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1、风电场电气系统风电场电气系统华北电力大学华北电力大学电气与电子工程学院电气与电子工程学院朱永强朱永强 张旭张旭 主编主编普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”电气信息类规划教材电气信息类规划教材风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7 7 风电场的防雷和接地风电场的防雷和接地 v7.1 7.1 雷电的产生机理、危害及防护雷电的产生机理、危害及防护v7.2 7.2 接地的原理、意义及措施接地的原理、意义及措施v7.3 7.3 大型风力机的防雷保护大型风力机的防雷保护v7.4 7.4 集电线路的防雷与接地集电线路的防雷与接地v7.5 7.5 升压变电站的防雷与接地升压变电站的防雷与接地
2、2风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.1 雷电的产生机理、危害及防护雷电的产生机理、危害及防护7.1.1 雷电的产生机理雷电的产生机理雷电雷电是雷云间或雷云与地面物体间的是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象放电现象。电位差可达数兆伏甚至数十兆伏，放电电流几十千安甚至几电位差可达数兆伏甚至数十兆伏，放电电流几十千安甚至几百千安。经验表明，对地放电的百千安。经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷雷云绝大部分带负电荷，所，所以雷电流的极性也为负的。以雷电流的极性也为负的。雷电的类型雷电的类型直击雷直击雷：雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放电。：雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放
3、电。感应雷感应雷：包括静电感应雷和电磁感应雷。：包括静电感应雷和电磁感应雷。球形雷球形雷：是一种球形的发红光或极亮白光的火球。：是一种球形的发红光或极亮白光的火球。3风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地直击雷直击雷：雷云放电时，雷电流可达几百千安。通过被雷击物：雷云放电时，雷电流可达几百千安。通过被雷击物体时，产生大量的热量，使物体燃烧。体时，产生大量的热量，使物体燃烧。感应雷感应雷：雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电：雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电磁效应和静电效应作用。磁效应和静电效应作用。在雷云向其他地方放电后，云与大地之间的电场突然消失，在雷云向其他地
4、方放电后，云与大地之间的电场突然消失，但建筑物的顶部或架空线路上的电荷不能很快泄入大地，但建筑物的顶部或架空线路上的电荷不能很快泄入大地，残留的大量电荷相互排斥而产生强大的能量使建筑物震裂。残留的大量电荷相互排斥而产生强大的能量使建筑物震裂。同时，残留电荷形成的高电位，往往造成屋内电线、金属同时，残留电荷形成的高电位，往往造成屋内电线、金属管道和大型金属设备放电，击穿电气绝缘层或引起火灾、管道和大型金属设备放电，击穿电气绝缘层或引起火灾、爆炸。爆炸。7.1.2 雷电的危害雷电的危害4风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地避雷针避雷针：由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。：由
5、接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。原理原理：使雷云先导放电通道所产生的电场发生畸变，致使雷：使雷云先导放电通道所产生的电场发生畸变，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。避雷线避雷线：由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线（接闪器）、：由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线（接闪器）、接地引下线和接地体组成。主要用于输电线路、发电厂和接地引下线和接地体组成。主要用于输电线路、发电厂和变电站的防雷保护。变电站的防雷保护。原理原理：与避雷针基本相同，但对电场畸变的影响比避雷针小。：与避雷针基本相同，但对电场畸变的影响比避雷针小。避雷器避雷器：用来限
6、制沿线路侵入的雷电过电压（或因操作引起：用来限制沿线路侵入的雷电过电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。的内过电压）的一种保护设备。原理原理：实质上是一种放电器，把它与被保护设备并联，并在：实质上是一种放电器，把它与被保护设备并联，并在被保护设备的电源侧。被保护设备的电源侧。7.1.3 雷电的一般防护雷电的一般防护5风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地避雷带避雷带和和避雷网避雷网：在建筑物最可能遭到雷击的地方采用镀锌：在建筑物最可能遭到雷击的地方采用镀锌扁钢或镀锌圆钢，并通过接地引下线与埋入地中的接地体扁钢或镀锌圆钢，并通过接地引下线与埋入地中的接地体相连构成避雷带，再由避
7、雷带构成的避雷网。相连构成避雷带，再由避雷带构成的避雷网。原理原理：避雷带、避雷网与避雷针及避雷线一样可用于直击雷：避雷带、避雷网与避雷针及避雷线一样可用于直击雷防护。防护。接地装置接地装置：对地保持一个低的电位差，埋入地中并直接与大：对地保持一个低的电位差，埋入地中并直接与大地接触的金属导体。地接触的金属导体。作用作用：使雷电流顺利入地，减小雷电流通过时的电位升高。：使雷电流顺利入地，减小雷电流通过时的电位升高。7.1.3 雷电的一般防护雷电的一般防护6风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.2 接地的原理、意义及措施接地的原理、意义及措施7.2.1 接地基本概念接地基本概念v接
8、地接地：在电力系统中，接地通常指的是接大地，即将电力：在电力系统中，接地通常指的是接大地，即将电力系统或设备的某一金属部分经金属接地线连接到接地电极系统或设备的某一金属部分经金属接地线连接到接地电极上。上。v电力系统中的接地电力系统中的接地：通常是指中性点或相线上某点的金属：通常是指中性点或相线上某点的金属部分。部分。v电气设备的接地电气设备的接地：通常情况下是指不带电的金属导体（一：通常情况下是指不带电的金属导体（一般为金属外壳或底座）。般为金属外壳或底座）。v非电气设备的导体接地非电气设备的导体接地：如风管、输油管及建筑物的金属：如风管、输油管及建筑物的金属构件经金属接地线与接地电极相连接
9、。构件经金属接地线与接地电极相连接。7风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v接地电阻接地电阻：即接地装置对：即接地装置对地电压与入地电流之比。地电压与入地电流之比。它包括接地线、接地体的它包括接地线、接地体的电阻以及接地体与土壤间电阻以及接地体与土壤间的过渡电阻和大地的散流的过渡电阻和大地的散流电阻。前两者较小，可忽电阻。前两者较小，可忽略不计，主要是大地的散略不计，主要是大地的散流电阻。故接地电阻与土流电阻。故接地电阻与土壤的电阻率壤的电阻率成正比，与接成正比，与接地体的半径成反比。设接地体的半径成反比。设接地装置（接地体）为一半地装置（接地体）为一半径为的半球体，并认为接径为的
10、半球体，并认为接地体周围土质均匀。地体周围土质均匀。7.2.1 接地基本概念接地基本概念图7-5 接地装置对地电位分布曲线Uk接触电位差；Ukb跨步电位差8风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v接触电压：即当电气设备绝缘损坏外壳带电时，有可能施加于人体的电压。为保证人身安全（50V）。v跨步电压：未触及该设备，但由于人在跨步过程中，两只脚所处的位置不同所产生的电压。同样不允许超过安全电压（50V）。7.2.1 接地基本概念接地基本概念 称为接触电压； 称为跨步电压； 为带电的设备外壳电压； 为前脚电位； 为后脚电位。9风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v工频接地电阻：
11、对电力系统中的工作接地和保护接地，接地电阻是指工频交流（或直流）电流流过接地装置时所呈现的电阻。v冲击电阻：峰值电压与峰值电流之比。v接地体上最大电压出现的时刻，不一定是最大电流出现的时刻。工程上通常是测量工频（或直流）接地电阻，并用冲击系数来表示冲击接地电阻与工频接地电阻的关系，即：7.2.1 接地基本概念接地基本概念10风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v冲击系数 ：一般用实验方法求得，在缺乏准确数据时，对集中的人工接地体或自然接地体的冲击系数，也可按下式计算： 式中：I为冲击电流幅值，kA；为土壤电阻率，km；l为垂直接地体或水平接地体长度，或环形闭合接地体的直径，或方形闭
12、合接地体的边长，m；及m为与接地体形状有关的系数，对垂直接地体，m，对水平及闭合接地体，m。 7.2.1 接地基本概念接地基本概念11风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.2.2 接地的意义接地的意义功能性接地功能性接地工作接地逻辑接地信号接地屏蔽接地保护性接地保护性接地保护接地防雷接地防静电接地防电腐蚀接地12风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1 1工作接地工作接地v为保证电力系统的正常运行，在电力系统的适当地点进行的接地，称为工作接地。在交流系统中，适当的接地点一般为电气设备，例如变压器的中性点；在直流系统中还包括相线接地。v2 2逻辑接地逻辑接地v电子设备为
13、了获得稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属部件，如金属底座等作为参考零电位，把需要获得零电位的电子器件接于该金属部件上，如金属底座等，这种接地称为逻辑接地。该基准电位不一定与大地相连接，所以它不一定是大地的零电位。7.2.2.1 功能性接地功能性接地13风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v3 3信号接地信号接地v为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，称为信号接地。v4 4屏蔽接地屏蔽接地v将设备的金属外壳或金属网接地，以保护金属壳内或金属网内的电子设备不受外部的电磁干扰；或者使金属壳内或金属网内的电子设备不对外部电子设备引起干扰。这种接地称为屏蔽接地。法拉第笼就是最好的屏蔽
14、设备。7.2.2.1 功能性接地功能性接地14风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1 1保护接地保护接地v为防止电气设备绝缘损坏而使人身遭受触电危险，将于电气设备绝缘的金属外壳或构架与接地极做良好的连接，称为保护接地。接低压保护线（PE线）或保护中性线（PEN线），也称为保护接地。停电检修时所采取的临时接地，也属于保护接地。v2 2防雷接地防雷接地v将雷电流导入大地，防止雷电伤人和财产受到损失而采用的接地，称为防雷接地。7.2.2.2 保护性接地保护性接地15风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v3 3防静电接地防静电接地v将静电荷引入大地，防止由于静电积累对人体和设
15、备受到损伤的接地，称为防静电接地。而油罐汽车后面拖地的铁链子也属于防静电接地。v4 4防电腐蚀接地防电腐蚀接地v在地下埋设金属体作为牺牲阳极以达到保护与之连接的金属体，如输油金属管道等，称为防电蚀接地。牺牲阳极保护阴极的称为阴极保护。7.2.2.2 保护性接地保护性接地16风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1）电气设备及设施宜接地或接中性线，并做到因地制宜，安全可靠，经济合理。v2）不同用途和不同电压的电气设备，除另有规定者外，应使用一个总的接地系统，接地电阻应符合其中最小值的要求。v3）接地装置应充分利用直接埋入水下和土壤中的各种自然接地体接地，并校验其热稳定。v4）当电站接
16、地电阻难以满足运行要求时，可根据技术经济比较，因地制宜地采用水下接地、引外接地、深埋接地等接地方式，并加以分流、均压和隔离等措施。7.2.3 接地的一般要求接地的一般要求7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求17风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v5）接地设计应考虑土壤干燥或冻结等季节变化的影响，接地电阻在四季中均应符合设计值的要求。防雷装置的接地电阻，可只考虑雷季中土壤干燥状态的影响。v6）初期发电时，应根据电网实际的短路电流和所形成的接地系统，校核初期发电时的接触电位差、跨步电位差和转移电位。当上述参数不满足安全要求时，应采取及时措施，保证初期发电时期电站安全运
17、行。v7）工作接地及要求：v有效接地系统中，自耦变压器和需要接地的电力变压器中性点、线路并联电抗器中性点、电压互感器、接地开关等设备应按照系统需要进行接地。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求18风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v不接地系统中，消弧线圈接地端、接地变压器接地端和绝缘监视电压互感器一次侧中性点需要直接接地。v中性点有效接地的系统，应装设能迅速自动切除接地短路故障的保护装置。中性点不接地的系统，应装设能迅速反应接地故障的信号装置，也可装设自动切除的装置。v8）保护接地及要求v电力设备下列金属部件，除非另有规定，均应接地或接中性线（保护线）：电机、变压
18、器、电抗器、携带式及移动式用电器具等底座和外壳。SF6全封闭组合电器（GIS）与大电流封闭母线外壳以及电气设备箱、柜的金属外壳。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求19风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地电力设备传动装置。互感器的二次绕组。配电、控制保护屏（柜、箱）及操作台等的金属框架。屋内配电装置的金属构架和钢筋混凝土构架，以及靠近带电部分的金属围栏和金属门、窗。交、直流电力电缆桥架、接线盒、终端盒的外壳、电缆的屏蔽铠装外皮、穿线的钢管等。装有避雷线的电力线路杆塔。在非沥青地面的居民区内，无避雷线非直接接地系统架空电力线路的金属杆塔和钢筋混凝土的杆塔。7.2.3.
19、1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求20风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地铠装控制电缆的外皮、非铠装或非金属护套电缆的12根屏蔽芯线。电力设备的下列金属部分，除非另有规定，可不接地或不接中性线（保护线）：在木质、沥青等不良导电地面的干燥房间内，交流额定电压380V及以下的电力设备外壳。但当维护人员可能同时触及设备外壳和接地物体时除外。在干燥场所，交流额定电压127V及以下，直流额定电压110V及以下的电力设备外壳，但爆炸危险场所除外。安装在配电屏、控制屏和配电装置上的电气测量仪表、继电器和其他低压电气等的外壳，以及当发生绝缘损坏时，在支持物上不会引起危险电压的绝缘子金属底座等
20、。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求21风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地安装在已接地的金属构架上的设备（应保证电气接触良好），如套管等。标称电压220V及以下的蓄电池室内的支架。已与接地的底座之间有可靠的电气接触的电动机和其他电器的金属外壳。对于用电设备较少、分散，且又无接地线的地方，宜采用接中性线保护。接中性线保护有困难，而土壤电阻率较低时，可采用直接埋设接地体进行接地保护。当低压电力设备的机座或金属外壳与接地网可靠连接后，允许不按接中性线保护的要求作短路验算。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求22风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷
21、与接地由同一台发电机、变压器或同一段母线供电的低压线路，不宜采用接中性线、接地两种保护方式。在低压电力系统中，全部采用接地保护时，应装设能自动切除接地故障的继电保护装置。v9）防雷接地及要求。所有设有避雷针、避雷线的构架、微波塔均应设置集中接地装置。避雷器宜设置集中接地，其接地线应以最短的距离与接地网相连。独立避雷针（线）应设独立的集中接地装置，接地电阻不宜超过10 。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求23风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v对于风力机而言，直接雷击保护主要是针对叶片、机舱、塔架防雷，而间接雷击保护主要是指过电压保护和等电位连接。v电气系统防雷则
22、主要是间接雷击保护。 7.3 大型风力机的防雷保护大型风力机的防雷保护7.3.1 7.3.1 风机防雷保护的必要性风机防雷保护的必要性24风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.3.2 叶片的防雷保护叶片的防雷保护叶片防雷叶片防雷叶片防雷重要性叶片防雷重要性雷击造成叶片损坏雷击造成叶片损坏 位置最高是雷电袭击的首要目标位置最高是雷电袭击的首要目标 叶片是风力发电机组中最昂贵的部件叶片是风力发电机组中最昂贵的部件 雷击造成的巨大声波，对叶片结构造雷击造成的巨大声波，对叶片结构造成冲击破坏成冲击破坏 雷电击中叶尖后释放大量能量，雷电雷电击中叶尖后释放大量能量，雷电流使叶尖结构内部温度急
23、骤升高，造流使叶尖结构内部温度急骤升高，造成叶尖结构爆裂破坏甚至开裂成叶尖结构爆裂破坏甚至开裂；25风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v叶片防雷系统连于叶片根部的金属环处，包括雷电接闪器和引下线（雷电传导部分），如图7-7所示。 7.3.2.1 叶片防雷系统叶片防雷系统图7-7 叶片防雷系统示意图26风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v现代大多数风力机的机舱罩是用金属板制成，本身就有良好的防雷保护作用。机舱主机架除了与叶片相连，在机舱罩顶上后部设置一个（数目可多于一个）高于风速、风向仪的接闪杆，保护风速计和风向仪免受雷击。7.3.3 机舱的防雷保护机舱的防雷保护图7
24、-8 机舱的防雷设计27风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.3.4 塔架的防雷保护塔架的防雷保护1.钢制塔架钢制塔架2.混凝土塔架混凝土塔架3.混合塔架混合塔架钢制部件之间的过渡段，采用并行路径方式设置三个钢制部件之间的过渡段，采用并行路径方式设置三个彼此相间彼此相间120的间隙作为雷电路径的间隙作为雷电路径连接处不允许雷击沿紧固的螺栓进行传导连接处不允许雷击沿紧固的螺栓进行传导塔基处在三个彼此相间塔基处在三个彼此相间120的位置上接到公共结点上的位置上接到公共结点上雷电通过塔架内的铜电缆在三个彼此相间雷电通过塔架内的铜电缆在三个彼此相间120的位置的位置 上被散流上被散流塔基
25、处连接到与接地环和电极相连的电压公共结点上塔基处连接到与接地环和电极相连的电压公共结点上不允许雷击电流沿钢拉线进行传导不允许雷击电流沿钢拉线进行传导钢制连接适配法兰与钢制区法兰在附有不锈钢盘的法兰钢制连接适配法兰与钢制区法兰在附有不锈钢盘的法兰面上选择三个彼此相间面上选择三个彼此相间120的位置用螺栓固定的位置用螺栓固定钢制适配器依次接于三个彼此相间钢制适配器依次接于三个彼此相间120的接地电缆，后的接地电缆，后者接于塔基的公共结点者接于塔基的公共结点28风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.3.5 风机的接地风机的接地风电机组采用TN方式供电系统，可以较好的保护风机电气系统及人
26、员的安全。TN系统，T：系统中有一点（一般是电源的中性点）直接接大地，称为系统接地（System Earthing）；N：用电设备的外壳经保护接地即PE线（Protecting Earthing conductor）与系统直接接地点连接而间接接地，称为保护接地（Protective Earthing）。TT 系统，前一个T：系统接地是直接接大地；后一个T：用电设备外壳的保护接地是经PE线接单独的接地板直接接大地，与电源中的N线线路和系统接地点毫无关连。29风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地风机接地系统应包括一个围绕风机基础的环状导体，此环状导体埋设在距风机基础一米远的地面下一米处
27、，采用50mm铜导体或直径更大些的铜导体；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架2个相反位置，地面的控制器连接到连接点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在接地电阻率高的区域,要延伸接地网以保证接地电阻达到规范要求。若测得接地网电阻值大于要求的值，则必须采取降阻措施，直至达到标准要求。可以将多台风电机组的接地网进行互连，这样通过延伸机组的接地网可进一步降低接地电阻，使雷电流迅速流散入大地而不产生危险的过电压。 7.3.5 风机的接地风机的接地30风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.3.6 电气系统的防
28、雷保护电气系统的防雷保护四种雷电保护带四种雷电保护带LPZ0A直接雷击，完全的雷电流，无衰减的电磁场直接雷击，完全的雷电流，无衰减的电磁场LPZ0B无直接雷击，完全的雷电流，无衰减的电磁场无直接雷击，完全的雷电流，无衰减的电磁场LPZ1无直接雷击，减小的雷电流，衰减的电磁场无直接雷击，减小的雷电流，衰减的电磁场LPZ2进一步减小的雷电流，进一步衰减的电磁场进一步减小的雷电流，进一步衰减的电磁场31风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v集电线路上出现大气过电压主要有直击雷过电压和感应雷过电压两种。一般直击雷过电压危害更严重。v集电线路防雷性能优劣主要用两个技术指标：耐雷水平和雷击跳闸
29、率来衡量。耐雷水平是指线路遭受雷击时，线路绝缘所能耐受的不至于引起绝缘闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。耐雷水平愈高，线路的防雷性能愈好。雷击跳闸率是指雷暴日数Td=40的条件下，每100km的集电线路每年因雷击而引起的跳闸次数，它是衡量线路防雷性能的综合指标。7.4 集电线路的防雷与接地集电线路的防雷与接地32风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地 感应过电压的极性与雷电的极性正好相反。 感应过电压同时存在于三相导线，相间不存在电位差，故一般只能引起相对地闪络，而不会产生相间闪络。 感应过电压的幅值不高，一般不会超过500kV，因此，它对110kV及以上电压等级线路的绝缘不会构成威
30、胁，仅在35kV及以下的线路中可能会产生一些闪络事故。 集电线路的感应过电压集电线路的感应过电压7.4.1.1 7.4.1.1 感应过电压的特点感应过电压的特点33风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地1. 当雷击点离开线路的距离s大于65m时（1）导线上方无避雷线（2）导线上方挂有避雷线2. 雷击线路杆塔时（1）导线上方无避雷线（2）导线上方挂有避雷线7.4.1.2 感应过电压的计算感应过电压的计算34风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v导线上的感应电压最大值 (kV)为 v式中 s雷击点与线路的垂直距离，m；v hd导线悬挂的平均高度，m；v I雷电流幅值，kA。1
31、. 当雷击点离开线路的距离当雷击点离开线路的距离s大于大于65m时时（1）导线上方无避雷线）导线上方无避雷线35风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v当雷电击于挂有避雷线的导线附近大地时，则由于避雷线的屏蔽效应，导线上的感应电荷就会减少，从而降低了导线上的感应过电压。导线上的感应过电压最大值（kV）为v式中k0为避雷线与导线之间的几何耦合系数；v hd导线悬挂的平均高度；v hb避雷线悬挂的平均高度。1. 当雷击点离开线路的距离当雷击点离开线路的距离s大于大于65m时时（2）导线上方挂有避雷线）导线上方挂有避雷线36风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v目前，规程建议对
32、一般高度（约40m以下）无避雷线的线路，此感应过电压最大值可用下式计算v式中 感应过电压系数（kV/m），其数值等于以kA/计的雷电流平均陡度，即 = 。2. 雷击线路杆塔时雷击线路杆塔时（1）导线上方无避雷线）导线上方无避雷线37风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v有避雷线时，由于其屏蔽效应，应按下式计算2. 雷击线路杆塔时雷击线路杆塔时（2）导线上方挂有避雷线）导线上方挂有避雷线38风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v输电线路遭受直击雷可能出现下面三种不同的情况，如图7-9所示。v 雷击杆塔塔顶及塔顶附近避雷线（以下简称雷击杆塔），可能会造成“反击”，使线路绝缘
33、子发生冲击闪络。v 雷击档距中央的避雷线，可能会造成导、地线之间的空气间隙发生击穿。v 雷绕过避雷线而击于导线，也称绕击，通常会造成线路绝缘子串发生闪络。7.4.2 集电线路的直击雷过电压和耐雷水平集电线路的直击雷过电压和耐雷水平图7-9 有避雷线线路发生直击雷的三种可能情况39风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1. “反击”的概念当雷击杆塔时，极大部分雷电流会通过杆塔接地装置流入大地。巨大的雷电流会在杆塔电感和杆塔接地电阻上产生很高的电位，使原来电位为零的接地杆塔带上了高电位，此时杆塔将通过绝缘子串对导线逆向放电，造成闪络。由于这种闪络是由接地杆塔的电位升高所引起的，故又称为
34、“反击”。7.4.2.1 雷击杆塔塔顶时的线路耐压水平雷击杆塔塔顶时的线路耐压水平(a) 雷击塔顶时的电位分布 (b) 雷击塔顶时的电流分布 (c) 计算塔顶电位的等效电路图7-10 雷击塔顶40风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1. 等值电路图及雷击点电压雷击避雷线档距中央如图7-11(a)所示，根据彼得逊法则可画出它的的等值电路，如图7-11(b)所示。 雷击避雷线档距中央雷击避雷线档距中央图7-11 雷击避雷线档距中央及其等值电路图1避雷线；2导线； 雷电流； 雷道波阻抗； 避雷线波阻抗； 避雷线与导线之间的空气气隙；（a）线路示意图（b）等值电路图41风电场电气系统风电
35、场电气系统防雷与接地防雷与接地v雷击点A的电压为 (7-50)v式中 i雷电流。在计算中可以近似地取 。代入式(7-50)可得 (7-51) 42风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v2. 避雷线与导线之间的空气气隙s上所承受的最大电压。雷击避雷线档距中央时，雷击处避雷线和导线之间的空气气隙电压Us与雷电流陡度a成正比，与档距长度l成正比。为了防止空气间隙被击穿，通常采取的办法是保证避雷线与导线之间有足够的空间距离。根据理论分析和运行经验，我国规程规定档距中央导线、地线之间的空气距离s (m)可按下列经验公式选取 (7-55)式中 l档距长度，m； s导线与避雷线之间的距离，m。4
36、3风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1. 雷击点的电压绕击导线时雷击点的电压 (7-56)考虑过电压情况下导线上会出现电晕，取Zd约为400，故有 (7-57)式中 i 雷电流7.4.2.3 绕击导线时的线路耐压水平绕击导线时的线路耐压水平44风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v2. 耐压水平I2的计算如果绕击时导线上的电压Ud超过绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%，则导线将发生冲击闪络。此时，绕击导线时的线路耐压水平I2为 (7-58)45风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v雷电过电压引起集电线路直击雷跳闸需要同时满足以下两个条件：v(1) 雷电
37、流超过线路耐雷水平，引起线路绝缘发生冲击闪络；v(2) 当极短暂的雷电波过去后，冲击闪络可能在导线上工作电压的作用下转变成稳定的工频电弧。一旦形成稳定的工频电弧，导线上将持续流过工频短路电流，从而造成线路跳闸停电。7.4.3 集电线路的雷击跳闸率集电线路的雷击跳闸率46风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v建弧率是指冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率，用（%）来表示。v根据试验运行经验，建弧率（%）可用下式表示v v (7-59)v式中 E绝缘子串的平均运行电压梯度，kV（有效值）/m。v对中性点直接接地系统v (7-60)v对非中性点非直接接地系统（中性点绝缘或经消弧线圈接地）v
38、(7-61)v式中 Un线路额定电压(有效值)，kV；v l j绝缘子串闪络距离，m；v l m木横担线路的线间距离，m； 建弧率建弧率47风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1 1雷击杆塔时的跳闸率雷击杆塔时的跳闸率n n1 1v每100km有避雷线的线路每年（40个雷暴日）落雷次数为v (7-62)v式中b为两根避雷线之间的距离，m；hs为避雷线的平均对地高度，m。v若击杆率为g，则每100km线路每年雷击杆塔次数为0.28(b+4hs)g次。若雷电流幅值大于雷击杆塔时的耐雷水平I1的概率为P1，建弧率为，则每100km线路每年因雷击杆塔的跳闸次数n1为：v (7-63)7.
39、4.3.2 有避雷线线路雷击跳闸率有避雷线线路雷击跳闸率n的计算的计算48风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地2 2绕击跳闸率绕击跳闸率n n2 2v设线路的绕击率为Pa ，则每100km线路每年绕击次数为0.28(b+4hs)Pa ，雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率为P2，建弧率为，则每100km线路每年绕击跳闸次数n2： (7-64)3 3线路雷击跳闸率线路雷击跳闸率v根据运行经验，只要避雷线与导线之间的空气距离满足式(7-55)，则雷击避雷线档距中央时一般不会发生击穿事故，故其跳闸率为零。7.4.3.2 有避雷线线路雷击跳闸率有避雷线线路雷击跳闸率n的计算的计算49风电场
40、电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v所以线路雷击跳闸率只考虑雷击杆塔和雷绕击于导线两种情况。故有避雷线的线路，雷击总跳闸率为：v (7-65)7.4.3.2 有避雷线线路雷击跳闸率有避雷线线路雷击跳闸率n的计算的计算50风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1. 架设避雷线v2. 降低杆塔接地电阻v3. 加强线路绝缘v4. 架设耦合地线v5. 采用消弧线圈v6. 装设自动重合闸v7. 采用不平衡绝缘方式v8. 装设避雷器 集电线路的防雷保护措施集电线路的防雷保护措施51风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地 升压变电站的防雷与接地升压变电站的防雷与接地v风电场升压
41、变电站是风电场的枢纽，雷击会引起变压器等重要电气设备绝缘毁坏，造成供电区域内大面积、长时间停电，给国民经济带来严重损失，因此，风电场升压变电站的雷电防护必须十分可靠。升升压压变变电电站站雷雷击击保保护护直击雷：入侵波：避雷针或避雷线避雷器；进线段加装辅助防护措施52风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地 升压变电站的直击雷保护升压变电站的直击雷保护图7-12 独立避雷针离配电构架的距离 1变压器；2母线v雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，在避雷针h高度和避雷针的接地装置上将出现高电位。L为避雷针的等值电感；Rch为避雷针的冲击接地电阻；Sk为避雷针与被保护设备或构架之间的空
42、气间隙； Sd为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。53风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙Sk被击穿而造成反击事故，必须要求Sk大于一定距离：v (m) （7-69）v同样，必须要求Sd大于一定距离，Sd应满足下式(此处假设土壤的抗电强度为300kV/m)v (m) （7-70）v在一般的情况下，Sk不应小于5m, Sd不应小于3m。 升压变电站的直击雷保护升压变电站的直击雷保护54风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.5.2 升压变电站的侵入波保护升压变电站的侵入波保护安装避雷器安装避雷器安装避雷器
43、安装避雷器限制雷电过电压限制雷电过电压限制雷电过电压限制雷电过电压正确选择避雷器的型号、正确选择避雷器的型号、参数；参数；合理地确定避雷器接线；合理地确定避雷器接线；限制雷电波陡度及流过避限制雷电波陡度及流过避雷器雷电流幅值雷器雷电流幅值55风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v现在分析以变压器为保护对象，雷电波沿变电站进线侵入，避雷器连接点距离变压器连接点的最大允许电气距离，称为避雷器的防护距离，参见图7-13。 避雷器的防护距离避雷器的防护距离图7-13 分析避雷器保护距离的简单回路56风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v从保证防护的可靠性来说，最理想的接线方式是
44、把避雷器和变压器直接并联在一起，但是，由于在变压器和母线之间还有其他开关设备，按照电气设备互相之间应留有一定的安全距离(保证绝缘)的要求，所以接在母线上的避雷器和主变压器之间必然会出现一段电气接线(见图7-14)，那么这段距离最大如何确定？ 避雷器的防护距离避雷器的防护距离图7-14 220kV变电站防雷电侵入波保护典型接线57风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v为了简化分析，忽略避雷器的泄露电阻和变压器的入口电容，并假设侵入的雷电冲击波为斜角波头u(t)=at。v由于变电所接线复杂，最大允许距离lmax是按典型变电站接线进行模拟实验确定的。此处只给出计算公式：v (7-71)v
45、式中，a为侵入波时间陡度，kV/s。 避雷器的防护距离避雷器的防护距离58风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地 变电站的雷电侵入波防护接线变电站的雷电侵入波防护接线大型变电站大型变电站 ：应经过应经过计算或实验验证上述计算或实验验证上述布置的安全性，并在布置的安全性，并在适当位置增设避雷器适当位置增设避雷器 如果线路出口装有并联如果线路出口装有并联电抗器，而且通过断路电抗器，而且通过断路器操作，则需在电抗器器操作，则需在电抗器侧增设一组避雷器侧增设一组避雷器 U220 kVU220 kV500kV500kV在每一段在每一段(包括分段母包括分段母线线)可能单独运行的母可能单独运行的母
46、线上都装设一组避雷线上都装设一组避雷器器在每回路出口断路器线在每回路出口断路器线路侧装一组线路避雷器，路侧装一组线路避雷器，每台变压器出口装一组每台变压器出口装一组所用避雷器所用避雷器 59风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v变电站的进线段保护的作用是限制流经避雷器的雷电流和限制侵入波的陡度。v另据运行经验证明，变电站因雷电侵入波形成的雷害事故约有50%是离变电站1km以内雷击线路引起的，约有71%是3km以内雷击线路引起的。这就说明加强变电站进线段的雷电防护的必要性和重要性。v当lmax一经确定，为使避雷器能可靠地保护变压器，还必须设法限制侵入波陡度。对于已安装好的电气距离l，
47、可求出最大允许陡度 。同时，应限制流过避雷器的雷电流的大小，以降低残压，尤其是不能超过避雷器的额定通流能力，否则避雷器就会烧坏。 升压变电站的进线段保护升压变电站的进线段保护60风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v雷电过电压在线路上感应产生的地点离变电站愈远，它流动到变电站时的损耗就愈大，其波陡度和幅值降得愈低。为此，可在距变电站12km的进线段加强防雷保护。v通过在这段线路增设避雷线，使该段线路有更高的耐雷水平，减少进线段内绕击和反击形成侵入波的概率。这样经过12km线路的冲击电晕影响，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因进线段波阻抗的作用，也限制了通过避雷器的雷电流，使其不超
48、过规定值，保证了避雷器的良好配合。这一措施称为变电站进线段保护。 升压变电站的进线段保护升压变电站的进线段保护图7-15 35110kV无避雷线线路的进线段保护段61风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v另外，35kV及以上电压等级变电站进线段采用电缆线路时，在电缆线与架空线连接处，考虑波过程可能产生过电压，故应装设一组避雷器保护，并且使避雷器的接地端与电缆的金属外皮连接。如图7-19所示。 升压变电站的进线段保护升压变电站的进线段保护图7-19 35kV及以上电缆进线段的保护接线62风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地 升压变电站变压器防雷保护升压变电站变压器防雷保护
49、 三绕组变压器侵入波过电压及防护三绕组变压器侵入波过电压及防护高、低压侧断路器均闭合，都有避雷器，任一侧沿线路侵入雷电波都不会对另一侧绝缘造成威胁低压侧可能开路，且对地电容小，当高压或中压有雷电波侵入，低压侧过电压，绝缘易损坏，需在一相绕组出口装设避雷器；低压绕组外接25m以上的全金属外皮电缆线路时，对地电容足以限制感应过电压，无需安装避雷器中压绕组可能开路运行，其绝缘水平较高，不需要装设避雷器；高、中压变比很大，中压绕组的绝缘水平比高压绕组低得多时，需要装设避雷器双绕组双绕组三绕组：三绕组：正常运行正常运行 三绕组：三绕组：特殊运行特殊运行63风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地
50、 自耦变压器侵入波过电压及防护自耦变压器侵入波过电压及防护v自耦变压器v静电分量使低压三相电位同时升高，因此只要在任意一相低压绕组出线端对地装一台避雷器，就可以限制其过电压，保护三相低压绕组。v运行中，可能出现高、低压绕组运行，中压绕组开路，或者中、低压绕组运行，而高压绕组开路的情况。 高、中压自耦绕组三角形接线的低压非自耦绕组64风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v雷电侵入波雷电侵入波U U0 0从高压端从高压端A A侵入侵入：其波过程与普通绕组相同，如图7-20 (a)所示。此时在开路的中压端A上可能出现很高的过电压，其值约为U0的2/k倍（k为高压侧与中压侧绕组的变比），可
51、能引起处于开路状态的中压侧套管闪络。 自耦变压器侵入波过电压及防护自耦变压器侵入波过电压及防护图7-20 雷电波侵入自耦变压器时的过电压分布65风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v在振荡过程中，A点的最高电压可高达2kU0，这必将危及开路的高压绕组绝缘，因此，在高压端断路器的内侧也必须装一组避雷器进行保护，如图7-21（b）所示。 自耦变压器侵入波过电压及防护自耦变压器侵入波过电压及防护图7-21 自耦变压器的防雷保护接线66风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v雷电侵入波雷电侵入波U U0 0 由中压端由中压端AA侵入侵入：高压侧开路电位的起始分布和稳态分布如图7-
52、20（b）所示，从中压侧A到接地中性点O之间的稳态分布是一条斜线（图7-20（b）中的A-O）；而由开路的高压侧A到中压侧A的稳态分布则是由A-O的稳态分布电磁感应形线（图7-20（b）中的A-A），即A-A段为OA的延长线。也就是说A点的稳态电压为kU0。 自耦变压器侵入波过电压及防护自耦变压器侵入波过电压及防护图7-20 雷电波侵入自耦变压器时的过电压分布67风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地 自耦变压器侵入波过电压及防护自耦变压器侵入波过电压及防护图7-21 自耦变压器的防雷保护接线v当中压侧接有出线时(A端经线路波阻抗接地)，因为线路波阻抗比变压器绕组的冲击波等值阻抗小得
53、多，高压侧有雷电侵入波侵入，A近似于接地（A点电位接近零），则雷电过电压几乎全部加在AA绕组段，可能使绕组损坏；v高压侧接有出线，中压侧有雷电侵入波侵入，造成同样后果。AA段绕组愈短（变比k愈小），危害愈大，当变比小于1025时，应在AA之间也装设一组避雷器进行保护，如图7-21(a)中虚线所示。68风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地 变压器中性点保护变压器中性点保护中性点中性点接地保护接地保护3560 kV：100154 kV：110 kV：中性点不接地或通过电感线圈接地，三相雷电波入侵时，中性点电位达绕组首端2倍，但三相入侵波概率极小，因此中性点不安装保护中性点经消弧线圈接地，变压器全绝缘线路上架有避雷线，三相进波 概率小，中性点不安装保护其他类型变电站与变压器中性点绝缘水平相关：分级绝缘：用与中性点绝缘同等级的避雷器保护 ；全绝缘：中性点一般不需要保护 单进线单台变压器：中性点需要装避雷器且冲击放电电压低于变压器中性点冲击耐压69
