第八章-发电厂和变电站的防雷保护分析

高电压技术电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等各个环节。第八章发电厂和变电站的防雷保护第一节架空输电线路防雷保护输电线路耐雷性能的若干指标线路雷害事故发展过程及防护措施线路耐雷性能的分析计算一条100km长的架空输电线路在一年中遭到数十次雷击。线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的比重。一、输电线路耐雷性能的若干指标每100km线路的年落雷次数NdThbN104[次/(100km.年)]为地面落雷密度b为两根避雷线之间的距离；h为避雷线的平均对地高度Td为雷暴日数I1、耐雷水平（）耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值，单位为kA。我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见表8-1n2、雷击跳闸率（）雷击跳闸率是指在雷暴日数Td＝40的情况下、100km的线路每年因雷击而引起的跳闸次数，其单位为“次/(100km·40雷暴日)”．实际线路长度L不是100km，雷暴日数也不正好是40时必须换算到某一相同的条件下(100km，40雷暴日)，才能进行比较。但是雷电流超过了线路耐雷水平，只会引起冲击闪络，只有在冲击闪络之后还建立工频电弧，才会引起线路跳闸。275.010)145.4(E由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率(),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压梯度有关。可由下式求得二、线路雷害事故发展过程及防护措施只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电事故。输电线路上采用的各种防雷保护措施：(一)避雷线（架空地线）110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设避雷线；35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。（二）降低杆塔接地电阻提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。（三）加强线路绝缘增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一般优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水平。（四）耦合地线作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。(五)消弧线圈能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。(六)管式避雷器仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。(七)不平衡绝缘一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。(八)自动重合闸线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。三、线路耐雷性能的分析计算(一)绕击导线雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击率Pα。Pα之值与避雷线对边相导线的保护角α、杆塔高度ht及线路通过地区的地形地貌等因素有关。9.386lgthP平原线路35.386lgthP山区线路绕击跳闸次数（次/年）N–年落雷总数–绕击率–超过绕击耐压水平的雷电流–建弧率22PPNnP2P2I(二)雷击档距中央的避雷线雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时。真正击中档距中央避雷线的概率只有10%左右。/4AgUZlav雷击点电压最大值可见UA仅仅取决于它的波前陡度a，而与雷电流无关。(三)雷击杆塔击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。gtiii注入线路的总电流即为雷电流tigi为流经杆塔的电流，为流经避雷线的电流。)(dtdiLiRuaia线路杆塔分流系数)(dtdiLiRutitop1topuku线路绝缘子串上所受到的雷电过电压包括四个分量：1、杆塔电流it在横担以下的塔身电感La和杆塔冲击接地电阻Ri上造成压降，使横担具有一定的对地电位2、塔顶电压utop沿着避雷线传播而在导线上感应出来的电压u1。与上一分量ua相似，杆塔电流it造成的塔顶电位)1(0)(')(khhuucgcici3、雷击塔顶而在导线上产生的感应雷击过电压()icu0k-无避雷线时的感应雷击过电压-导、地线间的几何耦合系数4、线路本身的工频电压u22')(1uuuuuciali作用在绝缘子串上的合成电压小结通常采用耐雷水平和雷击跳闸率来表示一条线路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果。输电线路常采用避雷线、降低杆塔接地电阻、加强线路绝缘等措施来进行防雷。可按雷击点的不同把线路的落雷分为三种情况：绕击导线、雷击档距中央的避雷线和雷击杆塔。第二、三、四节变电站的防雷保护变电所的直击雷保护阀式避雷器保护作用的分析变电所的进线段保护变电所防雷的几个具体问题线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电所的雷害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变电设备得内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防雷保护与输电线路相比，要求更严格、措施更严密、可靠。1)雷电直击变电所；2)沿输电线入侵的雷电过电压波。变电所中出现的雷电过电压的两个来源：一、变电所的直击雷保护必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避雷针两类。注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。11EUSA为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S1应满足下式要求为了防止避雷针接地装置与变电所接地网之间因土壤击穿而连在一起，地下距离S222EUSB亦应满足下式要求用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和地中距离E1、E2分别为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均冲击击穿场强。hRsi1.02.01iRs3.02二、阀式避雷器保护作用的分析装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需要有“进线段保护”与之配合。阀式避雷器的保护作用基于三个前提：1)它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合2)它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度。3)被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。U被保护绝缘与避雷器之间的电压差，可以利用图8-7中的接线图来确定。Ul被保护绝缘与避雷器间的电气距离越大、进波陡度a或a′越大，电压差值也就越大。阀式避雷器动作以后有一个不大的电压降，然后保持残压水平，由于被保护设备与避雷器间有距离，致使电压波产生振荡，接近冲击截波，因此对于变压器类电力设备来说，往往采用2us截波冲击耐压值作为他们的绝缘冲击耐压水平。UUUisiw)(绝缘冲击耐压水平应满足：')(max2aUUKlisiw阀式避雷器的保护距离：K为变电所出线修正系数避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压器近一些。三、变电所的进线段保护保证在靠近变电所的一段不长(一般为l～2km)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及以下的线路来说，首先在靠近变电所(l~2km)的线段上加装避雷线，使之成为进线段；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。在进线段上,加强防雷措施、提高耐雷水平。进线段的作用：1）雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流过避雷器的冲击电流幅值ZnUUIRFV%502（一）从限制进波陡度的要求来确定应有的进线段长度)008.05.0(cphUaUl所需的进线段长度U－行波的初始幅值，kVhc－进线段导线的平均对地高度，mFVI（二）计算流过避雷器的冲击电流幅值UR－阀式避雷器的残压，kVn－变电所母线上接的线路总条数四、变电所防雷的几个具体问题(一)变电所防雷接线进线段提高耐雷性能的保护措施：1)在进线保护段内，避雷线的保护角不宜超过20°。2)采取措施以保证进线段的耐雷水平。(二)三相绕组变压器的防雷保护高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，低压侧出现一定过电压。在任一相低压绕组加装阀式避雷器。(三)自耦变压器的防雷保护高压侧进波时，应在中压断路器QF2的内侧装设一组阀式避雷器（图8-14中的FV2）进行保护。中压侧进波时，在高压断路器QF1的内侧也应装设一组避雷器（图8-14中的FV1）进行保护。当中压侧接有出线时，还应在AA′之间再跨接一组避雷器（图8-14中的FV3）。(四)变压器中性点的保护110kV及以上的中性点有效接地系统1、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。2、当中性点为降级绝缘时，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35kV及一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。1)GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平。采用氧化锌避雷器；2)GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常规变电所有利；3)GIS的同轴母线筒的波阻抗小，过电压幅值和陡度都显著变小，对变电所的进行波防护有利；4)GIS内绝缘电场结构不均匀，易击穿，要求防雷保护措施更加可靠、在绝缘配合中留有足够的裕度。(五)气体绝缘变电所防雷保护的特点全封闭SF6气体绝缘变电所(GIS)的特点：小结变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施，但是还需要有“进线段保护”与之配合。进线段的作用：1）雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流过避雷器的冲击电流幅值变电所防雷的具体问题包括：变电所防雷接线、三绕组变压器的防雷保护、自耦变压器的防雷保护、变压器中性点的保护等。第五节旋转电机的防雷保护旋转电机防雷保护的特点旋转电机防雷保护措施及接线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，这是由它的绝缘结构、运行条件等方面的特殊性所造成的。一、旋转电机防雷保护的特点(1)在同一电压等级的电气设备中，以旋转电机的冲击电气强度为最低，这是因为：1）电机具有高速旋转的转子，因此电机只能采用固体介质，而不能象变压器那样可以采用固体—液体介质组合绝缘。电机的额定电压、绝缘水平都不可能太高；2）在制造过程中，电机绝缘容易受到损伤，绝缘内易出现空洞或缝隙，在运行过程中容易发生局部放电，导致绝缘劣化；3）电机绝缘的运行条件最为残酷，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；4）电机绝缘结构的电场比较均匀，其冲击系数接近于1，因而在雷电过电压下的电气强度是最薄弱的一环。(2)电机绝缘的冲击耐压水平与保护它的避雷器的保护水平相差不多、裕度很小，需要与电容器组、电抗器、电缆段等配合使用；(3)作用在相邻两匝间的过电压与进波的陡度成正比，必须严格限制进波陡度。非直配电机所受到的过电压均须经过变压器绕组之间的静电和电磁传递。只要把变压器保护好了，不必对发电机再采取专门的保护措施。对于在多雷区的经升压变压器送电的大型发电机，仍宜装设一组氧化锌或磁吹避雷器加以保护。二、旋转电机防雷保护措施及接线1)经过变压器再接到架空线上去的电机，简称非直配电机。2)直接与架空线相连(包括经过电缆段、电抗器等元件与架空线相连)的电机，简称直配电机。从防雷的观点来看，发电机可分为两大类：在旋转电机保护专用