高电压技术_西南交通大学10 9 1--教案8 5

1、8.3电力系统防雷保护8.3.1输电线路的防雷保护本节内容8.3.2发电厂和变电所的防雷保护8.3.1 输电线路的防雷保护电力系统的防雷保护包括输电线路、变电所、发电厂等各个环节。往往是周边最为高耸的物体线路绵延数千里一般地处旷野防雷问题最突出变电所发电厂输电线路38.3.1 输电线路的防雷保护输电线路防雷性能的优劣，工程中主要用耐雷水平和雷击跳闸率两个指标来衡量。耐雷水平雷击跳闸率指折算到雷暴日数为40的标准条件下，每100km线路每年由于雷击造成的跳闸次数。雷击跳闸率越低，线路防雷性能越好。指雷击线路绝缘不发生闪络的 最大雷电流幅值（单位为kA）。高于耐雷水平的雷电流击于线路将会引起闪络。

2、目前还不可能要求线路绝对防雷。输电线路防雷的保护的主要任务在于：考虑线路通过地区的雷电活动强弱、该线路的重要性以及防雷设施投资与提高线路耐雷性能所得到的经济效益等因素，采取合理措施，尽可能提高线路防雷水平。48.3.1 输电线路的防雷保护1、输电线路上的感应雷过电压雷击线路附近地面时，在线路的导线上会产生感应雷过电压，由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大，雷电流幅值一般不超过100kA。感应雷过电压同时存在于三相导线，故相间不存在电位差，只能引起对地闪络，如果二相或三相同时对地闪络即形成相间闪络事故。58.3.1 输电线路的防雷保护1、输电线路上的感应雷过电压当雷电击挂有避雷线的导线附近大地

3、时，由于避雷线的屏蔽效应，导线上的感应电荷会减少，导线上的感应雷过电压会降低。在这种作用下，导线上的感应过电压可用下列方法求得。U= 25 IhghigS= 25 SU= UgigicIhchUcic设避雷线和导线悬挂的对地平均高度分别为hg和hc，若避雷线不接地，则根据教材公式（8-18）可求得避雷线和导线上的感应过电压分别为Uig和Uic。68.3.1 输电线路的防雷保护2、输电线路的耐雷水平我国110kV及以上线路一般全线都装设避雷线，而35kV及以下线路一般不装设避雷线。有避雷线的线路遭受直击雷一般有图8-21三种情况：雷击杆塔塔顶；雷击避雷器档距中央；雷击绕过避雷线直击导线。图8-2

4、1 有避雷线线路直击雷的三种情况78.3.1 输电线路的防雷保护2、输电线路的耐雷水平（1）雷击杆塔塔顶时的耐雷水平根据DL/T6201997标准，击运行经验表明，雷击杆塔的次数与避雷线的根数和经过地区的地形有关;杆率g可采用表8-5所列数据表8-5 击杆率g雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率g;8避雷线根数12平原1/41/6山丘1/31/48.3.1 输电线路的防雷保护雷击塔顶前，雷电通道的负电荷在杆塔及架空地线上产生感应正电荷；当雷击塔顶时，雷通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流如图8-22（a）所示。雷击瞬间自雷击点有一负雷电流波沿杆塔向下运动，另有

5、两个相同的负电流波分别自塔顶沿两侧避雷线向相邻杆塔运动。与此同时，自塔顶有一正雷电波沿雷电通道向上运动，线路绝缘材料上的过电压即由这几个电流波引起图8-22(a) 雷击塔顶时雷电流的分布98.3.1 输电线路的防雷保护对于一般高度（40m以下）的杆塔，在工程近似计算中采用图8-22（b）的集中参数等值电路进行分析计算，考虑到雷击点的阻抗较低，故略去雷电通道波阻的影响。图中，Lt为杆塔的等效电感，单位为H；Ri为被击杆塔的冲击接地电阻，单位为；Lg 为杆塔两侧相邻档避雷线的电感并联值，单位为H；i是雷电流；iR是经避雷线分流的雷电流；it是流经杆塔的雷电流。图8-22(b) 雷击塔顶时雷电流的分

6、布等效电路108.3.1 输电线路的防雷保护（2）雷击避雷线档距中央雷击避雷线档距中央时，雷击点会出现较大的过电压，如图8-23所示。根据彼德逊法则，由教材中公式（8-15），雷击点A的电压为：Z0 ZgU= i(8-39)A2Z+ Z0g式中Zg避雷线的波阻抗，单位为图8-23 雷击避雷线档距中央1避雷线2导线118.3.1 输电线路的防雷保护（3）雷电绕击于导线时的耐雷水平装设避雷线的线路仍然有雷绕过避雷线而击于导线的可能性，虽然绕击的概率很小，但一旦出现此情况，则往往会引起线路绝缘子的闪络。雷电绕击线路的电气几何模型如图8-24所示。采用电气几何模型（EGM）可以评估输电线路避雷线的屏蔽

7、性能图8-24 雷电绕击线路的电气几何模型128.3.1 输电线路的防雷保护3、输电线路的雷击跳闸率雷电流超过线路的耐雷水平，会引起线路绝缘发生冲击闪络，这时，雷电流沿闪络通道入地，但持续时间只有几十微秒，线路断路器来不及动作。闪络后是否会引起线路跳闸，还要看闪络能否转化为稳定的工频电弧。由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率(),它与沿绝缘子串和空气间隙的平均运动电压梯度有关。可由下式求得：h = (4.5E0.75 -14) 10-2E绝缘子串的平均运行电压梯度，单位为kV(有效值）/m(8-51)式中138.3.1 输电线路的防雷保护雷击杆塔顶部发生闪络并建立电弧引起跳闸的次数：n1

8、 = NgP1h雷绕过避雷线击于导线发生闪络并建立电弧引起跳闸的次数：n2 = NPa P2h有避雷线线路的雷击跳闸率：n = n1 + n2= NgP1h + NPa P2h(8-54)= Nh(gP1 + Pa P2 )式中N落雷次数，单位为次/（100kma）g击杆率建弧率P1超过雷击杆塔顶部时耐雷水平的雷电流概率P2超过雷绕击导线时耐雷水平的雷电流概率P绕击率（包括平原和山区）148.3.1 输电线路的防雷保护4、输电线路的防雷措施“四道防线”：主要保护措施：架设避雷线降低杆塔接地电阻架设耦合地线采用不平衡绝缘方式采用中性点非有效接地方式装设避雷器加强绝缘装设自动重合闸装置防止输电线路

9、导线遭受直击雷防止输电线路受雷击后绝缘发生闪络防止雷击闪络后建立稳定的工频电弧防止工频电弧后引起中断电力供应158.3.1输电线路的防雷保护本节内容8.3.2发电厂和变电所的防雷保护8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护发电厂和变电所是电力系统的枢纽，设备相对集中，一旦发生雷害事故，往往导致发电压器等重要电气设备的损坏，更换和修复困难，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活。因此，发电厂和变电所的防雷保护要求十分可靠。雷电直击变电所变电所中出现的雷电过电压的两个来源沿输电线入侵的雷电过电压波对于直击雷的保护一般采用避雷针或避雷线，装设符合规程要求的避雷针（线）的发电厂雷击事故率是非常低的，

10、约每年每百所0.3次；对于沿线路侵入的雷电波，一般通过装设避雷器来防护，以限制电气设备上的过电压峰值。178.3.2 发电厂和变电所的防雷保护1、直击雷过电压的防护直击雷防护的措施主要是装设避雷针或避雷线，使被保护设备处于避雷针或避雷线的保护范围之内，同时还必须防止雷击避雷针或避雷线时引起与被保护物的反击事故，如图8-27所示。雷电流经避雷针及其接地装置在避雷针h高度(kV)和处和避雷针的接地装置上将出现高电位uAuG (kV)。+ L di= iR(8-56)(8-57)uAidtuG = iRi图8-27 雷击独立避雷针181母线2变压器8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护为了防止避雷针与

11、被保护的配电构架或设备之间的空气间隙Sa被击穿而造成反击事故，必须要求Sa大于一定距离，取空气的平均耐压强度为500kV/m，Sa应满足下式：Sa 0.2Ri + 0.1h(8-58)为了防止避雷针接地装置和被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙Se被击穿，必须要求Se大于一定距离，取土壤的平均耐电强度为300kV/m，Se应满足下式：(8-59)Se 0.3Ri一般情况下，避雷针和避雷线的间隙距离Sa不宜小于5m，Se不宜小于3m。35kV及以下变电所，需要架设独立避雷针。对于110kV及以上的变电所，由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高，可将避雷针架设在配电装置的构架上。198.3.2 发

12、电厂和变电所的防雷保护2、侵入波过电压的防护变电所中限制雷电侵入波过电压的主要措施是装设避雷器。如果三台避雷器分别直接连接在变压器的三个出线套管端部，只要避雷器的冲击放电电压和残压低于变压器的冲击绝缘水平，变压器就得到可靠的保护。但在实际中，变电所有许多电气设备需要防护，而电气设备总是分散布置在变电所内，常常要求尽可能减少避雷器的组数，又要保护全部电气设备的安全，加上布线上的原因，避雷器与电气设备之间总有一段长度不等的距离。208.3.2 发电厂和变电所的防雷保护3、变电所的进线段保护保证在靠近变电所一段不长（一般l2km）的线路上不出现绕击或反击。对于那些未沿全线架设避雷线的35kV 及以下

13、线路来说，首先在靠近变电所（l2km）线段上加装避雷线，使之成为进线段；图8-32 35kV110kV变电所进线保护接线对于全线有避雷线的110km及以上的线路，将靠近变电所的一段长2km的线路划为进线段。在进线段，加强防雷措施、提高耐雷水平。218.3.2 发电厂和变电所的防雷保护4、变压器防雷保护的几个具体问题（1）变压器中性点防雷保护110kV及以上的中性点有效接地系统35kV及以下的中性点非有效接地系统变压器的中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置中性点为全绝缘时，一般不需采用专门的保护。但在变电所只有一台变压器且为单路进线的情况下，仍需在中性点加装一台与绕组首端同样电压等级的避雷器。当

14、中性点为分级绝缘时，则必须选用与中性点绝缘等级相当的避雷器加以保护，同时注意校核避雷器的灭弧电压。228.3.2 发电厂和变电所的防雷保护（2）三绕组变压器的防雷保护三绕组变压器正常运行时可能出现高、中压绕组工作而低压绕组开路的情况，此时，在高压或中压侧有雷电侵入波作用，由于低压绕组对地电容较小，开路的低压绕组上的静电感应分量可达很高的数值，将危及绝缘。低压绕组中压绕组中压绕组虽然也有开路的可能，但其绝缘水平较高，一般不装避雷器。为了限制这种过电压，在低压绕组直接出口处对地处加装避雷器即可。238.3.2 发电厂和变电所的防雷保护（3）自耦变压器的防雷保护高低压绕组运行而中压开路时，若有侵入波

15、从高压端线路袭来，绕组中电位的起始与稳态分布以及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同，如图8-34（a）所示。中低压绕组运行而高压开路时，若有侵入波从中压端线路袭来，起始与稳态分布以及最大电位包络线如图8-34（b）所示。图8-34自耦变压器中有雷电侵入波时的最大电位包络线(a)高压端A进波(b)中压端A进波1-初始电压分布 2-稳态电压分布 3-最大电位包络线248.3.2 发电厂和变电所的防雷保护（4）配电变压器的防雷保护配电变压器的防雷保护接线如图8-36所示，其310kV侧应装设阀式避雷器FS- 310或保护间隙来保护，构成变压器高压侧FS的接地端点、低压绕组的中性点和变压器金属外壳

16、三点联合接地。图8-36 配电变压器的保护接线然而，即使在上述情况下，仍会在高压侧绕组产生所谓正变换和反变换过电压。为了限制这种正、反变换过电压，310kVYyn和Yy（低压侧中性点接地和不接地）接线的配电变压器，宜在低压侧装设一组阀式避雷器或击穿熔断器。258.3.2 发电厂和变电所的防雷保护5、旋转电机的防雷保护旋转电机包括发电机、调相机、大型电动机等，是电力系统的重要设备，要求具有十分可靠的防雷保护。（1）旋转电机的防雷保护特点旋转电机的防雷保护比变压器困难得多，其雷害事故率也往往大于变压器，这是因为它的绝缘结构、运行条件等方面存在特殊性。电机具有高速旋转的转子，因此电机只能采用固体介质

17、，而不能像变压器那样可以采用固体-液体介质组合绝缘。电机绝缘的运行条件最为，要受到热、机械振动、空气中的潮气、污秽、电气应力等因素的联合作用，老化较快。268.3.2 发电厂和变电所的防雷保护（2）直配电机的防雷保护发电机出线母线上装设一组MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的残压与电机的绝缘水平相配合，保护电机主绝缘结构。采用进线段保护，一般采用电缆段与排气式避雷器配合的典型进线段保护。在发电机母线上上装设一组并联电容器，包括电缆段电容在内一般每相电容应为0.250.5F，可以限制雷电侵入波的陡度a使之小于2kV/s，同时可以降低感应雷过电压使之低于电机冲击耐压强度，保护电

18、机匝间绝缘和中性点绝缘。发电机中性点有引出线时，中性点应加装避雷器保护，如电机绕组中性点并未引出，则每相母线并联电容应增至1.52.0F。278.3.2 发电厂和变电所的防雷保护（3）非直配电机的防雷保护60MW以上（包括60MW）的电机一般都经变压器升压后接至架空输电线。国内外运行经验说明，这种非直配电机在防雷上比直配电机可靠得多，一般不需要装设避雷器和电容器。如电机与升压变压器之间的母线桥或组合导线无金属屏蔽部分的长度大于50m时，除应有直击雷保护外，还应采取防止感应雷过电压的措施，即在电机母线上装设每相不小于0.15F的电容器或磁吹避雷器；此外，在电机的中性点上还宜装设灭弧电压为相电压的阀式避雷器。288.3.2 发电厂和变电所的防雷保护6、气体绝缘变电所的防雷保护与敞开式变电所相比，GIS变电所防雷保护和绝缘配合方面有以下特点：具有比较平坦的伏秒特性，冲击系数约为1.21.3，需采用性能优异的金属氧化物避雷器加以保护；GIS变电所的波阻抗一般在60100，雷电侵入波从架空线路传入GIS，折射系数小，折射电压比较小，对GIS保护有利；GIS变电所结构紧凑，因此可使雷电过电压限制在更低水平；GIS绝缘中完全不允许产生电晕，因此，要求GIS过电压保护有较高