电气工程基础PE-13资料讲解.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,W z,HUST_CEEE,电气工程基础PE-13,1先导阶段,雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展是分级推进的，每一级的长度为2550m，停歇时间为3090,s，下行的平均速度约为0.10.8m/,s，此过程称为,先导放电过程。,2主放电和迎面流注阶段,当雷电先导接近地面时，会从地面较突起的部分发出向上的,迎面先导,（也称,迎面流注,），当不同极性的下行先导和迎面先导相遇时，就产生强烈的电荷中和过程，伴随雷鸣和闪电，出现极大的电流（数十至数百kA），这就是,主放电阶段,。,3余辉阶段,在主放电过程结束后，云中残余电荷经过主放电通道流向大地，这一阶段称为,余辉（余光）阶段,。,第一节,雷电的放电过程和雷电参数,雷电主放电的瞬间，虽然功率很大，但是雷电产生的能量却很小，即其破坏力虽然大，但是实际利用价值很小,。,以一次中等雷电为例，取雷云电位U为50MV，电荷Q为8C，则其能量为：,W,UQ,/2,55 kW,h,每平方km每年（雷暴日为40）的落雷次数可取2.8次，所以每平方km每年获得的雷电总能量为：,W,55,2.8,154 kW,h,其平均功率仅为：,P,154,10,3,/365/24,17.58W,但是，,雷电主放电的瞬时功率,P,却很大,，例如若雷电流,I,以50kA计算，压降以6kV/m计，雷云高度以1000m计，则主放电功率,P,可达到,P,50,6,1000,300,000 MW,第一节,雷电的放电过程和雷电参数,二、雷电参数,雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，目前常采用的参数是建立在现有雷电观测数据的基础上总结出来的。,1雷暴日(,T,d,),和,雷暴小时(,T,h,),雷暴日,是指该地区一年四季中有雷电放电的天数。由于不同年份的雷暴日数变化较大，一般采用多年平均值,年平均雷暴日,。一个小时以内听到一次及以上雷声就算一个,雷暴小时,。据统计，每一个雷暴日折合为3个雷暴小时。,(2005名),2地面落雷密度,地面落雷密度,表示每平方公里每雷暴日的地面受到的平均落雷次数。,值与年平均雷暴日数,T,d,有关,。一般,T,d,较大的地区，其,值也较大。我国标准推荐采用,CIGRE 1980年提出关系式,：,N,g,0.023,T,d,1.3,和,0.023,T,d,0.3,式中，,N,g,为每年每平方,km,地面落雷数；,T,d,为雷暴日数。,线路年平均受雷击的次数,：,N,10h/1000100,T,d,(次/100km,年,),若取,T,d,40，,0.07,，则,N,2.8次/100km年。,第一节,雷电的放电过程和雷电参数,3雷电流幅值,雷电流,是指雷击于低接地阻抗（30）的物体时流过该物体的电流，近似等于传播下来的电流入射波的2倍，计算公式如下：,雷电流幅值,I,是表示雷电强度的指标，是最重要的雷电参数。雷电流幅值,I,是根据实测数据经整理得出的结果，图13-2所示曲线为我国目前在一般地区使用的雷电流幅值超过,I,的概率曲线。,图,13-2,我国雷电流幅值概率曲线,在年平均雷暴日大于20的地区，,测得的,雷电流幅值,I,的概率曲线,可用下式表示：,lg,P,I,/88,在年平均雷暴日数只有,20,或更少的地区,：,lg,P,I,/44,第一节,雷电的放电过程和雷电参数,4雷电流的波前时间、陡度和波长,据统计，雷电流的,波前时间,T,1,多在14,s内，平均为2.6,s左右，,波长,T,2,在20100,s内。,雷电流波前的,平均陡度,为,：,I,/2.6 (kA/,s),5雷电流的极性和等值计算波形,国内外实测结果表明，,75,90,的雷电流是负极性，加之负极性的冲击过电压波沿线路传播时衰减小，因此，,电气设备的防雷保护中一般均按负极性进行分析研究,。,在电力系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式描述以便处理，经过简化和典型化后，可得以下,三种常用的计算波形,，如图,13-3,所示。,第一节,雷电的放电过程和雷电参数,图13-3(a)为,标准雷电流冲击波形,，其波头部分可用双指数函数表示：,i,I,(e,t,e,t,),图13-3(b)为,斜角平顶波,，其,陡度,可由给定的雷电流幅值I和波前时间,T,1,确定。,斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的波过程。并且,斜角平顶波用于分析发生在,10,s,以内的各种波过程，有很好的等值性,。,图13-3(c)为,等值半余弦波,，雷电流波形的波前部分接近半余弦波，可用下式表示：,i,I,(1cos,t,)/2,式中，角频率,/,T,1,。,等值半余弦波,多用于分析雷电流波前的作用。在设计特高杆塔时，采用,等值半余弦波,将使计算更加接近于实际且偏于从严。,图13-3 雷电流的等值波形（I-雷电流幅值）,(a)标准冲击波形；(b)等值斜角波前；(c)等值半余弦波前,第一节,雷电的放电过程和雷电参数,第二节,电力系统的防雷保护装置,防雷保护装置,是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。最基本的有：,一、避雷针,二、避雷线,三、避雷器,四、防雷接地,避雷针,和,避雷线,可以防止雷电直接击中被保护物体，称作,直击雷保护,；,避雷器,可以防止沿输电线侵入变电站的雷电过电压波，称作,侵入波保护,；,接地装置的作用,是减少避雷针,(,线,),或避雷器与大地,(,零电位,),之间的电阻值，以达到降低雷电过电压幅值的目的。,一、避雷针,避雷针,包括三部分：接闪器(避雷针的针头)、引下线和接地体。,避雷针的,保护原理,是：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。,先导放电朝地面发展到某一高度,H,后，才会在一定范围内受到避雷针的影响而对避雷针放电。,H,称为,定向高度,，与避雷针的高度h有关。根据模拟试验：,当h30m时，H=20h；,当h30m时，H600h,。,避雷针的保护范围,(2006单),是由模拟试验确定的，只具有相对的意义。我国有关规程所推荐的保护范围,是对应 0.1的绕击率而言的,。,所谓,绕击,系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。,第二节,电力系统的防雷保护装置,单支避雷针的保护范围近似一个圆锥体空间,，如图13-4所示。它的侧面边界线实际上是曲线，工程上以折线代替曲线。,图13-4 单支避雷针的保护范围,式中，,h,为避雷针的高度；,p,为高度修正系数，当,h,30m,，,p,1,；当,30,h,120m,时，。,在被保护物高度,h,x,水平面上，其保护半径,r,x,为,第二节,电力系统的防雷保护装置,两支等高避雷针的保护范围如图 13-5所示。,两避雷针外侧的保护范围,按单支避雷针的计算方法确定。,两避雷针间的保护范围,应按通过两避雷针顶点及保护范围上部边缘最低点,O,的圆弧确定，圆弧的半径为,R,0,，,O,点高度,h,0,按下式计算：,h,0,h,D,/,7p,图,13-5,两支等高避雷针的保护范围,第二节,电力系统的防雷保护装置,图 13-6 两支等高避雷针间保护范围一侧最小宽度（b,x,）与D/(h,a,P)的关系,(a)D/(h,a,P)=07；(b)D/(h,a,P)=57,两避雷针间,h,x,水平面上保护范围,的一侧最小宽度,b,x,应按图,13-6,确定。当,b,x,r,x,时，取,b,x,r,x,。求得,b,x,后，可按图,13-5,绘出两避雷针间的保护范围。两避雷针间距离,D,与避雷针高,h,之比,D,h,不宜大于,5,。,第二节,电力系统的防雷保护装置,两支不等高避雷针的保护范围,如图13-7所示。,两避雷针内侧的保护范围,，先按单避雷针法作出较高避雷针1的保护范围，与通过较低避雷针2的顶点作水平线交于点3。设点3为一假想等高避雷针的顶点，可按两支等高避雷针的方法作出避雷针2和3的联合保护范围。两避雷针外侧的保护范围仍按单支避雷针的计算方法确定。,图13-7 两支不等高避雷针的保护范围,第二节,电力系统的防雷保护装置,二、避雷线,避雷线(即架空地线)的作用原理,与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电站。,单根避雷线的保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间,。,单根避雷线的保护范围如图,13-8,所示，并按下式计算：,图13-8 单根避雷线的保护范围,当,h,30m,时，,=25,第二节,电力系统的防雷保护装置,两根等高避雷线的保护范围,如图13-9所示。两根避雷线,外侧的保护范围,仍按单根避雷线的计算方法确定。两根避雷线间,横截面的保护范围,应由通过两根避雷线1、2及保护范围边缘最低点O的圆弧确定，O点的高度可按下式计算：,h,0,h,s,D,/4,P,图,13-9,中的,称为,避雷线的保护角,，是杆塔上避雷线的铅垂线与同杆塔处避雷线和边导线的连线间所组成的夹角，保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免受雷击。,图13-9两根等高避雷线的保护范围,（a）保护范围；（b）保护角,单根避雷线的保护角一般在,20,30,o,。,220,330kV,双避雷线线路，一般采用,20,o,左右，,500kV,一般不大于,15,o,；山区宜采用较小的保护角。,第二节,电力系统的防雷保护装置,三、避雷器,避雷器,是一种普遍采用的侵入波保护装置，它是一种过电压限制器。,为了使避雷器能够达到预期保护效果，必须满足下面,基本要求,：,第一，,具有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合,。,第二，,有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行,。,避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成系统对地短路。此后瞬即消逝的雷电过电压虽然已经过去，但工频电压却相继作用在避雷器上，使在其中开始通过工频短路接地电流。这样流过避雷器的短路接地电流通常称为工频续流，它以电弧放电的形式出现。避雷器应当具有自行切断工频续流、恢复绝缘强度的能力，要求工频续流在第一次经过零值时即应切断，使电力系统能够继续正常工作。,以上两条要求适合于,有间隙的避雷器,，,包括,保护间隙,、,管式避雷器,、,带间隙阀式避雷器,。,其中阀式避雷器又包括,普通阀式避雷器,和,磁吹阀式避雷器,两种。,无间隙金属氧化物避雷器（MOA）,在工频下仍流过很小的泄漏电流，它没有灭弧问题，但相应地却产生了独特的热稳定问题。,第二节,电力系统的防雷保护装置,1保护间隙,保护设备中简单的形式是,保护间隙,，它由两个电极组成，并接在被保护设备的两端。常用的角形保护间隙如图,13-10,所示。它由主间隙1和辅助间隙2串联而成。辅助间隙是为了防止主间隙被外物短路误动作而设的。,保护间隙的,主要缺点,是灭弧能力低，只能熄灭中性点不接地系统中不大的单相接地短路电流，因此在我国只用于,10kV,及以下的应用场合。,图13-10 角形保护间隙,1-主间隙；2-辅助间隙,第二节,电力系统的防雷保护装置,2管式避雷器,管式避雷器的原理结构如图13-11所示。它由两个间隙串联组成。一个间隙F,1,装在产气管1内，称为,内间隙,。另一个间隙F,2,装在产气管外，称为,外间隙,。,外间隙的作用是使产气管在正常运行时与工频电压隔离。,管式避雷器的,主要缺点,有：,（1）,伏秒特性太陡，且放电分散性较大，难以和被保护设备实现合理的绝缘配合；,图13-11 管式避雷器,1-产气管；2-胶木管；3-棒形电极；4-环形电极；5-储气室；6-动作指示器；F,1,、F,2,-内、外间隙,（2）,放电间隙动作后工作导线直接接地，会产生高幅值的截波，对变压器的纵绝缘不利。,因此管式避雷器不能用在大型变电站内，,目前只是用作变电站进线段保护的辅助手段，,用来保护容量小的变电站及输电线路上薄弱绝缘路段。也可与电缆段相配合，在直配电机的防雷保护中起限流作用。,第二节,电力系统的防雷保护装置,第二节,电力系统的防雷保护装置,3普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器,（1）阀式避雷器的工作原理,阀式避雷器由装在密封瓷套中的放电间隙组和非线性电阻(阀片)组成。其,工作原理,如下：,在电力系统正常工作时,，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由母线的工作电压在电阻阀片中产生的电流烧坏阀片；,当避雷器上,过电压,的瞬时值达到放电间隙的冲击放电电压时，间隙击穿，过电压波即被截断；,间隙击穿后,，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，电流愈大电阻愈小，故在阀片上产生的压降,U,R,(,称为残压,),将得到限制，此残压应比被保护设备绝缘的冲击强度低,25,40,，设备就得到了保护。,由于间隙放电的伏秒特性低于被保护设备的冲击耐压强度，使被保护设备得到保护；,当过电压消失后,，间隙中由工作电压产生的工频续流仍将继续流过避雷器，此续流受阀片电阻的非线性特性所限制，使其小于80A(最大值)，间隙能在工频续流第一次过零值时就将电弧切断。,图13-12 单个平板型放电间隙,1,黄铜电极；,2,云母垫圈,3,间隙放电区,（2）普通阀式避雷器,避雷器的阀片,是用电工金刚砂(SiC)细粒和结合剂（水玻璃等）制成的圆盘在高温下焙烧而成。普通阀式避雷器中的阀片是在300,350下烧成的，称为,低温阀片,。,在金钢砂颗粒的表面有一层很薄的二氧化硅,(S,i,O,2,),封闭层。金刚砂颗粒本身的电阻率不大，约,10,-2,m,，而封闭层的电阻是非线性的，它与电场强度有关，当场强不大，即阀片上电压不高时，封闭层的电阻率为,10,4,10,6,m,，此时整个外施电压都加在封闭层上，由它决定阀片的电阻。当场强增大时，封闭层的电阻急剧下降，阀片的电阻逐渐由金刚砂本身的电阻来确定，于是就使阀片呈现非线性。,普通阀式避雷器的,火花间隙,由许多（如图13-12所示）单个间隙串联而成，,单个间隙的电极由黄铜板冲压而成，两电极之间以云母垫圈隔开形成间隙，间隙距离为,0.5,1.0mm。由于间隙电场近似均匀电场，同时，过电压作用时云母垫圈与电极之间的空气缝隙中发生电晕，对间隙产生照射作用，从而缩短了间隙的放电时间，故其伏秒特性很平且分散性小，单个间隙的工频放电电压约为2.7,3.0kV(有效值)，其冲击系数为1.1左右。,第二节,电力系统的防雷保护装置,由于间隙各电极对地和对高压端有寄生电容存在，放电电压在间隙上的分布是不均匀的，,并且瓷套表面状况对此也有影响。,这样避雷器动作后每个单个间隙上的恢复电压的分布既不均匀也不稳定，从而降低了避雷器灭弧能力，其工频放电电压也将下降和显得不稳定。,为解决这个问题，可在每个间隙上并联一个分路电阻如图13-13所示。,图13-13 分路电阻原理接线,1间隙；2分路电阻；3工作电阻,在工频电压和恢复电压作用下，间隙电容的阻抗很大，而分路电阻阻值较小，故间隙上的电压分布将主要由分路电阻决定。因分路电阻阻值相等，故间隙上电压分布均匀，从而提高了熄弧电压和工频放电电压。冲击系数一般为1左右，甚至小于1。,普通阀式避雷器有较平坦的伏秒特性，动作时不会形成截断波，所以,可用作变电站中的变压器等重要设备的保护,。但普通阀式避雷器熄弧完全依靠间隙的自然熄弧能力，其次阀片的热容量有限，不能承受较长持续时间的内过电压冲击电流的作用。,因此此类避雷器通常,不容许在内过电压作用下动作,。,第二节,电力系统的防雷保护装置,图13-14 旋弧型磁吹间隙,1永久磁铁；2内电极；3外电极；4电弧（箭头表示旋弧方向）,（3）磁吹阀式避雷器,为了提高避雷器灭弧能力，可以采用电弧运动的间隙，即,磁吹放电间隙,。它利用磁场使电弧运动来加强去游离，以提高间隙灭弧能力。采用磁吹间隙的避雷器称为,磁吹阀式避雷器。,磁吹阀式避雷器中,火花间隙,也是由许多单个间隙串联而成的。利用磁场使电弧产生运动(如旋转或拉长)来加强去游离以提高间隙的灭弧能力。,磁吹间隙,通常有,旋弧型,和,灭弧栅型,两种。,如图13-14所示旋,弧型磁吹间隙,。在外磁场的作用下，电弧受力沿着圆形间隙高速旋转（旋转方向取决于电流方向），使弧柱得以冷却，加速去游离过程。灭弧能力能可靠切断300A（幅值）的工频续流，切断比为1.3左右。,弧型磁吹间隙,用于电压较低的如保护旋转电机用的磁吹阀式避雷器中。,第二节,电力系统的防雷保护装置,图13-15 灭弧栅型磁吹间隙,1电极；2灭弧盒；3分路电阻；4灭弧栅；,5主间隙；6磁吹线圈；7辅助间隙,灭弧栅型磁吹间隙,如图13-15所示。主间隙与线圈串联连接，分流间隙与线圈并联连接。当雷电流在线圈上产生很大的压降时，分流间隙击穿将线圈短路，使避雷器的压降不致太大。当工频续流通过线圈时，分流间隙自动熄弧，产生吹弧作用。,灭弧栅型磁吹间隙,能切断450A(幅值)左右的工频续流，为普通间隙的4倍多，因此,广泛用于电压较高的如保护变电站用的磁吹阀式避雷器中。,第二节,电力系统的防雷保护装置,（4）阀式避雷器的基本参数,额定电压U,N,(有效值，kV)：指施加到避雷器端部的最大允许工频电压(有效值)。,残压U,R,(峰值，kV)：指波形为8/20,s的一定幅值的冲击电流通过避雷器时，在阀片上产生的电压峰值。,冲击放电电压U,b(i),(峰值，kV)：对额定电压在220kV及以下的避雷器，其冲击放电电压是指在标准雷电波作用下，避雷器的放电电压(峰值)的上限值。,工频放电电压U,gf,（有效值，kV)：指在工频电压作用下，避雷器将发生放电的电压值。,通流容量,：主要指在规定的波形情况下，非线性电阻片耐受通过电流的能力，以电流的幅值、持续时间和通过次数表示。,冲击系数,：避雷器冲击放电电压与工频放电电压幅值之比。一般希望冲击系数接近于1。,这样避雷器的伏秒特性比较平坦，有利于绝缘配合。,切断比,：避雷器的工频放电电压(下限)与灭弧电压之比。它是体现间隙灭弧能力的重要指标。,保护比,：避雷器残压与灭弧电压之比。保护比愈小，说明残压愈低或灭弧电压愈高，,因而保护性能愈好。,第二节,电力系统的防雷保护装置,4氧化锌避雷器,由于,氧化锌电阻片,具有非常优异的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，而且造价低廉，因此氧化锌避雷器的应用越来越广泛。,图13-16所示为氧化锌阀片与碳化硅阀片伏安特性曲线的比较，两者在10kA电流下的残压是大致相同的，但在额定电压下，碳化硅阀片流过的电流幅值达100A，而氧化锌阀片流过的电流却小于10,-5,A，可以近似认为其续流为零。正因为如此，氧化锌避雷器才可以不用串联放电间隙，使之成为无间隙、无续流的避雷器。,图13-16 两种电阻片伏安特性的比较,图13-17 氧化锌避雷器的保护效果,第二节,电力系统的防雷保护装置,氧化锌避雷器具有如下,优点,：,(1)保护性能优越,不需间隙动作,，电压稍微升高，即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压发展。如图13-17所示，其实际保护效果比碳化硅避雷器好。,良好的温度响应特性,，在低电流范围内(65m时,：,U,g,25,I h,c,/,s,由于雷击地面时，被击点的自然接地电阻较大，最大雷电流幅值一般不会超过,100kA。,实测表明，,感应过电压的幅值一般约为300,400kV,，这,可能引起35kV及以下电压等级的线路闪络,。同时，,由于各相导线的感应过电压基本上相同，所以,不会出现相间闪络,。,与直击雷过电压相比，感应过电压还有以下,特点,：它的,波形较平缓，波头由几s到几十s，而波长可达数百s,。,第三节,架空输电线路的防雷保护,2.雷击线路附近大地时有避雷线导线上的感应雷过电压,当架空输电线路有避雷线，雷击线路附近大地时，,避雷线对架空输电线路有屏蔽作用，能够降低导线上的感应过电压。,设导线和避雷线对地平均高度分别为,h,c,和,h,s,，应用,叠加原理,计算：,先假设避雷线不接地,，则导线上的感应雷过电压和避雷线上的感应雷过电压分别为：,U,c,25,I h,c,/,s,U,s,25,I h,s,/,s,U,c,h,s,/,h,c,但实际上避雷线是接地的，避雷线电位保持零值。为此，可设想在不接地的避雷线上叠加一个-,U,s,的电压，于是此电压将在导线上产生耦合电压,k,0,(-,U,s,)，,k,0,是避雷线与导线间的耦合系数。,于是，线路有避雷线时，导线上实际的感应过电压将为：,上式表明，避雷线使导线上的感应过电压下降至（1,k,0,）倍。耦合系数愈大，导线上的感应过电压愈低。,第三节,架空输电线路的防雷保护,三、架空输电线路的直击雷过电压和耐雷水平,(2006单),我国110kV及以上线路多数全线装有避雷线，有避雷线输电线路落雷有三种情况：,雷击杆塔塔顶,（雷击杆塔），,雷绕过避雷线击于导线,（绕击导线），,雷击档距中间的避雷线,（雷击避雷线），如图13-20所示。,图13-20雷击有避雷线输电线路的三种情况,-雷击杆塔；-绕击导线；-雷击避雷线,第三节,架空输电线路的防雷保护,图13-21 雷击塔顶示意图及等值电路,(a)雷击塔顶示意图;(b)等值电路,1雷击杆塔塔顶,当雷击杆塔塔顶时，雷电流大部分流经被击杆塔及其接地电阻流入大地，小部分电流则经过避雷线由两相邻杆塔入地。从雷击线路接地部分(避雷线、杆塔等)而引起绝缘子串闪络的角度来看，这是最严重的情况，,产生的雷电过电压最高,。,由于一般杆塔不高，其接地电阻R,i,较小，因而从接地点反射回来的电流波立即到达塔顶，使入射电流加倍，因而注入线路的总电流即为雷电流i，而不是沿雷道波阻抗传播的入射电流i/2。因为避雷线有分流作用，所以流经杆塔的电流,i,t,将小于雷电流,i,，有：,i,t,i,表13-1 杆塔分流系数,线路额定电压/kV,避雷线根数,线路额定电压/kV,避雷线根数,110,1,2,0.96,0.86,330,2,0.88,220,1,2,0.92,0.88,500,2,0.88,第三节,架空输电线路的防雷保护,设雷电流波前为斜角平顶波，取波前时间为T,1,2.6s，则,a,I/2.6，由图13-26(b)所示的等值电路可求出,塔顶电位,为：,以,d,i,/d,t,I,/,T,I,/2.6,代入上式，则,塔顶电位幅值,U,top,为,：,U,top,I,（,R,i,L,t,/2.6,）,无避雷线时，1，则有：,U,top,I,（,R,i,L,t,/2.6,）,比较上述两式可知，,由于避雷线的分流作用，降低了雷击塔顶时塔顶电位,。,当塔顶电位为,u,top,时，因避雷线与塔顶相连，避雷线上电位也为,u,top,。,由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将产生耦合电位,k,0,u,top,。此外，因雷电流通道电磁场的作用，导线上还有感应过电压,h,c,（,1,k,0,h,s,/,h,c,）,，其极性与雷电流相反，,导线电位,u,c,为：,第三节,架空输电线路的防雷保护,以,I/2.6代入，得：,当线路绝缘子串上的电位差,U,li,大于或等于线路绝缘子串的冲击耐压,U,50,时，将发生绝缘子串的闪络。于是，可求得雷击塔杆时线路的耐雷水平,I,为：,线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位,u,top,和导线电位,u,c,之差，,u,li,可写为：,第三节,架空输电线路的防雷保护,2雷绕过避雷线击于导线,模拟试验、运行经验和现场实测都已表明，,绕击率,P,与避雷线对边相导线的保护角,、杆塔高度h,t,和线路所经过的地形地貌和地质条件有关，规程建议用下式计算P,：,对,平原线路,：,对,山区线路,：,如图13-22所示，假定Z,0,为雷电通道的波阻抗，Z/2为雷击点两边导线的并联波阻抗，其等值电路如图13-22(b)所示。若计及冲击电晕的影响，可取Z=400，Z,0,200，则,雷击点电压U,A,为：,U,A,(,I,/2)(,Z,/2)100,I,图13-22 雷绕击导线示意图及等值电路,(a)雷绕击导线示意图;(b)等值电路,由此可见，,雷击导线的过电压与雷电流的大小成正比,。如果此过电压超过线路绝缘的耐受电压，则将发生冲击闪络，由此可得,线路的耐雷水平,为：,I,2,U,50,/100,第三节,架空输电线路的防雷保护,3雷击档距中间的避雷线,雷击于档距中间的避雷线A点，如图13-23所示，雷击点会出现较大的过电压。半档避雷线可近似用集中参数电感L,b,来表示，,雷击点电位u,A,为：,图13-23 雷击档距中间避雷线示意图,在档距中间，避雷线与导线的空气间隙S上承受的,雷电过电压,为：,当超过空气间隙S的绝缘强度时，将发生避雷线与导线间的闪络，为了避免闪络，则要求档距中间避雷线与导线间应保持足够的空气距离S。根据理论分析和运行经验，中国电力行业标准DL/T6201997规定，15无风时，,档距中间导线与避雷线间的距离S,宜按下式选择：,S,0.012,l,1,第三节,架空输电线路的防雷保护,四、输电线路的雷击跳闸率,1.雷击杆塔的跳闸率,每l00km有避雷线的线路每年(40个雷暴日)落雷次数为N=2.8h,s,次/100km年，则每l00km线路每年雷击杆塔的次数为N,g,2.8h,s,g次；若雷击杆塔时的耐雷水平为I,1,，雷电流幅值超过I,1,的概率为P,1,，建弧率为，则,l00km线路每年雷击杆塔的跳闸次数,n,1,为：,n,1,2.8,h,S,g,P,1,（次/100km年）,表13-2 击杆率g,避雷线根数,地形,0,1,2,平原,1/2,1/4,1/6,山区,1/3,1/4,2线路绕击跳闸率,设绕击率为,p,，,100km线路每年绕击次数,为,N,p,2.8,h,S,p,，绕击时的耐雷水平为,I,2,，雷电流幅值超过,I,2,的概率为,P,2,，建弧率为,，则,每100km线路每年的绕击跳闸次数,为：,n,2,2.8,h,S,p,P,2,（次/100km年),3线路雷击跳闸率,线路雷击跳闸率,n,是,跳闸率,n,1,与绕击跳闸率,n,2,之和,，即,n,n,1,n,2,2.8,h,S,(,gP,1,p,P,2,),（次/100km年),第三节,架空输电线路的防雷保护,五、防雷措施,1架设避雷线,架设避雷线是高压和超高压线路最基本的防雷措施，主要目的是,防止雷直击导线,。,我国110kV及以上线路是全线架设避雷线，500kV及以上的超高压、特高压线路都架设双避雷线，保护角在15,o,及以下。,2降低杆塔接地电阻,对一般高度杆塔，降低杆塔冲击接地电阻是,提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率,的最经济而有效的措施。,表13-3 有避雷线输电线路杆塔的工频接地电阻,土壤电阻率/,m,100及以下,100,500,500,1000,1000,1500,2000以上,接地电阻/,10,15,20,25,30,3采用中性点经消弧线圈接地,运行经验表明，电网采用中性点经消弧线圈接地，,线路雷击跳闸会明显下降，约可降低1/3左右,。,第三节,架空输电线路的防雷保护,第三节,架空输电线路的防雷保护,4装设自动重合闸,由于线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击造成的冲击闪络在线路跳闸后能够自行消除，因此,安装自动重合闸装置对降低线路的雷击事故率效果较好,。,5安装线路避雷器,运行经验表明，采用线路避雷器后，,能够消除或大大减少线路的雷击跳闸事故,。,以上分别简介了线路防雷的几种主要措施。根据雷击跳闸的过程，可归纳为采取如下,四道防线,进行保护：,防止雷直击导线,：采用避雷线、避雷针、改用电缆线路等；,防止反击,：降低杆塔的接地电阻，增加耦合和分流(如采用双避雷线、耦合地线)，加强绝缘，采用管型避雷器等；,防止建弧,：电网中性点经消弧线圈接地，增加绝缘子片数等；,防止输电线路供电中断,：安装自动重合闸，环网供电等。,一、概述,二、发电厂和变电站的直击雷防护,三、变电站的侵入波防护,四、变电站的进线段保护,五、变压器中性点和配电变压器的保护,六、GIS变电站的防雷保护,七、旋转电机的防雷保护,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,一、概述,发电厂和变电站的雷害,有两种情况：,雷电直接击于发电厂和变电站,；,输电线路上发生感应雷过电压或直接落雷，雷电波沿导线侵入变电站或发电机,。,防止直击雷过电压,的主要措施是,装设专门的避雷针或悬挂避雷线,。,对,雷电侵入波过电压防护,的主要措施是,在发电厂、变电站内装设避雷器，同时在线路进线段上采取辅助措施,。,二、发电厂和变电站的直击雷防护,在设计避雷针时，应以最经济的原则，选择避雷针的根数、高度和具体位置，保证所有电气设备均处在它们的保护范围内。雷击避雷针时，高达上百kA的雷电流流经接地引下线，会在,接地阻抗上产生压降，被保,护物不能与避雷针靠得太近，,以免发生反击现象。,避雷针的装设,可分为,独,立避雷针,和,构架避雷针,两种。,图13-24 雷击独立避雷针时的高电位,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,独立避雷针,受雷击时，雷电流流过避雷针和接地装置，将会出现很高的电位。如图13-24所示，设避雷针在高度为,h,处的电位为,u,A,，,接地装置上的电位为,u,B,，则,u,A,i R,i,L,0,h,d,i,/d,t,kV,u,B,i R,i,kV,为了防止避雷针对被保护物体发生反击，,避雷针与被保护物体之间的空气间隙,S,1,应有足够的距离。若取空气间隙的击穿场强为,E,1,(kV/m)则,S,1,应满足下式要求,，即：,S,1,u,A,/,E,1,(m),第四节 发电厂和变电站的防雷保护,图13-24 雷击独立避雷针时的高电位,同理，为了,防止避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间击穿造成反击,，若取土壤的击穿场强为,E,2,(kV/m)，两者之间地中距离,S,2,，也应满足下式要求，即：,S,2,u,B,/,E,2,(m),根据规程，取i=100A，平均波前陡度(d,i,/d,t,),av,100/2.6 kA/s，,L,0,1.55 H/m，空气绝缘的平均耐压强度取,E,1,500 kV/m，土壤的击穿场强为,E,2,300 kV/m，代入,u,A,、,u,B,、,S,1,和,S,2,，求得,S,1,和,S,2,应当满足下列要求，即：,S,1,0.2,R,i,0.1,h,(m),S,2,0.3,R,i,(m),第四节 发电厂和变电站的防雷保护,安装避雷针时,还应,注意,如下,事项,：,(1)独立避雷针应距道路3m以上，否则应铺碎石或沥青路面(厚5,8cm)，以保证人身不受跨步电压的危害,。,(2)严禁将架空照明线、电话线、广播线及天线等装在避雷针上或其构架上。,(3)发电厂主厂房上一般不装设避雷针，以免发生感应或反击，使继电保护误动作或造成绝缘损坏,。,(4)110kV及以上的配电装置，可以将线路的避雷线引到出线门型构架上，但土壤电阻率大于1000m的地区，应装设集中接地装置。35,60kV配电装置的绝缘水平较低，为防止发生反击事故，如土壤电阻率不大于500m的地区，才允许将避雷线引到出线门型构架上。,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,图13-25 避雷器和被保护物（变压器）上的电压波形,(a)避雷器的接线；(b)作图方法,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,三、变电站的侵入波防护,变电站中限制侵入波的主要设备是避雷器，它接在变电站母线上，与被保护设备相并联，并使所有设备受到可靠的保护。,变压器上的最大电压将比避雷器的放电电压高出一个U，即：,如果考虑变压器的入口电容,C,r,的作用，波过程将更加复杂，根据分析，两者结论是极为相似的。,实际上，由于冲击电晕和避雷器电阻的衰减作用，同时由于避雷器上残压并非恒定值而是随着雷电流的衰减而衰减，所以变压器上所受冲击电压的波形是衰减振荡的，如图13-26所示，其最大值为用上式计算值的87左右。,取变压器绝缘的冲击耐压强度为,U,j,，可求出避雷器与变压器之间的最大允许电气距离，即,避雷器的保护距离,，为：,图13-26 变压器所受电压示波图,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,四、变电站的进线段保护,当雷电波侵入变电站时，要使变电站的电气设备得到可靠的保护，必须限制侵入波的陡度，并限制通过避雷器的雷电流以降低残压。这就要求变电站的线路进线段应有更好的保护。,进线段保护,是,指临近变电站1,2km的一段线路上加强防雷保护措施,。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，则应使这段线路具有更高的耐雷水平，以减小进线段内绕击和反击形成侵入波的概率。,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,135kV及以上变电站进线段保护,对于35,110kV无避雷线的线路，在靠近变电站的一段进线段上，必须架设避雷线。,对于全线有避雷线的线路，在进线段内，避雷线的保护角应适当减小，以降低绕击率，并采取措施适当提高其耐雷水平。,图13-27 35kV及以上变电站进线段保护,(a)35,110kV全线无避雷线的线路；(b)全线有避雷线的线路,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,变电站进线段保护能使侵入波陡度降低的,主要原因,，是线路在雷电波作用下发生强烈的冲击电晕使波变形和衰减。,冲击电晕,的影响，一方面是,增加了电晕能量损耗使波幅值衰减,；另一方面是,加大了导线对地电容引起波的变形和衰减,。,工程计算中通常忽略电晕能量损耗的影响。,表13-4 进线段的耐雷水平,额定电压/kV,35,66,110,220,330,500,耐雷水平/kV,一般线路,20,30,30,60,40,75,75,110,100,150,125,175,大跨越档,和进线段,30,60,75,110,150,175,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,对变电站35kV及以上,电缆进线段,，一般都需装设避雷器保护；避雷器的接地端应与电缆金属外皮连接,。,对三芯电缆，,末端的金属外皮应直接接地,;,对单芯电缆，因为不许外皮流过工频感应电流而不能两端同时接地，又需限制末端形成很高的过电压，所以,应经ZnO电缆护层保护器(FC)或保护间隙(FG)接地,。,图13-28 35kV及以上电缆进线段保护接线,（a）三芯电缆；（b）单芯电缆,235kV小容量变电站进线段保护,对于35kV、3150,5000kVA小容量变电站,，可根据变电站的重要性和雷电活动强度等情况，,采取简化的进线段保护,。,35,66kV变电站,，如进线段装设避雷线有困难或进线段杆塔接地电阻难于下降，不能达到耐雷水平要求时，,可在进线的终端杆上安装一组1000H左右的电抗线圈来代替进线段,。,图13-29 35kV小容量变电站进线段保护接线,图13-30 用电抗线圈代替,进线段保护接线,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,五、变压器中性点和配电变压器的保护,1变压器中性点的保护,35,60kV,变压器的中性点不接地或经消弧线圈接地，在结构上是全绝缘的，即中性点的绝缘强度(绝缘水平)与端部绕组的相同。,35,60kV变压器的中性点一般不需保护,。,110,220kV系统,属于有效接地系统，这种系统中的变压器分为两种情况，其一是,中性点全绝缘，此时中性点一般不加保护,；其二是,中性点半绝缘(新制变压器均如此)，它们均需用避雷器保护,。,500kV,变压器的中性点直接接地或经小电抗接地(用以限制单相接地电流)，其,绝缘水平为35kV级，并用相应等级的避雷器保护,。,2.配电变压器的防雷保护,配电变压器的,基本保护措施,是,靠近变压器装设避雷器，以防止从线路侵入的雷电波损坏绝缘,。310kV配电线路绝缘低，直击雷常使线路绝缘闪络，大部分雷电流被导入地中，从而限制了侵入波以及通过避雷器的雷电流峰值。又由于避雷器就装在变压器近旁，两者之间的电压差很小，因此,可以不用进线保护,。,第四节 发电厂和变电站的防雷保护,六、GIS变电站的防雷保护,GIS的防雷保护除了与常规变电站具有共同的原则外，也有自己的一些,特点,：,(1)GIS的结构紧凑，设备之间的电气距离小，避雷器离被保护设备较近，防雷保护容易实现,。,(2)GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其冲击系数很小(1.2,1.3)，因此它的绝缘水平主要决定于雷电冲击电压。,(3)GIS内