防雷及过电保护.ppt

13 防雷及过电压保护一、考试大纲要求13.1 了解电力系统过电压的种类和过电压水平；13.2 熟悉交流电气装置过电压保护设计要求及限制措施；13.3 掌握建筑物防雷的分类及措施；13.4 掌握建筑物防雷设计的计算方法和设计要求。,二、本章相关规程规范1.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T6202.建筑物防雷设计规范GB50057 2.高压输变电设备的绝缘配合GB311.1 3.建筑物电气装置GB/T16895.11(第4部分：安全防护第44章：过电压保护第446节：低压电气装置对高压接地系统接地故障的保护),13 防雷及过电压保护13.1电力系统过电压的种类和过电压水平13.1.1系统运行中出现于设备绝缘上的电压13.1.1.1系统运行中出现于设备绝缘上的电压有:（1）正常运行时的工频电压；（2）暂时过电压（工频过电压、谐振过电压）;（3）操作过电压；（4）雷电过电压；13.1.1.2相对地暂时过电压和操作过电压的标么值如下：（1）工频过电压的1.0p.u=Um/；（2）谐振过电压和操作过电压的1.0p.u.=Um/注：Um为系统最高电压；p.u.为过电压标么值。,13.1.1.3系统最高电压的范围：（1）范围，3.6Um252 kV；（2）范围，Um252 kV。系统的标称电压（Un）和系统最高工作电压（Um）见13-1表13-1 系统标称电压和系统最高工作电压 单位：kV（有效值）,13.1.2电气设备在运行中承受的过电压（略）13.1.3电力系统的过电压水平 13.1.3.1工频过电压的允许水平,110kV及以下电力系统的工频过电压一般不超过下列数值：110kV 1.3p.u.35-66 kV p.u.3-6 kV 1.1 p.u.13.1.3.2操作过电压的允许水平目前，在选择配电装置及电气绝缘水平时，计算用操作过电压水平如下：相对地：110kV（直接接地系统）3.0p.u.66kV及以下（除低电阻接地系统外的非直接接地系统）4.0p.u.35kV及以下（低电阻接地系统）3.2p.u.相间：3110kV相间操作过电压取相对地过电压的1.5倍。,13.2交流电气装置过电压保护设计要求及限制措施 13.2.1雷电过电压及其对保护设计的要求13.2.1.1雷电过电压（1）设计和运行中应考虑直接雷击、雷电反击和感应雷电过电压对电气装置的危害。（2）架空线路上的雷电过电压。1）距架空线路S65m处，雷云对地放电时，线路上产生的感应过电压最大值可按式（13-2-1）计算 Ui25（13-2-1）式中Ui雷击大地时感应过电压最大值，kV；I雷电流幅值（一般不超过100），kA,hc导线平均高度，m；S雷击点与线路的距离，m。线路上的感应过电压为随机变量，其最大值可达300400 kV，一般仅对35 kV及以下线路的绝缘有一定威胁。2）雷击架空线路导线产生的直击雷过电压，可按式（13-2-2）确定 Us100I（13-2-2）式中Us雷击点过电压最大值，kV。雷直击导线形成的过电压易导致线路绝缘闪络。架设避雷线可有效地减少雷直击导线的概率。3）因雷击架空线路避雷线、杆顶形成作用于线路绝缘的雷电反击过电压，与雷电参数、杆塔型式、高度和接地电阻等有关。,宜适当选取杆塔接地电阻，以减少雷电反击过电压的危害。（3）变电所内的雷电过电压来自雷电对配电装置的直接雷击、反击和架空进线上出现的雷电侵入波。13.2.1.2变电所的直击雷过电压保护（1）变电所的直击雷过电压保护可采用避雷针或避雷线。下列设施应设直击雷保护装置：1）屋外配电装置；2）油处理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、装卸油台、易燃材料仓库等建筑物；3）乙炔发生站、制氢站、露天氢气罐、氢所罐储存室、天然气调压站、天然气架空管道及其露天贮罐。,（2）为保护其他设备而装设的避雷针，不宜装在独立的控制室和35kV及以下变电所的屋顶上。但有用钢结构或钢筋混凝土结构等有屏蔽作用的建筑物的车间变电所可不受此限制。（3）露天布置的GIS的外壳不需装设直击雷保护装置，但应接地。（4）变电所有爆炸危险且爆炸后可能波及变电所内主设备或严重影响供电的建筑物（如制氢站、露天氢气贮罐、氢气罐储存室、易燃油泵房、露天易燃油贮罐、架空易燃油管道、装卸油台和天然气管道以及露天天然气贮罐等），应用独立避雷针保护，并应采取防止雷电感应的措施。（5）13.2.1.2（1）中所述设施上的直击雷保护 装置包括兼作接闪器的设备金属外壳、电缆金属,外皮、建筑物金属构件等，其接地可利用变电所的主接地网，但应在直击雷保护装置附近装设集中接地装置。（6）独立避雷针（线）宜设独立的接地装置。在非高土壤电阻率地区，其接地电阻不宜超过10。当有困难时，该接地装置可与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备与主接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m。独立避雷针不应设在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面，也可铺设混凝土地面。（7）110kV配电装置，一般将避雷针装在配电装,置的架构或房项上，但在土壤电阻率大于1000m的地区，宜装设独立避雷针。否则，应通过验算，采取降低接地电阻或加强绝缘等措施。66kV的配电装置，允许将避雷针装在配电装置的架构或房顶上，但在土壤电阻率大于500m的地区，宜装设独立避雷针。35kV及以下高压配电装置架构或房顶不宜装避雷针。（8）在变压器门型架构上和在离变压器主接地线小于15m的配电装置的架构上，当土壤电阻率大于350m时，不允许装设避雷针、避雷线；如不大于350m，则应根据方案比较确有经济效益，经过计算采取相应的防止反击措施，并至少遵守下列规定，方可在变压器门型架构上装设避雷针、避雷,线：1）装在变压器门型架构上的避雷针应与接地网连接，并应沿不同方向引出34根放射形水平接地体，在每根水平接地体上离避雷针架构3m处装设一根垂直接地体。2）直接在335kV变压器的所有绕组出线上或在离变压器电气距离不大于5m条件下装设阀式避雷器。高压侧电压35kV变电所，在变压器门型架构上装设避雷针时，变电所接地电阻不应超过4（不包括架构基础的接地电阻）。（9）110kV配电装置，可将线路避雷线引接到出线门型架构上，土壤电阻率大于1000m的地区，应装设集中接地装置。,35kV、66 kV配电装置，在土壤电阻率不大于500m的地区，允许将线路的避雷线引接到出线门型架构上，但应装设集中接地装置。在土壤电阻率大于500m的地区，避雷线应架设到线路终端杆塔为止。从线路终端杆塔到配电装置的一档线路的保护，可采用独立避雷针，也可在线路终端杆塔上装设避雷针。严禁在装有避雷针、避雷线的构筑物上架设未采取保护措施的通信线、广播线和低压线。（10）独立避雷线、避雷线与配电装置带电部分间的空气中距离以及独立避雷针、避雷线的接地装置与接地网间的地中距离。1）独立避雷针与配电装置带电部分、变电所电气设备接地部分、架构接地部分之间的空气距离，,应符合式（13-2-3）的要求 Sa0.2Ri+0.1h（13-2-3）式中Sa空气中距离，m；Ri避雷针的冲击接地电阻，；h避雷针校验点的高度，m。2）独立避雷针的接地装置与变电所接地网间的地中距离，应符合式（13-2-4）的要求 Se0.3R（13-2-4）式中Se地中距离，m。除上述要求外，对避雷针和避雷线，Sa不宜小于5m，Se不宜小于3m。对66kV及以下配电装置，包括组合导线、母线廊道等，应尽量降低感应过电压，当条件许可时，Sa应尽量增大。,13.2.1.3范围变电所高压配电装置的雷电侵入波过电压保护（1）变电所应采取措施防止或减少近区雷击闪络。未沿全线架设避雷线的35110kV架空送电线路，应在变电所12km的进线段架设避雷线。35kV线路在12km进线保护段范围内的杆塔耐雷水平应该符合表12-2-4的要求。进线保护段上的避雷段保护角宜不超过20O，最大不应超过30O。,（2）未沿全线架设避雷线的35110kV线路，其变电所的进线段应采用图13-2-1所示的保护接线。,13.2.1.4气体绝缘全封闭组合电器（GIS）变电所的雷电侵入波过电压保护（1）66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所，在GIS管道与架空线路的连接处，应装设金属氧化物避雷器（FMO1），其接地端应与管道金属外壳连接，如图13-2-5所示。如变压器或GIS一次回路的任何电气部分至FMO1间的最大电气距离不超过下列参考值或虽超过，但经校验，装一组避雷器即能符合保护要求，则图13-2-5中可只装设FMO1：,66kV 50m110 kV 130m,连接GIS管道的架空线路进线保护段的长度应不小于2km。（2）66 kV及以上进线有电缆段的GIS变电所，在电缆段与架空线路的连接处应装设金属气化物避雷器（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图13-2-6（a）；对单芯电缆，应经金属氧化物电缆护层保护器（FC）接地图13-2-6（b）。,电缆末端至变压器或GIS一次回路的任何电气部分间的最大电气距离不超过13.2.1.4（1）中的参考值或虽超过，但经校验，装一组避雷器即能符合保护要求，图13-2-6中可不装设FMO2。对连接电缆段的2km架空线路应设避雷线。（3）进线全长为电缆的GIS变电所内是否需装设金属氧化物避雷器，应视电缆另一端有无雷电过电压波侵入的可能，经校验确定。13.2.1.5小容量变电所雷电侵入波过电压的简易保护（略）13.2.1.6配电系统的雷电过电压保护（1）310kV配电系统中的配电变压器应装设阀式避雷器保护。阀式避雷器应尽量靠近变压器装设，其接地线应与变压器低压侧中性点（中性点不接,地时则为中性点的击穿保险器的接地端）以及金属外壳等连在一起接地。（2）310kV Y,yn和Y,y(低压侧中性点接地和不接地)接线的配电变压器，宜在低压侧装设一组阀式避雷器或击穿保护器，以防止反变换波和低压侧雷电侵入波击穿高压侧绝缘。但厂区内的配电变压器可根据运行经验确定。低压侧中性点不接地的配电变压器，应在中性点装设击穿保险器。（3）0.435kV配电变压器，其高低压侧均应装设阀式避雷器保护。（4）310kV柱上断路器和负荷开关应装设阀式避雷器保护。经常断路运行而又带电的柱上断路器、负荷开关或隔离开关，应在带电侧装设阀式避雷,器，其接地线应与柱上断路器等的金属外壳连接，且接地电阻不应超过10。装设在架空线路上的电容器宜装设阀式避雷器保护。13.2.1.7 旋转电机 的雷电过电压保护（略）13.2.1.8高压架空线路的雷电过电压保护（35kV及以下）（1）一般线路的保护：1）送电线路的雷电过电压保护方式，应根据线路的电压等级、负荷性质、系统运行方式，当地原有线路的运行经验、雷电活动的强弱、地形地貌的特点和土壤电阻率的高低等条件，通过技术经济比较确定。,各级电压的送、配电线路，应尽量装设自动重合闸装置。35kV及以下的厂区内的短线路，可按需要确定。2）各级电压的线路，一般采用下列保护方式：a)35kV及以下线路，一般不沿全线架设避雷线。b)除少雷区外，310kV钢筋混凝土杆配电线路，宜采用瓷或其他绝缘材料的横担，如果用铁横担，对供电可靠性要求高的线路宜采用高电压等级的绝缘子，并应尽量以较短的时间切除故障，以减少雷击跳闸和断线事故。3）有避雷线的线路，在一般土壤电阻率地区，其耐雷水平不宜低于表13-2-4所列数值。4）有避雷线的线路，每基杆塔不连避雷线的工频接地电阻，在雷季干燥时，不宜超过表13-2-5所,列数值。,表13-2-4 有避雷线线路的耐雷水平,表13-2-5 有避雷线的线路杆塔的工频接地电阻,注：如土壤电阻率超过2000m，接地电阻很难降低到30时，可采用68根总不超过500m的放射形接地体，或采用连续伸长接地体，接地电阻不受限制。,5）杆塔上避雷线对边导线的保护角，一般采用200300。杆塔上两根避雷线间的距离不应超过导线与避雷线间垂直距离的5倍。（后略）13.2.1.9雷电过电压保护装置（1）避雷针和避雷线：1）单支避雷针的保护范围（图13-2-10）：a)避雷针地面上的保护半径，应按式（13-2-10）计算 r=1.5hP（13-2-10）式中r保护半径，m；h避雷针的高度，m；P高度影响系数，h30m，P=1；30mh120m，P=；,当h120m时，取其等于120m。b)在被保护物高度hx水平面上的保护半径应按下列方法确定：当hx0.5h时 rx=(h-hx)P=haP(13-2-11)式中rx避雷针在hx水平面上的保护半径，m；hx被保护物的高度，m；ha避雷针的有效高度，m。当hx0.5h时 rx=(1.5h-2hx)P(13-2-12),式中rx每侧保护范围的宽度，m。b）当hxh/2时rx=(h-1.53hx)（13-2-15）,图13-2-10单支避雷针的保护范围（h30m时，=45O）4）单根避雷线在hx水平面上每侧保护范围的宽度（图13-2-14）a)当hxh/2时，rx=0.47(h-hx)P（13-2-14）,13.2.2暂时过电压及其对保护设计的要求13.2.2.1暂时过电压（工频过电压、谐振过电压）的性质（1）工频过电压的性质：工频过电压的频率为工频或接近工频，幅值不高，在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，约为工频电压的 倍；在中性点直接接地系统中，一般不充许超过1.5倍。工频过电压对110kV及以下电网的电气设备没有危险：对220kV电网可不考虑限制措施；对330kV及以上电网应采用限制措施；产生工频过电压的主要因素：1）空载长线的电容效应；2）单相接地故障；,3）发电机突然甩负荷。（2）谐振过电压的性质：电网中的电感、电容元件，在一定电源的作用下，并受到操作或故障的激发，使得某一自由振荡频率与外加强迫频率相等，形成周期性或准周期性的剧烈振荡，电压振幅急剧上升，出现严重谐振过电压。各种谐振过电压可以归纳为三种类型：线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。限制谐振过电压的基本方法：尽量防止它发生，这就要在设计中做出必要的预测，适当调整电网参数，避免谐振发生；缩短谐振存在的时间，降低谐振的幅值，削弱谐振的影响。一般是采用电阻阻尼进行抑制。,13.2.2.2暂时过电压（工频过电压、谐振过电压）及保护（1）工频过电压，对范围中的110kV系统，工频过电压一般不超过1.3p.u.；310kV和3566kV系统，一般分别不超过1.1 p.u.和 p.u.。（后略）13.4.3防雷击电磁脉冲13.4.3.1一般规定（1）防雷击电磁脉冲除遵守本章其他各节的有关规定外，尚应符合本节所规定的基本要求。（2）一个信息系统是否需要防雷击电磁脉冲，应在完成直接、间接损失评估和建设、维护投资预测后认真分析综合考虑，做到安全、适用、经济。（3）在设有信息系统的建筑物需防雷击电磁脉冲的情况下，当该建筑物没有装设防直击雷装置和,不处于其他建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑物采取防直击雷的防雷措施。在要考虑屏蔽的情况下，防直击雷接闪器宜采用避雷网。（4）在工程的设计阶段不知道信息系统的规模和具体位置的情况下，若预计将来会有信息系统，应在设计时将建筑物的金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土的钢筋等自然构件、金属管道、配电的保护接地系统等与防雷装置组成一个共用接地系统，并应在一些合适的地方预埋等电位连接板。13.4.3.2防雷区（LPZ）13.4.3.3屏蔽、接地和等电位连接的要求13.4.3.4对电涌保护器和其他的要求（1）当电源采用TN系统时，从建筑物内总配电盘（箱）开始引出的配电线路和分支路必须采用,TN-S系统。（2）本节原则上规定要在各防雷区界面做等电位连接，但由于工艺要求或其他原因被保护设备的安装位置不会正好设在界面处是设在其附近，在这种情况下，当线路能承担发生的电涌电压时，电涌保护器可安装在保护设备处，而线路的金属保护层或屏蔽层首先于界面处做一次等电位连接。（3）电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。在建筑物进线处和其他防雷区界面处的最大电涌电压，即电涌保护器的最大钳压加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许,的最大电涌电压协调一致。为使最大电涌电压足够低，其两端的引线应做到最短。在不同界面上的各电涌保护器还应与其相应的能量承受能力相一致。当无法获得设备的耐冲击电压时，200/380V三相配电系统设备可按表13-4-5选用。表13-4-5 220/380V三相系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值,注：类需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备；类如家用电器、手提工具和类似负荷；类如配电盘、断路器，包括电缆、母线、分线盒、开关、插座等的布线系统，以及应用于工业的设备和永久接至固定装置的固定安装的电动机等的一些其他设备；类如电气计量仪表、一次线过流保护设备、波纹控制设备。,（5）选择220/380V三相系统中的电涌保护器时，其最大持续运行电压UC应符合下列规定：1）按图13-4-12接线的TT系统中，UC不应小于1.55UO。,2）按图13-4-13和图13-4-14接线的TN和TT系统中，UC不应小于1.15UO。,3）按图13-4-15接线的1T系统中UC不应小于1.15U（U为线间电压）。注：UO是低压系统相线对中性线的标称电压，在220/380V三相系统中，UO=220V。,（6）在供电的电压偏差超过所规定的10%以及谐波使电压幅值加大的场所，应根据具体情况对氧化锌压敏电阻SPD提高第13.4.3.4条（5）款所规定的UC值。（7）在LPZOA或LPZOB区与LPZ1区交界处，在从室外引来的线路上安装的SPD，应选用符合级分类试验的产品。应按第13.4.3.3条（4）款的规定确定通过SPD的10/350s雷电流幅值。当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流的30%考虑。SPD宜靠近屏蔽线路末端安装。以上述得出的雷电流作为Ipeak来选用SPD。当按上述要求选用配电线路上的SPD时，其标称放电电流In不宜小于15kA。,当采用TN-C-S或TNS系统时，在N与PE线连接处电涌保护器用三个，在其以后N与PE线分开处安装电涌保护器时用四个，即在N与PE线间增加一个，类似于图13-4-12。当电源变压器高压侧碰外壳短路产生的过电压加于4a设备时不应动作。在高压系统采用低电阻接地和供电变压器外壳、低压系统中性点合用同一接地装置以及切断短路的时间小于或等于5s时，该过电压可按1200V考虑。（8）在按第13.4.3.4条（7）款要求安装的SPD所得到的电压保护水平加上其两端引线的感应电压以及反射波效应不足以保护距其较远外的被保护设备的情况下，尚应在被保护设备处装设SPD，其标称放电电流In不宜小于8/20s3kA。,当被保护设备沿线路距第13.4.3.4条（7）款要求安装的SPD不大于10m时，若该SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压小于被保护设备耐压水平的80%，一般情况在被保护设备处可不装SPD。（9）当第13.4.3.4条（7）款和第13.4.3.4条（8）款要求安装的SPD之间设有配电盘时，若第一级SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电盘内的设备应在该盘内安装第二级SPD，其标称放电电流不宜小于8/20s5kA。（10）在考虑各设备之间的电压保护水平时，若线路无屏蔽尚应计及线路的感应电压，应按闪电击中安装在第一类防雷建筑物上的防雷装置时所感应的电压和能量的近似计算式计算，雷电流参量应按首次以后雷击的雷电流参量选取。在考虑被保护设,备的耐压水平时宜按其值的80%考虑。（11）在一般情况下，当在线路上多处安装SPD且无准确数据时，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。（12）在一般情况下，仅对表13-4-5中的、类设备宜考虑采取防操作过电压的措施。注：保护信息线路和设备的SPD另按国家有关规定确定。,四、样题解答1在架空输电线路上，设架空避雷线.已知架空避雷线的高度为20米，当使用下图计算其保护范围时，试确定保护角及高度影响系数P，那种选择是正确的：答案：D,A.=45，P=1.B.=25，P=1.C.=45，P=5.5/D.使用滚球法.答案：B,单根逼雷线的保护范围,2 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合标准中，送电线路变电所绝缘子串及空气间隙的绝缘配合公式均按标准气象条件给出。该标准气象条件应包括（）：A.气压B.温度C.绝对湿度D.风速答案：A.B.C.,3.某办公楼位于广州地区，其外形尺寸为长L=118米，宽W=25米，高H=90米，该地区雷电活动日为Td=87.6,试计算：（1）计算雷击大地的年平均密度,其最接近的值是()。A.8.(次/km2a)B.8.(次/m2a)C.6.7(次/km2a)D.10.(次/km2a)（2）计算建筑物的等效面积,其最接近的值是()。A.0.003km2 B.0.063km2 C.0.041km2 D.0.054km2,A.Ng=k1Td1.3,其中k1取0.024,得Ng=k1Td1.3=0.02487.61.3=8.04(次/km2a)B.Ng=k1Td1.3,其中k1取0.024,得Ng=k1Td1.3=0.02487.61.3=8.04(次/m2a)(单位用错)C.Ng=k1Td1.3,其中k1取0.02(错),得Ng=k1Td1.3=0.0287.61.3=6.7(次/km2a)D.Ng=k1Td1.3,其中k1取0.03(错),得Ng=k1Td1.3=0.0387.61.3=10.05(次/km2a)答案：（1）A,答案：BA.计算如下：建筑物等效面积Ae=LW*10-6=118*25*10-6=0.00295 km2B.（正确答案）计算如下：建筑物等效面积C.公式中漏掉 D扩大宽度按建筑物高度H取值,4假设某建筑物的等效面积为0.03km2,雷击大地的年平均密度是8(次/km2a),校正系数k=1，求该建筑物年预计雷击次数,其最接近的值是()。A.0.5(次/a)B.0.24(次/a)C.0.4(次/a)D.0.36(次/a),答案：BA.没有使用假设条件N=k Ng Ae,其中k取1,得N=k Ng Ae=1X8.04X0.0625=0.5(次/a)B.(正确答案)N=k Ng Ae,其中k=1,得N=k Ng Ae=1X8X0.03=0.24(次/a)C.N=k Ng Ae,其中k取1.7,得N=k Ng Ae=1.7X8X0.03=0.408(次/a)D.N=k Ng Ae,其中k取1.5,得N=k Ng Ae=1.5X8X0.03=0.36(次/a),