电力系统防雷保护

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,*,*,*,第8章 电力系统防雷保护,主要内容：,输电线路的防雷保护,发电厂和变电所的防雷保护,旋转电机的防雷保护,1,第1节 输电线路的防雷保护,主要内容：,概述,输电线路的防雷措施,输电线路的感应雷过电压,输电线路直击雷过电压,输电线路雷击跳闸率,2,一、概述,1.线路防雷的重要性,（1）雷击是线路跳闸的主要原因,（2）雷电波进入变电所，会给电力设备带来危害,2.雷击过电压的分类,（1）感应过电压,：雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的。,（2）直击过电压,：雷击于线路所引起的过电压。,3.防雷性能,耐雷水平,：雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值。（耐雷水平防雷性能）,雷击跳闸率,：折算为统一的条件下，因雷击而引起的线路跳闸的次数（每年40个雷暴日、100km线路长度）。,3,二、线路雷击事故发展四个阶段的防护措施（,四道防线,）,1.防止雷直击导线,避雷线+避雷针或者采用电缆线路,2.防止雷击塔顶或输电线路后引起绝缘闪络,降低杆塔接地电阻+增大耦合系数+加强线路绝缘+采用线路型避雷器,3.防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧,增加绝缘子片数+电网采用不接地或者经消弧线圈接地,目的：防止建立稳定的工频电弧，以引起跳闸,4.防止线路中断供电,自动重合闸+双回路、环网供电,目的：防止线路中断供电,4,三、输电线路的感应雷过电压,1.感应雷过电压的产生,（a）先导放电阶段,特点,：电荷移动慢 、电流较小、电压波忽略不计、线路电位不变,（b）主放电阶段,特点,：静电场突然消失，电压波迅速向两侧传播，导致过电压（静电分量）和电磁感应产生的高电压（电磁分量）。,先导放电阶段 主放电阶段,5,2.无避雷线时的感应雷过电压,（1）,d,65m时,可用,I,100kA进行估算。一般认为,U,i,300400kV。,（2）,d,500,m,的地区宜采用独立避雷针。,110kV,及以上的配电装置，在土壤电阻率,1000,m,时，不易反击，容许装设构架避雷针。,安装避雷针的构架的接地装置与主变接地点之间电气距离应大于,15m,（防止发生反击），不允许在变压器门型架上装设避雷针。,发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生感应或反击使继电保护误动作造成绝缘损坏。,28,3.避雷线的设置,避雷线保护也应该考虑空气、地下间隙不发生反击的距离d,1,、d,2,。,（1）两端接地的避雷线,l,：避雷线两支柱间距离,l,：避雷线上校验的雷击点与最近支柱间的距离,l,2,：避雷线上校验的雷击点与另一支柱间的距离,29,（2）一端接地的避雷线,对于一端经配电装置架构接地，另一端绝缘的避雷线， 。,l,：避雷线上校验的雷击点与接地支柱间的距离,4.国家规定,无论对于避雷针还是避雷线，d,1,不宜小于,5m,，d,2,不宜小于,3m,，应根据情况适当增大。,30,三、发电厂、变电所的雷电侵入波防护,1.主要措施,限制雷电侵入波的主要措施是装设,避雷器,。,对避雷器的两点要求：,（1）在一切电压波形下，它的伏秒特性均在被保护绝缘的伏秒特性之下；,（2）其伏安特性应保证其残压均低于被保护绝缘的冲击绝缘强度。,2.变压器和避雷器之间的距离为零,避雷器直接接在变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器上的电压波性相同，若变压器的冲击耐压大于避雷器的冲击放电电压和残压，变压器将得到可靠保护。,31,3.变压器和避雷器之间有一定的电气距离,在t=0时，斜角波达到避雷器的安装地点1，节点1和节点2的电压u,1,和u,2,将按照下列规律变化：,（1）0tT,u,1,(t)=at u,2,(t)=0,（2）Tt2T,u,1,(t)=at u,2,(t)=2a(t-T),32,（3）2Ttt,b,u,1,(t)=at+a(t-2T)=2a(t-T),u,2,(t)=2a(t-T),（4）t,b,tt,b,+T,u,1,(t)开始下降,u,2,(t)=2a(t-T),（5）tt,b,+T,u,2,(t)达到最大值，开始下降。,因此可知变压器上的最大电压将比避雷器上的残压高。,变压器上的最高电压与,l,和,a,有关，最大值为：,33,阀式避雷器动作后，变压器上的过电压,U,w(i),：绝缘的雷电冲击耐压值,U,R,：阀式避雷器的残压,a,：时间陡度（kV/us）,a,：空间陡度（kV/m），,a,=,a,/,v,变压器与避雷器之间允许的最大电气距离为：,34,其他设备与避雷器之间允许的最大电气距离为：,中间变电所或多出线变电所主变压器与避雷器之间允许的最大电气距为：,K：变电所出线修正系数,根据规程，建议两路进线时最大允许电气距离可以比单路增大,35%,，三路进线时增大,65%,，四路及以上增大,85%,。,不同类型避雷器对最大允许电气距离的影响,110kV,级,FZ,型避雷器,5kA,下的残压为,332kV,，,FCZ,和,MOA,的残压为,260kV,，因此变电所中若使用后两种避雷器可以增大安全距离。,35,4.变电所的进线段保护,进线段,：在变电所的进线长度约为,1,2km,的范围，其重要性远超过其余线路。,进线段保护的目的,限制侵入波陡度，使之小于 （ ）,限制流过避雷器的冲击电流幅值,I,FV,，以防止残压过高，同时防止烧坏避雷器。,进线段保护的措施,在进线段装设,避雷线、避雷针或其他防雷装置,，以降低侵入波的幅值和陡度，使避雷器可靠动作，减小反击和绕击的概率。,36,35kV,110kV,全线无避雷线的线路,该段线路必须装设避雷线，且线路保护角一般不宜超过,20,。,220kV,及以上的全线有避雷线的线路,通过减小该段电路的保护角（不宜超过,20,）和杆塔冲击接地电阻，提高该段线路的耐雷水平，以尽量避免在该段线路出现反击和绕击，使进线段内雷电通过绕击和反击侵入变电站的概率变得很小。,37,避雷器的作用,FT1,管式避雷器,：当线路的绝缘水平很高时，由于其雷电入侵波的幅值可能很高，有可能使流过避雷器的电流超过规定值，因此需要,FT1,限制雷电入侵波的幅值。,FT2,管式避雷器,：在雷电季节，,QF,会经常处于断开状态，沿线路的侵入波会在此处发生全反射加倍，此时,FT2,应该先动作，以防,QF,外侧对地绝缘闪络；当,QF,合闸时，,FT2,不应当动作，以防产生截波。,38,进线段降低陡度的作用,当进线段保护的长度为,l,p,时，相应的波前陡度为：,当,a,是波前陡度允许值时，所需要的进线段长度为：,两种典型计算,（,1,）给出避雷器到变压器的电气距离,l,max,，计算应有的进线保护段长度,l,p,；,（,2,）给出线路进线保护段长度,l,p,，计算,l,max,39,进线段的限流作用,通过分析可知，流过避雷器的电流为,进线段的作用,雷电过电压波从进线段以外传来，当它在流过进线段时，将因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值，同时也限制了流过避雷器的冲击电流幅值。,40,四、变电所防雷的几个具体问题,1.自耦变压器和三绕组变压器的保护,（1）在中压侧和断路器之间应装设一组避雷器FV,2,；,（2）在高压断路器的内侧也必须装一组避雷器FV,1,；,（3）在高中压绕组间装设一组避雷器FV,3,；,（4）三绕组变压器的低压侧开路运行时，在任一相的低压绕组出线端对地接一台避雷器，便可以限制静电耦合作用产生的过电压，保护三相低压绕组。,41,2.变压器中性点的保护,（1）中性点绝缘水平的分类,全绝缘,：中性点的绝缘水平与绕组首端（相线端）的绝缘水平相等（,60kV,及以下变压器）。,分级绝缘,：中性点的绝缘水平低于绕组首端（相线端）的绝缘水平（,110kV,及以上）。,（,2,）不同电压等级的中性点保护,60kV,及以下电网,，一般都是非直接接地，采用全绝缘，一般不需要保护。但在单台变压器、单路进线情况下，应安装一个与绕组首端同样电压等级的避雷器作为保护。,42,110kV,及以上的电网,一般是中性点直接接地，但部分为了继电保护要求，中性点不直接接地，属分级绝缘。,要求,：需选用与中性点绝缘等级相同的避雷器进行保护，并且避雷器的灭弧电压必须大于中性点可能出现的最大工频电压。,特点,：,中性点的绝缘水平比相电压低得多：,110kV,变压器中性点采用的是,35kV,级绝缘，,220kV,中性点采用,110kV,级绝缘，,330kV,变压器采用,154kV,级绝缘；,如果中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点加装避雷器，宜选变压器中性点,MOA,；,如果变压器中性点全绝缘，一般不需保护。,43,3.配电变压器的保护,（1）安装位置,应该在变压器的高压侧和低压侧分别安装避雷器。,（2）安装方式,避雷器应当尽可能靠近变压器装设，其接地线应与变压器的金属外壳以及低压侧中性点共同接地，并减小接地线的长度，以减小电压降。,（3）油田配电变压器主要问题,油田,380V/1140V,配变低压侧由于接电动机、输电线路短，因此低压侧不用装避雷器,如直配电机（注水电机,6kV,）变压器低压侧需安装避雷器,44,4.GIS变电所防雷保护（全封闭SF,6,气体绝缘变电所）,GIS（全封闭组合电器）变电所是除变压器以外，其余高压电力设备及母线封闭在一个接地的金属壳内（内充0.30.4MPa压力SF,6,）。,GIS,对所用避雷器的伏秒特性、放电稳定性等技术指标要求很高，应使用保护性能优异的,MOA,；,GIS,的绝缘均为稍不均匀电场结构，因此需要防雷措施更可靠、在绝缘配合中应留有足够的裕度；,GIS,结构紧凑，设备之间距离较近，波阻抗较大，防雷措施、行波保护措施较常规变电所方便；,GIS,中的同轴母线筒的波阻抗远比架空线低，从架空线侵入的过电压波经过折射，幅值和陡度显著减小，因此进行波保护措施比常规变电所更加容易。,45,第3节 旋转电机的防雷保护,旋转电机安装于室内，可不考虑直击雷保护,旋转电机与架空线的连接：,直配线：雷击于导线或地面,经变压器与线路相连：雷击经线路、变压器传给电机或雷击附近地面,主要内容：,旋转电机防雷的特点,直配电机防雷保护措施及接线,非直配电机的防雷保护,46,一、旋转电机防雷的特点,1,.旋转电机防雷的主要困难是冲击绝缘水平很低，在同一电压等级的电气设备中冲击电气强度最低。,电机绕组采用的是固体绝缘，而不是像变压器的组合绝缘；,电机的运行条件恶劣，老化较快；,绝缘结构的电场较均匀，冲击系数接近,1,。,2,.,采用磁吹避雷器（,FCD,）作旋转电机的主保护元件，残压（,3kA,）较电机出厂冲击耐压值低,8%,10%,，,MOA,低,25%,35%,。,3,.,若发电机绕组中性点接地，应将侵入波陡度,a,限制在,5kV/us,以下；若发电机绕组中性点不接地，应将侵入波陡度,a,限制在,2kV/us,以下；中性点过电压将不超过相端电压，中性点绝缘不会受到损坏。,47,二、直配电机防雷保护措施及接线,1.直配电机的雷电过电压种类,与电机相连的架空线上的感应过电压；,雷直击于与电机相连的架空线而侵入的过电压。,2.,感应雷过电压的防护措施,增加导线对地电容,可以降低感应过电压。为了限制在电机上的感应过电压使之低于电机的冲击绝缘水平，可在发电机母线上装设电容器。,3.,直击雷过电压的防护措施,（,1,）主保护元件,FCD,或,MOA,在每组发电机母线处装设一组,FCD,避雷器或,MOA,避雷器，以限制侵入波幅值，为主要保护元件。,48,（2）进线段保护（降低侵入波陡度和幅值）,在发电机电压母线装设一组电容器限制侵入波陡度,a,和降低感应雷过电压（每相,0.25,0.5uF,，满足,a2kV/us,）；,在直配电机与架空线间插接电缆段与管式避雷器,FT1,和,FT2,保证,FV2,的限流小于,3kA,。,电抗器,L,限制侵入波陡度和减小流过,FV2,的冲击电流，,FV1,保护电抗器,L,和,B,处电缆头的绝缘。,避雷线组成的进线段不能用来保护直配电机，因为直配线路绝缘水平很低，架设避雷线易发生反击。,49,（3）电缆段和管式避雷器联合作用,侵入波使FT2动作电缆芯和外皮短接使其具有相同的对地电压外皮与线芯之间具有互感外皮通过电流线芯上会产生反电动势阻止沿线芯流向电机的电流降低流过FV2的电流,（4）避免FT2不动作的措施,在,FT2,与电缆之间串入一组,100,300uH,的电感，利用电感对电压的反射使,FT2,动作；,将,FT2,前移,70m,（相当上述电感）或者增加,FT1,，发挥电缆段的作用。,50,（4）直配电机具有限流作用的其余两种保护接线,a：在断路器前安装电抗器，产生电压正反射提高线路侧电压，从而使FV1易于动作，限制侵入波的幅值；,b：利用450600m架空进线段电感代替集中L的保护接线，线路使用独立避雷针保护，FT1与FT2的作用都是为了将雷电流大部分引入地中，防止FCD电流超过3kA。,注意,：60MW以上发电机不能以直配电机方式运行。,51,三、非直配电机的防雷保护,1.一般非直配电机,过电压由变压器传递保护变压器是重点,2.多雷地区经升压变压器送电的大型发电机,发电机应装设一组,MOA,或,FCD,并联电容,C,发电机中性点加装避雷器,52,53,54,