高电压技术讲义第六章

高电压技术讲义第六章第1页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四前言发电厂、变电所是电力系统的重要组成部分，如发生雷击事故，可能会使变压器及其他电器等主要设备发生损坏，造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活，因此，对发电厂、变电所的防雷保护，必须十分可靠。发电厂和变电所的雷害来源于两方面：一是雷电直击，另一是雷击线路后沿线路向发电厂、变电所传来的入侵波。发电厂、变电所直击雷防护的措施常采用避雷针（线），入侵波的防护采用阀型避雷器，同时辅之以相应的措施，以限制流过避雷器的雷电流和降低入侵波的陡度。据统计，我国35kV和110-220kV变电所由于入侵波而引起的事故率分别为0.67次/百所·年和0.5次/百所·年，直配电机的雷击损坏率约为1.25次/百所·年。第2页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四§6.1发电厂、变电所直击雷保护1、所有被保护设备均应处于避雷针的保护范围之内。2、为了防止反击，避雷针距离被保护设备空气中距离不小于5米；避雷针的接地装置与被保护物的接地装置在土壤中距离不小于3米。分析发电厂、变电所架设避雷针的原则：第3页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四分析Ud=iLRch

设雷电流的幅值为150kA，雷电流陡度，避雷针的电感L0=1.7uH/m，则：第4页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四若取空气和土壤的冲击放电电压均为每米500kV，则避雷针在空气中与被保护物之间应保持避雷针的接地装置与被保护物的接地装置之间应保持一般情况下，避雷针接地电阻为10欧，高度要在几十米，所以空气中距离取5米，土壤中取3米。反击被认为是避雷针的主要缺点之一。在《建筑物防雷设计规范》（GB50057-1994）中给出了不同类建筑物与避雷针之间为防反击所需的距离的求解公式。在电力系统，空气中避雷针与被保护物之间的距离要求不小于5m，土壤中，避雷针的接地装置与被保护物的接地装置之间的距离要求不小于3m。当受现场条件限制满足不了安全净距的要求时，可以将避雷针的接地装置与被保护物的接地装置进行等电位联结。第5页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四3、对于35kV及以下的变电所，因其绝缘水平较低，故不允许将避雷针装在配电构架上，以免发生反击，需架设独立避雷针并满足不发生反击的要求。4、发电厂厂房上一般不设避雷针，以免发生反击事故和引起继电保护误动作。110kV及以上的变电所可以将避雷针装设在配电装置的构架上。但避雷针的配电构架应装设辅助接地装置，此接地装置与变电所接地网的连接点距主变压器接地装置与变电所接地网的连接点之间的距离不小于15米。我的构架上不能设避雷针！第6页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四如图一陡度为30kV/us的无限长斜角波从一条波阻抗Z=300欧的半无限长架空线路上传来，A、B两点间距300米，B点开路，A点管型避雷器的放电电压为120kV，求FT动作时B点电压及A、B两点最大电压。

第7页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四TAB=1us，2us后有反行波从B点返回。反行波与前行波极性和波形相同。所以有：2×30+2t×30=120得到t=1us,即3us时避雷器动作，此时B点电压为120kV，B点最大电压为2×90=180kV，A点最大电压为120kV。第8页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四§6.2发电厂和变电所对侵入波的防护对避雷器的基本要求是：先于被保护物放电，并能可靠灭弧。避雷器与被保护物之间最好零距离，但从成本上考虑，变电所中是在母线上加装一组避雷器，此时避雷器是有保护范围的。第9页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四t=τ=l/v时刻uA=aτ,uB=0；前行波到达B点发生全反射；t=2τ时刻uA=2aτ,uB=2aτ；反行波回到A点,A点电压按UA=at+a(t-2τ)=2a(t-τ)变化；设变压器入口电容很小，相当于开路第10页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四所以、变压器上承担的最大电压2at0等于避雷器的残压2a(t0-τ)与2aτ的和，即：

t=t0时刻避雷器放电，A点电压为2a(t0-τ),令它等于5kA下避雷器的残压Ub5。前行波在A点电压是at0,此电压到达B点后发生全反射，是变压器上出现的最大电压，等于2at0。第11页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四实际上由于变电所具体接线的复杂性以及各设备具有对地电容存在，避雷器与变压器之间的连线也有电感，使避雷器动作后在避雷器与变压器之间的波过程复杂化。这是由于避雷器放电时产生的的负电压波在避雷器与变压器之间多次反射所引起的。此时，变压器上的波形与全波相差很大，对变压器绝缘的作用接近于截断波。因此常以变压器绝缘承受截断波的能力来说明变压器承受雷电的能力，变压器承受截断波的能力称为多次截波耐受电压uj。第12页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四变压器要得到保护，其多次截波耐受电压应该高于此电压，即：额定电压变压器三次波耐受电压变压器多次波耐受电压FZ型避雷器ub5FCZ型避雷器ub535110220330225550109013001964789491130134332664108260515820第13页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四分析为了保证设备安全，必须限制避雷器的残压，也就是限制流过避雷器的雷电流不超过5kA，同时也必须限制入侵波的陡度和设备离开避雷器的距离。在入侵波陡度一定时，避雷器与变压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，避雷器对变压器起不到保护作用，此值称为避雷器的最大保护距离或称保护范围。第14页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四§6.3变电所进线的保护为了限制流经避雷器的雷电流和限制入侵波的陡度，变电所需采用进线保护接线。一、35及以上变电所的进线段保护对于35~110kV无避雷线的线路，当雷击于变电所附近线路的导线上时，沿线入侵流经避雷器的雷电流可能超过5kA，而且陡度也可能超过允许值，因此对对于35~110kV无避雷线的线路，在靠近变电所的一段进线上，必须架设避雷线，在进线段内出现雷电波的概率大大减小，保证雷电波只能在进线段以外出现。架设避雷线的这段进线称为变电所进线保护段第15页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四1）阀型避雷器的作用：保护全所设备2）避雷线作用：避雷线保护角很小，在进线段内不发生绕击，雷击于进线段以外的导线上时，导线自身电阻将消耗入侵波能量，来限制入侵波幅值。3）管型避雷器1：限流。4）管型避雷器2：保护开关。1、未沿全线架设避雷线的进线段保护第16页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四二、全线架设避雷线的变电所进线段保护第17页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四三、35kV小容量变电所的简化进线保护第18页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四四、用电抗线圈代替进线段的保护接线第19页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四§6.4三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三绕组变压器在正常运行时，有时存在只有高、中压绕组工作、低压绕组开路的运行情况。此时若高压绕组或中压绕组有雷电波入侵时，由于低压绕组对地电容较小，开路的低压绕组上静电感应分量可达到很高的数值，将危及低压绕组绝缘。考虑到静电感应分量将使低压绕组三相电位同时升高，故为了限制这种过电压，只要在低压绕组任一相的直接出口处加装一只避雷器即可。中压绕组也有开路的可能，但其绝缘水平较高，一般不加设避雷器。第20页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四二、自耦变压器的防雷保护1、高低压运行、中压开路可能引起中压侧套管闪络！第21页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四2、中低压绕组运行、高压开路可能使高压侧套管闪络！第22页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四3、高中压绕组之间绕组的防雷保护当高压侧带有出线，中压侧有行波入侵时，AA’之间绝缘上有很高的电压。当中压侧带有出线，高压侧有行波入侵时，AA’之间绝缘上也有很高的电压。变比越小越危险！当K小于1.25时,AA’之间也需要加避雷器!第23页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四三、变压器中性点的防雷保护变压器中性点是否需要保护,应视其对地绝缘而定。中性点对地绝缘水平分中性点的绝缘水平等于绕组首端的绝缘水平的全绝缘和中性点的绝缘水平小于绕组首端的绝缘水平的分级绝缘两种。中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，变压器是全绝缘的，中性点一般不需保护。其原因是三相进波的概率很小，且大多数波来自线路远处，其陡度很小，对绕组的威胁较弱。同时由于变电所进线不止一条，非雷击的进线起了分流作用，变压器绝缘也有一定裕度等原因，“规程”规定35-60kV变压器中性点不需保护。第24页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四对于中性点接地系统，为了减少单相接地短路电流，其中部分的变压器的中性点是不接地的。在这样的系统中，变压器的中性点往往是分级绝缘的，例如：110kV、220kV、330kV变压器中性点绝缘分别是35kV、110kV和154kV，这时，中性点需要保护。1、避雷器的冲击放电电压要低于中性点的冲击耐压。2、避雷器的灭弧电压要高于电网单相接地时中性点的电压升高。第25页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四§6.4配电变压器的防雷保护一、三位一体接线100kVA及以上的变压器工频接地电阻不大于4欧，小于100kVA的变压器工频接地电阻不大于10欧第26页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四二、逆变换过电压对于Y、yn0接线的配变，如果在低压侧未装避雷器保护，当高压侧受到雷击时，高压侧避雷器动作，经过避雷器会有雷电流流入大地，在接地电阻上产生压降I2R。这个电压降也同时作用在低压侧的中性点上，但此时低压侧出线相当于经过线路波阻抗接地，因此这个压降I2R大部分加在变压器低压绕组上。由于电磁感应，在高压绕组上将出现I2R乘变比的过电压。由于高压绕组出线端的电位受避雷器固定，因此这个电压沿高压绕组分布，且在中性点上达到最大值，所以在中性点附近绝缘可能发生击穿，这种现象称为逆变换过电压。第27页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四三、正变换过电压对于郊区农村的配电，由于低压出线较长，且多没有建筑物的屏蔽，故低压线路易受雷击。若配变低压侧未加装避雷器保护，当雷电流由低压侧入侵时，由于低压侧中性点是接地的，低压绕组将有雷电流通过并产生磁通，通过电磁感应，按变比在高压侧感应电势，高压绕组出现高电压，称为正变换过电压。由于低压侧绝缘裕度比高压侧大，一般低压侧不易损坏，而使高压侧绝缘击穿。第28页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四§6.5旋转电机的防雷保护一、旋转电机防雷保护的特点1、由于结构和工艺上的特点，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，它的主绝缘冲击系数近于1。旋转电机和变压器的冲击耐压值（有效值kV）电机额定电压电机出厂工频耐压电机出厂冲击耐压同级变压器出厂冲击耐压FCD避雷器3kA下残压10.513.815.752ue+32ue+32ue+33443.348.880108108314045第29页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四2、保护旋转电机用的磁吹避雷器的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小，电机出厂冲击耐压值只比避雷器的残压高8%—10%左右。二、旋转电机防雷保护的基本思路1、对于旋转电机的防雷保护，应根据发电机的容量、重要性、以及当地雷电活动情况，因地制宜采取一定的防范措施。考虑到对直配电机的防雷保护还不能达到十分完善的地步，有关“规程”规定60000kW以上的发电机不允许与架空线路直接相连。2、为保护匝间绝缘，必须将入侵波的陡度限制在5kV/us以下。3、一般来说发电机绕组的中性点是不接地的，入侵波陡度降至2kV/us以下时，中性点的过电压将不会超过相端的过电压。第30页，共35页，2022年，5月20日，21点8分，星期四4、直配电机的大气过电压有两种：一种是与电机相连的架空线路上感应雷过电压；另一种是雷直击于与电机相连的架空线路而引起的过电压，其中感应雷出现的几率比较多。三、直配电机的防雷措施1、每台发电机出线的母线处加装一组FC