主要內容概述1內部過電壓及其防護2電力系統防雷保護3電力系統絕緣配合4第一節概述電壓由于直接雷擊或雷電感應而引起的過電壓由于電力系統內部能量的轉化或傳遞引起的過電壓TextText過電

壓外部過電壓內部過電壓第一節概述過電壓保護的目的

為了防止電氣設備絕緣遭受過電壓的破壞。內部過電壓和外部過電壓發生的原因不同，變化的特性和防護的方法也不相同。

對于內部過電壓，要了解它產生的原因及其特性，然后針對性地采取相應措施，以防止其危害。

對于外部過電壓，則要設法防止它侵入電氣設備，并應采取相應的措施將它盡可能降低到對電氣設備的絕緣不致造成損壞的程度。

第二節

內部過電壓及其防護內部過電壓操作過電壓諧振過電壓工頻電壓升高一、操作過電壓操作過電壓

因操作引起的暫態電壓升高。電力系統中常見的操作過電壓有：

中性點絕緣電網中的電弧接地過電壓；

切除電感性負載（空載變壓器、消弧線圈、并聯電抗器、電動機等）過電壓；

切除電容性負載（空載長線路、電纜、電容器組等）過電壓；

空載線路合閘(包括重合閘)過電壓以及系統解列過電壓等。

(一)空載變壓器的分閘過電壓1.切空載變壓器過電壓產生的機理

斷路器截斷電流后，電感中的電流可以以電容為回路繼續流通，對電容進行充電，將電感中的磁能轉化為電容中的電能。

如果截流發生在某一瞬時值I0時，電容上的電壓為U0此時變壓器的總儲能W為W＝WL＋WC＝(LTI02＋CTU02)/2 (8-1)

按能量不滅定律，當磁能全部轉化為靜電電能時，電容上的電壓將達其最大值UTm，即W＝CTUTm2/2＝(LTI02＋CTU02)/2 (8-2)

(一)空載變壓器的分閘過電壓

由截流而引起的變壓器上的過電壓可達

(8-3)

截流值愈大則過電壓愈高，當截流發生在勵磁電流的幅值Im（即I0＝Im，U0＝0）時，有

(8-4)

(一)空載變壓器的分閘過電壓

(一)空載變壓器的分閘過電壓電流在幅值截斷后，電感中的電流iL和電容上的電壓（也即電感上的電壓）uC的波形。如不計衰減，iL和uC可寫成iL＝Imcosω0t (8-5)

(8-6)式中

(一)空載變壓器的分閘過電壓2.切空載變壓器過電壓的影響因素及其限制措施（1）斷路器性能。

通過在斷路器的主觸頭上并聯高值電阻（線性或非線性），能

有效地降低這種過電壓。（2）變壓器參數和結構。變壓器的LT愈大，CT愈小，過電壓愈高。

從變壓器繞組連接方式角度，采用糾結式繞組以及增加靜電屏蔽等措施增大變壓器的對地電容CT，可以限制這種過電壓；從變壓器鐵心角度，采用優質導磁材料，減小變壓器的勵磁電感LT或勵磁電流I0也可有效地限制這種過電壓。

（二）空載長線路的操作過電壓

電網中用斷路器切、合空載長線路、電纜以及電容器組也是一種常見的常規或故障操作方式。它們都涉及在電流為零（也就是在電壓為峰值）時斷開小電容電流。在這種操作過程中也會產生過電壓，并且可能波及整個電網。

切空載線路時電弧在觸頭間的每次重燃實質上就等于空載線路的一次合閘

（二）空載長線路的操作過電壓1.切除空載長線路過電壓的產生過程及限制措施

在電路切除前，可認為

電容電壓uC和電源電動

勢e近似相等，而流過

斷口的工頻電流iC超前

電源電壓90°。

L是電源與

線路的等值電感

C是線路的等值電容

通常ωL<<1/（ωC）

（二）空載長線路的操作過電壓

過電壓可按(Em),(-3Em),(5Em),(-7Em),(+9Em)，…，逐次增加而達到很大的數值。可見電弧的多次重燃是切除空載長線路產生危險過電壓的根本原因。（二）空載長線路的操作過電壓123（二）空載長線路的操作過電壓2.合閘空載線路過電壓的產生過程及限制措施(1)正常合閘。

由于正常的運行需要而進行的合閘操作稱為正常合閘.

圖中L為電源電感，

C為線路總電容，

L與C將構成振蕩回路,

振蕩角頻率

（二）空載長線路的操作過電壓直流電動勢E等于電網工頻相電壓的幅值Upm

或當電容C上無起始電壓時，即t＝0，uC＝0

uC＝E（1－cosω0t）

(8-8)回路的電流為

(8-9)＋E－C＋uC－L＋uL

－圖8-7

直流電壓作用在LC回路上（二）空載長線路的操作過電壓uC可以看作是由兩部分疊加而成：

第一部分為穩態值E

第二部分為振蕩部分。

過電壓＝穩態值＋振蕩幅值＝穩態值＋（穩態值－起始值）

＝2倍穩態值－起始值

(8-10)（二）空載長線路的操作過電壓（2）自動重合閘

運行中的線路發生故障時，由繼電保護系統控制斷路器跳閘后，經過一短暫時間后再合閘，即為自動重合閘操作，這也是電力系統中經常遇到的一種操作。（3）

影響因素及限制措施1）合閘相位2）線路殘壓3）線路損耗4）三相斷路器不同期合閘5）單相自動重合閘6）母線上接有其他出線時（二）空載長線路的操作過電壓1合理裝設并聯電抗器以及適當安排合閘操作程序，降低因線路電容效應等引起的工頻電壓升高2采用單相自動重合閘避免線路殘壓的影響3斷路器主觸頭上并聯合閘電阻4線路首末端裝設磁吹閥式避雷器或金屬氧化物避雷器（MOA）。（三）電弧接地過電壓1．電弧接地過電壓產生的基本原理

設三相電源相電壓為eA、eB、eC，各相對地電壓為uA、uB、uC。假設A相電壓在幅值（-Um）時對地閃絡（t＝0時刻），令Um＝1，則發弧前瞬間（t＝0－時刻）線路相對地電容C0上的初始電壓分別為uA(0－)＝-1，uB(0－)＝uC(0－)＝0.5（三）電弧接地過電壓發弧后瞬間（t＝0+時刻），A相對地電容C0上電荷通過電弧泄入地下其相電壓降為零，則此時uA(0+)＝0，uB(0+)＝uBA(0+)＝1.5，uC(0+)＝uCA(0+)＝1.5過渡過程中出現的最高振蕩電壓幅值將為UBm＝UCm＝2.5。過渡過程很快衰減，B、C相對地電容上的電壓穩定到線電壓eBA和eCA。經過半個工頻周期，t＝t1時刻，B、C相對地電容上的電壓將等于-1.5熄弧瞬間，B、C相對地電容上的電壓將各為-1.5，而A相對地電容上的電壓為零。在電弧熄滅后的瞬間，B、C相的電源電壓eB、eC均為-0.5，疊加結果作用在B、C相對地電容上的電壓仍為-1.5；而在電弧熄滅后的瞬間A相對地電源電壓eA為1。在t＝t2時刻，B、C相對地電容上的電壓變為-0.5，A相對地電容上的電壓則高達-2，這時可能引起故障點接地電弧重燃過渡過程的最高電壓為UBm＝UCm＝2×1.5－(-0.5)＝3.5。過渡過程衰減后，B、C相將穩定在線電壓運行。（三）電弧接地過電壓2．電弧接地過電壓的影響因素及限制措施產生電弧接地過電壓的根本原因：不穩定的電弧過程。

過電壓的持續時間較長，而且遍及全網，對網內裝設的絕緣較差的老設備、線路上存在的絕緣薄弱點、尤其是由發電機電壓直配電網中絕緣強度很低的旋轉電機等，都將存在較大的威脅，在一定程度上會影響電網的安全運行。限制措施：

由電弧接地過電壓的產生原理分析可以看出，產生該過電壓的根本原因在于電網中性點的電位偏移，要消除這種過電壓，可從改變中性點的接地方式入手，采用中性點直接接地或經消弧線圈接地方式運行。二、諧振過電壓隨著振蕩回路中電感元件的特性不同，諧振將呈現有三種不同的類型（一）線性諧振諧振回路由不帶鐵心的電感元件或勵磁特性接近線性的帶鐵心的電感元件和系統中的電容元件所組成。1只要串聯回路的電感和電容參數為常數，回路的自振頻率就是固定的，當電源頻率與之接近或相等時就會發生線性諧振現象。2當電源頻率ω＝ω0（自振角頻率）時，過電壓只能由回路電阻來限制，一般回路電阻很小，所以線性諧振過電壓幅值可能很高。（二）參數諧振諧振回路由電感參數作周期性變化的電感元件和系統電容元件（如空載線路）組成。當參數配合恰當時，通過電感的周期性變化，不斷向諧振系統輸送能量，將會造成參數諧振。1諧振可以在無電源時出現。此時諧振所需的能量是由改變電感參數的原動機直接供給的。2雖然電網中存在著一定的損耗電阻，只要每次參數變化所引入的能量大于電阻中的能量損耗，回路中的儲能就會愈積愈多，諧振就能發展。3鐵心電感的飽和是制約參數諧振過電壓和過電流幅值的主要因素。（三）鐵磁諧振諧振回路由帶鐵心的電感元件和系統中的電容元件組成。受鐵心飽和的影響，鐵心電感元件的電感參數是非線性的這種含有非線性電感元件的回路，在滿足一定諧振條件時會產生鐵磁諧振現象。由線性電容和鐵心電感組成的串聯鐵磁諧振回路。（三）鐵磁諧振1鐵心尚未飽和時的電感值L0滿足UL＞UC

即L0>1/（C）或C＞1/（2L0）。 2電感上電壓與電容上電壓之間的差值必定等于電源電壓。3電容越大，1/ωC就越小，曲線1的角變小，U0就變大，產生鐵磁諧振所需要的電源電壓升高的激發因素就越大。因此C值太大時，出現鐵磁諧振的可能性將減小。4在鐵磁諧振時，L和C上的電壓都不會象線性諧振時那樣趨于無限大，而是有一定的數值。UL由鐵心的飽和程度決定，而UC等于UL加上電源電壓。5鐵磁諧振的產生雖需由電源電壓大于U0來激發，但當激發過去后電源電壓降到正常值時，鐵磁諧振過電壓仍可能繼續存在，即諧振狀態可能自保持。6在鐵磁諧振發生前，即m點以前，感抗大于容抗，電路是感性的。但在諧振發生以后，即突變到n點以后，容抗已大于感抗，此時電路變為容性。7在交流電路中即使只有一個非線性電感L單獨存在，電流波形也會發生畸變。（三）鐵磁諧振2.限制和消除鐵磁諧振過的措施

主要措施有：改善電磁式電壓互感器的勵磁特性，或改用電容式電壓互感器；在電壓互感器開口三角形繞組中接入阻尼電阻，或在電壓互感器一次繞組的中性點對地接入電阻；在有些情況下，可在10kV及以下的母線上裝設一組三相對地電容器，或用電纜段代替架空線路段，以增大對地電容，從參數搭配上避開諧振；在特殊情況下，可將系統中性點臨時經電阻接地或直接接地，或投入消弧線圈，也可以按事先規定投入某些線路或設備以改變電路參數，消除諧振過電壓。（四）電力系統中常見諧振過電壓及其防治諧振過電壓諧振過電壓中性點不接地系統中電壓互感器飽和過電壓斷線諧振過電壓中性點接地系統中電壓互感器飽和過電壓傳遞過電壓超高壓系統中諧振過電壓（四）電力系統中常見諧振過電壓及其防治1.斷線諧振過電壓

電力系統運行中，常會出現導線斷落、斷路器非全相動作或嚴重的不同期操作、熔斷器的一相或兩相熔斷等故障，造成系統的非全相運行。

為了限制斷線過電壓，除了加強線路巡視與檢修，預防發生斷線外，常采取的措施有：不采用熔斷器，減少三相斷路器的不同期操作，盡量使三相同期；在中性點接地的系統中，操作中性點不接地的變壓器時，將變壓器中性點臨時接地。（四）電力系統中常見諧振過電壓及其防治2.中性點不接地系統中電壓互感器飽和過電壓

在中性點不接地的6～35kV配電網絡中，由于電壓互感器飽和而產生的內部過電壓事故最為頻繁，嚴重地影響供電安全。

采取措施：（1）選用勵磁特性較好的電磁式電壓互感器或只使用電容式電壓互感器。（2）在零序回路中接入阻尼電阻：在電壓互感器的開口三角繞組中短時接入電阻；在電壓互感器一次繞組的中性點對地接入電阻。（3）在個別情況下可在10kV及以下的母線上裝設一組三相對地電容器或利用電纜段代替架空線路段，減小對地容抗，有利于避免諧振。（4）特殊情況下，可將電網中性點改為暫時經電阻接地或直接接地也可以采用臨時的倒閘措施來改變電路參數，如投入事先規定好的某些線路或設備等，以消除諧振過電壓。（5）

禁止只使用一相或兩相電壓互感器接在相線與地線間，以保證三相對地阻抗的對稱性，避免中性點位移或產生諧振。

（四）電力系統中常見諧振過電壓及其防治3.中性點接地系統中電壓互感器飽和過電壓

在110kV、220kV中性點接地系統中，電壓互感器飽和過電壓出現在用斷口間具有并聯電容的斷路器切空載線路時。

4.傳遞過電壓

當系統中發生不對稱接地故障或斷路器不同期操作時，可能出現明顯的零序工頻電壓分量，通過靜電和電磁耦合在相鄰輸電線路之間或變壓器繞組之間會產生工頻電壓傳遞現象，從而危及低壓側電氣設備絕緣的安全；若與接在電源中性點的消弧線圈或電壓互感器等鐵磁元件組成諧振回路，還可能產生線性諧振或鐵磁諧振傳遞過電壓。（四）電力系統中常見諧振過電壓及其防治5.超高壓系統中的諧振過電壓由于超高壓系統電壓高、傳輸距離長，往往裝有串聯、并聯補償裝置，這些集中的電容、電感元件使網絡增加了諧振的可能性。主要有非全相切合并聯電抗器時的工頻傳遞諧振，串、并聯補償網絡的分頻諧振以及空載線路合閘于發電機變壓器單元接線時引起的高頻諧振等。（1）在電抗器中性點接入小電抗，只要參數選擇恰當，可以有效地避免工頻諧振，降低斷開相的工頻傳遞電壓。（2）在實際電力系統中最容易發生的高次諧波諧振是二次及三次諧波，五次諧波也有可能。（3）理論上簡單的鐵磁諧振回路中就可能產生各種不同分頻諧振。但試驗表明，最常見的是1/3分頻諧振。（4）高壓及超高壓系統中采用電容式電壓互感器也可能產生分頻諧振過電壓。三、工頻電壓升高合閘后0.1s時間內出現的電壓升高叫作操作過電壓。0.1s至1s時間內，由于發電機自動電壓調整器的惰性，發電機電動勢E‘尚保持不變，在E’的基礎上再加上空載線路的電容效應所引起的工頻電壓升高，總稱暫態工頻電壓升高。2～3s以后，系統進入穩定狀態，這時的工頻電壓升高為穩態工頻電壓升高。工頻電壓升高的主要原因：

空載長線路的電容效應、不對稱接地故障、發電機突然甩負荷等。三、工頻電壓升高1.空載長線路電容效應引起的工頻電壓升高對于一般電壓等級的輸電線路，傳輸距離不太長時，可以用集中參數T型或Π型等值電路表示。對于超高壓空載長線路，由于輸電線路電壓等級高，傳送距離長達幾百km。研究這種空載長線路電容效應引起的工頻電壓升高時，就需要采用分布參數模型。為了限制空載長線路的工頻電壓升高，通常采用并聯電抗器來補償線路電容電流以削弱電容效應。三、工頻電壓升高2.不對稱短路引起的工頻電壓升高

不對稱短路是輸電線路最常見的故障形式，當發生單相或兩相接地短路時，短路電流的零序分量會使健全相出現工頻電壓升高。接地系數

健全相的最高對地工頻電壓有效值與無故障時對地電壓有效值之比，用符號K表示。

單相接地故障引起的工頻電壓升高最為嚴重三、工頻電壓升高系統的零序電抗X0則因系統中性點接地方式的不同而有較大的差別對中性點不接地系統，X0取決于線路的容抗，故為負值。

3～10kV系統X0/X1值在－∞～－20的范圍內，單相接地時健全相上的工頻電壓升高可達1.1倍額定電壓。單相接地故障時，健全相電壓接近等于額定電壓。采用110％避雷器。對中性點經消弧線圈接地35～60kV系統，按補償度可以分為兩種情況。欠補償方式時，X0為很大的容抗，|X0/X1|→－∞；過補償方式時，X0為很大的感抗，|X0/X1|→＋∞。單相接地故障時，健全相的工頻電壓升高不大于1.4倍相電壓，即0.8倍額定電壓UN，故采用80％避雷器。330kV及以上系統輸送距離較長，計及長線路的電容效應時，線路末端工頻電壓升高可能超過系統最高電壓的80％，因而根據安裝位置分成電站型避雷器（80％避雷器）及線路型避雷器（90％避雷器）。

三、工頻電壓升高3.甩負荷引起的工頻電壓升高

當輸電線路重負荷運行時，由于某種原因（例如發生短路故障）線路末端斷路器突然跳閘甩掉負荷，是造成工頻電壓升高的另一重要原因，通常稱作甩負荷效應。

影響工頻電壓升高的因素：斷路器跳閘前輸送負荷的大小；空載長線路的電容效應；發電機勵磁系統及電壓調節器的特性，原動機調速器及制動設備的惰性，等等。第三節

電力系統防雷保護雷電的放電過程和雷電參數1電力系統的防雷保護裝置2架空輸電線路的防雷保護3發電廠和變電站的防雷保護4一、雷電的放電過程和雷電參數

根據實測結果：在5～12km高度的雷云主要是帶正電荷在1～5km高度的雷云主要是負電荷。雷云中的電荷分布常常是非常不均勻的，通常形成多個電荷密集中心。當云中電荷密集中心的場強達到25～30kV/cm時，就可能引發雷電放電。75～90％左右的雷電流是負極性的。（一）雷電放電過程（二）雷電參數雷電參數（二）雷電參數1．雷暴日和雷暴小時雷暴日（或雷暴小時）是指該地區一年四季中有雷電放電的天數（或小時數），記為Td（或Th）雷暴小時可用來區別不同地區每個雷暴日內雷電活動持續時間的差別。據統計，一個雷暴日折合3個雷暴小時。我國年平均雷暴日分布，西北少于25日，長江以北25～40日；長江以南40～80日，南方大于

80日平均雷暴日數超過90日的地區稱為強雷區，超過40日的稱為多雷區，不足15日的稱為少雷區。（二）雷電參數2．地面落雷密度表示每個雷暴日每平方公里地面受到的平均落雷次數，記為。Ng＝0.023Td1.3(8-14)

式中，Ng為每年每平方千米地面落雷數；Td為雷暴日數。地面落雷密度為＝0.023Td0.3(8-15)（二）雷電參數3．雷電流幅值雷電流是指雷擊于低接地阻抗（≤30Ω）的物體時流過該物體的電流，近似等于傳播下來的電流入射波的2倍。雷電流幅值I是表示雷電強度的指標。（圖8-15我國雷電流幅值概率曲線）在年平均雷暴日大于20的地區，測得的雷電流幅值I的概率曲線可用下式表示lgP＝－I/88(8-17)

式中，P為雷電流超過幅值I（kA）出現的概率。在年平均雷暴日數只有20或更少的地區lgP＝－I/44 (8-18)（二）雷電參數

4．雷電流的波前時間、波長和陡度雷電流的波前時間T1多在1～4s內，平均為2.6s左右，波長T2在20～100s內。我國規定在防雷設計中采用2.6／40s的波形，波長對防雷計算結果幾乎沒有影響，為簡化計算，一般可視波長為無限長。雷電流波前的上升陡度對過電壓有直接影響，定義雷電流的平均陡度為

＝I/2.6(kA/s)(8-19)

式中，

是雷電流陡度（kA/s），一般認為50kA/s左右是陡度的最大極限值。（二）雷電參數

5．雷電流的極性和等值計算波形

斜角平頂波標準雷電流沖擊波等值半余弦波3i＝I(1－cosωt)/2式中，ω為角頻率，ω＝π/T1。多用于分析雷電流波前的作用，用余弦函數波前計算雷電流通過電感支路時所引起壓降比較方便。在設計特高桿塔時，這種波形將使計算更加接近于實際且偏于從嚴。2陡度可由給定的雷電流幅值I和波前時間T1確定。斜角波的數學表達式最簡單，便于分析與雷電流波前有關的波過程。用于分析發生在10s以內的各種波過程，有很好的等值性。1i＝I(e－t－e－βt)式中，I為雷電流幅值（kA）；、為時間常數；t為作用時間。這種表示是與實際雷電波形最為接近的等值計算波形，但比較繁瑣。二、電力系統的防雷保護裝置能使被保護物體避免雷擊而引雷于本身，并順利地泄入大地的裝置。（一）避雷針避雷針包括三部分：接閃器(避雷針的針頭)、引下線和接地體避雷針的保護原理:雷云放電時使地面電場畸變，在避雷針的頂端形成局部

場強集中的空間以影響雷

電先導放電的發展方向，

使雷電對避雷針放電，再

經過接地裝置將雷電流引

入大地，從而使被保護物

體免遭雷擊。（一）避雷針單支避雷針的保護范圍近似一個圓錐體空間，如圖8-17所示。它的側面邊界線實際上是曲線，工程上以折線代替曲線。在被保護物高度hx水平面上的保護半徑rx為rx＝(h－hx)p

hx≥h/2 rx＝(1.5h－2hx)p

hx＜h/2式中，h為避雷針的高度；p為高度修正系數當h≤30m，p＝1；當30＜h≤120m時；當h＞30m，取h＝120m時的p值。（一）避雷針兩避雷針間的保護范圍應按通過兩避雷針頂點及保護范圍上部邊緣最低點O的圓弧確定，圓弧半徑為R0，O點高度h0按下式計算h0＝h－D/(7p) 式中，D為兩避雷針間的距離（m）；h0為兩避雷針間的保護范圍上部邊緣最低點O高度（m）（二）避雷線避雷線(即架空地線)的作用原理與避雷針相同，由三部分組成：

懸掛在空中的水平接地導線（接閃器）

接地引下線

接地體避雷線主要用于保護輸電線路，也可用來保護發電廠和變電站。（二）避雷線單根避雷線的保護范圍的長度與線路等長，而且兩端還有其保護的半個圓錐體空間。單根避雷線的保護范圍按下式計算

rx＝0.47(hS－hx)p，當hx≥hS/2時

rx＝(hS－1.53hx)p，當hx＜hS/2時（二）避雷線兩根避雷線間橫截面的保護范圍應由通過兩根避雷線1、2及保護范圍邊緣最低點O的圓弧確定，O點的高度為

h0＝hS－D/(4p)

式中，h0為兩根避雷線間保護范圍上部邊緣最低點O的高度（m）；D為兩根避雷線間的水平距離（m）；hS為避雷線的高度（m）；p為高度修正系數。所謂保護角是指桿塔上避雷線的鉛垂線與避雷線和邊導線的連線間的夾角。顯然，保護角越小，避雷線就越可靠地保護導線免受雷擊。單根避雷線的保護角不能太小，一般在20～30o。220～330kV雙避雷線線路，一般采用20o左右，500kV一般不大于15o；山區宜采用較小的保護角。（二）避雷線（三）避雷器避雷器就是一種普遍采用的侵入波保護裝置，它是一種過電壓限制器。早期主要用來限制由線路傳入的雷電過電壓的幅值，后來發展到用來限制某些小能量的操作過電壓。近年來已拓寬到線路防雷和深度限制操作過電壓的領域中，故也可稱為過電壓限制器，簡稱限壓器。為了使避雷器能夠達到預期保護效果，必須滿足下面基本要求：

（1）具有良好的伏秒特性，以易于實現合理的絕緣配合。

（2）有較強的絕緣強度自恢復能力，以利于快速切斷工頻續流，使電力系統得以繼續運行。（三）避雷器有間隙的避雷器

1.保護間隙

2.管式避雷器

3.帶間隙閥式避雷器避雷器

無間隙金屬氧化物避雷器（MOA）普通閥式避雷器磁吹閥式避雷器（三）避雷器1．保護間隙和管式避雷器保護間隙是一種最簡單的限壓器，它由兩個電極組成，并接在被保護設備的兩端。當雷電波侵入時，間隙先擊穿，線路接地，從而使電氣設備得到保護應用：在我國只用于10kV及以下場合。

優點最簡單的限壓缺點滅弧能力低（三）避雷器管式避雷器則是一個置于具有滅弧能力的產氣管內的保護間隙。應用：目前只是用作變電站進線段保護的輔助手段用來保護容量小的變電站及輸電線路上薄弱絕緣路段。

優點具有滅弧能力缺點伏秒特性太陡，且放電分散性較大，難以和被保護設備實現合理的絕緣配合；放電間隙動作后工作導線直接接地，會產生高幅值的截波，對變壓器的縱絕緣不利。（三）避雷器2．閥式避雷器閥式避雷器由裝在密封瓷套中的放電間隙組和非線性電阻(閥片)組成。閥式避雷器的工作原理：在電力系統正常工作時，間隙將電阻閥片與工作母線隔離，以免由母線的工作電壓在電

阻閥片中產生的電流燒壞閥片。當避雷器上過電壓的瞬時值達到放電間隙的沖擊放電電壓時，間隙擊穿，過電壓波即被截斷，由于間隙放電的伏秒特性低于被保護設備的沖擊耐壓強度，使被保護設備得到保護。間隙擊穿后，沖擊電流通過閥片流入大地，由于閥片的非線性特性，電流愈大電阻愈小，故在閥片上產生的壓降(稱為殘壓)將得到限制，此殘壓應比被保護設備絕緣的沖擊強度低2540％，設備就得到了保護。

（三）避雷器

普通閥式避雷器殘壓較高，其工頻續流在70～80A，采用多個串聯的平板間隙即可將續流切斷。但其熄弧完全依靠間隙的自然熄弧能力，其次閥片的熱容量有限，不能承受較長持續時間的內過電壓沖擊電流的作用。有較平坦的伏秒特性，動作時不會形成截斷波，所以可用作變電站中的變壓器等重要設備的保護。磁吹閥式避雷器利用磁場使電弧運動來加強去游離，以提高間隙滅弧能力。能切斷幅值為300/450A（旋弧型/滅弧柵型）左右的工頻續流，且避雷器的殘壓能得到顯著的降低，因此廣泛用于電壓較高的如保護變電站用的磁吹閥式避雷器中。（三）避雷器3．無間隙氧化鋅避雷器氧化鋅電阻片具有非常優異的非線性伏安特性，可以取消閥式避雷器中的串聯火花間隙，實現避雷器無間隙無續流，而且造價低廉所以也稱為金屬氧化物電阻片，以此制成的避雷器也稱為金屬氧化物避雷器(MOA)。

（三）避雷器氧化鋅（ZnO）閥片與碳化硅（SiC）閥片伏安特性曲線的比較

（三）避雷器1保護性能優越2無續流，動作負載輕，耐重復動作能力強3通流容量大4性能穩定，抗老化能力強氧化鋅避雷器的優點氧化鋅避雷器的主要參數1234567額定電壓

持續運行電壓起始動作電壓壓比荷電率保護比工頻耐受伏秒特性（四）防雷接地各種防雷保護裝置（避雷針、避雷線和避雷器）都必須配以合適的接地裝置，將雷電流泄入大地，才能有效地起到保護作用。接地電阻R是電流I經接地電極流入大地時，接地體對地電壓U與電流I之比值，即R＝U/I。忽略接地體的金屬電阻、接地引下線的電阻、接地體與土壤的接觸電阻等，則接地電阻主要是指接地體與零電位之間土壤的電阻。

（四）防雷接地沖擊接地電阻計算

沖擊接地電阻Ri與工頻接地電阻Re的比值αi為接地體的沖擊系數，即αi＝Ri/Re(8-26)

式中，αi的值一般小于1，當采用伸長接地體時，可能會因電感效應而大于1。在工程實際中，經常利用式（8-26）通過αi和Re計算Ri。工頻接地電阻Re工頻電流Ie作用時呈現的電阻沖擊接地電阻Ri沖擊電流作用時呈現的電阻接地電阻三、架空輸電線路的防雷保護直擊雷過電壓雷電直接擊中桿塔、避雷線或導線引起的線路過電壓雷電過電壓感應雷過電壓雷擊線路附近大地，由于電磁感應在導線上產生的過電壓繞擊反擊三、架空輸電線路的防雷保護耐雷水平I0指雷擊時線路絕緣不發生沖擊閃絡的最大雷電流幅值耐雷水平愈高，線路耐雷性能愈好雷擊跳閘率我國以40雷暴日、l00km長線路雷擊跳閘次數跳閘率愈高，耐雷性能愈差額定電壓UN/kV3566110220330500耐雷水平I0/kA20～3030～6040～7575～110100～150125～175雷電流超過I0的概率PIo/%59～4646～2135～1414～5.67.3～2.03.8～1.0注表中I0較大的數值適用于多雷區或重要性較大的線路或變電站的進線保護段。三、架空輸電線路的防雷保護

1使線路發生短路接地故障，雷電過電壓的作用時間雖然很短(數十微秒)，但導線對地(避雷線或桿塔)發生閃絡以后，工頻電壓將沿此閃絡通道繼續放電，進而發展成為工頻電弧接地。此時繼電保護裝置將會動作使線路斷路器跳閘，影響正常送電。2形成雷電波侵入變電站，在變電站內經歷復雜的折反射過程，可能使電力設備承受很高的過電壓，以致破壞設備絕緣，造成停電事故。降低桿塔接地電阻

采用中性點經消弧線圈接地安裝線路避雷器裝設自動重合閘三、架空輸電線路的防雷保護綜合防雷措施四、發電廠和變電站的防雷保護發電廠是生產電能的場所，變電站是電力系統的樞紐，一旦發生雷害事故，將造成大面積停電；同時，電氣設備的絕緣如受損壞，則需更換或修復，而且更換或修復的時間往往很長，將造成很大的影響。因此，發電廠和變電站的防雷保護要求十分可靠。發電廠和變電站的雷害情況有：1.雷電直接擊于發電廠和變電站；2.輸電線路上發生感應雷過電壓或直接落雷，雷電

波沿導線侵入變電站或發電機。（二）發電廠和變電站的直擊雷防護避雷針的裝設分為：獨立避雷針和構架避雷針獨立避雷針

設避雷針在高度為h處的電位為uA，接地裝置上的電位為uB，則

uA＝iRi＋L0hdi/dt(kV) (8-27)uB＝iRi(kV)

(8-28)

式中，L0為避雷針單位高度的等值電感（μH/m）；h為避雷針高度（m）；Ri

接地裝置的沖擊接地電阻（Ω）；i,di/dt為雷電流幅值和陡度（kA，kA/μs）。為了防止避雷針對被保護物體發生反擊，避雷針與被保護物體之間的空氣間隙s1應有足夠的距離若取空氣間隙的擊穿場強為E1(kV/m)，則s1應滿足下式要求s1＞uA/E1(m)

(8-29)（二）發電廠和變電站的直擊雷防護同理，為了防止避雷針接地裝置與被保護設備接地裝置之間擊穿造成反擊，若取土壤的擊穿場強為E2(kV/m)，兩者之間地中距離s2應滿足下式要求s2＞uB/E2(m) (8-30)

根據規程，取i＝100A，平均波前陡度(di/dt)av≈100/2.6kA/s，L0≈1.55H/m，空氣絕緣的平均耐壓強度取E1≈500kV/m，土壤的擊穿場強為E2≈300kV/m

代入式(8-27)～(8-30)，求得s1和s2應當滿足下列要求s1≥0.2Ri＋0.1h(m)(8-31)s2≥0.3Ri(m)(8-32)

式中，Ri取單位為Ω對應的數值，s1，s2，h的單位為m。獨立避雷針的工頻接地電阻不宜大于10Ω。在一般情況下，間隙距離s1不得小于5m，s2不得小于3m。（二）發電廠和變電站的直擊雷防護構架避雷針

利用發電廠和變電站的主接地網接地，接地網雖然很大，但在持續時間極短的沖擊電流作用下，只有離避雷針接地點約40m范圍內的接地體才能有效地導出雷電流。因此，構架避雷針接地點附近應加設3～5根垂直接地極或水平接地帶。（二）發電廠和變電站的直擊雷防護1獨立避雷針應距道路3m以上，否則應鋪碎石或瀝青路面(厚5～8cm)，以保證人身不受跨步電壓的危害。

2嚴禁將架空照明線、電話線、廣播線及天線等裝在避雷針上或其構架上。3發電廠主廠房上一般不裝設避雷針，以免發生感應或反擊，使繼電保護誤動作或造成絕緣損壞。4110kV及以上的配電裝置，可以將線路的避雷線引到出線門型構架上，但土壤電阻率大于1000Ω·m的地區，應裝設集中接地裝置。35～60kV配電裝置的絕緣水平較低，為防止發生反擊事故，如土壤電阻率不大于500Ω·m的地區，才允許將避雷線引到出線門型構架上，但應裝設集中接地裝置。如土壤電阻率大于500Ω·m時，避雷針則應在終端桿上終止，最后一檔線路的保護可采用獨立避雷針，也可在終端桿上加裝避雷針。安裝避雷針注意事項（三）變電站的侵入波防護變電站中限制侵入波的主要設備是閥式避雷器，它接在變電站母線上，與被保護設備相并聯，并使接在母線上的所有電氣設備受到可靠的保護。對于規模較大的高壓、超高壓變電站，由于電氣距離大、接線復雜，一般是根據經驗設計出避雷器的布置，然后經過計算機計算或模擬試驗的驗證后，確定出合理的保護接線。（四）變電站的進線段保護進線段保護是指臨近變電站1～2km的一段線路上加強防雷保護措施。當線路全線無避雷線時，這段線路必須架設避雷線；當線路全線有避雷線時，則應使這段線路具有更高的耐雷水平，以減小進線段內繞擊和反擊形成侵入波的概率。（四）變電站的進線段保護1．35kV及以上變電站進線段保護對于35～110kV無避雷線的線路，在靠近變電站的一段進線段上，必須架設避雷線，以保證雷電波只在此進線段外出現，進線段內出現雷電波的概率將大大減少。架設避雷線的線段稱為進線保護段，其長度一般取為1～2km。對變電站35kV及以上電纜進線段，在電纜與架空線的連接處，由于波的多次折、反射，可能形成很高的過電壓，因而一般都需裝設避雷器保護；避雷器的接地端應與電纜金屬外皮連接。（四）變電站的進線段保護

進線段的耐雷水平額定電壓kV3566110220330500耐雷水平kV一般線路20～3030～6040～7575～110100～150125～175耐雷水平kV大跨越檔和進線段306075110150175（五）變壓器中性點和配電變壓器的保護1.變壓器中性點的保護

變壓器的中性點不接地或經消弧線圈接地，在結構上是全絕緣的，即中性點的絕緣強度(絕緣水平)與端部繞組的相同。設計技術規程規定35～60kV變壓器中性點一般不需保護。屬于有效接地系統，其中一部分變壓器的中性點系直接接地，同時為了限制單相接地電流和滿足繼電保護的需要，一部分變壓器的中性點是不接地的。變壓器中性點直接接地或經小電抗接地（用以限制單相接地電流），其絕緣水平為35kV級，并用相應等級的避雷器保護。（五）變壓器中性點和配電變壓器的保護2．配電變壓器的防雷保護對于3～10kV配電變壓器多采用Y，yn0接線方式，高壓繞組的中性點并沒有引出來，低壓側為三相四線制，其額定電壓為380/220V。為了限制高壓線路傳入變壓器的雷電過電壓，配電變壓器的高壓側必須裝設閥式避雷器，且閥式避雷器的接地端應直接接在配電變壓器的外殼上，同時低壓側的中性點也必須連在變壓器的外殼上以避免外殼對低壓側的反擊。為了限制由低壓側傳入配電變壓器的雷電過電壓，配電變壓器低壓側的相線和零線間也要加裝避雷器，其接地端也必須連在變壓器的外殼上。（六）GIS變電站的防雷保護2．配電變壓器的防雷保護GIS變電站（全封閉SF6氣體絕緣變電站）是除變壓器以外的整個變電站的高壓電力設備及母線封閉在一個接地的金屬殼內，殼內充以0.3～0.4MPa壓力的SF6氣體作為相間和對地的絕緣，它是一種新型的變電站。（六）GIS變電站的防雷保護1GIS的結構緊湊，設備之間的電氣距離小，避雷器離被保護設備較近，防雷保護容易實現。2GIS絕緣的伏秒特性很平坦，其沖擊系數很小(1.2～1.3)，因此它的絕緣水平主要決定于雷電沖擊電壓。3GIS內的絕緣完全不允許發生電暈，一旦出現電暈，將立即導致擊穿，而且沒有自恢復能力，將導致整個GIS系統的損壞。4GIS中的同軸母線筒的波阻抗一般在60～100Ω之間，遠比架空線路低，從架空導線侵入的過電壓波經過折射，其幅值和陡度都顯著變小，因此這對變電站進行波保護措施比常規變電站也是容易實現些。

GIS的防雷保護的特點（七）旋轉電機的防雷保護旋轉電機包括發電機、同步調相機、變頻機和電動機等，它們是電力系統的重要設備，要求具有十分可靠的防雷保護。旋轉電機與輸電線路的連接有兩種形式：

不經變壓器而直接與配電網絡連接的稱為直配電機

經過變壓器后再與輸電線路連接的稱為非直配電機（七）旋轉電機的防雷保護旋轉電機防雷的特點1電機的沖擊絕緣強度低。2較多用磁吹閥式避雷器作為旋轉電機的主保護。3為了保護電機繞組匝間絕緣，要求嚴格限制來波陡度。（七）旋轉電機的防雷保護

直配電機防雷保護1在每組發電機出線上裝一組氧化鋅避雷器或磁吹閥式避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的殘壓與電機的絕緣水平相配合。2在發電機電壓母線上裝一組并聯電容器C，以限制侵入波陡度和降低感應過電壓。3采用進線段保護，限制流經磁吹閥式避雷器的雷電流，使之小于3kA。電纜段與管式避雷器配合是典型的進線保護方式。4發電機中性點有引出線時，中性點加裝避雷器保護，否則需加大母線并聯電容以進一步降低侵入波的陡度。（七）旋轉電機的防雷保護3.非直配電機防雷

非直配電機所受到的過電壓均須經過變壓器繞組之間的靜電和電磁傳遞，只要變壓器的低壓繞組不是空載運行，傳遞過來的電壓就不會太大，只要電機的絕緣狀態正常，一般不會構成威脅。第四節

電力系統絕緣配合概述1絕緣配合方法2輸變電設備絕緣水平的確定3架空輸電線路的絕緣配合4一、概述所謂絕緣配合，就是綜合考慮電氣設備在系統中可能承受的各種作用電壓、保護裝置的特性和設備絕緣對各種工作電壓的耐受特性，合理選擇設備的絕緣水平

以使設備的造

價、維護費用

和設備絕緣故

障所引起的事

故損失，達到

在經濟上和安

全運行上總體效益最高的目的。技術經濟一、概述電力系統中存在著許多絕緣配合的問題1架空線路與變電站之間的絕緣配合2同桿架設的雙回路線路之間的絕緣配合3電氣設備內絕緣與外絕緣之間的絕緣配合4各種外絕緣之間的絕緣配合5各種保護裝置之間的絕緣配合6被保護絕緣與保護裝置之間的絕緣配合二、絕緣配合方法簡化統計法統計法慣用法絕緣配合方法（一）慣用法慣用法是按作用在設備絕緣上的最大過電壓和設備最小絕緣強度相配合的方法，即首先確定設備上可能出現的最大過電壓，然后根據運行經驗，考慮適當的安全裕度來確定絕緣應耐受的電壓水平。根據兩級配合的原則，確定電氣設備絕緣水平的基礎是避雷器的保護水平，即避雷器上可能出現的最大電壓，再乘以一個配合系數，即可得出絕緣水平。（一）慣用法由于220kV（其最大工作電壓Umax為252kV）及以下高壓和220kV以上超高壓電力系統（EHV）在過電壓保護措施、絕緣耐壓試驗項目、最大工作電壓倍數、絕緣裕度取值等方面都存在差異，所以在絕緣配合時按電壓等級分成如下兩個電壓范圍。

范圍I：

3.5kV≤Umax≤252kV

范圍II：

Umax＞252kV（一）慣用法1.雷電過電壓下的絕緣配合

電氣設備在雷電過電壓下的絕緣水平通常用它們的基本沖擊絕緣水平（BIL）來表示，有時亦稱為額定雷電沖擊耐壓水平，可由下式求得

BIL＝KLUP(L)

(8-33)

式中，UP(L)為閥式避雷器在雷電過電壓下的保護水平（kV），通常簡化為配合電流下的殘壓UR作為保護水平；KL為雷電過電壓下的配合系數，其值在1.2~1.4范圍內。國際電工委員會（IEC）規定KL≥1.2，我國規定電氣設備與避雷器相距很近時取1.25，相距較遠時取1.4。（一）慣用法2.操作過電壓下的絕緣配合（1）若變電站內的閥式避雷器只用作雷電過電壓保護，在內過電壓下避雷器應不動作。則須依靠別的降壓或限壓措施加以限制，而絕緣本身應能耐受可能出現的內部過電壓。對于這一類變電站中的電氣設備來說，其操作沖擊絕緣水平（SIL），有時亦稱額定操作沖擊耐壓水平，可按下式求得SIL＝KSK0U (8-34)

式中，KS為操作過電壓下的配合系數，K0為操作過電壓計算倍數，U為相電壓。

系統額定電壓/kV66及以下35及以下110～220中性點接地方式有效接地經小電阻接地有效接地相對地操作過電壓計算倍數4.03.23.0（一）慣用法

（2）對于范圍II（EHV）的電力系統，過去采用的操作過電壓計算倍數：330kV時K0為2.75倍，500kV時K0為2.0～2.2倍。目前普遍采用氧化鋅或磁吹避雷器來同時限制雷電與操作過電壓，故不采用上述計算倍數，因為這時的最大操作過電壓幅值將取決于避雷器在操作過電壓下保護水平UP(S)。對于這一類變電站的電氣設備來說，其操作沖擊絕緣水平應按下式計算SIL＝KSUP(S) (8-35)

式中，KS為操作過電壓下的配合系數，KS＝1.15～1.25。

（一）慣用法3.工頻絕緣水平的確定國際電工委員會（IEC）作如下規定：（1）對于300kV以下的電氣設備：絕緣在工頻工作電壓、暫時過電壓和操作過電壓下的性能用短時（1min）工頻耐壓試驗來檢驗；絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗來檢驗。（2）對于300kV及以上的電氣設備：絕緣在操作過電壓下的性能用操作沖擊耐壓試驗來檢驗；絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗來檢驗。

（二）統計法采用絕緣配合統計法作絕緣配合的前提：

充分掌握作為隨機變量的各種過電壓和各種絕緣電氣強度的統計特性（概率密度、分布函數等）。因此，應用統計法進行絕緣配合是相當麻煩和困難的。我國電力行業標準規定：

在確定范圍Ⅱ的架空線路操作過電壓下的絕緣水平時，可用將過電壓峰值和絕緣強度作為隨機變量的統計法；在確定范圍Ⅰ的架空線路操作過電壓的絕緣水平時，仍以計算用最大操作過電壓為基礎進行絕緣配合。

（三）簡化統計法簡化統計法實質：

利用有關參數概率統計特性，但沿用慣用法計算程序的一種混合型絕緣配合方法。把這種方法應用到概率特性為已知的自恢復絕緣上，就能計算出在不同的統計安全因數KS下的絕緣故障率R，這對于評估系統運行可靠性是重要的統計安全因數KS：

KS＝UW/US

(8-36)三、輸變電設備絕緣水平的確定變壓器的絕緣水平與避雷器的保護水平的配合就代表了輸變電設備的絕緣配合。12三、輸變電設備絕緣水平的確定根據我國的電氣設備制造水平、電力系統的運行經驗，并參考IEC推薦的絕緣配合標準，國標GB311.1-83規定了3～500kV電氣設備耐受電壓標準，如表8-5所示。1）對3～15kV的設備給出了每種基準絕緣水平的系列I和系列II。2）對220～500kV的設備，給出了兩種基準絕緣水平，由用戶根據電網特點和過電壓保護裝置的性能等具體情況加以選用，制造廠按用戶要求提供產品。四、架空輸電線路的絕緣配合架空輸電線路的絕緣配合主要內容為：

線路絕緣子串的選擇

確定線路上各空氣間隙的極間距離——空氣間距。（一）絕緣子串的選擇1在工作電壓下不發生污閃2在操作過電壓下不發生濕閃3具有足夠的雷電沖擊絕緣水平，能保證線路耐雷水平與雷擊跳閘率滿足規定要求線路絕緣子串應滿足的要求1根據機械負荷和環境條件選定絕緣子型號2按工作電壓所要求的泄漏距離選擇絕緣子片數3按操作過電壓的要求計算應有的片數4選擇上面②、③所得片數中的較大者，并校驗該