高电压技术 第八章.ppt

研究雷电过电压的必要性：雷电现象极为频繁，产生的雷电过电压可达数千kV，足以使电气设备绝缘发生闪络和损坏，引起停电事故。有必要理解雷电产生的原因、过程及参数，以理解防雷原理及设计防雷设备。有必要对输电线路、发电厂和变电所的电气装置的采取防雷保护措施。第8章 雷电过电压及其防护NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGYu 8.1 雷电放电和雷电过电压u 8.2 防雷保护设备u 8.3 电力系统防雷保护u 8.4 接地的基本概念及原理u 习题与思考题本章内容返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.1 雷电放电和雷电过电压 雷电是一种可怖而又壮观的自然现象，我国东周时庄子上有记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆。”人们对雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，著名科学家有富兰克林（Franklin）、MB罗蒙诺索夫（Jiomohocob）、LB黎赫曼（Phxmah）等，如著名的富兰克林风筝实验，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种火花放电的秘密，他们通过大量实验取得卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。特别是利用高速摄影、自动录波、雷电定向定位等现代测量技术对雷电进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本节内容：8.1.1 雷云的形成 雷电放电过程 有关的雷电参数 雷电过电压的形成返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 能产生雷电的带电云层称为雷云。雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸汽，含水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产生向上的热气流。热气流每上升10km，温度下降约10，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极化，形成热雷云。8.1.1 雷云的形成NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 雷云的形成过程是综合性的。强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴带正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带走，于是云的各部分带带有不同的电荷，这是水滴破裂效应。水在结冰时，冰粒会带正电，没有结结冰的被风吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当上面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场。由此可见，雷电的成因源于大气的运动。返回返回视频链接NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 作用于电力系统的雷电过电压最常见的（约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称为负下行雷，下面以负下行雷为例分析雷电放电过程。负下行雷通常包括若干次重复的放电过程，而每次可以分为先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段8.1.2 雷电放电过程NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY图8-1 负雷云下行雷的过程(a)负下行雷的光学照片描绘图 (b)放电过程中雷电流的变化过程返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.1.3 有关的雷电参数 雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素影响，带有很大的随机性，因而表征雷电特性的各种参数也就具有统计的性质。主要的雷电参数有：雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY1.雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td 是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数，单位d/a。雷暴小时Th 雷暴小时是指平均一年内的有雷电的小时数，单位h/a。雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关Td 40，多雷区；90，强雷区NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2.地面落雷密度 表征雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度（）来表示，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。地面落雷密度和雷暴日的关系式为：DL/T 6201997标准取 为基准，则（8-1）NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY3.主放电通道波阻抗 从工程实用的角度和地面感受的实际效果出发，先导放电通道可近似为由电感和电容组成的均匀分布参数的导电通道，其波阻抗为：为通道单位长度的电感量，为通道单位长度的电容量。主放电通道波阻抗与主放电通道雷电流有关，雷电流愈大，波阻抗愈大。（8-2）NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正。实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负极性比例不同，负极性所占比例在75%90%之间，因此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。4.雷电流极性NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY5.雷电流幅值 按DL/T 6201997标准，一般我国雷暴日超过20的地区雷电流的概率分布为或（8-3）NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY6.雷电流等值波形 雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别较大，而测得的雷电流波形却基本一致。第一次负放电电流波形的波头较长，在峰值附近有明显的双峰；随后放电电流波形的波头较短，没有双峰，电流陡度远大于第一次放电，而电流幅值约为第一次放电的一半。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 放电之后，约有一半存在连续的后续电流，至少持续40ms，电流从数十至500kA，平均约100kA。据统计，雷电流的波头在15 的范围内，多为2.52.6 ；波长多在20100 的范围内，平均约为50 ；按DL/T 6201997标准，取2.6 ，为50 ，记为2.6/50 。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等值波形有双指数波、斜角波和半余弦波三种。图8-2 雷电流的等值波形(a)双指数波 (b)斜角波 (c)半余弦波NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY7.雷电流陡度 雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大。雷电流陡度的直接测量更为困难，常常根据一定的幅值、波头和波形来推算。DL/T 6201997标准取波头形状为斜角波，波头按2.6 考虑，雷电流陡度 。计算雷电流冲击波波头陡度出现的概率可用下列经验公式计算：或（8-4）返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY雷电过电压的形成 1.直击雷过电压 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已充当的垂直导线突然与被击物体接通来模拟。图8-3 雷击大地时的计算模型(a)模拟先导放电 (b)模拟主放电 (c)主放电通道电路 (d)等值电路NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2.感应雷过电压 由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如图8-5（a）所示当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图8-5（b）所示。图8-5 感应雷过电压的形成(a)先导放电阶段 （b）主放电阶段NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 小结雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。雷电源于大气的运动。雷电的放电过程：先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段主要的雷电参数有：雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。雷电过电压的形成直击雷过电压感应雷过电压返回返回（本节完）NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.2 防雷保护设备 雷电放电作为一种强大的自然力的爆发是难以制止的，产生的雷电过电压可高达数百至数千kV，如不采取防护措施，将引起电力系统故障，造成大面积停电。目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本节内容：8.2.1 避雷针防雷原理及保护范围8.2.2 避雷线防雷原理及保护范围 8.2.3 避雷器工作原理及常用种类 返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.2.1 避雷针防雷原理及保护范围1.避雷针防雷原理 避雷针是明显高出被保护物体的金属支柱，其针头采用圆钢或钢管制成，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。避雷针需有足够截面的接地引下线和良好的接地装置，以便将雷电流安全可靠地引入大地。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2.避雷针的保护范围 表示避雷针的保护效能，通常采用保护范围的概念，只具有相对意义。避雷针的保护范围是指被保护物体在此空间范围内不致遭受直接雷击。我国使用的避雷针的保护范围的计算方法，是根据小电流雷电冲击模拟试验确定，并根据多年运行经验进行了校验。保护范围是按照保护概率99.9%确定的空间范围（即屏蔽失效率或绕击率0.1%）。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY（1）单支避雷针 单支避雷针的保护范围如图8-6所示:图8-6 单支避雷针的保护范围NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 两线外侧的保护范围按单根避雷线方法确定；两线内侧的保护高度由两线及保护范围上部边缘最低点O的圆弧来确定。O点为假想避雷针的顶点，其高度按下式计算：(2)两支等高避雷线图8-7 高度为h的两支等高避雷针的保护范围 式中：两针间保护范围上部边缘最低点高度，mD 两避雷针间的距离，m。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 两针间hxhx水平面上保护范围的一侧最小宽度bxbx应按图8-8确定。当bxbxrxrx时，取bxbxrxrx，求得bxbx后，可按图8-7绘出两针间的保护范围。两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。图8-8 两等高(h)避雷针间保护范围的一侧最小宽度(bx)与D/haP的关系(a)D/haP07 (b)D/haP57NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY (3)两支不等高避雷针两支不等高避雷针的保护范围如图8-9所示。图8-9 两支不等高避雷针的保护范围NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY(4)多支等高避雷针 由于发电厂或变电所的面积较大，实际上都采用多支等高避雷针保护。三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围分别按两支等高避雷针的计算方法确定。四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等高避雷针的方法计算。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围如图8-10（a）所示，图8-10（b）所示为四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围。图8-10 三、四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围(a)三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围(b)四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.2.2 避雷线防雷原理及保护范围 避雷线，通常又称架空地线，简称地线。避雷线的防雷原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电所，近年来许多国家采用避雷线保护500kV大型超高压变电所。用于输电线路时，避雷线除了防止雷电直击导线外，同时还有分流作用，以减少流经杆塔入地的雷电流从而降低塔顶电位，避雷线对导线的耦合作用还可以降低导线上的感应雷过电压。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 单根避雷线的保护范围如图8-11所示，在hx水平面上每侧保护范围的宽度按下列公式计算：当时 时 式中：rxhx水平面上每侧保 护范围的宽度，m；hx被保护物的高度，m；h避雷线的高度，m。图8-11 单根避雷线的保护范围NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 两根等高平行避雷线的保护范围如图8-12所示。两线外侧的保护范围按单根避雷线的计算方法确定。两线间各横截面的保护范围由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度应按下式计算：式中：两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；D两避雷线间的距离，m。图8-12 两根平行避雷线的保护范围NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 表示避雷线对导线的保护程度，工程中常用保护角来表示，如图8-13所示。保护角是指避雷线和外侧导线的连线与避雷线的垂线之间的夹角。保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免遭雷击。一般=2030，这时即认为导线已处于避雷线的保护范围之内。图8-13 避雷线的保护角返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.2.3 避雷器工作原理及常用种类 避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作过电压的一种防雷装置。避雷器实质上是一种过电压限制器，与被保护的电气设备并联连接，当过电压出现并超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，从而限制了过电压的发展，使电气设备免遭过电压损坏。避雷器的常用类型有：保护间隙、排气式避雷器（常称管型避雷器）、阀式避雷器和金属氧化物避雷器（常称氧化锌避雷器）四种。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY避雷器1NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY避雷器2NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY1.保护间隙 保护间隙是一种简单的避雷器，按其形状可分为：角型、棒形、环形和球型等，常用角形保护间隙如图8-14所示。图8-14 角型保护间隙1角型电极 2主间隙 3支柱绝缘子 4辅助间隙 5电弧的运动方向NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2.排气式避雷器 排气式避雷器实质上是一种具有较高熄弧能力的保护间隙，其结构如图8-15所示，内间隙固定装在管内，管子由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成，其电极一端为棒形电极2，另一端为环形电极3。外间隙裸露在大气中，由于产气材料在泄漏电流作用下会分解，因此管子不能长时间接在工作电压上，正常运行靠外间隙来隔离工作电压。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY图8-15排气式避雷器1产气管 2棒形电极 3环形电极 S1内间隙 S2外间隙NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY3.阀式避雷器 阀式避雷器是由装在密封瓷套中的多组火花间隙和多组非线性电阻阀片串联组成。它分普通型和磁吹型两大类。普通阀式避雷器的单个火花间隙结构如图8-16所示，电极由黄铜圆盘冲压而成，两电极间以云母垫圈隔开形成间隙，间隙距离为0.51.0mm，间隙电场接近均匀电场，单个间隙的工频放电电压约为2.73.0kV(有效值)。阀片的伏安特性如图8-17所示。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY图8-16 单个火花间隙结构1黄铜电极 2云母垫圈图8-17 阀片的伏安特性i1工频续流 u1工频电压 i2雷电流 u2避雷器残压NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 磁吹阀式避雷器（简称磁吹避雷器）的基本结构和工作原理与普通阀式避雷器相同，主要区别在于，磁吹阀式避雷器采用了磁吹式火花间隙，它是利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动并延伸，使间隙的去游离作用增强，从而提高了灭弧能力，磁吹式火花间隙的结构和电弧运动如图8-18所示。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY图8-18 磁吹式火花间隙1.角形电极 2灭弧盒 3并联电阻 4灭弧栅NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 多个间隙串联电路中，由于寄生电容存在，灭弧过程工频电压在各个间隙上的分布是不均匀的，将影响每个间隙作用的充分发挥，减弱了灭弧能力。通常将四个火花间隙放在一个瓷套筒里组成标准间隙组，在每个标准间隙组的侧面并有两个串联的半环形非线性分路电阻，以便起均压作用，如图8-19所示。图8-19 在间隙上并联分路电阻(a)标准火花间隙组（普通阀式避雷器）(b)原理图NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 4.金属氧化物避雷器 金属氧化物避雷器(MOA)出现于20世纪70年代，因其性能比碳化硅避雷器更好，现在已在全世界得到广泛应用。金属氧化物避雷器的阀片是由以氧化锌（ZnO）为主要原料，并添加其它微量的氧化铋（Bi2O3）、氧化钴（Co2O3）、氧化锰（MnO2）、氧化锑（Sb2O3）、氧化铬（Cr2O3）等金属氧化物作添加剂。金属氧化物避雷器的结构非常简单，仅由相应数量的氧化锌阀片密封在瓷套内组成，所以也称氧化锌避雷器。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 氧化锌阀片具有极好的非线性伏安特性，如图8-19所示，可分为小电流区、非线性区和饱和区。图8-20 氧化锌阀片的伏安特性NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY避雷针作用是吸引雷电击于自身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。避雷线，又称架空地线，简称地线。主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电所。避雷器实质上是一种过电压限制器。保护间隙排气式避雷器阀式避雷器金属氧化物避雷器小结返回返回（本节完）NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.3 电力系统防雷保护 电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等各个环节。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本节内容：8.3.1 输电线路的防雷保护8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.3.1 输电线路的防雷保护 在整个电力系统的防雷中，输电线路的防雷问题最为突出。这是因为输电线路绵延数千里、地处旷野、又往往是周边地面上最为高耸的物体，因此极易遭受雷击。输电线路防雷性能的优劣，工程中主要用耐雷水平和雷击跳闸率两个指标来衡量。所谓耐雷水平，是指雷击线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值（单位为kA）。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY1.输电线路上的感应雷过电压 雷击线路附近地面时，在线路的导线上会产生感应雷过电压，由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大，雷电流幅值I一般不超过100kA。实测证明，感应过电压一般不超过300-400kV，对35kV及以下水泥杆线路会引起一定的闪络事故；对110kV及以上的线路，由于绝缘水平较高，所以一般不会引起闪络事故。感应雷过电压同时存在于三相导线，故相间不存在电位差，只能引起对地闪络，如果二相或三相同时对地闪络即形成相间闪络事故。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 设避雷线和导线悬挂的对地平均高度分别为hg和hc,若避雷线不接地，则根据教材公式(8-18)可求得避雷线和导线上的感应过电压分别为 和 。于是于是 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2.输电线路的耐雷水平 我国110kV及以上线路一般全线都装设避雷线，而35kV及以下线路一般不装设避雷线，中性点直接接地系统有避雷线的线路遭受直击雷一般有三种情况：雷击杆塔塔顶；雷击避雷线档距中央；雷电绕过避雷线击于导线，如图8-21所示。图8-21 有避雷线线路直击雷的三种情况NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY（1）雷击杆塔塔顶时的耐雷水平 运行经验表明，雷击杆塔的次数与避雷线的根数和经过地区的地形有关，雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率g，DL/T 6201997标准，击杆率g可采用表8-5所列数据。表8-5 杆率g避雷避雷线线根数根数12平原平原1/41/6山丘山丘1/31/4NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 雷击塔顶前，雷电通道的负电荷在杆塔及架空地线上产生感应正电荷；当雷击塔顶时，雷通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流，如图8-22（a）所示。图8-22（a）雷击塔顶时雷电流的分布(b)雷击塔顶时等值电路NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 对于一般高度(40m以下)的杆塔，在工程近似计算中采用图8-22（b）的集中参数等值电路进行分析计算，考虑到雷击点的阻抗较低，故略去雷电通道波阻的影响。图8-22（a）雷击塔顶时雷电流的分布(b)雷击塔顶时等值电路NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY（2）雷击避雷线档距中央 雷击避雷线档距中央时，雷击点会出现较大的过电压，如图8-23所示，根据彼德逊法则，由教材中公式（8-15），雷击点A的电压为：式中 避雷线的波阻抗 图8-23 雷击避雷线档距中央1避雷线 2导线NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY（3）雷电绕击于导线时的耐雷水平 装设避雷线的线路仍然有雷绕过避雷线而击于导线的可能性，虽然绕击的概率很小，但一旦出现此情况，则往往会引起线路绝缘子的闪络。雷电绕击线路的电气几何模型如图8-24所示。图8-24 雷电绕击线路的电气几何模型NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY3.输电线路的雷击跳闸率 雷电流超过线路的耐雷水平，会引起线路绝缘发生冲击闪络。这时，雷电流沿闪络通道入地，但持续时间只有几十 ，线路断路器来不及动作。闪络后是否会引起线路跳闸，还要看闪络能不能转化成稳定的工频电弧。其概率称为建弧率以 表示，与沿绝缘子串和空气间隙的平均运行电压梯度有关。可用下式表示：式中：E绝缘子串的平均运行电压梯度，kV(有效值)/m。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 雷击杆塔顶部发生闪络并建立电弧引起跳闸的次数 ,雷绕过避雷线击于导线发生闪络并建立电弧引起跳闸的次数 。有避雷线线路的雷击跳闸率n可按下式计算：式中：N 落雷次数，次/(100kma)；建弧率；g 击杆率；超过雷击杆塔顶部时耐雷水平的雷电流概率；超过雷击杆塔顶部时耐雷水平的雷电流概率；超过雷绕击导线时耐雷水平的雷电流概率；超过雷绕击导线时耐雷水平的雷电流概率；绕击率绕击率(包括平原和山区包括平原和山区)。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY4.输电线路的防雷措施 输电线路的防雷措施主要做好以下“四道防线”：防止输电线路导线遭受直击雷；防止输电线路受雷击后绝缘发生闪络；防止雷击闪络后建立稳定的工频电弧；防止工频电弧后引起中断电力供应。确定输电线路防雷方式时，还应全面考虑线路综合因素，因地制宜地采取合理的保护措施。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY（1）架设避雷线）架设避雷线（2）降低杆塔接地电阻）降低杆塔接地电阻（3）架设耦合地线）架设耦合地线（4）采用不平衡绝缘方式）采用不平衡绝缘方式（5）采用中性点非有效接地方式）采用中性点非有效接地方式（6）装设避雷器）装设避雷器（7）加强绝缘）加强绝缘（8）装设自动重合闸）装设自动重合闸 主要保护措施：主要保护措施：返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护 发电厂和变电所是电力系统的枢纽，设备相对集中，一旦发生雷害事故，往往导致发电机、变压器等重要电气设备的损坏，更换和修复困难，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活。因此，发电厂和变电所的防雷保护要求十分可靠。变电所中出现的雷电过电压的两个来源：雷电直击变电所；沿输电线入侵的雷电过电压波。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY1.直击雷过电压的防护 直击雷防护的措施主要是装设避雷针或避雷线，使被保护设备处于避雷针或避雷线的保护范围之内，同时还必须防止雷击避雷针或避雷线时引起与被保护物的反击事故。当雷击独立避雷针时，如图8-27所示。图8-27雷击独立避雷针1母线 2变压器NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 雷电流经避雷针及其接地装置在避雷针h高度处和避雷针的接地装置上将出现高电位UA(kV)和UG(kV)。图8-27雷击独立避雷针1母线 2变压器式中:i流过避雷针的雷电流，kA；Ri避雷针的冲击接地电阻，单位为；L避雷针的等值电感 ；雷电流的上升陡度，kA 。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 为了防止避雷针与被保护的配电构架或设备之间的空气间隙Sa被击穿而造成反击事故，必须要求Sa大于一定距离，取空气的平均耐压强度为500kVm；为了防止避雷针接地装置和被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙Se被击穿，必须要求Se大于一定距离，取土壤的平均耐电强度为300kVm，Sa和Se应满足下式要求:Sa0.2Ri0.1h Se0.3RiNANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2.侵入波过电压的防护 变电所中限制雷电侵入波过电压的主要措施是装设避雷器。如果三台避雷器分别直接连接在变压器的三个出线套管端部，只要避雷器的冲击放电电压和残压低于变压器的冲击绝缘水平，变压器就得到可靠的保护。但在实际中，变电所有许多电气设备需要防护，而电气设备总是分散布置在变电所内，常常要求尽可能减少避雷器的组数，又要保护全部电气设备的安全，加上布线上的原因，避雷器与电气设备之间总有一段长度不等的距离。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY3.变电所的进线段保护 变电所的进线段保护是对雷电侵入波保护的一个重要辅助措施，就是在临近变电所12km的一段线路上加强防护。进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和侵入波的陡度。35kV110kV变电所的进线段保护接线如图8-32所示。图8-32 35kV110kV变电所进线保护接线NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY4.变压器防雷保护的几个具体问题（1）变压器中性点防雷保护。当三相来波时，在变压器中性点的电位理论上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。（2）三绕组变压器的防雷保护。高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，低压侧出现一定过电压。在任一相低压绕组加装阀式避雷器。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY图8-35 自耦变压器的防雷保护接线（3）自耦变压器的防雷保护 自耦变压器除高、中压自耦绕组之外，还有三角形接线的低压非自耦绕组。高低压绕组运行而中压开路时，若有侵入波从高压端线路袭来，绕组中电位的起始与稳态分布以及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同。自耦变压器的防雷保护接线如图8-35所示。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 配电变压器的防雷保护接线如图8-36所示，其310kV侧应装设阀式避雷器FS-310或保护间隙来保护，构成变压器高压侧FS的接地端点、低压绕组的中性点和变压器金属外壳三点联合接地。（4）配电变压器的防雷保护图8-36 配电变压器的保护接线NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY5.旋转电机的防雷保护 旋转电机包括发电机、调相机、大型电动机等，是电力系统的重要设备，要求具有十分可靠的防雷保护。（1）旋转电机的防雷保护特点1)在相同电压等级的电气设备中，旋转电机的绝缘水平是最低的。2)2)电机在运行中受到发热、机械振动、臭氧、潮湿等因素的作用使绝缘容易老化。3)3)保护旋转电机用的磁吹避雷器(FCD型)的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小。4)4)由于电机绕组的匝间电容K很小。5)电机绕组中性点一般是不接地的。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY（2）直配电机的防雷保护 1)发电机出线母线上装一组MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的残压与电机的绝缘水平相配合，保护电机主绝缘。2)采用进线段保护，一般采用电缆段与排气式避雷器配合的典型进线段保护。3)在发电机母线上装设一组并联电容器，包括电缆段电容在内一般每相电容应为0.250.5F，可以限制雷电侵入波的陡度a使之小于2kV/s，同时可以降低感应雷过电压使之低于电机冲击耐压强度，保护电机匝间绝缘和中性点绝缘。4)发电机中性点有引出线时，中性点应加装避雷器保护，如电机绕组中性点并未引出，则每相母线并联电容应增至1.52.0F。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 60MW以上的电机(其中包括60MW的电机)一般都经变压器升压后接至架空输电线络。在多雷区的非直配电机，宜在电机出线上装设一组旋转电机用的避雷器。如电机与升压变压器之间的母线桥或组合导线无金属屏蔽部分的长度大于50m时，除应有直击雷保护外，还应采取防止感应雷过电压的措施，即在电机母线上装设每相不小于0.15 F的电容器或磁吹避雷器；此外，在电机的中性点上还宜装设灭弧电压为相电压的阀式避雷器。（3）非直配电机的防雷保护NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY6.气体绝缘变电所的防雷保护 气体绝缘变电所(GIS)是将除变压器以外变电所内的高压电器设备及母线封闭在一个接地的金属壳内，壳内充以34个大气压的SF6气体作为相间及相对地的绝缘。GIS变电所具有体积小，占地面积小，维护工作量小，不受周围环境条件影响，对环境无电磁干扰，运行性能可靠等优点。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2)66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所，在电缆与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与电缆的金属外皮连接。1)66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所，在GIS管道与架空线路连接处应装设无间隙金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与管道金属外壳连接。对GIS常用的保护措施:NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY小 结通常采用耐雷水平和雷击跳闸率来表示一条线路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果。输电线路常采用避雷线、降低杆塔接地电阻、加强线路绝缘等措施来进行防雷。可按雷击点的不同把线路的落雷分为三种情况：绕击导线、雷击档距中央的避雷线和雷击杆塔。（本节完）返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.4 接地的基本概念及原理8.4.1 接地概念及分类8.4.2 接地电阻，接触电压和跨步电压8.4.3 接地和接零保护返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.4.1 接地概念及分类 接地就是指将电力系统中电气装置和设施的某些导电部分，经接地线连接至接地极。埋入地中并直接与大地接触的金属导体称为接地极。电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分称为接地线。接地极和接地线合称接地装置。接地按用途可分为：工作接地保护接地防雷接地静电接地返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.4.2 接地电阻，接触电压和跨步电压 大地具有一定的电阻率，如果有电流经过接地极注入，电流以电流场的形式向大地作半球形扩散，则大地就不再保持等电位，将沿大地产生电压降。设土壤电阻率为 ,大地内的电流密度为 ,则大地中电场强度为 在靠近接地极处，电流密度 和电场强度 最大，离电流注入点愈远，地中电流密度和电场强度就愈小，因此可以认为在相当远（约2040m）处，为零电位。电位分布曲线如图8-42所示。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY图8-42 接地装置的电位分布Ut接触电压 Us跨步电压NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 接地装置对地电位u与通过接地极流入地中电流i的比值称为接地电阻。人处于分布电位区域内，可能有两种方式触及不同电位点而受到电压的作用。当人触及漏电外壳，加于人手脚之间的电压，称为接触电压。当人在分布电位区域内跨开一步，两脚间（水平距离0.8m）的电位差，称为跨步电位差，即跨步电压。本书还分别介绍了几种典型接地极的接地电阻计算，请读者仔细研读。返回返回NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY8.4.3 接地和接零保护1.发电厂、变电所的接地保护发电厂、变电所的接地保护 发电厂、变电所中的接地网是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置。一般的作法是：除利用自然接地极以外，根据保护接地和工作接地要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器安装处增加35根集中接地极以满足防雷接地的要求。按照工作接地要求，发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻应满足：NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY2.输电线路的接地保护 高压线路每一杆塔都有混凝土基础，它也起着接地极的作用，其接地装置通过引线与避雷线相连，目的是使击中避雷线的雷电流通过较低的接地电阻而进入大地。高压线路杆塔的自然接地极的工频接地电阻简易计算式为 ,k为各种型式接地装置简易计算式系数，为土壤电阻率。NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY3.计算用土壤电阻率 接地电阻除与接地极的形状、尺寸大小有关外，还跟土壤电阻率 密切相关。土壤电阻率 主要取决于其化学成分及湿度大小，计算防雷接地装置所采用的土壤电阻率应取雷季中最大可能的数值，一般按下式计算：式中：土壤电阻率，单位为m；雷季中无雨时所测得的土壤电阻率，单位为m；考虑土壤干燥所取的季节系数 NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY接地按用途可分为：工作接地、保护接地、防雷接地、静电接地大地具有一定的电阻率，电流以电流场的形式向大地作半球形扩散，将沿大地产生电压降。发电厂、变电所中的接地网是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的良好接地装置小结返回返回（本节完）NANCHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY