现代防雷技术PPT课件第三章防雷保护装置.ppt

第一节、避雷针与避雷线,第三章、防雷保护装置,电过电压的幅值可高达数十万伏、甚至数百万伏，如不采取防护措施，电力设备的绝缘一般是难以耐受的，一般防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线）。当雷云的先导通道开始向下伸展时，其发展方向几乎完全不受地面物体的影响，但当先导通道到达某一离地高度，空间电场已受到地面上一些高耸的导电物体的畸变影响，在这些物体的顶部聚集起许多异号电荷而形成局部强场区，甚至可能向上发展迎面先导。由于避雷针（线）一般均高于被保护对象，它们的迎面先导往往开始得最早、发展得最快，从而最先影响下行先导的发展方向，使之击中避雷针（线），并顺利泄入地下，从而使处于它们,处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。在先导放电的起始阶段，由于和地面物体相距甚远（雷云高度达数km），地面物体的影响很小，先导随机地向任意方向发展。当先导放电发展到距地面高度较小的距离H时，才会在一定范围内受到高度为h的避雷针（线）的影响，发生对避雷针（线）的放电。在传统的避雷针保护作用的模拟试验中，一般当h30m时，采用H20h；当h30m时，H600m。避雷针（线）是接地的导电物，它们的作用就是将雷吸引到自己身上并安全地导入地中。因此，避雷针（线）的名称其实并不确切，叫做“引雷针（线）”更为合适。为了使雷电流顺利下泄，必须有良好的导电通道；因此，避雷针（线）的基本组成部分是接闪器（引发雷击的部位）、引下线和接地体。避雷针（线）的保护范围是指被保护物体在此空间范围内不致遭受雷击。由于雷电的路径受很多偶然因素的影响，要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的，因此保护范围是按照99.9%的保护概率,（即屏蔽失效率或绕击率为0.1%）而定的，是根据在实验室中进行的雷电冲击电压放电的模拟试验结果而求出的，并经多年实际运行经验的校核。,3.1.1 避雷针的保护范围,单支避雷针的保护范围如图31所示，它是一个旋转的圆锥体。设避雷针的高度为h（m），被保护物体的高度为hx（m），在hx高度上避雷针保护范围的半径rx由下述公式决定：,（3-1）,工程上多采用两根或多根避雷针以扩大保护范围。两支等高避雷针相距不太远时，由于两针的联合屏蔽作用，使两针中间部分的保护范围比单针时要大，避雷针外侧的保护范围与单根避雷针时相同，保护范围如图32所示。两针间保护范围的上部边缘应按通过两针顶点及中间最低点O的圆弧确定。O点的高度h0按下式计算：,（3-2）,其中D为两针间的距离（m），系数p与式（3-1）中相同。,两针间高度为hx的水平面上的保护范围的截面如图32所示，其最小宽度bx为,（3-3）,为保证两针联合保护效果，两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。当两支避雷针不等高时，两外侧的保护范围仍按单针方法求出。两针之间的保护范围可按如下方法（如图33所示）确定：首先按单针作出高针1的保护范围，然后由低针2的顶点作水平线与之交与3，再设3为一假想避雷针的顶点，按两根等高避雷针的方法，求出23之间的保护范围。,由于发电厂或变电站的面积较大，实际上都采用多支避雷针保护的方法。图34表示三支和四支等高避雷针的保护范围。对于三支避雷针的情况，其外侧的保护范围分别按两根避雷针的方法确定，其内侧根据被保护物体的高度hx，分别计算各相邻两针之间的保护范围，只要内侧的最小宽度都满足bx0，那么三支针组成的三角形的中间部分都能受到三支针的联合保护。四支及以上多支避雷针的保护范围，可先将其分成两个或多个三角形，然后按三支等高针的方法计算。,因为避雷线对雷云与大地间电场畸变的影响比避雷针小，所以其引雷作用和保护宽度比避雷针要小。但因避雷线的保护长度是与线等长的，故特别适于保护架空线路及大型建筑物，目前世界上大多数国家已转而用避雷线来保护500kV大型超高压变电站。单根避雷线的保护范围如图35所示，可按下式进行计算,3.1.2 避雷线的保护范围,式中，系数p与式（31）中相同。,两根避雷线的保护范围如图36所示。其中外侧的保护范围按单线时确定，两线内侧的保护范围的横截面可通过1、O、2的圆弧确定。O点的高度h0为,（3-5）,第二节、放电间隙与避雷器,3.2.1 放电间隙与避雷器的分类避雷针和避雷线虽然可防止雷电对电气设备的直击，但被保护的电气设备仍然有被雷击过电压损坏的可能。当雷击线路和雷击线路附近的大地时，将在输电线路上产生过电压，这种过电压以波的形式沿线路传入发电厂和变电站，危及电气设备的绝缘。为了限制入侵波过电压的幅值，基本的过电压保护装置就是避雷器。避雷器实质上是一种限压器，并联在被保护设备附近，当线路上传来的过电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先行放电，把过电压波中的电荷引入地中，限制了过电压的发展，从而保护了其它电气设备免遭过电压的损害而发生绝缘损坏。为了达到预想的保护效果，必须使避雷器满足以下基本要求：,（1）具有良好的伏秒特性避雷器与被保护设备之间应有合理的伏秒特性的配合，要求避雷器的伏秒特性比较平直、分散性小，避雷器伏秒特性的上限应不高于被保护设备伏秒特性的下限。工程上常用冲击系数来反映伏秒特性的形状。冲击系数是指冲击放电电压与工频放电电压之比值，其比值越小，则伏秒特性越平缓。因此，避雷器的冲击系数越小，保护性能越好。（2）具有较强的绝缘自恢复能力避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就会导致电压的突变。当冲击电压的作用结束后，工频电压继续作用在避雷器上，在避雷器中继续通过工频短路电流（称为工频续流），它以电弧放电的形式出现。当工频短路电流第一次过零时，避雷器应具有能自行截断工频续流、恢复绝缘强度的能力，使电力系统能继续正常运行。,按其发展历史和保护性能的改进过程避雷器从早期到现在按照结构可以分为：保护间隙，管型避雷器，普通阀式避雷器，磁吹避雷器，金属氧化物避雷器等类型。避雷器的英文名称是Lighting arrester，是随着高新技术设备防雷的需要而发展起来的器件，它本身的材料、原理又与新技术的发展密切有关，品种规格很多，选择、购用、检验等都需要较多的科技知识。兹分类介绍之。(一)火花隙，也称它为保护间隙，是最早发明的最原始的一种避雷器。最简单而原始的形式就是二支金属针，一支接地，另一支接在雷电过电压波将通过的导线上，两针尖的间距是由被保护的对象所需要的额定电压来确定，因为空气的击穿电场强度是确定不变的，因此两个尖端的击穿电压值与针尖的间距有确定的关系，完全可由实验测定出来。因此，当过电压波到达针尖处，若电压超过它们的击穿电压，两针尖间的空气就被击穿而放电，闪电电流在此处发生对地短路，闪电电流在火花隙处分流入地。,要注意，闪电电流通过火花隙入地时，在针尖两端间仍有一定值的电位降，它是由电弧的特性所决定，常称此电压为避雷器的“残压”，它的值应低于被保护对象安全允许电压。这个参量是避雷器的重要特性之一。在电力系统防雷中，为了加大火花隙的容量，即不致使放电的电弧熔毁它，放电的针做成较粗的角形。由于火花隙的一端是接在工作线路上，它一直有工作电压存在(例如220v电源的避雷器就始终存在220v工频电压)，火花隙放电导通，成为导体，工作电压也对地短路，有巨大电流通过。雷电过电压波是持续时间极短的脉冲波(峰值电流持续不超过几个ms数量级)，过电压波消失后，工作电压仍可以维持火花隙继续导电，这个电流，称为避雷器的“续流”，由于过电压波产生的电弧温度很高，空气隙的电阻很小，工作电压产生的续流可以很大，这将损坏电源系统，或者造成跳闸。,保护间隙是最简单的一种避雷器。它由两个间隙组成，如图38所示为3、6及10kV电网常用的角型保护间隙。为使被保护设备得到可靠保护，间隙的伏秒特性的上限应低于被保护设备的绝缘的冲击放电伏秒特性的下限，并有一定的安全裕度。当雷电波侵入时，间隙先击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高。过电压消失后，间隙中仍有工频续流。保护间隙中的电极做成角形，是为了使工频电弧在自身电动力和热气流作用下易于上升被拉长而自行熄灭。但保护间隙的灭弧能力很差，只能熄灭中性不接地系统不大的单相接地短路电流，一般难以使相间短路电弧熄灭，需要配以自动重合闸装置才能保证安全供电。除了灭弧能力差以外，保护间隙还具有以下缺点：,（1）间隙间的电场为极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，将直接影响到它的保护效果；（2）保护间隙击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备。由于存在上述缺点，保护间隙仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。,(二)管型避雷器，常用英文字母GB表示。它是一种放在管状外壳内的火花隙，在火花放电时，管内装置因电弧放电的高温而产生气流，它可以把续流电弧吹熄，多用于电力输电网的防雷保护上。构造比较简单，缺点较多。管型避雷器实际上是一种具有较高熄弧能力的保护间隙。如图3-9所示，它由两个串联间隙组成。一个间隙S2在大气中，称为外间隙，其作用是隔离工作电压避免产气管被流经管子的工频泄漏电流所烧坏；另一个间隙S1装在产气管内，称为内间隙或灭弧间隙，其电极一为棒电极2另一为环形电极3。产气管由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成，在工频短路电流（工频续流）电弧的作用下会分解出大量气体，其压力可达到数十以至上百个大气压。高压气体由环形电极的开口孔喷出，形成强烈的纵吹效果，使电弧在电流流通13个周期后，在过工频零点时熄灭。,(三)气体放电管。它也是一种火花隙，放在体积较小的充气的密封玻璃管内、不致受外界的影响。从物理性能上看，与管型避雷器是相似的，主要差别是工作电压和容量的差别，管型避雷器大都用在变电所等地方的进线端，工作电压是工频高压，续流很大。而气体放电管则用于低电压的弱电设备防雷上，有二极管、三极管及五极管等几种，可使几条工作线路同时分流过电压波，适用于高频多路通信设备的防雷，可用在第一级，其突出优点是耐电流的能力强，可达20kA，其冲击击穿电压常在1kv左右(1kV)，极间电容较小且稳定。强电防雷与弱电防雷对避雷器所要求的性能有较大差异，需要多说几句，电力系统防雷与电信系统防雷可作为强电防雷与弱电防雷的代表，前者主要考虑高电压大电流，所以对避雷器的容量要求较高，要耐得了大电流续流。而后者则因设备灵敏、耐压耐流能力低，对避雷器的容量要求降低，因此，对避雷器的参数增加一些限制，前面提出的陶瓷管气体放电管的极间电容较小而稳定，这方面设备的防雷应属于电信设备防雷而不是强电防雷了。,（四）普通阀型避雷器变电所防雷保护的重点对象是变压器，而保护间隙和管式避雷器显然都不能承担保护变压器的重任（伏秒特性难以配合、动作后出现大幅值截波），因而也就不能成为变电所防雷中的主要保护装置。变电所的防雷保护广泛采用阀型避雷器，它在电力系统过电压防护和绝缘配合中都起着重要的作用，它的保护特性是选择高压电力设备绝缘水平的基础。阀型避雷器分为普通阀型避雷器和磁吹阀型避雷器两种，后者通常简称磁吹避雷器。,1）火花间隙阀型避雷器的火花间隙由许多如图311所示的单个间隙串联而成。间隙的电极由黄铜板冲压而成，呈小圆盘状，两电极间以云母垫圈隔开形成间隙，间隙距离为0.51.0mm，单个间隙的工频放电电压约为2.73.0kV（有效值）。由于间隙电场近似均匀电场，同时，在,过电压作用下云母垫圈与电极间的空气缝隙中会发生电晕放电，为间隙提供光辐射预游离因子，因此火花间隙的放电分散性较小且伏秒特性较为平缓，冲击系数可以下降到1.1左右，与被保护设备的绝缘配合较易实现。,若干个火花间隙串联组成一个标准组合件，如图312所示。多个标准组合件串联在一起，就构成了全部的火花间隙。这样，避雷器动作后，工频续流被分割成许多短弧，利用短间隙的自然熄弧能力（极板上的复合与散热作用）使电弧熄灭。实践表明，在没有热电子发射时，单个间隙的初始恢复强度可达250V左右，然后还将很快上升，对熄弧非常有利。间隙绝缘强度的恢复速度与工频续流的大小有关。我国生产的FS和FZ型避雷器，当工频续流分别不大于50A和80A（峰值）时，能够在续流第一次过零时电弧熄灭。,（2）火花间隙的并联电阻多间隙串联使用后间隙电容形成了一等值电容链。由于各电极对地和对高压端存在寄生电容，导致恢复电压在各间隙上的分布不均，影响了其熄弧能力的充分发挥，其工频放电电压也将下降和显得不稳定。同时，瓷套表面状况也影响了各单元间隙电压分布的均匀性。为了解决这个问题，除用于低压配电系统的阀型避雷器外，均在火花间隙上并联一组均压电阻，称为分路电阻，如图914所示。在工频电压和恢复电压作用下，火花间隙的串联等值电容的容抗大于分路电阻，间隙电压主要由分路电阻决定，故间隙上电压分布均匀，从而提高了熄弧电压和工频放电电压。在冲击电压作用下，由于其等值频率较高，因此串联等值电容的容抗小于分路电阻，间隙电压的分布主要取决于电容分布。此时，寄生电容的影响使火花间隙电压分布不均匀，避雷器的冲击放电电压低于单个间隙放电电压的总和，冲击系数为1左右，甚至可能小于1，反而改善了避雷器的保护性能。为防止高压避雷器的冲击系数过低引起不必要的动作，有时需在避雷器的顶部采均压环。,3）非线性电阻阀片电阻的作用是用来限制工频续流，使之能在第一次过零时就熄弧。理想的电阻应在大电流（冲击电流）时呈现为小电阻以保证其上的压降（残压）足够低；而在冲击电流过去之后，当加在阀片上的电压是电网的工频电压时，阀片应呈现为大电阻以限制工频续流，易于灭弧。阀片最好具有不随冲击电流变化的残压和大的通过电流的能力。阀型避雷器的限流电阻是由多个非线性电阻盘串联叠加而成的，这种非线性电阻盘又称阀片。阀片是碳化硅（SiC，又名金刚砂）粉末加结合剂（如水、玻璃）模压、烧结而成的圆饼，其直径一般为100mm，厚度为2030mm。,（五）磁吹阀型避雷器普通阀型避雷器依靠间隙的自然熄弧能力熄弧，故其灭弧性能不是很强；其次，阀片的通流能力有限。因而普通阀型避雷器只能用于雷电过电压防护，而不能用作持续时间较长的内部过电压的保护。为了减小阀型避雷器的切断比和保护比之值，即为了改进阀型避雷器的保护性能。人们在普通阀式避雷器的基础上，又发展了一种新的带磁吹间隙的阀式避雷器，简称磁吹避雷器，它的基本结构和工作原理与普通发阀型避雷器相似，主要区别在于采用了灭弧能力较强的磁a吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片。磁吹火花间隙是利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动、旋转或拉长，使弧柱中去电离作用增强，从而大大提高其灭弧能力。磁吹间隙种类繁多，目前我国生产的主要是限流式间隙，又称拉长电弧型间隙。其单个间隙的基本结构如图917所示，间隙由一对角状电极织成，磁场是轴向的，由工频续流通过与间隙相串联的线圈时产生。磁吹避雷器的原理电路如图918所示。工频续流,通过与间隙相串联的线圈时产生。磁吹避雷器的原理电路如图918所示。工频续流被轴向磁场拉入灭弧栅中，如图917中虚线所示，其电弧的最终长度可达起始长度的数十倍。灭弧盒由陶瓷或云母玻璃制成，电弧在灭弧栅中受到强烈去游离而熄灭。由于电弧形成后很快就被拉到远离击穿点的位置，故间隙绝缘强度恢复很快，熄弧能力很强，可切断450A左右的续流。由于续流电弧很长且处于去游离很强的灭弧栅中，所以电弧电阻很大，可以起到限制续流的作用，因此被称为限流间隙。采用限流间隙后可以适当减少阀片数目，能使避雷器残压得到降低。,3.2.2 ZnO避雷器及其电气性能、主要优点氧化锌（ZnO）避雷器是二十世纪七十年代初开始出现的一种新型避雷器。ZnO避雷器是由氧化锌非线性电阻片组成的。由于ZnO电阻片具有优异的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，且造价低廉，因此ZnO避雷器已得到越来越广泛的应用，取代SiC避雷器是大势所趋。,1ZnO非线性电阻片ZnO非线性电阻片是在以ZnO为主要材料的基础上，附以微量的其它金属氧化物，在高温下烧结而成的，所以也叫金属氧化物电阻片，以此制成的避雷器也称为金属氧化物避雷器（MOA）。氧化锌电阻片的微观结构如图38所示，包括三部分：(1)ZnO晶粒，粒径为10m左右，电阻率为110cm；(2)包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层，厚度为0.1m左右，电阻率大于1010cm；(3)零散分布于晶界层中的尖晶石Zn7Sb2O12；,尖晶石在晶界层内部不是连续存在的，与电阻片的非线性性无直接关系。ZnO电阻片的非线性特性主要取决于晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到104105V/cm时，其电阻率急剧下降到低阻状态。晶界层的介电常数约为10002000，因此ZnO电阻片存在较大的固有电容。ZnO电阻片的等效电路如图39所示。,2ZnO避雷器的电气性能由于ZnO避雷器没有串联火花间隙，也就没有灭弧电压、冲击放电电压等特性参数，但也有某些独特的电气特性。(1)额定电压指避雷器能短期耐受的最大工频电压有效值。在系统中发生短时工频电压升高时（此电压直接施加在ZnO电阻片上），避雷器应能正常可靠地工作一段时间（完成规定的雷电及操作过电压动作负载、特性基本不变、不会出现热损坏）。(2)最大持续运行电压指避雷器能长期持续运行的最大工频电压有效值。它一般应等于系统的最高运行相电压。(3)起始动作电压（又称参考电压或转折电压）,(4)压比指避雷器在波形为8/20s的冲击电流规定值（例如10kA）作用下的残压U10kA与起始动作电压U1mA之比。压比（U10kA/U1mA）越小，表明非线性越好，通过冲击大电流时的残压越低，避雷器的保护性能越好。目前产品制造水平所能达到的压比约为1.62.0。(5)荷电率指最大长期工作电压的幅值与起始动作电压之比。它是表示电阻片上电压负荷程度的一个参数。设计ZnO避雷器时为它选择一个合理的荷电率是很重要的，应综合考虑电阻片特性的稳定度、漏电流的大小、温度对伏安特性的影响、电阻片预期寿命等因素。选定的荷电率大小对电阻片的老化速度有很大的影响，一般选用45%75%或更大。在中性点非有效接地系统中，因一相接地时健全相上的电压会升至线电压，所以一般选用较小的荷电率。,3ZnO避雷器的主要优点与普通阀型避雷器相比，ZnO避雷器具有优越的保护性能。（1）无间隙在正常工作电压下，ZnO电阻片相当于一绝缘体，工作电压不会使ZnO电阻片烧坏，因此可以不用串联火花间隙。由于实现了无间隙，因此其结构简单，体积缩小，重量轻（较SiC同类产品轻50%），而且避免了SiC避雷器由于瓷套外污秽、内部气压变化等因素而使串联火花间隙电压分布不均、放电电压不稳的缺点。同时，无间隙结构也大大改善了陡波响应特性，不存在间隙放电电压随雷电波陡度增大而增大的问题，提高了保护的可靠性，特别适合于伏秒特性平坦的SF6组合电器和气体绝缘变电站（GIS）的保护。,（2）无续流当电网中出现过电压时，通过避雷器的电流增大，ZnO电阻片上的残压受其良好的非线性特性控制；当过电压作用结束后，ZnO电阻片又恢复绝缘体状态，续流仅为微安级，实际上可认为无续流。所以在雷电或内部过电压作用下，只需吸收过电压的能量，而不需吸收续流能量，因而动作负载轻；再加上ZnO阀片的通流容量远大于SiC阀片，所以ZnO避雷器具有耐受多重雷击和重复发生的操作过电压的能力。（3）电气设备所受过电压能量可以降低虽然在10kA雷电流下的残压值ZnO避雷器与SiC避雷器相同，但由于后者只在串联火花间隙放电后才有电流流过，而前者在整个过电压过程中都有电流流过，因此降低了作用在变电站电气设备上的过电压幅值。例如，某500kV变电站的计算结果为：当雷电流是150kA（2/70s）时，过电压下降6%13%；当雷电流是100kA时，过电压下降6%11%。如雷电流波头取为0.8s，过电压可下降13%20%。,第三节、消弧线圈,单相接地是配电网中最常见的故障形式。由于非有效接地系统的中性点不接地，即使发生单相金属性永久接地或稳定电弧接地，仍能不间断供电，这是这种电网的一大优点。可要考虑单相电弧接地时，因风力、电动力、热气流的作用，使电弧拉长，往往会引起多相短路、线路跳闸或损坏设备。若为间歇性电弧接地，还会引起过电压。因此，在中性点不接地的电网中，线路较长，单相接地电流大于自熄电流时，要设法尽快使电弧熄灭，其中一项有效措施就是在电网中性点装设消弧线圈。,3.3.1 补偿单相接地电流中性点不接地电网中发生单相接地故障时，忽略三相对地泄漏电流，则流过故障点的电流为容性电流，而在补偿网络中则是感性电流与容性电流的相量和。如图3-11所示，A相导线D点金属接地，三相电源电动势大小相等，即EA=EB=EC=E，线路不换位，电网三相对地电容分别为C1、C2、C3，消弧线圈电感为LX。应用叠加原理可求得D点接地时接地电流值。,.3.2 减缓弧隙恢复电压上升速度调节LX，可使Id变得很小，在其自然过零时很容易自熄弧，但熄弧后，若弧隙恢复电压上升速度快于去游离使介质绝缘强度恢复的速度，则电弧立即重燃。因此，此时Id虽小，也无法最终熄灭电弧。接地电弧熄灭，相当于图3-11中开关K断开。设Id在瞬时过零时熄弧。此时，不论为容性或感性，电源电压UA为最大值um。因而，K断开后，电网零序回路有自由震荡电压。,（313）,熄弧后，原故障相（A相）电源电压uA（t）,（314）,在电网中装设消弧线圈，可限制间歇电弧过电压；可消除因雷击等原因引起的瞬时性接地故障；对外力或其他原因造成永久性接地故障，也因流过故障点电流很小，绝缘子热破坏和电弧扩散引起相间短路的概率大为减小，明显地提高了配电网的供电可靠性。另外，消弧线圈尚有抑制电压互感器饱和引起的谐振过电压、减小对通信线路的干扰、减小人身触电死亡率等优点。,自动跟踪补偿消弧装置在使用传统的消弧线圈进行补偿时存在以下一些缺点和不足：（1）因消弧线圈的抽头需停电调整，而调整的依据是对电网每条线路电容电流的测量和计算，而配电网的网络结构和运行方式变化频繁，要准确弄清每段时间每条线路的电容电流几乎是不可能的。因而补偿电流也就难以准确控制。不能准确地控制补偿电流，也就不能把故障残流准确地控制在10A以下，如故障残流大于10A，就会影响可靠的熄弧，进而影响对弧光接地过电压的抑制。,2）如脱谐度调整得过小，或工作在欠补偿状态，即ILIC时，如拉线路，就可能发生消弧线圈与网络对地电容产生线性谐振，产生危险的谐振过电压。,（3）现在大多数变电站实行无人值守，传统的消弧线圈在调整时非常困难。,自动跟踪补偿消弧装置既保留了老式消弧线圈的优点，又克服了老式消弧线圈的不足。它的最大优势就是实时在线对电网电容电流进行测量，自动调整补偿电流，使之永远处于最佳补偿状态。有的在中性点串有线性或非线性电阻，能有效地阻尼谐振过电压，使自动跟踪消弧补偿装置不但能工作在过补偿、欠补偿状态，还能工作在全补偿状态。自动跟踪补偿消弧装置从型式上分有调气隙式、调抽头式、直流偏磁式和调容式，这些型式的自动跟踪补偿消弧装置各有其优缺点，在电网中已大量运行，发挥了其应有的作用，因而配电网选用自动跟踪补偿消弧装置接地是比较好的接地形式，它能有效地限制弧光接地过电压，消除电磁式电压互感器所引起的铁磁谐振过电压，促使接地点的电弧熄灭，降低线路的建弧率，大大提高配电网的供电可靠性。,自动跟踪消弧装置原理和型式目前自动跟踪补偿消弧装置已大量的在配电网中运行，自动跟踪补偿消弧装置与人工调谐消弧线圈相比，具有显著的优越性。首先是可以避免人工调谐消弧线圈等诸多麻烦，而且不会使电网在调谐时暂时失去补偿；其次，由于自动跟踪补偿消弧装置能保证补偿精度，不仅可以提高补偿的动作成功率，同时能够限制弧光接地过电压和铁磁谐振过电压，有利于电网的安全运行。自动跟踪补偿消弧装置目前厂家较多，型式也较多，但从结构和原理上可大致分为以下几种型式。,（一）调抽头式这种方式主要由接地变压器、可调电抗器、阻尼控制柜和微机控制器组成，对有中性点引出的电网（如35kV电网），可省去接地变压器。调抽头的方式主要是利用有载开关来切换可调电抗器的抽头，进行测量调感的。其工作原理有两种方式：,1）.位移电压法（串联谐振法）补偿电网正常运行时中性点位移电压,电网运行方式不变，电网的不对称度KC也不变，KC与脱谐度无关。设在抽头T1时位移电压为Un1、在抽头T2时位移电压为Un2，则有,2）.变频测量法为了提高测量精度，一些厂家开发出了基于变频式测量原理的测控系统，即在消弧线圈加装二次绕组，从二次绕组注入变频电压信号，以改变消弧线圈在测量信号下的电抗值和电网对地的容抗值，当达到一定的频率fd时，消弧线圈两端的电压达到最大值，消弧线圈的感抗和电网的对地容抗相等，系统在频率fd时发生串联谐振，此时,XL=2fdL=XC=,因为此时fd、L为已知，因而可以计算出C值，进而可以计算出电网在工频状态下的电容电流Ic值。基于变频式测量原理的消弧装置由于频率的变化可以做到在一定的频带范围内无级可调，因而可以精确地找出谐振点以达到精确测量的目的，但基于这种测量原理的消弧装置有一个最大的缺陷，那就是不能多台自动并联，因为如果在某台消弧装置测量时，如电网中还有另外的消弧装置在运行，消弧线圈的感抗会随频率正比变化，而电网对地电容的容抗则随测量频率反比变化，因而不能准确测出电网中已运行的消弧装置的感抗值，所以不能自动并联。,（二）.直流偏磁式,这种方法主要是在消弧线圈的铁芯加上直流偏磁绕组调整铁芯的磁饱和从而改变补偿电流，采用这种方式主要是结构简单，占地小，但其本身是一个谐波源，不能并联运行，可控硅容易损坏，在电网中运行的较少。直流偏磁式的结构如图326所示。,（三）调容式这种方法主要是在消弧线圈的二次绕组带有若干组低压电容器，用电容电流来抵消电感电流，起到改变补偿电流的作用。在补偿时的一定时间段内可投小电容器，把残流放大，然后通过零序电流进行选线，也就是所谓的残流增量法，采用这种方式的有旭辉公司，在国内也在有一定的市场量。,调容式自动消弧装置是在调抽头的基础上发展起来的，去掉绕组上的分接头、在消弧线圈上加一个二次绕组，二次绕组引出，并接若干组电容器，电容器通过开关或可控硅投切，在运行时利用电容电流抵消一部分消弧线圈一次侧的电感电流，通过改变投入电容器的组合，来达到改变电感电流大小，调节补偿电流之目的。这种消弧装置实际上仍是有阶梯的。只不过通过若干组电容器的不同组合，可调整的级数多一些，细一些而已。另外，由于是在消弧线圈二次侧进行低压调节，电容器采用低压电容器，从价格上要比采用高压分切开关要低，同时可在消弧线圈补偿时调整，这样可以实行残流增量法进行选线。目前，这种型号的消弧装置在电网中运行的也不少。,四）调气隙式首先采用这种形式的是珠海金洪公司，他们在国内首开自动跟踪消弧装置的先河，但由于他们缺少电网运行经验，设计的产品存在着许多致命的缺陷，比如过热、噪声等问题不能解决，产品推向市场后大多不能运行，现在该公司已不再生产。信阳电业局利安公司也是采用这种形式，但在产品结构和工作原理上进行了大量的改进和完善，成功地解决了过热问题、噪声问题，产品具有状态识别功能、自动并联功能，抗干扰能力强，残流小、噪声低，计算机实时在线控制，具有远传功能，自动化程度高，在全国电网大量的应用，取得了很好的效果。特别是后来又开发研制了ZFX-60智能复合型小电流接地选线装置，解决了自动跟踪消弧装置与小电流接地选线的矛盾。,自动跟踪补偿消弧装置对电网的作用自动跟踪补偿消弧装置之所以在近年来在我国电力系统中得到飞速的发展，正因为它特别适合在电网中运行，具有不可替代的作用。归结起来自动跟踪补偿消弧装置在配电网中有如下作用：（1）它能对电网电容电流自动测量、对运行方式自动跟踪，自动调整补偿电流，克服了老式消弧线圈在调谐上存在的不足，如老式消弧线圈的抽头需停电调整，而调整的依据是对电网每条线路电容电流的测量和计算，而配电网的网络结构和运行方式变化频繁，要准确弄清每段时间每条线路的电容电流几乎是不可能的，因而补偿电流也就难以准确控制。不能准确地控制补偿电流，也就不能把故障残流准确地控制在10A以下，如故障残流大于10A，就会影响可靠的熄弧，进而影响对弧光接地过电压的抑制,（2）自动补偿电网单相接地电流促使接地电弧熄灭，自动跟踪补偿消弧装置使补偿后的残流Id控制在一定的范围之内，使之小于熄弧临界值10A，便于接地电弧的熄灭，有效降低了电网的故障建弧率，使配电网的供电可靠性得到大幅度的提高。实践证明当配电网电容电流发展到一定程度后，一旦发生单相接地，接地电弧就不能可靠熄灭，要么发展为间歇性的电弧接地产生弧光接地过电压，要么发展为稳定燃烧的电弧，由电弧的光、热作用破坏电弧周围空气的绝缘，最后发展为相间短路，甚至发生“火烧连营”事故。当电网采用自动跟踪补偿消弧装置接地后，由于装置能够准确地测出接地电流值，并把补偿电流值调整到最佳的补偿状态，把接地故障点的接地残流控制到熄弧临界值以下，使接地电弧能够可靠熄灭，因而能够消除大多数的瞬时性接地故障，降低配电网的故障建弧率；即使对永久性接地故障，也因故障点电流小，绝缘子热破坏和电弧扩散，引起的相间短路的概率大为减小，明显地提高了供电可靠性。,（3）它能有效地限制弧光接地过电压，消除铁磁谐振过电压。配电网中弧光接地过电压可达3.5U，持续时间较长，因而会对电气设备造成相当大的危害。弧光接地过电压的产生原因是接地电弧不能可靠熄灭，形成间歇性的对地电弧，造成电网中电磁能的强烈振荡造成的。要限制弧光接地过电压最主要的方法就是促使电弧可靠熄灭，限制电弧重燃，而当电网加装自动跟踪补偿消弧装置后，当接地故障发生时，装置一方面向接地点提供补偿电流，减缓弧道恢复电压上升速度，促使接地电弧尽快熄灭，避免重燃；另一方面，串接在电抗器与地之间的阻尼电阻会有效地抑制弧光接地电压。某自动跟踪补偿消弧装置在现场所做的弧光接地试验中，能把弧光接地过电压的幅值限制在1.8U以内，可见自动跟踪补偿消弧装置如配置控制得当可具有小电阻接地和消弧线圈接地的综合优点。,（4）防雷害，防污闪，降低线路故障跳闸率。电容电流超过10A的电网中安装自动跟踪补偿消弧装置进行补偿是有效降低线路建弧率提高供电可靠性的非常有效的措施。因为雷电过电压虽然幅值很高，但作用时间很短，绝缘子发生的热破坏大都是由于雷电流过后的工频续流引起的。而工频续流，实际就是电网的电容电流，而某些型号的自动跟踪补偿消弧装置能把补偿后的残流控制在5A以下，这就为雷电流过后的可靠熄弧创造了条件。如广东某铝箔厂四路电源频繁发生雷害事故问题，在2000年加装了ZXB系列自动跟踪补偿消弧装置后得到了彻底的解决。自动跟踪补偿消弧装置具有残流小、降低弧隙恢复电压上升速度的功能，促使接地电弧最快熄灭，因而能使大多瞬时性接地故障自动消除，不会发展成永久性接地故障，更不会发展为相间短路。如雷击引起的单相接地故障，在雷电流流过后，工频续流即为补偿后的残流，能很快熄灭。由于自动跟踪补偿消弧装置能较好地限制弧光接地过电压和铁磁谐振过电压，同时补偿了单相接地电流，因而也减少了绝缘子的污闪放电机率。,5）、自动跟踪消弧装置响应速度目前，接地故障的处理方法，基本可以将消弧线圈分为两种形式，一种是随调式消弧装置，它是靠电网中性点位移电压来启动消弧装置，一般是在电网出现单相接地故障时启动消弧装置，来对配电网电容电流进行测量并调整补偿电流，使其达到预定的补偿状态，而这个过程需要零点几秒到几秒，在这个时间段内，如雷击后工频续流有可能发展成为相间短路或者产生弧光接地过电压而造成事故，一般直流偏磁式和变压器式消弧装置都是属于这种型式，对防雷来讲主要表现在消弧装置的响应速度跟不上；另一种是预调式，即在消弧装置投运后，或在配电网运行方式变化后立即完成对电网电容电流的测量和补偿电流输出调整，然后在预定的状态下，一旦单相接地故障发生，补偿电流立即输出，响应时间为“零”，因为雷击线路闪络时，雷电流的持续时间很短，仅有数十微秒，造成雷击破坏的一般多为工频续流，即配电网的电容电流，而预调式由于响应速度快，对接地故障处理及时，因此具有很好的防雷功能。,3.3.3.3.ZXB系列自动跟踪补偿消弧装置在系统发生单相接地时，允许带故障运行2小时，这对保证供电的可靠性和减少用户停电是不利的。但是，随着电网的发展，特别是城市电网电缆的增多，电容电流越来越大，以致单相接地时不能可靠地熄弧而引起线路跳闸，或者造成电弧间歇性熄灭与重燃，形成弧光接地过电压或激发铁磁谐振，危及电气设备绝缘。因此，对635kV配电网单相接地电流进行限制是非常必要的，老式消弧线圈在调谐上也无法满足要求，若采用电阻接地又可能使供电可靠性得不到保证。为此，河南省信阳市电业局和武汉高压研究所有关专业技术人员从1993年到1996年进行了长达三年研究，充分利用电业局的现场条件和实践知识，结合武汉高压研究所的科研开发能力，终于在1996年继珠海金洪和邯郸衡山之后，开发出了ZXB系列自动跟踪补偿消弧装置。,（一）、装置结构ZXB610kV系列装置由接地变压器、可调电抗器、控制阻尼柜和计算机控制系统四部分组成。ZXB35kV系列装置由可调电抗器、控制阻尼柜和计算机控制系统三部分组成。（1）接地变压器它主要用于引出中性点，一次绕组采用Z形连接，使零序磁通相互抵消，减少零序阻抗，以便于补偿电流的输出。（2）可调电抗器采用调铁芯气隙的方法，使补偿电流连续可调。而且对铁芯进行特殊处理，绕组进行了加固，所以电抗器在处理单相接地故障时，没有振动，噪声也比老式消弧线圈小。,（3）控制阻尼柜它分上、下两部分，上部是用不锈钢绕制的阻尼电阻，用于阻尼谐振过电压和限制弧光接地过电压，下部为计算机控制部分的出口终端。（4）计算机控制系统采用INTEL87C51微处理作为系统的主要处理器（CPU）、外部扩展32KRAM和32KROM，继电器中功率放大输出，键盘接口，微型打印机接口等外围电路以及远动接口。本套装置可对电网的电容电流进行自动跟踪测量和自动调整补偿电流。在正常运行时面板显示中性点电压、电容电流、残流，故障结束后自动打印故障参数。接地变压器、可调电抗器和控制阻尼柜可以户内安装也可以在户外安装。,第四节、防雷接地装置,3.4.1 接地和接地装置的基本概念接地问题最早是18世纪富兰克林为避雷针防雷而提出来的，可称之为防雷接地，当然希望接地电阻愈小愈好，测量接地电阻并没有考虑用什么样的电流。19世纪末20世纪初电力输送网建立起来，使用工频交流电，就出现使用电器者的触电事故，“接触电压”致人死亡和“跨步电压”致人死亡，都要求电力系统妥善解决电力系统的接地问题；这种接地比较复杂，由于输电网是三相供电，有几种接地方式方法，这类接地统称为安全接地，接地装置有些比较庞大，在地下用钢材组成接地网，以尽可能降低接地电阻，测量接地电阻使用的电流当然是电力系统的工频电流，这样测量所得的电阻值称之为工频接地电阻，使用的仪器是摇表式的，a摇表产生工频交流电。与安全接地几乎,同时出现的是电学测量仪器的发展，需要把精密测量仪的外壳接地，以减少外界干扰。40年代以后电子仪器迅速发展，机壳接地防止干扰的问题非常突出，实验室需要设置自己独立的接地装置，这种接地并不通过大电流目的是为了防干扰，称这种接地为防干扰接地或叫信号接地，邮电通信事业发展之时，防干扰是一个重要技术需要，它所需要的接地是属于这一类接地的，测这种接地用直流就可以，直流电有一个极化电压引起的误差，所以就使用摇表铡接地电阻。80年代迅速发展起来的计算机，需要良好的接地，以防止干扰，在设置计算机系统时，必须相应的设置自己专用的接地装置；它也属于信号接地，也有的称它为逻辑地。随着微电子技术的发展，静电的危害与之惧来，在石油化工行业，也频繁发生静电引发的大火，为了泄放各种绝缘物及工作人员身上的静电，又出现第4种接地，这就是防静电接地。,3.4.2 接地电阻 接地电阻是由两部分组成，第一部分是金属接地电极，它在冲击电流下既有电阻，也有电感，所以对于冲击电流所表现出来的，既有电阻，又有感抗，感抗与冲击电流的波形有关，它实际上表现为阻抗，而不是纯电阻。其电阻部分是服从欧姆定律的，与闪电的强度无关。第二部分是闪电电流进入大地时表现出来的电阻，与电流的分布情况、土壤的成分状况和闪电的强度有关，很复杂，这部分电阻称之为流散电阻或散流电阻，这部分电阻值是占主要的，它不服从狭义的欧