电力系统防雷及接地.ppt

电力系统防雷及接地,宁波大学信息学院,主要内容,一、闪电分类二、云地闪电的主要发展过程三、雷电放电过程四、雷击的易击区五、防雷的几个基本术语六、发电厂和变电所的防雷保护七、高压输电线路的防雷八、电气接地,一、闪电分类,根据闪电形状：线状闪电、带状闪电、片状闪电、联珠状闪电和球状闪电（地滚雷）；其中线状闪电最常见。,闪电发生位置：,云闪地闪（落地雷）,云内闪电云际闪电云空闪电,正地闪负地闪（90左右）,二、云地闪电的主要发展过程示意图,预击穿过程P梯级先导L连接过程首次回击R连续电流过程C直窜（箭式）先导继后回击回击后,三、雷电放电过程,1、先导放电2、主放电3、余辉放电,7,雷电放电的三个阶段,先导放电：,E30kV/cm2,主放电:,（约50100s）,电流极大,（数十上百千安）,余辉放电:,特点：,电流不大,（数百安）,持续时间较长,（0.030.15s）,特点：,存在时间极短,空气便开始游离，由原来的绝缘状态变为导通状态,雷电放电的发展过程,四、雷击的易击区,大量统计资料和实验研究证明，雷击地点和建筑物遭受雷击部位具有一定的规律性。易击区：1.空旷地区：雷击高的物体2.山区：有时山顶物体，有时迎风面3.与地质条件有关：地质有矿物质,五、防雷的几个基本术语,1、雷电流波形：在雷电放电过程中，对设备最危险的就是雷电流，它不但幅值很高，而且有很高的上升速度。雷电流的波头和波尾皆为随机变量，其平均波尾为40s；对于中等强度以上的雷电流，波头大致在1-4s内，实测表明，雷电流幅值IL与陡度的线性相关系数为0.6左右，这说明雷电流幅值增加时雷电流陡度也随之增加，因此波头变化不大，根据实测的统计结果，“规程”建议计算用波头取2.6s。,雷电流的幅值与波头，决定了雷电流的上升陡度a，a越大，对有绕组的电气设备破坏越严重，在变电站中会大大降低避雷器的保护距离。因此，研究雷电过电压的保护措施时，应设法降低其陡度。,t波头；w波尾；波长,雷电流的波头形状对防雷设计是有影响的，因此在防雷设计中需对波头形状作出规定，“规程”建议在一般线路防雷设计中波头形状可取为斜角坡；而在设计特殊高塔时，可取为半余弦波头，在波头范围内雷电流可表示为：,2、雷电流幅值：雷电流iL为一非周期冲击波，其幅值与气象、自然条件等有关，是一个随机变量，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。雷电流幅值概率分布可用下式表示,上式中IL为雷电流幅值（kA），P为雷电流幅值超过IL的概率。例如IL等于120kA，可求得P为4.3%。,3、雷电（暴）日：在进行防雷设计和采取防雷措施时，必须从该地区雷电活动的具体情况出发。某一地区的雷电活动强度可以用该地区的雷电日来表示。雷电日是一年中有雷电的日数。在一天内只要测站听到雷声则为一个雷暴日，而不论该天雷暴发生的次数和持续时间：少雷区T15中雷区15T40多雷区40T90强雷区T90,雷暴小时：指该小时内发生过雷暴,我国雷暴活动的地理分布,雷暴活动随地理位置的不同有很大的差别在我国的东南地区，如广东省和广西壮族自治区，平均年雷暴日可达90-120天，雷暴小时可达400-600h长江两岸雷暴日为40-50天左右，雷暴小时可达150-200h在我国北方地区如黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、山西、河南等省的大部分地区和陕西、内蒙古自治区的大部分地区雷暴日一般为20-50天，雷暴小时为50-200h在戈壁、沙漠地带或盆地一般雷暴日低于20天，雷暴小时低于50h，有的地方甚至不到10天，雷暴小时低于25h在青藏高原的北缘和东缘由于地势较高，地形的起伏较大，地形的抬升使得雷暴易于形成，因此，平均年雷暴日普遍高于同纬度的其他地区，一般可达50-80天，雷暴小时可达50-200h，局部地区甚至更大,4、地面落雷密度：为了防雷设计和采取防雷措施，必须知道地面落雷密度，地面落雷密度“r”的定义为：每一雷电日每平方公里地面遭受雷击的次数，“规程”建议r为0.07次/平方公里雷日。,5、保护角：通常将避雷线与外侧导线的连线和避雷线对地垂直线之间的夹角叫保护角。6、击杆率：在线路落雷总数中雷击杆塔的次数与避雷线根数和经过地区的地形有关，雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率。,7、建弧率：,一条线路的雷击跳闸数，不仅与耐雷水平有关，而且与绝缘子冲击闪络之后弧道建立工频电弧的可能性，也就是建弧率有关。雷电压持续时间很短（100s左右），冲击闪络时间也相应很短，继电保护来不及动作，所以仅有冲击闪络并不会引起开关跳闸，只有当冲击闪络火花转变为稳定工频电弧，才会引起线路开关跳闸,8、雷电过电压（外部过电压、大气过电压）：由大气中的雷云放电引起（1）直击雷过电压：当电力系统的导线或电气设备受到雷电直击时，被击物将有很大的雷电流流过，造成直击雷过电压。对任何电压等级（含百万伏等级）的线路和设备都可能产生危险。（2）感应雷过电压：雷电没有直接击中导线或设备，而是由于雷云放电时，电磁场剧烈变化，在导线或设备上感应出过电压。通常只对35kV及以下等级的线路和设备构成威胁。,电力系统防雷的重点是直击雷的防护。,六、发电厂、变电所的防雷保护,1、三道防线（1）防止雷击于发电厂、变电所电力设备上（避雷针或避雷线）（2）进线保护段（3）将侵入变电所雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值（如采用MOA避雷器）,发电厂、变电站遭受的雷害可能来自两个方面：雷直击发电厂、变电站；b.雷击线路，过电压波沿线路侵入发电厂、变电站。由于线路落雷频繁，因此后者是发电厂、变电站遭受雷害的主要原因。,例：变配电所的防雷措施,装设避雷针来防止直击雷。310kV配电线路的进线防雷保护，可以在每路进线终端，装设FZ型或FS型阀型避雷器，以保护线路断路器及隔离开关。如果进线是电缆引入的架空线路，则在架空线路终端靠近电缆头处装设避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。,图310kV配电线路的进线防雷保护,为防止雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，对所内设备造成危害，特别是价值最高但绝缘相对薄弱的电力变压器，在变配电所每段母线上装设一组阀型避雷器，并应尽量靠近变压器，距离一般不应大于5m。如左图中的F3。避雷器的接地线应与变压器低压侧接地中性点及金属外壳连在一起接地，如图。,图310kV系统变压器的防雷保护,2、避雷针（线）,（1）避雷针（线）的防雷保护原理在雷电先导阶段，避雷针顶部聚积电荷，在发展先导和避雷针顶端之间通道建立了很大电场强度，避雷针迎面先导的产生和发展大大加强这通道中的场强，最后选定击中避雷针。避雷针的作用:引雷、泄雷（2）避雷针（线）的保护范围电力行业标准DL/T620-1997规定的保护范围内可能遭受雷击概率为0.1%,避雷针常用于保护发电厂、变电站及其它独立的建筑物；避雷线主要用来保护输电线路，也可用来保护发电厂和变电所室外的配电装置。,1）、单支避雷针的保护范围,hx水平面上保护范围的截面,hx为被保护物的高度，h为避雷针高度。在被保护物高度水平面上的保护半径rx分两种情况确定：hxh/2：rx=（h-hx）P（9.10）hxh/2：rx=（1.5h-2h）P（9.11）,a.折线法：,b.“滚球法”,则高度为hx的平面xx上的保护半径rx为,hr为滚球半径；hx为离地高度；h为避雷针高度；rx为离地高度为hx时所能保护的半径。,hr按防雷级别确定一类hr=30m二类hr=45m三类hr=60m,当避雷针高度为h时，如hhr，地面上的保护半径r0为,【例1】某厂有一座第二类防雷建筑物，高10m，其屋顶最远一角距离15m远的烟囱高为50m，烟囱上装有一根2.5m高的避雷针。试用“滚球法”验算此避雷针能否保护这座建筑物。,【解】避雷针高度h=50+2.5=52.5m，离地高度：hx=10m，滚球半径hr=45m（第二类防雷建筑物），所以在rx水平面上避雷针的保护半径为,能保护该建筑物。,2）、两支等高避雷针的联合保护范围,比两单根避雷针保护范围的和要大。确定方法为：两针外侧的范围按单针方法确定；内侧的范围按下式确定:h0=h-D/7P（9.12）bx=1.5（h0-hx）（9.13）,3）、两支不等高避雷针的保护范围,保护范围确定方法为：两针外侧范围按单针计算；内侧范围先由低针2的顶点作水平线，与高针1的范围交于点3，再设点3为一假想的与低针2等高的针的顶点，然后作出两等高针2和3的保护范围即可,4）、三支和四支等高避雷针的保护范围,如被保护设备占地面积较大时，需设多根避雷针进行联合保护。等高三针联合的保护范围可以分别按两等高针的方法确定，只要在被保护高度的平面上，各个两针的bx0，则三针组成的三角形范围全部受到保护。等高多针的联合保护范围，可按三针、三针地分别确定相应范围，然后再加到一起即可。,避雷线：一般用截面不小于35mm2的镀锌钢铰线，架设在架空线或建筑物的上面，以保护架空线或建筑物免遭直击雷击。由于避雷线既是架空的又是接地的，也称为架空地线。避雷线的接闪原理与避雷针类似。由于其对雷云与大地间电场畸变影响较小，又受风吹摆动，因此，其引雷空间和保护半径都比避雷针小，但其保护范围的长度与线路等长，两端还有其保护的半个圆锥体空间。避雷线保护范围的确定（略）。,3、避雷线,4、进线保护段,发电厂和变电所应采取的措施：1）未沿全线架设避雷线的35kV110kV架空送电线路，应在变电所1km2km的进线段架设避雷线。,进线段保护的作用进线段主要起两方面的作用：a.进入变电所的雷电过电压波将来自进线段以外的线路，它们在流过进线段时将因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；b.利用进线段来限制流过避雷器的冲击电流幅值。,35kV及以上变电站的进线段保护典型接线如图所示。,35kV及以上变电站的进线段保护接线,3）进线保护段上的避雷线保护角宜不超过20度，最大不应超过30度。,2）220kV500kV架空线路，在2km进线保护段范围内以及35kV-110kV线路在1km-2km进线保护段范围内的杆塔耐雷水平应符合以下要求：,避雷器与避雷针、线不同，实质上是一种放电器。当线路上出现危及绝缘的过电压时，避雷器将优先于被保护物放电，从而限制了过电压，使与其并联的设备得到保护。,避雷器主要有阀式避雷器、排气式避雷器、角型避雷器和金属氧化物避雷器等几种。,5、避雷器,避雷器是用来防止线路的感应雷及沿线路侵入的过电压波对变电所内的电气设备造成的损害。它一般接于各段母线与架空线的进出口处，装在被保护设备的电源侧，与被保护设备并联。,避雷器（MOA）的作用：限制由线路传来的雷电过电压，或由操作、故障等引起的内部过电压。,避雷器放电时，强大的冲击电流泄入大地，大电流流过后，在母线工频电压作用下，工频电流将沿原冲击电流的通道继续流过，称为工频续流，为系统接地处的短路电流。如工频续流不迅速切断，就会将用电设备短路，造成供电中断。因此，对避雷器有两个要求：一是其伏秒特性要和被保护物相配合，确保过电压作用时，先于被保护物放电；二是避雷器要有一定的熄弧能力，以便在限制过电压后，能可靠地切断第一次过零时的工频续流。,管型避雷器,管型避雷器主要用于变配电所的进线保护和线路绝缘弱点的保护，保护性能较好的管型避雷器可用于保护配电变压器。,管型避雷器结构示意图1产气管；2胶木管；3棒形电极；4环形电极；5动作指示器；s1内间隙；s2外间隙,阀型避雷器,由火花间隙和阀片组成，装在密封的磁套管内。阀型避雷器的火花间隙组是由多个单间隙串联组成的。正常运行时，间隙介质处于绝缘状态，仅有极小的泄漏电流通过阀片。当系统出现雷电过电压时，火花间隙很快被击穿，使雷电冲击电流很容易通过阀性电阻而引入大地。阀片在大的冲击电流下电阻由高变低，所以冲击电流在其上产生的压降（残压）较低，此时，作用在被保护设备上的电压只是避雷器的残压，从而使电气设备得到了保护。,金属氧化物避雷器,金属氧化物避雷器又称压敏避雷器。它是一种没有火花间隙只有压敏电阻片的阀型避雷器。压敏电阻片是氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的伏安特性。在工频电压下，它具有极大的电阻，能迅速有效地阻断工频电流，因此不需要火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧；在雷电过电压作用下，其电阻变得很小，能很好地泄放雷电流。具有无间隙、无续流、残压低、体积小等优点而被广泛应用。,6、避雷针（线）的安装规定,（1）对于110kV及以上的配电装置，由于其绝缘水平较高，可以将避雷针装设在配电装置的构架上。装设避雷针的构架应就近装设辅助接地装置，该装置与变电站接地网的连接点离主变压器与接地网连接点的距离不应小于15m，其目的是使雷击时在避雷针接地装置上产生的高电位，在沿地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，以避免对变压器造成反击。由于变压器是变电站中最重要的设备，且其绝缘较弱，因此在变压器门型构架上不应装设避雷针。（2）发电厂的主厂房、主控制室和配电装置室一般不装设直击雷保护装置。以免发生反击事故和引起继电保护的误动作。,（4）对于35kV及以下的变电站，由于其绝缘水平较低，故不允许将避雷针装设在配电构架上，应架设独立避雷针，其接地电阻一般不超过10，以免出现反击事故。（5）严禁在装有避雷针、避雷线的构筑物架设未采取保护措施的通信线、广播线和低压线。,（3）独立避雷针（线）宜设独立的接地装置。在非高土壤电阻率地区，其接地电阻不宜超过10。当有困难时，该接地装置可与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备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。,七、高压输电线路的防雷,输电线路在运行过程中承受工作电压、操作过电压或大气过电压时，都可能会发生绝缘闪络事故。在超高压输电系统中，操作过电压已被限制在较低的水平（500kV系统不超过2.0p.u），已不再是构成线路绝缘的控制因素。另一方面，近几年来因治理污闪事故的措施使线路的绝缘水平得到提高，线路在工作电压作用下的可靠性也明显提高。国内、外运行经验表明，大气过电压引起的绝缘闪络已成为线路故障的主要原因。,1、线路雷害事故发展过程及防护措施,架空输电线路雷害事故的发展过程及相应的防护措施,输电线路上采用的各种防雷保护措施：,(1)避雷线110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设避雷线；作用：避免雷电直接击中导线而产生极高的雷电过电压；提高线路的耐雷水平。保护角：110-220KV200-300；500KV以上15035kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。500kV线路应架设双避雷线，保护角不大于15。,（2）降低杆塔接地电阻,提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为1030。,（3）加强线路绝缘,增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水平。,（4）耦合地线,作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。,架设耦合地线是防雷直击杆塔闪络的措施之一，对绕击并没有什么作用。定义：耦合地线是加挂在导线下面，主要是针对于土壤电阻率较高，接地电阻降不下来的线路。架设耦合地线的作用原理是：一是增大避雷线与导线之间的耦合系数,从而减少绝缘子串两端电压的反击电压和感应电压的分量;二是增大雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。现从运行经验来观察其防雷效果，架耦合线后,跳闸率降低46。,绕击导线,雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击率P。P之值与避雷线对边相导线的保护角、杆塔高度ht及线路通过地区的地形地貌等因素有关。,（5）消弧线圈能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。,（6）管式避雷器仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。（7）不平衡绝缘一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。（8）自动重合闸线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。,2、造成输电线路雷击跳闸的主要原因,（1）输电线路反击：杆塔以及杆塔附近避雷线上落雷后，由于杆塔或接地引下线的电感和杆塔接地电阻上的压降，塔顶的电位可能达到使线路绝缘发生闪络的数值，造成杆塔雷击反击。杆塔的接地电阻是影响雷击跳闸率的重要因素，计算表明：杆塔的接地电阻如增加1020，雷击跳闸率将会增加50%100%。为此，使线路杆塔的接地电阻满足防雷设计的要求，保证雷击跳闸率满足规程的要求。,输电线路绝缘水平也是影响线路雷击反击的重要因素。为此，合理配置线路杆塔的绝缘水平和布置方式，会提高杆塔的耐雷水平，从而降低雷击故障跳闸率。雷直击塔顶或避雷线会造成对线路绝缘的反击，我国防雷与接地规程给出了不同电压等级输电线路杆塔承受反击的耐雷水平.,（2）输电线路绕击,雷绕过避雷线的屏蔽，击于导线称为“绕击”。由于影响发生绕击的因素比反击要复杂得多，人们对它感兴趣的程度和研究深度也较反击为多。我国各网、省电力公司在输电线路防绕击方面也做了大量的工作，如采取增强杆塔绝缘提高其绕击耐雷水平；减小边导线保护角，甚至采用负保护角或加装塔顶拉线、在地线上装侧向避雷针、装设耦合地线及旁路架空地线等措施，增强对导线的屏蔽作用，降低绕击概率。,3、线路防雷的四道防线,（1）第一道防线是保护导线不受或少受雷直击，为此可采用避雷线、可控放电避雷针或改用电缆。（2）第二道防线是雷击