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1、高电压工程基础高电压工程基础施围 邱毓昌 张乔根（西安交通大学）编著刘青（西安科技大学）制作第第11章章 发电厂和变电所的防雷保护发电厂和变电所的防雷保护 11.1 发电厂和变电所的直击雷防护 11.2发电厂和变电所的行波保护 11.3 变电所防雷的几个具体问题 11.4 气体绝缘变电所的防雷保护 11.5 旋转电机的防雷高电压工程基础11.1 发电厂和变电所的直击雷保护发电厂和变电所的直击雷保护发电厂、变电所防止直击雷的措施：采用避雷针、避雷线采用避雷针、避雷线及良好的接地网。及良好的接地网。 装设避雷针（线）的原则装设避雷针（线）的原则 装设的避雷针（线）应该使所有设备均处于避雷针及避雷线
2、的保护范围之内。 另外，要注意防止反击。即雷击于避雷针及避雷线后，它们的地电位可能提高，如果它们与被保护设备的距离不够大，则有可能在避雷针、避雷线与被保护设备之间发生放电，或叫做逆闪络。此类放电现象不但会在空气中发生，而且还会在地下接地装置间发生，一旦出现，高电位就将加到电力设备上，有可能导致电力设备的绝缘损坏。 高电压工程基础 避雷针（线）的设计计算避雷针（线）的设计计算1. 独立避雷针独立避雷针 I = 140 150 kA，L = 1.7 hH/m，空气击穿场强500 kV/m，土壤击穿场强300kV/m，di / dt按斜角波头= 2.6 s。高电压工程基础2. 架空避雷线架空避雷线
3、一端绝缘另一端接地的避雷线 两端接地的避雷线 避雷针、避雷线的Sk一般不宜小于5m，Sd一般不宜小于3m，在可能的情况下，应适当地加大。高电压工程基础 几个具体问题几个具体问题 （1）对于110kV及以上的配电装置，由于绝缘较强，不易反击，一般可将避雷针装设在构架上。构架避雷针有造价低廉，便于布置的优点。但因构架离电气设备较近，必须保证不发生反击的要求。 （2）35kV 及以下配电装置的绝缘较弱，所以其构架或房顶上不宜装设避雷针，而需要装设独立避雷针。 （3）发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生感应或反击使继电保护误动作，甚至造成绝缘损坏。1. 构架避雷针构架避雷针高电压工程基础2. 避雷线避
4、雷线我国有关规程规定： 110kV 及以上的配电装置 可将线路的避雷线引接到出线门型构架上，但土壤电阻率大于 1000m 的地区，应加装 3 5 根接地极。 35 60kV 配电装置 在 不大于 500m 的地区，允许将线路的避雷线引接到出线门型构架上，但应装设 3 5 根接地极；当 500m 时，避雷线应终止于线路终端杆塔，进变电所一档线路可装设避雷针保护。 高电压工程基础11.2 发电厂和变电所的行波保护发电厂和变电所的行波保护a. 阀型避雷器阀型避雷器（限制来波的幅值）b. 进线保护进线保护（冲击电晕降低入侵波的陡度和幅值；导线波阻 抗限制流过避雷器的冲击电流幅值） 避雷器的保护作用避雷
5、器的保护作用1. 避雷器保护的动作过程避雷器保护的动作过程避雷器上的电压可以看作斜角平顶波高电压工程基础2. 被保护设备上的过电压被保护设备上的过电压变压器与避雷器之间允许的最大电气距离： 高电压工程基础 变电所的进线保护变电所的进线保护不同额定电压的线路与变压器的冲击强度 额定电压(kV)35110154220330500线路绝缘的冲击放电电压1.2/50s、负极性(kV)350700100012001400 164520602300运行中变压器可耐受的冲击电压1.2/50s(kV)18042558583511751540 线路的冲击耐压比变电所设备的冲击耐压要高得多，若无避雷线，靠近变电所
6、线路上受到雷击时，不但流过避雷器的雷电流幅值可能超过规定值，而且陡度也会高于允许值。高电压工程基础1. 进线保护概念进线保护概念（1）对 35110kV 线路，并不要求全线架设避雷线进行保护，但在靠近变电所的 1 2km 范围内应装设避雷线、避雷针或其它防雷装置，通常称此线段为进线段。（2）对全线有避雷线的线路来说，把靠近变电站附近 2km 长的一段线路也叫进线段。它除了线路防雷外，还担负着避免或减少变电所雷电行波事故的作用。（3）在上述两种情况下，进线段的耐雷水平要达到有关规程规定值，以减少反击；同时保护角不超过20，以减少这段线路的绕击。 高电压工程基础2. 进线保护的作用进线保护的作用a
7、. a. 限制流过避雷器的雷电流幅值限制流过避雷器的雷电流幅值 例如，对于220kV 线路，取U50% = 1200kV，Z = 400 ，uR= 664kV，则：高电压工程基础 计算流经避雷器的冲击电流最大值 额定电压(kV)避雷器型号线路绝缘的U50% (kV)ib (kA)35FZ-353501.41110FZ-110J7002.67220FZ-220J120014004.355.38330FCZ-330J16457.06500FCZ-500J206023108.6310 当选用避雷器保护变电所时，一般在电压为 220kV 级及以下时用 5kA 下的残压为准，而在 330kV 以上时，以
8、 l0kA 下残压为准，或者更大的雷电流，由于金属氧化物避雷器非线性特性非常好，因此雷电流要取更高的值。 高电压工程基础b. b. 限制侵入波陡度限制侵入波陡度变电所侵入波计算陡度 额定电压(kV)侵入波计算陡度(kV/m)额定电压(kV)侵入波计算陡度(kV/m)1km进线段2km进线段或全线有避雷线1km进线段2km进线段或全线有避雷线351.00.52201.5601.10.553302.21101.60.755002.5高电压工程基础未沿全线架设避雷线的35 110 kV 线路进线保护 3. 进线保护的典型接线进线保护的典型接线限制侵入波的幅值 保护断路器 全线有避雷线的变电所进线保护
9、 31500 5000 kVA，35kV变电所的简化保护接线 用电抗线圈代替进线段避雷线的保护接线 高电压工程基础11.3 变电所防雷的几个具体问题变电所防雷的几个具体问题 三绕组变压器和自耦变压器的防雷保护三绕组变压器和自耦变压器的防雷保护 （1）低压绕组开路时，若线路有入侵波传来雷电波作用在高压侧或中压侧时，由于低压绕组的对地电容很小，开路的低压绕组上的静电耦合分量可能达到很高的数值，需要在任一相低压绕组出线端对地加装一台避雷器。 （2）如果低压绕组连接有25m及以上的金属铠装电缆段，低压侧可不装避雷器。 （3）三绕组变压器中压绕组，相对来说，绝缘水平比低压绕组要高，当其开路运行时，一般静
10、电耦合分量不会损坏中压绕组，不必加装上述要求的避雷器。1. 三绕组变压器的防雷保护三绕组变压器的防雷保护高电压工程基础2. 自耦变压器的防雷保护自耦变压器的防雷保护高压端A进波 中压端A 进波 一般避雷器配置 自耦避雷器配置 高电压工程基础变压器的中性点保护变压器的中性点保护 在中性点直接接地的系统中，为减少单相接地的短路电流，有部分变压器的中性点改为不接地运行。这时，变压器的中性点需要保护。全绝缘：中性点处的绝缘水平与相线端的绝缘水平相等。 此时，中性点一般不需保护。若变电所为单台变压器且为单路进线运行时，在三相同时进波的情况下，中性点的对地电位会超过首端的对地电位。这种情况虽属少见，但需在
11、中性点加装一个与首端有同等电压等级的避雷器。分级绝缘：中性点处的绝缘水平低于相线端的绝缘水平。 应选用与中性点绝缘等级相同的避雷器进行保护，但要注意校验避雷器的灭弧电压，它始终大于中性点可能出现的最高工频电压。高电压工程基础 配电变压器的防雷保护配电变压器的防雷保护避雷器的接地线与变压器金属外壳、低压侧中性点连在一起接地避雷器尽量靠近变压器，尽量减小连接线的长度如低压侧线路落雷，作用在低压侧的冲击电压按变比感应到高压侧，由于低压侧绝缘裕度比高压侧大，故有可能在高压侧引起先击穿，这个过程叫做“正变换”。为了防止正反变换出现的过电压，可在低压侧每相上装一只避雷器，使配电变压器的防雷保护得以改善。高
12、压侧遭雷击，避雷器动作，作用于低压绕组的电流通过电磁耦合又变换到高压侧的过程叫做“反变换”。高电压工程基础11.4 气体绝缘变电所的防雷保护气体绝缘变电所的防雷保护 全封闭SF6气体绝缘变电所（GIS）是除变压器以外整个变电所的高压电力设备及母线，封闭在一个接地的金属壳内，壳内充以 (3 4)1.01325105 Pa大气压的SF6气体作为相间和对地的绝缘。 高电压工程基础 GIS变电所雷电过电压保护的特点变电所雷电过电压保护的特点GIS绝缘的全伏秒特性比较平坦，其冲击系数很小，约为1.2 1.3。因此它的绝缘水平主要决定于雷电冲击电压。GIS变电所的波阻抗一般在60 100之间，远比架空线路
13、低，这对变电所的侵入波保护有利。GIS变电所结构紧凑，设备之间的电气距离小，避雷器离被保护设备较近，防雷保护措施比敞开式变电所容易。 GIS绝缘完全不允许电晕，一旦发生电晕，将立即击穿；而且没有自恢复能力。高电压工程基础 GIS变电所常用的雷电保护接线变电所常用的雷电保护接线高电压工程基础高电压工程基础发电机经升压变压器与架空线相连接的情况，线路上雷电波经变压器绕组过渡到发电机绕组。发电机和升压变压器低压侧连线过长，为使这段连线不受雷击，需用避雷针进行保护。当雷击避雷针时，将有感应过电压作用于电机绝缘。 发电机与负荷相距较近，将电机与架空线直接相连，称之谓直配电机的情况。此时，若雷击于导线或附
14、近地面，将会有大气过电压作用于电机绝缘。 11.5 旋转电机的防雷旋转电机的防雷高电压工程基础 旋转电机防雷保护的特点旋转电机防雷保护的特点 （1）旋转电机在结构和工艺上的特点，它们的冲击绝缘水平要比同电压等级的变压器低得多。 （2）电机绝缘特别在导线出槽处，电场极不均匀，故在过电压作用后，会有局部的轻微损伤，使绝缘老化，可能引起击穿。 （3）电机绝缘在运行中受机械振动、发热以及局部放电所产生的臭氧的侵蚀，相对变压器的工作条件更为严峻。 （4）保护旋转电机用的磁吹避雷器（FCD）的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小。 （5）由于电机绕组的结构布置特点，特别是大容量电机，其匝间电容很小，起不了
15、改善冲击电压分布的作用。为了保证发电机匝间绝缘的安全运行，必须要将入进波陡度限制得很小。高电压工程基础 直配电机的防雷保护直配电机的防雷保护 每组发电机母线上都装一组FCD型磁吹避雷器，以限制入侵波过电压的幅值。 在发电机电压母线上装设一组并联电容器（电容量为 0.25 0.5F），以限制侵入波陡度。这不但是保护电机匝间绝缘及中性点绝缘的需要，同时也是为了降低感应过电压。 在直配线进线处加装电缆段和管形避雷器等，以限制流过避雷器的雷电流不超过3kA。 发电机中性点有引出线，在中性点加装一只避雷器保护，或者将母线并联电容加大到1.5 2.0F，以进一步降低入侵波陡度。 措施：高电压工程基础典型接
16、线：在进线处装设电感线圈L，L可以是限流电抗器，也可以是专门为防雷所设置的线圈。L不但和母线上的电容器 C 构成一个串联振荡电路，而且对波在L进端的正反射提高了线路侧的电压，从而加速了FS的动作，限制了进波的幅值。 架空进线段（450 600 m）的电感来代替集中电感，此段线路用独立避雷针来保护。GB1作用：当进线段首端外侧附近发生雷击时，GB1先放电，从而将雷电流大部分由此引入地中，以防止磁吹避雷器FCD电流超过了3kA 。 GB2作用：加在线路首端的电压，除了避雷器 GB1上的电压降外，主要是接地电阻上的电压降，降低此电压。高电压工程基础 发电机经过一段大于l00m的电缆与架空 线相连接，
17、可以利用电缆外皮高频电流的集肤效应或电缆外皮的分流及耦合作用。 当侵入波使电缆首端管形避雷器GB2动作时，电缆芯线与外皮短接，相当于把电缆芯和外皮连在一起并具有同样的对地电压。电缆发挥集肤效应，从而减小了流过避雷器的电流，使残压降低。 GB2 与电缆之间串入一组 100 300 H 的电感，利用电感对侵入波的正反射波使 GB2 动作 也可以将避雷器 GB2 前移 70m 或增加 GB1，以发挥电缆段的作用。 此连接线应悬挂在杆塔导线下 2 3m 处，以使二线之间有一定的耦合作用。 增设 GB1 的同时，电缆首端仍保留 GB2 ，使强雷时，后者放电，便可发挥电缆段的限流作用。 高电压工程基础 非直配电机的防雷保护非直配电机的防雷保护 国内外的运行经验表明：经变压器送电的电机在防雷上比直配电机较可靠，但也有被雷击坏的事例。 研究及运行经验表明：在多雷区，经升压变压器送电的特别重要的发电机，在其出线上，宜装设一组磁吹避雷器或金属氧化物避雷器。如与该避雷器并联一组保护电容（C= 0.25 0.5F），再装上中性点避雷器，则可以认为发电机已得到了可靠的保护。高电压工程基础
