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避雷器教学课件



  避雷器教学课件_教育学_高等教育_教育专区。避 雷 器 供电分公司线路工区 段利军 第一章 避雷器的基本原理 避雷器是一种过电压保护装臵,当电网电压升高达到避 雷器规定的动作电压时,避雷器动作,释放电压负荷,将电 网电压升高的幅值限制

  避 雷 器 供电分公司线路工区 段利军 第一章 避雷器的基本原理 避雷器是一种过电压保护装臵,当电网电压升高达到避 雷器规定的动作电压时,避雷器动作,释放电压负荷,将电 网电压升高的幅值限制在一定水平之下,从而保护设备绝缘 所能承受的水平,现代避雷器除了限制雷电过电压外,还能 限制一部分操作过电压,因此称之为过电压限制器是更为确 切的。 (1)避雷器的保护原理 避雷器设臵在与被保护设备对地并联的位臵,如图所示,各种避 雷器均有一个共同的特性,即在高电压作用下呈现低阻状态,而在 低电压作用下呈现高阻状态。在发生雷击时,当雷电波过电压沿线 路传输到避雷器安装点后,由于这时作用于避雷器上的电压很高, 避雷器将动作,并呈低阻状态,从而限制过电压,同时将过电压引 起的大电流泄放入地,使与之并联的设备免遭过电压的损害。在雷 电侵入波消失后,线路又恢复了正常传输的工 频电压,这一工频电压相对雷电侵 入波过电压来说是低的,于是避雷 雷电侵入波 被保护设备 器将转变为高阻状态,接近于开路 避雷器 ,此时避雷器的存在将不会对线路 线路 上正常工频电压的传输产生响应。 设 备 (2) 对避雷器的基本要求 为了使避雷器能够发挥出预计的保护效果,它必须满足两个基本性 能要求 ①有良好的伏秒特性,以易于实现合理的绝缘配合。 ②应有较强的绝缘强度自恢复能力,以利于快速切断工频续流,使 电力系统得以继续运行。 电气设备的冲击绝缘强度都由伏秒特性(曲线)表示。避雷器与被 保护电气设备的伏秒特性之间应有合理的配合,才能发挥保护作用。 伏秒特性是将放电间隙击穿电压值与放电时间联系起来以表征间 隙击穿特性的一种方法。 通过实验绘制间隙伏秒特性的方法是:保持间隙距离和冲击电压波 形不变,逐渐升高电压使间隙发生击穿,记录击穿电压波形,读取击 穿电压值U与击穿时间t 间隙的伏秒特性曲线的形状与间隙中的电场分布有关。在均匀场和稍不均 匀电场中,击穿时的平均场强较高,放电发展较快,放电时延较短,伏秒特性 曲线平坦;在极不均匀电场中,平均击穿场强较低,放电时延较长,放电分散 性大,伏秒特性曲线较为陡峭。 实际上,放电时间具有分散性,即在每级电压下可测得不同的放电时间, 所以伏秒特性是具有上、下包线为界得带状区域。工程上为方便起见,通常用 平均伏秒特性或50%伏秒特性曲线表征间隙的冲击击穿特性,在绝缘配合中伏 秒特性具有重要的意义。 1—电气设备的伏秒特性; 2—避雷器的伏秒特性; 3—电器设备上可能出现 的最高工频电压 避雷器与电气设备的 伏秒特性配合 在雷电过电压作用下,避雷器开始动作导通后,就 形成了相导线对地的近似短路。由于雷电过电压持续时 间很短,当避雷器两端的过电压消失后,系统正常运行 电压又继续作用在避雷器两端,在这一正常运行电压作 用下,处于导通状态的避雷器中继续流过工频接地电流, 该电流称为工频续流。工频续流的存在一方面使相导线 对地的短路状态继续维持,系统无法恢复正常运行,另 一方面也会使避雷器自身受到损坏。为此,避雷器应具 备较强的绝缘强度自恢复能力,应能在雷电过电压消失 后工频续流的第一次过零时自行切断工频续流,恢复系 统的正常运行。 避雷器的发展史 1、角形保护间隙 结构和工作原理:常用的角形保护间隙如下图所示。 由主间隙1和辅助间隙2串联而成。主间隙的两个电极做 成角形,在正常运行时,间隙对地是绝缘的,当承受雷 电过电压作用时,间隙击穿,工作线路被接地,从而使 得与间隙并联的电气设备得到保护。 辅助间隙的设臵是为了防止主 间隙被外物(如小鸟)短路, 以避免整个保护间隙误动作。 主间隙做成羊角形,主要是为 了便于让工频续流电弧在其自 身电磁力和热气流作用下被向 F—工频续流电弧运动方 上拉长而易于熄灭。 向 角形保护间隙 优点:其结构简单,造价低廉,维护方便。 缺点:由于保护间隙在动作击穿后会产生高峰 值的截波,所以它不能被用于保护电机 、变压器和电抗器等带线圈绕组的电气 设备。同时,保护间隙的灭弧能力差, 难以有效地切断工频续流,会造成所在 系统因短路接地而跳闸,引起供电中断 ,为此就需要将保护间隙配合自动重合 闸使用。 使用:在10kV以下电网中使用。 每当间隙过电压击穿后,在工作电压的作用下将 有一工频电流继续流过已经电离化了的通道,这一电 流称为工频续流。 2、排气式避雷器 结构和工作原理:排气式避雷器的原理结构如下图所示。它由两个间 隙串联组成。一个间隙S1装在产气管1内,称为内间隙(又称管型避雷 器)。另一个间隙S2装在产气管外,称为外间隙。而当雷电压过电压 作用于避雷器两端时,内、外两个间隙均被击穿,使雷电流经间隙入地, 在雷电过电压消失后,系统正常运行电压将在间隙中继续维持工频续流 电弧,电弧的高温使产气管内的有机材料分解 并产生大量气体,使 线路 管内气压升高,气体 在高气压作用下由环 外部间隙 形电极的孔口急速喷 动作 出,从纵向强烈地吹 棒形电极 产气管 胶木管 指示 动电弧通道,使工频 器 续流在第一次过零时 熄灭。 环行电极 内部间隙 接地 排气 式避雷器( 也称管型避雷器) 优点:有较强灭弧能力 缺点:其所采用的火花间隙亦属于极不均匀电场,也会产 生很大的截波,运行维护比较麻烦,运行不甚可靠,炸管等 故障是他成为事故源之一。 排气式避雷器的灭弧能力与工频续流的大小有关。续流太 大产气过多,会使管子爆炸;续流过小产气不足,则不能灭 弧。 排气式避雷器的主要缺点是: (1) 伏秒特性太陡,而且分散性较大,难于和被保护电气 设备实现合理的绝缘配合; (2) 放电间隙动作后工作导线直接接地,形成幅值很高 的冲击载波,危及变电器的绝缘; (3) 运行维护也较麻烦。 3、 阀式避雷器 普通阀式避雷器------变电所防雷保护的重点对象是变 压器,而前面两种因截波问题都不能承担保护变压器的重 任。阀式避雷器主要由火花间隙及与之串联的工作电阻两 部分组成,为避免外界因素(大气条件、潮气、污秽等) 的影响,它们密封于瓷套中。注:火花间隙采用的是均匀 电场。 磁吹阀式避雷器------为了减小阀式避雷器的切断比和 保护比之值,及为了改进其保护性能,采用了灭弧能力较 强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片.(仍然存在 工频续流的问题,通流容量不大) 线路 间隙 火 花 间 隙 组 阀片电阻 阀 片 普通阀型避雷器 火 花 间 隙 组 普通阀式避雷器整体结构 电弧拉长式磁吹间隙 磁吹避雷器的原理电路 5、氧化锌避雷器 (1)氧化锌避雷器的基本结构 氧化锌避雷器采用的核心部件是氧化锌压敏电阻阀片,它以氧 化锌(ZnO)为主体,适当添加其它金属氧化物,经专门加工成细粒 并混合搅拌均匀,再经烘干、压制成工作圆盘,在1000℃以上的高温 中烧制而成。典型氧化锌压敏电阻的显微结构包括氧化锌主体、晶界 层、尖晶石晶粒以及一些孔隙等部分,其示意图见下图(a),显微照 片(b)。 (a) (b) 氧化锌压敏电阻的显微结构示意图(a)和显微照片(b) 氧化锌主体的电阻率为(0.001-0.1)?〃m, 由尺寸为(10-30)μm的ZnO的晶粒组成,固溶 有微量Co的Mn等元素,晶界层是由许多添加成 份组成,在低电场区其电阻率大于108?〃m ,在高电场区,晶界层将导通。尖晶石晶粒是 氧化锌与氧化锑的混合氧化物,同时还掺有Co 、Mn、Ni和Cr等杂质元素,晶粒平均直径约为 几个μ m。孔隙分布在氧化锌晶粒和晶界层内。 (2)伏安特性 氧化匀压敏电阻在实际应用中最为重要的 性能指标是其电压与电流之间的非线性关系, 即伏安特性,典型氧化锌阀片的伏安特性如下 图所示,该特性可大致划分为三个工作区:即小 电流区、限压工作区和过载区。 氧化锌压敏电阻阀片伏安特性 在小电流区,阀片中电流很小,呈现出高阻状态,在系统正 常运行时,氧化锌避雷器中的压敏电阻阀片就工作于此区。 在限压工作区,阀片中流过的电流较大,特性曲线平坦,动态 电阻氧化锌压敏电阻阀片与碳化硅阀片的伏安特性伏安特性的比较 小,压敏电阻发挥对过电压的限压作用在此区内的非线。 在过载区,阀片中流过的电流很大,特性曲线迅速上翘,电阻 显著增大,限压功能恶化,阀片出现电流过载。 从伏安特性上可见,氧化锌阀片具有良好的非线性特性,如下图所 示,它比碳化硅阀片的伏安特性要优越得多。氧化锌避雷器在过电压作 用时电阻很小,残压很低,而在系统正常运行电压作用时电阻很高,实 际上接近于开路,因此不必用类似于碳化硅避雷器那样采用间隙来隔离 正常运行电压,可以将氧化锌压敏电阻直接接到电网上运行也不致被烧 坏。通过比较下图中的两种伏安特性可知,两者在10kA下残压大致相等, 但在系统正常运行相电压下,碳化硅阀片电流达(200-400)A,而氧化 锌阀片则为(10-50)μA,可近似认为等于零,这也是氧化锌避雷器可 以不用串联间隙而成为无间隙与无续流避雷器的原因。 氧化锌压敏电阻阀片与碳化硅 阀片的伏安特性伏安特性的比较 (3)保护性能特点 鉴于氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性,在 过电压保护性能上,它与碳化硅避雷器相比有许多自身 的特点,这些特点也常是它的优点: ①、无间隙、无续流 由于在正常运行电压作用下氧化锌避雷器中的电 流极小,不必装串联间隙,不存在工频续流问题。在雷 电或操作过电压作用下,氧化锌避雷器只吸收过电压能 量,不吸收工频续流能量,因此能减轻动作负载,同时 对避雷器所在系统的影响甚微。在大电流重复冲击作用 后,氧化锌阀片的特性稳定,变化极小,且具有耐受多 重雷电或操作过电压作用的能力。 ②、保护可靠性高 氧化锌避雷器在10kA下的残压水平虽然与碳化硅避雷 器相当,但氧化锌阀片的伏安特性非线性程度高,有进一 步降低残压的潜力,尤其是它不需间隙动作,电压稍高于 动作电压即可迅速吸收过电压能量,抑制过电压的发展。 如图所示,氧化锌避雷器的保护效果明显优于碳化硅避雷 器。 氧化锌避雷器的保护效果 ③、通流容量大 由于氧化锌避雷器没有间隙,其允许吸 收能量不受间隙烧伤的制约而仅与自身的强 度有关。研究表明,在雷电或操作过电压作 用下,氧化锌阀片单位体积吸收的能量比碳 化硅阀片大4倍左右,另外,由于氧化锌阀片 残压的分散性小,约为碳化硅阀片的1/3,电 流分布特性较为均匀,可以考虑通过阀片并 联或整只避雷器并联的方式来进一步提高氧 化锌避雷器的通流容量。 ④、温度响应和陡波响应特性较为理想 氧化锌阀片具有良好的温度响应特性,在低电流密 度范围(<10-3A/cm2)内呈现出负的温度系数,如图所 示。在高电流密度区,呈现很小的正温度系数,可以忽 略温度变化氧化锌避雷器的温度响应特性对保护性能的 影响。 氧化锌避雷器的温度响应特性 此外,氧化锌避雷器还具有较为理想的陡波响应 特性,它不存在间隙放电的时延问题,仅需要考虑陡 波下伏秒特性的上翘特征,而这种上翘特性要比碳化 硅阀片低得多,因此对陡波过电压的保护效果得到了 明显的改善,如图所示 。 氧化锌避雷器的陡波响应特性 (4)氧化锌避雷器的电气特性参数 ①、额定电压 额定电压是指允许加在避雷器两端的最大工频电压有效值。这一 参数是按电网单相接地条件下健全相上最大工频过电压来选取的,并 通过动作负荷试验和工频电压耐受特性试验进行校核。在额定电压下, 避雷器应能吸收规定的雷电或操作过电压能量,其自身特性基本不变, 不发生热击穿。Ur≥KUt(额定电压 切除故障时间系数 暂时过电压) Ut=1.1Um(系统最高电压)Um=1.15Un 10kv系统 U相=5.77KV Um=11.5kv Ut=12.65KV Ur≥16.445KV ②、持续运行电压 持续运行电压是指允许长期连续加在避雷器两端的工频电压有效值。 氧化锌避雷器在吸收过电压能量时温度升高,限压结束后避雷器在此 电压下应能正常冷却而不致发生热击穿。避雷器的持续运行电压一般 应等于或大于系统的最高运行相电压。 ③、起始动作电压 起始动作电压是指氧化锌避雷器通过1mA工频电流幅值或直流电 流时,其两端工频电压幅值或直流电压值,该值大致位于伏安特性 曲线上由小电流区向限压工作区转折的转折点处,从这一电压开始, 避雷器将进入限压工作状态。 ④、残压 残压是指避雷器通过规定波形的冲击电流时,其两端出现的电 压峰值,残压越低,避雷器的限压性能越好。 ⑤、荷电率 荷电率表示氧化锌阀片上的电压负荷,它是避雷器 的持续运行电压幅值与直流起始动作电压的比值。荷电 率的高低将直接影响到避雷器的老化过程。当荷电率高 时,会加快避雷器的老化,适当降低荷电率可以改善避 雷器的老化性能,同时也可提高避雷器对暂态过电压的 耐受能力。但是,荷电率过低也会使避雷雷器的保护特 性变坏。选择荷电率需要考虑稳定性、泄漏电流大小和 温度对伏安特性影响等因素,针对不同的电网确定合理 的荷电率值。荷电率值一般取为(45-75)%或更高,在 中性点非有效接地系统中,因单相接地时健全相上的电 压幅值较高,所以应选较低的荷电率。 ⑥、压比 压比是指氧化锌避雷器通过8/20μs的额定冲击放电电流时的残压与 起始动作电压之比,压比越小,表明通过冲击大电流时的残压越低,避 雷器的保护性能越好。 避雷器均压环 ? 110kV等级上一般使用均压 环,他的目的主要是改变 瓷式绝缘子片间的电压分 布,使靠近导线侧的绝缘 子电压降低,从而达到起 始电晕电压之下,不至于 发生电晕 变高侧避雷器 避雷器运行监测器 ? 避雷器在线监测器是串联工 作在避雷器下面用来记录避 雷器动作次数和监测避雷器 泄露电流的一种装臵。在线 监测器测量出来的是流过 MOA的总电流,其中包括有 功电流及容性电流,而容性 电流再设计寿命期内是不变 的,所以,可近似地把读数 增加情况看成是电流有功分 量幅值的增加。 500kV避雷器运行监测器 避雷器常见故障 ? 避雷器受潮 电力系统中避雷器受潮引起泄露电流增加或内部闪络 事故最为常见 避雷器受潮的主要原因是密封不良或组装避雷器过程 中带进水分。在运行电压和环境温度的作用下阀片 内水分蒸干于阀片外侧和瓷套内壁,引起沿面闪络。 避雷器常见故障 ? 氧化锌避雷器电压分布不均,导致电阻片老 化 500kV避雷器整体较高,必须采取均压措施。 目前生产厂家虽然采用加均压电容和均压环 来均匀整体电位分布,但因设计中缺乏正确 的计算和验证,仍有可能因电位分布不均导 致避雷器部分阀片老化而退出运行。 避雷器的日常维护运行 ? ? ? ? ? ? 瓷套无裂纹、破损及放电现象,表面有无严重污秽。 法兰、底座瓷套有无破裂。 均压环有无松动、锈蚀、倾斜、断裂。 避雷器内部有无响声。 与避雷器连接的导线及接地引下线有无烧伤痕迹或 烧断、断股现象,接地端子是否牢固。 避雷器动作记录的指示数是否有改变(即判断避雷 器是否动作),泄漏电流是否正常(即判断避雷器 内部是否正常),动作记录器连接线是否牢固,动 作记录器内部(罩内)有无积水。 避雷器的日常维护运行 项目 现象 增大 泄漏电流 原因分析 注:应综合气候、环境及历史数据,并结合红外测温 图像分析 1、内部受潮(增大较大,已到警戒区域,或出 读数异常 现顶表,应申请停电) 1、支持底座瓷瓶过度脏污或天气潮湿,使表面 读数降低 泄漏电流增大,造成分流加大,使读数降低 甚至为0 2、引下线松脱或电流表内部损坏 3、表计指针卡涩(可拍打看能否恢复) 动作次数 动作次数 增加 监测器外 积水、脏 观 污 遭受过电压,避雷器动作 封堵不严、环境恶劣 避雷器运行注意事项 ? ? ? 雷雨时,人员严禁接近防雷装臵,以防止雷击泄放 雷电流产生危险的跨步电压对人的伤害,防止避雷 针上产生较高电压对人的反击,防止有缺陷的避雷 器在雷雨天气可能发生爆炸对人的伤害。 500kV避雷器泄漏电流值相与相之间差值不能超过 20%,以及每相泄漏电流值变化不能超过20%。 避雷器的泄漏电流明显增加时,应申请停电试验, 查明原因进行处理。141619.com



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