高電壓技術(shù)_西南交通大學(xué)10 9 1--教案8 5

1、8.3電力系統(tǒng)防雷保護(hù)8.3.1輸電線路的防雷保護(hù)本節(jié)內(nèi)容8.3.2發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)8.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)包括輸電線路、變電所、發(fā)電廠等各個(gè)環(huán)節(jié)。往往是周邊最為高聳的物體線路綿延數(shù)千里一般地處曠野防雷問題最突出變電所發(fā)電廠輸電線路38.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)輸電線路防雷性能的優(yōu)劣，工程中主要用耐雷水平和雷擊跳閘率兩個(gè)指標(biāo)來衡量。耐雷水平雷擊跳閘率指折算到雷暴日數(shù)為40的標(biāo)準(zhǔn)條件下，每100km線路每年由于雷擊造成的跳閘次數(shù)。雷擊跳閘率越低，線路防雷性能越好。指雷擊線路絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的 最大雷電流幅值（單位為kA）。高于耐雷水平的雷電流擊于線路將會(huì)引起閃絡(luò)。

2、目前還不可能要求線路絕對(duì)防雷。輸電線路防雷的保護(hù)的主要任務(wù)在于：考慮線路通過地區(qū)的雷電活動(dòng)強(qiáng)弱、該線路的重要性以及防雷設(shè)施投資與提高線路耐雷性能所得到的經(jīng)濟(jì)效益等因素，采取合理措施，盡可能提高線路防雷水平。48.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)1、輸電線路上的感應(yīng)雷過電壓雷擊線路附近地面時(shí)，在線路的導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓，由于雷擊地面時(shí)雷擊點(diǎn)的自然接地電阻較大，雷電流幅值一般不超過100kA。感應(yīng)雷過電壓同時(shí)存在于三相導(dǎo)線，故相間不存在電位差，只能引起對(duì)地閃絡(luò)，如果二相或三相同時(shí)對(duì)地閃絡(luò)即形成相間閃絡(luò)事故。58.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)1、輸電線路上的感應(yīng)雷過電壓當(dāng)雷電擊掛有避雷線的導(dǎo)線附近大地

3、時(shí)，由于避雷線的屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)線上的感應(yīng)電荷會(huì)減少，導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓會(huì)降低。在這種作用下，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓可用下列方法求得。U= 25 IhghigS= 25 SU= UgigicIhchUcic設(shè)避雷線和導(dǎo)線懸掛的對(duì)地平均高度分別為hg和hc，若避雷線不接地，則根據(jù)教材公式（8-18）可求得避雷線和導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓分別為Uig和Uic。68.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)2、輸電線路的耐雷水平我國(guó)110kV及以上線路一般全線都裝設(shè)避雷線，而35kV及以下線路一般不裝設(shè)避雷線。有避雷線的線路遭受直擊雷一般有圖8-21三種情況：雷擊桿塔塔頂；雷擊避雷器檔距中央；雷擊繞過避雷線直擊導(dǎo)線。圖8-2

4、1 有避雷線線路直擊雷的三種情況78.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)2、輸電線路的耐雷水平（1）雷擊桿塔塔頂時(shí)的耐雷水平根據(jù)DL/T6201997標(biāo)準(zhǔn)，擊運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，雷擊桿塔的次數(shù)與避雷線的根數(shù)和經(jīng)過地區(qū)的地形有關(guān);桿率g可采用表8-5所列數(shù)據(jù)表8-5 擊桿率g雷擊桿塔次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)的比值稱為擊桿率g;8避雷線根數(shù)12平原1/41/6山丘1/31/48.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)雷擊塔頂前，雷電通道的負(fù)電荷在桿塔及架空地線上產(chǎn)生感應(yīng)正電荷；當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，雷通道中的負(fù)電荷與桿塔及架空地線上的正感應(yīng)電荷迅速中和形成雷電流如圖8-22（a）所示。雷擊瞬間自雷擊點(diǎn)有一負(fù)雷電流波沿桿塔向下運(yùn)動(dòng)，另有

5、兩個(gè)相同的負(fù)電流波分別自塔頂沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，自塔頂有一正雷電波沿雷電通道向上運(yùn)動(dòng)，線路絕緣材料上的過電壓即由這幾個(gè)電流波引起圖8-22(a) 雷擊塔頂時(shí)雷電流的分布98.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)對(duì)于一般高度（40m以下）的桿塔，在工程近似計(jì)算中采用圖8-22（b）的集中參數(shù)等值電路進(jìn)行分析計(jì)算，考慮到雷擊點(diǎn)的阻抗較低，故略去雷電通道波阻的影響。圖中，Lt為桿塔的等效電感，單位為H；Ri為被擊桿塔的沖擊接地電阻，單位為；Lg 為桿塔兩側(cè)相鄰檔避雷線的電感并聯(lián)值，單位為H；i是雷電流；iR是經(jīng)避雷線分流的雷電流；it是流經(jīng)桿塔的雷電流。圖8-22(b) 雷擊塔頂時(shí)雷電流的分

6、布等效電路108.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)（2）雷擊避雷線檔距中央雷擊避雷線檔距中央時(shí)，雷擊點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較大的過電壓，如圖8-23所示。根據(jù)彼德遜法則，由教材中公式（8-15），雷擊點(diǎn)A的電壓為：Z0 ZgU= i(8-39)A2Z+ Z0g式中Zg避雷線的波阻抗，單位為圖8-23 雷擊避雷線檔距中央1避雷線2導(dǎo)線118.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)（3）雷電繞擊于導(dǎo)線時(shí)的耐雷水平裝設(shè)避雷線的線路仍然有雷繞過避雷線而擊于導(dǎo)線的可能性，雖然繞擊的概率很小，但一旦出現(xiàn)此情況，則往往會(huì)引起線路絕緣子的閃絡(luò)。雷電繞擊線路的電氣幾何模型如圖8-24所示。采用電氣幾何模型（EGM）可以評(píng)估輸電線路避雷線的屏蔽

7、性能圖8-24 雷電繞擊線路的電氣幾何模型128.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)3、輸電線路的雷擊跳閘率雷電流超過線路的耐雷水平，會(huì)引起線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)，這時(shí)，雷電流沿閃絡(luò)通道入地，但持續(xù)時(shí)間只有幾十微秒，線路斷路器來不及動(dòng)作。閃絡(luò)后是否會(huì)引起線路跳閘，還要看閃絡(luò)能否轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧。由沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定工頻電弧的概率為建弧率(),它與沿絕緣子串和空氣間隙的平均運(yùn)動(dòng)電壓梯度有關(guān)?？捎上率角蟮茫篽 = (4.5E0.75 -14) 10-2E絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度，單位為kV(有效值）/m(8-51)式中138.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)雷擊桿塔頂部發(fā)生閃絡(luò)并建立電弧引起跳閘的次數(shù)：n1

8、 = NgP1h雷繞過避雷線擊于導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)并建立電弧引起跳閘的次數(shù)：n2 = NPa P2h有避雷線線路的雷擊跳閘率：n = n1 + n2= NgP1h + NPa P2h(8-54)= Nh(gP1 + Pa P2 )式中N落雷次數(shù)，單位為次/（100kma）g擊桿率建弧率P1超過雷擊桿塔頂部時(shí)耐雷水平的雷電流概率P2超過雷繞擊導(dǎo)線時(shí)耐雷水平的雷電流概率P繞擊率（包括平原和山區(qū)）148.3.1 輸電線路的防雷保護(hù)4、輸電線路的防雷措施“四道防線”：主要保護(hù)措施：架設(shè)避雷線降低桿塔接地電阻架設(shè)耦合地線采用不平衡絕緣方式采用中性點(diǎn)非有效接地方式裝設(shè)避雷器加強(qiáng)絕緣裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置防止輸電線路

9、導(dǎo)線遭受直擊雷防止輸電線路受雷擊后絕緣發(fā)生閃絡(luò)防止雷擊閃絡(luò)后建立穩(wěn)定的工頻電弧防止工頻電弧后引起中斷電力供應(yīng)158.3.1輸電線路的防雷保護(hù)本節(jié)內(nèi)容8.3.2發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)8.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)發(fā)電廠和變電所是電力系統(tǒng)的樞紐，設(shè)備相對(duì)集中，一旦發(fā)生雷害事故，往往導(dǎo)致發(fā)電壓器等重要電氣設(shè)備的損壞，更換和修復(fù)困難，并造成大面積停電，嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活。因此，發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)要求十分可靠。雷電直擊變電所變電所中出現(xiàn)的雷電過電壓的兩個(gè)來源沿輸電線入侵的雷電過電壓波對(duì)于直擊雷的保護(hù)一般采用避雷針或避雷線，裝設(shè)符合規(guī)程要求的避雷針（線）的發(fā)電廠雷擊事故率是非常低的，

10、約每年每百所0.3次；對(duì)于沿線路侵入的雷電波，一般通過裝設(shè)避雷器來防護(hù)，以限制電氣設(shè)備上的過電壓峰值。178.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)1、直擊雷過電壓的防護(hù)直擊雷防護(hù)的措施主要是裝設(shè)避雷針或避雷線，使被保護(hù)設(shè)備處于避雷針或避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)，同時(shí)還必須防止雷擊避雷針或避雷線時(shí)引起與被保護(hù)物的反擊事故，如圖8-27所示。雷電流經(jīng)避雷針及其接地裝置在避雷針h高度(kV)和處和避雷針的接地裝置上將出現(xiàn)高電位uAuG (kV)。+ L di= iR(8-56)(8-57)uAidtuG = iRi圖8-27 雷擊獨(dú)立避雷針181母線2變壓器8.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)為了防止避雷針與

11、被保護(hù)的配電構(gòu)架或設(shè)備之間的空氣間隙Sa被擊穿而造成反擊事故，必須要求Sa大于一定距離，取空氣的平均耐壓強(qiáng)度為500kV/m，Sa應(yīng)滿足下式：Sa 0.2Ri + 0.1h(8-58)為了防止避雷針接地裝置和被保護(hù)設(shè)備接地裝置之間在土壤中的間隙Se被擊穿，必須要求Se大于一定距離，取土壤的平均耐電強(qiáng)度為300kV/m，Se應(yīng)滿足下式：(8-59)Se 0.3Ri一般情況下，避雷針和避雷線的間隙距離Sa不宜小于5m，Se不宜小于3m。35kV及以下變電所，需要架設(shè)獨(dú)立避雷針。對(duì)于110kV及以上的變電所，由于此類電壓等級(jí)配電裝置的絕緣水平較高，可將避雷針架設(shè)在配電裝置的構(gòu)架上。198.3.2 發(fā)

12、電廠和變電所的防雷保護(hù)2、侵入波過電壓的防護(hù)變電所中限制雷電侵入波過電壓的主要措施是裝設(shè)避雷器。如果三臺(tái)避雷器分別直接連接在變壓器的三個(gè)出線套管端部，只要避雷器的沖擊放電電壓和殘壓低于變壓器的沖擊絕緣水平，變壓器就得到可靠的保護(hù)。但在實(shí)際中，變電所有許多電氣設(shè)備需要防護(hù)，而電氣設(shè)備總是分散布置在變電所內(nèi)，常常要求盡可能減少避雷器的組數(shù)，又要保護(hù)全部電氣設(shè)備的安全，加上布線上的原因，避雷器與電氣設(shè)備之間總有一段長(zhǎng)度不等的距離。208.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)3、變電所的進(jìn)線段保護(hù)保證在靠近變電所一段不長(zhǎng)（一般l2km）的線路上不出現(xiàn)繞擊或反擊。對(duì)于那些未沿全線架設(shè)避雷線的35kV 及以下

13、線路來說，首先在靠近變電所（l2km）線段上加裝避雷線，使之成為進(jìn)線段；圖8-32 35kV110kV變電所進(jìn)線保護(hù)接線對(duì)于全線有避雷線的110km及以上的線路，將靠近變電所的一段長(zhǎng)2km的線路劃為進(jìn)線段。在進(jìn)線段，加強(qiáng)防雷措施、提高耐雷水平。218.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)4、變壓器防雷保護(hù)的幾個(gè)具體問題（1）變壓器中性點(diǎn)防雷保護(hù)110kV及以上的中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)35kV及以下的中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)變壓器的中性點(diǎn)都采用全絕緣，一般不設(shè)保護(hù)裝置中性點(diǎn)為全絕緣時(shí)，一般不需采用專門的保護(hù)。但在變電所只有一臺(tái)變壓器且為單路進(jìn)線的情況下，仍需在中性點(diǎn)加裝一臺(tái)與繞組首端同樣電壓等級(jí)的避雷器。當(dāng)

14、中性點(diǎn)為分級(jí)絕緣時(shí)，則必須選用與中性點(diǎn)絕緣等級(jí)相當(dāng)?shù)谋芾灼骷右员Ｗo(hù)，同時(shí)注意校核避雷器的滅弧電壓。228.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)（2）三繞組變壓器的防雷保護(hù)三繞組變壓器正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)高、中壓繞組工作而低壓繞組開路的情況，此時(shí)，在高壓或中壓側(cè)有雷電侵入波作用，由于低壓繞組對(duì)地電容較小，開路的低壓繞組上的靜電感應(yīng)分量可達(dá)很高的數(shù)值，將危及絕緣。低壓繞組中壓繞組中壓繞組雖然也有開路的可能，但其絕緣水平較高，一般不裝避雷器。為了限制這種過電壓，在低壓繞組直接出口處對(duì)地處加裝避雷器即可。238.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)（3）自耦變壓器的防雷保護(hù)高低壓繞組運(yùn)行而中壓開路時(shí)，若有侵入波

15、從高壓端線路襲來，繞組中電位的起始與穩(wěn)態(tài)分布以及最大電位包絡(luò)線都和中性點(diǎn)接地的繞組相同，如圖8-34（a）所示。中低壓繞組運(yùn)行而高壓開路時(shí)，若有侵入波從中壓端線路襲來，起始與穩(wěn)態(tài)分布以及最大電位包絡(luò)線如圖8-34（b）所示。圖8-34自耦變壓器中有雷電侵入波時(shí)的最大電位包絡(luò)線(a)高壓端A進(jìn)波(b)中壓端A進(jìn)波1-初始電壓分布 2-穩(wěn)態(tài)電壓分布 3-最大電位包絡(luò)線248.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)（4）配電變壓器的防雷保護(hù)配電變壓器的防雷保護(hù)接線如圖8-36所示，其310kV側(cè)應(yīng)裝設(shè)閥式避雷器FS- 310或保護(hù)間隙來保護(hù)，構(gòu)成變壓器高壓側(cè)FS的接地端點(diǎn)、低壓繞組的中性點(diǎn)和變壓器金屬外殼

16、三點(diǎn)聯(lián)合接地。圖8-36 配電變壓器的保護(hù)接線然而，即使在上述情況下，仍會(huì)在高壓側(cè)繞組產(chǎn)生所謂正變換和反變換過電壓。為了限制這種正、反變換過電壓，310kVYyn和Yy（低壓側(cè)中性點(diǎn)接地和不接地）接線的配電變壓器，宜在低壓側(cè)裝設(shè)一組閥式避雷器或擊穿熔斷器。258.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)5、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、大型電動(dòng)機(jī)等，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，要求具有十分可靠的防雷保護(hù)。（1）旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)比變壓器困難得多，其雷害事故率也往往大于變壓器，這是因?yàn)樗慕^緣結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件等方面存在特殊性。電機(jī)具有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，因此電機(jī)只能采用固體介質(zhì)

17、，而不能像變壓器那樣可以采用固體-液體介質(zhì)組合絕緣。電機(jī)絕緣的運(yùn)行條件最為，要受到熱、機(jī)械振動(dòng)、空氣中的潮氣、污穢、電氣應(yīng)力等因素的聯(lián)合作用，老化較快。268.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)（2）直配電機(jī)的防雷保護(hù)發(fā)電機(jī)出線母線上裝設(shè)一組MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的殘壓與電機(jī)的絕緣水平相配合，保護(hù)電機(jī)主絕緣結(jié)構(gòu)。采用進(jìn)線段保護(hù)，一般采用電纜段與排氣式避雷器配合的典型進(jìn)線段保護(hù)。在發(fā)電機(jī)母線上上裝設(shè)一組并聯(lián)電容器，包括電纜段電容在內(nèi)一般每相電容應(yīng)為0.250.5F，可以限制雷電侵入波的陡度a使之小于2kV/s，同時(shí)可以降低感應(yīng)雷過電壓使之低于電機(jī)沖擊耐壓強(qiáng)度，保護(hù)電

18、機(jī)匝間絕緣和中性點(diǎn)絕緣。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)有引出線時(shí)，中性點(diǎn)應(yīng)加裝避雷器保護(hù)，如電機(jī)繞組中性點(diǎn)并未引出，則每相母線并聯(lián)電容應(yīng)增至1.52.0F。278.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)（3）非直配電機(jī)的防雷保護(hù)60MW以上（包括60MW）的電機(jī)一般都經(jīng)變壓器升壓后接至架空輸電線。國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)說明，這種非直配電機(jī)在防雷上比直配電機(jī)可靠得多，一般不需要裝設(shè)避雷器和電容器。如電機(jī)與升壓變壓器之間的母線橋或組合導(dǎo)線無金屬屏蔽部分的長(zhǎng)度大于50m時(shí)，除應(yīng)有直擊雷保護(hù)外，還應(yīng)采取防止感應(yīng)雷過電壓的措施，即在電機(jī)母線上裝設(shè)每相不小于0.15F的電容器或磁吹避雷器；此外，在電機(jī)的中性點(diǎn)上還宜裝設(shè)滅弧電壓為相電壓的閥式避雷器。288.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)6、氣體絕緣變電所的防雷保護(hù)與敞開式變電所相比，GIS變電所防雷保護(hù)和絕緣配合方面有以下特點(diǎn)：具有比較平坦的伏秒特性，沖擊系數(shù)約為1.21.3，需采用性能優(yōu)異的金屬氧化物避雷器加以保護(hù)；GIS變電所的波阻抗一般在60100，雷電侵入波從架空線路傳入GIS，折射系數(shù)小，折射電壓比較小，對(duì)GIS保護(hù)有利；GIS變電所結(jié)構(gòu)緊湊，因此可使雷電過電壓限制在更低水平；GIS絕緣中完全不允許產(chǎn)生電暈，因此，要求GIS過電壓保護(hù)有較高