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高电压技术论文.doc

高电压技术论文

李江秋
2017-10-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《高电压技术论文doc》,可适用于高等教育领域

高电压技术论文武汉理工大学题目:Lightning的研究、防护方法学院:班级:学号:姓名:二一二年十月Lightning的研究、防护方法摘要………………………………………………………………………、雷电的放电过程………………………………………………………、雷电的成因……………………………………………………………、雷电过电压的形成……………………………………………………直击雷过电压……………………………………………………………感应雷过电压………………………………………………………………、雷电的防护……………………………………………………………避雷针和避雷线…………………………………………………避雷针(线)的保护范围………………………………………单根避雷针的保护范围…………………………………………两根避雷针的保护范围……………………………………………多根避雷针的保护范围……………………………………………避雷器的种类和原理………………………………………………、发电厂和变电所的防雷保护…………………………………………变电所的防雷原则……………………………………………………变电所的防雷举措……………………………………………………、结论………………………………………………………………………………、参考文献………………………………………………………………摘要经过近几个星期的学习我对《高电压技术》这门课程有了一定的了解和认识。《高电压技术》是以试验研究为基础的面向应用的技术其主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象高电压设备的绝缘结构设计高电压试验和测量的设备及方法电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施以及高电压、大电流的应用等。其中雷电过电压是雷云放电引起的电力系统过电压又称大气过电压、外部过电压。雷电过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压。直击雷过电压是由于雷电放电强大的雷电电流经被击物产生的过电压。感应雷过电压是雷击线路附近大地由于电磁感应在导线上产生的过电压。由于雷电现象极为频繁产生的雷电过电压可达数千千伏足以使电气设备绝缘结构发生闪络和损坏引起停电事故因此有必要对输电线路发电厂和变电所的电气装置采取防雷保护措施。因此就雷电的发生原因过程参数以及如何防雷避雷针、避雷线和避雷器的使用和原理输电线路、发电厂和变电所的防雷保护方法做一些学习关键词:雷电的成因、雷电的原理、雷电过电压、直击雷过电压、感应雷过电压、避雷针、防雷保护雷电的放电过程如果我们在两根电极之间加很高的电压并把它们慢慢地靠近。当两根电极靠近到一定的距离时在它们之间就会出现电火花这就是所谓“弧光放电”现象。雷雨云所产生的闪电与上面所说的弧光放电非常相似只不过闪电是转瞬即逝而电极之间的火花却可以长时间存在。因为在两根电极之间的高电压可以人为地维持很久而雷雨云中的电荷经放电后很难马上补充。当聚集的电荷达到一定的数量时在云内不同部位之间或者云与地面之间就形成了很强的电场。电场强度平均可以达到几千伏特,厘米局部区域可以高达万伏特,厘米。这么强的电场足以把云内外的大气层击穿于是在云与地面之间或者在云的不同部位之间以及不同云块之间激发出耀眼的闪光。这就是人们常说的闪电。肉眼看到的一次闪电其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时云的中下部是强大负电荷中心云底相对的下垫面变成正电荷中心在云底与地面间形成强大电场。在电荷越积越多电场越来越强的情况下云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱称梯级先导。这种电离气柱逐级向地面延伸每级梯级先导是直径约米、长米、电流约安培的暗淡光柱它以平均约米秒的高速度一级一级地伸向地面在离地面米左右时地面便突然向上回击回击的通道是从地面到云底沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。回击以万公里秒的更高速度从地面驰向云底发出光亮无比的光柱历时微秒通过电流超过万安培这即第一次闪击。相隔几秒之后从云中一根暗淡光柱携带巨大电流沿第一次闪击的路径飞驰向地面称直窜先导当它离地面米左右时地面再向上回击再形成光亮无比光柱这即第二次闪击。接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由次闪击构成一次闪电过程。一次闪电过程历时约秒在此短时间内窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能因而形成强烈的爆炸产生冲击波然后形成声波向四周传开这就是雷声或说“打雷”。而每次闪击通常可以分为先导放电、主放电和余辉放电三个阶段雷电的成因前面讲了雷电是雷雨云底与地面形成电场而雷雨云的电是怎么来的呢也就是说雷雨云中有哪些物理过程导致了它的起电为什么雷雨云中能够累积那么多的电荷并形成有规律的分布本节将要回答这些问题。前面我们已经讲过雷雨云形成的宏观过程以及雷雨云中发生的微物理过程与云的起电有密切联系。科学家们对雷雨云的起电机制及电荷有规律的分布进行了大量的观测和实验积累了许多资料并提出了各种各样的解释有些论点至今也还有争论。归纳起来云的起电机制主要有如下几种:A对流云初始阶段的“离子流”假说大气中总是存在着大量的正离子和负离子在云中的水滴上电荷分布是不均匀的:最外边的分子带负电里层带正电内层与外层的电位差约高(伏特。为了平衡这个电位差水滴必须“优先’吸收大气中的负离子这样就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部而带负电的云滴因为比较重就留在下部造成了正负电荷的分离。B冷云的电荷积累当对流发展到一定阶段云体伸入层以上的高度后云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于的云叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种:a冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电霰粒是由冻结水滴组成的呈白色或乳白色结构比较松脆。由于经常有过冷水滴与它撞冻并释放出潜热故它的温度一般要比冰晶来得高。在冰晶中含有一定量的自由离子(OH或OH)离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温差高温端的自由离子必然要多于低温端因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时较轻的带正电的氢离子速度较快而带负电的较重的氢氧离子(OH)则较慢。因此在一定时间内就出现了冷端H离子过剩的现象造成了高温端为负低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后又分离时温度较高的霰粒就带上负电而温度较低的冰晶则带正电。在重力和上升气流的作用下较轻的带正电的冰晶集中到云的上部较重的带负电的霞粒则停留在云的下部因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。b过冷水滴在霰粒上撞冻起电在云层中有许多水滴在温度低于时仍不冻结这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的只要它们被轻轻地震动一下马上就会冻结成冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时会立即冻结这叫撞冻。当发生撞冻时过冷水滴的外部立即冻成冰壳但它内部仍暂时保持着液态并且由于外部冻结释放的潜热传到内部其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳来得高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带正电内部带负电。当内部也发生冻结时云滴就膨胀分裂外表皮破裂成许多带正电的小冰屑随气流飞到云的上部带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上使霰粒带负电并停留在云的中、下部。c水滴因含有稀薄的盐分而起电除了上述冷云的两种起电机制外还有人提出了由于大气中的水滴含有稀薄的盐分而产生的起电机制。当云滴冻结时冰的晶格中可以容纳负的氯离子(Cl)却排斥正的钠离子(Na)。因此水滴已冻结的部分就带负电而未冻结的外表面则带正电(水滴冻结时是从里向外进行的)。由水滴冻结而成的霰粒在下落过程中摔掉表面还来不及冻结的水分形成许多带正电的小云滴而已冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用带正电的小滴被带到云的上部而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。d(暖云的电荷积累上面讲了一些冷云起电的主要机制。在热带地区有一些云整个云体都位于以上区域因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫做暖云或“水云”。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云云体位于等温线以下的部分就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。在雷雨云的发展过程中上述各种机制在不同发展阶段可能分别起作用。但是最主要的起电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明只有当云顶呈现纤维状丝缕结构时云才发展成雷雨云。飞机观测也发现雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子而且大量电荷的累积即雷雨云迅猛的起电机制必须依靠霰粒生长过程中的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生。雷电过电压的形成、直击雷过电压a、雷直击于地面上接地良好的物体这时流过雷击点的电流即为雷电流i。采用电流源彼得逊等效电路相对于雷道波阻抗Z(约为Ω)接地良好的被击物在雷电作用下的接地电阻R较小(一般小于Ω)Z=R可以忽略不计则累积电流i=ZZ。Z*i=i可见沿雷道波阻抗Z下来的雷电入射波的幅值i=Ib、雷直击于输电线路的导线如图所示雷击线路后电流向线路两边流动如果电流电压均以幅值表示导线被击点A的过电压幅值为若取导线的波阻抗Z=ΩZ=Ω当雷电电流幅值I=kA被击点直击雷过电压Ua=I=kV。在近似计算取导线的波阻抗Z=Ω被击点直击雷过电压计算式所以当雷击电流幅值I=kA过电压Ua=I=kV可见雷击中导线后在导线上产生很高的过电压会引起绝缘子闪络需要采用防护措施架设避雷线可有效的减少雷直击导线的概率。UIZZZZ图、感应雷过电压UIA,雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等在绝缘的导线上引起感应过电压。在先导放电阶段虽然有束缚电荷的存在但是由于负电荷移动较慢故线路上产生的的电流较小相应的电压也较小可忽略。主放电阶段负电荷迅速被中和束缚的正电荷产生的电场使导线对地形成一定电压而雷电流产生的磁通在导线也感应出一定电压。这两者之和zi,,就是感应雷击过电压分别称为雷击过电压的静电分量和电磁分量。AzUiI,,UIZA,ZZZZZZ图雷电的防护由于雷电现象极为频繁产生的雷电过电压可达数千千伏足以使电气设备绝缘结构发生闪络和损坏引起停电事故因此有必要对输电线路发电厂和变电所的电气装置采取防雷保护措施。基本防护措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。避雷针和避雷线当雷云放电接近地面时会使地面电场发生畸变在避雷针(线)的顶端形成局部电场强度集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向引导雷电向避雷针(线)放电再通过接地引下线和接地装置将雷电流引人大地从而使放保护物体免受雷击(避雷针(线)只能改变周围局部的地面电场对雷云大地这个大电场的影响有限而且雷云的漂移和先导放电的发展都存在随机性所以只有先导放电发展到一定的高度H以后才会在一定的范围内受到避雷针(线)的影响从而对避雷针(线)放电。H称为定向高度与避雷针(线)高度有关。根据模拟实验当避雷针线高度hm时(HhI当h>m时(Hm如图所示。图接地物体时雷电先导发展的影响(a)雷电先导很高时无影响(b)先导高度较低时有影响避雷针(线)的保护范围避雷针(线)的保护范围是指被保护物体再次空间范围内不致遭受雷击。我国标准中的保护范围是按照保护慨率(即屏蔽失效率或绕击率)确定的。单根避雷针的保护范围单根避雷针的保护范围如图所示设避雷针的高度为h被保护物体的高度为hx则避雷针的有效高度ha=h一hx(在hx高度上避雷针的保护范围半径计算公式为rxh当hx时(=(hhx)p=haprxh当hx,时(=(hhx)prx式中p为高度影响系数是考虑避雷针高度影响的校正系数当h<m时p=l当m<hm时p=,当h>m时按m计算(保护范围可以用图所示的几何h图来表示从避雷针顶点向下做斜线此斜线旋转而成的锥体即构成图单根避雷针的保护范围hxh,的保护范围。而从地平面距避雷针h处向避雷针h高度做连线此连线旋hx转而成的锥体构成了<h时的保护范围两根避雷针的保护范围工程采用两根或者多根避雷线扩大保护范围。两根避雷线的保护范围如图所示。两针外侧的保护范围按单针方法确定两针之间的保护范围由通过、、三点的圆弧画出(点的Dhh,,高度h。为式中:D为两针之间的距离p为高度影响系数在’截phx面上高度为的水平面上的最小保护宽度为bxbx按照图确定当bx,rx时取bx=rx。为了达到联合保护的效果两针之间的距离与针高之比Dh不宜大于。图两根等高避雷针的保护范围两避雷针不等高的情况其保护范围可以按照图确定。两针外侧的保护范围仍按照单针方法求出。两针之间的保护范围按以下步骤确定:首先作出高针的保护范围然后由低针作水平线得到交点(再设为一假想避雷线的顶点按照双根登高避雷线的方法求出和之间的保护范围。图两等高避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx与的关系:Dhpa(a)=~(b)=~。DhpaDhpa图两根不等高避雷针的保护范围多根避雷针的保护范围由于发电厂和变电站的面积较大实际上都是采用多根避雷线。图所示为三根和四根等高避雷针的保护范围。图多根避雷针的保护范围对于三根避雷针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hx体的高度分别计算各相邻两针之间的保护范围如果内侧的最小宽度都满足bx(就认为整个的面积都得到了保护(对于四根以上的多根避雷针的保护范围可分隔成为两组以上的三根避雷针组然后分别按三针的方法计算。需要注意的是()被保护的物体有多种其高度各不相同应注意的是根据哪一种高度而得到的保护范围以便使所设计的避雷针起到全面的保护作用。()实际工程中大多是已知被保护物体的高度、宽度和位置例如户外变电站要确定避雷针的根效、位置和高度还要考虑到避雷针与被保护物体间的允许距离提出多种设计方案经反复试算得出最优方案。避雷器的种类和原理避雷器是连接在导线和地之间的一种防止雷击的设备通常与被保护设备并联。避雷器可以有效的保护电力设备一旦出现不正常电压避雷器产生作用起到保护作用。当被保护设备在正常工作电压下运行时避雷器不会产生作用对地面来说视为断路。一旦出现高电压且危及被保护设备绝缘时避雷器立即动作将高电压冲击电流导向大地从而限制电压幅值保护电气设备绝缘。当过电压消失后避雷器迅速恢复原状使系统能够正常供电。避雷器的主要作用是通过并联放电间隙或非线性电阻的作用对入侵流动波进行削幅降低被保护设备所受过电压值从而达到保护电力设备的作用。避雷器不仅可用来防护大气高电压也可用来防护操作高电压。如果出现雷雨天气电闪雷鸣就会出现高电压电力设备就有可能有危险此时避雷器就会起作用保护电力设备免受损害。避雷器的最大作用也是最重要的作用就是限制过电压以保护电气设备。避雷器是使雷电流流入大地使电气设备不产生高压的一种装置主要类型有管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等。每种类型避雷器的主要工作原理是不同的但是他们的工作实质是相同的都是为了保护点了设备不受损害。避雷器按其发展的先后可分为:保护间隙是最简单形式的避雷器管型避雷器也是一个保护间隙但它能在放电后自行灭弧阀型避雷器是将单个放电间隙分成许多短的串联间隙同时增加了非线性电阻提高了保护性能磁吹避雷器利用了磁吹式火花间隙提高了灭弧能力同时还具有限制内部过电压能力氧化锌避雷器利用了氧化锌阀片理想的伏安特性(非线性极高即在大电流时呈低电阻特性限制了避雷器上的电压在正常工频电压下呈高电阻特性)具有无间隙、无续流残压低等优点也能限制内部过电压被广泛使用。发电厂和变电所的防雷保护供电系统在正常运行时,电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下,但是由于雷击的原因,供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值,通常情况下变电所雷击有两种情况:一是雷直击于变电所的设备上二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。其具体表现形式如下:、直击雷过电压。雷云直接击中电力装置时,形成强大的雷电流,雷电流在电力装置上产生较高的电压,雷电流通过物体时,将产生有破坏作用的热效应和机械效应。、感应过电压。当雷云在架空导线上方,由于静电感应,在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷,在雷云对大地放电时,线路上的电荷被释放,形成的自由电荷流向线路的两端,产生很高的过电压,此过电压会对电力网络造成危害。因此,架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所,是导致变电所雷害的主要原因,若不采取防护措施,势必造成变电所电气设备绝缘损坏,引发事故。变电所防雷的原则针对变电所的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散(外部保护)阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护)限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。应从单纯一维防护(避雷针引雷入地无源保护)转为三维防护(有源和无源防护),包括:防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。、外部防雷和内部防雷避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部防雷,需要对进出保护区金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。的电缆,、防雷等电位连接为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。变电所防雷的具体措施变电所遭受的雷击是下行雷,主要雷直击在变电所的电气设备上,或架空线路的感应雷过电压和直雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。因此,避免直击雷和雷电波对变电所进线及变压器产生破坏就成为变电所雷电防护的关键。、变电所应装设避雷针对直击雷进行防护架设避雷针是变电所防直击雷的常用措施,避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接收器,其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引入大地中,从而起到保护设备效果。变电所装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内。、变电所的进线防护要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陂度就必须对变电所进线实施保护。当线路上出现过电压时,将有行波导线向变电所运动,起幅值为线路绝缘的冲击闪络电压,线路的冲击耐压比变电所设备的冲击耐压要高很多。因此,在接近变电所的进线上加装避雷线是防雷的主要措施。如不架设避雷线,当遭受雷击时,势必会对线路造成破坏。、变电站对侵入波的防护变电站对侵入波的防护的主要措施是在其进线上装设阀型避雷器。阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻。目前,SFZ系列阀型避雷器,主要有用来保护中等及大容量变电所的电气设备。FS系列阀型避雷器,主要用来保护小容量的配电装置。、变压器的防护变压器的基本保护措施是在接近变压器处安装避雷器,这样可以防止线路侵入的雷电波损坏绝缘。装设避雷器时,要尽量接近变压器,并尽量减少连线的长度,以便减少雷电电流在连接线上的压降。同时,避雷器的连线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起,这样就有效减少了雷电对变压器破坏的机会。变电站的每一组主母线和分段母线上都应装设阀式避雷器,用来保护变压器和电气设备。各组避雷器应用最短的连线接到变电装置的总接地网上。避雷器的安装应尽可能处于保护设备的中间位置。、变电所的防雷接地变电所防雷保护满足要求以后,还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网,然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求,或者在防雷装置下敷设单独的接地体。、变电所防雷感应采取防雷感应保护的措施主要有:多分支接地引线,减少引线雷电流改善汇流系统的结构,减少引下线对弱电设备的感应除了在电源入口装设处压敏电阻等限制过压装置外,还可在信号线接入处使用光耦元件所有进出控制室的电缆均采用屏蔽电缆,屏蔽层共用一个接地极在控制室和通信室铺设等电位,所有电气设备的外壳均与等电位汇流牌连接结论总之雷电对电力系统的危害很大应当引起人们的重视只有深入了解和研究雷电的特性和特点才能有效的应对从实际出发因地制宜综合治理。在采取防雷改进措施之前要认真调查分析充分了解地理、气象及线路运行等各方面的情况研究采用措施的可行性、工作量、难度、经济效益及效果等最后来决定准备采用某一种或几种防雷改进措施。、参考文献、《建筑防雷与接地技术》张小青编著中国电力出版社、袁志鑫《变电所防雷接地》J科技情报开发与经济()、陈伟李小萍胡旭红吴雪玲《变电所的防雷措施》J科技信息()。、中国防雷资料网、中国科普展览大气科学馆《高电压技术》吴广宁编著机械工业出版社

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