发电厂和变电站的防雷保护

动作后： 2u ub ib Z1
u b f (i b )
避雷器动作前
避雷器动作后
图解法
z1
2u
ub ib
u
2u ub ib Z1
ub ib Z1 ub f ( ib )
2u Ubm ub ib Z1
t
Ibm i
14
1.避雷器与被保护设备距离为零时的过电压
避雷器动作后：
1
h 2
A SK
K
L d Sd Rch
设计步骤：
根据避免反击的要求，决定避雷针的安装位置， 这样就决定了避雷针和被保护设备的水平距离。
根据已决定的水平距离和被保护设备的高度，计 算避雷针的高度，验算保护范围，使设备处于保 护范围之内。
2、避雷针的安装方式
一般110kV及以上变电所，允许装配电构架避雷针，配电构 架需装设辅助接地装置，与地网的连接处距变压器接地的距 离不小于15m。土壤电阻率>500Ω m时,需独立架设避雷针。 变压器门型构架上不得加装避雷针。
实际中以变压器承受多次截波的能力（多次截波耐压值 uj）表示承受雷电波的能力。 变压器承受截波的能力为多次截波耐压值:
Uj U j .3 1 .15
l K U v
因此变压器承受的最大耐压值
U b .5 2
j
变压器与避雷器间允许的最大电气距离 U j U b .5 Lm 2 / v
u u 0.008 u (0.5 )l hd
(kV/ s)
a
a a ( kV/m ) v 300
计算不同电压等级的a’ 后，可求出变电站电气设备离避
雷器的最大允许电气距离lm
需要的进线段长度
l U 0.08U amax 0.5 hd
km
.
.
41
10. 4 变电站防雷的几个具体问题
方法：在有可能出现过电压的地方加装避雷器 例1：自耦变压器的保护
高压侧 中压侧
u
A
u
A'
O
3
2
U0
3
kU
U 1 0 k
' 0
2 3
1 U A' ( a)
O l
' 0
1
F2
F1
A
A
A' (b)
O l
42
例2：配电变压器的保护
外壳
3kV ~ 10kV
380/ 220V
3) F2的作用：隔离开关或断路器断开时防止入侵波在此发 生全反射造成对地闪络。断路器闭合运行时，F2避雷器在 避雷器F1的保护范围内不动作，避免截断波的产生. 4）(阀式避雷器)F1的作用：断路器合闸状态时，保护设备 绝缘。
例：35kV小容量变电站的简化进线保护
500 ~ 600 m
F
FE2
FE1
1km~2km
F
FE
进线段架设避雷线，且保护角取不大于20。 在靠近隔离开关或断路器处装设排气式避雷器。
30
进线段保护的作用
降低波的幅值与陡度。
限制流过避雷器的冲击电流幅值。 （一）流过避雷器的电流 雷电波在1~2km内往返一次的时间：
t 2l / v 2 * (1 ~ 2) / 300 6.7 ~ 13.3s
可以不考虑在进线段上的多次反射。
31
U 50%
Z
Z U bm 2U 50% I bL
(a)
(b)
回路方程： 2U 50% I bL Z U bm
避雷器伏安特性： ub f (i)

32
I bm
2U 50% U b Z
例：220kV线路的冲击绝缘强度U50%=1200kV，线 路波阻400，变电站中氧化锌避雷器的残压520kV
U—— 侵入雷电波幅值 ， kV 。 通常可取为进线段首
端线路绝缘的50%冲击闪络电压U50%。 l0——进线段长度，km； hc——进线段导线的平均对地高度，m。
35
（2）进入变电所的雷电流陡度的计算
首端落雷且幅值为U50%的直角波， 冲击电晕将使直角波波头变缓：
U 5 0% U
a
起 晕
共同接地
4 ~ 10
t tp
t tp 2l2 v
4l2 v
t tp
l2 uT (t ) 2at p U b5 2a v
由于入侵波在变压器与避雷器之间多次反射，作用 在变压器上的电压具有振荡性质，相当于截波的作用。
uT
U b 5
变压器上典型的实际电压波形
t
22
3.变压器与避雷器之间允许的最大电气距离
计算用进波陡度a（kV/μs） 额定电压（kV） 进线段长1km 进线段长 2km 或 全线有避雷线 35 300 150 110 450 225 220 450 － 330 660 － 500 750 － 37
1 ~ 2km
A
F1
F2
(a)
F3
F1
F2
(b )
（10-3-1）
35kv 及以上变电所的进线保护接线
第十章 发电厂和变电所的防雷保护
发电厂、变电所雷电过电压的危害
◆发电机、变压器等主要电气设备的内绝缘大都没有自恢复的能 力 ◆ 220kV线路50%放电电压1200kV，而相应的变压器全波冲击试 验电压850kV，全波多次冲击耐压只有850/1.1=773kV ◆造成大面积停电 发电厂是产生电能的中心，变电站是分配电能的枢纽， 所以比输电线路防雷更加重要，需采取防雷措施。
为进线保护段。
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）限制雷电流幅值（2）降低侵入波陡度
1.
35kV及以上变电所进线段保护
（1）未沿全线架设避雷线的进线保护接线（2）全线有避雷线的进线保护接线
例：35kV~110kV变电站进线段保护典型接线
变压器（也是避雷器）上电压有两个峰值：
Uch ：避雷器冲击放电电压 Ubm：避雷器残压的最大值，取5kA下的数值
两个峰值Uch和Ubm基本相同
1.避雷器与被保护设备距离为零时的过电压
变压器得到可靠保护条件：变压器冲击放电电压大于避雷 器的冲击放电电压和5kA下的残压 110kV~220kV变电所雷电流不得超过5kA，故5kA下的 残压用Ub.5表示。
雷电冲击波 沿线路入侵 雷直击变 电站
u
3
发电厂和变电所雷电过电压来源：
（1）雷直击发电厂和变电站的避雷针后，强大的雷电流 在设备上：a.产生感应过电压 b.避雷针电位升高对设备反击 c.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
防雷措施：
（1）选址时尽可能选择少雷区 （2）采用避雷针和避雷线作为直击雷防护 （3）采用避雷器和进线段保护作为侵入波防护
35kV及以下变电所需独立加设避雷针，并达到不反击的要求。
§10-2 变电所内避雷器的保护作用
装设避雷器
– –
正确选择避雷器的形式、参数 合理确定保护接线方式，如台数、装 设位置 尽量少的避雷器保护所有设备
–
1.避雷器与被保护设备距离为零时的过电压
变压器在冲击电压作用下可等值为一个电容（称为入口电 容），为简化分析，一般可以不计，认为输电线路在此开路。 避雷器直接并在设备旁： 避雷器动作前： ub=2u(t)
，所以要
a
避雷器一般装设在母线上，一组或者多组。
§10-3 变电所的进线段保护
变电站电气设备在雷电侵入时出现的过电压为：
U T U b.5
需限制i雷电 uB.5 及需
l 2 v
a u 进线段保护
要将变电站电气设备上的过电压水平限制在其冲击耐 压值以下，必须限制从线路传来的侵入波陡度，以限制由 于避雷器与电气设备之间的距离引起的电位升高；限制流 过避雷器的雷电流不超过5kA以降低残压。
变压器上电压UT( t )：
最大电压
U T 2 t p U b .5 l2 2 v
t tp
uT (t ) 2at
l2 uT (t ) 2at p U b5 2a v 2l 2l uT (t ) 2a (t p 2 ) 4a(t p 2 t p ) v v 2l2 l2 2a(t p ) U b5 2a v v
2.避雷器与被保护设备有一定距离时的过电压
避雷器和被保护设备并在一起时，被保护设备上 的过电压就是避雷器上的电压，所以变压器冲击放 电电压应该大于避雷器的冲击放电电压和5kA下的残
压.
实际工程中不可能在每台被保护设备上并ຫໍສະໝຸດ Baidu台 避雷器，也就是说避雷器与被保护设备存在一定距 离。
2.避雷器与被保护设备有一定距离时的过电压
变压器上最大电压 U T U b.5
l2 2 v
确保变压器安全的主要措施
限制避雷器残压
由变电站进线段保护完成
限制入侵波陡度 减小变压器距避雷器的电气距离
结论： （1）避雷器具有一定的保护范围，最大允许距离Lmax与 变压器uj和避雷器ur差值有关 uj－ur （2）Lmax与侵入波陡度a有关 a Lmax （3）变电站多回出线比单回出线Lmax高 所以实际工程中，在变电站雷电侵入波保护设计时就是选择 避雷器的布置位置，原则是在任何可能的运行方式下，变电站内 变压器和其它设备距避雷器的电气距离应小于最大允许电气距离。 Lmax
u k i L R ch u d i L R ch
di L L dt
一般直击雷电流iL=100kA;
di L 38 . 5 kA / s dt
L0=1.55μH/m; h高处 L=1.55hμH
空气与土壤的平均击穿场强：
E＝500kV/m和300kV/m
发生反击时: 500Sk=100Rch+60h 300Sd=100Rch 防止反击: Sk>0.2Rch+0.1h 一般5m Sd>0.3Rch 一般3m
I bm
2 1200 520 4.7 kA 400
避雷器中的雷电流不超过5kA ，这也是避雷器残
压按照5kA考虑的原因。
33
2. 进入变电站的雷电波陡度a
0 .008U τ τ 0 ( 0 .5 )l0 hc
式中 τ0——进线段首端斜角波头长度，µ s；
τ——进线段末端变形后的斜角波头长度，µ s；
2.避雷器与被保护设备有一定距离时的过电压
3) 避雷器动作时刻 t = tp
U B ( t ) U b . 5 2 ( t 2 ) 2 ( t t p ) 2 (t p - 2 )
2 (t 2 )
避雷器伏秒特性曲线
at
2 2
Ub.5
tp
2(t t p )
R 10
R 5
电气距离一般在10m以内，允许侵入波陡度增大， 进线段缩短到500~600m。
40
简化接线：用电抗器代替进线段保护
在进线段装设避雷器有困难，或者进线段杆塔接地电
阻难以降到耐雷水平的要求时，可用一组1mH左右的电抗器
代替进线段保护，以限制流过避雷器的雷电流幅值和陡度
FE
( a )未沿全线路架设避雷线的 35~110kv 线路的变电所的进线保护接线 (b )全线有避雷线的变电所的进线保护接线
1. 35kV及以上变电所进线段保护
图中各元件的名称和作用：
1）进线段的作用：进线段内防止雷击导线，进线段以外进 雷时，由于进线段本身阻抗的作用，使流经避雷器的雷 电流受到限制，同时由于冲击电晕的影响，将使入侵波 陡度和幅值下降。 2）F3的作用：限制入侵波的幅值。
§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 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. 当线路全线无避雷线时，这段线路必须架设避雷线；当 线路全线有避雷线时，也将变电站附近2km长的一段进线列
过电压防护的主要措施
直击 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
侵入波 进线保护段
降低来波陡度 减小通过避雷器的电流
10.1 发电厂、变电站的直击雷保护
措施：避雷针和避雷线
6
§10-1 直击雷防护
1、避雷针的反击
避雷针和避雷线的接地都为独立接地体 注意校核：（1）空气间隙Sk；（2）土壤间隙Sd 以免反击
入侵波 at (到B点时t=0)在变压器入口处T发生全反射: 1) 当T点的反射波到达B点之前 UB(t) = at 2) 当T点的反射波到达B后和避雷器动作之前
2l 2 l2 U B (t ) at a (t ) 2 a (t ) v v l2 ＝2a(t - 2 ) 2 v