高电压技术第六章讲解

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第八章 电力系统防雷保护
• 电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂 等各个环节。
第一节 架空输电线路防雷保护
输电线路耐雷性能的若干指标
线路雷害事故发展过程及防护措施
线路耐雷性能的分析计算
一条100km长的架空输电线路在一年中遭到数十次雷击。 线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的 比重。
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。
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
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。
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
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。
(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
U-行波的初始幅值,kV hc-进线段导线的平均对地高度,m (二)计算流过避雷器的冲击电流幅值 I
I FV 2U 50% nU R Z
FV
UR-阀式避雷器的残压,kV n-变电所母线上接的线路总条数
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。
一、变电所的直击雷保护
必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安 装方式的不同,避雷针分为独立避雷针和构架避雷 针两类。注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装 置,构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。 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、 应有的接地电阻、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。
i it ig
ig 为流经避雷线的电流。 it 为流经杆塔的电流,
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
(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。
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
(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。
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)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
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
1 A
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
2 B
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
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
山区线路
lg P
lg P
ht
86
ht
86
3.9
3.35

• 绕击跳闸次数 n2 N P • (次/年) P 2 • 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
(三)自耦变压器的防雷保护
高压侧进波时,应在中压断路器 QF2的内侧装设一组阀式避雷器 (图8-14中的FV2)进行保护。 中压侧进波时,在高压断路器 QF1的内侧也应装设一组避雷器 (图8-14中的FV1)进行保护。
当中压侧接有出线时,还应 在AA′之间再跨接一组避雷器 (图8-14中的FV3)。
• (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。
utop ( Ri i Lt di ) dt
u1 kutop
Байду номын сангаас 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
• (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。
一、输电线路耐雷性能的若干指标
每100km线路的年落雷次数N
b 4h N Td 10
[次/(100km.年)]
为地面落雷密度 b为两根避雷线之间的距离;h为避雷线的平均对地高度 Td为雷暴日数
1、耐雷水平( I )
耐雷水平是指雷击线路时,其绝缘尚不至于发生闪络 的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅 值,单位为kA。 我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见 表8-1
二、线路雷害事故发展过程及防护措施
只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现, 就可避免雷击引起长时间停电事故。
输电线路上采用的各种防雷保护措施: (一)避雷线(架空地线) 110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设 避雷线;35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线 圈和自动重合闸来进行防雷保护。
(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。
• 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。
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