【国家标准】DLT 5090-1999 水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则

中华人民共和国电力行业标准 5090 1999 水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则 编部门长江水利委员会长江勘测规划设计研究院 批准部门中华人民共和国国家经济贸易委员会 批准文号国经贸电力1999 740号 前 言 本标准是根据原能源部水利部批复的水利水电勘测设计技术标准体系编写的 为了适应水利水电工程的特点和实际需要使水力发电厂过电压保护和绝缘配合的设计有章可循原电力工业部水利部水利水电规划设计总院组织长江水利委员会长江勘测规划设计研究院编写了本标准并与电力行业有关标准协调一致实施本标准有利于推广应用科学技术新成果提高工程设计质量提高工程建设效益 本标准由国家电力公司水电水利规划设计总院提出 本标准由国家电力公司水电水利规划设计总院归口 本标准起草单位长江水利委员会长江勘测规划设计研究院 本标准主要起草人舒廉甫覃利明 本标准由国家电力公司水电水利规划设计总院负责解释 1 范 围 本标准规定了水力发电厂各种过电压的限制措施和保护方法 以及绝缘配合的原则和方法 本标准适用于新建水力发电厂3 500 引 用 标 准 下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文在本标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性 997 高压输变电设备的绝缘配合 14285 93 继电保护和安全自动装置技术规程 16434 1996 高压架空线路和发电厂变电所设备外绝缘污秽分级标准 613 1997 进口交流无间隙金属氧化物避雷器技术规范 3 定 义 本标准采用下列定义 少雷区平均年雷暴日数不超过15的地区 中雷区平均年雷暴日数超过15但不超过40的地区 多雷区平均年雷暴日数超过40但不超过90的地区 雷电活动特殊强烈地区平均年雷暴日数超过90的地区及根据运行经验雷害特殊严重的地区 架空线路段发电厂内主变压器至开关站的高压架空线路段 集中接地装置为加强对雷电流的散流作用降低对地电压而敷设的附加接地装置一般敷设3 5根垂直接地体在土壤电阻率较高的地区敷设3 5根放射形水平接地体 4 系统电压与中性点接地方式 系 统 电 压 系统标称电压和最高工作电压 系统标称电压(有效值)Un(3 6 10 35 66 110 220 330 500 系统最高工作电压(有效值)Um(2 26 252 363 550 8 20运行中出现于设备绝缘上的各种电压有 正常运行时的工频电压 暂时过电压(工频过电压谐振过电压) 操作过电压 雷电过电压 系统中性点接地方式 3 66 110 5000/3零序电阻与正序电抗比值(1) 1 110 220自耦变压器外)中性点采用经隔离开关接地或经小电抗接地经隔离开关接地时根据系统运行需要变压器中性点可以接地也可以不接地 330 500 发电机允许单相故障电流值 发电机额定电压 ( 0故障点残余电流 (A)发电机内部发生单相接地故障要求快速切机时中性点宜采用高电阻接地方式电阻器宜接在发电机中性点所接单相变压器的二次绕组上 消 弧 线 圈 发电厂主变压器中性点经消弧线圈接地的系统在正常运行情况下中性点长时间电压位移不应超过额定相电压的15% 装有消弧线圈的系统故障点的残余电流不宜超过10 消弧线圈应采用过补偿运行方式如消弧线圈容量不足允许短时间以欠补偿方式运行但脱谐度不宜超过10% 消弧线圈的容量应根据电力网5年左右的发展规划确定并应按式(算 式中消弧线圈接地的发电机在正常运行情况下其中性点长时间电压位移不应超过发电机额定电压的10%非直配发电机脱谐度不超过30%直配发电机脱谐度不超过10% 小 电 抗 变压器零序电抗值两台变压器经电抗器接地与一台变压器接地一台变压器不接地的零序电抗值相同当退出一台变压器运行时可将另一台运行变压器中性点小电抗用隔离开关短接对多台变压器也仿照此方法处理与部分变压器中性点接地方式相比变压器中性点经小电抗接地方式可降低变压器中性点绝缘水平同时由于过电压的降低提高了系统运行的可靠性 图 变压器中性点经小电抗接地方式接线 采用变压器中性点经1/3变压器零序电抗接地在单相接地时 变压器中性点零序电压可按式(算 (式中0)与正序电抗(值13 220 变压器中性点最大零序电压和绝缘水平 中性点绝缘水平系统标称电压 (压器中性点 最大零序电压 (频试验电压 (击试验电压 (小电抗值在流过零序电流范围内应为恒值即要求小电抗伏安特性为线性 高 电 阻 式中为防止发电机发生单相接地时中性点变压器产生较大的励磁涌流变压器额定电压的选择不宜低于发电机额定电压变压器容量与其工作时间有关可按式(行计算 11(式中 变压器低压侧接入电阻值按式(算 22222=(式中2变压器低压侧电压 2/图 变压器运行时间过负荷系数 5 暂时过电压操作过电压及其保护 暂时过电压及其保护 暂时过电压的幅值和持续时间与系统结构容量参数运行方式以及各种安全自动装置的特性有关暂时过电压除增大绝缘承受的电压外还对选择过电压保护装置有重要影响 330级电压系统需采取措施防止产生谐振过电压或用特殊保护装置限制其幅值和持续时间 系统中工频过电压一般由线路空载突然失去负荷和单相接地故障等引起 空载线路末端工频过电压可按式(算 (=wl/v(对f=50式中线路波阻抗 线路波长s 突然失去负荷引起工频过电压可按式(算 2s*+= 式中端系统等值电抗标么值 功率因数角 单相接地故障健全相工频过电压可按式(算 +=(式中 各级电压系统允许工频过电压水平不宜超过下列数值 3 10 6 20 00路断路器母线侧 22030 各级电压系统均应采取措施防止在电力系统操作和故障情况下由于电感电容参数的不利组合引起的谐振过电压谐振过电压一般具有工频性质持续时间长不能用避雷器限制 谐振过电压一般有自励磁过电压水轮发电机不对称短路过电压和铁磁谐振过电压 水轮发电机在不同的运行情况下其感抗值呈周期性地变化 当发电机经升压变压器与空载线路相连发电机外电路容抗值在发电机感抗变化范围内只要电感或电容上存在微小的能量就可导致电磁能量的集聚使电流电压幅值急剧上升产生自励磁过电压由于受发电机和变压器的磁饱和限制自励磁过电压一般不超过( 当外电路容抗值在 使发电机的容量大于被投入空载线路的充电功率 2 采用快速励磁自动调节器限制同步自励磁过电压采用速动过电压继电保护断开发电机消除可能产生的异步自励磁过电压 3 对330)计算 1 (式中X %升压变压器漏抗标么值 电机直轴电抗标么值 水轮发电机发生不对称短路时在发电机定子绕组和转子绕组上分别产生脉动磁场和直流磁场会在健全相上产生幅值较高的谐振过电压 在水轮发电机的转子上加装阻尼绕组可以限制过电压幅值不超过3)计算 =(式中两相短路接地具有铁心的电感设备因系统操作和故障引起设备上电压增高或产生励磁涌流都会导致铁心饱和在谐振频率下当感抗与容抗值相等时就会引起铁磁谐振过电压 铁磁谐振过电压的幅值一般不超过(磁式电压互感器引起的铁磁谐振 非全相运行引起的铁磁谐振 合带空载线路的变压器引起的二次谐波的铁磁谐振 1 在直接接地系统中采用带有均压电容的断路器开断连接有电磁式电压互感器的空载母线经验算有可能产生铁磁谐振过电压时宜选用电容式电压互感器 在不接地系统中带绝缘监视用的电磁式电压互感器与空载母线或空载短线引起的铁磁谐振过电压电源中性点发生对地位移引起虚幻接地信号谐振频率可能是基频谐振也可能是高频(2次3次)谐振和分频(1/2次1/3次)谐振 防止和限制电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压措施有 1)选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器 2)增大母线对地电容减小对地容抗使对地容抗与互感器励磁感抗之比(m) 3)213(电阻阻尼谐振或采用消谐装置消除谐振 4)10量大于600W)的电阻接地 2 中性点不接地系统中和中性点直接接地有不接地变压器的单端电源系统中发生线路断线或断路器(熔断器)非全相分合闸由于空载或轻载变压器励磁电感与线路对地电容构成串联铁磁谐振在各级电压的系统中都会发生谐振频率可能是基频也可能是高频和分频 在双端电源线路中发生线路断线或断路器(熔断器)非全相分合闸由于两端电源的不同步在各级电压的系统中都会引起中性点位移过电压不接地变压器中性点位移电压可接近2倍工频相电压非直接接地有补偿的系统中过电压使不接地变压器中性点位移电压更高 在有并联电抗器补偿的系统中线路处于非全相空载运行状态且并联电抗器零序电抗小于线路零序容抗时由于线间电容的影响断开相上可能激发基频铁磁谐振过电压 防止和限制非全相运行引起铁磁谐振的措施有 1)采用同期性能较好的断路器 2)对中性点直接接地的系统操作时应将不接地变压器中性点临时接地必要时可在不接地变压器中性点加装棒间隙 3)在并联电抗器中性点装设小电抗器以消除并联电抗器非全相运行引起的铁磁谐振 3 在自振频率接近100于变压器电感周期性变化在高压空载或轻载线路中引起幅值较高的二次谐波为主的铁磁谐振过电压 应避免在只带空载线路的变压器低压侧合闸在故障中确实无法避免时可在线路继电保护装置内增设过电压速断保护以缩短过电压持续时间 操作过电压及其保护 系统中的操作过电压一般由下列原因引起 间歇性电弧接地 空载线路分合(重合)闸 空载变压器和并联电抗器分闸 线路非对称故障分闸和振荡解列等 220 系统操作过电压计算倍数的确定应考虑系统结构系统容量电气参数中性点接地方式断路器性能母线上的出线回路数以及系统运行接线操作方式等因素操作过电压计算倍数宜取下列数值 对地绝缘以设备的最高运行相电压 66 计算用最大过电压 10 220 计算用最大过电压 30 2%统计过电压 00 2%统计过电压 间绝缘以相地操作过电压的倍数表示 3 220 30 500 定相间绝缘时两相的电位宜分别取相间操作过电压的+60%和 在中性点不接地的系统中当单相接地故障电流超过一定数值时将产生不稳定电弧形成熄灭和重燃交替的间歇性电弧导致电磁能的强烈振荡并在健全相以致故障相中产生较高的过电压过电压数值随接地方式不同而异一般情况下过电压不超过下列数值 不接地 空载线路在分闸过程中当断路器触头间的绝缘恢复强度低于电压恢复强度时断路器发生重击穿使线路上电压发生振荡产生分闸过电压对3 空载线路合闸时由于线路电感电容的振荡将产生合闸过电压线路重合闸时由于电源电动势较高以及线路上残余电荷的存在加剧了这一电磁振荡过程使过电压进一步提高线路合闸和重合闸过电压是控制330 采用无间隙金属氧化物避雷器保护避雷器应能承受安装点的各种过电压的幅值和持续时间(除谐振过电压)安装在出线断路器线路侧的避雷器称为线路避雷器安装在电厂侧的避雷器称为电站避雷器避雷器的通流容量和允许吸收能量应满足系统的要求 2 计算采用无间隙金属氧化物避雷器限制合闸过电压达不到要求时还应采用具有合闸电阻的断路器使合闸分两阶段进行以降低合闸时触头间的电位差使振荡过电压得到降低 空载变压器和电抗器分闸时由于断路器强制熄弧引起电磁能转换振荡而产生的过电压它与断路器结构回路参数变压器(并联电抗器)的接线和特性等因素有关 采用灭弧性能较强又无分闸电阻的断路器(除断路器)断开励磁电流标么值较大的空载变压器时所产生高幅值过电压可在断路器与变压器(并联电抗器)间装设避雷器予以限制对变压器而言避雷器可安装在低压侧或高压侧但如高低压系统中性点接地方式不同时低压侧宜采用保护水平较低的避雷器 系统送受端联系薄弱如线路因非对称故障导致分闸或在系统振荡状态下解列将产生线路非对称故障分闸或振荡解列过电压预测线路非对称故障分闸过电压可选择线路受端存在单相接地故障的条件分闸时线路送受端电动势功角差应按实际情况选取当过电压幅值较高时应采用线路避雷器加以限制 6 雷电过电压和保护装置 雷电过电压 雷电参数 1 )求得 88=(式中雷电流幅值图 我国雷电流幅值概率曲线 注陕南以外的西北地区内蒙古自治区的部分地区等(这类地区的年平均雷暴日数一般在20及以下)雷电流幅值较小可由给定的概率按图查出雷电流幅值后减半 2 平均年雷暴日数宜根据当地气象台多年资料获得或参照全国平均年雷暴日数分布图(见附录G)确定 3 在线路防雷设计中雷电流波头长度一般取2.6 4 线路雷电过电压 1 当雷击线路杆塔或避雷线时可能造成绝缘子串塔头空气间隙和避雷线与导线间空气间隙闪络形成对导线的反击产生过电压设计时要求塔头空气间隙和档距中央空气间隙的绝缘水平高于绝缘子串的绝缘水平 绝缘子串上承受的雷电过电压与杆塔自身电感接地电阻避雷线分流系数以及雷电流幅值有关通常以耐雷水平(线路能承受该雷电流幅值而绝缘子串不致发生闪络)作为线路的耐雷指标 2 雷直击(无避雷线线路)和绕击(有避雷线线路)导线将产生过电压 线路绕击率是非常小的它与避雷线对边导线的保护角杆塔高度以及线路经过地区的地形地貌有关可按式(行计算 对平原线路 对山区线路 式中雷线对边导线的保护角 线路绕击耐雷水平也是较低的可按式(行计算 100%502(式中路绝缘子串50%冲击放电电压随着电压等级的增高线路绕击的事故率增加故电压等级的增高绕击事故率占总事故率的比重增大 发电厂雷电过电压 1 雷直接击在发电厂电气设备上产生直击雷过电压由于过电压幅值很高会造成设备的损坏应对直击雷采取防护措施 当雷击发电厂避雷针线或其他建构筑物将引起接地网冲击电位增高会造成对电气设备的反击产生反击过电压反击过电压的幅值取决于雷电流幅值地网冲击电阻引流点位置和设备充电回路的时间常数 2 雷击附近物体或地面由于空间电磁场发生剧烈变化在线路的导线上或其他金属导体上产生感应过电压一般感应过电压仅对35雷击点与导线的距离大于65算 式中0000 雷击线路杆塔或附近的避雷针避雷线上在导线上产生的感应过电压可按式(计算 式中 感应过电压系数其值为雷电流陡度通常=40 60雷击塔顶时I/ 输电线路受到雷击雷电波沿导线侵入到发电厂电气设备上产生侵入雷电波过电压过电压幅值与发电厂进线保护段耐雷水平雷击点距发电厂的距离导线电晕衰减和发电厂接线运行方式有关 避雷针和避雷线 为防止直接雷击水力发电厂电气设备宜采用避雷针和避雷线进行保护其保护范围按下列方法确定 单支避雷针保护范围 在被保护物高度(定 1 当时 p= (式中0m p=1 30 h 1205.5=h 120m,p=下各式中 2 当时 p (图 不同地面高程的单支避雷针保护范围 缓坡度单支避雷针保护范围 1 避雷针上坡方向的保护范围在避雷针单支避雷针保护范围确定方法确定 2 避雷针下坡方向的保护范围可由避雷针顶点向缓坡地面作一垂直线 图 两支等高避雷针保护范围 1 两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定 2 两针间保护范围上部边缘最低高度)计算 (式中 两支避雷针间保护范围最小宽度 两支不等高避雷针外侧的保护范围应分别按单支避雷针的计算方法确定 两支不等高避雷针保护范围 2 两针间的保护范围应按单支避雷针的计算方法先确定较高避雷针1的保护范围然后由较低避雷针2的顶点作水平线与避雷针1的保护范围相交于点3 取点3为等效避雷针的顶点再按两支等高避雷针的计算方法确定避雷针2和3的保护范围通过避雷针23顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧其弓高应按式(算 (式中 不同地面高程的两避雷针保护范围 1 两针外侧保护范围分别按单支避雷针保护范围确定方法确定 2 两针内侧保护范围分别以不同地平面按两支避雷针内侧保护范围的方法确定所在地平面内被保护物的保护范围 若两地平面的被保护高程不一样(不在同一水平面上)两针间保护一侧最小宽度分别按不同地平面确定不同的两地平面被保护高程一样不论按哪一地平面确定两针间保护一侧的最小宽度是一样的 7所示 图 四支等高避雷针1 2 3及4在 将多支避雷针的多边形划分成若干个三支避雷针的三角形划分时必须是相邻近的三支避雷针 2 每三支避雷针其相邻两支保护范围一侧最小宽度 多支避雷针的外侧保护范围应分别按不等高(或等高)两针保护范围确定方法确定 在山地和陡坡地应考虑地形地质气象及雷电活动的复杂性对避雷针保护范围的降低作用避雷针的保护范围可按式()可改为式(改为利用山势设立的远离被保护物的避雷针不得作为主要保护装置 单根避雷线的保护范围 在 (定 1 当2 p (式中2 当22121p (式中2)2, 2121p (避 雷 器 碳化硅阀式避雷器有普阀式(磁吹阀式(两种类型的避雷器皆有放电间隙只是间隙的灭弧方式不一样普阀式是靠间隙自然灭弧工频续流小一般在80式避雷器的灭弧电压不应低于避雷器所在点的暂时工频过电压值在一般情况下宜按下列要求确定 1 中性点直接接地的系统中不应低于系统最高运行线电压的80% 2 中性点非直接接地的系统中3 105 66 3 10 220阀避雷器和10 330吹避雷器旋转电机采用 金属氧化物避雷器(简称般是无间隙避雷器它没有灭弧和工频续流的问题金属氧化物电阻片具有优异的非线性伏安特性不需串联间隙电阻片单位体积吸收能量大还可以并联使用使能量吸收能力成倍提高 由于 无间隙 避雷器额定电压(按式(择 ) 式中 暂时过电压值 接地方式非直接接地 (包括电阻接地谐振接地)直接接地330 500系统标称电压 ( 1035 66110 220母线线路暂时过电压m 避雷器最大持续运行电压(选择避雷器的接接地3/非直接接地 1025 66 10 发电厂的避雷器应装设简单可靠的多次动作记录器记录器本身在冲击电流作用下残压较低或无残压动作记录器的数字应便于运行人员巡视和记录 7 架空线路段的雷电过电压保护 一般过电压保护 对3562030 500架设双避雷线的线路段两根避雷线间的距离不宜超过导线与避雷线间垂直距离的5倍 线路段杆塔的工频接地电阻 土壤电阻率 ( m)100及以下100以上 至500500以上 至10001000以上 至20002000以上接地电阻 ( )1015202530由于土壤电阻率较高接地布置范围受到限制难以达到表中电阻值时可采用多根放射形接地体或将相邻杆塔接地装置相连也可以与发电厂接地网相连 架空线路段耐雷水平 系统标称电压 (566110220330500耐雷水平 (06075120140160雷击杆塔耐雷水平的计算可参考附录B 为防止雷击架空线路段避雷线档距中央反击导线15无风时档距中央导线与避雷线间的距离不应小于式(求 (式中钢筋混凝土杆铁横担和钢筋混凝土横担线路的避雷线支架导线横担与绝缘子固定部分和瓷横担固定部分之间宜有可靠的电气连接并与接地引下线相连主杆非预应力钢筋如上下已绑扎或焊接连成电气通路非预应力钢筋可兼作接地引下线 利用钢筋兼作接地引下线的钢筋混凝土杆其钢筋与接地螺母铁横担间应有可靠的电气连接 外敷的接地引下线可采用镀锌钢绞线其截面不应小于25 架空线路段的最小空气间隙 系统标称电压 (566110220330500雷电过电压间隙 (565100190260330操作过电压间隙 (55070145200270运行电压间隙 (0202555100130悬垂绝缘子串个数 (57131925注 1 绝缘子型号220 绝缘子适用于0级污秽区污秽地区绝缘加强时间隙仍用表中数值 按雷电过电压进行绝缘配合时最大设计风速小于35m/s 按操作过电压进行绝缘配合时操作过电压计算风速一般采用最大设计风速的50%且不得小于15m/s 按运行电压进行绝缘配合时运行电压计算风速应采用最大设计风速 在进行配合时考虑杆塔尺寸误差横担变形和施工误差等不利因素空气间隙应留有一定裕度 交叉部分的过电压保护 架空线路段交叉点应尽量靠近上下方线路杆塔以减少导线因塑性伸长覆冰过载温升短路电流过热而增大弧垂的影响和降低雷击交叉档时交叉点上的过电压 同级电压线路相互交叉或与较低电压线路通信线路交叉时 同级电压线路或与较低电压线路通信线路交叉距离 系统标称电压 (5 110220 330 500 交叉距离 (m)大跨越档的过电压保护 土壤电阻率大于2000 防止反击要求的大跨越档导线与避雷线的距离 系统标称电压 (566110220330500距 离 (m)发电厂的雷电过电压保护 直击雷的过电压保护 发电厂的直击雷过电压保护可采用避雷针或避雷线下列设施应装设直击雷保护装置 户外配电装置包括组合导线和母线廊道 砖木结构的主厂房 油处理室露天油罐及易燃材料仓库等建筑物 避雷针不宜装在独立的主控制室和35谷地区的发电厂宜用避雷线保护 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35独立避雷针不应设在人经常通行的地方避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3 110取降低接地电阻或加强绝缘等措施 665在架构上的避雷针应与接地网连接并应在其附近装设集中接地装置装有避雷针的架构上接地部分与带电部分间的空气中距离不得小于绝缘子串的长度但在空气污秽地区如有困难空气中距离可按非污秽区标准绝缘子串的长度确定 避雷针与主接地网的地下连接点至变压器接地线与主接地网的地下连接点沿接地体的长度不得小于15m 在变压器的门型架构上不宜装设避雷针避雷线对于220 1105 66 装有避雷针和避雷线的架构上的照明灯电源线独立避雷针和装有避雷针的照明灯塔上的照明灯电源线均需采用直接埋入地下的带金属外皮的电缆或穿入金属管的导线电缆外皮或金属管埋入地中长度在10)的构筑物上架设未采取保护措施的通信线广播线和低压线 独立避雷针避雷线与配电装置带电部分设备和架构接地部分之间的空气中距离以及独立避雷针避雷线的接地装置与接地网间的地中距离应符合下列要求 1 独立避雷针空气中距离应符合式( (式中2 独立避雷针地中距离应符合式(式中3 独立避雷线空气中距离应符合式(.1(h+ l) (=式中对两端接地的避雷线的分流系数(对一端接地另一端绝缘的避雷线=1) 4 独立避雷线地中距离应符合式(除满足以上计算外雷击避雷针(线)引起地网冲击电位的升高冲击电位对电力设备的反击过电压可按下列方法校验 1 雷电流引起引流点冲击电位升高可按式(算 式中地网冲击电阻可按式(行估算 对长孔接地网 (对方孔接地网 (式中接地网所在土壤电阻率m 2 设备外壳处地网电位升高可按式(算 式中 3 设备反击过电压可按式(算 U=式中击电压系数与设备充电回路的时间常数0= (式中缆)的波阻抗 设备反击电压系数 4 电气设备反击电压经校验后对电气设备绝缘有危害时应采取措施如将设备接地点远离避雷针(线)的引流点或采用避雷器进行保护如采用这些办法有困难时应将避雷针 (线)移至别处 感应雷的过电压保护 避雷针线尽量远离35房顶上的设备金属外壳电缆金属外皮和金属构件均应接地 雷电侵入波的过电压保护 发电厂应采取措施防止或减少近区雷击闪络未沿全线架设避雷线的35 11020 50010线保护段上的避雷线保护角不宜超过20最大不应超过30 在雷雨季节如35 110 (