电力系统防雷保护课件

电力系统防雷保护

1第一节

架空输电线路防雷保护21、雷击输电线路的方式3‹雷电波侵入变电所，破坏设备绝缘，造成停

电事故2、雷击输电线路的后果‹发生短路接地故障4在日本50％以上电力系统事故是由于雷击输电线路

引起的，

雷击经常引起双回同时停电，

20

－30％的输电线路故障发生在双回输电线路美国、前苏联等十二个国家的电压为275

－500kV

总长为32700km输电线路连续三年的运行资料中指

出，雷害事故占总事故的60％5在我国跳闸率比较高的地区的高压线路由雷击引起

的次数约占40～70

％，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击事故率更高输电线路的雷击事故电位比导线高

绕击－雷电击中导线感应雷过电压：雷击线路附近大地，由电磁感应在

导线上产生的过电压衡量线路防雷性能的优劣耐雷水平：线路遭受雷击所能耐受不至于引

起闪络的最大雷电流（

kA）雷击跳闸率：每100km线路每年因雷击引起

直击雷过电压：雷电直接击中杆塔、避雷线或导

线引起的线路过电压

反击－雷击杆塔或避雷线,造成绝缘子接地端输电线路的雷电过电压及防护的跳闸次数6输电线路的感应过电压™

静电感应™

电磁感应7™在雷电放电的先导阶段，线路处于雷云及先导

通道与大地构成的电场之中。由于静电感应，最

靠近先导通道的一段导线上感应形成束缚电荷8感应过电压-静电感应™由于主放电的平均速度很快，导线上的束缚电荷的

释放过程也很快，所以形成的电压波u＝iZ幅值可能

很高。这种过电压就是感应过电压的静电分量9™主放电开始以后，

先

导通道中的负电荷自下

而上被迅速中和。相应

电场迅速减弱，使导线

上的正束缚电荷迅速释

放，形成电压波向两侧

传播•

在主放电过程中，伴随

着雷电流冲击波，在放

电通道周围空间出现甚

强的脉冲磁场，其中一

部分磁力线穿过导线－

大地回路，产生感应电

势，这种过电压为感应

过电压的电磁分量电磁分量较小，通常只考虑其静电分量10感应过电压-电磁感应„

感应过电压为

(无避雷线时，

雷直击于导线,

规程)U

25Ihg

c

2.6I为雷电流幅值（

kA

）;

h为导线对地的平均高度；

d

为雷击点与线路之间的水平距离，

a:感应过电压系数导线越高，感应过电压越高。11g

=

d

（d>65m）U

=

ah

=

I

h

（d<50m）感应过电压计算雷直击于有避雷线线路的情况（1）雷击于杆塔塔顶（2）雷击档距中央（3）雷绕过避雷线击于导线输电线路的直击雷过电压12雷击塔顶时的过电压雷击塔顶的分流反击13流经杆塔的电流（杆塔分流系数）

it

=

βiR

杆塔接地电阻L14雷击塔顶的过电压分析塔顶电位gt

杆塔对地电感ut

=

it

Rch

+

Lgt=

β(iRch

+

Lgtdi

dtdi

)dtchtd

i

I

a

=

d

t

=

2

.6最高塔顶电位⎛

L

⎞ut

=

βI

⎜⎝Rch

+

2

⎠⎟6gt雷电流的时间陡度平均值15有避雷线时⎛

L

⎞降低了塔顶电位16ut

=

βI

⎜⎝

Rch

+

2

⎠⎟6gt杆塔的分流⎛

L

⎞ut

=

I

⎜⎝

Rch

+

2

⎠⎟6gt无避雷线时，β=

1‹

避雷线耦合到导线上的电位：

kut导线上，雷击塔顶时的感应电位：

(最大值）h

与雷电流反极性，取负值，避雷线不接地时，感应电压

为ahg，

耦合系数为k,实际是接地，所以迭加一负值。‹

导线电位

uc

=

kut

+

ui

=

kut

−

ahc

(1

−

khg

/

hc

)g

c

uc

=

kut

−

ahc

(1

−

k)17雷击杆塔时导线的电位ahc

(1

−

k

h

)cgh

≈

h导线电

uc

=

kut

−

ahc

(1

−

k)‹

绝

子：串的作用电压为横担高度处的杆塔电位

与导线电位

u

之差，绝缘子串的作用电压culi

=

ut

−

uc

=

ut

−

kut

+

ahc

(1

−

k)=

(ut

+

ahc

)(1

−

k)绝缘子串的作用电压和闪络Uli

=I(βRi

+β

+

)(1−k)a为雷电流波前陡度，取其平均陡度di

I

dt

2.6a

=

=ut18™

35kV:

20-30kA™

110kV:

40-75kA™

220kV:

75-110kA™

330kV:

100-150kA™

500kV:

125-175kA耐雷水平19雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央

时。真正击中档距中央避雷线的概率只有10%左右。

20U

=

i4gZi

=

at

=

aAlv雷击避雷线档距中央UA

=

Zg

⋅

l

⋅

a

/4v可见UA仅仅取决于它的波前陡度a，而与雷电流无关。

雷击点电压最大值i

=

at

=

a

lv在接地点发生负的全反射U

=

i4Zg21A雷击避雷线档距中央A点与导线空气间隙绝缘上所承受的最大电压为UAB

=

UA

(1

−

k)

=

k为耦合系数22Zg

(1

−

k)每100km线路的年落雷次数NN=γ

⋅

⋅

Td

[次/(100km.年)]γ

为地面落雷密度b为两根避雷线之间的距离；h为避雷线的平均对地高度

Td为雷暴日数输电线路的雷击跳闸率23‹安装避雷线‹提高线路绝缘水平‹降低杆塔接地电阻‹双回输电线路采用不平衡绝缘‹线路避雷器线路防雷措施24™

降低杆塔接地电阻™土壤电阻率低的地区，应充分利用铁塔、钢筋混

凝土杆的自然接地电阻土壤电阻率高的地区，可采用多根放射形接地

体或连续伸长接地体以及垂直接地电极等措施输电线路的防雷保护措施25™

架设耦合地线：

在降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条接地线。它具有分流作用，又加

强了避雷线对导线的耦合。运行经验表明，该措施

可降低雷击跳闸率50

％左右采用消弧线圈接地方式：适用110kV及以下电压等级

电网，可使大多数雷击单相闪络接地故障被消弧线

圈消除，不至发展为持续工频电弧。我国的运行经

验表明，该措施可使雷击跳闸率降低1/3左右26输电线路的防雷保护措施™

加强绝缘：对个别大跨越、高杆塔，落雷机会多等情况，可增加绝缘子片数™

采用不平衡绝缘方式：针对同杆并架双回线路，一

回普通绝缘，一回加强绝缘™

装设自动重合闸装置：我国110kV及以上线路重合

闸成功率达75～95％输电线路的防雷保护措施27™

安装线路避雷器：作用原理－－实质上是一种放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用

电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先放

电，限制了过电压的发展™

基本要求：™

良好的伏秒特性，实现合理的绝缘配合™好的绝缘强度自恢复能力，利于快速切断工

频续流，使电力系统得以继续运行™硅橡胶护套氧化锌线路避雷器已取得良好应

用效果28输电线路的防雷保护措施™

日本总结77kV各种防雷措施的效果，统计出：增加绝缘、架设耦合地线、减少杆塔接地电阻，可使雷击跳闸次数分别降至62%

、

56%

、45%

，安装MOA后可消除雷击跳闸事故输电线路的防雷保护措施29¾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。¾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。¾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。小结（本节完）30第二节

变电所的防雷保护32¾变电所的直击雷保护¾阀式避雷器保护作用的分析¾变电所的进线段保护¾变电所防雷的几个具体问题主要内容33线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶

化；变电所的雷害事故就要严重得多，往往导致大

面积停电。变电设备的内绝缘水平往往低于线路绝

缘，而且不具有自恢复功能，一旦发生击穿，后果

十分严重。变电所的防雷保护与输电线路相比，要

求更严格、措施更严密、可靠。变电所中出现的雷电过电压的两个来源：2)沿输电线入侵的雷电过电压波。1)雷电直击变电所；34变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针

的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、

应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立

避雷针，则还有一个验算它对于相邻配电装置构架

及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按

安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避

雷针两类。

注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电

装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。一、变电所的直击雷保护35为了防止避雷针接地装置与变电

所接地网之间因土壤击穿而连在

一起，地下距离S2亦应满足下式

要求为了防止避雷针对构架发生反

击，其空气间距S1应满足下式

要求均冲击击穿场强。

36(

u

B

=

R

i

i

)U

A

=

R

1

i

+

L

0

h

di分别为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平≥

U

EE1、E2dt≥UESSAB2211用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和

地中距离(国标推荐公式:)

s2

≥

0

.3Ri

s1

≥

0.2Ri

+0.1h37阀式避雷器的保护作用基于三个前提：1)它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的

配合2)它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲

击电气强度3)被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防

护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅

值。但是还需要有“进线段保护”与之配合。二、阀式避雷器保护作用的分析38被保护绝缘与避雷器间的电气距离l

越大、进波陡度a或a′越大，电压差值

ΔU也就越大。39被保护绝缘与避雷器之间的电压差

ΔU

，对右图

中的接线图，经过波的多次折反射分析可知：ΔU

=

2av

l

阀式避雷器动作以后有一个不大的电

压降，然后保持残压水平，由于被保护设

备与避雷器间有距离，致使电压波产生振

荡，波形接近冲击截波，因此对于变压器

类电力设备来说，往往采用2μs截波冲击耐

压值作为他们的绝缘冲击耐压水平。40避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、

兼顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的

重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装

得离主变压器近一些。绝缘冲击耐压水平应满足：

U

w

(i)

≥

U

is

+

ΔUUis

阀式避雷器的残压阀式避雷器的保护距离：a

′

为进波陡度,K为变电所出线修正系数l

=

K

U

w

(i

)

−

U

is

max

2

a

'41保证在靠近变电所的一段不长(一般为l～2km)

的线路上不出现绕击或反击。对于那些未沿全线架

设避雷线的35kV及以下的线路来说，首先在靠近变

电所(l~2km)的线段上加装避雷线，使之成为进线

段；对于全线有避雷线的110km及以上的线路，将

靠近变电所的一段长2km的线路划为进线段。在进

线段上,

加强防雷措施、提高耐雷水平。三、变电所的进线段保护421）雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而

发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流过避雷器的冲击电流幅值进线段的作用：43UR－阀式避雷器的残压，kVn－变电所母线上接的线路总条数(一)从限制进波陡度的要求来确定应有的进线段长度a

(

0

.

5

+

)（二）计算流过避雷器的冲击电流幅值

IFVU－行波的初始幅值，kVhc

－进线段导线的平均对地高度，m2U

50

%

−

nU

RZ所需的进线段长度U50%

为侵入波

=

pUlFVI44=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。四、变电所防雷的几个具体问题1)在进线保护段内，避雷线的保护角不宜超过20°。2)采取措施以保证进线段的耐雷水平。进线段提高耐雷性能的保护措施：(二)三相绕组变压器的防雷保护(一)变电所防雷接线45¾高压侧进波时，应在中压断路

器QF2的内侧装设一组阀式避雷

器（图中的FV2）进行保护。¾当中压侧接有出线时，还应

在AA′之间再跨接一组避雷器

（图中的FV3）。(三)自耦变压器的防雷保护¾中压侧进波时，在高压断路器QF1

的内侧也应装设一组避雷器

（图

中的FV1）进行保护。461、中性点为全绝缘时，一般不需采用专门的保护。但

在变电所只有一台变压器且为单路进线的情况下，仍需

在中性点加装一台与绕组首端同样电压等级的避雷器。2、当中性点为降级绝缘时，则必须选用与中性点绝缘

等级相当的避雷器加以保护，同时注意校核避雷器的灭

弧电压(四)变压器中性点的保护变压器的中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置。¾35kV及以下的中性点非有效接地系统¾110kV及以上的中性点有效接地系统471)GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其绝缘水平主要取决于

雷电冲击水平。采用氧化锌避雷器；2)GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常

规变电所有利；3)GIS的同轴母线筒的波阻抗小，过电压幅值和陡度都

显著变小，对变电所的进行波防护有利；4)GIS内绝缘电场结构不均匀，易击穿，要求防雷保护

措施更加可靠、在绝缘配合中留有足够的裕度。(五)气体绝缘变电所防雷保护的特点全封闭SF6气体绝缘变电所(GIS)的特点：48¾变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、

高度、装设位置、验算它们的保护范围、防雷接地装置设

计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装

置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的

主要措施，但是还需要有“进线段保护”与之配合。进线段的作用：1）雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕

而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值；2）限制流过避

雷器的冲击电流幅值49小结¾变电所防雷的具体问题包括：变电所防雷接线、三绕

组变压器的防雷保护、自耦变压器的防雷保护、变压器

中性点的保护等。50第三节

旋转电机的防雷保护51主要内容¾旋转电机防雷保护的特点¾旋转电机防雷保护措施及接线52旋转电机的防雷保护比变压器困难得

多，其雷害事故率也往往大于变压器，这

是由它的绝缘结构、运行条件等方面的特

殊性所造成的。一、旋转电机防雷保护的特点533）电机绝缘的运行条件最为残酷，要受到热、机械振

动、空气中的潮气、污秽、电气应力等因素的联合作

用，老化较快；

4）电机绝缘结构的电场比较均匀，其冲击系数接近于

1，因而在雷电过电压下的电气强度是最薄弱的一环。541）电机具有高速旋转的转子，因此电机只能采用固体

介质，而不能象变压器那样可以采用固体—液体介质组

合绝缘。电机的额定电压、绝缘水平都不可能太高；

2）在制造过程中，电机绝缘容易受到损伤，绝缘内易

出现空洞或缝隙，在运行过程中容易发生局部放电，导

致绝缘劣化；(1)在同一电压等级的电气设备中，以旋转电机的冲

击电气强度为最低，这是因为：(2)电机绝缘的冲击耐压水平与保护它的避雷器的保护

水平相差不多、裕度很小，需要与电容器组、电抗器、

电缆段等配合使用；(3)作用在相邻两匝间的过电压与进波的陡度成正比，

必须严格限制进波陡度。55非直配电机所受到的过电压均须经过变压器绕组

之间的静电和电磁传递。只要把变压器保护好

了，不必对发电机再采取专门的保护措施。对于

在多雷区的经升压变压器送电的大型发电机，仍

宜装设一组氧化锌或磁吹避雷器加以保护。1)经过变压器再接到架空线上去的电机，简称非

直配电机

2)直接与架空