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4215200mw區(qū)域性發(fā)電廠電氣部分設計畢業(yè)論文-資料下載頁

2024-08-27 18:29本頁面
  

【正文】 意的一致的認 識。一般認為雷云是在有利的大氣和大地條件下,由強大的潮濕的熱氣流不斷上升,進入稀薄的大氣層冷凝的結果。強烈的上升氣流穿過云層,水滴被撞分裂帶電,輕微的水沫帶負電,被風吹得較高,形成一些局部帶正電的區(qū)域。雷云的底部大多數(shù)是帶負電,它在地面上會感應出大量的正電荷。這樣,在帶有大量不同極性或不同數(shù)量電荷的雷云之間,或者雷云和大地之間形成了強大的電場,其電位差可達數(shù)兆伏甚至數(shù)十兆伏。隨著雷云的發(fā)展和運動,一旦空間電場強度超過了大氣游離放電的臨界電場強度(大氣中約 30kV/cm,有水滴存在時約 10kV/cm)時,就會 發(fā)生云間或對大地的火花放電;放出幾十乃至幾百安的電流;產生強烈的光和熱(放電通道溫度高達 15000℃至 20200℃),使空氣急劇膨脹振動,發(fā)生霹靂轟鳴。這就是閃電伴隨雷鳴,叫做雷電之故。 大多數(shù)雷電發(fā)生在雷云之間,它對地面沒有什么直接影響。雷云對大地的放電雖然只占少數(shù),但是一旦發(fā)生就有可能帶來嚴重的危險。這正是我們主要關心的問題。 實測表明,對地放電的雷云絕大多數(shù)帶負電荷,根據(jù)放電雷云的極性來定義,此時雷電流的極性也為負電荷。雷云中的負電荷逐漸積聚,同時在附近地面上感應出正電荷。當雷云與大地之間局部電場強度 超過大氣游離臨界場強時,就開始有局部放電通道自雷云邊緣向大地發(fā)展。這一放電階段稱為先導放電。先導放電通道具有導電性,因此雷云中的負電荷沿通道分布,并繼續(xù)向地面延伸,地面上的感應正電荷也逐漸增多,先導通道發(fā)展臨近地面時, 32 由于局部空間電場強度的增加,常在地面突起處出現(xiàn)正電荷的先導放電向天空發(fā)展,稱為迎面先導。 當先導通道到達地面或者與迎面先導相遇以后,就在通道端部因大氣強烈游離而產生高密度的等離子區(qū),此區(qū)域自下而上迅速傳播,形成一條高導電率的等離子通道,使先導通道以及雷云中的負電荷與大地的正電荷迅速中和,這就是 主放電過程。 與先導放電和主放電對應的電流變化同時表示時,先導放電發(fā)展的平均速度較低,約 105m/s,表現(xiàn)出的電流不大,約為數(shù)百安。由于主放電的發(fā)展速度很高,約為 2 107~ 108m/s,所以出現(xiàn)甚強的脈沖電流,可達幾十乃至二、三百千安。 以上描述的是雷云負電荷向下對地放電的基本過程,可稱為下行負閃電。在地面高聳的突起處(如尖塔或山頂),也可能出現(xiàn)從地面開始的上行正先導向云中的負電荷區(qū)域發(fā)展的放電,稱為上行負閃電。與上面的情況類似,帶正電荷的雷云對地放電,也可能是下行正閃電,或上行正閃電。 雷電觀測表明,先導放電不是一次貫通全部空間,而是間歇性的脈沖發(fā)展過程,稱為分級先導。每次間隙時間大約幾十微秒。而且,人們眼睛觀察到的一次閃電,實際上往往包含多次先導 主放電的重復過程,一般為 2~3次,最多可達 40多次。 發(fā)生多重雷電放電的原因可作如下解釋。雷云是一塊大介質,電荷在其內部不容易運動,因此如前所述,在雷云積聚電荷的過程中,就可能形成若干個密度較高的電荷中心。第一次先導 — 主放電沖擊,主要是泄放第一個電荷中心及其已傳播到先導通道中的負電荷,這時第一次沖擊放電過程雖已結束,但是雷云內兩個電荷中心之間的 流注放電已開始,由于主放電通道仍然保持著高于周圍大氣的導電率,由第二個及多個電荷中心發(fā)展起來的先導 — 主放電以更快的速度沿著先前的放電通道發(fā)展,這就出現(xiàn)了多次重復的沖擊放電。實際觀測表明,第二次及以后的沖擊放電的先導階段發(fā)展時間較短,沒有分叉。觀測還表明,第一次沖擊放電的電流幅值最高,第二次及以后的電流幅值都比較低,但對 GIS變電站的運行可能造成一定程度的危險;而且它們增加了雷云放電的總持續(xù)時間,對電力系統(tǒng)的運行同樣會帶來不利的影響。 帶有大量電荷的雷云(實測表明多為負極性),在其周圍的電場強度達到使空氣絕緣 破壞的程度(約 25~ 30kV/cm),空氣開始游離,形成導電性的通道,通道從云中帶電中心向地面發(fā)展。在先導通道發(fā)展的初級階段,其方向受偶然的因素影響而不定。但當距離地面達某一高度時,先導通道的頭部至地面某一感應電荷的電場強度超過了其它方向,先導通道大致沿其頭部至感應電荷的集中點的方向連續(xù)發(fā)展,至此放電發(fā)展才有方向。如果配電網(wǎng)中的 33 線路或設備遭受雷擊時,將通過很大的電流,產生的過電壓稱為直擊雷過電壓。 帶有負電荷的雷云接近輸電線路時,強大的電場在導線上產生靜電感應。由于帶有負電荷雷云的存在,束縛著導線上的正電荷 。當雷云對導線附近地面物體放電后,雷云電荷被中和而失去對導線上電荷的束縛作用,電荷便向導線兩側流動,由此而產生的過電壓稱為感應過電壓,其能量很大,對供電設備的危害也很大。 雷電參數(shù) 雷電參數(shù)是雷電過電壓計算和防雷設計的基礎,參數(shù)變化,計算結果隨之而變。目前采用的參數(shù)是建立在現(xiàn)有雷電觀測數(shù)據(jù)的基礎上的,這些參數(shù)是: 雷電日 為了統(tǒng)計雷電的活動頻繁度,采用雷電日為單位。在一天內只要聽到雷聲就算一個雷電日。每年的雪電日數(shù)相差較大,故采用的是多年平均值。我國的平均雷電日分布圖可查閱 《電力設備過電壓保護設計技術規(guī)程》。 我國各地雷電日的多少和該地的緯度及距海洋的遠近有關。海南省及雷州半島雷電活動頻繁而強烈,平均年雷電日高達 100~ 133,北緯 ,一般在 80 以上,北緯 度到長江一帶約 40~ 80,長江以北大部分地區(qū) (包括東北 )多在 20~ 44。西北多數(shù)地區(qū)在 24以下。我國把平均雷電日不超過 15的叫少雷區(qū), 40~ 90的叫多雷區(qū),超過 90的叫強雷區(qū)。在防雷設計中,要根據(jù)雷電日的多少因地制宜。 雷電流的波形和極性 實測結果表明,雷電流是單極性的脈沖波,這與前述雷 電放電過程的原理解釋是一致的。許多雷電流波形都是在峰值附近出現(xiàn)明顯的雙峰,波尾部分也有不太大的隆起。根據(jù)國內外的實測統(tǒng)計, 75%~ 90%的雷電流是負極性的。因此電氣設備的防雷保護和絕緣配合通常都是取負極性的雷電沖擊波進行研究分析。 雷電流的幅值、波頭、波長和陡度 對于脈沖波形的雷電流,需要三個主要參數(shù)來表征。這三個參數(shù)為 :幅值、波頭和波長。幅值是指脈沖電流所達到的最高值 。波頭是指電流上升到幅值的時間 。波長是指脈沖電流的持續(xù)時間。 幅值和波頭又決定了雷電流隨時間上升的變化率,稱為雷電流的陡 度。雷電流陡度對過電壓有直接影響,也是常用的一個重要參數(shù)。 34 ( 1)雷電流幅值的概率分布 我國現(xiàn)行標準推薦按下式計算 88lg IP ?? (21) 式中: I是雷電流幅值, kA; P是 幅值等于大于 I的雷電流概率。例如幅值等于和超過50kA的雷電流,計算可得概率為 33%。 上述雷電流幅值累積概率計算公式適用于我國大部分地區(qū)。對于雷電活動很弱的少雷地區(qū) (年平均雷電活動 20日以下 ),例如陜南以外的西北地區(qū)及內蒙古自治區(qū)的部分地區(qū)。雷電流幅值概率可按以下公 式求得: 44lg IP ?? (22) ( 2)雷電流的波頭和波長 雖然雷電流幅值隨各國的自然條件不同而差別很大,但是各國側得的雷電流波形卻基本一致。據(jù)統(tǒng)計,波頭長度大多在 1181。s~ 5181。s的范圍內,平均 2181。s~ 。我國在防雷保護設計中建議采用 。 至于雷電流的波長,實測表明在 20181。s~ 100181。s范圍之內,平均約為 50181。s,大于 50181。s 的僅占 18%~ 30%。 根據(jù)以上分析,在防雷保護計算中,雷電流的 波形可采用 。 (3)雷電流陡度 由于雷電流的波頭長度變化范圍不大,所以雷電流的陡度和幅值必然密切相關。我國采用 ,即認為雷電流的平均陡度石和幅值線性相關: ? (23) 即幅值較大的雷電流同時也具有較大的陡度。 雷電流的各項主要參數(shù) 幅值、波頭、波長和陡度的實測數(shù)據(jù)具有很大的分散性。許多研究者發(fā)表過各種結果,雖然基本規(guī)律大體相近,但其具體數(shù)值卻有差異。其原因一方 面在于雷電放電本身的隨機性受到自然條件多種因素的影響 。另一方面也在于測量條件和技術水平的不同。我國幅員遼闊,各地自然條件千差萬別。雷電觀測工作的基礎還比較薄弱,有待于進一步加強。 雷電流極性及波形 35 國內外實測結果表明, 75%~ 90%的雷電流是負極性,加之負極性的沖擊過電壓波沿線路傳播衰減,因此電氣設備的防雷保護中一般按負極性進行分析研究。 在電力系統(tǒng)的防雷保護計算中,要求將雷電流波形用公式描述,以便處理 ,經(jīng)過簡化和典型化可得以下三種常用的計算波形,如圖 21所示。 (a)標準沖擊波形 (b)等值斜角波頭 (c)等值半余弦波頭 圖 21 雷電流的等值波形 圖 21(a)標準波形,它是由雙指數(shù)公式所表示的波形 )(0 tt eeIi ?? ?? ?? ( 24) 這種表示是與實際雷電流波形最為接近的等值波形,但比較繁瑣。當被擊物體的阻抗只是電阻 R時,作用在 R上的電壓波形 u和電流波形 i是相同的。雙指數(shù)波形也取作沖擊絕緣強度試驗電壓的波形,對它定出標準波前和波長為 。 圖 221( b) 為斜角平頂波,其陡度α可由給定的雷電流幅值 I 和波前時間定。斜角波的數(shù)學表達式最簡單,便于分析與雷電流波前有關的波程,并且斜角平頂波用于分析發(fā)生在 10181。s以內的各種波過程,有很好的等值性。 圖 221( c)為等值半余弦波,雷電流波形的波前部分,接近半余弦波,可用下式表達: )c os1(2 tIi m ??? ( 25) 這種波形多用于分析雷電流波前的作用,因為用余弦函數(shù)波前計算雷電流通過電感支路所引起壓降比較方便。還有在設計特高桿塔時,采用此種表示將使計算更加接近于實際。 雷電波阻抗 (Z0) 雷電通道在主放電時如同導體,使雷電流在其中流動同普通分布參數(shù)導線一樣,具有某一等值波阻抗,稱為雷電波阻抗 (Z0)。也就是說,主放電過程可視為一個電流波阻抗 Z0的雷t T2 T1 i I 0 t T1 i I 0 t T1 i I 0 36 電投射到雷擊點 A的波過程。若設這個電流入射波為 I0,則對應的電壓入射波 000 ZIu ? 。 根據(jù)理論研究和實測分析,我國有關規(guī)程建議 Z0取 300Ω左右。 地面落雷密度 雷云對地放電的頻繁和強烈程度,由地面落雷密度 ? 來表小。 ? 是指每個雷電日每平方公里地面上的平均落雷次數(shù)。實際上, ? 值與年平均雷電日 dT 有關。一般, dT 大的地區(qū),其 ? 值也較大。 關于地面落雷密度與雷電日數(shù)的關系,我國標準推薦采用國 際大電網(wǎng)會議推薦標準 : dg TN ? ( 26) 式中, Ng為每年每平方公里地面落雷數(shù); Td 雷電日數(shù);由此可得: dT?? ( 27) 對 40?dT 的地區(qū),按我國標準取值 ?? 。 雷擊過電壓產生的機理 云對地放電的實質是雷云電荷向大地的突然釋放。盡管雷云有很高的初始電位 (估可達幾百兆伏 ),可能使大氣擊穿,形成先導主放電,但是地而被擊物體的電位并不取決于這一初始電位,而是取決于雷電流與被擊 物體阻抗的乘積 (被擊物體阻抗是指被擊點與大地零電位參考點之間的阻抗 )。所以,從電源的性質看,這相當于一個電流源的作用過程。 雷電放電的物理過程雖然是很復雜的,但是從地而感受到的實際效果和防雷保護的工程角度,還是可以把它看成是一個沿著一條固定波阻抗的雷電通道向地而傳播的電磁波過程,據(jù)此建立計算模型。 在雷電放電過程中,人們能夠測知的電量,主要是雷擊地而時流過被擊物體的電流 i,然后再根據(jù)計算模型反推出雷電波的參數(shù)。如圖 22的雷電流源等值電路,有 : Z Z0 i=2i0 雷擊流源 被擊電路 37 圖 22雷電流等值電路 ZZZii ??0002 ( 28) 顯然 i與 Z有關。當 Z=Z0時,恰好 i=i0,這種巧合實際上是不可能的;當 Z=0時, i=2i0,事實上 Z 又不可能為零;但若 ZZ0,仍可測得 02ii? 。在雷電流的實際測量中,一般都能滿足條件 ZZ0,例如, Z0估計為 300Ω , 30?Z Ω即可。所以國際上都習慣把雷擊低于接地阻抗 ( 0?Z 或 ZZ0。 )物體時,流過該物體的電流定義為雷電流。應當特別注意的是 :定義中的雷電流 i恰好等于沿雷電通道 傳播而來的雷電流波的兩倍。因而在防雷保護計算的彼德遜等值電路中,如圖 213所示,等值雷電流源通常就直接用雷電流來表示。 防雷裝置
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