高电压技术10讲述

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1、第十章 发电厂和变电所的防雷保护 vv 发电厂和变电所雷电过电压来源：发电厂和变电所雷电过电压来源： （1）雷直击发电厂和变电所； （2）雷击输电线路产生的过电压沿线路侵入发电厂和变 电所。 vv 变电所雷电过电压的危害：变电所雷电过电压的危害： （1）发电机、变压器等主要电气设备的内绝缘大都没有 自恢复的能力； （2）220kV线路50%放电电压1200kV，而相应的变压器全 波冲击试验电压850kV，全波多次冲击耐压只有 850/1.1=773kV； （3）造成大面积停电。 1 vv 过过电压防护的主要措施：防护的主要措施： 降低来波陡度降低来波陡度 减小通过避雷器的电流减小通过避雷器的电

2、流 进线保护段进线保护段 避雷器的保护作用与范围避雷器的保护作用与范围 侵入波侵入波 避雷针，避雷线，保护范围避雷针，避雷线，保护范围 防止反击防止反击 直击直击 2 1 1、避雷针的反击：、避雷针的反击： A A d d L L S S KK 1 2 Rch S Sd d h K K 避雷针与配电构架同高处避雷针与配电构架同高处 避雷针的接地装置上避雷针的接地装置上 一般直击雷电流一般直击雷电流i i L L =100kA; =100kA; L L0 0 =1.55=1.55 H/m; hH/m; h高高处处L=1.55hL=1.55h H H 空气空气、土壤的平均土壤的平均击击穿穿场场强强

3、分别为分别为 ： E E 空气空气500kV/m500kV/m， E E土壤土壤300kV/m300kV/m 10-1 发电厂、变电所的直击雷保护 3 1 1、避雷针的反击：、避雷针的反击： A A d d L L S S KK 1 2 Rch S Sd d h K K 发发生反生反击时击时 : 500S: 500S k k =100R=100Rch ch+60h +60h 300S 300S d d =100R=100Rch ch 防止反防止反击击: : S S k k 0.2R0.2Rch ch+0.1h +0.1h （一般（一般S S k k 不应小于不应小于5m 5m ） S S d

4、d 0.3R0.3Rch ch （ （一般一般S S d d 不不应小于应小于3m 3m ） 4 2 2、避雷针的安装方式、避雷针的安装方式 u一般110kV及以上变电所，允许装配电构架避雷针 ，配电构架需装设辅助接地装置，与地网的连接处 距变压器接地与地网连接处的距离不小于15m。土 壤电阻率500m时,需独立架设避雷针。 u变压器门型构架上不得加装避雷针。 u35kV及以下变电所需独立架设避雷针，并达到不 反击的要求。 （1 1） （2 2） (1) 配电构架辅助接地装置与地网连接点 (2) 变压器接地与地网的连接点 5 10-2 变电所内阀型避雷器的保护作用 变电所内必须装设避雷器以限制

5、雷电波入侵时的 过电压，这是变电所防雷保护的基本措施之一。 阀式避雷器的保护作用基于三个前提： 它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的 配合，在一切电压波形下，前者均处于后者之下。 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。 被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。 6 1 1、避雷器与被保护设备距离为零时的过电压、避雷器与被保护设备距离为零时的过电压 7 变压器在冲击电压作用下可等值为一个电容（称为入 口电容），一般可以不计，认为输电线路在此开路。 避雷器动作前： 变压器（也是避雷器）上电压： 避雷器动作后： 变压器（也是避雷器）上电压有两个峰值： Uch ：避雷器冲击放

6、电电压 Ubm：避雷器残压的最大值，取5kA下的数值 两个峰值Uch和Ubm基本相同 8 变压器得到可靠保护条件：变压器冲击放电电压 大于避雷器的冲击放电电压和5kA下的残压。 具有正常防雷接线的110kV220kV变电所，流 经避雷器的雷电流一般不超过5kA（对330kV变电 所为10kA ），故残压的最大值取为5kA下的数值 ，用Ub.5表示。 9 若入侵雷电波为斜角波u=at，则避雷器的作用相当于在避雷 器放电时刻tp在避雷器安装处产生一负电压波a(ttp)， 如图10-2-3所示。 10 避雷器离开变压器和各电气设备有一段长度不等的 距离当雷电波入侵时，变压器和各电气设备上的 电压将与

7、避雷器上电压不相同，二者相差多少?避 雷器对变电所所有设备是否都能起到保护作用?下 面以一简例来分析。 11 2 2、避雷器与被保护设备有一定距离时的过电压、避雷器与被保护设备有一定距离时的过电压 入侵波 at (到B点时t=0)在变压 器入口处 T发生全反射: 1)、当T点的反射波到达B点之前 UB(t) = at 2)、当T点的反射波到达B后和避雷器动 作之前 图10-2-4 雷电波at入侵时 变电所各点电压的分析 12 10-2-4 (b) 计算L、B、T各点电压的行波网格图 13 以下分析时不取统一的时间起点，而以各点开始出现电压 时为各点的时间起点。 1、避雷器上的电压uB 1)点T

8、的反射波到达B点前有 uB(t)=at 2)点T的反射波到达B点后和避雷器动作前有 uB(t)= at+a(t2l2 /v) = 2a(tl2 /v) (假定避雷器的动作时间 t p 2l2 /v) 式中，v为波速。 3)避雷器动作时刻 t = tp 相当于在 t = t p时刻在点B处加上一负电压波 -2a(tt p). 14 当t t p时 ，有 uB(t) = 2a(t l2 /v) 2a(t t p） 2a(t pl2 /v) (10-2-1) 上式表明，当t t p时避雷器动作后电压uB保持为一定值， 其值为2a(t pl2 /v)，应等于避雷器残压，现取其最大值为 5kA下的残压U

9、b5 ，故当t t p时有 uB(t) = 2a(t pl2 /v) Ub5 (10-2-2) 15 uB的波形见表1021和图1025(a). 表 10-2-1 图1025(a) 16 2、进线隔离开关上的电压 uL 表1022 进线隔离开关上的电压 图1025(b)进线隔离开关上的电压17 3、变压器上电压UT( t )： 具有振荡性质 截波 18 入侵波陡度a为某一值时，变压器与避雷器之间的距离有一 极限值，超过此值，变压器上受到的冲击电压将超过其冲击 耐压，避雷器对变压器将无法保护，此值称为避雷器的最大 保护距离(或称保护范围)。在变电所设计时，应使所有设备 到避雷器的电气距离都在保护

10、范围内。 当雷电波入侵变电所时，变电所设备上所受冲击电压的 最大值Us可用下式表示 (10-2-5) 式中： l为设备与避雷器之间的电气距离. 19 为了使设备绝缘不致于被击穿，应按下式选定绝缘的冲 击耐压水平 UW（i） U is U 式中，UW（i）绝缘的雷电冲击耐压值； U is 阀式避雷器的冲击放电电压. 对于一定的进波陡度a，即可求得被保护绝缘与避雷器之 间的最大容许距离为l max=(UW（i） U is）/(2a / v) （m） 或者，对于已安装好的距离，可求出最大容许进波陡度为 a /v = (UW（i） U is）/(2l ) (kv/m) 注意此时陡度a 单位为 KV /

11、s ，波速v 单位为 m /s 。 20 103 变电所的进线段保护 变电所进线段保护的作用：限制流经避雷器的雷电流 幅值和限制入侵波的陡度。 一、35kV及以上变电所的进线段保护 对于35110kV无避雷线的线段在靠近变电所的一段 进线上必须架设避雷线以保证雷电波只在此进线段外出 现，进线段内出现雷电波的概率将大大减小。架设避雷 线的这段进线称为进线保护段，其长度一般取为12km ，避雷线的保护角应为20左右，以尽量减少绕击机会。 对于全线有避雷线的线路，也将变电所附近2km长的一 段进线列为进线保护段。 21 22 图中各元件的名称和作用： 1）进线段的作用：进线段内防止雷击导线，进线段

12、以外进雷时，由于进线段本身阻抗的作用，使流经 避雷器的雷电流受到限制，同时由于冲击电晕的影 响，将使入侵波陡度和幅值下降。 2）F3的作用：限制入侵雷电波的幅值。 3）(管型避雷器)F2的作用：隔离开关或断路器断开 时防止入侵波在此发生全反射造成对地闪络。 断路 器闭合运行时，F2在变电所阀型避雷器的保护范围 内不动作，避免产生截波可能危及变压器纵绝缘。 4）(阀式避雷器)F1的作用：断路器合闸状态时，保 护一切绝缘。 23 n 在进线段内雷绕击或反击而产生入侵波的 机会很小。 n 但变电所的雷害事故 n 50%是由雷击1km以内的线路引起的 ； n 71%是由雷击3km以内的线路引起的 。

13、n 进线段耐雷水平 额额额额定定电压电压电压电压 kVkV 3566110220330500 耐雷水平耐雷水平 kAkA 306075110150175 24 1.1.流经避雷器电流的计算流经避雷器电流的计算 进线段首端落雷且最大幅值为绝缘子 50冲击闪络电压U50%，行波在进线段 来回一次的时间为： 进线段可以限制避雷器中电流 25 2.2.进入变电所的雷电流陡度的计算进入变电所的雷电流陡度的计算 首端落雷且幅值为U50%的直角波， 冲击电晕将使直角波波头变缓： 计算不同电压等级的 后，可求出变电站电气设备 离避雷器的最大允许电气距离lm 26 二、35kV小容量变电所的简化进线保护 u避雷

14、器距变压器距离小于10m，a允许大一些 u进线段可缩短到500600m u为了限流，在进线首段可装设一组管型避雷器 或保护间隙GB1、GB2。 27 对35110kV变电所，不能达到耐雷水平时，可 在进线的终端杆上安装一组1000H左右的电抗线圈 来代替进线段，此电抗线圈既能限制流过避雷器的 雷电流又能限制入侵波陡度。 28 变电所侵入波的保护接线变电所侵入波的保护接线 u500kV变电所保护接线 29 变电所侵入波的保护接线变电所侵入波的保护接线 u 220kV变电所保护接线 30 10-4 三绕组变压器和自耦变压器的防雷保护 一、三绕组变压器的防雷保护 只要在任一相低压绕组直接出口处对地加

15、装一个避雷器 即可。中压绕组虽也有开路的可能，但其绝缘水平较高， 一般不装。 二、自耦变压器的防雷保护 当入侵波从高压端线路袭来，可能使处于开路的中压 端套管闪络，因此在中压侧与断路器之间应装设一组避雷 器，以便当中压侧断路器开路时保护中压侧绝缘； 当高压侧开路，中压侧有雷电波入侵时，将危及开路 的高压侧，因此在高压侧与断路器之间也应装设一组避雷 器。 31 10-5 变压器中性点保护 一、全绝缘 变压器中性点的绝缘水平与相线端是一样的。 1、3560KV非有效接地系统中，变压器中性点一般不需 要保护装置。 2、对110KV且为单进线的变电所，宜在中性点上加设避 雷器。 二、分级绝缘 变压器中性点的绝缘水平比相线端低得多。 对于中性点接地系统中，有些不接地的变压器需要保护 。 32 旋转电机的防雷保护应包括电机主绝缘、匝间 绝缘和中性点绝缘的保护。