发电厂和变电所的防雷保护

1、5 发电厂和变电所的防雷保护发电厂和变电所的雷害事故可来自两个方面：一是雷直击于发电厂、变电所；二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入发电厂和变电所。5.1 发电厂和变电所的直击雷保护防止直击雷的措施是采用避雷针、避雷线及良好的接地网。5.1.1 装设避雷针(线)的原则应该使所有设备均处于避雷针及避雷线的保护范围之内。反击：反击部位：(1)空气；(2)接地装置间5.1.2避雷针(线)的设计计算1. 独立避雷针在避雷针的A点(高度为h)及接地装置的B点将出现电位雷电流幅值I取140150kA，L1.7huH，空气击穿场强500kV/m，土壤击穿场强300kV/m，di/dt按斜角波头f2.6us

2、。2. 架空避雷线架空避雷线保护的两种布置形式：1）避雷线一端经配电装置构架接地；2）避雷线两端接地(1)一端绝缘另一端接地的避雷线(2)两端接地的避雷线避雷针(线)的sk一般不宜小于5m，sd一般不宜小于3m5.1.3 几个具体问题1.构架避雷针110kV及以上的配电装置， 在土壤电阻率不高的地区一般可将避雷针装设在构架上；但在土壤电阻率大于1000*m的地区，不宜装设构架避雷针。另外，要注意安装避雷针的构架应铺设辅助接地体，此接地体与主变压器接地点之间电气距离应大于15m；主变的门型构架不能装避雷针；35kV及以下配电装置， 需要装设独立避雷针；发电厂厂房一般不装设避雷针。2避雷线110k

3、V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35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35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。5.2 发电厂和变电所的行波保护防止雷电波侵入变电所的保护措施：使用阀型避雷器，限制来波的幅值；在距变电所适当的距离内，装设可靠的进线保护段，利用高幅值入侵波在导线上产生的冲击电晕，降低入侵波的陡度和幅值;利用导线自身的波阻抗限制流过阀型避雷器的冲击电流幅值。5.2.1 避雷器的保护作用避雷器动作后

4、，可将来波的幅值加以限制。如果避雷器和被保护设备直接接在一起，则由避雷器的保护特性冲击放电电压(有间隙)和残压来决定避雷器上的电压，它也就是作用在被保护设备绝缘上的电压。但一般只在变电所母线上安装避雷器，对所内设备提供保护。避雷器与各个电气设备之间就不可避免地要有一定距离的电气引线。1.避雷器保护的动作过程1)避雷器动作前，电阻为无穷大，电压波在其上全反射：2)避雷器动作后，由彼德逊法则：避雷器上的电压波形可简化成一个斜角平顶波; 残压与其全波冲击放电电压大致相等金属氧化物避雷器，该过程也是类似的。金属氧化物避雷器不但有很好的非线性，而且不出现间隙放电时有一个负的电压跃变现象;2被保护设备上的

5、过电压被保护设备和避雷器接在一起，那么避雷器端部电压就是加到被保护设备上的电压;避雷器与被保护设备之间总是有一段电气距离，这时当阀式避雷器动作时，由于波的折射与反射，会使作用在被保护设备上的电压高于避雷器的冲击放电电压或残压。不计变压器的入口电容、波到达变压器端部时，将发生全反射；避雷器放电后限制电压的效果需经过时间才能到达变压器。在这段时间内，变压器上的电压仍以2的陡度继续上升。变压器上最大电压将比避雷器上的电压高出u：变压器上的电压应为:为了保证变压器上电压不超过一定的允许值，避雷器与变压器之间的电气距离应有一定的保护距离。在实际的变电所中，变压器有一定的入口电容，避雷器与变压器之间的连线

6、也有电感、电容。这使得避雷器动作后在避雷器与变压器之间的波过程复杂化。变压器的实测波形对其绝缘的作用与截波的作用较为接近，因此常用变压器绝缘耐受截波的能力来说明在运行中该变压器承受雷电波的能力。这样变压器与避雷器之间允许的最大电气距离lm应为空间陡度 (kV/m)：lm与(uj-uR)值的关系： 变压器与磁吹避雷器间的最大允许电气距离将比普通避雷器时大；lm与的关系：一路进线两路进线上面讨论的只是一路进线的变电站。对两路及以上的变电站，一路来波可以从另外几路分流出一部分。此时理论分析的定性方面仍然不变，但定量部分应乘以修正系数(1)，即同等情况下允许的lm要大。5.2.2 变电所的进线保护线路

7、的冲击耐压比变电所设备的冲击耐压要高许多，靠近变电所线路上受到雷击时，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，从而会导致变电所产生雷害。在靠近变电所的一段进线上必须加装避雷针(线)；进线段：靠近变电所的12km范围内的输电线路。进线段装设避雷线（针）等，该段避雷线作用避雷、避免或减少变电所雷电行波事故；进线段耐雷水平要达到规程规定以减少反击，保护角不超过200。1. 流过避雷器的冲击电流认为：最危险的雷击只能发生在进线段的首端，且来波的幅值一般被限制在进线段绝缘的U50%。波在进线段来回一次的时间(6.713.3us)超过进波的波头时间，对流过避雷器的雷电流峰值没有影

8、响，由彼德逊法则，可得其等效电路和方程：用图解法或解析法求解，可得流过避雷器的最大冲击电流：如为220kV线路，取U50%1200kV，Z400，uR664kV，则对选用避雷器保护变电所：电压为220kV及以下时等级时，以避雷器流过5kA雷电流的残压为准；对330kV等级以上时，以10kA雷电流下的残压为准，或更大雷电流下的残压为准。MOA计算结果表明，流过避雷器的最大冲击电流I不会超过5kA。表11-3：2.陡度波头长度: (8-45)式， 如雷击在进线段首端并产生反击，导线上出现波头长度00的雷电波，在l0距离传播过程中电晕导致侵入雷电波的衰减与变形，陡度空间陡度：计算来波陡度时，U值应取

9、避雷器冲击放电电压(或残压)。图中，GB1用来限制侵入波的幅值，且所在的杆塔接地电阻应降到10以下；加装GB2是为了保护处于开断位置的进线断路器或隔离开关；35kV小容量变电所采用简化的进线保护：在进线的终端杆上安装一组1000uH左右的电感线圈来代替进线保护段5.3 变电所防雷的几个具体问题1.三绕组变压器的保护若线路有雷电入侵波作用在高压侧或中压侧时，由于低压统组的对地电容很小，开路的低压统组上的静电耦合分量可能达到很高的数值，危及低压绕组的安全。(a)接线图 (b)等值电路图 绕组间的静电耦合由于静电分量使低压绕组三相电位同时升高，因此为了限制这种过电压，只要在任一相低压绕组出线端对地加

10、装一台避雷器即可。如果低压绕组连接有25m及以上的金属铠装电缆段，则相应地增加了低压侧的对地电容，限制了过电压，此时低压侧可不装避雷器。中压绕组不必加装避雷器双绕组变压器在正常运行时，高压与低压侧断路器都是闭合的，两侧都有避雷器保护。2. 自耦变压器的保护当雷电侵入波从高压端线路袭来：在中压侧与断路器之间应装设一组避雷器，以便在中压侧断路器开路时，保护中压侧绕组的绝缘。2U0/k当高压侧开路，中压侧有一雷电波U0侵入时：高压端的最大电位可达2kU0 ，在高压侧与断路器之间也应装一组避雷器。2kU0当高、中压侧任何一侧有出线(相当于经线路波阻抗接池)，另一侧有雷电波入侵时，雷电波电压将大部分加在

11、两侧间绕组上，可能使绕组损坏。当变比小于1.25时，两侧间应装设一组避雷器。总之，自耦变压器的防雷接线如图(a)；也可采用图(b)所示的避雷器保护方式： 验算5.3.2 变压器的中性点保护在中性点直接接地的系统中，部分变压器的中性点改为不接地运行。这种系统的变压器的中性点对地绝缘：全绝缘，中性点处的绝缘水平与相线端的绝缘水平相等。中性点一般不需保护;特殊情况在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。校验避雷器灭弧电压5.3.3 配电变压器的防雷保护配电线路可以不设进线保护避雷器的接地线应与变压器金

12、属外壳以及低压侧中性点连在一起接地。正、反变换出现过电压；可在低压侧每相上装一只避雷器；UrUjdUrkUrU2kU25.4 气体绝缘变电所的防雷保护5.4.1 GIS变电所雷电过电压保护的特点 GIS 绝缘的全伏秒待性比较平坦，冲击系数很小，绝缘水平主要决定于雷电冲击电压。 GIS绝缘的伏秒特性由图，SF6绝缘的雷电冲击绝缘水平与操作冲击绝缘水平比较接近，而旦负极性击穿电压比正极性击穿电压低因此，可以认为GIS变电所的绝缘水平主要决定于雷电冲击水平，并可采用氧化锌避雷器加以保护。GIS的波阻抗一般较小，在60-100之间，约为架空线路波阻抗的1/5；对由架空线路传来的侵入波形成低的折射电压，

13、所以对GIS变电所的侵入波保护有利。 GIS结构紧凑，避雷器离被保护设备近；GIS在绝缘配合上应留有足够的裕度。实际的GIS变电所的进线方式大体可分为两类：1）架空线直接与GIS相连；5.4.2 GIS变电所常用的雷电保护接线对于母线长度不长(大约50m以下)的GIS，如图 (a)在GIS入口处外侧装设一组ZnO避雷器(若经过验算合格也可用常规避雷器)；或如图 (b)在GIS入口处内侧装设ZnO避雷器(或金属封闭的常规避雷器)，均能得到可靠的保护；但后者效果较好。如果GIS变电所的规模较大，母线很长，或许需要在母线中部增加一组避雷器，如图(e)所示。对于母线较长的GIS变电所，上述保护方式不能

14、满足要求时，可以考虑在变压器出口加装一组避雷器，如图 (c)和(d)所示。这样还能进一步降低变压器和GIS的绝缘水平。实际上，变压器侧是否装设避雷器要通过技术经济比较来决定。500 kV GIS的典型保护接线一个大型水电站500kV GIS变电所的防雷保护典型接线。变电所的主接线为一个半开关接线；架空线路和变压器均与GIS直接相连，(GIS主母线长84m;GIS至变压器的电气距离仅约16m。除了每条线路的GIS入口处装设一组ZnO避雷器外，仅在GIS内每组主母线中部装设一组ZnO避雷器，即可保护整个GIS和变压器。不像敞开式常规变电所那样，需在每台变压器出口装设避雷器保护。模拟计算表明，在GI

15、S主母线长达195m的情况下，这种保护接线仍合足够的可靠性。 2）经电缆段与GIS相连：雷电波从架空线路传播到变压器，首先要经过架空线到电缆的折射(折射系数小于1)，然后从电缆到GIS的折射(由于电缆的波阻抗比GIS还低，折射系数大于1)。作用在变压器和GIS上的过电压波，要经历多次的折、反射；具体条件不同，折反射情况可能比较复杂。电缆长度l1分别为160m、320m和无电缆段(l10)时，变压器的过电压幅值um与GIS长度l2的关系。有电缆段以后侵入波陡度对过电压幅值影响不大。从图中可以看到，电缆段的接入使um和l2的关系比较平坦。当l2较短时(小于40m一60m)，有电缆段的过电压幅值比无

16、电缆段时为高；当l2较长时则相反。变压器的过电压幅值u m与GIS长度l2的关系对有电缆段进线的GIS变电所，一般在电缆段首端装设。一组避雷器(图(a)也能达到保护的目的，但安全裕度不大；当在GIS入口处装有第二组避雷器时(图(b)或(c)，保护效果很好。一些实际GIS变电所，不仅在电缆段首端而且常常在GIS内部(图 (c)也装有避雷器保护。有两条电缆出线的220kV GIS的典型保护方式5.5 旋转电机的防雷5.5.1 旋转电机防雷保护的特点由于旋转电机在结构和工艺上的特点，它们的冲击绝缘水平非常低；电机绝缘运行工作条件严峻。气隙出槽口极不均匀电场保护旋转电机用的磁吹避雷器(FCD)的保护性

17、能与电机绝缘水平的配合裕度很小，而MOA稍好，单靠避雷器来保护电机是不够的，还必须与电容器、电抗器、电缆段等配合。为了保证发电机匝间绝缘的安全运行，必须要将入侵波陡度限制得很小：对一般电机，需将来波陡度限制在5kV/us以下；对电机中性点不引出，需将侵入被陡度限制在2kV/us以下。5.5.2 直配电机的防雷保护直配电机：发电机与负荷相距较近，无需升高电压输电，电机与架空线直接相连。雷击线路或其邻近大地产生的直击雷过电压波或感应雷电波，都有可能沿线路侵入危害直配电机的绝缘。对直配电机的防雷采取以下措施： 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

18、装设一组并联电容器(电容量为0.25-0.5uF)，以限制侵入波陡度。 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1.5-2.0uF，以进一步降低入侵波陡度。直配电机保护的原理接线基本上有三种类型：在进线处装设电感线圈L，它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。利用长度大约为450-600m的架空进线段的电感来代替集中电感的保护接线，该段线路用独立避雷针来保护，进线段首端还应装管型避雷器GB1，其作用是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。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。为了降低该电压，必须降低接地电阻，在土坡电阻率较高的地区，降低它若有困难，可在进线中间再装设一组GB2