雷针的联合保护范围 2024/9/78¨满足公式为：¨式中，h0为两针间保护范围上部边缘最低点高度，m；D为两避雷针间的距离，m；bx为两针间高度hx水平面上保护范围的一侧最小宽度，当bx＞rx时，取bx =rx 2024/9/79 避雷线（也称架空地线）是由悬挂在空中的水平接地导线、接地引下线和接地体组成，其作用原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可以用来保护发电厂和变电所避雷线的保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间，特别适宜于保护架空线路及大型建筑物。

2024/9/710折线法单根避雷线的保护范围（h≤30cm时，θ=25o） 2024/9/711两根避雷线的保护范围 o点的高度为 h0=h-D/4p 式中， h0为o点高度；h为避雷线的高度；D为两根避雷线间的水平距离；p为高度修正系数.2024/9/712第二节 保护间隙和管式避雷器¨避雷器与被保护设备并联安装，为电气设备得到可靠保护，避雷器应满足下列基本条件： ¨1）能长期承受系统的正常持续运行电压，并可以短时承受经常出现的暂时过电压；¨2）在过电压的作用下，放电电压低于被保护设备绝缘的冲击耐压；¨3）能承受过电压作用下产生的能量；¨4）灭弧性能好，能迅速切断工频续流，过电压消失后应能迅速恢复正常工作状态2024/9/713保护间隙¨保护间隙目的是为了使工频续流电弧在电动力和上升热气流的作用下向上运动并拉长，有利电弧的自行熄灭保护间隙虽有一定的限制过保护间隙虽有一定的限制过电压的效果，但不能避免供电中断电压的效果，但不能避免供电中断¨其优点是；结构简单、价廉；¨主要缺点是熄弧能力低，与被保护设备的伏秒特性不易配合，动作后产生截波，不能保护带绕组的设备，往往需要与其它保护措施配合使用。

2024/9/714角型保护间隙¨保护间隙如图所示，其目的是为了使工频续流电弧在电动力和上升热气流的作用下向上运动并拉长，有利电弧的自行熄灭 2024/9/715管式避雷器¨管式避雷器也叫排气式避雷器，靠过电压来临时内部产气材料受激产生的高压气流对电弧产生强烈纵吹而灭弧¨另外，管式避雷器的伏秒特性太陡，放电分散性比较大，难以跟被保护设备实现合理的绝缘配合排气式避雷器动作后也会产生高幅值的截波，对变压器的纵绝缘不利2024/9/716管式避雷器内部构造2024/9/717¨由于管式避雷器动作时会喷出电离气体，安装时必须注意排气区内不能有邻近相的导电部分外间隙不能过短，以免在管子受潮时可能在工作电压下发生沿面闪络，导致避雷器误动 ¨为增大管式避雷器的寿命，产生了无续流管式避雷器，其灭弧腔为芯棒与复合管之间的一条很窄的狭缝，可产生很大的气压，产生强烈的纵吹作用，再加以狭缝的去游离作用，使得工频续流在刚上升时即被强行切断2024/9/718第三节阀式避雷器¨普通阀式避雷器（FZ系列），主要由多个平板型火花间隙、低温阀片、并联分路电阻、瓷套、均压环等组成¨工作原理：当避雷器上过电压的瞬间时值达到放电间隙的冲击放电电压时，间隙击穿，过电压波被截断，这时避雷器呈现为小电阻。

冲击电流通过后将产生工频续流，此时工作电压远低于冲击电压，阀式电阻急剧增大，续流受到限制，电弧迅速熄灭2024/9/719阀式避雷器的结构 1—间隙 2—阀片 3—非线性并联电阻 4—黄铜电极 5—云母片（0.5mm厚） 6—并联电阻 7—间歇电容2024/9/720¨普通阀式避雷器的阀片是用电工金刚砂（SiC）细粒和结合剂（水玻璃等）制成的原盘在高温下烧制而成¨阀片的电阻是非线性的，起伏安方程可表示为：u=ciα 式中c为材料常数，与阀片的材料和尺寸有关；α是阀片的非线性系数，小于12024/9/721¨普通阀式避雷器放电间隙由许多个单个间隙串联而成单个平板型放电间隙的结构如图电极用冲压的黄铜圆盘1做成，极间垫有环状的云母垫圈2，间隙电场接近均匀电场 1—黄铜电极 2—云母片（0.5mm厚）单个平板型放电间隙的结构2024/9/722¨通常将四个间隙放在一个瓷套筒里，组成标准间隙组．如图．　１.单个间隙　２.黄铜盖板　３.半环性分路电阻４.瓷套筒2024/9/723¨每个标准间隙组的侧面并有两个串联的半环性非线性分路电阻，以便起到分压作用．由于间隙电容Ｃ的阻抗比分路电阻要大很多，所以间隙上的电压分布主要由分路电阻的阻值来决定．¨通常分路电阻都采用以金刚砂为主要材料在高温下烧纸而成的非线性电阻，其非线性系数为0.35到0.45。

2024/9/724第四节磁吹避雷器及复合避雷器¨磁吹避雷器主要由拉长电弧式间隙或旋转式电弧间隙、照射装置、高温阀片、防爆装置、并联分路电阻、瓷套、均压环等组成.¨磁吹避雷器适用于工频续流比较大（峰值超过80A），采用电弧运动的间隙，即磁吹放电间隙它利用磁场使电弧加快运动来加强弧柱的去游离作用，以提高间隙的灭弧能力磁吹间隙通常有电弧旋转式和电弧拉长式两种2024/9/725磁吹线圈的工作原理¨磁吹间隙的磁场是由和间隙串联的磁吹线圈产生，工作原理如图：2024/9/726¨ 磁吹线圈产生的磁场随续流方向的改变而改变，但电弧运动的方向则不随续流方向而改变当雷电流通过线圈，并圈上形成很大压降时，分流间隙动作，将线圈短路，使避雷器的压降不致增大；当工频电流通过时，分流间隙中电弧电压将大于续流圈上的压降，此时分流江西中电弧会自动熄灭，使续流转入线圈而产生磁通和吹弧作用2024/9/727¨磁吹避雷器有FCZ型和FCD型两种，FCZ型主要用于35kV及以上电压的变电所中，也可兼作某些内过电压的后备保护；FCD型的部分间隙带有并联电容，用于保护旋转电机 2024/9/728¨超高压系统中，用于既要保护雷电过电压，又要保护操作过电压的兼用避雷器为复合型（磁吹）避雷器，如图。

Jz，主间隙；Jb，并联间隙；R1，阀片组1；R2，阀片组22024/9/729¨雷电工作状态下，主间隙Jz放电后，R2上残压上升到一定值后，并联间隙Jb也放电，这样避雷器的冲击残压可限制在所要求的最低水平，由Jz，Jb及R1完成避雷器的保护作用¨复合避雷器在操作过电压工作状态下的灭弧电压可较高2024/9/730第五节金属氧化物避雷器（压敏避雷器）¨金属氧化物的阀片（MOV）以氧化锌为主掺以微量的氧化铋、氧化钴、氧化锰等添加剂制成 .¨基本工作原理 :在正常工作电压下，其阻值很大（电阻率高达1010-1011Ω·cm）通过的漏电流很小（μA级），而在过电压的作用下，阻值会急剧变小其伏安特性可用公式u=Cia 表示，非线性系数α与电流大小有关，一般只有0.01～0.04，即使在大冲击电流（例如10kA）下，也不会超过0.1，可见其非线性要比碳化硅阀片好，已接近理想（α＝0） 2024/9/731ZnO阀片SiC阀片伏安特性的比较 2024/9/732MOA的分类¨1）按电压等级分类 MOA按额定电压值来分类， 可分为三类：①高压类指66kV以上等级的MOA，大致可划分为500、330、220、110、66kV五个电压等级。

②中压类指3～66kV（不包括66kV）的MOA，大致可划分为3、6、10、35kV四个电压等级③低压类指3kV以下的MOA，大致可划分为1、0.5、0.38、0.22kV四个电压等级2024/9/733¨2）按用途分类 MOA按用途可划分为系统用线路型、系统用电站型、系统用配电型、并联补偿电容器组保护型、电气化铁道型、电动机及电动机中性点型、变压器中性点型七类2024/9/734¨3）按外套材料分类①瓷外套型该类型按耐污秽性能分为四个等级，I级为普通型、II级为用于中等污秽地区、III级为用于重污秽地区、IIII级为用于特重污秽地区②复合外套型该系列产品除具有瓷外套MOA的一切优点外，还具有良好的绝缘性能、耐污秽性能、耐老化性能、防爆性能以及体积小、重量轻、平时不需维护、不易破损、密封可靠等优点其具有缩小绝缘距离，占地面积小、内部电气性能不受外界大气、污秽等条件影响等优点，对伏秒特性比较平坦的GIS保护特别有利2024/9/735¨4）按结构性能分类 MOA按结构性能可分为无间隙（W）、带串联间隙（C）、带并联间隙（B）2024/9/736¨与炭化硅避雷器相比，氧化锌避雷器具有以下一些优点：①结构简单，并具有优异的保护特性。

②耐重复动作能力强③通流容量大④造价较低，技术经济效益显著2024/9/737MOA的电气特性基本参数 （1）额定电压（有效值，kV) 额定电压指加到避雷器端部的最大允许工频电压的有效值，意味着避雷器在这一电压下的第一个工频半波内能可靠地切断工频续流，熄灭电弧，即在一次或多次冲击电流作用后，能承受此规定的额定电压，并在持续运行电压作用下能够冷却下来而不发生热崩溃2）参考电压(峰值，kV) 参考电压包括工频参考电压和直流参考电压通常以通过1mA工频电流足性分量峰值或者1mA直流电流时避雷器端电压的峰值定义为参考电压2024/9/738（3）持续运行电压（有效值，kV ） 在运行中允许持续地施加在避雷器两端的工频电压有效值称为持续运行电压，其值一般等于或大于系统最高运行相电压4）压比 压比为阀片在标称电流下的残压与其参考电压的比值压比越小，表明通过冲击大电流时的残压愈低，避雷器的保护性能愈好 8）荷电率 持续运行电压的峰值与直流参考电压的比值称为避雷器的荷电率荷电率的高低直接影响到避雷器的老化过程通常取55－75％2024/9/739¨MOA其他参数还包括：标称放电电流 、冲击保护水平 、流通容量 、外绝缘水平 。

¨无间隙氧化锌避雷器是当前避雷器发展的方向在超高压电网中，为了减轻正常工作电压下阀片的老化现象，以及显著降低大电流下的残压，还可以采用附加串联或并联间隙的方法来进一步降低压比和改善其性能2024/9/740第六节消弧线圈¨消弧线圈的作用是减少单相接地电流，从而促成接地电弧自熄，以防止发展成相间短路或烧伤导线¨在雷电活动强烈而接地电阻又难以降低的地区，对于110kV及以下电压等级的电网中，可考虑采用系统中性点不接地或经消弧线圈接地方式这样可以使绝大多数雷击单相闪络接地故障被消弧线圈消除，不至于发展成持续工频电弧 2024/9/741有消弧线圈时单相接地电流如下图，C相导线在K点短路，短路前对地电位为Ec，短路后其电位为零，计算短路电流Ijd2024/9/742¨将短路后的电路看成原来正常三相系统与故障电势作用在三相网络的叠加，可求得： 适当选择电感L的值，使 这是完全协调的情况2024/9/743¨实际情况总是将L值选择的与完全协调有差别，而用 来表示脱离协调的程度（脱协度），其选择应：不应小到使正常运行时中性点电位超过15%，又不宜大到使单相接地电流大于10A 通常消弧线圈一般采取过补偿方式。

2024/9/744消弧线圈安装地点的选取（1）要保证当电网在任何运行方式下，在断开一、两条线路时，大部分电网不致处在无消弧线圈的情况中应分散安装2）消弧线圈是电网的零序负荷，所以它应装在零序阻抗较小的设备的中性点上3）消弧线圈的容量与所在变压器的容量应有一定的比例，以防止在持续性的金属性接地故障时变压器不致过热2024/9/745第七节防雷接地和线路接地装置¨ 一、接地可分为如下三种：（1）工作接地 根据电力系统的正常运行方式的需要而将电网中某一点接地，例如将三相系统的中性点接地，其作用为稳定电网对地电位，从而可以使对地绝缘降低，还可以使对地绝缘闪络或击穿时容易查出，以及有利于实现继电保护措施等工作接地要的接地电阻为0.5到10欧2024/9/746（2）保护接地 这是为了人身安全将高压电气设备的金属外壳（包括电缆外皮）接地高压设备接地保护要求的接地电阻为1到10欧3）防雷接地 例如避雷针的接地，为了这让强大的雷电流安全导入地中，以将少雷电流流过时引起的电位声高，电阻值为1到30欧2024/9/747二、接地装置分类¨接地体分为自然接地体与人工接地体。

接地电阻更确切的定义为接地阻抗，是大地阻抗效应的总和¨接地电阻的大小主要由土壤电阻率、接地极尺寸、形状、埋入深度、接地线与接地体的连接情况决定由于接地线和接地体的电阻相对较小，可以认为接地电阻主要是指接地体的流散电阻¨接地体包括水平接地体、垂直接地体、水平接地网、复合（立体）接地网和引外接地体等 2024/9/748三、接地电阻¨接地电阻是电流I经接地电流流入大地时接地电极的电位U和电流I的比值例：与地面齐平的半径为a的半圆形接地体，假定地电阻率是均匀的，其值为ρ，经接地电极流入大地的电流为Ｉ，则在离球心为r（r>a)处的半圆球面上的电流密度Ｊ为该出电场强度Ｅ为所以接地电极的电位Ｕ为半球体接地电极的接地电位Ｒ为R=ρ/2πa2024/9/749¨一些常见接地体的接地电阻公式:(1)垂直接地体式中l是接地体的长度,m; d是圆钢接地体的直径,m2024/9/750(2)水平接地体L，接地体总长度，m;H，接地体埋设深度，m;A，屏蔽系数2024/9/751四、冲击接地电阻¨对防雷起作用的是冲击接地电阻Rch 与工频电阻相比有两点区别：一是由于雷电流相当于高频，接地体的电感效应将使伸长接地体在雷电流作用下呈现较大的阻抗；二是由于雷电流幅值很大，接地体的电位很高，其周围土壤中的电场强度将大大超过土壤的耐压强度，在接地体周围的土壤中会产生强烈的火花放电。

2024/9/752¨经验公式为 β、m是与接地体形状有关的系数；I为通过每跟接地体的雷电流幅值；ρ为土壤电阻率；l为棒或带的长度，或圆环接地体的圆环直径 也可由相关实验曲线查得2024/9/753五、发、变电站的接地¨发电厂、变电所的接地装置以深埋0.6到0.8米的水平接地体为主，其面积S通常取为发、变电站的面积工频接地电阻可按经验公式粗略估算： L，接地体的总长度，m; S，地网的面积；2024/9/754接触电压与跨步电压¨发、变电站的接地在调整土壤电阻率时，必须限制作用于人体的接触电压Uj和跨步电压Uk¨Rt为人体电阻，通常取1500欧2024/9/755第八节工频接地电阻的测量（1）接地电阻测量仪表法 对于输电线路杆塔或小型发电厂、变电所测量工频接地电阻，可以采用接地电阻测量仪（即接地摇表）目前使用最广泛的有ZC-8型接地电阻测量仪原理电路电路如图 ：2024/9/756¨D为手摇交流发电机，交流电源经变比为1：1的电流互感器LH加再被测电极G和电流极C间，电流I经G、C再地中构成回路，在G、P间形成电位差UGP同时，电流互感器次级电流I在Rx上的压降也作用于G、P间，调节Rx使检流计的电流指零时，则有¨然后求比UGP与流经接地电极的电流I即得被测接地极得接地电阻值。

2024/9/757（2）电流表法 ¨对于大、中型发电厂和变电所地网接地电阻的测量，由于其地网尺寸很大，所以宜用大功率的交流电源，采用下图所示的电压——电流表法进行测量以半球形电极接地网为例，电流自地网1流入，经远处电流极3流出，再用电压表测出地网1与中间电压极2之间的电压U12，然后求这个电压和电流的比值，这就是接地电阻值R 2024/9/758（3）四极法¨如下图所示，1、2为电流极，电流从1流入，从2流出；3、4为电压极，测量其间的电压通过分别计算由电极1得入地电流和电流2得出地电流引起的在电压极3、4间得电压之和，可以求出该处土壤得电阻率，求出接地电阻。