高电压技术第六章

utop ( Ri i Lt di ) dt
u1 kutop
3、雷击塔顶而在导线上产生的感应雷击过电压
u
' i (c)
ui ( c ) (1
hg hc
k0 )
ui ( c ) - 无避雷线时的感应雷击过电压 k0 - 导、地线间的几何耦合系数
4、线路本身的工频电压u2
作用在绝缘子串上的合成电压 uli ua u1 ui' (c) u2
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 S U
A 1
E1
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 S U
B 2
E2
E1、E2 分别为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均冲
击击穿场强。
用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和地中 距离 s2 0.3Ri s1 0.2Ri 0.1h
(四)变压器中性点的保护
110kV及以上的中性点有效接地系统 1、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 35kV及一下的中性点非有效接地系统 变压器的中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置。
小 结
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。 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。 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。
第二节 变电所的防雷保护
变电所的直击雷保护 阀式避雷器保护作用的分析 变电所的进线段保护 变电所防雷的几个具体问题
(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：
1）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； 3）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。
(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： • 1)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。
2、雷击跳闸率（ n ）
雷击跳闸率是指在雷暴日数Td＝40的情况下、100km的 线路每年因雷击而引起的跳闸次数，其单位为“次 /(100km· 40雷暴日)”．实际线路长度L不是100km，雷 暴日数也不正好是40时必须换算到某一相同的条件下 (100km，40雷暴日)，才能进行比较。 但是雷电流超过了线路耐雷水平，只会引起冲击闪络， 只有在冲击闪络之后还建立工频电弧，才会引起线路 跳闸。 由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率 ( ),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压 梯度有关。可由下式求得 (4.5E 0.75 14) 102
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。变电设备得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： • 1)雷电直击变电所； • 2)沿输电线入侵的雷电过电压波。
三、变电所的进线段保护
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。 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
三、线路耐雷性能的分析计算
(一)绕击导线 雷闪绕过避雷线直接击中导线 的概率，称为绕击率Pα 。Pα之 值与避雷线对边相导线的保护角 α、杆塔高度ht及线路通过地区 的地形地貌等因素有关。
平原线路

ht
86
ht
86
3.9
3.35
•
• 绕击跳闸次数 n2 N P P2 • （次/年） • N – 年落雷总数 • P – 绕击率 • P – 超过绕击耐压水平I 2 的雷电流 2 • – 建弧率
绝缘冲击耐压水平应满足： U w(i ) Uis U
阀式避雷器的保护距离：
lmax K
U w( i ) U is 2a '
K为变电所出线修正系数 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。
小 结
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
• （二）降低杆塔接地电阻 • 提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。 杆塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。 • （三）加强线路绝缘 • 增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、 增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一 般优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐 雷水平。 • （四）耦合地线 • 作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大 导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水 平和降低雷击跳闸率。
• 被保护绝缘与避雷器 之间的电压差 U ， 可以利用图8-7中的 接线图来确定。
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 U 也就越大。
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，接近冲击截波，因此对于变压器类 电力设备来说，往往采用2us截波冲击耐压值作为他们 的绝缘冲击耐压水平。
四、变电所防雷的几个具体问题
(一)变电所防雷接线
进线段提高耐雷性能的保护措施： 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。
(二)三相绕组变压器的防雷保护 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。
• (五)消弧线圈 • 能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不 转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路 器的跳闸次数。 • (六)管式避雷器 • 仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的 防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建 弧率降为零。 • (七)不平衡绝缘 • 一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。 • (八)自动重合闸 • 线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。
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。
第三节 旋转电机的防雷保护
旋转电机防雷保护的特点 旋转电机防雷保护措施及接线
一、旋转电机防雷保护的特点
• 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。
二、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。 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。
i it ig
i it 为流经杆塔的电流，g 为流经避雷线的电流。
线路绝缘子串上所受到的雷电过电压包括四个分量：
1、杆塔电流it在横担以下的塔身电感La和杆塔冲击 接地电阻Ri上造成压降，使横担具有一定的对地电位
ua di ( Ri i La ) dt
线路杆塔分流系数
2、塔顶电压utop沿着避雷线传播而在导线上感应出 来的电压u1。与上一分量ua相似，杆塔电流it造成的 塔顶电位
(二)雷击档距中央的避雷线
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。
雷击点电压最大值
U A Z g 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。
(三)雷击杆塔
击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。
注入线路的总电流即为雷电流
(一)从限制进波陡度的要求来确定应有的进线段长度
所需的进线段长度
lp U 0.008 U a ( 0 .5 ) hc