第十章發(fā)電廠和變電所的防雷保護§10-1發(fā)電廠、變電所的直擊雷保護§10-2變電所內閥型避雷器的保護作用§10-3變電所的進線段保護§10-4三相繞組變壓器和自耦變壓器的防雷保護§10-5變壓器中性點保護§10-6旋轉電機的防雷保護發(fā)電廠、變電所雷害來源：引言1.雷直擊發(fā)電廠和變電站的避雷針后，強大的雷電流1）在設備上產生感應過電壓2）避雷針電位升高對設備反擊3）產生跨步電壓和接觸電壓2.雷擊線路后導線上形成雷電波侵入發(fā)電廠和變電站發(fā)電廠、變電所過電壓防護的主要措施：直擊雷侵入波避雷針、避雷線保護范圍防止反擊避雷器的保護作用與范圍進線端保護降低來波陡度減小通過避雷器的電流幅值1.獨立避雷針對于35KV及以下的配電裝置，由于絕緣水平較低，為了避免反擊的危險，應架設獨立避雷針，其接地裝置與主接地網(wǎng)分開埋設。在避雷針h高度處和避雷針的接地裝置上，將出現(xiàn)高電位uk和ud。此時有：避雷針等值電感流經(jīng)避雷針的雷電流平均上升速度流經(jīng)避雷針的雷電流避雷針的沖擊接地電阻取雷電流的幅值為100KA，雷電流的平均上升速度為38.5KA/μs，避雷針電感為1.55μH/m，則可得：上兩式表明，避雷針和接地裝置上的電位uk和ud與沖擊接地電阻Rch有關，Rch越小，則uk和ud越低。為了防止避雷針與被保護設備或構架之間的空氣間隙Sk被擊穿而造成反擊事故，必須要求Sk大于一定距離，若取空氣的平均抗電強度為500KV/m，則Sk應滿足：同樣，為了防止避雷針接地裝置與被保護設備接地裝置之間在土壤中的間隙Sd被擊穿，必須要求Sd大于一定距離，若取土壤的平均抗電強度為300KV/m，則Sd應滿足：

◆在一般情況下，Sk不應小于5m，Sd不應小于3m?！敉寥离娮杪蚀笥?00Ωm時，需獨立架設避雷針。◆在變壓器的門型構架上，一般也不允許架設避雷針（線）。二、對避雷線安裝位置的要求1.為了防止反擊，避雷線與配電裝置帶電部分、發(fā)電廠和變電所電氣設備接地部分以及構架接地部分間的空氣距離，應符合下列要求：對一端絕緣另一端接地的避雷線對兩端接地的避雷線通常不宜小于5m。2.避雷線的接地裝置與發(fā)電廠變電站接地網(wǎng)間的地中距離，應符合：通常不宜小于3m。由圖可知：避雷器電壓有兩個峰值Uch和Ubm，Uch是避雷器沖擊放電電壓，由于閥型避雷器的伏秒特性uf很平，故此值基本上不隨侵入波陡度而變；

Ubm為避雷器殘壓的最大值，雖然殘壓與雷電流的大小有關，但因閥片的非線性特性，當流過的雷電流在很大范圍內變動時，其殘壓近乎不變。在具有正常防雷接線的110~220KV變電所中，流經(jīng)避雷器的雷電流一般不超過5KA（對330KV為10KA），故殘壓的最大值取為5KA下的數(shù)值；在一般情況下，避雷器的沖擊放電電壓與5KA的殘壓基本相同，則在分析中可以將避雷器上的電壓ub近似地視為一斜角平頂波，其幅值為5KA時的殘壓Ub.5，波頭時間（即避雷器放電時間）則取決于入侵波的陡度。若入侵波為斜角波，即u=αt，則避雷器的作用相當于在避雷器放電時刻tp在避雷器安裝處產生一負電壓波-α（t-tp）。由于避雷器直接接在變壓器旁，故變壓器上的過電壓波形與避雷器上電壓相同，若變壓器的沖擊耐壓大于避雷器的沖擊放電電壓和5KA下的殘壓，則變壓器將得到可靠的保護。變壓器上電壓的最大值UT為：上兩式表明，不論設備位于避雷器前或避雷器后，只要設備離避雷器有一段距離，則設備上所受沖擊電壓的最大值必然要高于避雷器殘壓Ub.5。所以，當雷電波入侵變電所時，變電所設備上所受沖擊電壓的最大值US可表示為：設備與避雷器之間的距離若考慮各設備對地電容的存在以及變電所具體接線的復雜性，可引入對地電容影響系數(shù)，則：從左圖可以看出，變壓器上的電壓具有振蕩性質，其軸為避雷器殘壓。對變壓器絕緣的作用與截波的作用較為接近，因此常以變壓器絕緣承受截波的能力來說明在運行中該變壓器承受雷電波的能力。變壓器承受截波的能力稱為多次截波耐壓值Uj，根據(jù)實踐經(jīng)驗，該值為變壓器三次截波沖擊試驗電壓的1/1.15倍，即：為了保證設備安全運行，必須滿足：1）必須限制避雷器的殘壓，也就是說對流過避雷器的雷電流必須加以限制使之不大于5KA或10KA；2）限制入侵波的陡度α；3）盡量縮短避雷器與被保護設備間的電氣距離。由上式可見，為了保證變壓器和其他設備的安全，需采取如下措施：說明：1）因變電所中其他設備的沖擊耐壓值比變壓器高，所以其他設備的最大允許電氣安全距離可以比上兩圖中的值相應增加35%。2）二路進線的變電所，其最大允許電氣距離比一路進線時大。原因是一路來波時，另一路將分流部分雷電流。3）規(guī)程建議，三路進線變電所的最大電氣允許距離比二路時增大20%；四路及以上進線可增大35%。變電所的防雷性能通常用危險波曲線來說明。危險波曲線取得的方法為：1）在某一運行方式下，固定入侵波幅值，改變入侵波陡度直至變電所內某一設備上的過電壓達到其沖擊耐壓值為止，記錄該入侵波幅值及其相應的陡度作為危險曲線上的一點。2）改變入侵波幅值，重復上述過程。入侵波幅值和陡度位于區(qū)域Ⅰ，則變電所出現(xiàn)雷害事故；位于Ⅱ區(qū)，則無雷害事故。危險波形越偏上或偏右，則運行方式下的防雷性能越好。三、變電所避雷器保護配置1.配電裝置的每組母線上應裝設避雷器，但進出線都裝有避雷器的除外。2.旁路母線是否裝設避雷器視其運行時避雷器到被保護設備的電氣距離是否滿足要求而定。3.330KV及以上變壓器和并聯(lián)電抗器處必須裝設避雷器，避雷器應盡可能靠近設備本體。4.220KV及以下變壓器到避雷器之間的電氣距離超過允許值時，應在變壓器附近增設一組避雷器。5.三繞組變壓器到低壓側的一相上宜裝設一臺避雷器。侵入波經(jīng)過在進線段上傳播時，由于沖擊電暈陡度會降低，進線段的波阻抗也起著限制流過避雷器的雷電流的作用。進線段作用：1）限制雷電流；2）降低侵入波陡度。變電所內設備距避雷器的最大允許電氣距離lm就是根據(jù)進線段以外落雷的條件下求得的，這樣就可以保證進線段以外落雷時變電所不會發(fā)生事故。一、35KV及以上變電所的進線端保護未沿全線架設避雷線的35~110KV線路的變電所的進線保護接線全線架設避雷線的35~110KV線路的變電所的進線保護接線1.進線段首端（A點）落雷時流經(jīng)避雷器電流的計算最不利的情況是進線段首端落雷，由于受線路絕緣放電電壓的限制，入侵雷電波的最大幅值為線路絕緣的50%沖擊閃絡電壓U50%。則流經(jīng)避雷器雷電流的最大值Ib滿足：進線段導線波阻避雷器的殘壓最大值從P288表10-3-2可知，1~2Km的進線端已能夠滿足限制避雷器中雷電流不超過5KA或10KA的要求。2.進入變電所的雷電流波陡度α的計算進線段導線懸掛平均高度（m）進線段長度（m）行波電壓（KV）則計算用陡度值為：見P289表10-3-3根據(jù)計算陡度值，就可由P287圖10-2-7和圖10-2-8查出變壓器或其他設備到FZ型避雷器的最大允許電氣距離lm?！窆苄捅芾灼鱂3裝設原則：沖擊絕緣水平特別高的線路，如瓷木橫擔或降壓運行的線路，限制侵入波幅值用?！窆苄捅芾灼鱂2裝設原則：雷雨季節(jié)常有斷路器斷開，而線路側又在帶電的情況下，防止來波在開路的線路末端全反射造成閃絡，工頻短路電流燒壞斷路器或隔離開關的絕緣支座，所以必須在靠近隔離開關或斷路器處裝設一組管型避雷器F2；在斷路器閉合運行時，入侵雷電波不應使F2動作，也即此時F2應在變電所閥型避雷器F1保護范圍內，如F2在斷路器閉合運行時入侵波使之放電則將造成截波，可能危及變壓器縱絕緣。若缺乏合適參數(shù)的管型避雷器，則F2也可用閥型避雷器或保護間隙來代替。二、35KV小容量變電所的簡化進線端保護變電所面積小，避雷器與變壓器距離一般在10m以內。3150~5000KVA、35KV變電所的簡化保護接線

對35~110KV變電所，如進線段裝設避雷線有困難或進線段桿塔接地電阻難于下降，不能達到要求的耐雷水平時，可在進線的終端桿上安裝一組1000μH左右的電抗器來代替進線段。此電抗器既能限制流過避雷器的雷電流又能限制入侵波陡度?！?0-4三繞組變壓器和自耦變壓器的防雷保護一、三繞組變壓器的防雷保護

措施：只要在任一相低壓繞組直接出口處對地加裝一個避雷器即可。

原因：三繞組變壓器在正常運行時，可能存在只有高、中壓繞組工作，低壓繞組開路的情況，此時，在高壓或中壓側有雷電波作用時，由于低壓繞組對地電容較小，開路的低壓繞組三相上的靜電感應分量都達到很高的數(shù)值，將危及絕緣。中壓繞組雖也可能斷開，但其絕緣水平較高，一般不裝。二、自耦變壓器的防雷保護自耦變壓器一般除有高、中壓自耦繞組外，還有低壓非自耦繞組，可能出現(xiàn)高低壓繞組運行、中壓繞組開路和中低壓繞組運行、高壓開路的運行方式。高壓端A進波1.高低壓繞組運行、中壓繞組開路中壓端子上出現(xiàn)的最大電位高壓側與中壓側繞組的變比高壓端電壓

保護措施：在中壓側與斷路器之間裝設一組避雷器，以便當中壓側斷路器開路時保護中壓側絕緣。2.高壓繞組開路、中低壓繞組運行中壓端A’進波由中壓端A’到開路的高壓端A的穩(wěn)態(tài)分布是由中壓端A’到中性點O的穩(wěn)態(tài)分布的電磁感應而形成的，高壓端A點的穩(wěn)態(tài)電壓為：在振蕩過程中A點的電位可達：，危及開路的高壓側絕緣。

保護措施：在高壓側與斷路器之間裝設一組避雷器，以便當高壓側斷路器開路時保護高壓側絕緣。一般避雷器配置自耦避雷器配置此外，當中壓側有出線（相當于A’點經(jīng)線路波阻抗接地）而高壓側有雷電流入侵時，A’相當于接地，雷電流電壓將加在自耦變壓器繞組的AA’繞組上，可能使其損壞。同理，當高壓側連有出線而中壓側進波時也有類似情況。這種情況顯然在AA’繞組越短時約危險，因此當變比小于1.25時，在AA’之間還應裝加一組避雷器（F3），此避雷器的滅弧電壓應大于高壓或中壓側接地短路條件下，AA’所出現(xiàn)的最高工頻電壓，也可采用“自耦”避雷器保護方式?！?0-5變壓器中性點保護對變壓器繞組，當三相來波時，在變壓器中性點的電位理論上會達到繞組首端電壓的兩倍，因此需要考慮變壓器中性點的保護問題?！駥χ行渣c不接地或經(jīng)消弧線圈接地的35~60KV系統(tǒng)的變壓器中性點一般不需保護。原因：1）變壓器中性點的絕緣水平與相線端一樣，即全絕緣，大多數(shù)來波自線路較遠處襲來，其陡度很?。?）變電所進線不止一條，非雷擊線起了分流作用；3）變壓器絕緣有一定的裕度?！駥χ行渣c接地的110KV且為單進線的變電所，則宜在中性點上加裝避雷器，避雷器的額定電壓可按線電壓或相電壓選擇?！駥χ行渣c不接地且變壓器采用分級絕緣的變壓器，則宜在中性點上加裝避雷器或間隙保護之。中性點閥型避雷器應滿足的條件：1）其沖擊放電電壓應低于變壓器中性點的沖擊耐壓；2）其滅弧電壓應大于電網(wǎng)單相接地而引起的中性點電位升高的穩(wěn)態(tài)值U0。相電壓在中性點直接接地電網(wǎng)中一般不超過3，因此U0的極限值將為0.6Uxg對于中性點間隙保護來說，除了應滿足其沖擊放電電壓應低于變壓器中性點的沖擊耐壓這個條件外，尚需滿足間隙的放電電壓大于其電網(wǎng)接地而引起的中性點電位升高的暫態(tài)最大值，以免間隙動作而造成繼電保護誤動作。對110KV分級絕緣變壓器中性點來說，如選用FZ-35或FCZ-35，則其滅弧電壓低于電網(wǎng)單相接地時中性點的電位升高穩(wěn)態(tài)值，因此一般不可采用，應考慮選用FZ-40。對220KV和330KV分級絕緣變壓器來說，則分別選用FZ-110J和FZ-145J型避雷器即可。在斷路器非全相合閘時，在變壓器中性點上將出現(xiàn)很高的過電壓，避雷器不能限制這種內部過電壓，我國曾出現(xiàn)過多起該情況下的避雷器爆炸事故，一般可選用下列方法解決之。1）提高斷路器質量，保證三相同期合閘；2）開斷或接入變壓器時先將變壓器中性點直接接地，待操作完畢后再將中性點拉開；3）中性點采用間隙保護。根據(jù)實踐經(jīng)驗，220KV變壓器中性點可采用340mm的棒間隙保護，其運行情況良好。§10-6旋轉電機的防雷保護●直配電機：直接與架空線相連的旋轉電機（包括發(fā)電機、同期調相機、大型電動機）●旋轉電機的防雷保護范圍：包括電機主絕緣、匝間絕緣和中性點絕緣的保護●旋轉電機防雷保護的特點：1）在相同電壓等級的電氣設備中，旋轉電機的絕緣水平式最低的。①電機主絕緣的沖擊系數(shù)接近于1。②旋轉電機出廠沖擊耐壓值僅為變壓器的1/2.5~1/4倍左右，且在運行過程中，電機的絕緣會老化，因此運行中電機主絕緣的實際沖擊耐壓值會更低。2）保護旋轉電機用的FCD型避雷器的保護性能與電機絕緣水平的配合裕度很小。從表10-6-1可知，電機出廠沖擊耐壓值只比避雷器殘壓高8%~10%左右。旋轉電機的防雷保護要根據(jù)發(fā)電機的容量、重要性以及當?shù)乩纂娀顒拥那闆r，因地制宜地處理。考慮到對直配電機的防雷保護還不能達到十分完善的地步，故我國規(guī)定60000KW以上的發(fā)電機不宜與架空線直接相連。一、發(fā)電機中性點過電壓保護：試驗表明，當入侵波陡度降低時，中性點過電壓也隨之減小，當入侵波陡度降至2KV/μs以下時，中性點過電壓將不超過相端過電壓。二、直配電機的大氣過電壓保護：1.感應雷過電壓保護：只需在發(fā)電機母線上裝設電容器即可。2.直擊雷過電壓保護：1）在每臺發(fā)電機出線母線處裝設一組FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，同時采取進線保護措施以限制流經(jīng)FCD型避雷器中的雷電流使之小于3KA。2）在發(fā)電機電壓母線上裝設電容器，以限制入侵波陡度α和降低感應過電壓。電機母線上裝設電容C以限制來波陡度原理接線圖等值電路Zg—發(fā)電機波阻抗計算結果表明，每相電容為0.25~0.5μF時，能夠滿足α＜2KV/μs的要求，同時也能滿足限制感應過電壓使之低于電機沖擊耐壓強度的要求。有電纜段的進線保護原理接線當雷電波入侵時，管型避雷器F2動作，電纜芯線與外皮短接在一起，雷電流流過F2和接地電阻R1所形成的電壓iR1同時作用在外皮和芯線上，沿著外皮有電流i2流向電機側，于是在電纜外皮本身電感L2上將出現(xiàn)電壓降3）進線段保護此壓降使由環(huán)繞外皮的磁力線變化所造成的，這些磁力線必然全部與芯線相匝鏈，結果在芯線上也感應出一個大小相等的反電動勢來，此電動勢阻止雷電流從A點沿芯線向電機側流動，也限制了流經(jīng)F1的雷電流。若與iR1完全相等，則在芯線中就不會有電流流過，但因電纜外皮末端的接地引下線總有電感L3存在（假定電廠接地網(wǎng)的接地電阻很小，可略去），則iR1與之間就有差值，差值越大，則流經(jīng)芯線的電流就越大。計算表明，當電纜長度為100m，電纜末端外皮接地引下線到接地網(wǎng)的距離為12m、R1=5Ω，電纜段首端落雷且雷電流幅值為50KA時，流經(jīng)每相FCD的雷電流不會超過3KA，即此保護接線的耐雷水平為50KA。由上可知，此種進線保護段的限流作用完全依靠F2動作，但因電纜的波阻抗遠比架空線小，入侵波到達A點時將發(fā)生負發(fā)射，使A點電壓降低，故F2的動作是有困難的。所以可將F2沿架空線前移70m（圖中F3位置），或在電纜首端A點與F2間加裝一100~300μH的電感。F2的接地端應通過連接線與電纜首端外皮的接地裝置相連而接地，連接線懸掛在桿塔下面2-3m處，其目的是為了增加兩線間的耦合，增加導線上感應電動勢以限制流經(jīng)導線中的電流。當雷電波入侵時，電纜首端A點的負反