电力系统过电压：第4章 发电厂和变电所的防雷保护

1、第第4章章发电厂、变电所防雷保护的重要性发电厂、变电所防雷保护的重要性 发电厂、变电所是电力系统的中心环节电力系统的中心环节，电力系统的重要设备(而且薄弱)-发电机、变压器、断路器等都安装在这里。它们如果受到雷击损坏，将带来大面积的停电事故，造成很大的经济损失。因此，必须采取可靠的防雷措施。发电厂、变电所雷害种类及其防护措施发电厂、变电所雷害种类及其防护措施直击雷对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。入侵波入侵波(重点重点)对入侵波防护的主要措施是:在变电所、发电厂内安装避雷器以限制电气设备上的过电压幅值；在发电厂、变电所的进线保护段上采取相应措施，以限制流过阀型避雷器的雷电流和降低侵入波的陡

2、度，对于直配电机，在电机母线上装设电容器以降低侵入波陡度，使电机的匝间绝缘和中性点绝缘不受损坏。避雷针、避雷线及良好的接地网。*官亭750kV变电站保护范围保护范围应该使所有设备均处于避雷针及避雷线的保护范围之内。被保护的设施主要有室外配电装置、烟囱、冷却塔等高建筑物，易燃、易爆装置及材料仓库等。反击反击雷击避雷针或避雷线后，其地电位可能升高，如果避雷针或避雷击避雷针或避雷线后，其地电位可能升高，如果避雷针或避雷线与被保护设备之间的距离不够大，则有可能在避雷针、避雷线与被保护设备之间的距离不够大，则有可能在避雷针、避雷线与被保护设备之间发生放电，这种现象称为避雷针雷线与被保护设备之间发生放电，

3、这种现象称为避雷针(线线)对对电气设备的反击，或称为逆闪络。电气设备的反击，或称为逆闪络。反击不但会在空气中发生，还会在地下接地装置间发生。一旦发生反击，高电位就将加到电力设备上，可能导致电力设备的绝缘损坏。故装设避雷针必须注意避免反击。当雷击避雷针时，雷电流经过避雷针及接地体流入大地。在避雷针的A 点(高度为 h)及接地装置的 B 点将出现电位 uA ，uB: AchBchddiuLiRtuiR式中式中L: AB 段避雷针的电感，段避雷针的电感，H；i :流过避雷针的雷电流，流过避雷针的雷电流，kA；Rch :接地装置的冲击电阻，接地装置的冲击电阻，。与雷击塔顶类似(无避雷线情况)独立避雷针

4、独立避雷针避雷针与被保护物体之间空气间隙的冲击击穿强度必须大于避雷针上可能出现的电位升高避雷针的接地体与被保护设备的接地体之间(土壤)的冲击击穿强度必须大于接地体上可能出现的电位升高规程建议规程建议雷电流幅值取I = 140 150 kA，电感取L = 1.7h H/m，空气击穿场强取500 kV/m，土壤击穿场强取300 kV/m，di/dt按斜角波头f = 2.6 s。根据运行经验，对sk ，sd 提出如下要求： kchdch0.30.10.3sRhsR架空避雷线的布置形式：避雷器一端经配电装置构架接地，另一端绝缘；避雷线两端接地架空避雷线架空避雷线避雷线一端经配电装置构架接地，另一端绝缘

5、避雷线一端经配电装置构架接地，另一端绝缘kchdch0.30.16()0.3sRhlsR避雷线两端接地避雷线两端接地kch22dch0.30.16()()/(2 )0.3 sRhllhllhsR 其中其中 为避雷线的分流系数，其为避雷线的分流系数，其计算可参照雷击塔顶计算可参照雷击塔顶(带避雷线带避雷线的情形的情形) 避雷针、避雷线的sk一般不宜小于5 m，sd一般不宜小于3 m，在可能的情况下，应适当地加大。直接装设在构架上的避雷针称为构构架避雷针架避雷针优点：造价低廉、便于布置缺点：构架离电气设备较近，容易发生反击是否可以装设构架避雷针的问题是否可以装设构架避雷针的问题35 kV及以下配电

6、装置：及以下配电装置：绝缘较弱，其构架上或房顶上不宜装设避雷针，而需要装设独立避雷针。110 kV及以上配电装置：及以上配电装置：在土壤电阻率不高的地区，一般允许将避雷针装设在配电装置的构架上。但安装避雷针的构架应铺设辅助接地体，此接地体与主变压器接地点之间电气距离应大于 15 m。这是为了使雷击时辅助接地体的电位升高，沿地网向主变压器接地点传播时，逐渐衰减，到达变压器的接地点后，其幅值已降低到不致于对变压器发生反击。在土壤电阻率大于1000m 的地区，不宜装设构架避雷针。不宜：为保证主变压器的安全，主变压器的门型构架上不能装设避雷针。发电厂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

7、动作，甚至造成绝缘损坏。变电所的配电装置至变电所出线的第一个杆塔之间的距离可能比较大，如允许将杆塔上的避雷线引至变电所的构架上，最后一档线路将受到保护，比用避雷针经济。线路终端塔避雷线引接到出线门型构架的问题线路终端塔避雷线引接到出线门型构架的问题由于避雷线有两端分流的特点，雷击时它比避雷针引起的电位升高小一些，因此其规定比避雷针要宽一些：110kV 及以上的配电装置。可将线路的避雷线引接到出线门型构架上，但土壤电阻率大于 1000m 的地区，应加装 3 5 根接地极。35 60kV 配电装置。在不大于 500 m 的地区，允许将线路的避雷线引接到出线门型构架上，但应装设 3 5 根接地极；当

8、 500 m 时，避雷线应终止于线路终端杆塔，进变电所一档线路可装设避雷针保护。入侵波入侵波变电所的雷害形式变电所的雷害形式直击雷入侵波入侵波的防护措施：入侵波的防护措施：使用避雷器限制来波的幅值在距变电所适当的距离内，装设可靠的进线保护段，利用导线高幅值入侵波所产生的冲击电晕，降低入侵波的陡度和幅值；利用导线自身的波阻抗限制流过阀型避雷器的冲击电流幅值。避雷器与被保护设备直接连接在一起由避雷器的保护特性-冲击放电电压(有间隙)和残压来决定避雷器上的电压，它也就是作用在被保护设备绝缘上的电压。避雷器与被保护设备之间有一段距离的电气引线避雷器在过电压下动作时，被保护设备上的电压与避雷器的残压存在

9、差别，避雷器只能保护一定范围内的设备。 避雷器避雷器不考虑雷电波u(t)在避雷器处反射后，反行波在某处反射后回到避雷器处的情况。避雷器未动作时全反射避雷器动作时残压值通过非线性伏安特性确定电压波侵入时避雷器电压图解电压波侵入时避雷器电压图解 避雷器动作时的电压波形避雷器动作时的电压波形电压波侵入时避雷器电压图解电压波侵入时避雷器电压图解 避雷器上的电压波形避雷器上的电压波形避雷器上的理想电压波形避雷器上的理想电压波形避雷器保护设备的简单接线图避雷器保护设备的简单接线图避雷器上的电压波形避雷器上的电压波形被保护设备上的电压波形被保护设备上的电压波形2Rua被保护设备上的过电压被保护设备上的过电压

10、被保护设备上的最大电压将比避雷器上的电压高出u，即： RT2uuulvu 降低被保护设备上过电压的措施：降低避雷器的的残压UR限制雷电波的陡度 减小避雷器和被保护设备之间的距离l被保护设备上的实际电压波形被保护设备上的实际电压波形jTuu安全要求：最大安全距离：jRjRm()()2/2uuuulv磁吹阀式避雷器的残压比普通阀式避雷器的残压低，因此变电所中若使用磁吹避雷器，则变压器与避雷器间的最大允许电气距离将比普通避雷器时大。 被保护设备上的实际电压波形被保护设备上的实际电压波形根据模拟实验求得的避雷器到变压器最大允许距离 lm 与侵入波计算陡度 的关系曲线（35 220kV 级系按普通阀型避

11、雷器计算；330kV 级系按磁吹阀型避雷器计算。）一路进线一路进线 两路进线两路进线 变电所中的其它设备的冲击耐压值比变压器高，它们离避雷器的最大允许电气距离比图 中 相应地增大 35% 。jRm1()2uulk变电站多路进线时，避雷器与变压器的最大允许电气距离可直接乘一个修正系数k1：进线保护段是靠近变电站或发电厂的1 km-2 km长的输电线路，其作用为防止变电站的侵入波事故。变电所行波保护接线变电所行波保护接线(a) 未沿全线架设避雷线的未沿全线架设避雷线的35 110 kV 线路进线保护；线路进线保护；(b) 全线有避雷线的变电所进线保护全线有避雷线的变电所进线保护什么是进线保护段什么

12、是进线保护段靠近发电厂、变电站的线路，当遭受雷击时，其导线若直接遭受雷击，或者雷击塔顶时，绝缘子闪络形成反击，则会在输电线路上形成雷电行波。由于线路的冲击耐压比发电厂、变电所设备的冲击耐压高很多，在靠近发电厂、变电站的线路上遭受雷击形成侵入波，幅值高，陡度大，对发电厂、变电站形成严重威胁。安装进线保护段的理由安装进线保护段的理由额定电压(kV)35110154220330500线路绝缘的冲击放电电压1.2/40s、负极性(kV)350700100012001400164520602300运行中变压器可耐受 的 冲 击 电 压1.2/50s(kV)18042558583511751540表表 1

13、1-2 不同额定电压的线路与变压器的冲击强度不同额定电压的线路与变压器的冲击强度减少绕击：减少绕击：装设避雷线(针)，避雷线的保护角不超过20，以减少绕击；减少反击减少反击：线路耐雷水平要达到有关规程规定值，以减少反击；进线保护段的特点进线保护段的特点只有远方的落雷才能侵入发电厂、变电站。然而，雷电波在传播过程中是要不断衰减的。避雷器动作后：不考虑雷电波不考虑雷电波u(t)在避雷器在避雷器处反射后，反行波在某处反处反射后，反行波在某处反射后回到避雷器处的情况。射后回到避雷器处的情况。50%RR2( )UIZuuf I从线路来的雷电波的幅值不超过线路绝缘子串的50 %冲击放电电压。50%R2Uu

14、IZ流过避雷器的冲击电流流过避雷器的冲击电流【例】110 kV水泥杆线路u50%=700 kV，变电站中避雷器FZ-110J的5 kA下的残压为uR=332 kV，求流过避雷器的冲击电流。2 7003322.67kA400I【例】220 kV线路u50%=1200 kV，残压uR=664 kV，Z=400，求流过避雷器的冲击电流。2 12006644.34kA400I额定电压(kV)避雷器型号线路绝缘的U50% (kV)ib (kA)35FZ-353501.41110FZ-110J7002.67220FZ-220J120014004.355.38330FCZ-330J16457.06500FC

15、Z-500J206023108.6310表表 11-3 流经避雷器的冲击电流最大值流经避雷器的冲击电流最大值雷电波冲击电晕波头变长反击的情况下，上升时间近似等于0，故波头时间近似等于波头延长值。00dpdp10.0080.50.008(0.5)()UUUllhUh0dp11502.4300()lUh假定波速等于300 m/s线 路 的 冲 击放电电压陡度陡度 表表 11-4 变电所侵入波计算陡度变电所侵入波计算陡度额定电压(kV)侵入波计算陡度(kV/m)额定电压(kV)侵入波计算陡度(kV/m)1km进线段2km进线段或全线有避雷线1km进线段2km进线段或全线有避雷线351.00.5220

16、1.5601.10.553302.21101.60.755002.5GB1：在冲击绝缘水平比较高的线路（如木杆或木横担线路，以及降压运行的线路），用于限制侵入波幅值GB2：用于保护进线的断路器。当断路器开路时，如有雷电波袭来，在终端产生全反射，危及断路器的绝缘，故装设GB2限制之。但在断路器闭合时，GB2必须处于FZ的保护之下，否则GB2动作长生截波危及变压器的安全。标准进线段保护中管式避雷器的作用标准进线段保护中管式避雷器的作用*GB型管型避雷器在进线保护段保护方式中的采用，是现有规程规定的，但现在很少使用了，大量由金属氧化物避雷器所代替。31500 5000 kVA，35kV变电所的简化保

17、护接线变电所的简化保护接线 用电抗线圈代替进线用电抗线圈代替进线段避雷线的保护接线段避雷线的保护接线 对于35 kV小容量变电所，可根据供电的重要性和当地雷电活动的强弱采用简化的进线保护。这是因为在35kV小容量变电所中，接线简单，设备尺寸小，变压器和避雷器的电气距离一般可在 l0 m 以下，允许侵入波有较高的陡度，因此进线段长度可以缩短。简化的进线保护简化的进线保护三绕组变压器的低压绕组三绕组变压器的低压绕组三绕组变压器在正常运行时，可能有高、中压绕组运行，低压绕组开路的情况。低压绕组开路的情况下，若线路有入侵波传来，雷电波作用在高压侧或中压侧时，由于低压绕组的对地电容很小，开路的低压绕组上

18、的静电耦合分量可能达到很高的数值，危及低压绕组的安全。120201220C UUCCU20 电压可由下式求得：解决方案：解决方案：在任一相低压绕组出线端对地加装一台避雷器即可。低压绕组连接有25 m及以上的金属铠装电缆段，则相应地增加了低压侧的对地电容，限制了过电压，此时低压侧可不装避雷器。 120201220C UUCCU20 电压可由下式求得：自耦变压器一般除有高、中压自耦绕组外，还带有三角形接线的低压绕组，以减小零序电抗和改善波形。因此，它有可能只有两个绕组运行而另一个绕组开断的情况。 自耦变压器自耦变压器a.高压来波高压来波：中压02Ukb.中压来波中压来波：高压02kU中压侧须装设避

19、雷器高压侧须装设避雷器c.高压来波时，中压出线高压来波时，中压出线相当于接地相当于接地(波阻抗比较小的缘故)，故电压基本加在AA段，故当变压比小于1.25时， AA段应装设一组避雷器。保护自耦变压器的避雷器配置理论上当变压器三相来波时，其中性点的电压为2u0，但由于一系列的有利因素，在35 kV-110 kV中性点不直接接地系统中，中性点(全绝缘)一般不必加以保护。特殊情况下(多雷区、单进线、单变压器)，需要加装一个与首端有同等电压等级的避雷器。110 kV以上中性点直接接地系统中，如变压器中性点不接地，由于变压器不是全绝缘，中性点必须加以保护。保护装置应满足如下要求：其冲击放电电压应低于中性

20、点冲击耐压；避雷器的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；保护间隙的放电电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的暂态最大值，以免继电保护不能正常动作。3 l0 kV 配电线路绝缘低，直击雷常使线路绝缘闪络，但大部分雷电流流入地中，限制了侵入波以及通过避雷器的雷电流幅值；加之避雷器与变压器靠得很近，两者之间电位差很小，因此可以不设进线保护。三点联合接地：三点联合接地：原因：原因：地电位升高配电变压器的防雷保护反击 避雷器变压器外壳低压侧中性点接地高压侧和低压侧都必须接避雷器高压侧和低压侧都必须接避雷器正变换：低压侧遭雷击，按电磁耦合到高电压侧反变换：高压侧遭雷击，避

21、雷器动作，变压器外壳地电位升高，相当于低压侧加了一个高电压，引起高电压侧的过电压。该电压可能导致高压侧中性点绝缘击穿或者变压器纵绝缘击穿。U0U0U0AABBCCU0U0U0U0U0U0abcZ形变压器形变压器GIS绝缘的全伏秒特性比较平坦，其冲击系数很小，约为1.2 1.3。因此它的绝缘水平主要决定于雷电冲击电压。 GIS变电所的波阻抗一般在60 100之间，远比架空线路低，这对变电所的侵入波保护有利。GIS变电所结构紧凑，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所容易实现。GIS绝缘完全不允许电晕，一旦发生电晕，将立即击穿；致命的绝缘损伤可能导致整个GIS系统

22、的损坏。因此要求包括母线在内的整套GIS装置的雷电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。与架空线直接相连的与架空线直接相连的GIS保护接线保护接线 经电缆进线的经电缆进线的GIS的保护接线的保护接线 从绝缘配合的角度看，GIS变电所的保护应尽量使用保护性能优良的金属氧化物避雷器。(a) 为发电机经升压变压器与架空线相连为发电机经升压变压器与架空线相连接的情况，线路上雷电波经变压器绕组过接的情况，线路上雷电波经变压器绕组过渡到发电机绕组。渡到发电机绕组。 (b)有时发电机和升压变压器低压侧连线过有时发电机和升压变压器低压侧连线过长，为使这段连线不受雷击，需用避雷针长，为使这

23、段连线不受雷击，需用避雷针进行保护。当雷击避雷针时，将有感应过进行保护。当雷击避雷针时，将有感应过电压作用于电机绝缘。电压作用于电机绝缘。(c) 是发电机与负荷相距较近，无需升高电压输电，可以将电机与架空线直是发电机与负荷相距较近，无需升高电压输电，可以将电机与架空线直接相连，称之谓直配电机的情况。此时，若雷击于导线或附近地面，将会接相连，称之谓直配电机的情况。此时，若雷击于导线或附近地面，将会有大气过电压作用于电机绝缘。有大气过电压作用于电机绝缘。 绝缘水平低：旋转电机的冲击绝缘水平要比同电压等级的变压器低得多，仅为变压器的1/2.5-1/4左右。工作条件严峻：旋转电机绝缘全靠固体，相对易受

24、潮、被污染；其导线出槽处电场极不均压；加上运行中的机械振动、发热以及局部放电所产生的臭氧的侵蚀，绝缘容易老化，可能引起击穿。配合裕度小：保护旋转电机用的避雷器的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小。考虑到电机运行后绝缘性能还要下降，裕度会更小，所以单靠避雷器来保护电机是不够的，还必须与电容器、电抗器、电缆段等配合。耐受入侵波陡度能力低：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。为了保证发电机匝间绝缘的安全运行，必须要将入进波陡度限制得很小。实验与运行经验表明：为使一般电机的匝间绝缘不致损坏，需将来波陡度限制在 5kV/s 以下。若电机中性点不引出，需将侵入波陡度限制在 2kV/

25、s 以下，使它不致于损坏中性点绝缘。直配电机遭受雷电过电压直配电机遭受雷电过电压 发电机母线上装设避雷器，以限制入侵波过电压的幅值。 发电机电压母线上装设并联电容器(电容量为0.25 0.5F)，以限制侵入波陡度。这不但是保护电机匝间绝缘及中性点绝缘的需要，同时也是为了降低感应过电压。 在直配线进线处加装电缆段和管形避雷器等，以限制流过避雷器的雷电流不超过3 kA。 发电机中性点有引出线，在中性点加装一只避雷器保护，或者将母线并联电容加大到1.5 2.0F，以进一步降低入侵波陡度。 对直配电机的防雷应采取以下措施对直配电机的防雷应采取以下措施(a) 利用集中电感利用集中电感 L的作用：与电容C构成振荡，限制了进波的陡度；对来波的正反射加速了避雷器FS的动作(b)利用架空进线段的电感来代替集中利用架空进线段的电感来代替集中电感的直配电机保护接线。电感的直配电机保护接线。架空线段长度大约为450 600 m。架空线用避雷针保护；进线段首段装管型避雷器，为强化保护作用，必须降低冲击接地电阻的值，如接地电阻较大，可在线路中间加设一组避雷器。直配电机防雷的基本接线直配电机防雷的基本