高电压技术第8章习题答案.doc

第八章 雷电过电压及防护
8-1试述雷电放电的基本过程及各阶段的特点。
8-2试述雷电流幅值的定义，分别计算下列雷电流幅值出现的概率：30kA、50kA、88kA、100kA、150kA、200kA。
8-3雷电过电压是如何形成的？
8-4某变电所配电构架高11m，宽10.5m，拟在构架侧旁装设独立避雷针进行保护，避雷针距构架至少5m。试计算避雷针最低高度。
8-5设某变电所的四支等高避雷针，高度为25m，布置在边长为42m的正方形的四个顶点上，试绘出高度为11m的被保护设备，试求被保护物高度的最小保护宽度。
8-6什么是避雷线的保护角？保护角对线路绕击有何影响？
8-7试分析排气式避雷器与保护间隙的相同点与不同点。
8-8试比较普通阀式避雷器与金属氧化物避雷器的性能，说说金属氧化物避雷器有哪些优点？
8-9试述金属氧化物避雷器的特性和各项参数的意义。
8-10限制雷电过电压破坏作用的基本措施是什么？这些防雷设备各起什么保护作用？
8-11平原地区110kV单避雷线线路水泥杆塔如图所示，绝缘子串由6×X－7组成，长为1.2m，其正极性U50%为700kV，杆塔冲击接地电阻为7Ω，导线和避雷线的直径分别为21.5mm和7.8mm，15℃时避雷线弧垂2.8m，下导线弧垂5.3m，其它数据标注在图中，单位为m，试求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。

习题8-11图
8-12某平原地区550kV输电线路档距为400m，导线水平布置，导线悬挂高度为28.15m，相间距离为12.5m，15℃时弧垂12.5m。导线四分裂，半径为11.75mm，分裂距离0.45m(等值半径为19.8cm)。两根避雷线半径5.3mm，相距21.4m，其悬挂高度为37m，15℃时弧垂9.5m。杆塔电杆15.6μH，冲击接地电阻为10Ω。线路采用28片XP-16绝缘子，串长4.48m，其正极性U50%为2.35MV，负极性U50%为2.74MV，试求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。
8-13为什么110kV及以上线路一般采用全线架设避雷线的保护措施，而35kV及以下线路不采用？
8-14输电线路防雷有哪些基本措施。
8-15变电所进线段保护的作用和要求是什么？
8-16试述变电所进线段保护的标准接线中各元件的作用。
8-17某110kV变电所内装有FZ-110J型阀式避雷器，其安装点到变压器的电气距离为50m，运行中经常有两路出线，其导线的平均对地高度为10m，试确定应有的进线保护段长度。
8-18试述旋转电机绝缘的特点及直配电机的防雷保护措施。
8-19说明直配电机防雷保护中电缆段的作用。
8-20试述气体绝缘变电所防雷保护的特点和措施。
8-21什么是接地？接地有哪些类型？各有何用途？
8-22什么是接地电阻，接触电压和跨步电压？
8-23试计算如图8-44所示接地装置的冲击接地电阻。已知垂直接地极是由6根直径为1.8cm、长3m的圆管组成，土壤电阻率为200Ω·m，雷电流为40A时冲击系数为0.5，冲击利用系数为0.7。
8-24某220kV变电所，采用型布置，变电所面积为194.5m×201.5m，土壤电阻率为300Ω·m，试估算其接地网的工频接地电阻。

8-1试述雷电放电的基本过程及各阶段的特点。
答：雷电放电的基本过程包括先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。
（1）先导放电阶段——开始产生的先导放电是跳跃式向前发展。先导放电常常表现为分枝状，这些分枝状的先导放电通常只有一条放电分支达到大地。整个先导放电时间约0.005~0.01s，相应于先导放电阶段的雷电流很小。
（2）主放电阶段——主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的。在主放电中，雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先导放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出巨大的光和热。在主放电阶段，雷击点有巨大的电流流过，主放电的时间极短。
（3）余辉放电阶段——当主放电阶段结束后，雷云中的剩余电荷将继续沿主放电通道下移，使通道连续维持着一定余辉。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.03~0.05s。

8-2试述雷电流幅值的定义，分别计算下列雷电流幅值出现的概率：30kA、50kA、88kA、100kA、150kA、200kA。
答：根据式（8-4），。其中，P为雷电流幅值超过I的概率，I为雷电流幅值。则雷电流幅值为30kA、50kA、88kA、100kA、150kA、200kA时，对应的概率分别为45.61%、27.03%、10.00%、7.31%、1.97%、0.53%。

8-3雷电过电压是如何形成的？
答：雷电过电压的形成包括以下几种情况。
（1）直击雷过电压
a.雷直击于地面上接地良好的物体（图8-3）时，流过雷击点A的电流即为雷电流i。采用电流源彼德逊等值电路，则雷电流

沿雷道波阻抗下来的雷电入射波的幅值I0=I/2，A点的电压幅值。
b.雷直击于输电线路的导线（图8-4）时，电流波向线路的两侧流动，如果电流电压均以幅值表示，则

导线被击点A的过电压幅值为

（2）感应雷过电压
雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压（图8-5）。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如图8-5（a）所示，这些电荷对导线产生静电感应，在负先导附近的导线上积累了异号的正束缚电荷，而导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。因为先导放电的速度很慢，所以导线上电荷的运动也很慢，由此引起的导线中的电流很小，同时由于导线对地泄漏电导的存在，导线电位将与远离雷云处的导线电位相同。当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图8-5（b）所示。电荷流动形成的电流乘以导线的波阻抗即为两侧流动的静电感应过电压波。

8-4某变电所配电构架高11m，宽10.5m，拟在构架侧旁装设独立避雷针进行保护，避雷针距构架至少5m。试计算避雷针最低高度。
解：由题意可知，=10.5+ 5=15.5m，m
分别令p=1，p=5.5/，列出以下式子

代入数值解得

所以避雷针的最低高度为26.5米。

8-5设某变电所的四支等高避雷针，高度为25m，布置在边长为42m的正方形的四个顶点上，试绘出高度为11m的被保护设备，试求被保护物高度的最小保护宽度
解：略

8-6什么是避雷线的保护角？保护角对线路绕击有何影响？
答：避雷线的保护角指避雷线和外侧导线的连线与避雷线的垂线之间的夹角，用来表示避雷线对导线的保护程度。保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免遭雷击。

8-7试分析排气式避雷器与保护间隙的相同点与不同点。
答：
避雷器类型
比较异同
保护间隙
排气式避雷器
相同点
a) 当雷电波侵入时，间隙先击穿，雷电流经间隙泄入大地，从而保护了电气设备；
b) 过电压消失后，保护间隙中仍有工频续流流过，且切断电流有限；
c) 伏秒特性曲线较陡，放电分散性大，与被保护设备的绝缘配合不理想，并且动作后会形成截波，对变压器纵绝缘不利。
不同点
结构
简单
复杂
熄弧能力
低
高

辅助设备
当间隙不能自行熄弧时，将引起断路器跳闸。为减少线路停电事故，应加装自动重合闸装置。
排气式避雷器动作多次后，管壁将变薄，故应装设简单可靠的动作指示器。
应用范围
除有效接地系统和低电阻接地系统外的低压配电系统；
排气式避雷器的灭弧能力不能符合要求的场合
线路保护和发、变电所的进线段保护

8-8试比较普通阀式避雷器与金属氧化锌避雷器的性能，说说金属氧化锌避雷器有哪些优点？
答：由于氧化锌阀片优异的非线性伏安特性，使金属氧化锌避雷器（MOA）与普通阀式避雷器相比具有以下优点：（1） 保护性能好；（2）无续流；（3）通流容量大；（4）运行安全可靠。

8-9试述金属氧化锌避雷器的特性和各项参数的意义。
答：金属氧化物避雷器电气特性的基本技术指标：
（1) 额定电压——避雷器两端允许施加的最大工频电压有效值，与热负载有关，是决定避雷器各种特性的基准参数。
（2) 最大持续运行电压——允许持续加在避雷器两端的最大工频电压有效值，决定了避雷器长期工作的老化性能。
（3) 参考电压——避雷器通过lmA工频电流阻性分量峰值或者lmA直流电流时，其两端之间的工频电压峰值或直流电压，通常用U1mA表示。从该电压开始，电流将随电压的升高而迅速增大，并起限制过电压作用。因此又称起始动作电压，也称转折电压或拐点电压
（4) 残压——放电电流通过避雷器时两端出现的电压峰值。包括三种放电电流波形下的残压，避雷器的保护水平是三者残压的组合。
（5）通流容量——表示阀片耐受通过电流的能力。
（6）压比——MOA通过波形为8／20的标称冲击放电电流时的残压与其参考电压之比。压比越小，表示非线性越好，通过冲击放电电流时的残压越低，避雷器的保护性能越好。
（7）荷电率——MOA的最大持续运行电压峰值与直流参考电压的比值。荷电率愈高，说明避雷器稳定性能愈好，耐老化，能在靠近“转折点”长期工作。
（8）保护比——标称放电电流下的残压与最大持续运行电压峰值的比值或压比与荷电率之比保护比越小，MOA的保护性能越好。

8-10限制雷电过电压破坏作用的基本措施是什么？这些防雷设备各起什么保护作用？
答：限制雷电的破坏性，基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。
避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。下面主要介绍避雷针、避雷线和避雷器的保护原理及其保护范围。

8-11平原地区110kV单避雷线线路水泥杆塔如图所示，绝缘子串由6×X－7组成，长为1.2m，其正极性U50%为700kV，杆塔冲击接地电阻Ri为7Ω，导线和避雷线的直径分别为21.5mm和7.8mm，15℃时避雷线弧垂2.8m，下导线弧垂5.3m，其它数据标注在图中，单位为m，试求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。
解：略
8-12某平原地区550kV输电线路档距为400m，导线水平布置，导线悬挂高度为28.15m，相间距离为12.5m，15℃时弧垂12.5m。导线四分裂，半径为11.75mm，分裂距离0.45m(等值半径为19.8cm)。两根避雷线半径5.3mm，相距21.4m，其悬挂高度为37m，15℃时弧垂9.5m。杆塔电杆15.6μH，冲击接地电阻为10Ω。线路采用28片XP-16绝缘子，串长4.48m，其正极性U50%为2.35MV，负极性U50%为2.74MV，试求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。
解：略
8-13为什么110kV及以上线路一般采用全线架设避雷线的保护措施，而35kV及以下线路不采用？
答：输电线路的防雷，应根据线路的电压等级、负荷性质和系统运行方式，并结合当地地区雷电活动的强弱、地形地貌特点及土壤电阻率高低等情况，通过技术经济比较，采用合理的防雷方式。因此，35kV线路不宜全线架设避雷线，110kV及以上线路应全线架设避雷线。

8-14输电线路防雷有哪些基本措施。
答：（1）架设避雷线；（2）降低杆塔接地电阻；（3）架设耦合地线；（4）采用不平衡绝缘方式；（5）采用中性点非有效接地方式；（6）装设避雷器；（7）加强绝缘；8）装设自动重合闸。

8-15变电所进线段保护的作用和要求是什么？
答：变电所进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和侵入波的陡度。
针对不同电压等级的输电线路，具体要求如下：
a) 未沿全线架设避雷线的35kV～110kV架空送电线路，应在变电所1km～2km的进线段架设避雷线作为进线段保护，要求保护段上的避雷线保护角宜不超过20°，最大不应超过30°；
b) 110kV及以上有避雷线架空送电线路，把2km范围内进线作为进线保护段，要求加强防护，如减小避雷线的保护角α及降低杆塔的接地电阻Ri。要求进线保护段范围内的杆塔耐雷水平，达到表8-7的最大值，以使避雷器电流幅值不超过5kA(在330～500kV级为10kA)，而且必须保证来波陡度a不超过一定的允许值。

8-16试述变电所进线段保护的标准接线中各元件的作用。
答：在图8-32所示的标准进线段保护方式中，安装了排气式避雷器FE。
在雷季，线路断路器、隔离开关可能经常开断而线路侧又带有工频电压(热备用状态)，沿线袭来的雷电波(其幅值为U50%)在此处碰到了开路的末端，于是电压可上升到2U50%，这时可能使开路的断路器和隔离开关对地放电，引起工频短路，将断路器或隔离开关的绝缘支座烧毁，为此在靠近隔离开关或断路器处装设一组排气式避雷器FE。

图8-32 35kV～110kV变电所的进线保护接线

8-17某110kV变电所内装有FZ-110J型阀式避雷器，其安装点到变压器的电气距离为50m，运行中经常有两路出线，其导线的平均对地高度为10m，试确定应有的进线保护段长度。
解：略
8-18试述旋转电机绝缘的特点及直配电机的防雷保护措施。
答：旋转电机绝缘的特点：
（1） 在相同电压等级的电气设备中，旋转电机的绝缘水平最低；
（2） 电机在运行中受到发热、机械振动、臭氧、潮湿等因素的作用使绝缘容易老化。特别在槽口部分，电场极不均匀，在过电压作用下容易受伤；
（3） 保护旋转电机用的磁吹避雷器(FCD型)的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小；
（4） 由于电机绕组的匝间电容K很小，所以当冲击波作用时，匝间所受电压为，要使该电压低于电机绕组的匝间耐压，必须把来波陡度a限制得很低，试验结果表明，为了保护匝间绝缘必须将侵入波陡度限制在5kV/μs以下；
（5） 电机绕组中性点一般是不接地的，三相进波时在直角波头情况下，中性点电压可达进波电压的两倍，因此必须对中性点采取保护措施。试验证明，侵入波陡度降低时，中性点过电压也随之减小，当侵入波陡度降至2kV/μs以下时，中性点过电压不超过进波的过电压。
直配电机的防雷保护措施：
（1) 发电机出线母线上装一组MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的残压与电机的绝缘水平相配合，保护电机主绝缘。
（2) 采用进线段保护，一般采用电缆段与排气式避雷器配合的典型进线段保护，它们联合作用以限制流经避雷器中的雷电流幅值使之小于3kA。
（3) 在发电机母线上装设一组并联电容器，包括电缆段电容在内一般每相电容应为0.25~0.5μF，可以限制雷电侵入波的陡度a使之小于2kV/μs，同时可以降低感应雷过电压使之低于电机冲击耐压强度，保护电机匝间绝缘和中性点绝缘。
（4) 发电机中性点有引出线时，中性点应加装避雷器保护，如电机绕组中性点并未引出，则每相母线并联电容应增至1.5~2.0μF。

8-19说明直配电机防雷保护中电缆段的作用。
答：有电缆段的直配电机保护接线如图8-37(a)所示，雷直击于电缆首端的架空线路，排气式避雷器FE2动作，电缆芯线与外皮经FE2短接在一起，雷电流流过FE2和接地电阻R1 所形成的电压iR1 同时作用在芯线和外皮上，沿着外皮将有电流i2 流向电机侧，于是在电缆外皮本身的电感L2上出现压降，此压降是由环绕外皮的磁力线变化所造成的，这些磁力线也必然全部环绕芯线，在芯线上同时感应出一个大小等于的反电动势来，它将阻止雷电流从电缆首端A点沿芯线向电机流动，也即限制了流经避雷器F的雷电流。

8-20试述气体绝缘变电所防雷保护的特点和措施。
答：气体绝缘变电所(GIS)防雷保护有以下特点：
（1）GIS绝缘具有比较平坦的伏秒特性。绝缘水平主要决定于雷电冲击水平，需采用性能优异的金属氧化物避雷器加以保护。
（2）GIS变电所的波阻抗一般在60~100Ω，约为架空线路的1/5，雷电侵入波从架空线路传入GIS，折射系数较小，折射电压也就较小，对GIS的雷电侵入波保护有利。
（3）GIS变电所结构紧凑，各电气设备之间的距离较小，避雷器离被保护设备较近，因此可使雷电过电压限制在更低的水平。
（4）GIS绝缘中完全不允许产生电晕，因为一旦产生电晕，绝缘会立即发生击穿，这样将会导致整个GIS变电所绝缘的破坏。因此，要求GIS过电压保护有较高的可靠性，并且在设备的绝缘配合上要留有足够的裕度。
（5）由于GIS变电所的封闭性，所以电气设备不会因受大气污秽、降水等的影响而降低绝缘强度。但需指出，对SF6气体的洁净程度和所含水分却要求极严，同时对导体和内壁的光洁度也要求极高，否则绝缘强度将大幅度下降。
气体绝缘变电所(GIS)的防雷措施有以下几点：
1) 66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所 66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所，在GIS管道与架空线路连接处应装设无间隙金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与管道金属外壳连接；
2).66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所 66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所，在电缆与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与电缆的金属外皮连接。对三芯电缆，末端的金属外皮应与GIS管道金属外壳连接接地，如图8-41(a)所示。对单芯电缆，末端的金属护层应经金属氧化物电缆护层保护器(FC)接地，如图8-41(b)所示。

8-21什么是接地？接地有哪些类型？各有何用途？
答：接地——指将电力系统中电气装置和设施的某些导电部分，经接地线连接至接地极。埋入地中并直接与大地接触的金属导体称为接地极，电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分称为接地线。
接地按用途可分为：
（1）工作接地——为运行需要所设的接地，如中性点直接接地、中性点经消弧线圈、电阻接地；
（2）保护接地——电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；
（3）防雷接地——为雷电保护装置（避雷针、避雷线和避雷器等）向大地泄放雷电流而设的接地；
（4）静电接地——为防止静电对易燃油、天然气贮罐、氢气贮罐和管道等的危险作用而设的接地。

8-22什么是接地电阻，接触电压和跨步电压？
答：接地装置对地电位u与通过接地极流入地中电流i的比值称为接地电阻。
人在地面上离设备水平距离为0.8m处于设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1.8m处两点间的电位差，称为接触电位差，即接触电压Ut。
当人在分布电位区域内跨开一步，两脚间（水平距离0.8m）的电位差，称为跨步电位差，即跨步电压Us。

8-23试计算如图8-44所示接地装置的冲击接地电阻。已知垂直接地极是由6根直径为1.8cm、长3m的圆管组成，土壤电阻率为，雷电流为40A时冲击系数为0.5，冲击利用系数为0.7。
解：查表８－１９可得，对于长度为3m左右的垂直接地极，其工频接地电阻为

单根垂直接地极的冲击接地电阻为：

由６根等长水平放射形接地极组成的接地装置，其冲击接地装置可按下式计算

8-24某220kV变电所，采用型布置，变电所面积为194.5m×201.5m，土壤电阻率为，试估算其接地网的工频接地电阻。
解：查表８－１９，对于复合接地网，其工频接地电阻的简易计算式如下：