35kv～110kv变电站防雷保护设计毕业论文.doc

继续教育学院

毕业论文

题目： 35kV～110kV防雷保护设计

学生姓名： 谭伟
学 号： 923210100032
班 级: 海南自考2班
专 业： 电力系统及其自动化
指导教师： 绕玉凡

2012 年 4 月

34

35kV～110kV防雷保护设计

摘要

发电厂、变电所是电力系统的中心环节，如果发生雷击事故，将造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活，因此发电厂、变电所的防雷保护必须是十分可靠的。发电厂、变电所遭受雷害可能来自两个发面：雷直击于发电厂、变电所：雷击线路、沿线
路向发电厂、变电所入侵的雷电波。对直击雷的保护，一般采用避雷针或避雷线。我国运行经验表明，凡装设符合规程要求的避雷针的发电厂和变电所，绕击和反击事故率是非常低的。
本次设计以110kV变电站为主要设计对象,主要解决以下问题：1.雷电放电分析与计算；2.变电站防直击雷、入侵波的保护分析与设计；3.变电站进线段、气体绝缘变电站、变压器中性点的保护分析与设计；4.变电站设备绝缘选择。

关键词：变电站；雷击方式；防雷设备；措施

目 录

1 绪论 1
1.1雷电的发展 1
1.2 防雷设备 1
2 主要的雷击方式 4
2.1雷的直击和绕击 4
2.2雷击反击 4
2.3感应雷 5
3 变电站防雷措施 6
3.1避雷针 6
3.2避雷器 7
4 变电站防雷保护方案与接地 8
4.1防雷保护方案 8
4.2防雷接地 9
5 变压器中性点保护 10
5.1变压器中性点的过电压 10
5.2中性点过电压的保护措施 12
6 变电站的入侵波过电压保护 14
6.1避雷器与被保护设备之间的距离（l=0） 14
6.2避雷器与被保护设备之间的距离（ l≠0） 16
6.3避雷器与保护设备最大允许电气距离 21
7 绝缘配合与避雷器选择 23
7.1电力系统绝缘配合 23
7.2避雷器的选择 24
8 气体绝缘变电站（GIS）的过电压保护 27
8.1 GIS变电站 27
8.2 GIS变电所中的暂态过电压问题 27
8.3 GIS变电站过电压保护自身的特点 29
8.4 GIS变电站雷电过电压保护接线方式 30
后 记 32
参考文献 33

1 绪论

1.1雷电的发展
人们通过模拟地球原始大气在密室中进行放电的实验，结果由无机物合成了11种氨基酸。这些物质的出现，是生命起源的基础，因此，一些生命起源学说认为，是雷电孕育了地球上的生命。同理，地球上空有一层电离层，它是由带正电荷的粒子组成，该电离层起着防止太阳和宇宙空间各种有杀害生命作用的射线进入地面，保护地球上的生命，如果没有这电离层，即使地球上本来已经有的生命，也会被来自太空的各种射线杀死，地球不可能出现现在的繁荣和文明。但是电离层的正电荷以平均约1800A的电流强度向大地放电，可想而知，如果得不到补充，电离层的电荷恨快便会放尽。由于雷电不断补充电离层放电失去的电荷，保持电离层总电荷量大体平衡，使这层生命的保护屏障得以保存，使地球上的生命不致被宇宙射线灭绝。因此，可以说，是雷电促使地球成为
文明的星球。从这个角度来讲，人类有今天的文明应该感谢雷电。
由于雷击会给人类带来灾害，因此，人类很早就与雷害进行斗争。其中取得卓越成就的有18世纪中叶著名科学家富兰克林（Franklin）M·B·罗蒙诺索夫（JIOMOHOCOB），L·B·黎赫曼（PHXMAH）。他们通过大量实验建立了雷电学说，认为雷击是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象；并且创立了避雷理论，发明了避雷针。

1.2 防雷设备
为保护变电站的设备安全，提高其供电可靠性，优化防雷设计方案，加强变电站的防雷安全措施。接闪器：直接截受雷击，及用作接闪的器具、金属构件和金属屋面等，称为接闪器。功能是把接引来的雷电流，通过引下线和接地装置从大地中泄放，保护建筑物免受雷害。 
从公元1753年，富兰克林发明了避雷针以来，避雷针作为接闪器唯一的形式，延续了上百年的历史，从十九世纪以后，逐渐有出现了避雷线、避雷带和避雷网。其分类如下：避雷针、避雷线 、避雷带 、避雷网, 下面逐一介绍。  | 管理 | 设为最佳回复
避雷针的英文名字Lightning rod，直译为"闪电棍"更准确些，本无避免雷击之意。这个名词望文生义就会产生误解。我们国内许多物理课本，甚至大学的教课书也把避雷针的原理说成是靠尖端放电中和云层电荷从而消除闪电的，这是错误的。实际上，在富兰克林发明避雷针的时候，提出了两种避雷针工作机理的解析；第一种解析认为，避雷针是靠其针尖电晕放电发出与雷雨云相反的电荷，使雷雨云的电荷得到中和，从而免除建筑物的雷害。第二种解析认为，避雷针是靠把雷雨云所带的异种电荷引导到自身上来，通过良好的接地装置，把雷电流泄入大地，保护建筑物不受雷击。至1753年富兰克林明确倾向于避雷针引雷的理论了，所以说避雷针是靠尖端放电消除闪电而能避雷的提法是错误的，避雷针是消除不了闪电的。 
工作原理 
雷雨云形成以后对大地的电压，低则几百万伏，高则数千伏甚至更高，雷雨云对大地的一次闪击放电的峰值电流平均为30多KA，它的瞬时功率为109-1012W以上。由于瞬时功率很大，所以它的破坏力是相当大的。 
当高空出现雷雨云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷雨云相反的电荷，避雷针处于地面建筑物的最高处，与雷雨云的距离最近，由于它与有良好的电气连接，所以它于大地有相同的电位，使避雷针附近空间的电场强度比较大，容易吸引雷电先驱，使主放电都集中到它的上面，从而保护附近比它低的物体遭受雷击的几率大大减少。而避雷针被雷击的几率却大大的提高。避雷针不但不能避雷反而引雷，它是自身的多受雷击而保护周围免受雷击。 
由于避雷针与大地有良好的电气连接，能把大地积存的电荷能量迅速传递到雷雨云层中泄放；或把雷雨云层中积存的电荷能量传递到大地中泄放，使雷击而造成的过电压时间大大的缩短，从很大程度上降低了雷击的危害性，这就是避雷针的工作原理。 
但需要说明，避雷针必须有足够可靠，并且有接地电阻尽量小的引下线接地装置与其配套，否则，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷击的损害程度。 
当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现特点与以往有极大的不同，可以概括为： 
（1）受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等； 
（2）从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。例如二000年七月二十五日14点40分左右，一次闪电造成漕宝路桂菁路附近二家单位同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。 
（3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如一九九九年八月二十七日凌晨2点，某寻呼台遭受雷击，导致该台中断寻呼数小时，其直接损失是有限的，但间接损失将大大超过直接损失。 
（4）产生上述特点的根本原因，也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。 
为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术。

2 主要的雷击方式
随着我国现代化建设的不断提高，各类先进的电子设备广泛地运用到了各电压等级的变电站内。但是一方面由于电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。

2.1雷的直击和绕击
雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。如果途经变电站的避雷针或地表其他突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。闪电开展之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50～100m时，由避雷针等地表电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。
通常当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度大于和等于580h-0.7 kV/m时，则该突出物将容易受到直击雷。原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为：R＝16.3h0.61m。该式还表明，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。
一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培，释放的能量相当大，瞬间所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们的生产生活带来多种危害，如引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒塌，电气设备损坏等等。

2.2雷击反击
直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。假如地电阻为10Ω，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。如果受雷击变电站输电线路来自另一个不同地网的变电站，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。
不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电站的金属管线都会引起雷电反击。
另一种雷电反击，对变电站的电子设备危害也不容忽视。雷电流沿变电站的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。连接在不同等电位地网上的电子设备，如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。

2.3感应雷
直击雷放电的能量通过电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。
有资料计算表明，当雷电电流为30 kA斜角波，雷云高度为3 km，导线高度为10m，击中距末端匹配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感应电压为150 kV幅值的振荡波。此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果。
事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。静电感应还可用雷电的二次效应理论来解释。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。
3 变电站防雷措施

3.1避雷针
为免遭直击雷破坏，变电站一般采用独立避雷针和构架避雷针进行防雷保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷原理相同。
独立避雷针的保护范围对地面为1.5h（针高），对超过针高一半的空间其保护范围只能在45 角内校核。目前国际上流行的一种滚球法理论校核独立避雷针的保护范围比较符合实际。滚球法理论认为直击和绕击与雷云带电量有关，能量越小的雷越易产生绕击。可形象地解释为一个半径与雷云带电量成比例的以雷云先导为圆心的球，滚落在地面上。到碰到避雷针尖为止。球与地面接触点到针尖这段弧，如果碰不到被保护物体，则被保护物处在保护范围内。如中等强度的雷云(U0=50MV),按雷电先导的闪击距离公式rs=1.63 U01.75，可得球的半径为133m，在此情况下得出的保护半径比有关设计规程的大一些。按防雷规范核保护范围，一般110kV中等规模变电站采用3～5根，35 kV变电站1～4根30m左右避雷针，即可以覆盖全站被保护区范围。
避雷针的年雷击次数，可按经验公式N=0.015·n·k(l+5h)(b+5h)10-6计算。其中n为年雷暴日数，k为校正系数，金属结构取2，l、b、h分别为建筑物的长、宽、高。按该式在年雷暴日为40的地区，35kV室外终端变电站，母线构架5.5m高，受雷击概率为每年0.000454次，而加1根30m高避雷针后，则每年将受0.027次雷击。如果一个变电站有4根针，每边相距50m，雷击概率则为0.048次/年。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了。
限流式避雷针——主要用于直击雷的防护。因为避雷针将强大的直击雷电流，通过建筑钢筋或引下线泄放置地网，可能会造成附近设备遭受雷电电磁脉冲的干扰。雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙被击穿而造成跳火事故，雷电流越大，跳火的可能性越大。
消弱空间雷电电磁脉冲强度、降低跳火的有效方法，就是减小雷电流的强度。安装限流式避雷针系统有以下特点：采用阻抗限流等综合技术，降低雷电泄放时产生的危险；降低雷电流幅值、上升沿陡度减缓；降低对周围的二次电磁感应；引下线高端电位降低，防止侧向跳火；抑制地电位反击。

表3-1 限流型避雷针性能指标
型号

雷电通流容量KA
200
300
陡度衰减倍率
≥25
≥33
幅值衰减倍率(％)
≤80
≤80
电阻Ω
≤1
≤1
高度m
3
2
质量KG
20
42
最大抗风强度
40
40

3.2避雷器
为了防护感应雷和输电线路的雷电侵入波的危害，变电站内采用了避雷器。以前装设的避雷器大多为装在线路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金属氧化物避雷器所取代。
由于雷电侵入波主要对35kV以下系统危害较大，变电站着重对35kV和10kV线路入侵波进行了防护。对35kV架空进线，一般是采用进线段1～2km的架空避雷线配其两端的管型避雷器进行防护。对10kV线路，则每条进线均采用一组阀型或氧化锌避雷器进行防护。上述防护措施均未考虑低压部分过电压，未考虑雷电入侵波或危险电位通过进所金属管线引入构成对电子设备的威胁。

4 变电站防雷保护方案与接地

4.1防雷保护方案
变电所是重要的电力枢纽,一旦发生雷击事故,就会造成大面积停电。一些重要设备如变压器等,多半不是自恢复绝缘,其内部绝缘如故发生闪络,就会损坏设备。因此,变电所实际上是完全耐雷的。
变电所的雷害事故来自两个方面:一是雷直击变电所;二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电所。
对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。对雷电侵入波的防护的主要措施是阀式避雷器限制过电压幅值,同时辅之以相应措施,以限制流过阀式避雷器的雷电流和降低侵入波的陡度。
为了防止变电所遭受直接雷击,需要安装避雷针、避雷线和辅设良好的接地网。装设避雷针(线)应该使变电所的所有设备和建筑物处于保护范围内。还应该使被保护物体与避雷针(线)之间留有一定距离，因为雷直击避雷针(线)瞬间的地电位可能提高。如果这一距离不够大，则有可能在它们之间发生放电，这种现象称避雷针(线)对电气设备的反击或闪络。逆闪络一旦出现,高电位将加到电气设备上，有可能导致设备绝缘的损坏。为了避免这种情况发生,被保护物体与避雷针间在空气中以及地下接地装置间应有足够的距离。
按实际运行经验校验后，我国标准 目前推荐和应满足下式要求:
≥0.2＋0.1h, ≥0.3
≥0.3×4.5 (4-1)
在对较大面积的变电所进行保护时,采用等高避雷针联合保护要比单针保护范围大。因此，为了对本站覆盖,采用四支避雷针。被保护变电所总长108.5m,宽79.5m,查手册，门型架构高15m。
D12＝D34＝79.5m;D23＝D14＝108.5m (4-2)
＝＝135m (4-3)
＝－ (4-4)
所以,需要避雷针的高度为: ＝15＋＝34.3m
四只避雷针分成两个三只避雷针选择

4.2防雷接地
“防雷在于接地”,这句话含义说明各种防雷保护装置都必须配以合适的接地装置。将雷电泄入大地，才能有效地发挥其保护作用。
接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地保持等电位,电力系统的接地按其功用可分三类:
工作接地:根据电力系统正常运行的需要而设置的接地，它所要求的接地电阻值约在0.5-10的范围内。
保护接地:不设这种接地，电力系统也能正常运行,但为了人身安全而将电气设备的金属外壳等加以接地,它是在故障的条件下才发挥作用的,它所要求的接地电阻值处于1-10的范围内。
防雷接地:用来将雷电流顺利泄入大地,以减小它所引起的过电压,它的性质似乎介于前两种接地之间,它防雷保护装置不可缺少的组成部分，它有些像工作接地;但它又是保障人身安全的有力措施,而且只有在故障下才发挥作用，它又有些像保护接地,它的阻值一般在1-30的范围内。
由此可见,接地电阻取10较合适。查接地装置 (冲击系数)与 (接地装置的冲击利用系数)表,选用一字形的接地体。
查得: ＝0.45
＝ (4-5)
(式中:—冲击电流下的电阻; —工频电流下的电阻) ＝0.45×10＝4.5

5 变压器中性点保护

5.1变压器中性点的过电压
雷电过电压即为通常所说的大气过电压，其原因是由雷击下引起电力系统变化所至。内部过电压主要是由于电力系统内部运行方式改变引起的过电压反映，其主要包括操作过电压和暂时过电压。变电站的中性点过电压产生也是基于上述原因，当变压器中性点不接地时反映在中性点上的过电压形式有：雷电过电压、内部过电压。
（1）雷电过电压
由于雷电波沿线路传入变电站或直接击中变电站内造成变压器中性点电位的升高，
变压器中性点上出现的最大雷击过电压主要取决于变压器入口处的避雷器残压和变压器的特性，一般雷击过电压值可按式5-1计算
（5-1）
式中 n—侵入波的相数；
r—变压器振荡衰减系数，对于纠结式绕组取0.5，连续式绕组取0.8；
Ub—变压器入口处避雷器上的残压（或放电电压）；
由公式可知，三相同时进雷电波时过电压最高。
（2）内部过电压
在电力系统正常运行方式下，由于断路器操作和各类故障如接地、断线等，使得电
电力系统参数发生变化，从而引起电磁能量变化，从而引起电磁能量的振荡转化和传递而出现的电压升高，称为内部过电压。内部过电压分为两类，即：因操作和故障引起的瞬间（以毫秒计）电压升高，称为操作过电压；在瞬间完成之后出现的稳态性质的工频电压。反映在中性点上的内部过电压主要表现为发生单相接地时中性点过电压和断路器非全相分合闸造成中性点过电压。
单相接地中性点过电压
单相接地故障造成三相不对称运行，在变压器中性点上必然会产生过电压。正常网络发生单相接地故障时，系统允许其工作2h左右，在断路器调开单相接地故障之前，变压器中性点产生过电压值大小与K=X0/X1有关，其中：X0为零序阻抗，X1为正序阻抗。由于电网各处X0/X1不容易准确提供，且有效接地系统网络一般K≤3，当K=3时过电压最严重。此时中性点稳态过电压公式计算为：U0=Ue×K（K+2）。当K=3时，U0=0.35Ue,Ue取最高运行线电压，如对于110kV及变压器，则U0=0.35×110×1.15=44.3kV。
系统单相接地时接地变压器侧断路器跳闸，不接地变压器侧断路器拒动，则系统形成局部不接地系统，此时的中性点过电压值更高，其值视近视为相电压值，如在110kV变压器中性点电位稳态值为73kV。这种非正常运行状态曾在不少地区出现，引起健全相及中性点避雷器爆炸。
非全相分合闸过电压
由于断路器非全相分合闸造成中性点过电压。当系统一相断口击穿时，变压器中性点过电压值大小可近视为相电压，在这种情况下相当于变压器电感L与线路间电容并联后再与线间零序电容构成回路，如果参数匹配就会产生铁磁谐振，在中性点上产生较高过电压；如果是双电源且两个电源的电压相反，则中性点的电位为两倍相电压，这种情况出现的概率非常小。由于现在断路器都是连动的，因此出现上述情况出现的概率非常少。由于现在断路器都是连动的，因此出现上述情形比较少，但在实际变电站运行中曾出现过，在中性点过电压保护设计中也要给予考虑。
综合上述中性点过电压分析，可列出各级变电站在各种过电压形式下的过电压稳态值汇总表，如

表5-1 各级变电站中性点过电压大小（有效值）
变电站级别/kV
有效接地系统单相接地故障/kV
构成局部中性点绝缘的单相接地故障
非全相分、合闸过电压/最大值/kV
35
14
23
23/46
110
44.3
73
72/146
220
88.5
146
146/292

5.2中性点过电压的保护措施
对中性点的过电压保护应根据实际的具体情况选择最佳的保护方式，应与二次侧保护设备相互配合。一般而言，中性点保护包括过电压保护和继电保护。其中继电保护有：母线3U0过电压、间隙零序过电流、直接接地零序过电流；过电压保护分为：避雷器保护、间隙保护、避雷器保护与间隙联合保护。
中性点保护的作用有：
（1）中性点直接接地运行时，零序电流保护起作用，避雷器作后备保护（防止直接接地运行因故变成中性点不接地运行）；
（2）不接地运行时，在大气过电压或系统接地故障瞬态过电压下，避雷器动作；
（3）不接地运行时，系统故障引起工频过电压，棒间隙放电，同时间隙零序电流保护动作切除变压器，母线3U0过电压保护做后备。
根据DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的有关规定提出了保护配置意见：（1）对110kV有效接地系统中可能形成的局部不接地系统（如接地变压器误跳开关等原因引起等）、低压侧有电源的变压器不接地中性点应装设间隙保护；（2）经验算，如断路器因操作机构出现非全相和严重不同期产生的铁磁谐振过电压可能危及中性点为标准分级绝缘、运行中性点不接地110kV变压器中性点绝缘，宜在中性点装设间隙保护；（3）变压器中性点间隙值的确定应综合考虑：间隙标准雷电波动作值小于主变压器中性点的标准雷电波耐受值；因接地故障形成局部不接地系统时间隙应动作；系统以有效接地方式运行，发生单相接地故障时，间隙不应动作。
目前全国变电站对中性点所采取的过电压保护措施有：（1）采用阀式避雷器或氧化锌避雷器对中性点过电压进行保护；（2）采用棒-棒间隙配合保护装置来防止中性点过电压；（3）采用避雷器与间隙并联的形式对中性点过电压进行保护，这种方式目前用得最普遍。

6 变电站的入侵波过电压保护

变电站遭受雷害一般来自两方面,一是雷直击变电站,二是雷击输电线路后产生的雷电波侵入变电站。雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。变压器在变电所中最重要的设备，且其绝缘水平低，故避雷器安装位置应尽量靠近变压器。为了对变压器进行有效的保护，避雷器伏秒性的上限应低于变压器伏秒特性的下限。避雷器应安装在母线上，在任何情况下，变压器均应受到避雷器的保护，所以各段母线上都应装设避雷器。

6.1避雷器与被保护设备之间的距离（l=0）
避雷针直接连接在变压器旁，如图6-1（a）所示，即认为变压器与避雷器之间的电气距离为零。忽略变压器对地入口电容，雷电波u自线路侵入。避雷器动作前后的电压等效电路分别如图6-1（b）、(c)所示。
首先分析避雷器直接装设在变压器出线端的简单接线，如图6-1（a）所示。为简化分析，不计变压器的对地入口电容，并假定避雷器的伏秒特性和伏安特性ub=f(ib)已知。
侵入波u（i）沿波阻抗为Z1的线路入侵，由于变压器的波阻抗比线路大得多，在避雷器动作前相当于末端开路，当其等值电路如图6-1（b）所示。此时，避雷器上电压上升为2u(t)，避雷器上的电压ub也等于2u(t)。
当避雷器上的电压2u(t)与避雷器伏秒特性uf(1)相交时，如图6-2所示，间隙放电，其后等效电路如图6-1（c）所示，可得
（6-1）
2u
U
ub
1
2
Z
Ub
ub
Z1
ib
2u
Z1
(a)接线图
(b)动作前等值电路
(c)动作后等值电路图
图6-1 避雷器接在变压器端的接线和等值电路

式中：ib为流过避雷器的电流；Z1为线路的波阻。
避雷器动作后，两端的电压可由图7-2所示的图解法求解。
纵坐标取电压u，横坐标分别取时间t和电流i0在u-t坐标平面内（适用于间隙击穿后），画出曲线ub+ibZ1，然后自侵入波的幅值处作一水平与曲线ub+ibZ1相交，交点的横坐标就是流过避雷器的最大雷电流Ibm，由Ibm对应的ub=f（ib）曲线上的电压Ubm就是避雷器的最大残压。其他时刻避雷器上的电压ub可按此用图解法求得。

i
i
ub
Ui
Ubm
Ibm
2u
Uch
Ub+ibZ1
Ub=f(ib)
IbZ1
图6-2 避雷器电压Ub的图解法

6.2避雷器与被保护设备之间的距离（ l≠0）
变电所中有很多电气设备，我们不可能在每个设备旁装设一组避雷器加以保护，一般只在变电所母线上装设避雷器，变压器是最重要的设备，避雷器应尽量靠近变压器。因此，避雷器与各电气设备都不可避免的有一段长度的距离。当雷电波入侵时，由于波的反射，被保护的电气设备上的电压降不同于避雷器的残压，现用实例分析避雷器对所有电气设备的保护作用。
图6-3（a）是某变电所主接线图及其等效电路图，由于一般电气设备的等值入口电容都不大，因此可以忽略其影响，被保护设备处可以认为是开路，故得到等效电路如图6-3（b）所示。ZnO避雷器装设在母线上，进线刀闸离母线为l1，变压器离母线距离为l2，在等效电路中忽略各电气设备的对地电容，点L、B、T分别表示进线断路器、避雷器和变压器的位置。
at
L
B
T
at
L
B
T
L1
L2
(a)
(b)
图6-3 分析雷电波侵入变电所的典型接线

设侵入波为斜角波u(t)=at,为了方便描述不取统一时间为起点，分析时分别以各点出现电压的时刻为各自的时间零点。
（1）避雷器上的电压uB(t)
T点反射波尚未到达B点时
(6-2)
T点反射波到达B点以后至避雷器动作前
(6-3)
式中：v为波速
当t=t1(假设避雷器的放电时间时，uB(t)与避雷器伏秒特性相交，避雷器动作，由于避雷器非线性特性较好，此后可以认为避雷器保持不变的残压Ub-5（5kA以下残压）。这样，就相当于在t=t1时在B点叠加了一个负的电压波-2a（t-t1），因此t≥t1时
(6-4)
由式（6-4）可得
(6-5)
UB(t)的大小和波形见表6-1和图6-4（a）

表6-1 避雷器上电压uB(t)

i
图6-4 接线上各点的电压波形
uB
i
2i2
if
-2a(i-if)
2a(i-if)
Ub-5=2a(if-i2)
2a(i-i1-i2)
ai
2(i1+i2)
i1+2i2
Ub-5+2ai1
Ub-5+2ai2
Ub-5
Ub-5-2ai2
if
2i2
2i2
(a)
(c)
(b)
i
uL
uT

同理，由图6-3（b）可以求得uL(t)和uT（t），见表6-2和表6-3和图6-4（b）、（c）。（2）进线刀闸上的电压uL(t)和变压器上的电压uT(t)
从表6-2和表6-3中可以看出，进线刀闸处电压的最大值UL为
（6-6）

表6-2 进线刀闸上电压uL（t）

表6-3 变压器上电压uT(t)

……
……
变压器上电压的最大值UT为
(6-7)
由式(6-4)和式(6-5)表明，不论被保护设备位于避雷器前还是避雷器后，只要设备离避雷器有一段距离l，则设备上所受冲击电压的最大值必然高于避雷器残压Ub-5。
当侵入波侵入变电站时，变电站设备上所承受冲击电压的最大值其差值Us可用下
(6-8)
式中：l为电气设备与避雷器之间的电气距离。
由于分布参数和电晕的影响，电气设备实际上所受的冲击电压与图6-4还不完全相同，由表6-3和图6-4（c）可得，变压器上的电压具有振荡性质， 其振荡轴为避雷器的残压Ub-5，这是由于避雷器动作后产生的负电压波与T 点之间发生多次反射引起的。如果考虑Q处有电气设备电容存在Q点的电压左右波阻不同，则避雷器动作后产生的负电压波也将在B点和Q点之间发生多次反射，同样将使Q点的电压也具有振荡性。
如图6-5所示为雷电波侵入变电所时变压器上的电压波形，其电压具有振荡性，振荡轴为避雷器残压，这是由于避雷器动作后产生的负电压波在B点与T点之间多次反射引起的。这种波形和全波相差很大，对变压器绝缘的作用与截波相近，通常拿它的最大值与变压器的多次截波耐压值（约等于三次截波耐压值的1/1.15）。因此，常以变压器绝缘承受截波的能力来说明在运行中该变压器承受雷电波的能力，变压器承受截波的能力称为多次截波耐压值U1，根据实践经验，对变压器而言，此值为变压器三次截波冲击试验电压Ui3的1/1.15倍，即Uj=Uj3/1.15(三次截波耐压值的1/1.15)，同样其他电气设备在运行中所承受雷电波的能力也可用多次截波耐压值Uj来表示。
Ub-5
uT
t
变压器上电压
图6-5 雷电波侵入波变电所时变压器上电压波形

当雷电波侵入变电所时，若设备上出现的最大冲击电压值Ucjfm小于设备本身多次截波耐压值Uj，则电气设备不会发生事故，反之，则可能造成雷害事故，为了保证电气设备的安全运行，必须满足下式

(6-9)
式中：Ucjfm为电气设备上出现的冲击电压最大值；Uj为电气设备多次截波耐压值；Ub-5为避雷器上5kA下的残压；a为雷电波陡度；l为电气设备与避雷器之间距离；v为波速；k为考虑电气设备电容而引入的修正系数。
综合以上的分析可得出：为保证设备安全，必须限制避雷器动作后流过避雷器的电流在5kA以下，同时，也要限制侵入波的陡度a和注意电气设备与避雷器之间的电气距离l。

6.3避雷器与保护设备最大允许电气距离
从前面的分析可以看出，当侵入陡度一定时，避雷器与被保护设备之间的电气距离越大，设备上电压高出避雷器的残压也就越多。因此，要使避雷器起到良好的保护作用，它与被保护设备之间的电气距离就不能超过一定的值，即存在一个最大电气距离。超过最大电气距离后，设备上所受的冲击电压Us将超过其冲击耐压（多次截波耐压值）Uj，保护失效。在变电所设计时，应使所有设备到避雷器的电气距离都在保护范围内，即满足

(6-10)
对于一定陡度的入侵波a，最大允许电气距离lmax为
(6-11)
当以空间陡度a’=a/v kV/m 计算时，式（6-11）改写为
(6-12)
实践证明，由于设备电容存在，母线上出线多于两条时，a会降低，可将l加大，即将式（6-12）乘系数k即
(6-13)
当母线上出线1、2、3、4时，k值分别取1.0、1.25、1.5、1.7。
图6-6（a）、（b）分别表示一路进线与两路进线的变电所避雷器与主变压器、电压互感器系，横坐标为波的空间梯度a’=a/v。变电所内其他设备的冲击耐压值较变压器高，它们与避雷器间的电气距离可相应增大35%。图中35～110kV级系按普通阀型避雷器计算，不难理解采用保护性能比较普通阀型避雷器更好的磁吹阀型避雷器或氧化锌避雷器，就能增大保护距离。
对于一般变电所的雷电侵入波保护设计主要在于选择避雷器安装位置，其原则是在任何可能运行方式下，变压器和各设备到避雷器的电气距离均应小于其最大电气距离。避雷器一般装设在母线上，如一组避雷器不能满足要求，则应考虑增设。对于接线复杂和特殊的变电所，需要通过模拟试验和计算来确定避雷器的安装数量和位置
图6-6 避雷器与变压器间的最大电气距离与侵入波陡度的关系

7 绝缘配合与避雷器选择

7.1电力系统绝缘配合
所谓绝缘配合，就是根据系统中可能出现的各种过电压，合理地选择避雷器的保护特性，并且确定它与设备绝缘强度之间的保护裕度，从而在各种电压作用下，使电力设备损坏或影响连续运行的概率降低到经济和运行上均可接受的水平。因此，绝缘配合与避雷器的选择是一个在技术和经济上综合考虑的过程。
保护裕度PM的计算式如下：
（7-1）
在考虑雷电过电压和操作过电压作用时，设备的绝缘耐受强度分别用它的基准绝缘水平（BIL）和操作冲击绝缘水平（SIL）来表示，同时，避雷器保护水平相应按如下方法取值。
（1）对于雷电过电压，碳化硅避雷器应在1.2/50为µs标准波放电电压和标称放电电流8/20µs波形下残压二者之间取最大值；氧化锌避雷器则取标称放电电流8/20µs波形下残压。
（2）对于操作过电压，碳化硅避雷器应在波头30～60µs，150～300µs和1000～2000µs的三组冲击放电电压与操作冲击残压中取最大值；氧化锌避雷器则取波头30～60µs的冲击电流残压。
避雷器的波前冲击放电电压和陡波冲击电流残压数值是做为考虑与设备绝缘的截波试验电压配合而提供。
图7-1示出了避雷器特性与被保护设备绝缘水平配合的示意图。
在实际中，除了保护裕度之外，还使用配合系数，其表达式如下
（7-2）
K也称安全因数。
根据运行经验与研究结果，美、日等国的电力设备一般在雷电过电压作用时采取的保护裕度推荐值不小于20%，在操作过电压作用时采取的保护裕度不小于15%。IEC标准规定操作过电压作用时采取的最小保护裕度也为15%（