8 电力系统防雷保护

1第8章电力系统防雷保护主要内容：输电线路的防雷保护发电厂和变电所的防雷保护旋转电机的防雷保护2第1节输电线路的防雷保护主要内容：概述输电线路的防雷措施输电线路的感应雷过电压输电线路直击雷过电压输电线路雷击跳闸率3一、概述1.线路防雷的重要性（1）雷击是线路跳闸的主要原因（2）雷电波进入变电所，会给电力设备带来危害2.雷击过电压的分类（1）感应过电压：雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的。（2）直击过电压：雷击于线路所引起的过电压。3.防雷性能耐雷水平：雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值。（耐雷水平↑→防雷性能↑）雷击跳闸率：折算为统一的条件下，因雷击而引起的线路跳闸的次数（每年40个雷暴日、100km线路长度）。4二、线路雷击事故发展四个阶段的防护措施（四道防线）1.防止雷直击导线避雷线+避雷针或者采用电缆线路2.防止雷击塔顶或输电线路后引起绝缘闪络降低杆塔接地电阻+增大耦合系数+加强线路绝缘+采用线路型避雷器3.防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧增加绝缘子片数+电网采用不接地或者经消弧线圈接地目的：防止建立稳定的工频电弧，以引起跳闸4.防止线路中断供电自动重合闸+双回路、环网供电目的：防止线路中断供电5三、输电线路的感应雷过电压1.感应雷过电压的产生（a）先导放电阶段特点：电荷移动慢、电流较小、电压波忽略不计、线路电位不变（b）主放电阶段特点：静电场突然消失，电压波迅速向两侧传播，导致过电压（静电分量）和电磁感应产生的高电压（电磁分量）。先导放电阶段主放电阶段62.无避雷线时的感应雷过电压（1）d65m时dIhUci25可用I≤100kA进行估算。一般认为Ui≤300～400kV。（2）d50m易击中线路本身。aahUcci)(：感应过电压系数（陡度）6.2/Ia3.感应过电压的特点感应雷过电压的极性与雷云的极性相反；相邻线路产生相同极性的感应雷过电压，相间不存在电位差，只会发生对地闪络，但也会转化为相间闪络事故；感应过电压幅值一般不超过300～400kV，35kV及以下水泥杆塔出现闪络事故，110kV及以上线路一般不会出现威胁。74.有避雷线时的感应雷过电压存在接地避雷线→先导电荷产生电力线被避雷线截住（屏蔽作用）→导线感应的束缚电荷↓→感应电压↓避雷线感应雷过电压：ui(g)导线感应雷过电压:ui(c)，耦合电压：-k0ui(g)导线上的实际感应过电压为：)1(0)()(0)()(cgcigicicihhkuukuuk0：避雷线与导线之间的几何耦合系数，线间距离越近，k0越大，感应过电压越低。hg：避雷线对地的平均高度hc：导线的对地平均高度8四、输电线路直击雷过电压以中性点直接接地系统中有避雷线的线路为例，介绍直击雷的作用。雷击杆塔顶端雷击避雷线挡距中间雷绕过避雷线击于导线（绕击）91.雷击杆塔顶端时的过电压和耐雷水平大部分雷电流经被击杆塔及其接地电阻流入大地小部分雷电流经过避雷线由两相邻杆塔入地该种方式产生的雷电过电压最高，对于引起绝缘子闪络而言是最严重的。杆塔不高，Ri较小→接地点的反射波立即达到塔顶→入射波加倍→总雷电流i为沿雷道波阻抗传播入射电流的两倍。iitβ=0.86～0.92（杆塔分流系数）10（1）塔顶电位的计算utop当有避雷线时：)6.2()(tititttitopLRIdtdiLiRdtdiLiRu当无避雷线时：)6.2(titopLRIu由上面的分析可知，由于避雷线的分流作用，降低了雷击塔顶时塔顶的电位。与塔顶相连的避雷线的电位也是utop。杆塔电感波阻抗11（2）导线电位的计算Uc导线的电位分为两部分，分别是避雷线与导线的耦合电压（与雷电流同极性）和导线上的感应电压（与雷电流反极性）。)1()1(kahkUhhkahkUUctopcgctopc注：k为耦合系数（3）绝缘子串两端电压的计算uli绝缘子串两端电压为塔顶电压和导线电位电压之差)1)(6.26.2()1)(()1(khLRIkahukahkuuuuuctictopctoptopctopli12)1)(6.26.2(khLRIuctili对于以上公式的说明：各电压分量的幅值均在同一时刻出现；没有计入系统工作电压；绝缘子上端电压用杆塔顶端电位代替，忽略塔顶和横担间的电位差；将utop电压波沿避雷线传播而在导线上产生的耦合电压波的耦合作用系数与避雷线对电压波的屏蔽作用而在导线上产生的感应过电压的耦合作用系数视为同一个k值处理。13)1)(6.26.2(khLRIuctili当uli大于绝缘子串50%冲击放电电压U50%时，绝缘子串将发生闪络（反击），与其相对应的雷电流幅值I为此线路雷击杆塔时的耐雷水平（反击耐雷水平）I1。当无避雷线时：)1)(6.26.2(%501khLRUIcti6.26.2%501ctihLRUI由分析可知，有避雷线的线路耐雷水平得到提高。14（4）提高线路反击耐雷水平的措施增大耦合系数将单避雷线改为双避雷线，加强架空地线，可减小绝缘子串上的电压和感应雷击过电压。降低Ri（降低Ri便可以减小塔顶电位。）加强线路绝缘（提高U50%。）增大地线分流以降低杆塔分流系数常用措施是将单避雷线改为双避雷线或在导线下方加装耦合地线。主要采用措施1和措施2。)1)(6.26.2(%501khLRUIcti有避雷线线路耐雷水平152.雷击挡距中央避雷线时的过电压此情况为雷击于避雷线最严重的情况。gggAZvlaatZZiU4414雷击点电压的最大值为：A点与导线空气间隙绝缘上所承受的最大电压为：)1(4)1(kZvalkUUgAAB我国规定的一般挡距的线路，在挡距中央导线、地线的最小空气距离为：mld1012.0只要d满足上述要求，便可保证雷击于此位置时，线路不会跳闸。163.雷绕过避雷线击于导线时的过电压（1）绕击率的计算9.386lgtahP（2）雷击过电压的计算雷击点电压为：IZIUA10022Z=400ΩZ0≈200Ω35.386lgtahP平原线路：山区线路：（3）线路的绕击耐雷水平为：100%502UI雷绕击的耐雷水平较雷击杆塔的小很多。17五、输电线路雷击跳闸率引起输电线路雷击跳闸需要满足以下两个条件：雷电流超过线路耐雷水平，引起线路绝缘冲击闪络；短暂雷电波过去后，冲击闪络转变为稳定工频电弧，导线上将产生工频短路电流，造成线路跳闸停电。若不转变为工频电弧将不会跳闸。1.雷击杆塔的跳闸率（反击跳闸率）118.2Pghngn1：100km线路每年雷击杆塔的跳闸次数2.8hg：每年的落雷次数（100km、40雷暴日）g：击杆率η：建弧率P1：雷电流超过I1的次数182.绕击跳闸率228.2PPhnag3.线路雷击跳闸率线路雷击跳闸率为反击跳闸率和绕击跳闸率之和。)(8.22121PPgPhnnnag六、非直接接地无避雷线情况在中性点非直接接地的电网中，无避雷线的线路以每100km线路每年40个雷暴日的雷击跳闸率为：18.2PhncP1：雷击使线路一相导线与杆塔闪络后，再向第二相导线反击时雷电流幅值超过耐雷水平的概率。19例：平原地区220kV双避雷线，绝缘子串的正极性冲击放电电压U50%为150kV，杆塔冲击接地电阻为7欧姆，避雷线与输电线路的平均高度分别为24.5m和15.4米，耦合系数为0.286，杆塔的等值电感为0.5uH/m，分流系数为0.88，击杆率为1/6，绕击率为0.144%，建弧率为0.8.要求计算线路的耐雷水平及跳闸率。解：（1）计算反击耐雷水平杆塔高度为ht=3.5+2.2+23.4=29.1m杆塔电感Lt=0.5×29.1=14.5uH20kA116)286.01)(6.24.156.25.1488.0788.0(1560)1)(6.26.2(%501khLRUIcti由我国雷电流概率曲线查得P1=8.4%（2）计算绕机耐雷水平A6.151001560100%502UI由我国雷电流概率曲线查得P2=71.7%（3）线路的雷击跳闸率为n=2.8hg(gP1+PaP2)η=2.8×24.5(1/6×8.4%×0.144%×71.7%)×0.8=0.82次/（100km·40雷暴日）21七.输电线路的防雷措施1.架设避雷线避雷线是高压和超高压输电线路最基本的防雷措施，我国规定：330kV及以上应全线架设双避雷线；220kV宜全线架设双避雷线；110kV一般全线架设避雷线，但在少雷区或者雷电活动轻微地区可不全线架设避雷线；35kV及以下线路一般不沿全线架设避雷线；现代超高压、特高压或高杆塔，皆采用双避雷线；杆塔上两根避雷线间的距离不应超过导线与避雷线间垂直距离的5倍；避雷线可采用小间隙对地绝缘，以降低正常工作时避雷线中电流引起的附加损耗，同时可以将避雷线兼作通信用。222.降低杆塔接地电阻降低杆塔接地电阻，可降低杆塔顶端电压，以降低反击的发生概率。3.架设耦合地线在降低杆塔接地电阻有困难时，可在导线的下方架设地线，其作用为增加导线与避雷线间的耦合作用；增加对雷电流的分流作用。4.采用不平衡绝缘方式对于双回路线路的防雷措施不能满足要求时，可采用不平衡绝缘方式降低双回路雷击同时跳闸率，以保证不同时中断供电。两回路的绝缘子串片数有一定差异，差异宜为相电压峰值的倍。3235.采用消弧线圈接地方式对于35kV及以下的线路，一般不采用全线架设避雷线的方式，而采用中性点不接地或经消弧线圈接地运行方式。6.装设自动重合闸雷击造成的闪络大多能在跳闸后自动恢复绝缘性能，因此重合闸的成功率较高。我国110kV及以上高压线路成功率为75%～90%；35kV及以下线路约为50%～80%。7.装设排气式避雷器一般在线路交叉处和高杆塔上装设排气式避雷器以限制过电压。8.加强绝缘对于高杆塔，采用增加绝缘子串片数的方法提高其防雷水平。全高超过40m的带避雷线杆塔，每增加10m，增加一个绝缘子。24第2节发电厂和变电所的防雷保护主要内容：概述发电厂、变电所的直击雷保护发电厂、变电所的雷电侵入波防护变电所防雷的几个具体问题25一、概述防雷区别：线路防雷：部分耐雷发电厂、变电所：完全耐雷雷害种类：雷直击于发电厂、变电所雷击输电线路产生的雷电波侵入发电厂、变电所防雷措施：直击雷防护：避雷针、避雷线雷电侵入波防护：避雷器26二、发电厂、变电所的直击雷保护1.基本要求（1）保护措施安装避雷针、避雷线和铺设良好的接地网（2）装设要求装设避雷针（线）应该使发电厂、变电所的所有设备和建筑物处于保护范围之内；应当使被保护物体与避雷针（线）之间留有一定距离，以防止发生避雷针（线）对电气设备的反击或逆闪络。（3）直击雷防护设计的主要内容为防止逆闪络的发生，被保护物体与避雷针间在空气中以及地下接地装置间应有足够的距离。272.避雷针的设置避雷针：独立避雷针、架构避雷针（1）间距计算iBiAiRUiRdtdihLU02211//EUdEUdBA一般可取：mkVEmkVEmHLdtdikAIav/300/500/55.16.2/100)/(100210，，，iiRdhRd3.01.02.021独立避雷针的工频接地电阻不宜大于10Ω。架构避雷针造价低廉，便于布置，但因架构离电气设备较近，必须保证不发生反击的要求。28（2）我国对于避雷针的要求我国规程规定：35kV及以下配电装置的绝缘较弱，其架构或房顶上不宜装设避雷针，而应装设独立避雷针。60kV的配电装置在ρ≤500Ω﹒m的地区容许采用构架避雷针，而在ρ500Ω﹒m的地区宜采用独立避雷针。110kV及以上的配电装置，在土壤电阻率ρ≤1000Ω﹒m时，不易反击，容许装设构架避雷针。安装避雷针的构架的接地