高電壓技術(shù)發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)

第11章發(fā)電廠和變電所的防雷保護(hù)

11.1發(fā)電廠和變電所的直擊雷防護(hù)

11.2發(fā)電廠和變電所的行波保護(hù)

11.3變電所防雷的幾個(gè)具體問題

11.4氣體絕緣變電所的防雷保護(hù)

11.5旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷11.1發(fā)電廠和變電所的直擊雷保護(hù)發(fā)電廠、變電所防止直擊雷的措施：采用避雷針、避雷線及良好的接地網(wǎng)。

裝設(shè)避雷針（線）的原則

裝設(shè)的避雷針（線）應(yīng)該使所有設(shè)備均處于避雷針及避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)。另外，要注意防止反擊。即雷擊于避雷針及避雷線后，它們的地電位可能提高，如果它們與被保護(hù)設(shè)備的距離不夠大，則有可能在避雷針、避雷線與被保護(hù)設(shè)備之間發(fā)生放電，或叫做逆閃絡(luò)。此類放電現(xiàn)象不但會(huì)在空氣中發(fā)生，而且還會(huì)在地下接地裝置間發(fā)生，一旦出現(xiàn)，高電位就將加到電力設(shè)備上，有可能導(dǎo)致電力設(shè)備的絕緣損壞。

避雷針（線）的設(shè)計(jì)計(jì)算1.獨(dú)立避雷針I(yè)=140~150kA，L=1.7hμH/m，空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)500kV/m，土壤擊穿場(chǎng)強(qiáng)300kV/m，di/dt按斜角波頭=2.6μs。2.架空避雷線①一端絕緣另一端接地的避雷線②

兩端接地的避雷線

避雷針、避雷線的Sk一般不宜小于5m，Sd一般不宜小于3m，在可能的情況下，應(yīng)適當(dāng)?shù)丶哟蟆?/p>

幾個(gè)具體問題

（1）對(duì)于110kV及以上的配電裝置，由于絕緣較強(qiáng)，不易反擊，一般可將避雷針裝設(shè)在構(gòu)架上。構(gòu)架避雷針有造價(jià)低廉，便于布置的優(yōu)點(diǎn)。但因構(gòu)架離電氣設(shè)備較近，必須保證不發(fā)生反擊的要求。（2）35kV及以下配電裝置的絕緣較弱，所以其構(gòu)架或房頂上不宜裝設(shè)避雷針，而需要裝設(shè)獨(dú)立避雷針。（3）發(fā)電廠廠房一般不裝設(shè)避雷針，以免發(fā)生感應(yīng)或反擊使繼電保護(hù)誤動(dòng)作，甚至造成絕緣損壞。1.構(gòu)架避雷針2.避雷線我國有關(guān)規(guī)程規(guī)定：①110kV及以上的配電裝置可將線路的避雷線引接到出線門型構(gòu)架上，但土壤電阻率大于1000Ω·m的地區(qū)，應(yīng)加裝3~5根接地極。②35~60kV配電裝置在ρ不大于500Ω·m的地區(qū)，允許將線路的避雷線引接到出線門型構(gòu)架上，但應(yīng)裝設(shè)3~5根接地極；當(dāng)ρ>500Ω·m時(shí)，避雷線應(yīng)終止于線路終端桿塔，進(jìn)變電所一檔線路可裝設(shè)避雷針保護(hù)。11.2發(fā)電廠和變電所的行波保護(hù)a.閥型避雷器（限制來波的幅值）b.進(jìn)線保護(hù)（沖擊電暈降低入侵波的陡度和幅值；導(dǎo)線波阻抗限制流過避雷器的沖擊電流幅值）

避雷器的保護(hù)作用1.避雷器保護(hù)的動(dòng)作過程避雷器上的電壓可以看作斜角平頂波2.被保護(hù)設(shè)備上的過電壓變壓器與避雷器之間允許的最大電氣距離：

變電所的進(jìn)線保護(hù)不同額定電壓的線路與變壓器的沖擊強(qiáng)度

額定電壓(kV)35110154220330500線路絕緣的沖擊放電電壓1.2/50μs、負(fù)極性(kV)35070010001200~140016452060~2300運(yùn)行中變壓器可耐受的沖擊電壓1.2/50μs(kV)18042558583511751540

線路的沖擊耐壓比變電所設(shè)備的沖擊耐壓要高得多，若無避雷線，靠近變電所線路上受到雷擊時(shí)，不但流過避雷器的雷電流幅值可能超過規(guī)定值，而且陡度也會(huì)高于允許值。1.進(jìn)線保護(hù)概念（1）對(duì)35~110kV線路，并不要求全線架設(shè)避雷線進(jìn)行保護(hù)，但在靠近變電所的1~2km范圍內(nèi)應(yīng)裝設(shè)避雷線、避雷針或其它防雷裝置，通常稱此線段為進(jìn)線段。（2）對(duì)全線有避雷線的線路來說，把靠近變電站附近2km長的一段線路也叫進(jìn)線段。它除了線路防雷外，還擔(dān)負(fù)著避免或減少變電所雷電行波事故的作用。（3）在上述兩種情況下，進(jìn)線段的耐雷水平要達(dá)到有關(guān)規(guī)程規(guī)定值，以減少反擊；同時(shí)保護(hù)角不超過20°，以減少這段線路的繞擊。2.進(jìn)線保護(hù)的作用a.限制流過避雷器的雷電流幅值

例如，對(duì)于220kV線路，取U50%=1200kV，Z=400Ω，uR=664kV，則：

計(jì)算流經(jīng)避雷器的沖擊電流最大值額定電壓(kV)避雷器型號(hào)線路絕緣的U50%(kV)ib(kA)35FZ-353501.41110FZ-110J7002.67220FZ-220J1200~14004.35~5.38330FCZ-330J16457.06500FCZ-500J2060~23108.63~10

當(dāng)選用避雷器保護(hù)變電所時(shí)，一般在電壓為220kV級(jí)及以下時(shí)用5kA下的殘壓為準(zhǔn)，而在330kV以上時(shí)，以l0kA下殘壓為準(zhǔn)，或者更大的雷電流，由于金屬氧化物避雷器非線性特性非常好，因此雷電流要取更高的值。

b.限制侵入波陡度變電所侵入波計(jì)算陡度額定電壓(kV)侵入波計(jì)算陡度(kV/m)額定電壓(kV)侵入波計(jì)算陡度(kV/m)1km進(jìn)線段2km進(jìn)線段或全線有避雷線1km進(jìn)線段2km進(jìn)線段或全線有避雷線351.00.5220—1.5601.10.55330—2.21101.60.75500—2.5未沿全線架設(shè)避雷線的35~110kV線路進(jìn)線保護(hù)3.進(jìn)線保護(hù)的典型接線限制侵入波的幅值保護(hù)斷路器全線有避雷線的變電所進(jìn)線保護(hù)31500~5000kVA，35kV變電所的簡(jiǎn)化保護(hù)接線用電抗線圈代替進(jìn)線段避雷線的保護(hù)接線11.3變電所防雷的幾個(gè)具體問題

三繞組變壓器和自耦變壓器的防雷保護(hù)

（1）低壓繞組開路時(shí)，若線路有入侵波傳來雷電波作用在高壓側(cè)或中壓側(cè)時(shí)，由于低壓繞組的對(duì)地電容很小，開路的低壓繞組上的靜電耦合分量可能達(dá)到很高的數(shù)值，需要在任一相低壓繞組出線端對(duì)地加裝一臺(tái)避雷器。（2）如果低壓繞組連接有25m及以上的金屬鎧裝電纜段，低壓側(cè)可不裝避雷器。（3）三繞組變壓器中壓繞組，相對(duì)來說，絕緣水平比低壓繞組要高，當(dāng)其開路運(yùn)行時(shí)，一般靜電耦合分量不會(huì)損壞中壓繞組，不必加裝上述要求的避雷器。1.三繞組變壓器的防雷保護(hù)2.自耦變壓器的防雷保護(hù)高壓端A進(jìn)波中壓端A'進(jìn)波一般避雷器配置自耦避雷器配置變壓器的中性點(diǎn)保護(hù)

在中性點(diǎn)直接接地的系統(tǒng)中，為減少單相接地的短路電流，有部分變壓器的中性點(diǎn)改為不接地運(yùn)行。這時(shí)，變壓器的中性點(diǎn)需要保護(hù)。①全絕緣：中性點(diǎn)處的絕緣水平與相線端的絕緣水平相等。此時(shí)，中性點(diǎn)一般不需保護(hù)。若變電所為單臺(tái)變壓器且為單路進(jìn)線運(yùn)行時(shí)，在三相同時(shí)進(jìn)波的情況下，中性點(diǎn)的對(duì)地電位會(huì)超過首端的對(duì)地電位。這種情況雖屬少見，但需在中性點(diǎn)加裝一個(gè)與首端有同等電壓等級(jí)的避雷器。②分級(jí)絕緣：中性點(diǎn)處的絕緣水平低于相線端的絕緣水平。應(yīng)選用與中性點(diǎn)絕緣等級(jí)相同的避雷器進(jìn)行保護(hù)，但要注意校驗(yàn)避雷器的滅弧電壓，它始終大于中性點(diǎn)可能出現(xiàn)的最高工頻電壓。

配電變壓器的防雷保護(hù)避雷器的接地線與變壓器金屬外殼、低壓側(cè)中性點(diǎn)連在一起接地避雷器盡量靠近變壓器，盡量減小連接線的長度如低壓側(cè)線路落雷，作用在低壓側(cè)的沖擊電壓按變比感應(yīng)到高壓側(cè)，由于低壓側(cè)絕緣裕度比高壓側(cè)大，故有可能在高壓側(cè)引起先擊穿，這個(gè)過程叫做“正變換”。為了防止正反變換出現(xiàn)的過電壓，可在低壓側(cè)每相上裝一只避雷器，使配電變壓器的防雷保護(hù)得以改善。高壓側(cè)遭雷擊，避雷器動(dòng)作，作用于低壓繞組的電流通過電磁耦合又變換到高壓側(cè)的過程叫做“反變換”。11.4氣體絕緣變電所的防雷保護(hù)

全封閉SF6氣體絕緣變電所（GIS）是除變壓器以外整個(gè)變電所的高壓電力設(shè)備及母線，封閉在一個(gè)接地的金屬殼內(nèi)，殼內(nèi)充以(3~4)×1.01325×105Pa大氣壓的SF6氣體作為相間和對(duì)地的絕緣。GIS變電所雷電過電壓保護(hù)的特點(diǎn)GIS絕緣的全伏秒特性比較平坦，其沖擊系數(shù)很小，約為1.2~1.3。因此它的絕緣水平主要決定于雷電沖擊電壓。GIS變電所的波阻抗一般在60~100Ω之間，遠(yuǎn)比架空線路低，這對(duì)變電所的侵入波保護(hù)有利。GIS變電所結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備之間的電氣距離小，避雷器離被保護(hù)設(shè)備較近，防雷保護(hù)措施比敞開式變電所容易。④GIS絕緣完全不允許電暈，一旦發(fā)生電暈，將立即擊穿；而且沒有自恢復(fù)能力。GIS變電所常用的雷電保護(hù)接線發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變壓器與架空線相連接的情況，線路上雷電波經(jīng)變壓器繞組過渡到發(fā)電機(jī)繞組。發(fā)電機(jī)和升壓變壓器低壓側(cè)連線過長，為使這段連線不受雷擊，需用避雷針進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)雷擊避雷針時(shí)，將有感應(yīng)過電壓作用于電機(jī)絕緣。發(fā)電機(jī)與負(fù)荷相距較近，將電機(jī)與架空線直接相連，稱之謂直配電機(jī)的情況。此時(shí)，若雷擊于導(dǎo)線或附近地面，將會(huì)有大氣過電壓作用于電機(jī)絕緣。11.5旋轉(zhuǎn)電機(jī)的防雷

旋轉(zhuǎn)電機(jī)防雷保護(hù)的特點(diǎn)

（1）旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)和工藝上的特點(diǎn)，它們的沖擊絕緣水平要比同電壓等級(jí)的變壓器低得多。（2）電機(jī)絕緣特別在導(dǎo)線出槽處，電場(chǎng)極不均勻，故在過電壓作用后，會(huì)有局部的輕微損傷，使絕緣老化，可能引起擊穿。（3）電機(jī)絕緣在運(yùn)行中受機(jī)械振動(dòng)、發(fā)熱以及局部放電所產(chǎn)生的臭氧的侵蝕，相對(duì)變壓器的工作條件更為嚴(yán)峻。（4）保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)用的磁吹避雷器（FCD）的保護(hù)性能與電機(jī)絕緣水平的配合裕度很小。（5）由于電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，特別是大容量電機(jī)，其匝間電容很小，起不了改善沖擊電壓分布的作用。為了保證發(fā)電機(jī)匝間絕緣的安全運(yùn)行，必須要將入進(jìn)波陡度限制得很小。

直配電機(jī)的防雷保護(hù)①每組發(fā)電機(jī)母線上都裝一組FCD型磁吹避雷器，以限制入侵波過電壓的幅值。②在發(fā)電機(jī)電壓母線上裝設(shè)一組并聯(lián)電容器（電容量為0.25~0.5μF），以限制侵入波陡度。這不但是保護(hù)電機(jī)匝間絕緣及中性點(diǎn)絕緣的需要，同時(shí)也是為了降低感應(yīng)過電壓。③在直配線進(jìn)線處加裝電纜段和管形避雷器等，以限制流過避雷器的雷電流不超過3kA。④發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)有引出線，在中性點(diǎn)加裝一只避雷器保護(hù)，或者將母線并聯(lián)電容加大到1.5~2.0μF，以進(jìn)一步降低入侵波陡度。措施：典型接線：在進(jìn)線處裝設(shè)電感線圈L，L可以是限流電抗器，也可以是專門為防雷所設(shè)置的線圈。L不但和母線上的電容器C構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)振蕩電路，而且對(duì)波在L進(jìn)端的正反射提高了線路側(cè)的電壓，從而加速了FS的動(dòng)作，限制了進(jìn)波的幅值。架空進(jìn)線段（450~600m）的電感來代替集中電感，此段線路用獨(dú)立避雷針來保護(hù)。GB1作用：當(dāng)進(jìn)線段首端外側(cè)附近發(fā)生雷擊時(shí)，GB1先放電，從而將雷電流大部分由此引入地中，以防止磁吹避雷器FCD電流超過了3kA。GB2作用：加在線路首端的電壓，除了避雷器GB1上的電壓降外，主要是接地電阻上的電壓降，降低此電壓。

發(fā)電機(jī)經(jīng)過一段大于l00m的電纜與架空線相連接，可以利用電纜外皮高頻電流的集膚效應(yīng)或電纜外皮的分流及耦合作用。當(dāng)侵入波使電纜首端管形避雷器GB2動(dòng)作時(shí)，電纜芯線與外皮短接，相當(dāng)于把電纜芯和外皮連在一起并具有同樣的對(duì)地電壓。電纜發(fā)揮集膚效應(yīng)，從而減小了流過避雷器的電流，使殘壓降低。

GB2與電纜之間串入一組100~300μH的電感，利用電感對(duì)侵入波的正反射波使GB2動(dòng)作也可以將避雷器GB2前移70m或增加GB1，以發(fā)揮電纜段的作用。此連接線應(yīng)懸掛在桿塔導(dǎo)線下2~3m處，以使二線之