第三篇 过电压防护与绝缘配合8.3 电力系统防雷保护 电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等各个环节本节内容：8.3.1 输电线路的防雷保护8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护1. 输电线路上的感应雷过电压 雷击线路附近地面时，路的导线上会产生感应雷过电压，由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大，雷电流幅值I一般不超过100kA实测证明，感应过电压一般不超过300-400kV，对35kV及以下水泥杆线路会引起一定的闪络事故；对110kV及以上的线路，由于绝缘水平较高，所以一般不会引起闪络事故 感应雷过电压同时存在于三相导线，故相间不存在电位差，只能引起对地闪络，如果二相或三相同时对地闪络即形成相间闪络事故 设避雷线和导线悬挂的对地平均高度分别为hg和hc,若避雷线不接地，则根据教材公式(8-18)可求得避雷线和导线上的感应过电压分别为 和 于是 2. 输电线路的耐雷水平 我国110kV及以上线路一般全线都装设避雷线，而35kV及以下线路一般不装设避雷线，中性点直接接地系统有避雷线的线路遭受直击雷一般有三种情况：雷击杆塔塔顶；雷击避雷线档距中央；雷电绕过避雷线击于导线，如图8-21所示。
图8-21 有避雷线线路直击雷的三种情况（1） 雷击杆塔塔顶时的耐雷水平 运行经验表明，雷击杆塔的次数与避雷线的根数和经过地区的地形有关，雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率g，DL/T 6201997标准，击杆率g可采用表8-5所列数据表8-5 杆率g避雷线线根数12平原1/41/6山丘1/31/4 雷击塔顶前，雷电通道的负电荷在杆塔及架空地线上产生感应正电荷；当雷击塔顶时，雷通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流，如图8-22（a）所示 图8-22 （a）雷击塔顶时雷电流的分布(b)雷击塔顶时等值电路 对于一般高度(40m以下)的杆塔，在工程近似计算中采用图8-22（b）的集中参数等值电路进行分析计算，考虑到雷击点的阻抗较低，故略去雷电通道波阻的影响 图8-22 （a）雷击塔顶时雷电流的分布(b)雷击塔顶时等值电路（2）雷击避雷线档距中央 雷击避雷线档距中央时，雷击点会出现较大的过电压，如图8-23所示，根据彼德逊法则，由教材中公式（8-15），雷击点A的电压为： 式中 避雷线的波阻抗 图8-23 雷击避雷线档距中央1避雷线 2导线（3）雷电绕击于导线时的耐雷水平 装设避雷线的线路仍然有雷绕过避雷线而击于导线的可能性，虽然绕击的概率很小，但一旦出现此情况，则往往会引起线路绝缘子的闪络。
雷电绕击线路的电气几何模型如图8-24所示 图8-24 雷电绕击线 路的电气几何模型3. 输电线路的雷击跳闸率 雷电流超过线路的耐雷水平，会引起线路绝缘发生冲击闪络这时，雷电流沿闪络通道入地，但持续时间只有几十 ，线路断路器来不及动作闪络后是否会引起线路跳闸，还要看闪络能不能转化成稳定的工频电弧其概率称为建弧率以 表示，与沿绝缘子串和空气间隙的平均运行电压梯度有关可用下式表示：式中：E绝缘子串的平均运行电压梯度，kV(有效值)/m 雷击杆塔顶部发生闪络并建立电弧引起跳闸的次数 ,雷绕过避雷线击于导线发生闪络并建立电弧引起跳闸的次数 有避雷线线路的雷击跳闸率n可按下式计算：式中：N 落雷次数，次/(100kma)； 建弧率； g 击杆率； 超过雷击杆塔顶部时耐雷水平的雷电流概率； 超过雷绕击导线时耐雷水平的雷电流概率； 绕击率(包括平原和山区)4. 输电线路的防雷措施 输电线路的防雷措施主要做好以下“四道防线”： 防止输电线路导线遭受直击雷； 防止输电线路受雷击后绝缘发生闪络； 防止雷击闪络后建立稳定的工频电弧； 防止工频电弧后引起中断电力供应 确定输电线路防雷方式时，还应全面考虑线路综合因素，因地制宜地采取合理的保护措施。
（1）架设避雷线 （2）降低杆塔接地电阻 （3）架设耦合地线 （4）采用不平衡绝缘方式 （5）采用中性点非有效接地方式 （6）装设避雷器 （7）加强绝缘 （8）装设自动重合闸 主要保护措施：8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护 发电厂和变电所是电力系统的枢纽，设备相对集中，一旦发生雷害事故，往往导致发电机、变压器等重要电气设备的损坏，更换和修复困难，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活因此，发电厂和变电所的防雷保护要求十分可靠 变电所中出现的雷电过电压的两个来源： 雷电直击变电所； 沿输电线入侵的雷电过电压波1. 直击雷过电压的防护 直击雷防护的措施主要是装设避雷针或避雷线，使被保护设备处于避雷针或避雷线的保护范围之内，同时还必须防止雷击避雷针或避雷线时引起与被保护物的反击事故 当雷击独立避雷针时，如图8-27所示图8-27雷击独立避雷针1母线 2变压器 雷电流经避雷针及其接地装置在避雷针h高度处和避雷针的接地装置上将出现高电位UA(kV)和UG(kV)图8-27雷击独立避雷针1母线 2变压器式中:i流过避雷针的雷电流，kA； Ri避雷针的冲击接地电阻，单位为； L避雷针的等值电感 ； 雷电流的上升陡度，kA 。
为了防止避雷针与被保护的配电构架或设备之间的空气间隙Sa被击穿而造成反击事故，必须要求Sa大于一定距离，取空气的平均耐压强度为500kVm；为了防止避雷针接地装置和被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙Se被击穿，必须要求Se大于一定距离，取土壤的平均耐电强度为300kVm，Sa和Se应满足下式要求: Sa0.2Ri0.1h Se0.3Ri2. 侵入波过电压的防护 变电所中限制雷电侵入波过电压的主要措施是装设避雷器如果三台避雷器分别直接连接在变压器的三个出线套管端部，只要避雷器的冲击放电电压和残压低于变压器的冲击绝缘水平，变压器就得到可靠的保护 但在实际中，变电所有许多电气设备需要防护，而电气设备总是分散布置在变电所内，常常要求尽可能减少避雷器的组数，又要保护全部电气设备的安全，加上布线上的原因，避雷器与电气设备之间总有一段长度不等的距离3. 变电所的进线段保护 变电所的进线段保护是对雷电侵入波保护的一个重要辅助措施，就是在临近变电所12km的一段线路上加强防护进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和侵入波的陡度35kV110kV变电所的进线段保护接线如图8-32所示 图8-32 35kV110kV变电所进线保护接线4. 变压器防雷保护的几个具体问题（1）变压器中性点防雷保护。
当三相来波时，在变压器中性点的电位理论上会达到绕组首端电压的两倍，因此需要考虑变压器中性点的保护问题2）三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图8-35 自耦变压器的防雷保护接线（3）自耦变压器的防雷保护 自耦变压器除高、中压自耦绕组之外，还有三角形接线的低压非自耦绕组高低压绕组运行而中压开路时，若有侵入波从高压端线路袭来，绕组中电位的起始与稳态分布以及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同自耦变压器的防雷保护接线如图8-35所示 配电变压器的防雷保护接线如图8-36所示，其310kV侧应装设阀式避雷器FS-310或保护间隙来保护，构成变压器高压侧FS的接地端点、低压绕组的中性点和变压器金属外壳三点联合接地4）配电变压器的防雷保护图8-36 配电变压 器的保护接线5.旋转电机的防雷保护 旋转电机包括发电机、调相机、大型电动机等，是电力系统的重要设备，要求具有十分可靠的防雷保护1）旋转电机的防雷保护特点1) 在相同电压等级的电气设备中，旋转电机的绝缘水平是最低的2) 2) 电机在运行中受到发热、机械振动、臭氧、潮湿等因素的作用使绝缘容易老化。
3) 3) 保护旋转电机用的磁吹避雷器(FCD型)的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小4) 4) 由于电机绕组的匝间电容K很小5) 电机绕组中性点一般是不接地的2）直配电机的防雷保护 1) 发电机出线母线上装一组MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的残压与电机的绝缘水平相配合，保护电机主绝缘2) 采用进线段保护，一般采用电缆段与排气式避雷器配合的典型进线段保护3) 在发电机母线上装设一组并联电容器，包括电缆段电容在内一般每相电容应为0.250.5F，可以限制雷电侵入波的陡度a使之小于2kV/s，同时可以降低感应雷过电压使之低于电机冲击耐压强度，保护电机匝间绝缘和中性点绝缘4) 发电机中性点有引出线时，中性点应加装避雷器保护，如电机绕组中性点并未引出，则每相母线并联电容应增至1.52.0F 60MW以上的电机(其中包括60MW的电机)一般都经变压器升压后接至架空输电线络在多雷区的非直配电机，宜在电机出线上装设一组旋转电机用的避雷器如电机与升压变压器之间的母线桥或组合导线无金属屏蔽部分的长度大于50m时，除应有直击雷保护外，还应采取防止感应雷过电压的措施，即在电机母线上装设每相不小于0.15 F的电容器或磁吹避雷器；此外，在电机的中性点上还宜装设灭弧电压为相电压的阀式避雷器。
3）非直配电机的防雷保护6. 气体绝缘变电所的防雷保护 气体绝缘变电所(GIS)是将除变压器以外变电所内的高压电器设备及母线封闭在一个接地的金属壳内，壳内充以34个大气压的SF6气体作为相间及相对地的绝缘GIS变电所具有体积小，占地面积小，维护工作量小，不受周围环境条件影响，对环境无电磁干扰，运行性能可靠等优点2) 66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所，在电缆与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与电缆的金属外皮连接1) 66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所，在GIS管道与架空线路连接处应装设无间隙金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与管道金属外壳连接 对GIS常用的保护措施: 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本节完）8.4 接地的基本概念及原理 8.4.1 接地概念及分类 8.4.2 接地电阻，接触电压和跨步电压 8.4.3 接地和接零保护8.4.1 接地概念及分类 接地就是指将电力系统中电气装置和设施的某些导电部分，经接地线连接至接地极。
埋入地中并直接与大地接触的金属导体称为接地极电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分称为接地线接地极和接地线合称接地装置 接地按用途可分为： 工作接地 保护接地 防雷接地 静电接地8.4.2 接地电阻，接触电压和跨步电压 大地具有一定的电阻率，如果有电流经过接地极注入，电流以电流场的形式向大地作半球形扩散，则大地就不再保持等电位，将沿大地产生电压降 设土壤电阻率为 ,大地内的电流密度为 ,则大地中电场强度为 在靠近接地极处，电流密度 和电场强度 最大，离电流注入点愈远，地中电流密度和电场强度就愈小，因此可以认为在相当远（约2040m）处，为零电位电位分布曲线如图8-42所示 图8-42 接地装置的电位分布Ut接触电压 Us跨步电压 接地装置对地电位u与通过接地极流入地中电流i的比值称为接地电阻 人处于分布电位区域内，可能有两种方式触及不同电位点而受到电压的作用当人触及漏电外壳，加于人手脚之间的电压，称为接触电压 当人在分布电位区域内跨开一步，两脚间（水平距离0.8m）的电位差，称为跨步电位差，即跨步电压 本书还分别介绍了几种典型接地极的接地电阻计算，请读者仔细研读8.4.3 接地和接零保护1. 发电厂、变电所的接地保护 发电厂、变电所中的接地网是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置。
一般的作法是：除利用自然接地极以外，根据保护接地和工作接地要求敷设一个统一。