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1、8.2 变电所的防雷保护变电所的防雷保护发电厂、变电所遭受雷害可能来自两方面：l雷直击于发电厂、变电所；l雷击线路，沿线路向发电厂、变电所入侵的雷电波。发电厂、变电所的直击雷保护发电厂、变电所的直击雷保护 为了防止雷直击于发电厂、变电所，可以装设避雷针，应该使所有设备处于避雷针保护范围之内，此外，还应采取措施，防止雷击避雷针时的反击事故。K变电构架变电构架变电构架变电构架变变压压器器构构架架 避雷针和其他接地装置上的避雷针和其他接地装置上的电位电位 和和 与冲击接地电阻与冲击接地电阻 有关，有关，越小则越小则 和和 越低。越低。K 为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙为了防止避雷针与
2、被保护设备或构架之间的空气间隙 被被击穿而造成反击事故，必须要求击穿而造成反击事故，必须要求 大于一定距离，若取空气大于一定距离，若取空气的平均抗电强度的平均抗电强度 ，则，则 应满足：应满足：K 同样，为了防止避雷针接地装置和被保护设备接地装置之同样，为了防止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间在土壤中的间隙 被击穿，必须要求被击穿，必须要求 大于一定距离，大于一定距离，应满足下式（假设土壤的抗电强度为应满足下式（假设土壤的抗电强度为500kV/m）：）：在一般情况下，在一般情况下，不小于不小于5m，不应小于不应小于3m。K 按照安装方式的不同，将避雷针分为：按照安装方式的
3、不同，将避雷针分为：l独立避雷针独立避雷针l装在配电装置构架上的避雷针装在配电装置构架上的避雷针 （简称构架避雷针）（简称构架避雷针）从经济观点出发希望采用构架避雷针，因为它既能节省支座的钢材，又能省去专用的接地装置,由于变压器的绝缘较弱又是变电所中最重要的设备，故在变压器门型构架上不应装设避雷针；对35KV及以下变电所宜装设独立避雷针，独立避雷针有自己专用的支座和接地装置，其接地电阻一般不超过10 。我国规程规定：我国规程规定：110KV及以上的配电装置，一般将避雷针装在构架上。及以上的配电装置，一般将避雷针装在构架上。但在土壤电阻率但在土壤电阻率 的地区，仍宜装设独立避的地区，仍宜装设独立
4、避雷针，以免发生反击。雷针，以免发生反击。35KV及以下的配电装置应采用独立避雷针来保护；及以下的配电装置应采用独立避雷针来保护；60KV的配电装置，在的配电装置，在 的地区宜采用独立避的地区宜采用独立避雷针，在雷针，在 的地区容许采用构架避雷针。的地区容许采用构架避雷针。发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生反发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生反击事故和引起继电保护误动作。击事故和引起继电保护误动作。8.2 阀式避雷器保护作用的分析阀式避雷器保护作用的分析装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进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行防护的主要
5、措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需要有电压波的幅值。但是还需要有“进线段保护进线段保护”与与之配合。之配合。阀式避雷器的保护作用基于三个前提：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它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合的配合(2)它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的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被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内被保护设备上的过电压被保护设备上的过电压高电压技术避避雷雷器器变变压压器器动作前的等值电路动作后的等值电路 变
6、电所中有很多设备，不可能在每个设备旁都装设一组变电所中有很多设备，不可能在每个设备旁都装设一组避雷器，一般只在变电所母线上装设避雷器，由于变压器避雷器，一般只在变电所母线上装设避雷器，由于变压器是最重要的设备，因此避雷器应尽可能靠近变压器。这样，是最重要的设备，因此避雷器应尽可能靠近变压器。这样，避雷器离开变压器和各电气设备都有一段长度不等的距离，避雷器离开变压器和各电气设备都有一段长度不等的距离，当雷电波入侵时，变压器和各电气设备上的电压将与避雷当雷电波入侵时，变压器和各电气设备上的电压将与避雷器上电压不相同器上电压不相同。被保护绝缘与避雷器间的电气距离（沿母线和连接线计被保护绝缘与避雷器间
7、的电气距离（沿母线和连接线计算的距离）越大，来波陡度越大，电压差值也就越大。算的距离）越大，来波陡度越大，电压差值也就越大。由于避雷器直接接在变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器上电压相同，若变压器的冲击耐压大于避雷器的冲击放电电压和5KA下的残压（流经避雷器的雷电流一般不超过5KA，故残压的最大值取5KA下的数值），则变压器将得到可靠的保护。由于避雷器与变压器之间有一段距离，绝缘上实际受到由于避雷器与变压器之间有一段距离，绝缘上实际受到的电压波形与残压波形不一样，这是因为母线、连接线等的电压波形与残压波形不一样，这是因为母线、连接线等都有某些杂散电感与电容，它们与绝缘的电容都有某些杂散电
8、感与电容，它们与绝缘的电容C将构成某将构成某种振荡回路。其结果是使得绝缘上出现的电压波形由一非种振荡回路。其结果是使得绝缘上出现的电压波形由一非周期分量（避雷器工作电阻上的电压）与一衰减性振荡分周期分量（避雷器工作电阻上的电压）与一衰减性振荡分量组成。这种波形更接近于冲击截波。因此我们常以变压量组成。这种波形更接近于冲击截波。因此我们常以变压器绝缘承受截波的能力来说明在运行中该变压器承受雷电器绝缘承受截波的能力来说明在运行中该变压器承受雷电流的能力。变压器承受截波的能力称为多次截波耐压值。流的能力。变压器承受截波的能力称为多次截波耐压值。对于一般变电所的入侵雷电波防护设计主要是选择避雷器的安装
9、位置，其原则是在任何可能的运行方式下，变电所的变压器和各设备距避雷器的电气距离皆应小于最大允许电气距离绝缘的雷电冲击耐压值绝缘的雷电冲击耐压值阀式避雷器的冲击放电电压阀式避雷器的冲击放电电压变电所进线段保护变电所进线段保护变电所的进线段保护作用变电所的进线段保护作用进线段保护的必要性 如果当雷击于变电所附近的导线时，流过导线的电流将超过一定值，而且陡度也会超过允许值。因此，必须在靠近变电所的一段进线上采取可靠的防直击雷保护措施，进线段保护是对雷电侵入波保护的一个重要辅助手段。进线段保护 进线段保护是指在临近变电所12km的一段线路上加强防雷保护措施。例如：例如：当线路全线无避雷线时，在临近变电
10、所当线路全线无避雷线时，在临近变电所1 12km2km线路上线路上架设避雷线，保护角取架设避雷线，保护角取2020使此段线路有较高耐雷水平，并减少使此段线路有较高耐雷水平，并减少由于绕击和反击的概率。这样进入变电所内的侵入波由于线路波由于绕击和反击的概率。这样进入变电所内的侵入波由于线路波阻抗及冲击电晕的作用使通过避雷器雷电流的幅值和陡度都有所阻抗及冲击电晕的作用使通过避雷器雷电流的幅值和陡度都有所降低。降低。变电所内设备距避雷器的最大允许距离 就是根据进线段以外落雷的条件下求得的，这样就可以保证进线段以后落雷时变电所不会发生事故。12kmFZGB2GB1未沿全线架设避雷线的35110KV线路
11、变电所的进线段保护FZGB全线架设避雷线的变电所的进线段保护进线段能起两方面的作用：进线段能起两方面的作用：1.进入变电所的雷电过电压波将来自进进入变电所的雷电过电压波将来自进线段以外的线路，它们在流过进线段时将因冲击点晕而发生衰减和线段以外的线路，它们在流过进线段时将因冲击点晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值。变形，降低了波前陡度和幅值。2.利用进线段来限制流过避雷器的利用进线段来限制流过避雷器的冲击电流幅值。冲击电流幅值。雷电侵入波进线段后的电流和陡度的计算雷电侵入波进线段后的电流和陡度的计算 采取进线段保护后，按规程对雷电流幅值和陡度的要求，在最不利的情况下计算雷电流 和陡度 。（
12、1）进线段首端落雷，流经避雷器电流的计算（2）进入变电所的雷电波陡度的计算（1）进线段首端落雷，流经避雷器电流的计算 受线路绝缘放电电压的限制，入侵雷电波的最大幅值为线路绝缘的50冲击闪络电压 ，行波在12km的进线段来回一次的时间为 ，它已远超过行波的波前时间（），故避雷器动作后产生的负电压反射波折回雷击点,在雷击点产生的反射波到达避雷器前，流经避雷器前的雷电流已过峰值，因此可以不计这反射波及其以后过程的影响。进线保护的作用进线保护的作用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：高电压技术安装
13、GB2的原因 这是因为线路断路器隔离开关在雷雨季节可能经常开断而线路侧又带有工频电压（热备用状态），沿线袭来的雷电波（其幅值 ）传到开路端，由于开路反射电压要上升到 ，这时可能使开关绝缘对地放电并引起工频短路，将断路器或隔离开关的绝缘支座烧毁，为此在靠近隔离开关或断路器处装设一组管型避雷器GB2。在断路器闭合运行时雷电侵入波不应使GB2动作，如GB2在断路器闭合运行时侵入波使之放电，则将造成截波，可能危及变压器纵绝缘与相间绝缘。若缺乏适当参数的管型避雷器，则GB2可用阀型避雷器代替。12kmFZGB2GB1保护断路器 限制侵入波的幅值（2）进入变电所的雷电波陡度的计算 在最不利的情况下，出现在
14、进线段首端的入侵雷电波的最大幅值为线路绝缘的50冲击闪络电压 且具有直角波头。已大大超过导线的临界电晕电压，因此在入侵雷电波作用下，导线将发生冲击电晕，于是直角波头的雷电波自进线段首端向变电所传播的过程中，波形将发生变形，波头变缓。相应的波前陡度为12kmFZGB2GB1Ahd-进线段的平均对地高度进线段的平均对地高度进波的空间陡度进波的空间陡度8.3.3 35KV小容量变电所的简化进线保护小容量变电所的简化进线保护 对于35KV小容量变电所，可根据变电所的重要性和雷电活动强度等情况来采取简化的进线保护。35KV小容量变电所范围小，避雷器距变压器的距离一般在10m以内，侵入波陡度 允许增加，故
15、进线长度可以缩短到500600m，为了限制流入变电所阀型避雷器的雷电流，在进线首端可装设一组管型避雷器或保护间隙。500600mFZGB2GB1 35110KV变电所，若进线装设避雷线有困难或进线段杆塔接地电阻难于下降，不能达到要求的耐雷水平，可在进线的终端杆上安装一组 左右的电抗线圈来代替进线段，此电抗线圈既能限制流过避雷器的雷电流又能限制入侵波陡度。FZGB1变压器的防雷保护变压器的防雷保护三绕组变压器的防雷保护三绕组变压器的防雷保护 当三绕组变压器的高压侧或中压侧有雷电过电压波袭来时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，其低压绕组上会出现一定的过电压，最不利的情况是低压绕组处于开路状态，这时
16、静电感应分量可能很大而危及绝缘，考虑到这一分量将使低压绕组的三相导线电位同时升高，所以只要在任一相低压绕组出线端加装一只该电压等级的阀型避雷器，就能保护好三相低压绕组。中压绕组虽也有开路运行的可能，但其绝缘水平较高，一般不需加装避雷器来保护。自耦变压器的防雷保护自耦变压器的防雷保护 自耦变压器一般除了高、中压自耦绕组外，还有三角形接线的低压非自耦绕组。在运行中，可能出现高、低压绕组运行、中压绕组开路和中、低压绕组运行、高压绕组开路的情况。由于高、中压自耦绕组的中性点均直接接地，因而在高压侧进波时，自耦绕组各点的电压初始分布、稳态分布和各点最大电压包络线均与中性点接地的单绕组相同，在开路的中压侧
17、端子 上可能出现的最大电压为高压侧电压 的 倍，（k为高中压绕组的变比）因而有可能引起处于开路状态的中压侧套管的闪络，为此应在中压断路器QF2的内侧装设一组阀型避雷器 FV2，进行保护。电压初始分布电压初始分布最大电压包络线最大电压包络线电压稳态分布电压稳态分布 当中压侧进波时（幅值为 ），自耦绕组各点的电压分布如下图，由中压端 到开路的高压端 之间的电压稳态分布是由中压端 到中性点 之间的电压稳态分布的电磁感应所产生的，高压端 的稳态电压为 。在振荡过程中，点的最大电压可达 。因而将危及高压侧绝缘，为此在高压断路器QF1的内侧也应装设一组避雷器（FV1）进行保护。此外，还须注意的情况：当中压
18、侧接有出线时（相当于 点经线路波阻抗接地），如高压侧有过电压波入侵，点的电位接近于零，大部分过电压将作用在 一段绕组上，这显然是危险的，同样地，高压侧接有出线时，中压侧进波也会造成类似的结果。显然，绕组越短（变比k越小），危险性越大。一般在 时，还应在 之间再跨接一组避雷器（FV3）。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
19、超过首端的对地电位。这种情况虽属少见，但需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，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。高电压技术 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
20、器，使配电变压器的防雷保护得以改善。高压侧遭雷击，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”。高电压技术 35KV及以下中性点雷害之所以较少是由于以下几方面的原因：原因：流过避雷器的雷电流小于流过避雷器的雷电流小于5KA5KA，一般只有，一般只有1.42.0KA,1.42.0KA,此时避雷此时避雷器的残压与器的残压与5KA5KA时的残压相比减小了时的残压相比减小了2020左右。左右。实际上变电所进线不只一条，它是多路进线，一条线路的来波实际上变电所进线不只一条，它是多路进线，一条线路的来波可由其他线路流走一部分雷电流，这样就进一步减少了流经避可由其他线路流走
21、一部分雷电流，这样就进一步减少了流经避雷器中的雷电流；雷器中的雷电流；大多数来波是从线路远处袭来的，由于冲击电晕使波发生衰减大多数来波是从线路远处袭来的，由于冲击电晕使波发生衰减变形，其幅值及陡度均很小；变形，其幅值及陡度均很小；变压器绝缘有一定裕度；变压器绝缘有一定裕度；避雷器到变压器间的距离实际值比允许值近一些；避雷器到变压器间的距离实际值比允许值近一些；三相来波的概率只有三相来波的概率只有1010，机会不是很多，据统计约，机会不是很多，据统计约1515年才有年才有一次一次。因此我国有关标准规定，35KV及以下变压器中性点一般不需要保护。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
22、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。高电压技术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。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
23、自恢复能力。高电压技术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，若雷击于导线或附近地面，将会有大气过电压作用于电机绝缘。8.3 旋转电机的防雷保护旋转电机的防雷保护高电压技术 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
24、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。高电压技术 1.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），以限制侵入波陡度。这不但是保护
25、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，以进一步降低入侵波陡度。措施：高电压技术 作用在直配电机上的大气过电压有两类：作用在直配电机上的大气过电压有两类：n与电机相连的架空线路上的感应过电压；与电机相连的架空线路上的感应过电压；n由雷电直击于电机相连的架空线路而引起的。由雷电直击于电机相连的架空线路而引起的。其中，感应过电压出现的机会较多，因此可以增加其中，感应过电压出现的机会较多，因此可以增加导线对地电容以降低感应过电压
26、。导线对地电容以降低感应过电压。直配电机的防雷保护元件主要有：直配电机的防雷保护元件主要有：（1）避雷器）避雷器（2）电容器）电容器（3）电缆段）电缆段采取这些综合保护措施就可以限制流经采取这些综合保护措施就可以限制流经FCDFCD型避雷器中型避雷器中的雷电流小于的雷电流小于3KA3KA，可以限制侵入波陡度和降低感应过，可以限制侵入波陡度和降低感应过电压。电压。（1）避雷器保护 它的主要功能是降低侵入波幅值。出厂时的电机冲击耐压不高，只能采用FCD磁吹避雷器。但由于磁吹避雷器的残压是在雷电流为3KA下的残压，所以还需配合进线保护措施以限制流经FCD型避雷器中的雷电流小于3KA。GFCD（2）电
27、容器保护 它主要功能是限制侵入波陡度限制侵入波陡度a a和降低感应过电压和降低感应过电压。通常在发电机母线上 装设电容器电容器来降低侵入波陡度。若侵入波幅值为 的直角波，则发电机母线上电压（即电容C上电压 ）可按等值电路计算，计算结果表明，每相电容为 时，能够满足 的要求。同时也满足限制感应过电压使之低于电机冲击耐压的要求。GFCD电机母线上装设电容以限制来波陡度原理接线图 等值电路（3）电缆段保护（进线段保护）它主要功能是限制流经限制流经FCD型避雷器中的雷电流使之小于型避雷器中的雷电流使之小于3KA。可采用电缆电缆与管型避雷器管型避雷器联合作用的典型进线保护段。雷电波侵入时管型避雷器FT2
28、动作，电缆芯线与外皮经FT2短接在一起，雷电流流过FT2和接地电阻 所形成的电压 同时作用在外皮与芯线上，沿外皮将有电流 流向电机侧，于是在电缆外皮本身的电感 上将出现压降 ，此压降是由环绕外皮的磁力线变化所造成的，这些磁力线也必然全部与芯线相匝链，结果在芯线上也感应出一个大小相等其值为 的反电动势来，此电动势阻止雷电流从A点沿芯线向电机侧流动，也限制了流经FCD的雷电流，如果 与 完全相等，则在芯线中就不会有电流流过，但因电缆外皮末端的接地引下线总有电感 存在，则 与 之间就有差值，差值越大则流经芯线的雷电流就愈大。GFCDFT2AFT1GFCD70mFT2电缆段发挥限流作用的前提是管式避雷
29、器电缆段发挥限流作用的前提是管式避雷器FT2发生动作，但实际上由于电发生动作，但实际上由于电缆的波阻抗远小于架空线路，过电压波到达电缆始端缆的波阻抗远小于架空线路，过电压波到达电缆始端A点时会发生异号电点时会发生异号电压反射波，使压反射波，使A点的电压立即下降，所以点的电压立即下降，所以FT2很难动作，这样电缆也就无从很难动作，这样电缆也就无从发挥作用了。为解决这一问题，可以在离发挥作用了。为解决这一问题，可以在离A点点70m左右的前方安装一组管左右的前方安装一组管式避雷器式避雷器FT1。FT1不能就地接地，而必须用一段专门的耦合连线连接到不能就地接地，而必须用一段专门的耦合连线连接到A点的接
30、地装置点的接地装置R1上。上。A 对于大容量（25,00060,000KW）直配电机的典型防雷接线如下图。lL为限制工频短路电流限制工频短路电流用的电抗器，对电机防雷有利；lL前加设一组FS型避雷器型避雷器以保护电抗器前的电缆终端保护电抗器前的电缆终端。由于L的存在，当侵入波到达L时将发生全反射，电压增加一倍，FS动作，一方面保护电缆头，另外也进一步限制了流经FCD的雷电流。l为了保护中性点绝缘保护中性点绝缘，除了限制侵入波陡度不超过限定值外，尚需在中性点加装避雷器避雷器。GFCDFT2FT1FSFCD（FZ）L2.非直配电机的保护非直配电机的保护 根据我国运行经验，在一般情况下，无架空线的直配电机不需要装设电容器和避雷器。在多雷区，对特别重要的发电机，则宜在发电机出线上装设一组FCD型避雷器，如变压器侧装设有FCZ型磁吹避雷器，对电机侧是否要装避雷器，可视情况而定。若发电机与变压器间有长于50m的架空母线或软连接线时，对此段母线除应对直击雷进行保护外，还应防止雷击附近大地而产生的感应过电压，此时应在电机每相出线上装设不小于 的电容器或磁吹避雷器。