高电压工程 11T

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11.2 变电站的进线保护
防止侵入波危害变电站电气设备的主要保护措施有:

在发电厂和变电所内装设避雷器,限制入侵雷电波的幅
值,使作用于设备的雷电过电压不超过其冲击耐压值;

在发电厂和变电站的进线上设置进线保护段,以限制流 经避雷器的雷电流和入侵雷电波的陡度。
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避雷器与变压器之间有一段距离l
避雷器的伏秒特性 U UT △U Ua
(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。
为了防止正反变换出现 的过电压,可在低压侧 每相上装一只避雷器, 使配电变压器的防雷保 护得以改善。
高压侧避雷器的接地线端点、低 压侧避雷器的接地端点、变压器 金属外壳、低压侧中性点连在一 起接地。
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11.4 旋转电机的防雷
旋转电机包括发电机、同步调相机、变频机和电动机等 旋转电机防雷保护的特点 1电机的冲击绝缘强度低。
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高电压工程基础
非直配电机的防雷保护
国内外的运行经验表明:经变压器送电的电机在防雷 上比直配电机较可靠,但也有被雷击坏的事例。 研究及运行经验表明:在多雷区,经升压变压器送电 的特别重要的发电机,在其出线上,宜装设一组磁吹避雷 器或金属氧化物避雷器。如与该避雷器并联一组保护电容 (C= 0.25 ~ 0.5μF),再装上中性点避雷器,则可以认为 发电机已得到了可靠的保护。
kA
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计算流经避雷器的冲击电流最大值
额定电压(kV) 35 110 220 330
避雷器型号 FZ-35 FZ-110J FZ-220J FCZ-330J
线路绝缘的U50% (kV) 350 700 1200~1400 1645
ib (kA) 1.41 2.67 4.35~5.38 7.06

利用线路波阻限制流入避雷器的雷电流,从而降低 避雷器残压 利用冲击电晕削弱来波陡度,降低来波幅值
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进线保护概念 (1)对 35~110kV 线路,并不要求全线架设避雷线进行保护, 但在靠近变电所的 1 ~ 2km 范围内应装设避雷线、避雷针或 其它防雷装置,通常称此线段为进线段。 (2)对全线有避雷线的线路来说,把靠近变电站附近 2km 长的一段线路也叫进线段。它除了线路防雷外,还担负着避 免或减少变电所雷电行波事故的作用。 (3)在上述两种情况下,进线段的耐雷水平要达到有关规 程规定值,以减少反击;同时保护角不超过20°,以减少这 段线路的绕击。
高电压工程基础 高电压工程基础
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11.3 变电器的防雷保护
一、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。 ①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。 ②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。
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高电压工程基础 进线保护的作用 a. 限制流过避雷器的雷电流幅值
2U 50% IZ uR uR f ( I )
2U 50% uR I Z
例如,对于220kV 线路,取U50% = 1200kV,Z = 400 Ω,uR= 664kV,则:
2 1200 664 I 4.34 400
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并联电容C的作用:限制来波陡度 降低感应过电压 电缆段的作用:FE动作,UFE=0,电缆芯线与金属 护套短路,高频集肤效应,从而降低母线冲击电压和减 小流过避雷器FCD的电流。
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高电压工程基础
发电机经过一段大于l00m的电缆与架空 线相连接,可以利用 电缆外皮高频电流的集肤效应或电缆外皮的分流及耦合作用。 当侵入波使电缆首端管形避雷器GB2动作时,电缆芯线与外 皮短接,相当于把电缆芯和外皮连在一起并具有同样的对地电压。 电缆发挥集肤效应,从而减小了流过避雷器的电流,使残压降低。 GB2 与电缆之间串入一组 100 ~ 300 μH 的电感,利用电感对 侵入波的正反射波使 GB2 动作 也可以将避雷器 GB2 前移 70m 或增加 GB1,以发挥电缆段 的作用。 此连接线应悬挂在杆塔导线下 2 ~ 3m 处,以使二线之间有一 定的耦合作用。 增设 GB1 的同时,电缆首端仍保留 GB2 ,使强雷时,后者放 电,便可发挥电缆段的限流作用。
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第十一章 发电厂和变电所的防雷保护
主讲教师:田翠华

发电厂和变电站的雷害来源:
1.雷直击于变电站的导线或设备上 2.变电站避雷针落雷时产生的感应过电压 3.沿线路传来的雷电波(侵入波)
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11.1 发电厂和变电站的直击雷保护



发电厂和变电站对直击雷的防护一般采用避雷针和 避雷线。 为了防止直击雷造成危害,应该使发电厂和变电站 中所有被保护物体处于避雷针和避雷线的保护范围 之内,同时还要求雷击避雷针和避雷线时,不应对 被保护物体发生反击。 避雷针分为独立避雷针和构架避雷针 独立避雷针是指安装在变电站的边缘部分,其接地 装置单独设置,不与变电站地网相联; 构架避雷针直接安装在构架上,其接地与变电站地 网相联。
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11.3 变电器的防雷保护
二、 配电变压器的保护
避雷器尽量靠近变 压器,尽量减小连 接线的长度
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正变换、反变换
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”。
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”。
lm (uj uR ) / 2 '
U T max
l U 5 2a v
UTmax
U5
, a
,l
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3. 变电所的进线段保护
变电所 的进线段 保护 是对雷电侵入波保护的一 个重要辅助措施,就是在 临近变电所1~2km的一段
线路上加强防护。
作用:

35kV~110kV变电所 进线保护接线
① 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。 ② 在发电机电压母线上装设一组并联电容器(电容量 为 0.25 ~ 0.5μF),以限制侵入波陡度。这不但是保护电机 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。 ③ 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。 ④ 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 ~ 2.0μF,以进一步降 低入侵波陡度。
S a 0.2 Ri 0.1h S e 0.3Ri
S a ≮5m Se
≮3m
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安装避雷针时还应注意如下事项:


独立避雷针安装处应距离道路3m以上,否则应铺碎石或沥 青路面,以保证人身不受跨步电压的危害; 严禁将照明线、电话线、广播线及天线等装在避雷针或其 构架上;
如在避雷针的构架上设置照 明灯,灯的电源线必需用铅 护套电缆或将导线装在金属 管内,并将引下的电缆或金 属管直接埋入地中,其长度 在10m以上,这样才允许与 屋内低压配电装置相连,以 免雷击构架上的避雷针时, 威胁人身和设备的安全;
U
Ua l
UT
U5
2a (t )

at
τ=l/v
2 u=ub+ib Z1 t
td
td+τ
2a (t t d )
被保护设备上的过电压
u 2 2
l v
uT u u uR 2
l v
lm (uj uR ) /(2 / v)
变压器与避雷器之间允许的最大电气距离:
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11.5 气体绝缘变电所的防雷保护
全封闭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)×1.01×105 Pa大气压的SF6气体作为相间和 对地的绝缘。
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GIS变电所雷电过电压保护的特点

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发电厂厂房一般不装设避雷针 110kV及以上的配电装置,可以将输电线路的避雷线引到 出线门型构架上。
以免发生感应或反击,使继电保护误动作或造成绝缘损坏;

但土壤电阻率大于1000Ω·m的地区,应装设集中接地装置。 35~60kV配电装置的绝缘水平较低,为防止反击事故,在土壤 电阻率不大于500Ω·m的地区,才允许将避雷线引到出线门型 构架上,但应装设集中接地装置;,如土壤电阻率大于 500Ω·m时,避雷线则应在终端杆上终止,最后一档线路的保 护可采用独立避雷针,也可在终端杆上加装避雷针。
雷击独立避雷针 1—母线 2—变压器
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为了防止避雷针与被保护的配电构架或设备之间的空气间 隙 Sa 被击穿而造成反击事故,必须要求 Sa 大于一定距离,取 空气的平均耐压强度为500kV/m;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 Se 被击穿,必须 要求Se大于一定距离,取土壤的平均耐电强度为 300kV/m, Sa和Se应满足下式要求:
500
FCZ-500J
2060~2310
8.63~10
当选用避雷器保护变电所时,一般在电压为 220kV 级及 以下时用 5kA 下的残压为准,而在 330kV 以上时,以 10kA 下残压为准,或者更大的雷电流,由于金属氧化物避雷器非 线性特性非常好,因此雷电流要取更高的值。
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高电压工程基础 b. 限制侵入波陡度
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雷电流经避雷针及其接地装置在避雷 针 h 高度处和避雷针的接地装置上将出 现高电位UA(kV)和UG(kV)。
di u A iR i L dt
uG iR i
式中:i——流过避雷针的雷电流,kA; R i ——避雷针的冲击接地电阻,单位为Ω; L——避雷针的等值电感 H ; ——雷电流的上升陡度,kA/us 。
1km进线 段
1.0 1.1 1.6
2km进线段 或全线有避 雷线 0.5 0.55 Байду номын сангаас.75
1km进线 段
— — —
2km进线段 或全线有避 雷线 1.5 2.2 2.5
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高电压工程基础
3. 进线保护的典型接线
限制侵入波 的幅值
保护断路器
未沿全线架设避雷线的35 ~ 110 kV 线路进线保护 全线有避雷线的变电所进线保护
U U 1 0.5 0.008 (0.5 0.008U )l ( )l0 0 hdp U hdp
hdp为进线段导线平均高度,l0为进线段长度
变电所侵入波计算陡度
侵入波计算陡度(kV/m) 额定电 压(kV) 35 60 110
侵入波计算陡度(kV/m) 额定电 压(kV) 220 330 500
31500 ~ 5000 kVA,35kV变电所的简化保护接线
用电抗线圈代替进线段避雷线的保护接线
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11.3 变电器的防雷保护
一、变压器的中性点保护
35-60kV变压器:中性点不接地 全绝缘:不接保护装置 流过端部避雷器的雷电流一般只在2kA以下,故其残压 要比预定5kA时的残压减小20%左右; 大多数来波是从线路的较远处袭来,陡度很小 三相来波的概率很小,只有10%左右,平均大约15年 才有一次。 110-220kV系中的变压器:部分中性点不接地 全绝缘:不加保护(单线单变例外) 半绝缘:加保护装置,避雷器
2保护电机用的磁吹阀式避雷器FCD的冲击放电电压及残压不 够低----配合裕度很小 3要求限制来波陡度 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。
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直配电机的防雷保护 措施:
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