高電壓技術(shù)第六章

1、 電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)包括了線路、變電所、發(fā)電廠等各個(gè)環(huán)節(jié)。第八章 電力系統(tǒng)防雷保護(hù)第一節(jié)第一節(jié) 架空輸電線路防雷保護(hù)架空輸電線路防雷保護(hù) 輸電線路耐雷性能的若干指標(biāo) 線路雷害事故發(fā)展過(guò)程及防護(hù)措施 線路耐雷性能的分析計(jì)算一條100km長(zhǎng)的架空輸電線路在一年中遭到數(shù)十次雷擊。線路的雷擊事故在電力系統(tǒng)總的雷害事故中占有很大的比重。一、輸電線路耐雷性能的若干指標(biāo)每100km線路的年落雷次數(shù)NdThbN104次/(100km.年) 為地面落雷密度 b為兩根避雷線之間的距離；h為避雷線的平均對(duì)地高度 Td為雷暴日數(shù)I1、耐雷水平（ ）耐雷水平是指雷擊線路時(shí)，其絕緣尚不至于發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值或能引起

2、絕緣閃絡(luò)的最小雷電流幅值，單位為kA。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各級(jí)電壓線路應(yīng)有的耐雷水平值見(jiàn) 表8-1n275. 010)145 . 4(E2、雷擊跳閘率（ ）雷擊跳閘率是指在雷暴日數(shù)Td40的情況下、100km的線路每年因雷擊而引起的跳閘次數(shù)，其單位為“次/(100km40雷暴日)”實(shí)際線路長(zhǎng)度L不是100km，雷暴日數(shù)也不正好是40時(shí)必須換算到某一相同的條件下(100km，40雷暴日)，才能進(jìn)行比較。但是雷電流超過(guò)了線路耐雷水平，只會(huì)引起沖擊閃絡(luò)，只有在沖擊閃絡(luò)之后還建立工頻電弧，才會(huì)引起線路跳閘。由沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定工頻電弧的概率為建弧率( ),它與沿絕緣子串或空氣間隙的平均運(yùn)動(dòng)電壓梯度有關(guān)?？捎?/p>

3、下式求得二、線路雷害事故發(fā)展過(guò)程及防護(hù)措施只要能設(shè)法制止上述發(fā)展過(guò)程中任一環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)，就可避免雷擊引起長(zhǎng)時(shí)間停電事故。輸電線路上采用的各種防雷保護(hù)措施： (一)避雷線（架空地線） 110kV及以上架空輸電線路防雷措施是沿全線架設(shè)避雷線；35kV及以下的線路主要依靠架設(shè)消弧線圈和自動(dòng)重合閘來(lái)進(jìn)行防雷保護(hù)。 （二）降低桿塔接地電阻 提高線路耐雷水平和減少反擊概率的主要措施。桿塔的工頻接地電阻一般為1030。 （三）加強(qiáng)線路絕緣 增加絕緣子串中的片數(shù)、改用大爬距懸式絕緣子、增大塔頭空氣間距等等，但有相當(dāng)大的局限性。一般優(yōu)先采用降低桿塔接地電阻的辦法來(lái)提高線路耐雷水平。 （四）耦合地線 作為一種補(bǔ)救措

4、施，具有一定的分流作用和增大導(dǎo)地線之間的耦合系數(shù)，因而能提高線路的耐雷水平和降低雷擊跳閘率。 (五)消弧線圈 能使雷電過(guò)電壓所引起來(lái)的一相對(duì)地沖擊閃絡(luò)不轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的工頻電弧，即大大減小建弧率和斷路器的跳閘次數(shù)。 (六)管式避雷器 僅用作線路上雷電過(guò)電壓特別大或絕緣薄弱點(diǎn)的防雷保護(hù)。它能免除線路絕緣的沖擊閃絡(luò)，并使建弧率降為零。 (七)不平衡絕緣 一回路的三相絕緣子片數(shù)少于另一路的三相。 (八)自動(dòng)重合閘 線路絕緣不會(huì)發(fā)生永久性的損壞或劣化。三、線路耐雷性能的分析計(jì)算(一)繞擊導(dǎo)線 雷閃繞過(guò)避雷線直接擊中導(dǎo)線 的概率，稱為繞擊率P 。P之值與避雷線對(duì)邊相導(dǎo)線的保護(hù)角、桿塔高度ht及線路通過(guò)地區(qū)的

5、地形地貌等因素有關(guān)。9 . 386lgthP平原線路35. 386lgthP山區(qū)線路 繞擊跳閘次數(shù) （次/年） N 年落雷總數(shù) 繞擊率 超過(guò)繞擊耐壓水平 的雷電流 建弧率 22PPNnP2P2I/4AgUZl av (二)雷擊檔距中央的避雷線雷擊避雷線最嚴(yán)重的情況是雷擊點(diǎn)處于檔距中央時(shí)。真正擊中檔距中央避雷線的概率只有10%左右。雷擊點(diǎn)電壓最大值可見(jiàn)UA僅僅取決于它的波前陡度a，而與雷電流無(wú)關(guān)。gtiii(三)雷擊桿塔擊桿率：雷擊桿塔次數(shù)與落雷總數(shù)的比值。注入線路的總電流即為雷電流tigi 為流經(jīng)桿塔的電流， 為流經(jīng)避雷線的電流。)(dtdiLiRutitop)(dtdiLiRuaia 線 路

6、 桿 塔 分 流 系 數(shù)1topuku線路絕緣子串上所受到的雷電過(guò)電壓包括四個(gè)分量：1、桿塔電流it在橫擔(dān)以下的塔身電感La和桿塔沖擊接地電阻Ri上造成壓降，使橫擔(dān)具有一定的對(duì)地電位2、塔頂電壓utop沿著避雷線傳播而在導(dǎo)線上感應(yīng)出來(lái)的電壓u1。與上一分量ua相似，桿塔電流it造成的塔頂電位)1(0)()(khhuucgcici2)(1uuuuuciali3、雷擊塔頂而在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷擊過(guò)電壓( )i cu0k - 無(wú)避雷線時(shí)的感應(yīng)雷擊過(guò)電壓 - 導(dǎo)、地線間的幾何耦合系數(shù)4、線路本身的工頻電壓u2作用在絕緣子串上的合成電壓小 結(jié)通常采用耐雷水平和雷擊跳閘率來(lái)表示一條線路的耐雷性能和所采用防

7、雷措施的效果。 輸電線路常采用避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)線路絕緣等措施來(lái)進(jìn)行防雷。 可按雷擊點(diǎn)的不同把線路的落雷分為三種情況：繞擊導(dǎo)線、雷擊檔距中央的避雷線和雷擊桿塔。第二節(jié)第二節(jié) 變電所的防雷保護(hù)變電所的防雷保護(hù)變電所的直擊雷保護(hù) 閥式避雷器保護(hù)作用的分析 變電所的進(jìn)線段保護(hù) 變電所防雷的幾個(gè)具體問(wèn)題 1)雷電直擊變電所； 2)沿輸電線入侵的雷電過(guò)電壓波。線路的雷害事故往往只導(dǎo)致電網(wǎng)工況的短時(shí)惡化；變電所的雷害事故就要嚴(yán)重得多，往往導(dǎo)致大面積停電。變電設(shè)備得內(nèi)絕緣水平往往低于線路絕緣，而且不具有自恢復(fù)功能，一旦發(fā)生擊穿，后果十分嚴(yán)重。變電所的防雷保護(hù)與輸電線路相比，要求更嚴(yán)格、措施更嚴(yán)密

8、、可靠。變電所中出現(xiàn)的雷電過(guò)電壓的兩個(gè)來(lái)源：一、變電所的直擊雷保護(hù)必須裝設(shè)避雷針或避雷線對(duì)直擊雷進(jìn)行保護(hù)。按安裝方式的不同，避雷針?lè)譃楠?dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針兩類。注意對(duì)絕緣水平不高的35kV以下的配電裝置，構(gòu)架避雷針容易導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)(反擊)。變電所的直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是選擇避雷針的支數(shù)、高度、裝設(shè)位置、驗(yàn)算它們的保護(hù)范圍、應(yīng)有的接地電阻、防雷接地裝置設(shè)計(jì)等。對(duì)于獨(dú)立避雷針，則還有一個(gè)驗(yàn)算它對(duì)相鄰配電裝置構(gòu)架及其接地裝置的空氣間距及地下距離的問(wèn)題。11EUSA22EUSBhRsi1 . 02 . 01iRs3.02為了防止避雷針對(duì)構(gòu)架發(fā)生反擊，其空氣間距S1應(yīng)滿足下式要求為了防止避雷針接地裝

9、置與變電所接地網(wǎng)之間因土壤擊穿而連在一起，地下距離S2 亦應(yīng)滿足下式要求用下面兩個(gè)公式校核獨(dú)立避雷針的空氣間距和地中距離 分別為空氣間隙平均沖擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)和土壤平均沖擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)。12EE、二、閥式避雷器保護(hù)作用的分析裝設(shè)閥式避雷器是變電所對(duì)入侵雷電過(guò)電壓波進(jìn)行防護(hù)的主要措施，它的保護(hù)作用主要是限制過(guò)電壓波的幅值。但是還需要有“進(jìn)線段保護(hù)”與之配合。閥式避雷器的保護(hù)作用基于三個(gè)前提：1)它的伏秒特性與被保護(hù)絕緣的伏秒特性有良好的配合 2)它的伏安特性應(yīng)保證其殘壓低于被保護(hù)絕緣的沖擊電氣強(qiáng)度 3)被保護(hù)絕緣必須處于該避雷器的保護(hù)距離之內(nèi)。U 被保護(hù)絕緣與避雷器之間的電壓差 ，可以利用圖8-7中的接線

10、圖來(lái)確定。Ul被保護(hù)絕緣與避雷器間的電氣距離 越大、進(jìn)波陡度a或a越大，電壓差值 也就越大。閥式避雷器動(dòng)作以后有一個(gè)不大的電壓降，然后保持殘壓水平，由于被保護(hù)設(shè)備與避雷器間有距離，致使電壓波產(chǎn)生振蕩，接近沖擊截波，因此對(duì)于變壓器類電力設(shè)備來(lái)說(shuō)，往往采用2us截波沖擊耐壓值作為他們的絕緣沖擊耐壓水平。UUUisiw)()(max2aUUKlisiw 絕緣沖擊耐壓水平應(yīng)滿足： 閥式避雷器的保護(hù)距離： K為變電所出線修正系數(shù)避雷器具體安裝點(diǎn)選擇原則：“確保重點(diǎn)、兼顧一般”。在諸多的變電設(shè)備中，需要確保的重點(diǎn)無(wú)疑是主變壓器，應(yīng)盡可能把閥式避雷器裝得離主變壓器近一些。三、變電所的進(jìn)線段保護(hù)保證在靠近變電

11、所的一段不長(zhǎng)(一般為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及以下的線路來(lái)說(shuō)，首先在靠近變電所(l2km)的線段上加裝避雷線，使之成為進(jìn)線段；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)線段上, 加強(qiáng)防雷措施、提高耐雷水平。進(jìn)線段的作用：1）雷電過(guò)電壓波在流過(guò)進(jìn)線段時(shí)因沖擊電暈而發(fā)生衰減和變形，降低了波前陡度和幅值； 2）限制流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值)008.05.0(cphUaUlZnUUIRFV%502(一)從限制進(jìn)波陡度的要求來(lái)確定應(yīng)有的進(jìn)線段長(zhǎng)度 所需的進(jìn)線段長(zhǎng)度U行波的初始幅值，kV hc進(jìn)線段導(dǎo)線的平均對(duì)

12、地高度，mFVI（二）計(jì)算流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值 UR閥式避雷器的殘壓，kV n變電所母線上接的線路總條數(shù)四、變電所防雷的幾個(gè)具體問(wèn)題(一)變電所防雷接線進(jìn)線段提高耐雷性能的保護(hù)措施： 1)在進(jìn)線保護(hù)段內(nèi)，避雷線的保護(hù)角不宜超過(guò)20。 2)采取措施以保證進(jìn)線段的耐雷水平。(二)三相繞組變壓器的防雷保護(hù)高壓側(cè)有雷電過(guò)電壓波時(shí)，通過(guò)繞組間的靜電耦合和電磁耦合，低壓側(cè)出現(xiàn)一定過(guò)電壓。在任一相低壓繞組加裝閥式避雷器。 (三)自耦變壓器的防雷保護(hù)高壓側(cè)進(jìn)波時(shí)，應(yīng)在中壓斷路器QF2的內(nèi)側(cè)裝設(shè)一組閥式避雷器（圖8-14中的FV2）進(jìn)行保護(hù)。中壓側(cè)進(jìn)波時(shí)，在高壓斷路器 QF1的內(nèi)側(cè)也應(yīng)裝設(shè)一組避雷器 （圖8

13、-14中的FV1）進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)中壓側(cè)接有出線時(shí)，還應(yīng)在AA之間再跨接一組避雷器（圖8-14中的FV3）。 (四)變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)110kV及以上的中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)1、中性點(diǎn)為全絕緣時(shí)，一般不需采用專門(mén)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。 2、當(dāng)中性點(diǎn)為降級(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35kV及一下的中性點(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。 1)GIS絕緣的伏秒特性很平坦，其絕緣水平主要取決于雷電沖擊水平。采用氧化鋅避雷器； 2)GIS結(jié)構(gòu)緊

14、湊，被保護(hù)設(shè)備與避雷器相距較近，比常規(guī)變電所有利； 3)GIS的同軸母線筒的波阻抗小，過(guò)電壓幅值和陡度都顯著變小，對(duì)變電所的進(jìn)行波防護(hù)有利； 4)GIS內(nèi)絕緣電場(chǎng)結(jié)構(gòu)不均勻，易擊穿，要求防雷保護(hù)措施更加可靠、在絕緣配合中留有足夠的裕度。 (五)氣體絕緣變電所防雷保護(hù)的特點(diǎn)全封閉SF6氣體絕緣變電所(GIS)的特點(diǎn)：小 結(jié)變電所的直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是選擇避雷針的支數(shù)、高度、裝設(shè)位置、驗(yàn)算它們的保護(hù)范圍、防雷接地裝置設(shè)計(jì)等。對(duì)于獨(dú)立避雷針，則還有一個(gè)驗(yàn)算它對(duì)相鄰配電裝置構(gòu)架及其接地裝置的空氣間距及地下距離的問(wèn)題。 裝設(shè)閥式避雷器是變電所對(duì)入侵雷電過(guò)電壓波進(jìn)行防護(hù)的主要措施，但是還需要有“進(jìn)線段

15、保護(hù)”與之配合。 進(jìn)線段的作用：1）雷電過(guò)電壓波在流過(guò)進(jìn)線段時(shí)因沖擊電暈而發(fā)生衰減和變形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流過(guò)避雷器的沖擊電流幅值 變電所防雷的具體問(wèn)題包括：變電所防雷接線、三繞組變壓器的防雷保護(hù)、自耦變壓器的防雷保護(hù)、變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)等。第三節(jié)第三節(jié) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)防雷保護(hù)的特點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)防雷保護(hù)措施及接線旋轉(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，這是由它的絕緣結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件等方面的特殊性所造成的。一、旋轉(zhuǎn)電機(jī)防雷保護(hù)的特點(diǎn)(1)在同一電壓等級(jí)的電氣設(shè)備中，以旋轉(zhuǎn)電機(jī)的沖擊電氣強(qiáng)度為最低，這是因?yàn)椋?）電機(jī)具有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)

16、子，因此電機(jī)只能采用固體介質(zhì)，而不能象變壓器那樣可以采用固體液體介質(zhì)組合絕緣。電機(jī)的額定電壓、絕緣水平都不可能太高；2）在制造過(guò)程中，電機(jī)絕緣容易受到損傷，絕緣內(nèi)易出現(xiàn)空洞或縫隙，在運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生局部放電，導(dǎo)致絕緣劣化；3）電機(jī)絕緣的運(yùn)行條件最為殘酷，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；4）電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)比較均勻，其沖擊系數(shù)接近于1，因而在雷電過(guò)電壓下的電氣強(qiáng)度是最薄弱的一環(huán)。(2)電機(jī)絕緣的沖擊耐壓水平與保護(hù)它的避雷器的保護(hù)水平相差不多、裕度很小，需要與電容器組、電抗器、電纜段等配合使用；(3)作用在相鄰兩匝間的過(guò)電壓與進(jìn)波的陡度成正比，必須嚴(yán)

17、格限制進(jìn)波陡度。 非直配電機(jī)所受到的過(guò)電壓均須經(jīng)過(guò)變壓器繞組之間的靜電和電磁傳遞。只要把變壓器保護(hù)好了，不必對(duì)發(fā)電機(jī)再采取專門(mén)的保護(hù)措施。對(duì)于在多雷區(qū)的經(jīng)升壓變壓器送電的大型發(fā)電機(jī)，仍宜裝設(shè)一組氧化鋅或磁吹避雷器加以保護(hù)。二、旋轉(zhuǎn)電機(jī)防雷保護(hù)措施及接線1)經(jīng)過(guò)變壓器再接到架空線上去的電機(jī)，簡(jiǎn)稱非直配電機(jī) 2)直接與架空線相連(包括經(jīng)過(guò)電纜段、電抗器等元件與架空線相連)的電機(jī)，簡(jiǎn)稱直配電機(jī)從防雷的觀點(diǎn)來(lái)看，發(fā)電機(jī)可分為兩大類：在旋轉(zhuǎn)電機(jī)保護(hù)專用的FCD型磁吹避雷器問(wèn)世以前，由于普通閥式避雷器和其他防雷措施實(shí)際上都不能滿足直配電機(jī)的保護(hù)要求，因而有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期不得不作出以下規(guī)定：“容量在150

18、00kVA以上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)不得與架空線相連，如果發(fā)電機(jī)容量大于15000kVA，而又必須以發(fā)電機(jī)電壓給臨近負(fù)荷供電時(shí)，只能選用下列兩種方法中的一種：（1）經(jīng)過(guò)變比為1：1的防雷變壓器再接到架空線上去；（2）全線采用地下電纜送電”。顯然，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，這兩種方法都是極其不利的。直配發(fā)電機(jī)的防雷保護(hù)則是電力系統(tǒng)防雷中的一大難題。因?yàn)檫@時(shí)過(guò)電壓波直接從線路入侵，幅值大、陡度也大。FCD型磁吹避雷器、特別是現(xiàn)代氧化鋅避雷器的問(wèn)世為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷保護(hù)提供了新的可能性，但是仍需有完善的防雷保護(hù)接線與之配合，方能確保安全。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)推薦的2560MW直配電機(jī)的防雷保護(hù)接線如 圖8-15所示。1)發(fā)電機(jī)母線上FV2是一組ZnO避雷器或磁吹避雷器，最后一關(guān)； 2)并聯(lián)電容器C限制