发电厂和变电站的防雷保护.ppt

第八章发电厂和变电站的防雷保护 对直击雷的保护 一般采用避雷针或避雷线 对沿线路侵入的雷电波的防护措施主要是在发电厂 变电所内安装阀型避雷器或氧化锌避雷器以限制入侵雷电波的幅值 在发电厂 变电所的进线上设置进线保护段 以限制流经避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度 第一节直击雷过电压的防护 对于直击雷必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护 变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数 高度 装设位置 验算它们的保护范围 应有的接地电阻 防雷接地装置设计等 对于独立避雷针 则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题 一 避雷针保护 1 独立避雷针对于35kV及以下的配电装置 因绝缘水平低 为避免反击应架设独立避雷针 其接地装置与主接地网分开埋设 避雷针在高度h处的电位ua为接地装置上的电位ue为式中Ri 避雷针的冲击接地电阻 L0 避雷针单位高度的等值电感 H m h 避雷针校验点的高度 m i 流过避雷针的雷电流 kA 取空气间隙击穿场强为Ea kV m 避雷针与被保护设备或其构架间的空中距离应为取土壤的平均击穿场强为Ee kV m 避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间的地中距离应为 我国标准推荐用下面两个公式校核独立避雷针与被保护设备之间的空气距离Sa和地中距离SeSa 0 2Ri 0 1h 8 5 Se 0 3Ri 8 6 Sa不宜小于5m Se不宜小于3m 在一般土壤中避雷针 线 的工频接地电阻不宜大于10 2 架构避雷针 对110kV及以上的配电装置 由于电气设备的绝缘水平较高 可将避雷针装设在配电装置的架构或房顶上 但在土壤电阻率较大的地区 1000 m 宜装设独立避雷针 66kV的配电装置 允许将避雷针装设在配电装置的架构或房顶上 但在土壤电阻率 500 m的地区 宜装设独立避雷针 35kV及以下高压配电装置架构或房顶上不宜装设避雷针 变压器的绝缘较弱 又是变电站中最贵重的设备 所以变压器的门型架构上 不宜装设避雷针 线 发电厂的主厂房一般不装设避雷针 以免发生感应或反击使继电保护误动作或造成绝缘损坏 架构避雷针的接地是利用发电厂 变电站的主接地网 但应在其附近装设辅助集中接地装置 并且架构避雷针与主接地网的地下连接点至变压器的接地线与主接地网的地下连接点之间 沿接地体的长度不得小于15m 关于线路终端杆塔上的避雷线能否与变电站架构相连 也按是否发生反击的原则处理 当线路电压等级在110kV及以上时 允许将避雷线引至出线的门型架构上 当土壤电阻率大于1000 m时 应装设集中接地装置 当土壤电阻率 500 m时 35kV 60kV线路的避雷线允许连接到出线门型架构上 但应设集中接地装置 在 500 m的地区 避雷线应终止于线路终端杆塔 从线路终端杆塔到配电装置架构之间的一档线路由独立避雷针保护 也可在线路终端杆塔上装设避雷针 二 避雷线保护 采用架空避雷线保护的布置形式有两种 一种是避雷线一端经配电装置架构接地 另一端经绝缘子串与厂房建筑物绝缘 如图8 2所示 另一种是避雷线两端都接地 如图8 3所示 为了不发生反击事故 避雷线与被保护设备之间的空气距离Sa及避雷线的接地装置与被保护设备接地装置之间的地中距离Se应足够大 且避雷线绝缘端的绝缘子串应有足够的绝缘强度 以防止反击事故的发生 当避雷线一端绝缘时 雷击绝缘子串附近的避雷线开路端c点的过电压最高 该点的过电压uc可按下式计算式中L0 避雷线与接地架构单位长度的平均电感 H m l 避雷线上校验的雷击点与接地支柱的距离 m h 避雷线支柱的高度 m 避雷线两端接地时 雷击校验点c的过电压为式中 i为总的雷电流 i1为流向架构1的雷电流 l为雷击点距架构1的距离 h1和Ri1分别为架构1的高度和冲击接地电阻 为避雷线的分流系数 i1 i 可由电路的基尔霍夫定律推导求得 当忽略接地电阻对 的影响 并设两侧架构高度相等 为h 时 标准 对避雷线与被保护设备之间的空气间隙距离Sa 避雷线接地装置与被保护设备接地装置之间的地中距离Se提出以下要求 对一端绝缘另一端接地的避雷线 对两端接地的避雷线一般情况下 避雷针 避雷线的Sa不宜小于5m Se不宜小于3m 8 10 8 11 8 12 8 13 避雷线一端绝缘时绝缘子串的片数 按雷击绝缘子串附近避雷线不致使绝缘子串闪络的条件选择 关于线路终端杆塔上的避雷线能否与变电站架构相连 按是否发生反击的原则处理 当线路电压等级在110kV及以上时 允许引至出线的门型架构上 土壤电阻率大于1000 m时 应装设集中接地装置 土壤电阻率 500 m时 35kV 60kV线路的避雷线允许连接到出线门型架构上 但应设集中接地装置 当 500 m时 避雷线应终止于线路终端杆塔 从线路终端杆塔到屋外配电装置架构之间的一档线路由避雷针保护 小结 发电厂 变电所的直击雷过电压保护可采用避雷针或避雷线 避雷针的装设可分为独立避雷针和架构避雷针两种 为了防止发生反击事故 独立避雷针与被保护物体之间的空气间隙应有足够的距离 避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间在地中应有足够的距离 110kV及以上的配电装置的架构或房顶上可以装设避雷针 第二节侵入波过电压的防护 当发电厂 变电站采取了可靠的直击雷保护措施后 遭雷直击的概率很小 所以沿线侵入的雷电波是发电厂 变电站遭受雷害事故的主要原因 其主要防护措施是在发电厂 变电站内装设阀型避雷器或氧化锌避雷器以限制入侵雷电波的幅值 一 阀式避雷器的保护作用分析 1 变压器与避雷器之间距离为零时的情况 假定避雷器的伏安特性uA f ia 和伏秒特性us f t 为已知 则可按图8 5所示的作图法求取变压器上的电压 当避雷器动作以后 可得 图中避雷器上电压uA有两个峰值 Uch 冲击放电电压 Ur 避雷器的残压 一般情况下 避雷器的冲击放电电压与避雷器的残压基本相同 所以在防雷保护分析中可将避雷器上的电压uA看作是一幅值为避雷器残压的斜角平顶波 避雷器动作后 由于波在A T间发生折 反射 使得设备绝缘上出现高于避雷器端点的电压 2 变压器和避雷器之间有一定的距离时的情况 即变电站设备上所受的冲击电压的最大值uBm为 变压器有一定的入口电容 避雷器与变压器之间的连线也有电感 电容 它们将构成某种振荡回路 即变压器上的电压具有振荡性质 如图所示为变压器所受电压的实际典型波形 这种 波形与全波相差较大 对变压器绝缘的作用与截波的作用较为接近 因此常用变压器绝缘耐受截波的能力来说明在运行中变压器承受雷电波的能力 二 避雷器的保护距离 若被保护设备上受到的最大冲击电压值Uim小于设备本身的冲击耐压值Uj 则设备不会发生雷害事故 即Uj Uim Ur 5 2al v所以避雷器的最大保护距离为 入侵波陡度a为某一值时 变压器与避雷器之间的距离有一极限值 超过此值 变压器上受到的冲击电压将超过其冲击耐压值 变压器的绝缘会损坏 此值称为避雷器的保护范围 在变电站设计时 应使所有设备与避雷器的电气距离都在避雷器的保护范围之内 式中lmax是避雷器的保护距离 一般的做法可先求出变压器距避雷器的最大容许距离 而其它变电设备不象变压器那么重要 但它们的冲击耐压水平却比变压器更高 因而可近似地取其最大容许距离比变压器大35 即l max 1 35lmax 括号内距离对应的雷电冲击全波耐受电压为850kV 第三节变电站的进线段保护 要将变电站电气设备上的过电压水平限制在其冲击耐压值以下 必须限制从线路传来的侵入波陡度 以限制由于避雷器与电气设备之间的距离引起的电位升高 限制流过避雷器的雷电流不超过5kA以降低残压 要求在靠近变电站1km 2km的一段进线上加强防雷保护措施 即进线段保护 当线路全线无避雷线时 这段线路必须架设避雷线 当线路全线有避雷线时 也将变电站附近2km长的一段进线列为进线保护段 进线保护段应具有较高的耐雷水平 一 35kV及以上变电站的进线段保护 1 进线段首端落雷 流经避雷器的雷电流计算考虑最不利的情况 设变电站只有一回线路运行 进线段首端落雷 等值电路如图所示 由等值电路得式中Z 线路波阻抗 Ur 避雷器的残压最大值 kV 2U50 侵入电压波 kV 由上式得 8 22 2 进入变电站的雷电波陡度a的计算式中 0 进线段首端斜角波头长度 s 进线段末端变形后的斜角波头长度 s U 侵入雷电波幅值 kV 通常可取为进线段首端线路绝缘的50 冲击闪络电压U50 l0 进线段长度 km hc 进线段导线的平均对地高度 m 最严格的计算条件是雷在进线段首端反击 其波头长度 0接近于零 此波经过距离lp后 其波头陡度为 kV s 对于未沿全线架设避雷线保护的线路 若变电站进线的断路器或隔离开关在雷雨季节有开路运行的可能 而线路侧又有电源时 需在靠近隔离开关处装设一组排气式避雷器 见图8 10 a 中的FE 二 35kV及以上电缆进线段的保护 对三芯电缆 末端的金属外皮应直接接地 对单芯电缆 因为不许外皮流过工频感应电流而不能两端同时接地 且需限制末端形成很高的过电压 所以应经金属氧化物电缆护层保护器 FC 或保护间隙 FG 接地 若电缆长度不超过50m或虽超过50m 但经校验 装一组阀式避雷器即能符合保护要求 图8 13中可只装F1或F2 若电缆长度较长 且断路器在雷雨季节可能经常断路运行时 为防止开路端全反射形成很高的过电压使断路器损坏 应在电缆末端装设排气式避雷器或阀式避雷器 连接电缆段的1km架空线路应架设避雷线 对全线电缆 变压器组接线的变电站内是否需装设阀式避雷器 应根据电缆前端是否有雷电过电压波侵入的可能 经校验确定 三 35kV小容量变电站进线段的简易保护 由于35kV小容量变电站范围小 接线简单 避雷器距变压器的电气距离一般在10m以内 故允许有较高的侵入波陡度 变电站的3kV 10kV配电装置 应在每组母线和架空进线上装设阀式避雷器 分别采用电站型和配电型阀式避雷器 母线上阀式避雷器与主变压器的电气距离不宜大于下表所列数值 有电缆段的架空线路 阀式避雷器应装设在电缆头附近 其接地端应和电缆金属外皮相连 如果各架空线均有电缆段 阀式避雷器与主变压器的最大电气距离不受限制 阀式避雷器应以最短的接地线与变电所的主接地网连接 阀式避雷器附近应装设集中接地装置 3kV 10kV柱上断路器和负荷开关应装设阀式避雷器保护 经常断路运行而又带电的柱上断路器 负荷开关或隔离开关 应在带电侧装设阀式避雷器 其接地线应与柱上断路器等的金属外壳连接 且接地电阻不应超过10 装设在架空线路上的电容器宜装设阀式避雷器保护 小结 为了可靠地保护电气设备 应装设可靠的进线段保护以限制流过避雷器的雷电流幅值和雷电波的陡度 降低避雷器的残压和因避雷器与被保护设备之间的距离而引起的电压升高 第四节变压器防雷保护的几个具体问题 一 三绕组变压器的防雷保护冲击电压在绕组间的传递关系三绕组变压器可能出现只有高 中压绕组运行而低压绕组开路的情况 此时通过静电感应传递到低压绕组上的过电压值会很高 所以应在任一相低压绕组出口处对地加装一个避雷器 二 自耦变压器的防雷保护 1 高 中压绕组运行 低压绕组开路同上的原因在自耦变压器低压绕组的任一相上应装设限制静电感应过电压的避雷器 2 高 低压绕组运行 中压绕组开路高压侧进波时 在开路的中压端子A2上可能出现的最大电压约为的2U0 k 所以应在中压侧出线套管与断路器之间装设一组避雷器F2进行保护 3 中 低压绕组运行 高压绕组开路中压侧进波时 在振荡过程中 A1点 高压套管处 的电位最高可达2kU 0 所以在高压侧出线套管与断路器之间也应装设一组避雷器F1保护 当中压侧有出线而高压侧进波时 雷电波电压大部分加在AA 段绕组上 可能会使其损坏 高压侧有出线中压侧进波相同 所以当变比小于1 25时 在AA 间应加一组避雷器F3 三 变压器中性点的保护 一 110kV及以上的中性点有效接地系统用于这种系统的变压器 其中性点对地绝缘有两种设计方案 1 全绝缘 即中性点处的绝缘水平与绕组首端的绝缘水平相同 2 分级绝缘 即中性点处的绝缘水平低于绕组首端的绝缘水平 1 中性点为全绝缘时 一般不需采用专门的保护 但在变电所只有一台变压器且为单路进线的情况下 仍需在中性点加装一台与绕组首端同样电压等级的避雷器 2 当中性点为分级绝缘时 则必须选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护 同时注意校核避雷器的灭弧电压 中性点若用阀型避雷器 则应满足以下条件 1 其冲击放电电压应低于变压器中性点的冲击耐压 2 其灭弧电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的稳态值 以免避雷器爆炸 二 35kV及以下的中性点非有效接地系统变压器中性点为全绝缘 所以变压器的中性点一般不需装设防雷保护装置 多雷区单进线变电所且中性点引出时 应在中性点装设保护装置 第五节配电变压器的保护 只在高压侧装设避雷器 不能保证变压器的安全 原因如下 1 低压线遭雷直击或遭受感应雷过电压时 会使低压侧绝缘损坏 2 正变换过电压会导致高压侧绝缘损坏 3 逆变换过电压会导致中性点附近绝缘损坏 且会危及绕组的纵绝缘 逆变换过电压 高压侧线路受到直击雷或感应雷击使避雷器动作 雷电流在接地电阻上产生的压降将同时作用在低压绕组的中性点上 此压降大部分降在低压绕组上 通过电磁耦合 按变比关系在高压绕组上感应出过电压 正变换过电压 雷直击于低压线或低压线遭受感应雷作用时 通过电磁耦合 按变比关系在高压绕组感应出过电压 高压侧绝缘裕度比低压侧低 可能造成高压侧绝缘损坏 小结 三绕组变压器 自耦变压器 应在低压侧套管与断路器之间装设限制静电感应过电压的避雷器 自耦变压器应在高压端与断路器及中压端与断路器之间加装一组避雷器保护 在中性点接地系统 若变压器中性点为分级绝缘 需在中性点加装避雷器或保护间隙 配电变压器应在高 低压侧装设避雷器保护 第六节气体绝缘变电站的防雷保护 全封闭SF6气体绝缘变电站 GIS 是将除变压器以外的整个变电站的高压电力设备及母线 封闭在一个接地的金属壳内 壳内充以3 4个大气压的SF6气体作为相间和相对地的绝缘 GIS变电站具有体积小 占地面积小 维护工作量小 不受周围环境条件影响 对环境没有电磁干扰以及运行性能可靠等优点 已获得越来越多的采用 一 GIS变电站过电压保护特点 1 GIS绝缘的伏秒特性比较平坦 且负极性击穿电压比正极性低 因此其绝缘水平主要取决于雷电冲击电压水平 要降低绝缘水平 首先要降低雷电过电压水平 2 GIS变电站的波阻抗远比架空线路低 这对变电站的侵入波保护有利 3 GIS变电站结构紧凑 设备之间的电气距离小 避雷器离被保护设备较近 防雷保护措施比敞开式变电站容易实现 4 GIS绝缘完全不允许发生电晕 一旦发生电晕将立即击穿 而且不能恢复原有的电气强度 甚至导致整个GIS系统的损坏 此外 GIS的价格还比较昂贵 因此 要求整套GIS装置的过电压保护应有较高的可靠性 在设备绝缘配合上留有足够的裕度 二 GIS变电站的过电压保护接线方式 实际的GIS变电站可能有不同的主接线方式 其进线方式大体可分为两类 一是架空线直接与GIS相连 二是经电缆段与GIS相连 而变压器的连接 有直接相连的 也有经一段电缆线或架空线连接的 下面就对防雷保护来说比较不利的接线 即一条架空线路进入GIS变电站 GIS末端连接变压器的情况 讨论GIS的典型保护接线方式 1 与架空线路直接相连的GIS变电站的防雷保护接线 2 经电缆段进线的GIS变电站的防雷保护接线 小结 GIS变电所过电压防护的特点 GIS绝缘的伏秒特性比较平坦 且负极性击穿电压比正极性低 GIS变电站的波阻抗远比架空线路低 GIS变电站结构紧凑 设备之间的电气距离小 GIS绝缘完全不允许发生电晕 GIS变电所过电压防护接线方式 GIS变电所的保护应尽可能采用保护性能优异的ZnO避雷器 第七节旋转电机的防雷保护 一 旋转电机防雷保护的特点 1 由于旋转电机在结构和工艺上的特点 旋转电机的冲击绝缘水平在相同电压等级的电气设备中最低 2 电机绝缘的运行条件较为恶劣 要受到热 机械振动 空气中的潮气 污秽 电场等因素的联合作用 绝缘容易老化 3 电机绝缘的冲击耐压水平与保护它的避雷器的保护水平相差不多 绝缘配合的裕度很小 4 由于电机绕组的结构布置特点 特别是大容量电机 其匝间电容很小 起不了改善冲击电压分布的作用 此外 当有冲击波作用于电机绕组时 绕组匝间绝缘上所受电压与侵入波陡度a成正比 试验结果表明 为保护匝间绝缘 应将陡度限制在5kV s以下 5 电机绕组的中性点一般是不接地的 应对中性点采取保护措施 电机中性点的过电压与入侵波陡度有关 所以也要求限制入侵波陡度 试验结果表明 当陡度限制在2kV s以下时 中性点不需另加保护 二 直配电机的防雷保护 从防雷的观点来看 发电机可分为两大类 1 经过变压器与架空线连接的电机 简称非直配电机 2 直接与架空线相连 包括经过电缆段 电抗器等元件与架空线相连 的电机 简称直配电机 1 避雷器保护在发电机出线母线上装设一组FCD型磁吹避雷器或氧化锌避雷器 其作用是限制侵入波幅值 保护电机主绝缘 2 电容器保护在发电机电压母线上装设一组并联电容器限制侵入波陡度 以保护电机匝间绝缘及中性点绝缘 同时也可降低感应过电压 计算结果表明 每相电容为0 25 0 5 F时 入侵波陡度不超过2kV s 3 电缆段保护 进线段保护 电缆段与排气式避雷器联合构成的典型进线保护段如图所示 FE2动作后 其等值电路如图 b 所示 这时沿着外皮将有电流i2流向电机侧 i2在电缆外皮的自感L2上产生压降L2di2 dt 由于电缆外皮与芯线为同心圆柱体 i2产生的磁通必然也全部与芯线相匝链 即其间的互感M等于外皮的自感L2 所以在电缆芯线上产生的反电势为此反电势阻止电流沿芯线流向电机 4 电抗器保护电抗器的作用是在雷电波入侵时抬高电缆首端冲击电压 从而使排气式避雷器容易放电 三 直配电机的防雷保护接线 容量较小 6000kW以下 或少雷区的直配电机可不用电缆进线段 其保护接线如图所示 在进线保护段长度l0内应装设避雷针或避雷线 FE1动作后的等值电路如图 b 所示 流经FCD的雷电流与FE1的接地电阻R有关 R愈小 流经FCD的雷电流愈小 进线长度愈长 其等值电感L愈大 则流经FCD的雷电流愈小 进线保护段长度与排气式避雷器接地电阻的关系应符合下列要求 对3kV 6kV线路对10kV线路式中 l0 进线保护段长度 m 进线保护段长度一般采用450m 600m R 接地电阻 对于经变压器与架空线路连接的发电机 防雷可靠性比直配电机大的多 但仍发生过雷害事故 所以应采取一定的保护措施 运行经验表明 在变压器后面电机侧装设FCD型避雷器或ZnO避雷器是有保护作用的 所以 在多雷区 经变压器送电的重要的发电机 在其出线上宜装设一组磁吹阀型避雷器或氧化锌避雷器 如与该避雷器并联一组保护电容并在电机中性点装设一个避雷器则电机就很安全了 小结 旋转电机的绝缘水平相对较低 所以需要可靠的保护措施 除了需要保护主绝缘外 还需保护电机的匝间绝缘和中性点绝缘 对直配电机 需要采用阀型避雷器或氧化锌避雷器与电容器 电缆段和排气式避雷器等构成的联合保护措施 对于多雷区的非直配电机或大容量电机 应在发电机出口处装设避雷器进行保护