第八章發(fā)電廠和變電站的防雷保護(hù)

1、高電壓技術(shù)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)。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 發(fā)電廠和變電站的防雷保護(hù)第一節(jié) 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)展過程及防護(hù)措施 線路耐雷性能的分析計(jì)算 一條100km長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)

2、，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絕緣閃絡(luò)的最小雷電流幅值，單位為kA。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各級電壓線路應(yīng)有的耐雷水平值見表8-1n2、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。 但是雷電流超過了線路耐雷水平，只會引起沖擊閃絡(luò)，只有在沖擊閃絡(luò)之后還建立工頻電弧，才會引起線路跳閘。275. 010)145 . 4(E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

3、與沿絕緣子串或空氣間隙的平均運(yùn)動電壓梯度有關(guān)。可由下式求得 二、線路雷害事故發(fā)展過程及防護(hù)措施二、線路雷害事故發(fā)展過程及防護(hù)措施 只要能設(shè)法制止上述發(fā)展過程中任一環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)，就可避免雷擊引起長時(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)消弧線圈和自動重合閘來進(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

4、優(yōu)先采用降低桿塔接地電阻的辦法來提高線路耐雷水平。 （四）耦合地線 作為一種補(bǔ)救措施，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。(五五)消弧線圈消弧線圈能使雷電過電壓所引起來的一相對地沖擊閃絡(luò)不轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定能使雷電過電壓所引起來的一相對地沖擊閃絡(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)。的工頻電弧，即大大減小建弧率和斷路器的跳閘次數(shù)。(六六)管式避雷器管式避雷器僅用作線路上雷電過電壓特別大或絕緣薄弱點(diǎn)的防雷保護(hù)。僅用作線路上雷電過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。它能免除線路絕緣的沖擊閃

5、絡(luò)，并使建弧率降為零。(七七)不平衡絕緣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。一回路的三相絕緣子片數(shù)少于另一路的三相。(八八)自動重合閘自動重合閘線路絕緣不會發(fā)生永久性的損壞或劣化。線路絕緣不會發(fā)生永久性的損壞或劣化。三、線路耐雷性能的分析計(jì)算三、線路耐雷性能的分析計(jì)算(一)繞擊導(dǎo)線 雷閃繞過避雷線直接擊中導(dǎo)線的概率，稱為繞擊率P 。P之值與避雷線對邊相導(dǎo)線的保護(hù)角、桿塔高度ht及線路通過地區(qū)的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)繞擊跳閘次數(shù) （次（次/年）年） N 年落雷總數(shù)年落雷總數(shù) 繞擊率繞擊率 超過繞擊耐壓水平超

6、過繞擊耐壓水平 的雷電流的雷電流 建弧率建弧率 22PPNnP2P2I(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。/4AgUZl av 雷擊點(diǎn)電壓最大值可見UA僅僅取決于它的波前陡度a，而與雷電流無關(guān)。(三)雷擊桿塔 擊桿率：雷擊桿塔次數(shù)與落雷總數(shù)的比值。gtiii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。)(dtdiLiRuaia 線 路 桿 塔 分 流 系 數(shù))(dtdiLiRutitop1topuku線路絕緣子串上所受到的雷電過電壓包括四個(gè)分量：1、桿塔電流it在橫擔(dān)以下的塔身電感

7、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)()(khhuucgcici3、雷擊塔頂而在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷擊過電壓( )i cu0k - 無避雷線時(shí)的感應(yīng)雷擊過電壓 - 導(dǎo)、地線間的幾何耦合系數(shù)4、線路本身的工頻電壓u22)(1uuuuuciali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表示一條線路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果。 輸電線路常采用避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)線路絕緣等措施來進(jìn)行防雷。 可按雷擊點(diǎn)的不同把線路的落雷分為

8、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、三、四節(jié) 變電站的防雷保護(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)具體問題 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、可靠。 1)雷電直擊變電所；2)沿輸電線入侵的雷電過電壓波。變電所中出現(xiàn)的雷電過電壓的兩個(gè)來源：一、變電所的直擊雷保護(hù) 必須裝設(shè)避雷針或避雷線對直擊雷進(jìn)行保護(hù)。按安裝方式的不同，避雷針分

9、為獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針兩類。注意對絕緣水平不高的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。對于獨(dú)立避雷針，則還有一個(gè)驗(yàn)算它對相鄰配電裝置構(gòu)架及其接地裝置的空氣間距及地下距離的問題。11EUSA 為了防止避雷針對構(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 22EUSB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E1、E2分別為空氣間隙平均沖擊擊穿場強(qiáng)和土壤平均沖

10、擊擊穿場強(qiáng)。 hRsi1 . 02 . 01iRs3.02二、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入侵雷電過電壓波進(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)絕緣與避雷被保護(hù)絕緣與避雷器之間的電壓差器之間的電壓差 ，可，可以利用圖以利用圖8-7中的接線圖中的接線圖來確定。來確定。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

11、越大，電壓差值 也就越大。 閥式避雷器動作以后有一個(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，因此對于變壓器類電力設(shè)備來說，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)( 絕緣沖擊耐壓水平應(yīng)滿足：)(max2aUUKlisiw 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) 保證在靠近變電所的一段不長(一般為l2km)的線路上不出現(xiàn)繞擊或反擊。對于

12、那些未沿全線架設(shè)避雷線的35kV及以下的線路來說，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）雷電過電壓波在流過進(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）限制流過避雷器的沖擊電流幅值ZnUUIRFV%502（一）從限制進(jìn)波陡度的要求來確定應(yīng)有的進(jìn)線段長度)008.05.0(cphUaUl所需的進(jìn)線段長度U行波的初始幅值，kVhc進(jìn)線段導(dǎo)線的平均對地高度，mFVI（二）計(jì)算流過避雷器的沖擊電流幅值 UR閥式避雷器

13、的殘壓，kVn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)有雷電過電壓波時(shí)，通過繞組間的靜電耦合和電磁耦合，低壓側(cè)出現(xiàn)一定過電壓。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8-14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

14、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)，一般不需采用專門的保護(hù)。但在變電所只有一臺變壓器且為單路進(jìn)線的情況下，仍需在中性點(diǎn)加裝一臺與繞組首端同樣電壓等級的避雷器。 2、當(dāng)中性點(diǎn)為降級絕緣時(shí)，則必須選用與中性點(diǎn)絕緣等級相當(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

15、的波阻抗小，過電壓幅值和陡度都顯著變小，對變電所的進(jìn)行波防護(hù)有利；4)GIS內(nèi)絕緣電場結(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。對于獨(dú)立避雷針，則還有一個(gè)驗(yàn)算它對相鄰配電裝置構(gòu)架及其接地裝置的空氣間距及地下距離的問題。 裝設(shè)閥式避雷器是變電所對入侵雷電過電壓波進(jìn)行防護(hù)的主要措施，但是還需要有“進(jìn)線段保護(hù)”與之配合。 進(jìn)線段的作用：1）雷電過電壓波在流過進(jìn)線段時(shí)因沖擊電暈而

16、發(fā)生衰減和變形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流過避雷器的沖擊電流幅值 變電所防雷的具體問題包括：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。第五節(jié) 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)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

17、緣水平都不可能太高；2）在制造過程中，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、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)的電場比較均勻，其沖擊系數(shù)接近于1，因而在雷電過電壓下的電氣強(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電壓與進(jìn)波的陡度成正比，必須嚴(yán)格限制進(jìn)波陡度。 非直配電機(jī)所受到的過電壓均須經(jīng)過變壓器繞組之間的靜電和電磁傳遞。只要把變壓器保

18、護(hù)好了，不必對發(fā)電機(jī)再采取專門的保護(hù)措施。對于在多雷區(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)措施及接線二、旋轉(zhuǎn)電機(jī)防雷保護(hù)措施及接線1)經(jīng)過變壓器再接到架空線上去的電機(jī)，簡稱非直配電機(jī)。 2)直接與架空線相連(包括經(jīng)過電纜段、電抗器等元件與架空線相連)的電機(jī)，簡稱直配電機(jī)。從防雷的觀點(diǎn)來看，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)長的一段時(shí)期不得不作出以下規(guī)定：“容量在15000kVA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)來看，這兩種方法都是極其不利的。 FCD型磁吹避雷器、特別是現(xiàn)代氧化鋅避雷器的問世為旋轉(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。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)過電壓波直接從線路入侵，幅值大、陡度也大?，F(xiàn)對圖8-15中各種措施、各個(gè)元件的作用簡要介紹如下：1