发电厂和变电站的防雷保护

§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.
需要的进线段长度
l
U
km
amax
0.5
0.08U hd
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
110
450
220
－
330
－
500
－
150
225
450
660
750
37
1 ~ 2km A
Leabharlann Baidu
F1 F 2
F3
(a)
F1
F2
(b)
（10-3-1） 35kv 及以上变电所的进线保护接线 (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
Ibm
2 1200 400
520
4.7kA
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
τ
τ0
(0.5
0.008U hc
)l0
式中 τ0——进线段首端斜角波头长度，µs；
τ——进线段末端变形后的斜角波头长度，µs；
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%。
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
.
.
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 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
变压器承受截波的能力为多次截波耐压值:
U
j
U j.3 1.15
因此变压器承受的最大耐压值
U b.5
2
l v
K
U
j
变压器与避雷器间允许的最大电气距离
Lm
U j U b.5 2 / v
变压器上最大电压
UT
U b.5
2
l2 v
确保变压器安全的主要措施
限制避雷器残压 限制入侵波陡度
由变电站进线段保护完成
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
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)
(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。
tp
)
2a(t p
2l2 v
)
U b5
2a
l2 v
uT
(t)
2at p
Ub5
2a
l2 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 b5
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
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。
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 50% U 起 晕
u
u
a
(0.5 0.008u )l
hd
a a a (kV/m ) v 300
(kV/s)
➢ 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
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
A'
O
u
3
23
2
U0
1U0
k
kU
' 0
1
U
' 0
3 1
F2
A
A' O l
A
A'
Ol
(a)
(b)
F1
42
例2：配电变压器的保护
3kV ~ 10kV
外壳
380/ 220V
共同接地
➢ 匝间绝缘要求侵入波陡度受到严格限制。
uZ
alZ v
45
电机与变压器冲击耐压值、避雷器特性的比较
46
电力系统雷电过电压重点
1. 感应过电压的形成机理与大小 2. 耐雷水平的定义 3. 雷击杆塔时的模型与过电压表达式 4. 绕击等值电路，过电压表达式 5. 输电线路雷击跳闸的条件 6. 输电线路的防雷措施 7. 变电站直击雷防护办法 8. 避雷器保护，图解法 9. 电气距离，最大电气距离的表示 10. 进线段保护的作用，避雷器电流计算方法， 11. 进线段保护与电机保护具体问题分析（器件的作用）
雷直击变 电站
雷电冲击波 沿线路入侵
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
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
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 Lmax
（2）Lmax与侵入波陡度a有关 a Lmax ，所以要 a
（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。
4 ~ 10
➢ 在高压侧避雷器动作时，引起地电位升高，威胁低压侧。 ➢ 低压侧绕组电压在高压侧感应出过电压，反变换过电压。
43
例3：GIS防雷保护
lP
2
1
入口侧加装避雷器
44
例4 旋转电机的防雷保护
➢ 在同一电压等级电气设备中，旋转电机的冲击绝缘强 度最低 。
➢ 避雷器残压与冲击耐压值接近，裕度小，仅靠避雷器 不够。
动作后：
2u
u
bub
f(iibbZ)1
避雷器动作前
避雷器动作后
图解法
z1
ub
2u
ib
2u Ubm
ub
t
2u ub ibZ1
u
ub ib Z1
ub f (ib )
ib Z1
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：
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
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。
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：
UT
U b.5
2 l
v
需限制i雷电 uB.5 及 需 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。
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。
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.
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
2U 50%
(a)
(b)
回路方程： 2U50% IbL Z Ubm
避雷器伏安特性： ub f (i)
Ibm
2U50% Ub Z
U bm I bL
32
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
实际工程中不可能在每台被保护设备上并一台 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
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
U
B
uk
i L R ch
L di L dt
u d i L R ch
一般直击雷电流iL=100kA;
di L 38.5kA / 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
h
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
A SK K 1
L
2 Sd
d 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。
(t)
at
a(t
2l2 v
)
2a(t
l2 v
)
＝2a(t - 2 )
2
l2 v
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
（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
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：
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>500Ωm时,需独立架设避雷针。
变压器门型构架上不得加装避雷针。 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
at
2 2 t p
Ub.5
2(t tp )
变压器上电压UT( t )：
最大电压
UT
2 t p
U b.5 2
l2 v
t tp
t tp
uT (t) 2at
uT
(t)
2at p
Ub5
2a
l2 v
t tp
2l2 v
t tp
4l2 v
uT
(t)
2a(t p
2l2 v
)
4a(t p
2l2 v