现代防雷技术PPT课件第五章发电厂变电所防雷保护.ppt

第五章、发电厂、变电所防雷保护 发电厂和变电所是电力系统的枢纽，一旦发生雷害事故，停电的影响面很大，且由于发电机、变压器等主要电气设备的内绝缘击穿后大多没有自恢复功能，使得停电时间比较长。因此，发电厂和变电所的防雷保护必须十分可靠。发电厂、变电所遭受的雷害可能来自两个方面：一是直击于发电厂、变电所的电气设备上；二是架空线路的感应雷过电压或直击雷过电压形成的雷电波侵入发电厂、变电所（也称侵入波）。由于线路落雷频繁，因此后者是发电厂、变电所遭受雷害的主要原因。发电厂和变电所对于直击雷的保护一般采取装设避雷针的方法解决，对于入侵波的保护采取装设避雷器的方法解决。入侵波是导致发电厂、变电所雷害的主要原因。入侵波虽然受到线路绝缘的限制，但由于线路的绝缘水平高于发电厂、变电所的绝缘水平，若不采取措施，势必造成发电厂、变电所绝缘设备的损坏，引发事故。发电厂、变电所装设避雷器的目的在于限制入侵雷电波的幅值，使电气设备上的过电压不至于超过其冲击耐压值；而在发电厂、变电所的进出线上装设进线段保护的主要目的在于限制流经避雷器的雷电流幅值及入侵雷电流的陡度。,直接与架空线路相连接的旋转电机，称为直配电机。线路上的雷电波也可直接侵入直配电机。为保护电机相间、匝间和中性点绝缘，应在母线上装设电容器，以限制侵入雷电波的陡度。本章将重点讲述雷电波沿线路侵入发电厂、变电所的保护原理及其措施。第一节 发电厂、变电所的直击雷保护 对直击雷的防护一般采用避雷针和避雷线。我国的运行经验表明，凡按规程要求装设避雷针和避雷线的发电厂和变电所，绕击和反击的事故率都非常低，每年每100个变电所发生绕击或反击的次数约为0.3次，防雷效果比较好。为了防止雷直击于发电厂和变电所，应该使所有被保护物体处于避雷针或避雷线的保护范围之内；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，这里主要对此进行讨论。,5.1.1 发电厂和变电所装设避雷针的原则（1）避免雷击。所有被保护设备（如电气设备、烟囱、冷却塔，水电厂的水工建筑，易燃易爆装置等）均应处于避雷针（线）的保护范围之内，以避免遭受雷击。（2）不出现反击。当雷击避雷针时，避雷针对地面的电位可能很高，如它们与被保护电气设备之间的绝缘距离不够，就有可能在避雷针遭受雷击后，使避雷针与被保护电气设备之间发生放电现象，这种现象叫反击或叫做逆闪络。此类放电现象不但会在空气中发生，而且还会在地下接地装置间发生，一旦出现，高电位将加到电力设备上，有可能导致电力设备的绝缘损坏。5.1.2 避雷针（线）的设计计算1、避雷针与电气设备之间防雷的最小距离 对于35kV及以下的变电所，由于绝缘水平较低，为了避免反击的危险，应当架设避雷针。当独立避雷针遭受雷击时，雷电流流过避雷针和接地装置，如图5-1所示，将会出现很高的电位。设避雷针在高度h处的电位为uk，接地装置上的电位为ud，则：,（5-1）,（5-2）,图5-1 雷击独立避雷针,其中，L为h长避雷针的电感；Rch为避雷针的冲击接地电阻；iL为流经避雷针的电流。为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Sk应有足够的距离。若取空气间隙的击穿场强为Ek，则Sk应满足（5-3）为防止避雷针接地装置与被保护物体接地装置之间发生反击，两者之间的地中距离Sd也应有足够的距离。若取土壤击穿场强为Ed，则Sd应满足（5-4）雷电流的幅值为100kA，雷电流的平均上升陡度为100/2.638.5kA/s，避雷针的电感为1.55H/m，空气间隙和土壤的击穿强度分别为Ek500kV/m、Ed300 kV/m，则由上两式可得（m）（m）,按实际运行经验进行校验后，我国标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合推荐用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距Sk和地中距离Sd。Sk0.2Rch0.1h（5-5）Sd0.3 Rch（5-6）2、架空避雷线 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。为了保证空气、地下间隙不发生反击，空气中的间隙h应有足够的距离，地下接地装置之间Sd也要有一定的距离。采用架空避雷线保护，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，另一端绝缘。另一种形式是避雷线两端接地，此时Sk 和Sd对应的计算公式为：(1)一端接地、一端绝缘的避雷线（5-7）,式中：h避雷线支柱的高度，m；避雷线上检验的雷击点与接地支柱的距离，m；Rch接地装置的冲击接地电阻，。（2）两端接地的避雷线（5-8）式中，避雷线的分流系数；避雷线上校验的雷击点与最近支柱间的距离，m；避雷线两支柱间的距离，m；避雷线上校验的雷击点与另一端支柱间的距离，m。一般情况下，避雷针、避雷线的Sk不应小于5m，Sd不应小于3m，在可能的情况下适当的加大。,5.1.3 装设避雷针和避雷线的有关规定1避雷针 对于35kV（60 kV）及以下的变电所，因其绝缘水平低，必须装设独立的避雷针，并满足不发生反击的要求。对于110 kV及以上的配电装置，由于其绝缘水平较高，因雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故，可以将避雷针装设在配电装置的构架上。装设避雷针的构架应就近装设辅助接地装置，该装置与变电所接地网的连接点离主变压器与接地网连接点的距离不应小于15m，其目的是使雷击时避雷针接地装置上产生的高电位在沿地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，以避免对变压器造成反击。由于变压器是变电所中最重要的设备，且其绝缘较弱，因此在变压器门型构架上不应装设避雷针。发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生反击事故和引起继电保护的误动作。,2避雷线 由于变电所的配电装置至变电所出线的第一个杆塔之间的距离不可能很大，如允许将杆塔上的避雷线引至变电所的构架上，这段导线将受到保护，比用避雷针保护经济。由于避雷线的两端分流作用，当雷击时，要比避雷针一起的电位升高小一些。因此，规程建议：110 kV及以上的配电装置，可将线路避雷线引接至出线门型构架上，但土壤电阻率大于1000的地区，应装设集中接地装置。对于3560kV配电装置，土壤电阻率不大于500的地区，允许将线路的避雷线引接至出线门型构架上，但应装设集中接地装置，当大于500时，避雷线应中止于线路终端杆塔，进变电所一段线路保护可用避雷针保护。第二节 发电厂、变电所的雷电侵入波保护 由于线路落雷频繁，所以沿线路入侵的雷电波是发电厂、变电所遭受雷害的主要原因。由线路入侵的雷电波过电压，虽受到线路绝缘的限制，但线路绝缘水平比发电厂、变电所电气设备的绝缘水平高。若不采取防护措施，势必造成发电厂、变电所电气设备的损坏事故。据统计，我国每年每100个35kV和110220kV变电所由入侵雷电波引起的事故率分别为0.67次和0.5次。,发电厂、变电所对侵入波防护的主要措施是在其进线段（或母线）上装设氧化新避雷器，使设备上的过电压不超过其冲击耐压值，在发电厂、变电所的进线上设置进线保护段以限制流经避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度。避雷器与被保护的电气设备之间的电气距离直接影响避雷器的保护效果。变压器在变电所中是最重要的设备，且其绝缘水平低，故避雷器安装位置应尽量靠近变压器。为了对变压器进行有效的保护，避雷器伏秒特性的上限应低于变压器伏秒特性的下限。避雷器应安装在母线上，在任何情况下，变压器均应受到避雷器的保护，所以各段母线上都应装设避雷器。5.2.1 避雷器与被保护设备之间的距离 避雷器直接连接在变压器旁，如图5-2（a）所示，即认为变压器与避雷器之间的电气距离为零。忽略变压器对地入口电容，雷电波自线路侵入。避雷器动作前后的电压等效电路分别如5-2（b）、（c）所示。,图5-2 避雷器接在变压器端的接线和等值电路首先分析避雷器直接装设在变压器出线端的简单接线，如图5-2（a）所示。为简化分析，不计变压器的对地入口电容，并假定避雷器的伏秒特性uf（t）和伏安特性ub=f（ib）已知。侵入波u（t）沿波阻抗为Z1的线路入侵，由于变压器的波阻抗比线路大得多，在避雷器动作前相当于末端开路，当其等值电路如图5-2（b）所示。此时，避雷器上电压上升为2u（t），避雷器上的电压也等于2u（t）。,当避雷器上的电压2u(t)与避雷器伏秒特性uf(t)相交时，如图5-3所示，间隙放电，其后的等值电路如图5-2（c）所示，可得（5-9）式中，流过避雷器的电流；线路的波阻。避雷器动作后，两端的电压可由图5-3所示的图解法求解。图5-3 避雷器电压Ub的图解法如图：,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，避雷器上的电压2u（t）与避雷器伏秒特性相交的点对应避雷器的冲击放电电压Uch。在u-i坐标平面内（适用于间隙击穿后），画出曲线ub+ibZ1，然后自侵入波的幅值处作一水平线与曲线ub+ibZ1相交，交点的横坐标就是流过避雷器的最大雷电流Ibm，由Ibm对应的Ubf（ib）曲线上的电压Ubm就是避雷器的最大残压。其它时刻避雷器上的电压ub可按此用图解法求得。避雷器上的电压具有两个峰值和，分别是避雷器的冲击放电电压和避雷器上最大电压，一般在具有正常防雷接线的110220kV变电所中，流经避雷器的雷电流一般不超过5kA（对330kV及以上系统为10 kA），故残压的最大值取5 kA下的数值，记为；在一般情况下，避雷器的冲击放电电压与5kA下的残压基本相同，即=。因此，在以后的分析中，可以将避雷器上的电压ub近似视为一斜角平顶波，其幅值为5kA下的残压Ub-5，波头时间（即避雷器放电时间）则取决于侵入波的陡度。若侵入波为斜角波u=at，则避雷器的作用相当于在避雷器放电时刻tf在装设避雷器处产生一负电压波-a（t-tf），如图5-4所示：,图5-4 分析避雷器上电压波形 因避雷器直接安装在变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器上的电压完全相等，只要避雷器的冲击放电电压和5kA下的残压低于变压器的冲击耐压，则变压器将得到可靠的保护。,因避雷器直接安装在变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器上的电压完全相等，只要避雷器的冲击放电电压和5kA下的残压低于变压器的冲击耐压，则变压器将得到可靠的保护。5.2.2 避雷器与被保护设备之间的距离 变电所中有很多电气设备，我们不可能在每个设备旁装设一组避雷器加以保护，一般只在变电所母线上装设避雷器，变压器是最重要的设备，避雷器应尽量靠近变压器。因此，避雷器与各电气设备都不可避免的有一段长度不等的距离。当雷电波入侵时，由于波的反射，被保护的电气设备上的电压将不同于避雷器的残压。现用实例分析避雷器对所有电气设备的保护作用。图5-5（a）是某变电所主接线图及其等效电路图，由于一般电气设备的等值入口电容都不大，因此可以忽略其影响，被保护设备处可以认为是开路，故得到等值电路如图5-5（b）所示。氧化锌避雷器装设在母线上，进线刀闸离母线距离为，变压器离母线的距离为，在等效电路中忽略各电气设备的对地电容，点L、B、T分别表示进线断路器、避雷器和变压器的位置。,图5-5 分析雷电波侵入变电所的典型接线 设侵入波为斜角波u（t）=at，为方便描述不取统一时间为起点，分析时分别以各点出现电压的时刻为各自的时间零点。（1）避雷器上的电压uB(t)T点的反射波到达尚未到达B点时，（5-10）,T点的反射波到达B点以后至避雷器动作前，（5-11）式中，波速。当t=tf（假设避雷器的放电时间）时，uB（t）与避雷器伏秒特性相交，避雷器动作，由于避雷器非线性特性较好，此后可以认为避雷器保持不变的残压Ub5（5kA下的残压）。这样，就相当于在t=tf时在B点叠加了一个负的电压波-2a（t-tf），因此，ttf时（5-12）由上式可得（5-13）的大小和波形见表5-1和图5-7（a），其中，,，,表5-1 避雷器上电压uB（t）,图5-6 接线上各点的电压波形,表5-1 避雷器上电压uB（t）,同理，由5-5（b）可以求得uL（t）和uT（t），见表5-2和表5-3和图5-7（b）、（c）。表5-2 进线刀闸上电压uL（t）,（2）进线刀闸上的电压和变压器上的电压从图表5-2和表5-3中可以看出，进线刀闸处电压的最大值UL为（5-14）变压器上电压的最大值UT为（5-15）由式（5-12）和式（5-13）表明，不论被保护设备位于避雷器前或避雷器后，只要设备离避雷器有一段距离，则设备上所受冲击电压的最大值必然高于避雷器的残压。当侵入波入侵变电所时，变电所设备上所承受冲击电压的最大值其差值可用下式表示：（5-16）式中 电气设备与避雷器之间的电气距离。,由于分布参数和电晕的影响，电气设备实际上所受的冲击电压与图5-6还不完全相同，由表5-4和图5-6（c）可得，变压器上的电压具有振荡性质，其振荡轴为避雷器的残压，这是由于避雷器动作后产生的负电压波与T点之间发生多次反射引起的。如果考虑Q处有电气设备电容存在Q点的电压左右波阻不同，则避雷器动作后产生的负电压波也将在B点和Q点之间发生多次反射，同样将使Q点的电压也具有振荡性。图5-87所示为雷电波侵入变电所时变压器上的电压实际典型波形，其电压具有振荡性，振荡轴为避雷器残压，这是由于避雷器动作后产生的负电压波在B点与T点之间多次反射引起的。这种波形和全波相差很大，对变压器绝缘的作用与截波的作用较为接近，它对变压器绝缘的作用与截波相近，通常拿它的最大值与变压器的多次截波耐压值（约等于三次截波耐压值的1/1.15）。因此，常以变压器绝缘承受截波的能力来说明在运行中该变压器承受雷电波的能力。变压器承受截波的能力称为多次截波耐压值，根据实践经验，对变压器而言，此值为变压器三次截波冲击试验电压的倍，即（三次截波耐压值的1/1.15），同样其他电气设备在运行中所承受雷电波的能力也可用多次截波耐压值来表示。,图5-7 雷电波侵入变电所时，变压器上典型的实际电压波形当雷电波侵入变电所时，若设备上出现的最大冲击电压值小于设备本身多次截波耐压值，则电气设备不会发生事故，反之，则可能造成雷害事故。为了保证电气设备的安全运行，必须满足下式：即：（5-17）,式中 电气设备上出现的冲击电压最大值；电气设备多次截波耐压值；避雷器上5kA下的残压；雷电波陡度；电气设备与避雷器间的距离；波速；考虑电气设备电容而引入的休正系数。综合以上的分析可得出：为保证设备安全，必须限制避雷器动作后流过避雷器的电流在5kA以下，同时，也要限制侵入波的陡度和注意电气设备与避雷器之间的电气距离。,5.2.3 避雷器与被保护电气设备之间的最大允许电气距离从前面的分析可以看出，当侵入波陡度一定时，避雷器与被保护设备之间的电气距离越大，设备上电压高出避雷器的残压也就越多。因此，要使避雷器起到良好的保护作用，它与被保护设备之间的电气距离就不能超过一定的值，即存在一个最大电气距离。超过最大电气距离后，设备上所受的冲击电压Us将超过其冲击耐压（多次截波耐压值）Uj，保护失效。在变电所设计时，应使所有设备到避雷器的电气距离都在保护范围内，即满足：（5-18）,对于一定陡度的侵入波，最大允许电气距离为：（5-19）当以空间陡度（kV/m）计算时，上式改写为：（5-20）实践证明，由于设备电容的存在，母线上出线多于两条时，会降低，可将加大，即将式（5-18）乘系数k，则：（5-21）当母线上出线为1、2、3、4、时，k值分别取1.0、1.25、1.5、1.7。,图5-8（a）和（b）分别表示一路进线与两路进线的变电所避雷器与主变压器、电压互感器系，横坐标为波的空间梯度。变电所内其它设备的冲击耐压值较变压器高，它们与避雷器间的电气距离可相应增大35%。图中35220kV级系按普通阀型避雷器计算，330kV级系按磁吹阀型避雷器计算。不难理解，采用保护性能比普通阀型避雷器更好的磁吹避雷器或氧化锌避雷器，就能增大保护距离。表5-4和表5-5分别列出了我国标准推荐的采用普通阀型避雷器和氧化锌避雷器后的最大电气距离。,图5-8 避雷器与变压器间的最大电气距离与侵入波陡度的关系,表5-4 普通阀型避雷器至主变压器之间的最大电气距离（m）,注：1.本表也适用于电站碳化硅磁吹避雷器（FM）的情况。2.本表括号内所对应的雷电冲击全波耐受电压为 850kV。对一般变电所的雷电侵入波保护设计主要在于选择避雷器的安装位置，其原则是在任何可能的运行方式下，变压器和各设备到避雷器的电气距离均应小于其最大电气距离。避雷器一般装设在母线上，如一组避雷器不能满足要求，则应考虑增设。对于接线复杂和特殊的变电所，需要通过模拟试验和计算来确定避雷器的安装数量和位置。,第三节 变电所的进线段保护,当雷电波侵入变电所时，要使变电所的电气设备得到可靠的保护，必须限制侵入波的陡度，并限制流过避雷器的雷电流以降低残压。运行经验表明，变电所的雷电侵入波事故约有50%是由雷击离变电所1km以内的线路引起的，约有71%是由雷击3km以内的线路引起的。这就要求变电所的线路进线段应有更好的保护，它是对雷电侵入波防护的一个重要的辅助手段。如果没有架设避雷线，那么当靠近变电所线路上受雷击时，流过避雷器的雷电流幅值可能超过5kA，且其陡度也会超过允许值。因此，这种线路在靠近变电所的一段进线上必须加装避雷线。这样，这一段线路遭受雷电绕击的次数将比落雷次数少得多，可减少变电所的雷害事故。5.3.1 未沿全线架设避雷线的35kV以上变电所的进线段保护对于35110kV全线无避雷线的线路，进线段须架设避雷线，保护角取20；同时，对上述线路以及110km以上已沿全线架设避雷线的线路，在进线段内应使保护角减小，并使线路有较高的耐雷水平（表5-6中线路耐雷水平较高的数值），以减小进线段内由于绕击或反击所形成的侵入波的概率。架设避雷线的这段进线段称为进线段保护，其长度一般为12km，如图5-9所示。,表5-6 有避雷线线路的耐雷水平,由于受线路绝缘的限制，可以认为，所有从进线段以外来的雷电过电压，幅值不会超过线路绝缘的50%冲击闪络电压。由于在进线段内冲击电晕的作用，将使雷电侵入波的陡度和幅值下降。,图5-9 35kV及以上变电所的进线段保护接线,图5-10 进线段限制避雷器电流的原理接线（a）及等值电路（b）,1、进线段首端落雷时流经避雷器雷电流的计算进线段首端落雷时，由于进线段波阻抗的作用，流过避雷器的冲击电流减小。设侵入波的幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压，则雷电波在12km的进线段内往返一次所需要的时间为t=2/v=6.713.3s，而侵入波的波头很短，故避雷器动作后产生的负电压波折回雷击点在雷击点产生的反射波到达避雷器前，流经避雷器的雷电流已过峰值。因此可以不计再次反射及以后过程的影响，只按原侵入波进行分析，可用图 5-10所示的等值电路列出方程：（5-22）其中，为流经避雷器的最大雷电流；为进线段导线波阻；为避雷器的最大残压。,由于避雷器阀片的良好的非线性特性，可以假定残压不随 的变化而为常数，则上式的解为不同电压等级的 见表5-7，也可近似计算。例 110kV线路侵入电压幅值等于线路的冲击闪络电压U50%=700kV，线路波阻抗Z=400，采用FZ-110J避雷器，并取避雷器端电压等于5kV下的残压，即Ubm=Ub5=332kV。由此得,（5-23）,表5-7 变电所外落雷流经单路进线的变电所避雷器雷电流的最大值,从表可知，12km长的进线段已能够满足限制避雷器中雷电流不超过5kA（或10 kA）的要求。2进入变电所的雷电波的陡度在分析进线段对进入的雷电波陡度的影响时，可以从最严重的情况出发，即出现在进线段首端的入侵雷电波的最大幅值为线路的U50%且具有直角波头。由于U50%已大大超过导线的临界电晕半径，因此在侵入波的作用下，线路上将出现冲击电晕，导致波形变形、波头变长。由式（5-22），可以求得进入变电所的雷电波的陡度为,kV/s（5-24）,（5-25）,或,其中，u为来波幅值（kV）；hd为导线平均高度（m）；l为进线段长度（km）。表5-8列出了用上两式计算得到的不同电压等级的变电所侵入波的计算陡度a值。由该表按已知的进线段长度求出a值后，就可根据图5-9求得变压器或其它设备到避雷器的最大电气距离lmax。,表5-8 变电所侵入波计算陡度,计算用进波陡度,3.各元件的作用图5-10所示的35kV及以上变电所的进线段保护典型接线中，另外安装了三组避雷器。安装在进线段首端的氧化锌避雷器用以限制入侵雷电波的幅值。在雷雨季节，进线的断路器或隔离开关可能经常处于开路状态，而此时线路侧又经常带工频电压（开关处于热备用状态），当沿线有U50%幅值的雷电波入侵时，在此断开点将发生全反射，电压加倍，有可能使断路器或隔离开关对地闪络。此时由于线路侧带电，将进一步导致工频短路，有可能将断路器或隔离开关的绝缘部件烧毁。因此，必须在靠近隔离开关或断路器处装设一组避雷器MOV2，在断路器闭合运行时该避雷器不能动作，也即此时MOV2应在变电所阀型避雷器的保护范围内。如MOV2在断路器闭合运行时由于侵入波而发生放电，则将造成截波，可能危及纵绝缘与相间绝缘。若选不到适当参数的避雷器，则MOV2可用阀型避雷器或保护间隙代替。5.3.2 35kV小容量变电所的简化进线保护,对于容量在5000kVA以下的35kV的小容量变电所，可根据变电所的重要性和雷电活动强度等情况采取简化的进线保护。由于35kV小容量变电所尺寸小，避雷器与变压器的电气距离一般在10m以内，故侵入波陡度允许增加，进线段长度可以缩短到500600m。为限制流入避雷器的电流，在进线首端可装设一组氧化锌避雷器或保护间隙，如图5-11所示。容量更小的变电所，保护接线还可以进一步简化。,图5-11（31505000）kVA35kV变电所的简化接线,5.3.3 土壤高电阻率地区变电所的进线段保护35110kV变电所，如进线段装设避雷线有困难或处在土壤电阻率，从而进线段杆塔接地电阻难以下降的地区，进线段难以达到规程要求的耐雷水平时，可在进线的终端杆上装设一组1mH左右的电抗器来代替进线段，如图5-12所示，以限制流过避雷器的雷电流幅值和陡度。5.3.4 全线有避雷线的变电所的进线段保护接线对于沿全线架设避雷线的线路（如图5-13），也将变电所附近的2km长的一段列为进线段保护，此段保护的耐雷水平也应满足表5-7的要求，保护角取左右，以尽量减小绕击的机会。,图5-12 用电抗器代替进行线段的保护接线,图5-13全线有避雷线的变电所进线段保护,第四节 变压器保护,本节将讨论三绕组变压器的保护、自耦变压器的保护、变压器中性点的保护和配电变压器的防雷保护等几个具体问题 5.4.1 三绕组变压器的保护110kV以上的变电所采用三绕组变压器，即具有高压、中压和低压三个绕组。当高压侧雷电流侵入时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合作用，会使低压侧出现过电压。三绕组在正常运行时，可能出现高、中压绕组工作而低压绕组开路的情况。,这时，当高压或中压侧有雷电波作用时，处于开路状态的低压绕组侧对地电容较小，低压绕组上的静电耦合分量可达到很到的数值以致危及低压绕组的绝缘。由于静电分量使低压绕组三相电位同时升高，为了限制这种过电压，只要在任意一相低压绕组出线端对地加装一台避雷器即可。如低压绕组连有25m以上金属外皮电缆段，则因对地电容增加，足以限制静电。三绕组变压器的中压绕组虽然也有开路运行的可能性，但其绝缘水平较高，一般不必采用限制静电耦合的措施。对电磁分量，其数值比静电耦合分量要小，一般不采予考虑。双绕组变压器在正常运行时，高压侧与低压侧断路器都是闭合的，两侧都有避雷器保护。所以一侧有雷电波入侵，传递到另一侧去的电压不会对绕组造成损害，无需另加保护。5.4.2 自耦变压器的保护自耦变压器除了有高、中压绕组外，还有三角形接线的非自耦绕组，以减小零序阻抗和改善电压波形。在此非自耦低压绕组上，根据上节所述，应加装一台避雷器，以限制静电感应过电压。,在运行中，有可能出现高、低压绕组运行、中压绕组开路及中、低压绕组运行、高压绕组开路的情况。由于高、中压绕组的中性点均直接接地，因而在雷电波（幅值为U0）侵入高压侧时，自耦绕组各点的电压初始分布、稳态分布和各点最大电压的包络线均与中性点接地的单绕组相同。因此，在开路的中压侧端子A上可能出现的最大电压约为高压侧电压U0的（k为变压器变比），如图5-14（a）所示。这可能使处于开路状态的中压端的套管闪络，故在中压套管与断路器之间应装设一组避雷器保护。当幅值为U0的雷电波从中压侧侵入而高压侧开路时，绕组中的初始和稳态电位分布分别如图5-14（b）中的曲线1、2所示，曲线3为最大电位包络线。从图中可以看出，A-0段和A-A段的稳态电位分布是不同的，前者与末端接地的变压器绕组相同，后者取决于电磁感应。因此，高压端A的稳态电位上升到kU0，且振荡电压的最大值约为kU0，这将危及处于开路状态的高压端，因此在高压端和断路器之间也应装设一组避雷器。,图5-14 雷电波侵入自耦变压器时的过电压,自耦变压器的防雷接线如图5-15所示。此外，需要注意下述情况：当中压侧接有出线时（相当于A点经线路波阻抗接地），如高压侧有过电压波入侵，A点的电位接近于零，大部分过电压将作用在A-A段绕组上，这显然是危险的；同样地，高压侧接有出线时，中压侧进波也会造成类似的后果。显然，A-A绕组越短（即变比越小），危险性越大。一般在k1.25时，还应在A-A之间再跨接一组避雷器（图5-15中的FZ3）。图5-15（b）是采用“自耦”避雷器的保护接线，与（a）相比，可以节省避雷器元件，但引线较麻烦。,图5-15 自耦变压器的防雷保护接线,5.4.3 变压器中性点的保护我国60kV及以下的电网，变压器的中性点是绝缘的。运行经验表明，这种电网的雷害故障一般每100台1年只有0.38次，可以接受。因此，我国有关标准规定，3560kV变压器中性点一般不需要保护。我国110kV及以上电网的中性点一般是直接接地的，但为了继电保护的需要，其中一部分变压器中性点是不接地的，如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，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。如果变压器的中性点是全绝缘的，但变电所为单线且为单台变压器运行，也应在中性点加装避雷器。,由前述波过程理论已经得到，当三相来波时，变压器中性点的电位，会达到绕组首端电压的两倍，因此需要考虑变压器中性点的保护问题。我国60kV及以下中性点非有效接地的系统，变压器是全绝缘的，其中性点的绝缘水平与相线端相同，由于三相来波的概率较小，来波大多源自远处从而使波头较缓，进线多起了分流作用。运行经验表明，这种电网的雷害故障一般每100台1年只有0.38次，可以接受。因此，我国有关标准规定，3560kV变压器中性点一般不需要保护。我国110kV及以上电网的中性点一般是直接接地的，对于110kV及以上的中性点有效接地系统，由于继电保护的需要，其中一部分变压器中性点是不接地的，如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，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。而在这些系统中的变压器往往是分级绝缘的，即变压器中性点绝缘水平较相线端低得多（如我国110kV和220kV变压器中性点的绝缘分别为35kV级和110kV级绝缘），故需在中性点上加装阀型避雷器或间隙。避雷器的灭弧电压应大于该电网一相接地而引起的中性点电位升高的有效值，以免爆炸。在中性点直接接地的电网中，一相接地时中性点电位升高的稳态值最大可达到最高运行线电压的35%，所以中性点保护用避雷器的灭弧电压可选用系统最高运行线电压的0.4倍。如果变压器的中性点是全绝缘的，但变电所为单线且为单台变压器运行，也应在中性点加装避雷器。,5.4.4 配电变压器的保护配电变压器的保护接线如5-16所示。应尽量在靠近高压侧线上装设氧化锌或阀型避雷器，其接地线应与变压器的金属外壳以及低压侧中性点（变压器中性点绝缘时则为中性点的击穿保险管的接地端）连在一起共同接地，并应尽量减小接地线的长度，以减小其上的压降。这样，当避雷器动作时，作用在变压器主绝缘上的就主要是避雷器残压，不包括接地电阻上的压降。这种共同接地的缺点是避雷器动作时引起的地电位升高，可能危害低压用户安全。,图5-16 配电变压器的保护接线,图中：G1，G2：氧化锌避雷器组运行经验表明，如果只在高压侧装设避雷器，还不能免除变压器遭受“正、反变换过电压”的危害。所谓“正、反变换过电压”是指高压侧线路受到直击或感应雷击使避雷器动作时，冲击大电流在接地电阻上产生较大的冲击电压，该电压将同时作用在低电压侧线路的中性点上；低压线路可视为经波阻抗接地，因此中性点电压的大部分降落在低压绕组上，这部分电压经过电磁耦合，按变比关系在高压绕组上感应出过电压。由于高压绕组的出线端的电压受避雷器限制，故在高压绕组上感应出的过电压将沿高压绕组分布，在中性点处达到最大值，可能危及中性点附近的绝缘，也会危及绕组的相间绝缘。为了防止这种过电压，应该在配电变压器的低压侧加装氧化锌避雷器。5.4.5 GIS防雷保护的特点全封闭SF6气体绝缘变电所（GIS）因具有一系列优点而日益获得广泛采用。它的防雷保护除了与常规变电所具有共同的原则外，也有自己的一些特点：（1）由于内部电场为均匀场或稍不均匀场，GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其冲击系数接近于1（约为1.21.3），且负极性击穿电压较正极性低，因此其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平，因而对所用避雷器的伏秒特性、放电稳定性等技术指标都提出了特别高的要求，最好采用保护性能优异的氧化锌避雷器；,（2）GIS结构紧凑，设备之间的电气距离大大缩减，被保护设备与避雷器相距较近，比常规变电所有利；（3）GIS的同轴母线的波阻抗一般只有60100，约为架空线的1/5。从架空线入侵的过电压波经过折射，其幅值和陡度都显著变小，这对变电所的侵入波防护也是有利的；（4）GIS内的绝缘，大多为稍不均匀电场结构，一旦出现电晕，电子崩很容易发展成击穿，而且不能恢复原有的电气强度，甚至导致整个GIS系统的损坏，而GIS本身的价格远较敞开式变电所昂贵，因而要求它的防雷保护措施更加可靠、在绝缘配合中留有足够的裕度。根据以上分析和模拟计算结果，GIS的雷电过电压较敞开式变电所低，实现过电压保护比较容易。例如，对于500kV级GIS，2000m进线段只要最靠近变电所的一基杆塔的工频接地电阻保持在15以下，其余为20，就能保证有足够的耐雷水平。在实施保护时，应尽可能避免采用性能不同的避雷器搭配对GIS进行保护，因为这会妨碍ZnO避雷器发挥应有的保护作用。表5-9 电机与变压器冲击耐压值、避雷器特性的比较,运行中交流耐压,第五节 旋转电机的防雷保护,从防雷的观点来看，发电机可分为两大类，一类是经过变压器再接到架空线上去的电机，简称非直配电机；另一类是直接与架空线相连（包括经过电缆段、电抗器等元件与架空线相连）的电机，简称直配电机。因线路上的雷电波可以直接传入直配电机，故直配电机的防雷保护显得特别突出。旋转电机（包括发电机、调相机、大型电动机等）防雷保护是指直配电机的防雷保护，即指与架空线路直接相连的旋转电机。直配电机的防雷保护包括主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘。5.5.1 旋转电机的特点旋转电机（发电机、调相机、大型电动机等）防雷保护要比变压器困难得多，雷害事故率也往往大于变压器。这是因为旋转电机在绝缘结构、性能和绝缘配合方面具有一些与变压器不同的特点：在同一电压等级的电气设备中，旋转电机的冲击绝缘强度最低。原因在于：电机具有高速旋转的转子，故只能采用固体介质，而不能像变压器那样可以采用固体-液体（变压器油）介质组合绝缘；在制造过程中，固体介质容易受到损伤，绝缘内易出现空洞或缝隙，因此在运行过程中容易发生局部放电，导致绝缘劣化。,电机绝缘的运行条件最为严酷，要受到热、机械振动、空气中的潮气、污秽、电气应力等因素的联合作用，老化较快。电机绝缘结构的电场比较均匀、其冲击系数接近于1，因而在雷电过电压下的电气强度是最薄弱的环。因此，电机的额定电压、绝缘水平都不可能太高。表5-9所示为旋转电机主绝缘的冲击耐压值与变压器冲击耐压值的比较，表中Ue为额定电压值。从表中可以看出，电机的冲击耐压只有变压器的1/41/2。保护旋转电机用的FCD磁吹避雷器、ZnO避雷器的残压和电机的冲击耐压值很接近，裕度很小。因此发电机只靠避雷器保护是不够的，还必须与电容器、电抗器、电缆段等配合起来进行保护。匝间绝缘要求侵入波陡度受到严格限制。因为发电机绕组的匝间电容很小和不连续，迫使过电压波进入电机绕组后只能沿着绕组导体传播，而它每匝绕组的长度又远较变压器绕组为大，作用在相邻两匝间的过电压与进波的陡度a成正比。为了保护好电机的匝间绝缘，必须严格限制进波陡度。总之，旋转电机的防雷保护要求高、困难大，需要全面考虑绕组的主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘的保护要求。,5.5.2 直配电机的防雷保护1直配电机的防雷保护措施（1）主绝缘的保护。在电机母线上装设氧化锌避雷器，以限制侵入波幅值。同时采取保护进线措施，以限制通过避雷器的电流，使之小于3kA。（2）纵绝缘的保护及电感过电压的限制措施。在每相母线上装设与避雷器并联的电容。其容量为0.250.5。电容器既可限制侵入波的陡度，又可降低感应过电压。（3）电动机中性点的保护。如果直配电机的中性点能引出且未被接地，应在中性点上装设避雷器。避雷器的额定电压不低于电机最高运行相电压。对于中性点不能引出的电机，则把母线上的电容加大到1.52，以进一步降低侵入波的陡度来限制中性点绝缘上的电压。2直配电机的防雷保护接线直馈线的电压等级都在10kV及以下，绝缘水平较低。雷击线路或邻近线路的大地产生的直击雷或感应雷，都有可能沿线路侵入，危及直配发电机的绝缘。我国电力行业标准（DL/T620-1997）推荐的2560MW直配发电机防雷保护接线如图5-17所示，,图5-17 2560MW直配发电机防雷保护接线,图中：L：电抗器下面对接线进行具体的阐述（1）在发电机出线母线上装设一组保护旋转电机专用的ZnO避雷器，这是限制进入发电机绕组的侵入波幅值的最后一关。同时，在电机母线上装设一组并联电容器C，以限制进波陡度和降低感应雷击过电压的作用。为了保护发电机的匝间绝缘，侵入波陡度必须限制到一定值（5/s）以下（图中C0.250.5F/相）。（2）插接一段电缆段（图中长度150m以上），通过电缆外皮对缆芯的分流，限制流入避雷器的冲击电流，以限制避雷器上的电压。,如侵入波幅值太大，当电缆前端的氧化锌避雷器（图中MOV5）动作后，电缆芯线与外皮短接，电流主要通过R1入地，其上压降同时加在芯线和外皮上。当电缆外皮流过电流时，由于电缆芯线与外皮的间的互感近似等于外皮的自感，因此电缆芯线中被外皮电流感应出来的反电动势阻止电流沿芯线流向电机，绝大部分雷电流自外皮流走。装设限制工频短路电流的电抗器，但它在防雷方面也能发挥降低进波陡度和减小流过MOV2的冲击电流的作用。（3）发电机中性点有引出线时，在中性点加装一只旋转电机中性点避雷器保护（图中MOV1），否则需加大母线并联电容以进一步限制侵入波陡度（2kV/s以下）。发电机的中性点大多不接地或经消弧线圈接地，因此在电网中发生单相接地故障时，发电机的中性点电位将升至相电压，所以用于保护中性点绝缘的MOV1灭弧电压应选高于相电压。（4）加装氧化锌避雷器以发挥电缆段的作用。由以上分析可知，电缆段发挥限流作用的前提是避雷器MOV5发生动作。但实际上由于电缆的波阻抗远小于架空线，过电压波到达电缆始端A点时会发生负反射被，使A点的电压立即下降，所以MOV5很难动作，这样电缆也就无从发挥作用了。为了解决这一问题，可以在离A点70m左右的前方安装一组氧化锌避雷器MOV4。,应特别注意的是，MOV4不能就地接地，而必须用一段专门的耦合连线（它在MOV4处需对塔身绝缘）连接到A点的接地装置R1上（R1的阻值应不大于50），只有这样，MOV4的动作才能代替MOV5的动作，让电缆段发挥其限流作用。保留MOV5的目的是，让它在遇到强雷击时作为MOV4的后备保护措施；另外，它还能为A处绝缘薄弱的电缆头提供保护。即使采用了上述严密的保护措施后，仍然不能确保直配电机绝缘的绝对安全