变电所防雷保护

每100km线路的年落雷次数N
N = ( b+4h ) Td / 10 [次/（100km· 年）]
为地面落雷密度; b为两根避雷线之间的距离； h为避雷线的平均对地高度; Td为雷暴日数
1、耐雷水平（I）
耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络 的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅 值，单位为kA。 我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见 表8-1
小 结
变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的 支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、防 雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个 验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间 距及地下距离的问题。 装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行 防护的主要措施，但是还需要有“进线段保护”与 之配合。 进线段的作用：1）雷电过电压波在流过进线段时 因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和 幅值；2）限制流过避雷器的冲击电流幅值
三、线路耐雷性能的分析计算
(一)绕击导线 雷闪绕过避雷线直接击中导线 的概率，称为绕击率Pα 。Pα之 值与避雷线对边相导线的保护角 α、杆塔高度ht及线路通过地区 的地形地貌等因素有关。
平原线路
山区线路
lg P
lg P
ht
86
ht
86
3.9
3.35
绕击跳闸次数
n2 N P P2 （次/年）
线路杆塔分流系数
2、塔顶电压utop沿着避雷线传播而在导线上感应出 来的电压u1。与上一分量ua相似，杆塔电流it造成的 塔顶电位
utop ( Rii Lt di ) dt
u1 kutop
3、雷击塔顶而在导线上产生的感应雷击过电压
u
' i (c)
ui ( c ) (1
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为了防止避雷针对构架发生 反击，其空气间距S1应满足 下式要求 S U
A 1
E1
为了防止避雷针接地装置与 变电所接地网之间因土壤击 穿而连在一起，地下距离S2 亦应满足下式要求 S U
B 2
E2
E1、E2分别为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均 冲击击穿场强。 用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和地中 距离 s2 0.3Ri s1 0.2Ri 0.1h
hg hc
k0 )
ui(c) - 无避雷线时的感应雷击过电压 k0- 导、地线间的几何耦合系数
4、线路本身的工频电压u2 作用在绝缘子串上的合成电压
uli ua u1 u
' i (c)
u2
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。
(三)雷击杆塔
击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。
注入线路的总电流即为雷电流
i it ig
it为流经杆塔的电流，ig为流经避雷线的电流。
线路绝缘子串上所受到的雷电过电压包括四个分量：
1、杆塔电流it在横担以下的塔身电感La和杆塔冲击 接地电阻Ri上造成压降，使横担具有一定的对地电位
ua di ( Rii La ) dt
（二）降低杆塔接地电阻 提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆 塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。
（三）加强线路绝缘 增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、 增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一般 优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水 平。 （四）耦合地线 作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导 地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和 降低雷击跳闸率。
(五)气体绝缘变电所防雷保护的特点
全封闭SF6气体绝缘变电所(GIS)的特点： 1)GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其绝缘水平主要取决于 雷电冲击水平。采用氧化锌避雷器； 2)GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常 规变电所有利； 3)GIS的同轴母线筒的波阻抗小，过电压幅值和陡度都 显著变小，对变电所的进行波防护有利； 4)GIS内绝缘电场结构不均匀，易击穿，要求防雷保护 措施更加可靠、在绝缘配合中留有足够的裕度。
三、变电所的进线段保护
保证在靠近变电所的一段不长(一般为l～2km)的线路 上不出现绕击或反击。对于那些未沿全线架设避雷线 的35kV及以下的线路来说，首先在靠近变电所(l~2km) 的线段上加装避雷线，使之成为进线段；对于全线有 避雷线的110km及以上的线路，将靠近变电所的一段 长2km的线路划为进线段。在进线段上, 加强防雷措 施、提高耐雷水平。 进线段的作用： 1）雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生 衰减和变形，降低了波前陡度和幅值； 2）限制流过避雷器的冲击电流幅值
二、线路雷害事故发展过程及防护措施
只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现， 就可避免雷击引起长时间停电事故。
输电线路上采用的各种防雷保护措施： (一)避雷线（架空地线） 110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设 避雷线；35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线 圈和自动重合闸来进行防雷保护。
四、变电所防雷的几个具体问题
(一)变电所防雷接线
进线段提高耐雷性能的保护措施： 1)在进线保护段内，避雷线的保护角不宜超过20°。 2)采取措施以保证进线段的耐雷水平。
(二)三相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。
2、雷击跳闸率（n ）
雷击跳闸率是指在雷暴日数Td＝40的情况下、100km 的线路每年因雷击而引起的跳闸次数，其单位为 “ 次 /(100km· 雷 暴 日 )” ． 实 际 线 路 长 度 L 不 是 40 100km，雷暴日数也不正好是40时必须换算到某一相 同的条件下(100km，40雷暴日)，才能进行比较。 但是雷电流超过了线路耐雷水平，只会引起冲击闪络， 只有在冲击闪络之后还建立工频电弧，才会引起线路 跳闸。 由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率 ( ),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压梯 度有关。可由下式求得 (4.5E 0.75 14) 10 2
绝缘冲击耐压水平应满足： U w( i ) U is U
阀式避雷器的保护距离：
lmax K
U w( i ) U is 2a '
K为变电所出线修正系数 避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼顾一 般”。在诸多的变电设备中，需要确保的重点无疑 是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压 器近一些。
变电所中出现的雷电过电压的两个来源： 1)雷电直击变电所； 2)沿输电线入侵的雷电过电压波。
一、变电所的直击雷保护
必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安 装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避雷 针两类。注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装 置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。 变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的 支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应 有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避 雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其 接地装置的空气间距及地下距离的问题。
(三)自耦变压器的防雷保护
高压侧进波时，应在中压断路器 QF2的内侧装设一组阀式避雷器 （图8-14中的FV2）进行保护。 中压侧进波时，在高压断路器 QF1的内侧也应装设一组避雷器 （图8-14中的FV1）进行保护。
当中压侧接有出线时，还应 在AA′之间再跨接一组避雷器 （图8-14中的FV3）。
被保护绝缘与避雷器间的电气距离 l 越大、进波陡度 或′越大，电压差值 U 也就越大。
阀式避雷器动作以后有一个不大的电压降，然后保持 残压水平，由于被保护设备与避雷器间有距离，致使 电压波产生振荡，接近冲击截波，因此对于变压器类 电力设备来说，往往采用2s截波冲击耐压值作为他们 的绝缘冲击耐压水平。
(四)变压器中性点的保护
110kV及以上的中性点有效接地系统 1、中性点为全绝缘时，一般不需采用专门的保护。 但在变电所只有一台变压器且为单路进线的情况下， 仍需在中性点加装一台与绕组首端同样电压等级的避 雷器。 2、当中性点为降级绝缘时，则必须选用与中性点绝 缘等级相当的避雷器加以保护，同时注意校核避雷器 的灭弧电压。 35kV及一下的中性点非有效接地系统 变压器的中性点都采用全绝缘，一般不设保护装置。
(五)消弧线圈 能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转 变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的 跳闸次数。 (六)管式避雷器 仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防 雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率 降为零。 (七)不平衡绝缘 一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。 (八)自动重合闸 线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。
被保护绝缘与避雷器 之间的电压差 U，可 以利用图8-7中的接线 图来确定。 以电压波到达避雷器端子1为时间起点，u1=t t=T（波传过距离l 所需时间l/v），波到达设备端子2， 全反射。 u2=2(t-T)
t=2T，反射波到达1点，避雷器上的电压上升陡度加大 （mb段） 避雷器击穿电压 Ub= (2T)+2(tb-2T)=2 (tb-T) t=tb+T，避雷器限压效果对设备产生影响 U2=2[(tb+T)-T]=2tb 电压差 U =U2-Ub=2T=2l/v 或 U =U2-Ub=2T=2’l
(一)从限制进波陡度的要求来确定应有的进线段长度
所需的进线段长度
lp U 0.008U a (0.5 ) hc
U－行波的初始幅值，kV hc－进线段导线的平均对地高度，m （二）计算流过避雷器的冲击电流幅值IIFV
FV
I FV
2U 50% nU R Z
UR－阀式避雷器的残压，kV n－变电所母线上接的线路总条数
第二节 变电所的防雷保护 变电所的直击雷保护 阀式避雷器保护作用的分析 变电所的进线段保护 变电所防雷的几个具体问题
线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化 ；变电所的雷害事故就要严重得多，往往导致大 面积停电。变电设备得内绝缘水平往往低于线路 绝缘，而且不具有自恢复功能，一旦发生击穿， 后果十分严重。变电所的防雷保护与输电线路相 比，要求更严格、措施更严密、可靠。
第八章 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。
第一节 架空输电线路防雷保护
输电线路耐雷性能的若干指标 线路雷害事故发展过程及防护措施 线路耐雷性能的分析计算
一条100km长的架空输电线路在一年中遭到数十次雷击。 线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的 比重。 一、输电线路耐雷性能的若干指标
N – 年落雷总数 Pa – 绕击率 P2 – 超过绕击耐压水平I2的雷电流 – 建弧率
(二)雷击档距中央的避雷线
雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时。 真正击中档距中央避雷线的概率只有10%左右。
雷击点电压最大值
U A Z g l a / 4v
可见UA仅仅取决于它的波前陡度，而与雷电流无关。
二、阀式避雷器保护作用的分析
装设阀式避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防 护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的 幅值。但是还需要有“进线段保护”与之配合。 阀式避雷器的保护作用基于三个前提： 1)它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配 合 2)它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击 电气强度 3)被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。