发电厂和变电所的防雷保护

第十章发电厂和变电所的防雷保护§10-1发电厂、变电所的直击雷保护§10-2变电所内阀型避雷器的保护作用§10-3变电所的进线段保护§10-4三相绕组变压器和自耦变压器的防雷保护§10-5变压器中性点保护§10-6旋转电机的防雷保护发电厂、变电所雷害来源：引言1.雷直击发电厂和变电站的避雷针后，强大的雷电流1）在设备上产生感应过电压2）避雷针电位升高对设备反击3）产生跨步电压和接触电压2.雷击线路后导线上形成雷电波侵入发电厂和变电站发电厂、变电所过电压防护的主要措施：直击雷侵入波避雷针、避雷线保护范围防止反击避雷器的保护作用与范围进线端保护降低来波陡度减小通过避雷器的电流幅值§10-1发电厂、变电所的直击雷保护为了防止雷直击发电厂、变电所，可以装设避雷针，应使所有设备都处于避雷针保护范围之内，且要防止雷击避雷针时的反击事故。一、对避雷针安装位置的要求1.独立避雷针：具有独立于变电站地网的接地装置。2.构架避雷针：安装于配电构架上，并与变电站的地网相连。1.独立避雷针对于35KV及以下的配电装置，由于绝缘水平较低，为了避免反击的危险，应架设独立避雷针，其接地装置与主接地网分开埋设。在避雷针h高度处和避雷针的接地装置上，将出现高电位uk和ud。此时有：RiuRiiuchLdchLLkdtdL；避雷针等值电感流经避雷针的雷电流平均上升速度流经避雷针的雷电流避雷针的冲击接地电阻取雷电流的幅值为100KA，雷电流的平均上升速度为38.5KA/μs，避雷针电感为1.55μH/m，则可得：KVKVhRuRuchdchk10010060；上两式表明，避雷针和接地装置上的电位uk和ud与冲击接地电阻Rch有关，Rch越小，则uk和ud越低。为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙Sk被击穿而造成反击事故，必须要求Sk大于一定距离，若取空气的平均抗电强度为500KV/m，则Sk应满足：mhRSchk1.02.0同样，为了防止避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙Sd被击穿，必须要求Sd大于一定距离，若取土壤的平均抗电强度为300KV/m，则Sd应满足：mRSchd3.0◆在一般情况下，Sk不应小于5m，Sd不应小于3m。2.构架避雷针◆对于110KV及以上的配电装置，因为绝缘水平较高，雷击避雷针时在配电构架上出现的高电位不会造成反击事故，故可以将避雷针架设在配电装置的构架上，可以节约投资，便于布置。◆在装设避雷针的构建附近埋设辅助集中接地装置，此接地装置与变电所接地网的地下连接点离主变压器接地装置与变电所接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不应小于15m。目的：使雷击避雷针时在避雷针接地装置上产生的高电位，在沿接地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，以便达到变压器接地点时不会造成变压器的反击事故。◆土壤电阻率大于500Ωm时，需独立架设避雷针。◆在变压器的门型构架上，一般也不允许架设避雷针（线）。二、对避雷线安装位置的要求1.为了防止反击，避雷线与配电装置带电部分、发电厂和变电所电气设备接地部分以及构架接地部分间的空气距离，应符合下列要求：对一端绝缘另一端接地的避雷线对两端接地的避雷线lhRSchk1.02.0]1.02.0[lhRSchk通常不宜小于5m。2.避雷线的接地装置与发电厂变电站接地网间的地中距离，应符合：RSchd3.0通常不宜小于3m。§10-2变电所内阀型避雷器的保护作用沿导线传播的侵入波幅值远远高于变电站内设备绝缘水平，故需采用避雷器作为变电站内侵入波的防护。一、避雷器的保护动作过程避雷器动作前：tuub动作后：iuziubbbbftu1)(2由图可知：避雷器电压有两个峰值Uch和Ubm，Uch是避雷器冲击放电电压，由于阀型避雷器的伏秒特性uf很平，故此值基本上不随侵入波陡度而变；Ubm为避雷器残压的最大值，虽然残压与雷电流的大小有关，但因阀片的非线性特性，当流过的雷电流在很大范围内变动时，其残压近乎不变。在具有正常防雷接线的110~220KV变电所中，流经避雷器的雷电流一般不超过5KA（对330KV为10KA），故残压的最大值取为5KA下的数值；在一般情况下，避雷器的冲击放电电压与5KA的残压基本相同，则在分析中可以将避雷器上的电压ub近似地视为一斜角平顶波，其幅值为5KA时的残压Ub.5，波头时间（即避雷器放电时间）则取决于入侵波的陡度。若入侵波为斜角波，即u=αt，则避雷器的作用相当于在避雷器放电时刻tp在避雷器安装处产生一负电压波-α（t-tp）。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，则变压器将得到可靠的保护。二、避雷器与设备的距离对过电压的影响不可能在每台被保护设备上并联一台避雷器，也就是说避雷器与被保护设备存在一定距离，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，因此避雷器尽量靠近变压器。进线隔离开关处电压的最大值UL为：lUUbL152波速变压器上电压的最大值UT为：lUUbT252上两式表明，不论设备位于避雷器前或避雷器后，只要设备离避雷器有一段距离，则设备上所受冲击电压的最大值必然要高于避雷器残压Ub.5。所以，当雷电波入侵变电所时，变电所设备上所受冲击电压的最大值US可表示为：lUUbS25设备与避雷器之间的距离若考虑各设备对地电容的存在以及变电所具体接线的复杂性，可引入对地电容影响系数，则：KlUUbS25从左图可以看出，变压器上的电压具有振荡性质，其轴为避雷器残压。对变压器绝缘的作用与截波的作用较为接近，因此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波的能力。变压器承受截波的能力称为多次截波耐压值Uj，根据实践经验，该值为变压器三次截波冲击试验电压的1/1.15倍，即：15.13UUjj为了保证设备安全运行，必须满足：UUUUjbjKlS25即：1）必须限制避雷器的残压，也就是说对流过避雷器的雷电流必须加以限制使之不大于5KA或10KA；2）限制入侵波的陡度α；3）尽量缩短避雷器与被保护设备间的电气距离。由上式可见，为了保证变压器和其他设备的安全，需采取如下措施：避雷器的最大保护距离：入侵波陡度α为一定值时，变压器与避雷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，避雷器对变压器将无法保护，此值称为避雷器的最大保护距离或保护范围。一路进线的变电所二路进线的变电所说明：1）因变电所中其他设备的冲击耐压值比变压器高，所以其他设备的最大允许电气安全距离可以比上两图中的值相应增加35%。2）二路进线的变电所，其最大允许电气距离比一路进线时大。原因是一路来波时，另一路将分流部分雷电流。3）规程建议，三路进线变电所的最大电气允许距离比二路时增大20%；四路及以上进线可增大35%。变电所的防雷性能通常用危险波曲线来说明。危险波曲线取得的方法为：1）在某一运行方式下，固定入侵波幅值，改变入侵波陡度直至变电所内某一设备上的过电压达到其冲击耐压值为止，记录该入侵波幅值及其相应的陡度作为危险曲线上的一点。2）改变入侵波幅值，重复上述过程。入侵波幅值和陡度位于区域Ⅰ，则变电所出现雷害事故；位于Ⅱ区，则无雷害事故。危险波形越偏上或偏右，则运行方式下的防雷性能越好。三、变电所避雷器保护配置1.配电装置的每组母线上应装设避雷器，但进出线都装有避雷器的除外。2.旁路母线是否装设避雷器视其运行时避雷器到被保护设备的电气距离是否满足要求而定。3.330KV及以上变压器和并联电抗器处必须装设避雷器，避雷器应尽可能靠近设备本体。4.220KV及以下变压器到避雷器之间的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。5.三绕组变压器到低压侧的一相上宜装设一台避雷器。6.自耦变压器必须在两个自耦合的绕组出线上装设避雷器，避雷器装设于变压器与断路器之间。7.下列情况变压器中性点应装设避雷器：1）中性点直接接地系统，变压器中性点为分级绝缘且装有隔离开关时；2）中性点直接接地系统，变压器中性点为全绝缘，但是变电站为单进线且为单台变压器运行时；3）中性点不接地或经消弧线圈接地系统，多雷区单进线变压器中性点。变电所母线上的避雷器§10-3变电所的进线段保护进线段：输电线靠近变电站1~2Km的线段。统计表明：变电站侵入波事故50%是1Km线路落雷造成的，71%是3Km线路落雷造成的。进线段保护：加强进线段防雷保护措施（无避雷线的架设避雷线，有避雷线的减小保护角，增加绝缘子片数，加强检查巡视）使进线段耐雷水平高于线路其它部分，减小进线段发生绕击和反击形成侵入波的概率，这样侵入变电站的雷电波主要来自进线段之外。侵入波经过在进线段上传播时，由于冲击电晕陡度会降低，进线段的波阻抗也起着限制流过避雷器的雷电流的作用。进线段作用：1）限制雷电流；2）降低侵入波陡度。变电所内设备距避雷器的最大允许电气距离lm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外落雷时变电所不会发生事故。一、35KV及以上变电所的进线端保护未沿全线架设避雷线的35~110KV线路的变电所的进线保护接线全线架设避雷线的35~110KV线路的变电所的进线保护接线1.进线段首端（A点）落雷时流经避雷器电流的计算最不利的情况是进线段首端落雷，由于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U50%。则流经避雷器雷电流的最大值Ib满足：UIUbmbz%502进线段导线波阻避雷器的残压最大值从P288表10-3-2可知，1~2Km的进线端已能够满足限制避雷器中雷电流不超过5KA或10KA的要求。2.进入变电所的雷电流波陡度α的计算sKVluuhd008.05.0进线段导线悬挂平均高度（m）进线段长度（m）行波电压（KV）则计算用陡度值为：mKV300'见P289表10-3-3根据计算陡度值，就可由P287图10-2-7和图10-2-8查出变压器或其他设备到FZ型避雷器的最大允许电气距离lm。●管型避雷器F3装设原则：冲击绝缘水平特别高的线路，如瓷木横担或降压运行的线路，限制侵入波幅值用。●管型避雷器F2装设原则：雷雨季节常有断路器断开，而线路侧又在带电的情况下，防止来波在开路的线路末端全反射造成闪络，工频短路电流烧坏断路器或隔离开关的绝缘支座，所以必须在靠近隔离开关或断路器处装设一组管型避雷器F2；在断路器闭合运行时，入侵雷电波不应使F2动作，也即此时F2应在变电所阀型避雷器F1保护范围内，如F2在断路器闭合运行时入侵波使之放电则将造成截波，可能危及变压器纵绝缘。若缺乏合适参数的管型避雷器，则F2也可用阀型避雷器或保护间隙来代替。二、35KV小容量变电所的简化进线端保护变电所面积小，避雷器与变压器距离一般在10m以内。3150~5000KVA、35KV变电所的简化保护接线对35~110KV变电所，如进线段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时，可在进线的终端杆上安装一组1000μH左右的电抗器来代替进线段。此电抗器既能限制流过避雷器的雷电流又能限制入侵波陡度。§10-4三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措施：只要在任一相低压绕组直接出口处对地加装一个避雷器即可。原因：三绕组变压器在正常运行时，可能存在只有高、中压绕组工作，低压绕组开路的情况，此时，在高压或中压侧有雷电波作用时，由于低压绕组对地电容较小，开路的低压绕组三相上的静电感应分量都达到很高的数值，将危及绝缘。中压绕组虽也可能断开，但其绝缘水平较高，一般不装。二、自耦变压器的防雷保护自耦变压器一般除有高、中压自耦绕组外，还有低压非自耦绕组，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、高压开路的运行方式。高压端A进波1.高低压绕组运行、中压绕组开路UVKAm02