华科高电压20 电力系统防雷保护(二).ppt

1、高电压技术,高电压工程系 刘春第10章 电力系统防雷保护,线路上的雷过电压分为：直击雷和感应雷。两者的耐雷水平不同。,雷击大地时的感应过电压,直击雷: 分成三种：雷击杆塔 雷击避雷线档距中央 雷绕击导线,感应雷：,S65m,由于雷击点的自然接地电阻较大，因此雷电流峰值小。实测：感应过电压峰值最大可达300400kV。对于35kV以上线路，可能造成危害，但对110kV以上线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络,直击雷过电压计算,1） 雷击塔顶时的反击过电压,耐雷水平,2） 雷击避雷线档距中央 由于电晕的衰减作用，可不考虑绝缘子串处的闪络。 对于避雷线对导线的反击，按照

2、 确定距离。 长期运行经验表明，这种事故非常少见(其中l为挡距长度),3） 绕击导线,10.1.3 输电线路的雷击跳闸率,输电线路遭受雷击发生跳闸需要同时满足两个条件： 1. 雷电流超过耐雷水平 2. 冲击电弧转换为稳定的工频电弧 一、建弧率 与工频弧道中的平均电场强度有关，也与去游离条件有关,E为绝缘子串的平均运行电压梯度(有效值) ，kV/m,对于中性点有效接地的系统：,对于中性点非有效接地的系统：,二、有避雷线线路的雷击跳闸率,雷击杆塔时的跳闸率 每100km线路每年遭受雷击的次数为：,击中杆塔引起的跳闸次数n1为：,2 雷绕击导线时的跳闸率,g为击杆率，P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷

3、水平I1的概率， 为建弧率， h为避雷线平均高度，b为两根避雷线之间的距离，T=40(雷暴日）,P为绕击率，P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率，,3 线路总跳闸率,例题：,一条220kV线路架设在平原地区，绝缘子串13片，正极性50%放电电压为1410V；杆塔冲击接地电阻为7，避雷线半径为5.5mm，弧垂fd7m，导线弧垂fd12m。求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。,解：（1） 求耦合系数,避雷线的平均高度,导线的平均高度,避雷线1、2对导线3的几何耦合系数为：,例题：,经冲击电晕修正后：,（2） 查表，求等值电感和分流系数,(3) 耐雷水平,雷击塔顶的耐雷水平：,绕击引起的耐雷水平：

4、,（4） 雷电流超过耐雷水平的概率,I1P14.8； I2P275,例题：,(5) 落雷次数、绕击率、击杆率和建弧率,取16.6,查表，得击杆率g1/6,（6） 线路雷击跳闸率,每100km线路上，每年的落雷次数为（按40个雷暴日计算）：,10.1.4 输电线路的防雷措施,雷害事故的发展过程及防护措施,一、常用措施,架设避雷线 110kV及以上线路全线架设避雷线，保护角一般采用20-30 ，500kV应架设双避雷线，保护角不大于15 2 降低杆塔接地电阻 工频接地电阻一般为10-30 架设耦合地线 在某些雷击故障频繁的线路上，在导线下方架设一条耦合地线。可起到分流、增加耦合的作用。 采用不平衡

5、绝缘方式 在同塔双回线的情况下，采用不平衡绝缘，可避免双回线同时跳闸而完全停电。,常用措施（续）：,装设自动重合闸 我国110kV以上线路自动重合闸成功率在75%-95以上 消弧线圈接地方式 对接地电阻难以降低的地区，采用中性点经消弧线圈接地，可大大减小建弧率。该措施主要用于35kV以下线路，可减低跳闸率1/3 加强绝缘 增加绝缘子片数、大爬距绝缘子等。 8 安装线路避雷器 用作线路上雷过电压特别大的或者绝缘弱点的保护。,10.2 发电厂和变电站的防雷保护,绝缘损坏不可恢复，因此可靠性要求高。 来源：1 直击雷 2 线路落雷侵入主要原因 10.2.1 发电厂、变电站的直击雷保护 一般采用避雷针

6、和避雷线，效果很好。我国每年每100个变电站发生的绕击或反击的次数约为0.3次。 架设避雷针或者避雷线时，要求不能发生反击。 分为独立避雷针和构架避雷针两种。,避雷针的反击问题,当独立避雷针受雷击时，接地装置上的电位为：,因此避雷针与被保护物体之间的空气间隙Sk,因此避雷针与被保护物体之间的地中间隙Sd,经过实际经验校正后的公式为：,发电厂和变电站的防雷保护,对于110kV以下的配电装置，绝缘水平高，可用构架避雷针，并就近装设辅助接地装置。 对于变压器，由于地位最重要，因此不能装设构架避雷针 对于35kV以下的变电站，由于绝缘水平低，故只能装设独立避雷针，接地电阻不能超过10 发电厂厂房一般不

7、能装设避雷针。 现在国标也推荐采用避雷线。,10.2.2 变电站的侵入波保护,防止侵入波的主要保护措施： 侵入波危害大 在发电厂、变电所内装设阀型避雷器（火花间隙+非线性电阻 在发电厂、变电所进线段设置保护以限制流过阀型避雷器的雷电流幅值和陡度。 一、避雷器的保护作用分析,阀型避雷器动作前的等值电路如图(b)所示， 阀型避雷器放电后的等值电路如图(c)所示。,避雷器的保护作用分析,放电后，,避雷器电压Ub的图解法,避雷器的特点,由于阀型避雷器的伏秒特性比较平坦，因此冲击放电电压Uch基本不随入侵波的陡度变化而变化。 避雷器的残压值与流过的电流大小有关。但在一个很大范围内，残压几乎不变。 一般情

8、况下，流经避雷器的雷电流一般不超过5kA。因此，残压的最大值取5kA以下对应的值。 Uch一般与5kA下的残压值相同。,可将避雷器上的电压ub近似为一斜角平顶波。波头上升部分斜率为侵入波的陡度，幅值为Ub-5,只要避雷器上电压变压器冲击电压，则可有效保护变压器,二、距离效应,由于避雷器离被保护设备有一段距离，在波的折反射过程中，被保护设备的电压将不同于避雷器上的电压。,雷电波侵入变电站的典型接线,等值电路,计算电压用的网格图,1.避雷器上的电压,在波第一次到达B点时为时间起点t=0。开始阶段，雷电波在B点的电压为ub(t)=at ，直到T点反射的反射波到达B点 2) 在反射波到达B点至避雷器动

9、作以前，B点的电压为前行波与反行波的叠加，,在避雷器动作后，即t=tf时，保持残压Ub-5（5kA下的 残压）。也可看成在B点叠加了一个负电压波-2a(t-tf),避雷器上的电压波形,2.进线刀闸上的电压,在波到达L时为时间起点。开始阶段，雷电波在L点的电压为ub(t)=at ，直到T点的反射波到达L点 2) 在T点反射波到达L点至避雷器动作产生的负电压波到达L点以前，L点的电压为,3) 在避雷器动作时产生的负电压波到达L点以后,进线刀闸处的波形,3.变压器上的电压,在T点首次感受到电压时为时间起点，此时即发生正的全反射，因此，电压为2at 2) 在避雷器动作瞬间，B点电压为：,3) 在避雷器

10、动作产生的负波第一次到达B点瞬间，,4) 在避雷器的负波在B点发生正全反射，此反射波到达A点后被吸收，等于又叠加了一个负波，此负波在一段时间后到达B点，发生正全反射,变压器上的电压波形,分析,进线刀闸处的电压最大值： 变压器上的电压最大值为： 因此，不论被保护设备位于避雷器前面还是后面，只要它和避雷器间有一段距离，则上面的电压必然大于避雷器残压，其差值为：,实际电压波形,实际上，考虑了设备对地电容、出线可能多于一路等情况，被保护设备与避雷器间电压差值修正为：,变压器上典型的实际电压波形,这种波形和冲击全波相差很大，它对变压器绝缘的作用与截波相近，所以通常拿它的最大值与变压器的多次截波耐压值（约

11、等于三次截波耐压值的1/1.15）相比较，来判断绝缘是否损坏。,变压器多次截波耐压值与避雷器残压的比较,作业：,8.4,在t2 时，A点电压为：,三、最大电气距离,被保护设备离避雷器越远，设备上电压高出避雷器电压就越多。 最大电气距离: 超过最大电气距离后，设备上的承受的冲击电压Us将超过冲击耐压值（多次截波耐压值）Uj。,最大电气距离,最大电气距离与侵入波陡度的关系,图中显示了变电站内避雷器与主变压器、电压互感器之间的最大电气距离与侵入波陡度的关系。,一路进线,两路进线,横坐标：空间梯度,采用保护性能更好的氧化锌避雷器，保护距离可增大,普通阀型避雷器至主变之间的最大电气距离(m),金属氧化物

12、避雷器至主变之间的最大电气距离(m),变电站内安装避雷器的原则,一般变电站对于雷电波的侵入波保护设计主要是采用避雷器，重点在于选择避雷器的安装位置。 原则就是在任何运行方式下，均不能超过最大电气 距离。 避雷器一般装设在母线上，一组或者多组。,10.2.3 变电站的进线段保护,大部分变电站发生的雷电侵入波事故都是由于雷击到变电站附近3km以内的线路引起的。 进线段保护：在临近变电站12km以内的一段线路上加强雷电防护。 对于35110kV全线无避雷器的线路，进线段须架设避雷线，保护角取20 ； 对全线架设避雷线的线路，在进线段内应使保护角减小，并使线路有比其他段更高的耐雷水平。 这样，可认为雷

13、电波都是从进线段以外传过来。 前面的最大电气距离就是按照进线段以外落雷求得的。,35kV及以上变电站的进线段保护典型接线图,分析,进线段首端的GB1为管型避雷器用以限制入侵雷电波的幅值 管型避雷器GB2防止在隔离开关或者断路器在热备用状态时，发生侵入波的全反射，使得隔离开关或者断路器闪络并烧毁。 GB2必须在FZ的保护范围之内，否则可能发生截波，危及变压器的纵绝缘与相间绝缘。 如果找不到合适参数的GB2，可用阀型避雷器或者保护间隙代替。,一、进线段保护的作用,1） 雷电波流过进线段时，将因冲击电晕而发生 衰减和变形，降低波的幅值与陡度。 2） 进线段可限制流过避雷器的冲击电流幅值,假设最严重的

14、情况：进线段首端落雷，线路上只接有一个避雷器，求此时流过避雷器的电流,(1) 进线段首端落雷， 流经避雷器的电流,雷电侵入波的最大幅值为线路绝缘的冲击闪络U50%。雷电波在12km内往返一次的时间为：,因此避雷器动作产生的负波到首端，发生反射后又回到避雷器处时，已经过了雷电波的峰值，因此可不考虑它的影响。,回路方程：,避雷器伏安特性：,用图解法，可求出流经避雷器的最大电流,由回路方程可得：,例子：220kV线路的冲击绝缘强度U50%=1200kV，线路波阻=400，变电站中FZ220J型避雷器的Ub-5664kV，由上式可得单进线运行时避雷器上最大电流：,可见，避雷器中的雷电流不超过5kA ，

15、这也是避雷器残压按照5kA考虑的原因。,变电站外落雷，流经单路进线变电站避雷器的雷电流幅值计算结果,(2) 进入变电站的雷电波的陡度,从最严重情况出发，设侵入波为直角波，幅值为U50%，则侵入波会发生电晕，导致波形变形与衰减。,按照第八章内容，电晕对波形的衰减与变形中的内容，波形的延迟时间为：,因此，进入变电站的雷电波时间陡度为：,kV/s,空间陡度为：,kV/m,二、35kV小容量变电站的简化进线保护,由于变电站尺寸小，电气距离一般在10m以内，所以允许侵入波陡度增加，进线段长度缩短到500600m,简化接线：用电抗器代替进线段保护,在进线段装设避雷器有困难，或者进线段杆塔接地电阻难以降到耐

16、雷水平的要求时，可用一组1mH左右的电抗器代替进线段保护，以限制流过避雷器的雷电流幅值和陡度,10.2.4 变电站防雷的几个具体问题,（一） 三绕组变压器的保护 当变压器高压侧有雷电波侵入时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，会使得低压侧上出现过电压。 1） 双绕组变压器：在正常运行时，一般两个绕组上的断路器都是闭合的，两侧都有避雷器保护，因此可不考虑。 2） 三绕组变压器：在正常运行时，可能有高压、中压绕组工作而低压绕组开路的情况。由于低压绕组对地电容很小，因此它可能感应很高的过电压，危及纵绝缘。避免危险的方法：在任意一相上加装一个避雷器。中压绕组因为其绝缘水平较高，因此不需要考虑这种感应过电

17、压。,（二） 自耦变压器的保护,自耦变压器有一个三角形接线的低压绕组，以减小零序阻抗和改善电压波形。此低压绕组也应加装避雷器。 此外，自耦变压器由于波过程有自己的特点，因此其保护方式也与其他变压器不同。,雷电波侵入自耦变压器时的过电压,侵入高压绕组时，开路的中压绕组上最高电压约为2U0/k，因此，应在中压绕组出线段加装避雷器 侵入中压绕组时，开路的高压绕组上最高电压约为2kU0，因此，应在高压绕组出线段加装避雷器,自耦变压器防雷保护,C） 当A有接线时，相当于A经过线路波阻抗接地。当A有过电压时，大部分电压落在在AA上，危险；同理，当A有接线时，A的过电压大部分会降落在AA上，危险。因此，在k

18、1.25时，在中压和高压绕组间，还要加装避雷器。,自耦避雷器,（三） 变压器中性点的保护,当三相同时来波时，绕组波过程按照末端开路考虑，中性点电压为首端电压的2倍。 对于35kV及以下中性点非有效接地系统，中性点绝缘水平与相线端相同。由于三相来波概率很小，而且波头缓，我国规程规定，一般不用避雷器保护。 对于110kV及以上中性点有效接地系统，中性点绝缘110kV为35kV，220kV为110kV，故虚要在中性点上加装阀型避雷器或者保护间隙。避雷器的灭弧电压要低于一相接地时引起的中性点电位升高的有效值，以免发生爆炸。在中性点直接接地的地网中，上述故障可引起中性点电位升高至线电压的35%。因此，这

19、种避雷器的灭弧电压可选线电压的0.4倍。,（四） 配电变压器的保护,共同接地：高压侧避雷器接地线与变压器金属外壳、低压侧中性点连在一起接地，会在高压侧避雷器动作时，引起地线电位升高，威胁到低压用户的安全。 为避免正、反变换过电压，高、低压侧都要加装避雷器。,（五） GIS防雷保护的特点,全封闭SF6气体绝缘变电站(GIS) 其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平，应采用保护性能优异的氧化锌避雷器 GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常规变电站有利； GIS的同轴母线的波阻抗小，从架空线入侵的过电压波经过折射，其幅值和陡度都显著变小，这对变电站的侵入波防护也是有利的 GIS内一旦出现电晕，很容易发展成击穿，而且不能恢复原有的电气强度，甚至导致整个GIS系统的损坏，而GIS价格昂贵，因而要求它的防雷保护措施更加可靠。,例如，对于500kV级GIS，2km进线段，只要最靠近变电站的一基杆塔的工频接地电阻保持在15以下，其余为20，就行。,10.3 旋转电机的防雷保护,防雷保护的特点： 1）在同一电压等级的电气设备中，旋转电机的冲击绝缘强度