交流电气装置的过电压保护及绝缘配合

输变电标准讲解资料交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T620-1997）2008年 8月 目 录一， 引言 二， 电力系统中性点接地方式及其对过电压的影响三， 暂时过电压及其限制四， 操作过电压及其保护五， 雷电过电压及其防护六， 金属氧化物避雷器MOA七, 绝缘配合 一， 前言 ：1，本标准规定了标称电压为3500 kV交流系统中电气装置过电压保护的方法和要求；提供了相对地、相间绝缘耐受电压或平均(50%)放电电压的选择程序，并给出电气设备通常选用的耐受电压和架空送电线路与高压配电装置的绝缘子、空气间隙的推荐值。本标准是根据原水利电力部1979年1月颁发的电力设备过电压保护设计技术规程SDJ 7-79和1984年3月颁发的500 kV电网过电压保护绝缘配合与电气设备接地暂行技术标准SD 119-84，经合并、修订之后提出的。2，标准的适用范围：本标准与修订前标准的主要差别：1)， 增补了电力系统中性点电阻接地方式；修订了不接地系统接地故障电流的阈值；2)， 对暂时过电压和操作过电压保护，补充了有效接地系统偶然失地保护和并联补偿电容器组、电动机操作过电压保护及隔离开关操作引起的特快瞬态过电压保护等内容；对330kV系统提出新的操作过电压水平要求、修订了限制500kV合闸和重合闸过电压的原则和措施等；3)，增加了金属氧化物避雷器参数选择的要求；4)，增加了变电所内金属氧化物避雷器最大保护距离和SF6 GIS变电所的防雷保护方式的内容；5)，充实并完善了3500kV交流电气装置绝缘配合的原则和方法。给出架空线路、变电所绝缘子串、空气间隙和电气设备绝缘水平的推荐值。注：本文中工频过电压倍数，为工频过电压有效值与系统最高相电压有效值之比；本文中谐振、操作过电压倍数，为谐振、操作过电压幅值与系统最高相电压峰值之比。二， 电力系统中性点接地方式及其对过电压的影响：电力系统中性点接地方式是涉及系统接地故障电流、过电压水平、运行可靠性等一项技术、经济的综合性问题。- 影响一次设备的制造水平，造价，进而影响电力系统的建设投资：如,影响断路器的开断能力，影响变压器等的动,热稳定性;- 影响继电保护方式的选择性，影响故障的复杂程度,影响电力系统的电磁暂态、机电暂态的发展和系统稳定，影响电力系统的运行费用；- 影响二次系统，包括对继电保护,通讯, 铁路信号,自动化等的电磁干扰；- 影响电力系统非对称接地故障引起的工频过电压, 进而影响电力系统的操作过电压水平和绝缘水平.目前,我国电力系统中性点接地方式有:1. 有效接地方式(3.1.1)：（此处括号内数字为DL/T620相应条款，以下雷同。）有效接地方式，即系统在各种条件下应该使零序与正序电抗之比= X0/X1 为正值并且不大于3，而其零序电阻与正序电抗之比R0/X1为正值并且不大于1。接地故障系数 ( K = 故障时健全相工频电压/故障前工频相电压)不超过1.4，接地故障系数K乘以最大运行相电压为工频过电压。 由于这种接地方式的过电压水平和绝缘水平相对比较低，我国 110 - 500kV系统中性点均采用有效接地方式.110和220kV变压器中性点在系统规模不大时，一般采用直接接地方式。但当系统发展、电源容量较大时，过小的零序电抗将会导致单相短路电流大于三相短路电流，给运行带来诸多问题.。为了提高零序阻抗，减少短路电流，我国东北220kV系统采用了将部分变压器中性点不接地的措施。110kV、220 kV变压器中性点采用分级绝缘,绝缘水平仅为线端绝缘水平的一半,这就出现了中性点过电压保护的问题。当操作变压器的断路器出现非全相时，可能出现系统中性点局部失地,甚至会引起谐振过电压,导致中性点避雷器爆炸。后来，专门又在该避雷器旁并联接入一个保护用棒间隙。这就使得保护和运行维护很复杂.本标准对超高压系统专门规定其变压器中性点不得不接地运行。然而，超高压变压器，当系统规模发展扩大后，也会出现类似问题。是仿照220 kV模式？还是寻求新的解决办法？葛洲坝水电站500 kV升压站主变共7台，每台中性点均接地时，短路电流巨大。经过研究分析论证，最后采用了每台变压器中性点经电抗值为变压器零序电抗1/3的接地电抗器接地的措施。这样，两台变压器运行时，总零序电抗与原来中性点仅一台接地和另一台不接地是相同的。这样作的优点是降低变压器中性点的绝缘水平(由不接地时的220 kV电压级水平，降至60 kV电压级水平)、避免了中性点不接地时的诸多缺点。最重要的是，较之部分接地方式在发生接地故障时，流过变压器的短路电流减少一半。这对减轻短路电流电动力对变压器绕组的损害，有重大作用。2 不接地方式：我国3-66kV配电系统当接地故障电容电流不大时，可采用中性点不接地方式。 虽然这种接地方式时的过电压水平和绝缘水平相对比较高，但对电压等级比较低的3-66kV配电系统，其技术经济影响并不大；而优点是属小电流接地系统，发生单相接地时，系统仍可向用户供电。它的敝病是当接地故障电容电流较大时，因电弧的延伸可能波及到结构紧凑的户内开关柜的邻相，从而造成相间短路跳闸。其次电流较小时有可能引起间歇性弧光接地过电压，导致异地异相设备绝缘损坏。最后还易出现电磁型电压互感器饱和导致的谐振以及电压互感器熔丝熔断等。正是基于此种运行经验，本标准，对原规程中不接地系统接地故障电容电流的阈值对10kV系统由30A降低至10A。其原因是：国内现场试验表明10kV变电站支柱绝缘子在12A电流时已不能灭弧、国外标淮也作了相应修订。3 消弧线圈接地方式：为了克服不接地系统的缺陷，对3-66kV等级当接地故障电流大于下列阈值时，应采用消弧线圈接地方式 ： 10kV钢筋混凝土电杆或金属杆塔的架空线路 10A 35-66kV 10A。使用消弧线圈接地方式，应注意的问题：- 保证变压器中性点长期电压位移 15% 相电压;- 采用过补偿，脱谐度 10%;- 保证单相接地时的残流 kA ）- 稳定燃弧；当接地故障电容电流很小 ( 电磁感应:* （线路外，S处落雷）： 其中： - 与线路的距离； - 导线高度； - 导线上的感应电压； - 雷电流幅值。* （雷直击塔顶及其附近）：。 感应过电压不高，对110KV及以上架空线路已不起作用。(2), 架空线路上的直击雷：架空线路上的直击雷分三种情况：1），雷直击塔顶及其附近:其中： - 塔顶电位； - 杆塔冲击接地电阻； - 杆塔等值电感； - 雷放电电流。计算结果表明杆塔冲击接地电阻起决定作用。对于高杆塔，应按波过程计算。2), 雷直击档距中央避雷线:- ， （）；其中： - 避雷线上的过电压； - 半档避雷线的电感； - 雷放电电流； - 雷电流陡度； - 档距。- （kV）, 档距中央避雷线与导线之间的空气距离 ：.“规程”规定： ， （m）.3），雷绕过避雷线直击导线:其中： - 导线上的过电压； - 雷电流幅值； - 线路波阻抗。500KV架空线路， 15KA雷击 ，线路绝缘闪络。 架空线路应采用避雷线屏蔽。绕击率 ： ， （对平地线路）； ， （对山区线路）。其中： - 保护角； - 杆塔高度。(3), 避雷线的作用: 1). 屏蔽,防雷直击导线;2). 雷直击杆塔分流;3). 耦合效应 - 降低感应电压.(4), 架空线路防雷的基本原则及措施： 确定架空线路的防雷方式时，应全面考虑： - 线路电压等级； - 线路负荷性质； - 系统运行方式； - 当地原有线路运行经验； - 雷电活动强弱； - 地形，地貌特点； - 土壤电阻率高低； ，根据技术、经济比较，采取合理的措施.并不是要求所有的雷击线路绝缘都不准闪络,要有一定的耐雷水平，保证一定的雷击跳闸率.- 避雷线是基本措施；- 降低杆塔接地电阻是最经济的方法；- 自动重合闸是重要的防雷措施；- 特殊情况加耦合地线,减少雷击跳闸率40-50%;- 适当加强线路绝缘; - 双回路环网， 提高供电可靠性; - 采用线路避雷器.(5).绕击 - 击距（几何分析模型）理论:1），绕击电气几何分析模型以等击距假设为依据：* 雷电先导电位: （MV）（kA）;其中： - 雷电先导头部电位； - 主放电电流。图4 分析线路绕击的几何作图法图中： b - 避雷线； d - 导线* 长间隙放电电压( - 极性 ) 放电距离 ,（m）;* 定位曲面： 一定的主放电电流 ，对应于一定的击距 ；* 临界击距 ： 不可能发生绕击相对应的最小击距。此点与避雷线和地面的距离相等（而与导线的距离小），均为临界击距 。相对应的雷电流为临界电流 。大于临界电流 时，因与导线的距离大，则不发生绕击；* 允许击距 ：相对应于线路耐雷水平 的击距。小于耐雷水平 的绕击，线路不会闪络；* 有效屏蔽： 适当采用某一保护角 (通常为负保护角)使允许击距 大于临界击距 ，则实际上将不发生绕击，这种情况称为有效屏蔽；* 部分屏蔽： 如允许击距 小于临界击距 ，则称为部分屏蔽。2），击距理论的动态分析：- 空气湿度对长间隙放电特性的影响； - 先导放电通道是游离的气体，空气流动可能会严重影响先导发展方向；- 地形地貌（山脊，山坡）对保护角的影响。（5），高压输电线路防雷保护用避雷器（PMOA）：传统的输电线路防雷保护措施对提高耐雷水平降低跳闸率起到了明显的作用。但是，对有些地区或地形地貌特殊的地区，上述措施即使综合使用，跳闸率依然居高不下，建议采用线路用复合外套金属氧化物避雷器。1）线路用PMOA的类型：-. 无间隙型 （不宜采用）-. 带串联间隙型：（a）绝缘子支撑间隙（b）纯空气间隙2）线路用避雷器的运行工况和主要技术要求：a. 系统正常运行电压、工频暂时电压、操作过电压下，避雷器间隙不应动作；b. 雷电过电压下，避雷器应可靠动作，并将绝缘子两端的电压钳制至绝缘子的伏秒特性以下（包括避雷器雷电冲击放电电压和残压），动作之后，并应在规定的时间内可靠熄弧；c. 避雷器应有足够的通流容量和大电流冲击耐受能力，大电流冲击后，电阻片的稳定性良好；d. 线路避雷器安装后，空气间距应满足塔头绝缘配合的要求；e. 线路避雷器及其外露金属件、连接线的局部放电量和无线电干扰水平应符合线路规范的要求；f. 安装方便。3）线路避雷器安装位置的选择：使用PMOA，可以提高线路耐雷水平，降低跳闸率。线路避雷器的安装位置一般应选在线路的易击段，易击点和易击相。因此，决定线路避雷器的安装位置时应参考如下数据：a. 线路自然状况的统计；b. 历年雷电事故统计及雷电定位系统实测参数统计；c. 计算分析绕击、反击；d. 现场察勘。3. 变电站的雷电过电压防护：变电站是电力系统的枢纽，一次二次设备集中的地方。（1），变电站的直击雷防护：变电站的直击雷保护的可靠性应比侵入波保护的可靠性高10倍或更高。* 保护对象-户外配电装置；-高构架建筑；-易燃易爆对象。* 避雷针，线，带 - 引雷作用：保护范围 - 实验室的试验结果并未得到科学界的公认；安全距离 - 避免反击：避雷针与被保护物之空气距离：避雷针接地装置与被保护物接地装置之地下距离：。* 避免对二次，通信，低压系统的感应干扰。（2）变电站的雷电侵入波保护：1），线路落雷频繁，沿线路侵入变电站的雷电过电压行波很多。线路绝缘水平比变电设备高，所以，侵入波是造成变电站雷害的主要原因。2），采取的主要措施:- 安装避雷器MOA；- 在变电站的进线段采取辅助措施。3），避雷器保护距离,保护效果:* 设备上的最大过电压：，其中： - 被保护设备上最大过电压； - 避雷器的雷电残压； - 侵入波陡度； - 避雷器与被保护设备之间的距离； - 侵入波传播速度。* 考虑变压器入口电容 ：，其中：， - 变压器入口电容； - 联线单位长度的电容。* 影响避雷器保护距离的因素:- 避雷器残压越小（取决于放电电流的幅值和陡度），保护效果越好；- 侵入波的幅值和陡度；- 多组避雷器的联合作用：电流能量分流，但不平衡；开关外侧（线路侧）避雷器的作用；- 多路进线的影响：侵入波折射系数小，侵入波的幅值和陡度降低。三路进线比二路进线保护距离大20%。4），变电站的防雷性能-危险波曲线：- 即模拟分析整个变电站对雷电侵入波的响应特性。* 配置一定,固定运行方式,改变侵入波的陡度 (固定侵入波幅值)，计算变电站各设备上的过电压，确定危险点；* 配置一定,固定运行方式,改变侵入波的幅值(固定侵入波陡度)，计算变电站各设备上的过电压，确定危险点。从而判明离变电站多远处线路上发生绕击、反击时会对变电站构成威胁，并算出变电站的耐雷指标(多少年发生一次雷击事故()。必要时加强变电站的进线段保护。图5 变电站的危险波曲线（3）变电站的进线段保护:据统计,变电站的侵入波雷害事故 : 50%由 内雷击线路引起 ；71%由 内雷击线路引起 。所以，加强变电站的进线段保护,提高耐雷水平,是减少变电站近区雷击事故, 提高变电站的耐雷指标的有力措施。所谓变电站的进线段是指变电站附近2KM长的一段有避雷线的线段。变电站的进线段除线路防雷之用外，还有：1）减少绕击，反击，减少变电站近区雷击的可能性：所谓变电站的异常近区雷击，就是在变电站外12公里的范围内，输电线路发生绕击或反击，进入变电站的侵入波幅值高，陡度大。这种情况，被保护设备绝缘承受的电气应力增加很多，避雷器的雷电通流负担加重。此时，通过避雷器的电流可能达到GB11032-2000表17大电流冲击耐受值。如果达到上述值，避雷器的残压可能高达1.4倍标称电流下的残压值。考虑适当的进线段耐雷水平，降低进线段杆塔接地电阻，保证保护角，可以避免或尽量减少进线段内发生反击和绕击；2），避免或减少危险波 - 进线段对侵入波幅值和陡度的影响：* 限制侵入波幅值：- 单进单出,远方落雷(忽略波的反射)，通过避雷器的放电电流： ，其中： - 流进避雷器的雷电流； - 线路绝缘放电电压； - 避雷器的雷电残压； - 线路波阻抗。 * 限制侵入波陡度：主要考虑冲击电晕及导线和大地电阻的阻尼衰减作用。 （）其中： - 原始波前时间，（） ； - 进线段长度，（） ； - 进线段导线平均高度，（）； - 侵入波幅值，（）； - 分裂导线影响系数，（4）变压器中性点保护：由于系统不对称故障产生的操作过电压，及多相雷电过电压侵入波，变压器非直接接地的中性点应采用避雷器加以保护。由于不会出现大的放电电流，中性点用避雷器的标称放电电流通常取1.5KA，因而，避雷器的雷电冲击保护水平也相对降低，绝缘配合系数 1.25 (紧靠时)。 中性点用避雷器的能量吸收能力至少等于相-地避雷器的要求或更高。选择中性点用避雷器的额定电压时，注意变压器中性点处的工频稳态过电压等于故障期间的零序电压。我国在110-500KV有效接地系统的电网中，选择一部分变压器的中性点不直接接地,以增大零序阻抗，减小系统单相接地故障电流。如果发生单相接地，暂时过电压通常不大于60% （最大运行相电压）因此，中性点用避雷器的额定电压至少为相-地避雷器额定电压的60%。但是，对于单，双电源供电的网络，当系统某些部位的设备发生故障时，断路器非全相操作，可能造成局部失地，转变为带单相接地的非有效接地系统。暂时过电压可能高达1-2 ，如果在这种情况下发生谐振，则情况更加严重。应当避免这种运行方式。目前，采取的措施包括：1), 加棒间隙,限制非全相过电压;2), 操作中性点不接地的变压器时,临时先投快速接地开关;3), 变压器中性点加小电抗.（5）三绕组变压器，自耦变压器保护：对于多绕组变压器经常不运行的低压侧开路绕组，接地电容小，侵入波时，静电感应分量大，应在尽量靠近变压器的开路绕组三相上安装避雷器以防止传递过电压损害变压器的绝缘。（6），GIS雷电侵入波保护：1). GIS的绝缘特性及波阻抗：- 全 特性平坦(均匀电场)；- 负极性击穿电压小于正极性击穿电压；- 雷电过电压下的BIL 操作过电压下的 BSIL；- 波阻抗 Z = 60100，为架空线路的 1/5, 侵入波折射系数小； - 设备的间距小。2),GIS保护接线：针对GIS变电所与引入架空线路连接方式-直接或经一电缆段或全线经电缆线路引入，分三种情况作出相应的规定。需注意的问题：线路入口处避雷器的接地引下线一定以最短路径接至GIS的外壳，这样可防止避雷器接地电阻上的电压降也施加于被保护设备上。对于单芯电缆屏蔽层的一端必须选用合适的电缆护层保护器接地。（7） 发电机雷电侵入波保护：1），* 发电机是电力系统的心脏，非常重要；* 发电机雷击短路，定子烧毁，修复比较困难；* 发电机绝缘性能差，冲击系数接近于1；* 发电机绝缘易受潮，污秽及臭氧侵蚀，运转机械应力及磨擦，易老化。所以，雷电过电压通过升压变压器绕组传递到低压发电机侧，有可能需要对发电机加以保护。2），保护发电机的避雷器残压相对比较高，绝缘配合很困难，必须采取综合措施，降低侵入波的幅值和陡度。 （8）， 配电系统的雷电过电压保护：雷击绝缘导线断线的原因-雷击使杆塔处绝缘导线通过绝缘子对地闪络，而该处存在于绝缘导线内的相间短路电流电弧弧根无法移动，致使电弧弧根处的高温将绝缘导线熔断。其防止措施-在杆塔处绝缘子旁适当位置安装引弧且耐弧的保护金具。六，金属氧化物避雷器MOA：1， MOA的主要技术特性参数无间隙金属氧化物避雷器的特性可分为保护特性和运行特性。其保护特性仅由保护水平决定。其运行特性包括动作负载稳定性和运行寿命特性（长持续时间运行电压下的寿命及过电压下的寿命）等。反映这些特性的主要技术特性参数有：（1）持续运行电压UC；（2）额定电压UR；（3）标称放电电流(In)；（4）避雷器的保护水平；（5）大电流冲击耐受能力；（6）长持续时间电流冲击耐受能力；（7）压力释放等级；（8）耐污秽性能。2， MOA的 选择：（1），概述从使用的观点出发，避雷器的保护特性和运行特性是互相制约的。当系统条件一定，阀片性能一定的条件下，若提高避雷器额定电压，则避雷器的持续运行电压，避雷器工频过电压的耐受能力，以及避雷器的能量吸收能力亦随之提高，但过电压下的保护裕度减小了（即残压高了）。相反，避雷器的额定电压降低，耐受工频电压能力，及能量吸收能力降低，但保护裕度增大了（即残压低