变电所防雷保护论文.docx

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变电所防雷保护论文

高电压论文

题目：

变电所防雷保护

摘要

变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所，它担负着从电力系统送电，经过变压，然后配电的任务。

显然，变电所是供电系统的枢纽，在供电系统中占有重要的地位。

正因为变电所在电力系统的重要性，保证变电所的安全可靠运行的工作就显得十分重要。

雷电防护问题是变电所不安全因素之一，如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电。

给社会生产和人民生活带来不便，所以变电所成为电力系统中防雷的重要保护部位。

为了保证变电所的安全运行就要求防雷措施必须十分可靠。

变电所要做到达到防雷标准的合格，必须对变电所的各个部分进行防雷保护。

其中包括变电所的直击雷防护、变电所对感应雷的防护、变电所的进线防雷、变压器及其他配电设备的雷电防护、变电所的整体防雷接地。

只有做好各个部分的防雷措施才能保证变电所安全运行。

关键词：

变电所；防雷；变压器；接地

1电站的直击雷保护设计

1.1避雷针（线）的保护X围

避雷针（线）的保护原理是，当雷云放电接近地面时它便地面电场发生畸变，茬避雷针（线）的顶端，形成局部电场强度集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。

虽然避雷针（线）的高度比较高（必须高于被保护物体，一般为20m～30m），但在雷云—大地这个高达几公里，方圆几十公里的大电场内的影响却是很有限的。

雷云在高空随机飘移，先导放电的开始阶段随机地胞任意方向发展，不受地面物体的影响，如图1-l（a）所示。

当先导放电向地面发展到某一高度H以后，才会在一定X围内受到避雷针（线）的影响（图1-1（b）），对避雷针（线）放电。

H称为定向高度，与避雷针的高度h有关。

据模拟试验，当h≤30m时，H≈20h；当h>30m时，H≈600m。

图1-1接地物体对雷电先导发展的影响

避雷针（线）的保护X围是指被保护物体在此空间X围内不致遭受雷击。

我国标准使用的避雷针（线）保护X围的计算方法，是根据雷电冲击小电流下的模拟试验研究确定的，并以多年运行经验作了校验。

试验不考虑电流具体数值的影响；保护X围是按保护概率99.9%（即屏蔽失效率或绕击率0.1%）确定的。

也就是说，保护X围不是绝对保险的，而是相对于某一保护概率而言。

1.1.1避雷针的保护X围

单根避雷针的保护X围如图1-2。

设避雷针的高度为h（m），被保护物体的高度为hx（m）,则避雷针的有效高度ha=h—hx，在hx高度上避雷针保护X围的半径rx,（m）由以下公式计算:

当hx≥时

rx=（h-hx）p=hap（1-1）

当hx<时

rx=（1.5h-2hx）p（1-2）

式中p是考虑避雷针高度影响的校正系数，称为高度影响系数。

当h≤30m时，p=1;当30m

;h>120m时，按120m计算。

式（1-1）和式（1-2）可由几何图表示（图1-2）。

从避雷针顶点何下作45°斜线，此斜线旋转而成的锥体，构成

≥

时的保护X围。

从地平面距避雷针1.5h处向避雷针0.75h高处作连线，此连线旋转成的锥体，构成

时的保护X围。

工程上多采用两根或多根避雷针以扩大保护X围，两根避雷针的保护X围如图1-3所示，可按下述步骤计算。

两针外侧的保护X围按单针的方法确定。

两针之间的保护X围由通过1、0、2三点的圆弧画出，0点的高度

按下式计算：

（1-3）

式中D为两针之间的距离，p为校正系数，意义同前。

在0-0'截面上高度为

式中D为两针之间的距离，p为校正系数，意义同前。

在0-0'截面上高度为。

为了达到联合保护的效果，两针之间的距离与针高之比D/h仍不宜大于5。

图1-2单根避雷针的保护X围

如果遇到两根避雷针不等高的情况，其保护X围可按图1-5确定。

两针外侧的保护X围仍按单针方法求出。

两针之间的保护X围按以下步骤确定，首先作出高针1的保护X围，然后由低针2作水平线得到交点3，再设3为一假想避雷针的顶点，按双根等高避雷针的方法，求出2～3之间的保护X围。

图1-3两根等高避雷针的保护X围

由于发电厂或变电站的面积较大、实际上都采用多根避雷针保护。

图1-6和图1-7分别表示三根和四根等高避雷针的保护X围。

对于三根避雷针，其外侧的保护X围分别按两根避雷针的方法确定，其内侧根据被保护物体的高度hx，分别计算备相邻两针之间的保护X围，如果内侧的最小宽度都满足bx≥0，就认为整个三角形1-2-3的面积都得到了保护。

图1-4两等高（h）避雷针间保护X围的一侧最小宽度（bx）与D/hap的关系

图1-5两根不等高避雷针的保护X围

四根以上多根避雷针的保护X围，可分割成为两组以上的三根避雷针组，然后分别按三针的方法计算（见图1-7）

图1-6三根避雷针的保护X围图1-7四根避雷针的保护X围

被保护物体可能有多种，其高度各不相同。

应注意的是针对哪一种保护高度而得的保护X围，以便便所设计的避雷针能起到全面的保护作用。

实际工程间题大多是己知被保护物体的高度、宽度和位置，例如一个户外变电站，求确定避雷针的根数、位置和高度。

这还需要考虑避雷针与被保护物体的允许距离，提出多种设计方案，经过反复试算得出最优方案。

1.1.2避雷线的保护X围

避雷线（即架空地线）的保护原理与避雷针基本相同，但因其对雷云与大地间电场轻便畸变的影响比避雷针小，所以其引雷作用和保护宽度比避雷针要小。

避雷线主要用来保护输电线路，也可用来保护发电厂和变电站。

近年来许多国家都转而采用避雷线保护500kV大型超高压变电站。

避雷线保护X围的计算，与避雷针基本相同。

单根避雷线的保护X围见图1-8（h≤30m时，θ=25°）可按下式计算:

当

≥h/2时

（1-4）

当

（1-5）

式中长度单位均为米，各符号意义同前。

两根避雷线的保护X围见图1-8（a）。

避雷线端部外侧的保护X围与单根时相同。

两避雷线之间的保护X围，可通过1、0、2的圆弧确定。

0点的高度hx。

按下式计算:

=

（1-6）

式中D为两避雷线间的距离，单位为m。

图1-8两根等高避雷线的保护X围

用避雷线保护输电线路时，常用保护角来表示避雷线对导线的保护程度。

保护角是指避雷线和外侧导线的连线与垂线之间的夹角，如图1-8（b）中的角α。

高压输电线路的设计，保护角一般取20°～30°即可认为导线已处于避雷线的保护X围之内。

220kV～330kV双避雷线线路，一般采用20°左右，500kV般不大于15°;山区宜采用较小的保护角。

杆塔上两根避雷线的距离不应超过导线与避雷线垂直距离的5倍。

1.2站的直击雷保护

为了防护发电厂和变电所的电气设备及其他构筑物遭受直接雷击，需要装设避雷针或避雷线，使被保护物体处于避雷针或避雷线的保护X围之内；同时还要求雷击避雷针或避雷线时，不应对被保护物体发生反击。

在这一节里将讨论如何防止反击的问题。

避雷针的装设可分为独立避雷针和构架避雷针两种。

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。

设避雷针在高度为h处的电位为

，接地装置上的电位为

则

（1-7）

（1-8）

式中Ri为接地装置的冲击接地电阻，；

为避雷针单位高度的等值电感,µH/m;h为高

度，m。

i为流过避雷针的雷电流，kA;

为雷电流陡度，kA/µs。

计算所得到的

、

的单位为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sa应有足够的距离。

若取空气间隙的击穿场强为Ea（kV/m）则Ea应满足下式要求，即

（1-9）

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，两者之间地中距离

也应满足下式要求，即

（1-10）

式中

为土壤的平均击穿场强，kV/m。

根据以上各式，并考虑实际运行经验,《标准》对Sa和Se提出以下要求：

Sa≥0.2R+0.1h（1-11）

Se≥0.3R（1-12）

一般情况下Sa不宜小于5m，Se不宜小于3m。

构架避雷针有造价低廉、便于布置的优点。

但因构架离电气设备较近，更应注意必须满足不发生反击的要求。

对于1l0kV及以上的配电装置，由于电气设备的绝缘水平较高，在土壤电阻率不高的地区不易发生反击，因此一般允许将避雷针装设在配电装置构架上。

但在土壤电阻率大于1000m的地区，宜装设独立避雷针。

装设避雷针的构架还应就近埋设辅助集中接地装置。

辅助接地装置与变电所接地网的连接点，离主变压器与接地网的连接点之间的电气距离不应小于15m。

这样，当雷击避雷针时，在接地装置上产生的高电位电压波，经过这段距离的传播衰减，到达变压器的接地点后，其幅值已降低到不至于对变压器造成反击。

变压器是变电所中最重要的设备，为了确保它的安全，一般不允许在变压器的门型构架上装设避雷针。

关于是否采用避雷针保护的问题，过去因为强调避雷线断线有造成母线短路的危险，所以发电厂变电所用的很少。

国内外多年运行经验表明，采用架空避雷线保护发电厂变电所，只要结构布置合理，设计参数选择止确，避雷线具有足够的截面和机械强度，同样可以得到很高的防雷可靠性。

因此近年来国内外兴建的500kV变电所有大多数采用避雷线保护的趋势。

采用架空避雷线保护，基本上有两种布置形式。

一种形式是避雷线一端经配电装置构架接地，另一端经绝缘子串与厂房建筑物绝缘。

当有两根及以上一端绝缘的避雷线并行架设时，为降低雷击时的过电压，有时还将所有避雷线的绝缘端连接起来，形成一个封闭的架空接地网。

另一种形式是避雷线两端都接地，例如将变电所进线的架空避雷线延伸至变电所内，通过构架接地并形成一个架空地网。

和避雷针保护一样，保证避雷线保护可靠性的关键仍然是正确计算雷击时在避雷线上和接地装置上产生的过电压，据此选择校验避雷线与被保护设备之间的空气间隙距离Sa，避雷线接地装置与被保护设备接地装置之间的地中距离Se，以及避雷线绝缘端的绝缘子串片数。

当避雷线一端绝缘时，雷击绝缘子串近旁的避雷线开路端c的过电压最高。

该点的过电压

可按下式计算：

=

+

（h+

）

（1-13）

式中

为避雷线和接地构架单位长度的平均电感,µH/m;

为雷击点至构架的距离,m;其他符号同前。

避雷线两端接地时，雷击校验点c的过电压计算如下:

=

+

（h+

）

=

（1-14）

式中i为总的雷电流；i1为流向构架1的雷电流；h1和

分别为构架1的高度和冲击接地电阻;

为雷击点离构架1的距离;β′为避雷线的分流系数:

β′=i1/i，可根据电路的基尔霍夫定律推导得到。

当忽略接地电阻对β′的影响，并设两侧构架高度相同（为h）时

（1-15）

和避雷针保护类似，根据式（1-7）、（1-8），《标准》对避雷线与被保护设备之间的空气间隙距离Sa避雷线接地装置与被保护设备接地装置之间的地中距离Se提出以下要求:

当避雷线一端绝缘时

（1-16）

当避雷线两端接地时

（1-17）

（1-18）

此外，对避雷针和避雷线还要求Sa不宜小于5m，Se不宜小于3m。

避雷线一端绝缘时的绝缘子串片数，按雷击绝缘子串近旁避雷线不致使绝缘子串闪络的条件选择。

当避雷线根数较多形成比较复杂的架空接地网时，避雷线及接地构架分流系数的计算十分繁琐，上述各式难于实用。

如有必要，宜用电子计算机数值计算方法，计算避雷线和接地网各点的过电压，以校验安全距离Sa、Se等。

避雷针或避雷线接地装置的工频接地电阻一般不宜大于10

（以工频接地电阻值为标准便于现场检查）。

接地电阻过大，将增大Sa、Se和避雷针（线）构架高度，经济上不合理。

关于线路终端杆塔上的避雷线能否与变电所构架相连，也按是否发生反击的原则处理。

一般情况下，110kV及以上的变电所允许相连，35kV及以下不允许。

土壤电阻率特高或特低的地区，可参照《标准》有关规定决定。

2变电站的感应雷保护设计

2.1避雷器的基本类型和结构

避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的一种电气设备。

避雷器的保护原理与避雷针不同。

它实质上是一种放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发展，从而保护了其他电气设备免遭击穿损坏。

目前使用的避雷器有以下四种类型:

①保护间隙；②排气式避雷器；③阀型避雷器；④氧化锌避雷器。

避雷器的保护作用原理是保护间隙。

当雷电压侵入波超过保护间隙的击穿强度时，间隙被击穿，限制了侵入电气设备的过电压幅值。

侵入波过去以后，间隙的绝缘强度应能自行恢复，以使电气设备能够继续运行。

2.2对避雷器的基本要求

为便避雷器能够达到预期的保护效果，必须满足下述基本要求。

①具有良好的伏秒特性，以易于实现合理酌绝缘配合。

电气设备的冲击绝缘强度都由伏秒特性（曲线）表示。

避雷器与被保护电气设备的秒特性之间应有合理的配合，才能发挥保护作用。

避雷器的伏秒特性有一大部分（t≤t1）高于电气设备的伏秒特性。

在冲击电压特别是陡波（波头f

虽然避雷器的伏秒特性整个低于电气设备的伏秒特性，在冲击电压作用下可以起到保护作用。

但是由于其伏秒特性过低，甚至低于电气设备上可能出现的最高工频电压，这样就会使避雷器发生误动作，因而也无法起到应有的保护作用。

由此可见，在绝缘强度的配合中对避雷器伏秒特性的要求不仅要位置低，而且要形状平直。

比较平直的伏秒特性要比陡峭的伏秒特性更易于实现合理的绝缘配合。

工程上通常用冲击系数来反映伏秒特性的形状。

冲击系数是指冲击放电电压与工频放电电压之比值。

其比值愈小，伏秒特性愈平缓。

因此，避雷器的冲击系数愈小，保护性能愈好。

由于放电过程的分散性，伏秒特性曲线实际上是一条带状面积。

就其一条确定的伏秒特性来说，它还具有由放电分散性决定的上、下限。

因此，避雷器与电气设备的伏秒特性配合，还应考虑这一因素。

避雷器伏秒特性的上限不应高于电气设备伏秒特性的下限。

②应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，便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，使电力系统能够继续正常工作。

一般要求工频续流在第一次经过零值时即应切断。

这就要求该时刻避雷器间隙绝缘强度的恢复程度高于避雷器上恢复电压的增长程度，t0是工频续流过零的时刻，当间隙绝缘强度的恢复程度低于恢复电压时，间隙将会在t1时刻重新击穿，使电弧重燃。

恢复电压是以工频电压为基础的高频振荡，其频率及幅值与系统条件以及避雷器支路阻抗等因素有关。

为了统一说明比较，我们把工频续流第一次过零后间隙所能承受的不致引起电弧重燃的最大工频电压称为避雷器的灭弧电压。

灭弧电压愈高，避雷器性能愈好。

2.3变电所的侵入波过电压防护

装设避雷器是变电所限制雷电侵入波过电压的主要措施。

要使变电所内的电气设备得到有效的保护，必须正确选择避雷器的型式、参数，合理确定保护接线方式如避雷器的台数、装设位置等。

关于避雷器的基本类型、结构和工作原理在第1章中已作过介绍，本节主要就其保护动作过程、对被保护设备过电压的影响，以及保护接线方式等作进一步讨论。

2.3.1避雷器的保护动作过程分析

首先分析阀型避雷器直接装设在变压器端的简单接线。

设在A点接有变压器和避雷器，雷电侵入波u（t）沿线路袭来，通过A点后向无穷远处传去，线路波阻抗为Z。

为简化分析，暂时忽略变压器人口电容，并假定避雷器的伏秒特性Us（t）和伏安特性Us=f（ia）为已知。

这样就得到避雷器动作前后的等值电路。

避雷器动作前A点电压Ua（t）与侵入波u（t）相同。

避雷器放电以后的等值电路，此时相当于在A点并接人一非线性电阻支路。

电压UA可由下列联立方程求出:

即

（2-1）

（2-2）这是一个非线性方程组，Z是已知的线路波阻抗，当u（t）、uaf（ia）给定时可用图解法求解如下。

如图2-1，纵坐标取电压u横坐标分别取时间t和电流i。

在u-t坐标平面内，当侵入波u（t）与伏秒特性Us（t）相交于Ud时避雷器开始放电，放电时间为td。

在u-i坐标平面内，由（2-1），（2-2）可知，它必须与u（t）相等。

因此就可以根据给定的u（t）波形，逐点求出避雷器上的电压（t），这也就是变压器上的电压。

图2-1避雷器电压的图解法

由图2-1可见，避雷器上的电压波形UA（t）在放电前决定于侵入波u（t）;在放电时有千个负的电压跃变，然后再随着u（t）的继续上升而增长。

因此电压UA（t）具有两个峰值。

一个是放电电压

它决定于避雷器的伏秒特性。

另一个是避雷器的残压最高值

在避雷器伏安特性已定的情况下，它与通过避雷器的电流的大小有关，但由于阀片的非线性，电流在很大X围内变动时残压变化很小。

实际上避雷器产品的全波冲击放电电压值与额定放电电流下的残压值很接近。

因此,为简化分析，以往常常将避雷器上的电压波形UA（t），近似假定为一个具有斜角波头的平顶波。

它的波头陡度与侵入波陡度有关（在波头部分避雷器尚未动作），幅值等于避雷器的残压，而波头长度即等于避雷器的放电时间td。

这下波形还常用两个斜角波的叠加来表示。

应当指出，上述关于避雷器电压波形简化为斜角平顶波的假设是理想化时，与实际情况常有较大的出人。

例如它忽略了由实际保护接线和避雷器伏秒特性、伏安特性决定的实际放电电压与额定冲击放电电压，避雷器端电压与残压之间的差别，忽略了避雷器放电时负的电压跃变对被保护设备上的过电压的影响等。

因此，由此分析得出的结论，在定性解释保护原理上具有一定的意义，而在定量计算上存在很大的局限性。

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