发电厂和变电所的防雷保护

1、第十章 发电厂和变电所的防雷保护,10-1 发电厂、变电所的直击雷保护,10-2 变电所内阀型避雷器的保护作用,10-3 变电所的进线段保护,10-4 三相绕组变压器和自耦变压器的防雷保护,10-5 变压器中性点保护,10-6 旋转电机的防雷保护,发电厂、变电所雷害来源：,引言,1.雷直击发电厂和变电站的避雷针后，强大的雷电流 1）在设备上产生感应过电压 2）避雷针电位升高对设备反击 3）产生跨步电压和接触电压 2.雷击线路后导线上形成雷电波侵入发电厂和变电站,发电厂、变电所过电压防护的主要措施：,直击雷,侵入波,避雷针、避雷线保护范围,防止反击,避雷器的保护作用与范围,进线端保护,降低来波陡

2、度,减小通过避雷器的电流幅值,10-1 发电厂、变电所的直击雷保护,为了防止雷直击发电厂、变电所，可以装设避雷针，应使所有设备都处于避雷针保护范围之内，且要防止雷击避雷针时的反击事故。,一、对避雷针安装位置的要求,1.独立避雷针：具有独立于变电站地网的接地装置。 2.构架避雷针：安装于配电构架上，并与变电站的地网相连。,1.独立避雷针,对于35KV及以下的配电装置，由于绝缘水平较低，为了避免反击的危险，应架设独立避雷针，其接地装置与主接地网分开埋设。,在避雷针h高度处和避雷针的接地装置上，将出现高电位uk和ud。此时有：,避雷针等值电感,流经避雷针的雷电流平均上升速度,流经避雷针的雷电流,避雷

3、针的冲击接地电阻,取雷电流的幅值为100KA，雷电流的平均上升速度为38.5KA/s，避雷针电感为1.55H/m，则可得：,上两式表明，避雷针和接地装置上的电位uk和ud与冲击接地电阻Rch有关， Rch越小，则uk和ud越低。,为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙Sk被击穿而造成反击事故，必须要求Sk大于一定距离，若取空气的平均抗电强度为500KV/m，则Sk应满足：,同样，为了防止避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙Sd被击穿，必须要求Sd大于一定距离，若取土壤的平均抗电强度为300KV/m，则Sd应满足：,在一般情况下，Sk不应小于5m， Sd不应小于3m。,2

4、.构架避雷针,对于110KV及以上的配电装置，因为绝缘水平较高，雷击避雷针时在配电构架上出现的高电位不会造成反击事故，故可以将避雷针架设在配电装置的构架上，可以节约投资，便于布置。,在装设避雷针的构建附近埋设辅助集中接地装置，此接地装置与变电所接地网的地下连接点离主变压器接地装置与变电所接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不应小于15m。,目的：使雷击避雷针时在避雷针接地装置上产生的高电位，在沿接地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，以便达到变压器接地点时不会造成变压器的反击事故。,土壤电阻率大于500m时，需独立架设避雷针。,在变压器的门型构架上，一般也不允许架设避雷针（线）。,二、对避

5、雷线安装位置的要求,1.为了防止反击，避雷线与配电装置带电部分、发电厂和变电所电气设备接地部分以及构架接地部分间的空气距离，应符合下列要求：,对一端绝缘另一端接地的避雷线,对两端接地的避雷线,通常不宜小于5m。,2.避雷线的接地装置与发电厂变电站接地网间的地中距离，应符合：,通常不宜小于3m。,10-2 变电所内阀型避雷器的保护作用,沿导线传播的侵入波幅值远远高于变电站内设备绝缘水平，故需采用避雷器作为变电站内侵入波的防护。,一、避雷器的保护动作过程,避雷器动作前：,动作后：,由图可知：避雷器电压有两个峰值Uch和Ubm， Uch是避雷器冲击放电电压，由于阀型避雷器的伏秒特性uf很平，故此值基

6、本上不随侵入波陡度而变；,Ubm为避雷器残压的最大值，虽然残压与雷电流的大小有关，但因阀片的非线性特性，当流过的雷电流在很大范围内变动时，其残压近乎不变。,在具有正常防雷接线的110220KV变电所中，流经避雷器的雷电流一般不超过5KA（对330KV为10KA），故残压的最大值取为5KA下的数值；,在一般情况下，避雷器的冲击放电电压与5KA的残压基本相同，则在分析中可以将避雷器上的电压ub近似地视为一斜角平顶波，其幅值为5KA时的残压Ub.5，波头时间（即避雷器放电时间）则取决于入侵波的陡度。,若入侵波为斜角波，即u=t，则避雷器的作用相当于在避雷器放电时刻tp在避雷器安装处产生一负电压波-（

7、t-tp）。,由于避雷器直接接在变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器上电压相同，若变压器的冲击耐压大于避雷器的冲击放电电压和5KA下的残压，则变压器将得到可靠的保护。,二、避雷器与设备的距离对过电压的影响,不可能在每台被保护设备上并联一台避雷器，也就是说避雷器与被保护设备存在一定距离，一般只在变电所母线上装设避雷器，由于变压器是最重要的设备，因此避雷器尽量靠近变压器。,进线隔离开关处电压的最大值UL为：,波速,变压器上电压的最大值UT为：,上两式表明，不论设备位于避雷器前或避雷器后，只要设备离避雷器有一段距离，则设备上所受冲击电压的最大值必然要高于避雷器残压Ub.5。,所以，当雷电波入侵变

8、电所时，变电所设备上所受冲击电压的最大值US可表示为：,设备与避雷器之间的距离,若考虑各设备对地电容的存在以及变电所具体接线的复杂性，可引入对地电容影响系数，则：,从左图可以看出，变压器上的电压具有振荡性质，其轴为避雷器残压。对变压器绝缘的作用与截波的作用较为接近，因此常以变压器绝缘承受截波的能力来说明在运行中该变压器承受雷电波的能力。,变压器承受截波的能力称为多次截波耐压值Uj，根据实践经验，该值为变压器三次截波冲击试验电压的1/1.15倍，即：,为了保证设备安全运行，必须满足：,1）必须限制避雷器的残压，也就是说对流过避雷器的雷电流必须加以限制使之不大于5KA或10KA； 2）限制入侵波的

9、陡度； 3）尽量缩短避雷器与被保护设备间的电气距离。,由上式可见，为了保证变压器和其他设备的安全，需采取如下措施：,避雷器的最大保护距离：入侵波陡度为一定值时，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，避雷器对变压器将无法保护，此值称为避雷器的最大保护距离或保护范围。,一路进线的变电所,二路进线的变电所,说明： 1）因变电所中其他设备的冲击耐压值比变压器高，所以其他设备的最大允许电气安全距离可以比上两图中的值相应增加35%。 2）二路进线的变电所，其最大允许电气距离比一路进线时大。原因是一路来波时，另一路将分流部分雷电流。 3）规程建议，三路进线变电

10、所的最大电气允许距离比二路时增大20%；四路及以上进线可增大35%。,变电所的防雷性能通常用危险波曲线来说明。危险波曲线取得的方法为：,1）在某一运行方式下，固定入侵波幅值，改变入侵波陡度直至变电所内某一设备上的过电压达到其冲击耐压值为止，记录该入侵波幅值及其相应的陡度作为危险曲线上的一点。 2）改变入侵波幅值，重复上述过程。,入侵波幅值和陡度位于区域，则变电所出现雷害事故；位于区，则无雷害事故。危险波形越偏上或偏右，则运行方式下的防雷性能越好。,三、变电所避雷器保护配置,1.配电装置的每组母线上应装设避雷器，但进出线都装有避雷器的除外。,2.旁路母线是否装设避雷器视其运行时避雷器到被保护设备

11、的电气距离是否满足要求而定。,3.330KV及以上变压器和并联电抗器处必须装设避雷器，避雷器应尽可能靠近设备本体。,4.220KV及以下变压器到避雷器之间的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。,5.三绕组变压器到低压侧的一相上宜装设一台避雷器。,6.自耦变压器必须在两个自耦合的绕组出线上装设避雷器，避雷器装设于变压器与断路器之间。,7.下列情况变压器中性点应装设避雷器： 1）中性点直接接地系统，变压器中性点为分级绝缘且装有隔离开关时； 2）中性点直接接地系统，变压器中性点为全绝缘，但是变电站为单进线且为单台变压器运行时； 3）中性点不接地或经消弧线圈接地系统，多雷区单进线变压器

12、中性点。,变电所母线上的避雷器,10-3 变电所的进线段保护,进线段：输电线靠近变电站12Km的线段。 统计表明：变电站侵入波事故50%是1Km线路落雷造成的，71%是3Km线路落雷造成的。 进线段保护：加强进线段防雷保护措施（无避雷线的架设避雷线，有避雷线的减小保护角，增加绝缘子片数，加强检查巡视）使进线段耐雷水平高于线路其它部分，减小进线段发生绕击和反击形成侵入波的概率，这样侵入变电站的雷电波主要来自进线段之外。,侵入波经过在进线段上传播时，由于冲击电晕陡度会降低，进线段的波阻抗也起着限制流过避雷器的雷电流的作用。 进线段作用： 1）限制雷电流； 2）降低侵入波陡度。,变电所内设备距避雷器

13、的最大允许电气距离lm就是根据进线段以外落雷的条件下求得的，这样就可以保证进线段以外落雷时变电所不会发生事故。,一、35KV及以上变电所的进线端保护,未沿全线架设避雷线的35110KV线路的变电所的进线保护接线,全线架设避雷线的35110KV线路的变电所的进线保护接线,1.进线段首端（A点）落雷时流经避雷器电流的计算,最不利的情况是进线段首端落雷，由于受线路绝缘放电电压的限制，入侵雷电波的最大幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压U50%。,则流经避雷器雷电流的最大值Ib满足：,进线段导线波阻,避雷器的残压最大值,从P288表10-3-2可知，12Km的进线端已能够满足限制避雷器中雷电流不超过5K

14、A或10KA的要求。,2.进入变电所的雷电流波陡度的计算,进线段导线悬挂平均高度（m）,进线段长度（m）,行波电压（KV）,则计算用陡度值为：,见P289表10-3-3,根据计算陡度值，就可由P287图10-2-7和图10-2-8查出变压器或其他设备到FZ型避雷器的最大允许电气距离lm。,管型避雷器F3装设原则：冲击绝缘水平特别高的线路，如瓷木横担或降压运行的线路，限制侵入波幅值用。,管型避雷器F2装设原则：雷雨季节常有断路器断开，而线路侧又在带电的情况下，防止来波在开路的线路末端全反射造成闪络，工频短路电流烧坏断路器或隔离开关的绝缘支座，所以必须在靠近隔离开关或断路器处装设一组管型避雷器F2

15、；在断路器闭合运行时，入侵雷电波不应使F2动作，也即此时F2应在变电所阀型避雷器F1保护范围内，如F2在断路器闭合运行时入侵波使之放电则将造成截波，可能危及变压器纵绝缘。若缺乏合适参数的管型避雷器，则F2也可用阀型避雷器或保护间隙来代替。,二、35KV小容量变电所的简化进线端保护,变电所面积小，避雷器与变压器距离一般在10m以内。,31505000KVA、35KV变电所的简化保护接线,对35110KV变电所，如进线段装设避雷线有困难或进线段杆塔接地电阻难于下降，不能达到要求的耐雷水平时，可在进线的终端杆上安装一组1000H左右的电抗器来代替进线段。此电抗器既能限制流过避雷器的雷电流又能限制入侵

16、波陡度。,10-4 三绕组变压器和自耦变压器的防雷保护,一、三绕组变压器的防雷保护,措施：只要在任一相低压绕组直接出口处对地加装一个避雷器即可。,原因：三绕组变压器在正常运行时，可能存在只有高、中压绕组工作，低压绕组开路的情况，此时，在高压或中压侧有雷电波作用时，由于低压绕组对地电容较小，开路的低压绕组三相上的静电感应分量都达到很高的数值，将危及绝缘。中压绕组虽也可能断开，但其绝缘水平较高，一般不装。,二、自耦变压器的防雷保护,自耦变压器一般除有高、中压自耦绕组外，还有低压非自耦绕组，可能出现高低压绕组运行、中压绕组开路和中低压绕组运行、高压开路的运行方式。,高压端A进波,1.高低压绕组运行、

17、中压绕组开路,中压端子上出现的最大电位,高压侧与中压侧绕组的变比,高压端电压,保护措施：在中压侧与断路器之间装设一组避雷器，以便当中压侧断路器开路时保护中压侧绝缘。,2.高压绕组开路、中低压绕组运行,中压端A进波,由中压端A到开路的高压端A的稳态分布是由中压端A到中性点O的稳态分布的电磁感应而形成的，高压端A点的稳态电压为：,在振荡过程中A点的电位可达： ，危及开路的高压侧绝缘。,保护措施：在高压侧与断路器之间装设一组避雷器，以便当高压侧断路器开路时保护高压侧绝缘。,一般避雷器配置,自耦避雷器配置,此外，当中压侧有出线（相当于A点经线路波阻抗接地）而高压侧有雷电流入侵时，A相当于接地，雷电流电

18、压将加在自耦变压器绕组的AA绕组上，可能使其损坏。同理，当高压侧连有出线而中压侧进波时也有类似情况。这种情况显然在AA绕组越短时约危险，因此当变比小于1.25时，在AA之间还应装加一组避雷器（F3），此避雷器的灭弧电压应大于高压或中压侧接地短路条件下，AA所出现的最高工频电压，也可采用“自耦”避雷器保护方式。,10-5 变压器中性点保护,对变压器绕组，当三相来波时，在变压器中性点的电位理论上会达到绕组首端电压的两倍，因此需要考虑变压器中性点的保护问题。,对中性点不接地或经消弧线圈接地的3560KV系统的变压器中性点一般不需保护。,原因： 1）变压器中性点的绝缘水平与相线端一样，即全绝缘，大多数

19、来波自线路较远处袭来，其陡度很小； 2）变电所进线不止一条，非雷击线起了分流作用； 3）变压器绝缘有一定的裕度。,对中性点接地的110KV且为单进线的变电所，则宜在中性点上加装避雷器，避雷器的额定电压可按线电压或相电压选择。,对中性点不接地且变压器采用分级绝缘的变压器，则宜在中性点上加装避雷器或间隙保护之。,中性点阀型避雷器应满足的条件：,1）其冲击放电电压应低于变压器中性点的冲击耐压； 2）其灭弧电压应大于电网单相接地而引起的中性点电位升高的稳态值U0。,相电压,在中性点直接接地电网中 一般不超过3，因此U0的极限值将为0.6Uxg,对于中性点间隙保护来说，除了应满足其冲击放电电压应低于变压

20、器中性点的冲击耐压这个条件外，尚需满足间隙的放电电压大于其电网接地而引起的中性点电位升高的暂态最大值，以免间隙动作而造成继电保护误动作。,对110KV分级绝缘变压器中性点来说，如选用FZ-35或FCZ-35，则其灭弧电压低于电网单相接地时中性点的电位升高稳态值，因此一般不可采用，应考虑选用FZ-40。,对220KV和330KV分级绝缘变压器来说，则分别选用FZ-110J和FZ-145J型避雷器即可。,在断路器非全相合闸时，在变压器中性点上将出现很高的过电压，避雷器不能限制这种内部过电压，我国曾出现过多起该情况下的避雷器爆炸事故，一般可选用下列方法解决之。,1）提高断路器质量，保证三相同期合闸；

21、 2）开断或接入变压器时先将变压器中性点直接接地，待操作完毕后再将中性点拉开； 3）中性点采用间隙保护。,根据实践经验，220KV变压器中性点可采用340mm的棒间隙保护，其运行情况良好。,10-6 旋转电机的防雷保护,直配电机：直接与架空线相连的旋转电机（包括发电机、同期调相机、大型电动机） 旋转电机的防雷保护范围：包括电机主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘的保护 旋转电机防雷保护的特点：,1）在相同电压等级的电气设备中，旋转电机的绝缘水平式最低的。,电机主绝缘的冲击系数接近于1。 旋转电机出厂冲击耐压值仅为变压器的1/2.51/4倍左右，且在运行过程中，电机的绝缘会老化，因此运行中电机主绝缘的实

22、际冲击耐压值会更低。,2）保护旋转电机用的FCD型避雷器的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小。从表10-6-1可知，电机出厂冲击耐压值只比避雷器残压高8%10%左右。,旋转电机的防雷保护要根据发电机的容量、重要性以及当地雷电活动的情况，因地制宜地处理。考虑到对直配电机的防雷保护还不能达到十分完善的地步，故我国规定60000KW以上的发电机不宜与架空线直接相连。,一、发电机中性点过电压保护：,试验表明，当入侵波陡度降低时，中性点过电压也随之减小，当入侵波陡度降至2KV/s以下时，中性点过电压将不超过相端过电压。,二、直配电机的大气过电压保护：,1.感应雷过电压保护：只需在发电机母线上装设电容器

23、即可。,2.直击雷过电压保护：,1）在每台发电机出线母线处装设一组FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，同时采取进线保护措施以限制流经FCD型避雷器中的雷电流使之小于3KA。,2）在发电机电压母线上装设电容器，以限制入侵波陡度和降低感应过电压。,电机母线上装设电容C以限制来波陡度 原理接线图,等值电路 Zg发电机波阻抗,计算结果表明，每相电容为0.250.5F时，能够满足2KV/s的要求，同时也能满足限制感应过电压使之低于电机冲击耐压强度的要求。,有电缆段的进线保护原理接线,当雷电波入侵时，管型避雷器F2动作，电缆芯线与外皮短接在一起，雷电流流过F2和接地电阻R1所形成的电压iR1同时作用在外皮和

24、芯线上，沿着外皮有电流i2流向电机侧，于是在电缆外皮本身电感L2上将出现电压降,3）进线段保护,此压降使由环绕外皮的磁力线变化所造成的，这些磁力线必然全部与芯线相匝链，结果在芯线上也感应出一个大小相等的反电动势来，此电动势阻止雷电流从A点沿芯线向电机侧流动，也限制了流经F1的雷电流。,若 与iR1完全相等，则在芯线中就不会有电流流过，但因电缆外皮末端的接地引下线总有电感L3存在（假定电厂接地网的接地电阻很小，可略去），则iR1与 之间就有差值，差值越大，则流经芯线的电流就越大。,计算表明，当电缆长度为100m，电缆末端外皮接地引下线到接地网的距离为12m、R1=5，电缆段首端落雷且雷电流幅值为50KA时，流经每相FCD的雷电流不会超过3KA，即此保护接线的耐雷水平为50KA。,由上可知，此种进线保护段的限流作用完全依靠F2动作，但因电缆的波阻抗远比架空线小，入侵波到达A点时将发生负发射，使A点电压降低，故F2的动作是有困难的。所以可将F2沿架空线前移70m（图中F3位置），或在电缆首端A点与F2间加装一100300H的电感。,