§6-3 变电所的防雷保护

要求：理解发电厂变电所直击雷的产生及防雷保护，阀型避雷的保护以及进线段保护

发电厂、变电所遭受雷击可能来自两个方面：

一是：雷直击于发电厂、变电所；二是：雷击线路，沿线路向发电厂、变电所入侵的雷电波。

对于直击雷的保护，一般采用避雷针或者避雷线。

对于雷击线路所形成的入侵雷电波，由于线路的绝缘水平高于发电厂、变电所的绝缘水平，所以必须对发电厂、变电所采用防雷保护。其保护的措施一是：在发电厂、变电所内装设阀型避雷器以限制入侵雷电波的幅值，使得设备上的过电压不超过其冲击耐压值；二是：在发电厂、变电所的进线上设置进线段保护，以限制流经避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度；三是：对直接与架空线相连的旋转电机（又称直配电机），在电机母线上装设电容器，限制入侵雷电波陡度以保护电机匝间绝缘和中性点绝缘。

§6-3-1 发电厂、变电站的直击雷保护

对于发电厂和变电站的直击雷保护，除了应装设避雷针外，还应保证避雷针不发生反击事故。所以，装设避雷针的时候，除了应考虑避雷针的保护范围之外，还应该考虑不发生反击时所满足的条件。

架设避雷针有两种情况：独立避雷针和构架避雷针。

（1）独立避雷针

独立避雷针的示意图如图10.1所示。

其中，h为配电构架的高度，L为避雷针的单位长度的等值电感，R_ch为避雷针的冲击接地电阻，i_L为雷电流，S_k为避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙，S_d为避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙。

为防止反击事故发生，则必须要求S_k与S_d大于一定的值。

1）S_k的取值

对于配电构架或者被保护设备而言，其对地电位为零电位。

对于避雷针而言，当有雷电流流过避雷针的时候，在避雷针h高度处，将产生高电位u_k，且有：

因此，在h处，间隙S_k承受的电压最高为u_k。要求不发生反击，则要求u_k不能超过间隙的

击穿电压。间隙的击穿电压值用平均抗电强度来表示，也就是场强E_av表示。因此有：

 （不发生反击）

若取i_L的幅值为100kA，，，

则有：

2）S_d的取值

对于配电构架或被保护设备而言，其接地装置的电位为地电位。对于避雷针的接地装置而言，当有雷电流流过时，接地装置上的电位为u_d，且有：

因此，土壤间隙S_d承受的最高电位为u_d。要求不发生反击，则要求u_d不能超过间隙S_d的击穿电压。S_d的击穿电压同样用平均抗电强度表示，用表示。则有：

同样，取i_L的幅值为100kA，，则有：

（2）构架避雷针

将避雷针装设在配电装置的构架上，称为构架避雷针。

这种架设避雷针的方法适用于110kV以上的配电装置。构架避雷针适用的电气设备绝缘水平较高，一般不会造成反击事故。

§6-3-2 变电站内阀型避雷器的保护作用

变电站中限制雷电入侵波过电压的主要措施是装设避雷器。因此，讨论变电站的入侵波保护就是讨论避雷器的保护作用。这种避雷器即是阀型避雷器。在此，有必要再讨论避雷器的工作特性。

（1）阀型避雷器的工作特性

1）火花间隙的工作特性（伏秒特性）

当电压超过火花间隙的击穿电压时，火花间隙被击穿。它的击穿电压由阀型避雷器的伏秒特性所决定。其伏秒特性如图10.2所示。

图10.2 火花间隙的伏秒特性

2）非线性电阻的伏安特性

当火花间隙被击穿之后，间隙相当于短路，冲击电流全加在非线性电阻上。此时，电阻阀片

于其非线性作用，会限制其上残留的电压，从而限制被保护设备上的电压。这个电压称为残压，由其伏安特性所决定。其伏安特性如图10.3所示。

图10.3 非线性电阻的伏安特性

由此可知，残压与非线性电阻上流过的冲击电流有关系。当雷电冲击电流在很大范围内变化的时候，残压近乎不变。

利用阀型避雷器来限制雷电入侵波过电压的时候，根据阀型避雷器装设的地点不同，其保护作用也不同。

（2）变压器和避雷器之间的距离为零的情况

即是避雷器就装设在变压器旁边。这种情况的示意图如图10.4（a）所示。

由图可知，避雷器上所承受的电压即是变压器上所承受的电压。那么，变压器上电压随时间变化如何呢？

1）避雷器未动作

避雷器未动作时，其等值电路如图10.4（b）所示。

此时，入侵波u沿着架空线路传播到变压器处，相当于架空线路末端开路，因此，此时可利用彼得逊等值电路求得此时变压器处的电压为：

其等值电路中，Z₁为架空线的波阻抗，2u相当于彼得逊等效电路中的电压源，Z₁相当于电源内阻，u_b为变压器上的电压，也为避雷器上的电压。

2）避雷器动作

l  等值电路

利用彼得逊等值电路，可得到避雷器动作之后的等值电路，如图10.4（c）所示。入侵波电流i_b流过了非线性电阻，在其上产生电压u_b，u_b即是避雷器动作后变压器上的电压，也是避雷器上的电压。且有：

其中，决定于避雷器的伏安特性。

l  u_b的求取

上式中，u与i_b均是与雷电冲击波形相关的参数，欲求得避雷器动作后任意时刻的u_b，只能在得知u的波形、避雷器的伏安特性、避雷器的伏秒特性的情况下，通过绘图可知，如图10.5所示。

l  u_b曲线的绘制

²  在u-i_b，u-t坐标图中绘出2u的波形，避雷器的伏安特性，伏秒特性。

²  在u-i_b中绘出i_bZ₁的直线，进而绘出。

²  在曲线2u的峰值处作一条水平线交于于点A，A点在u-i_b坐标系中所对应的横坐标i_b即为雷电流的峰值i_bm。

²  此时，由于非线性电阻的作用，避雷器上的残压为最大残压u_r=u_bm，即是图中B点对应的电压。

²  将u_bm反映到u-t坐标系中，此时为2u峰值与时间轴的垂线B点（u_bm）与u轴的垂线之交点C。C点即是t时刻变压器或者避雷器上对应的电压，也是避雷器动作后，其上的最高残压。

²  当时，避雷器动作，时间为t_d，交点为D点，此时，将的值反映到u-i_b的坐标系中，可以得到u_b的值为u_bd（图中E点）。

²  将u_bd反映到u-t坐标系中，可找到避雷器动作瞬间，避雷器上的电压u_b=u_bd，如图中F点。（利用寻找u_bd）

²  利用此方法可以得到避雷器动作后，任意时刻的u_b的值，将其连接起来，在u-t坐标系中，构成u_b的曲线。在此，仅仅作出两个特殊点（C点和F点）。

²  而避雷器动作前的u_b与2u相等。

3）对变压器冲击耐压值的要求

l  实际的110-220kV的变电站中，流经避雷器的电流一般不超过5kA，故避雷器上残压最大值取为5kA以下的数值；而5kA以下的冲击放电电压时（火花间隙击穿时）避雷器上的电压。所以这种情况下在对u_b的分析中，将u_b近似为斜角平顶波。其幅值为u_bm=u_bd，波头取决于间隙放电时刻t_d。斜角平顶波的示意图如图10.6所示。

l  这也就是说，一旦火花间隙击穿，变压器或者避雷器上的电压一直保持最大残压u_bm（u_r）不变。

l  因此，变压器要受到保护，只要变压器上的冲击耐压值大于避雷器的冲击放电电压值或者最大残压值。

（3）变压器和避雷器之间有一定距离的情况

变电站中许多电气设备，不可能再每个设备旁边都装设一组避雷器，一般只在变电站母线上装设避雷器。这样，避雷器与各个电气设备之间就不可避免地连线分开一定的距离，这个距离成为电气距离。

这种情况下，示意图如图10.7所示，此时避雷器的保护作用如何呢？

1）避雷器未动作

避雷器未动作时，在图10.7中，假设有一入侵波为斜角平顶波入侵，传到B点（此时设t=0），并到达变压器T，发生正的全反射，反射波到达B点后，径直沿架空线传播，不会在B点发生再一次发射。

l 避雷器上的电压

其中，v为波速，t_d为避雷器的击穿时间。

l  变压器上的电压

2）避雷器动作

此时，避雷器上的电压降保持恒定值。由于避雷器在未动作时，其上的电压u_b为一斜角波电压，而现在要保持不变，相当于在避雷器动作后，产生了一个负的电压波（如图10.8所示）。此负电压波从B点入射，将在B点与变压器之间反复发生折射和反射（这是行波的多次折射和反射）。

l  避雷器上的电压

t=t_d的时刻，间隙击穿。

产生的负电压波为：，且有：

l  变压器上的电压

变压器上的电压由于负电压波在B与T之间的反复的折射和反射，所以其电压具有振荡的性质，其振荡电压最大值为：

3）结论

由此可知，当避雷器与变压器之间存在一定的距离l₂时，避雷器动作后，变压器上的电压时振荡的。振荡电压的最大值u_Tm与避雷器的残压u_r，入侵波的陡度a，电气距离l₂以及波速均有关系。因此，要限制变压器上的电压，有以下措施：

l  限制避雷器上的残压u_r，使其不超过5kA以下的值

l  限制入侵波的陡度a

l  限制电气距离（避雷器的保护距离）

4）保护距离

要使得变压器正常工作，则其承受的最大电压u_T=u_P（冲击耐压值）。此时，在其他参数不变的条件下，对应的最大电气距离为：

可以得到：

l_m称为避雷器的保护距离。

可以得到：

l_m称为避雷器的保护距离。

§6-3-3 变电站的进线段保护

变电站进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和限制入侵波的陡度。

（1）概念

进线段保护是指：对于无避雷线的架空线路在靠近变电所的一段进线上必须架设避雷线以保证雷电波只在此进线段外出现，进线段内出现雷电波的概率将大大减小。架设避雷线的这段进线称为进线段保护。

对于有避雷线的架空线路，也要将靠近变电所的一段进线列为进线段保护。进线段的避雷线除了线路防雷外，还担负着避免或者减少变电所雷电入侵波事故的作用。

（2）35kV及以上变电所的进线段保护

对于35kV以上变电所的进线段保护中，架设避雷线的进线段长度为（1-2）km。其示意图如图10.9所示。

图10.9 35kV及以上变电所的进线保护接线

对于具有进线段保护的变电站而言，最不利的情况是进线段首端落雷（即是图中的F3处，A点处）。

1）流经避雷器的电流

实际运行经验表明，对于35kV以上的变电站如具有1~2km的进线段保护，则流过变电站内避雷器F1的雷电流完全可限制在5kA以下。这就满足了电气设备当有雷电流波入侵的时候，保证其安全运行的要求。

2）入侵波的陡度

变电站进线段保护能使入侵波陡度降低的主要原因是线路导线在雷电波作用下发生强烈的冲击电晕，使得入侵波陡度和幅值降低。

假设进线段首端入侵波为斜角平顶波，因电晕效应变形后的波头长度，用下式计算：，

其中τ为进线段末端变形后的斜角波头长度；τ₀为进线段首端斜角波波头的长度；h_d为进线段导线悬挂的平均高度；l为进线段长度；u为入侵波幅值。

因此，在进线段末端，雷电入侵波陡度为：

由上式可知，进线段保护降低了入侵波陡度。

（3）35kV以下变电站的进线段保护

35kV以下变电站中，避雷器距变压器的电气距离一般在10m以内，允许有较高的入侵波陡度，所以进线段的长度可以缩短，一般为500~600m。

§6-3-4 三绕组变压器和自耦变压器的防雷保护

（1）三（双）绕组变压器的防雷保护

1）雷电冲击电压在绕组间的传递

当变压器的某一绕组受到雷电冲击电压作用的时候，在该变压器的其他绕组上也会由于绕组间的耦合而出现电压，这就是雷电冲击电压在绕组之间的传递。

传递电压包括两个分量：一是静电分量，由绕组间的静电感应引起，在冲击电压作用瞬间出现；一个是电磁分量，由绕组的电磁感应所引起，随着时间的推移出现。

l  传递电压的静电分量（忽略电感的作用）

高压绕组进波的时候，低压绕组上传递电压的最大静电分量为：

其中，C₁₂为高压绕组与低压绕组间的电容；C₂为低压绕组对地电容（包括与低压绕组相连的设备和线路的对地电容）；u₀为入侵波幅值。

低压绕组进波的时候，高压绕组上传递电压的最大静电分量为：

其中，C₁₂为高压绕组与低压绕组间的电容；C₁为高压绕组对地电容。

因此，可以得到如下结论：

i)传递电压的静电分量只与电容C₁₂和C₁、C₂有关，而与变比无关；

ii）对高压绕组进波而言，低压绕组开路时，，，可能危及低压绕组绝缘；

iii）低压绕组运行时，，，对低压绕组绝缘无危险。

l  传递电压的电磁分量

传递电压的静电分量在冲击电压作用瞬间出现，此后绕组中逐渐通过电流，所产生的磁通将在未受冲击电压入侵的绕组中产生感应电压，这就是传递电压的电磁分量。电磁分量的传递是按绕组的变比进行传递的。

高压绕组进波的时候，按变比传递到低压绕组的冲击电压对低压绕组的绝缘无影响。

低压绕组进波的时候，按变比传递到高压绕组的冲击电压却对高压绕组的绝缘不利。

2）双绕组变压器的防雷保护

由以上雷电冲击电压在绕组间的传递分析可知，当高压绕组进波的时候，若低压绕组开路，静电分量可能危及其绝缘；当低压绕组进波时，电磁分量则可能危及高压绕组绝缘。因此，实际运行中，高、低压绕组侧都装有避雷器。

3）三绕组变压器的防雷保护

三绕组变压器正常运行时，可能出现只有高、中压绕组工作而低压绕组开路的情况，所以需要对低压绕组出线端加装一组避雷器。而中压绕组绝缘水平较高，一般不装避雷器。

（2）自耦变压器的防雷保护

1）低压非自耦绕组的防雷保护

为了减小系统的零序阻抗和改善电压波形，自耦变压器除了中、高压自耦绕组外，还有一个三角形接线的低压绕组。在这个低压绕组上应装设限制静电感应过电压的避雷器。自耦变压器可能出现高低压绕组运行、中压绕组开路和中低压绕组运行、高压绕组开路的运行方式。因此对应于这两种运行情况的保护方式也不同。

2）中压绕组开路时的防雷保护

当自耦变压器中压绕组开路的时候，如果从高压绕组进波，则此时自耦变压器相当于单相变压器绕组末端接地的情况。因此，波从高压端入侵，将在绕组中引起振荡过程。我们可绘出

其最大电位包络线，如图10.10（a）所示。

图10.10 自耦变压器有雷电波入侵时的最大电位包络线

此时，自耦变压器中压侧A^’处将出现高电位，因而危及中压端处的绝缘，因此需要在中压侧断路器之间装设一组避雷器，以便当中压侧断路器开路时，保护中压侧的绝缘。如图10.11所示。

3）高压绕组开路时的防雷保护

自耦变压器高压绕组开路时，如果从中压绕组进波，则此时变压器绕组中的电压振荡过程曲线如图10.10（b）所示。

由图可知，A^’O这一段绕组相当于单相绕组接地时的情况；而A A^’这一段绕组则由于A^’O这一段的电磁感应的原因，使得高压端出现了过电压，有可能危及高压端绝缘。因此，需要在高压侧与断路器之间装设一组避雷器。如图10.11（a）中的F1所示。

另外，为了保护A A^’绕组，也应在A A^’之间加装避雷器，如图10.11（a）中的F3所示。

图10.11 保护自耦变压器的避雷器配置

（3）变压器中性点的防雷保护

在110kV-220kV的中性点有效接地系统中，为了减小单相接地时的短路电流，有部分变压器的中性点采用不接地的方式运行。这时就需要考虑变压器中性点绝缘的保护问题。

变压器中性点不接地时，其中性点的绝缘有两种情况：

1）全绝缘

中性点的绝缘水平与绕组首端绝缘水平相同。

2）分级绝缘

中性点绝缘水平低于绕组首端的绝缘水平。

一般来说，变压器的电压等级越高，采用分级绝缘的经济性越显著。

而在中性点有效接地系统中，变压器中性点不接地时，均需要在变压器中性点加装避雷器。其具体要求见教材。