8.3電力系統防雷保護

電力系統的防雷保護包括了線路、變電所、發電廠等各個環節。本節內容：8.3.1輸電線路的防雷保護8.3.2發電廠和變電所的防雷保護返回8.3.1輸電線路的防雷保護

在整個電力系統的防雷中，輸電線路的防雷問題最為突出。這是因為輸電線路綿延數千里、地處曠野、又往往是周邊地面上最為高聳的物體，因此極易遭受雷擊。

輸電線路防雷性能的優劣，工程中主要用耐雷水平和雷擊跳閘率兩個指標來衡量。所謂耐雷水平，是指雷擊線路絕緣不發生閃絡的最大雷電流幅值〔單位為kA〕。1.輸電線路上的感應雷過電壓

雷擊線路附近地面時，在線路的導線上會產生感應雷過電壓，由于雷擊地面時雷擊點的自然接地電阻較大，雷電流幅值I一般不超過100kA。實測證明，感應過電壓一般不超過300-400kV，對35kV及以下水泥桿線路會引起一定的閃絡事故；對110kV及以上的線路，由于絕緣水平較高，所以一般不會引起閃絡事故。感應雷過電壓同時存在于三相導線，故相間不存在電位差，只能引起對地閃絡，如果二相或三相同時對地閃絡即形成相間閃絡事故。

設避雷線和導線懸掛的對地平均高度分別為hg和hc,假設避雷線不接地，那么根據教材公式(8-18)可求得避雷線和導線上的感應過電壓分別為和。于是

2.輸電線路的耐雷水平

我國110kV及以上線路一般全線都裝設避雷線，而35kV及以下線路一般不裝設避雷線，中性點直接接地系統有避雷線的線路遭受直擊雷一般有三種情況：①雷擊桿塔塔頂；②雷擊避雷線檔距中央；③雷電繞過避雷線擊于導線，如圖8-21所示。圖8-21有避雷線線路直擊雷的三種情況〔1〕雷擊桿塔塔頂時的耐雷水平運行經驗說明，雷擊桿塔的次數與避雷線的根數和經過地區的地形有關，雷擊桿塔次數與雷擊線路總次數的比值稱為擊桿率g，DL/T620—1997標準，擊桿率g可采用表8-5所列數據。表8-5桿率g避雷線根數12平原1/41/6山丘1/31/4雷擊塔頂前，雷電通道的負電荷在桿塔及架空地線上產生感應正電荷；當雷擊塔頂時，雷通道中的負電荷與桿塔及架空地線上的正感應電荷迅速中和形成雷電流，如圖8-22〔a〕所示。圖8-22〔a〕雷擊塔頂時雷電流的分布(b)雷擊塔頂時等值電路對于一般高度(40m以下)的桿塔，在工程近似計算中采用圖8-22〔b〕的集中參數等值電路進行分析計算，考慮到雷擊點的阻抗較低，故略去雷電通道波阻的影響。圖8-22〔a〕雷擊塔頂時雷電流的分布(b)雷擊塔頂時等值電路〔2〕雷擊避雷線檔距中央雷擊避雷線檔距中央時，雷擊點會出現較大的過電壓，如圖8-23所示，根據彼德遜法那么，由教材中公式〔8-15〕，雷擊點A的電壓為：式中—避雷線的波阻抗圖8-23雷擊避雷線檔距中央1—避雷線2—導線〔3〕雷電繞擊于導線時的耐雷水平裝設避雷線的線路仍然有雷繞過避雷線而擊于導線的可能性，雖然繞擊的概率很小，但一旦出現此情況，那么往往會引起線路絕緣子的閃絡。雷電繞擊線路的電氣幾何模型如圖8-24所示。圖8-24雷電繞擊線路的電氣幾何模型3.輸電線路的雷擊跳閘率

雷電流超過線路的耐雷水平，會引起線路絕緣發生沖擊閃絡。這時，雷電流沿閃絡通道入地，但持續時間只有幾十

，線路斷路器來不及動作。閃絡后是否會引起線路跳閘，還要看閃絡能不能轉化成穩定的工頻電弧。其概率稱為建弧率以

表示，與沿絕緣子串和空氣間隙的平均運行電壓梯度有關。可用下式表示：式中：E—絕緣子串的平均運行電壓梯度，kV(有效值)/m。

雷擊桿塔頂部發生閃絡并建立電弧引起跳閘的次數,雷繞過避雷線擊于導線發生閃絡并建立電弧引起跳閘的次數。有避雷線線路的雷擊跳閘率n可按下式計算：式中：N—落雷次數，次/(100km·a)；

—建弧率；

g—擊桿率；—超過雷擊桿塔頂部時耐雷水平的雷電流概率；

—超過雷繞擊導線時耐雷水平的雷電流概率；

—繞擊率(包括平原和山區)。4.輸電線路的防雷措施輸電線路的防雷措施主要做好以下“四道防線〞：防止輸電線路導線遭受直擊雷；防止輸電線路受雷擊后絕緣發生閃絡；防止雷擊閃絡后建立穩定的工頻電弧；防止工頻電弧后引起中斷電力供給。確定輸電線路防雷方式時，還應全面考慮線路綜合因素，因地制宜地采取合理的保護措施。〔1〕架設避雷線〔2〕降低桿塔接地電阻〔3〕架設耦合地線〔4〕采用不平衡絕緣方式〔5〕采用中性點非有效接地方式〔6〕裝設避雷器〔7〕加強絕緣〔8〕裝設自動重合閘主要保護措施：返回8.3.2發電廠和變電所的防雷保護

發電廠和變電所是電力系統的樞紐，設備相對集中，一旦發生雷害事故，往往導致發電機、變壓器等重要電氣設備的損壞，更換和修復困難，并造成大面積停電，嚴重影響國民經濟和人民生活。因此，發電廠和變電所的防雷保護要求十分可靠。

變電所中出現的雷電過電壓的兩個來源：雷電直擊變電所；沿輸電線入侵的雷電過電壓波。1.直擊雷過電壓的防護直擊雷防護的措施主要是裝設避雷針或避雷線，使被保護設備處于避雷針或避雷線的保護范圍之內，同時還必須防止雷擊避雷針或避雷線時引起與被保護物的還擊事故。當雷擊獨立避雷針時，如圖8-27所示。圖8-27雷擊獨立避雷針1—母線2—變壓器雷電流經避雷針及其接地裝置在避雷針h高度處和避雷針的接地裝置上將出現高電位UA(kV)和UG(kV)。圖8-27雷擊獨立避雷針1—母線2—變壓器式中:i——流過避雷針的雷電流，kA；Ri——避雷針的沖擊接地電阻，單位為Ω；L——避雷針的等值電感；

——雷電流的上升陡度，kA／

。為了防止避雷針與被保護的配電構架或設備之間的空氣間隙Sa被擊穿而造成還擊事故，必須要求Sa大于一定距離，取空氣的平均耐壓強度為500kV／m；為了防止避雷針接地裝置和被保護設備接地裝置之間在土壤中的間隙Se被擊穿，必須要求Se大于一定距離，取土壤的平均耐電強度為300kV／m，Sa和Se應滿足下式要求:

Sa≥0.2Ri＋0.1hSe≥0.3Ri2.侵入波過電壓的防護變電所中限制雷電侵入波過電壓的主要措施是裝設避雷器。如果三臺避雷器分別直接連接在變壓器的三個出線套管端部，只要避雷器的沖擊放電電壓和殘壓低于變壓器的沖擊絕緣水平，變壓器就得到可靠的保護。但在實際中，變電所有許多電氣設備需要防護，而電氣設備總是分散布置在變電所內，常常要求盡可能減少避雷器的組數，又要保護全部電氣設備的平安，加上布線上的原因，避雷器與電氣設備之間總有一段長度不等的距離。3.變電所的進線段保護

變電所的進線段保護是對雷電侵入波保護的一個重要輔助措施，就是在臨近變電所1～2km的一段線路上加強防護。進線段保護的作用在于限制流經避雷器的雷電流幅值和侵入波的陡度。35kV～110kV變電所的進線段保護接線如圖8-32所示。

圖8-3235kV～110kV變電所進線保護接線4.變壓器防雷保護的幾個具體問題〔1〕變壓器中性點防雷保護。當三相來波時，在變壓器中性點的電位理論上會到達繞組首端電壓的兩倍，因此需要考慮變壓器中性點的保護問題。〔2〕三繞組變壓器的防雷保護。高壓側有雷電過電壓波時，通過繞組間的靜電耦合和電磁耦合，低壓側出現一定過電壓。在任一相低壓繞組加裝閥式避雷器。圖8-35自耦變壓器的防雷保護接線〔3〕自耦變壓器的防雷保護自耦變壓器除高、中壓自耦繞組之外，還有三角形接線的低壓非自耦繞組。上下壓繞組運行而中壓開路時，假設有侵入波從高壓端線路襲來，繞組中電位的起始與穩態分布以及最大電位包絡線都和中性點接地的繞組相同。自耦變壓器的防雷保護接線如圖8-35所示。

配電變壓器的防雷保護接線如圖8-36所示，其3～10kV側應裝設閥式避雷器FS-3～10或保護間隙來保護，構成變壓器高壓側FS的接地端點、低壓繞組的中性點和變壓器金屬外殼三點聯合接地。〔4〕配電變壓器的防雷保護圖8-36配電變壓器的保護接線5.旋轉電機的防雷保護

旋轉電機包括發電機、調相機、大型電動機等，是電力系統的重要設備，要求具有十分可靠的防雷保護。〔1〕旋轉電機的防雷保護特點在相同電壓等級的電氣設備中，旋轉電機的絕緣水平是最低的。2)電機在運行中受到發熱、機械振動、臭氧、潮濕等因素的作用使絕緣容易老化。3)保護旋轉電機用的磁吹避雷器(FCD型)的保護性能與電機絕緣水平的配合裕度很小。4)由于電機繞組的匝間電容K很小。5)電機繞組中性點一般是不接地的。〔2〕直配電機的防雷保護1)發電機出線母線上裝一組MOA或FCD型避雷器，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，保護電機主絕緣。2)采用進線段保護，一般采用電纜段與排氣式避雷器配合的典型進線段保護。3)在發電機母線上裝設一組并聯電容器，包括電纜段電容在內一般每相電容應為0.25～0.5μF，可以限制雷電侵入波的陡度a使之小于2kV/μs，同時可以降低感應雷過電壓使之低于電機沖擊耐壓強度，保護電機匝間絕緣和中性點絕緣。4)發電機中性點有引出線時，中性點應加裝避雷器保護，如電機繞組中性點并未引出，那么每相母線并聯電容應增至1.5～2.0μF。60MW以上的電機(其中包括60MW的電機)一般都經變壓器升壓后接至架空輸電線絡。在多雷區的非直配電機，宜在電機出線上裝設一組旋轉電機用的避雷器。如電機與升壓變壓器之間的母線橋或組合導線無金屬屏蔽局部的長度大于50m時，除應有直擊雷保護外，還應采取防止感應雷過電壓的措施，即在電機母線上裝設每相不小于0.15F的電容器或磁吹避雷器；此外，在電機的中性點上還宜裝設滅弧電壓為相電壓的閥式避雷器。〔3〕非直配電機的防雷保護6.氣體絕緣變電所的防雷保護

氣體絕緣變電所(GIS)是將除變壓器以外變電所內的高壓電器設備及母線封閉在一個接地的金屬殼內，殼內充以3～4個大氣壓的SF6氣體作為相間及相對地的絕緣。GIS變電所具有體積小，占地面積小，維護工作量小，不受周圍環境條件影響，對環境無電磁干擾，運行性能可靠等優點。2)66kV及以上進線有電纜段的GIS變電所66kV及以上進線有電纜段的GIS變電所，在電纜與架空線路的連接處應裝設金屬氧化物避雷器(FMO1)，其接地端應與電纜的金