1、1260第十六章 发电厂避雷器和接地装置第一节 雷电放电、雷电流及雷过电压一、雷电放电空中云层受强气流作用，内部剧烈的相对运动使云的各部分带有不同极性的电荷，形成雷云。雷云中的电荷分布是很不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，每个电荷密集区的电荷约为 0.110C，而一大块雷云同极性的总电荷可达数百库仑。当雷云中电荷密集处的场强达 2530KVcm 时，就会发生放电。大部分的雷云放电是在云间或云内进行，只有小部分是对地放电的。对地放电的雷云 90左右是负极性（云带负电）的。据间接推算，雷云电荷中心对地的电动势约为 50l00MV 。二、雷电流波形与雷电流幅值雷电主放电过程中的电流具有冲击特性，一
2、般在 14s 内上升到最大幅值，再经几十微秒（平均为 40s左右）又由最大值降到很小的数值。雷电流的波头形状对防雷设计有影响，在一般线路防雷设计中波头形状取为斜角波头，而在设计特殊高塔时常取半余弦波头。三、雷过电压雷过电压又称为大气过电压。雷过电压有两种：一种是雷直接击于输电线路或设备引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击输电线路附近的地面或设备时，由于电磁感应引起的，称为感应雷过电压。最危险的是直击雷过电压。雷击输电线路往往造成跳闸事故，同时，雷电波沿输电线路入侵变电所或升压所，也对其中设备造成威胁。雷过电压的大小主要决定于雷电流的幅值和被雷击线路或设备的波阻抗。在一定的雷电流幅值下，设备的
3、波阻抗及接地阻抗越小，直击雷过电压也就越小。1261第二节 避雷针与避雷线的保护范围为了防止设备受到直接雷击，最常用的措施是装设避雷针或避雷线。它由金属制成，高于被保护物，具有良好的接地装置，其作用是将雷电引向自身并安全地将雷电流导入地中，从而保护其附近比它低的设备免受直接雷击。避雷针包括接闪器（针头） 、引下线和接地体三部分。接闪器可用直径 10mm 以上、长 12m 的圆钢制作，引下线用直径 6mm 以上的圆钢制作，接地体一般可用几根2.5m 长的 40mm40mm4mm 的角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。避雷针一般用于保护发电厂和变电所，根据不同情况可装设在配电装置构架上，亦可独立
4、装设。避雷线是悬挂在空中的水平的接地导线，又称架空地线，主要用于保护架空输电线路，也可用于发电厂升压所作直击雷保护。一、避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围见图 181，它似一个圆锥形罩。在某一高度 hx的水平面上，其保护半径 rx为：两支等高避雷针的联合保护范围，见图 182 。两针的联合保护范围要比两针各自的保护范围的叠加要大些。因为在用单支避雷针进行保护时，雷受针吸引往往可以被吸到离针脚较近的地面上，但在用两支避雷针进行联合保护时，对于在两避雷针之间上空的雷电，由于受到其吸引，就较难击于离两避雷针脚较近的两避雷针之间的地面上。两支避雷针外侧的保护范围，可按单支避雷针计算方法确定。两支避雷
5、针之间的保护范围，其上部则是以经两针顶点 1、2 及两面点连线中间下方某点 0 的圆弧来确定。0 点的高度 h0按下式计算式中 D两支避雷针之间的距离（m） ；p高度影响系数。当 h30m 时，p1；当 30h120m图 181 单支避雷针的保护范围1262图 183 单根避雷线的保护范围时，p5.5h三支等高避雷针的联合保护范围，可以两支两支地分别进行计算，然后就可确定三支避雷针组成的三角形内的保护范围。对于四支及四支避雷针以上的联合保护范围，可以三支三支地进行计算，即可确定多支避雷针的联合保护范围。二、避雷线的保护范围避雷线又称架空地线。单根避雷线的保护范围见图 183 ，两根等高平行避雷
6、线的保护范围见图 184。其外侧的保护范围按单根避雷线计算，其间横截面的保护范围可通过两避雷线 1、2 点及其连线中间下方某点 O 的圆弧所确定。图 182 两支等高避雷针的联合保护范围1263图 184 两平行避雷线的保护范围式中，系数 p 含义同前p 的含义同上式1264第三节 避雷器避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。避雷器的类型主要有保护间隙、阀型避雷器和氧化锌避雷器。保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护，在 220KV 及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制操作内过电压。一
7、、保护间隙保护间隙，一般由两个相距一定距离的、敞露于大气的电极构成，将它与被保护设备并联，如图 185 所示，适当调整电极间的距离（间隙） ，使其击穿放电电压低于被保护设在绝缘的冲击放电电压，并留一定的安全裕度，设备就可得到可靠的保护。当雷电波入侵时，主间隙先击穿，形成电弧接地。过电压消失后，主间隙中仍有正常工作电压作用下的工频电弧电流（称为工频续流） 。对中性点接地系统而言，这种间隙的工频续流就是间隙处的接地短路电流。由于这种间隙的熄弧能力较差，间隙电弧往往不能自行熄灭，将引起断路器跳闸，这是保护间隙的主要缺点，也是其应用受限制的原因。此外，由于间隙敞露，其放电特性也受气象和外界条件的影响。
8、二、阀型避雷器阀型避雷器由装在密封瓷套中的间隙（又称火花间隙）和非线性电阻（又称阀片）串联构成，如图 186 所示。阀片的电阻值与流过的电流有关，具有非线性特性，电流愈大电阻愈小，其伏安特性曲线如图 187 所示。阀型避雷器分普通型和磁吹型两类。普通型避雷器的火花间隙由许多如图 188所示的单个间隙串联而成。单个间隙的电极由黄铜板冲压而成，两电极间用云母垫圈隔开形成间隙，间隙距离为 0.51.0mm，这种间隙的伏秒特性（指一定冲击电压波形下，其电压幅值与击穿时间的关系）曲线很平坦且分散性较小、性能较好。单个间隙的工频放电电压约为 2.73.0kV。避雷器动作后，工频续流电弧被许多单个间隙分割成
9、许多段短弧，使其熄灭。减小工频续流有利于间隙电弧的熄灭，因此在工频电压图 185 角型保护间隙及其与被保护设备的连接1圆钢；2主间隙；3辅助间隙；4被保护物；5保护间隙1265下，希望阀片有较大的电阻，由于阀片电阻是非线性的，因而在很大的雷电压通过时电阻值很小、残压不高（不会危及设备绝缘） 。当雷电流过去之后，在工频电压作用下，电阻值变得很大，因而大大地限制了工频续流，以利于火花间隙灭弧。利用阀片电阻的非线性特性，解决了既要降低残压又要限制工频续流的矛盾，并且不致产生危险的截波。磁吹型避雷器的火花间隙也由许多单个间隙串联而成，但每个间隙的结构较复杂，利用磁场使每个间隙中的电弧产生运动（如旋转或
10、拉长）来加强去游离，以提高间隙的灭弧能力。磁场是由与间隙串联的线圈所产生，其原理接线见图 189 。磁吹线圈两端设置的辅助间隙的作用，是为了消除磁吹线圈在冲击电流通过时产生过大的压降而使保护性能变坏。在冲击电压作用下，主间隙被击穿，放电电流通过磁吹线圈，其上的压降使辅助间隙击穿，放电电流便经过辅助间隙、主间隙和电阻阀片而流入大地，使避雷器的压降不致增大。当工频续流通过时，磁吹线圈上的压降减小，迫使辅助间隙中的电弧熄灭，工频续流也就很快转入磁吹线圈，产生磁场起吹弧作用。如前所述，阀型避雷器的火花间隙是由许多单个间隙串联而成，由于各间隙对地和对高压端存在寄生电容，故电压在各间隙上的分布将是不均匀的
11、。为充分发挥每个间隙的灭弧能力，常在间隙组（若干间隙为一组）上并联适当的均压电阻。上述两类阀型避雷器，其阀片的主要作用是限制工频续流，使间隙电弧能在工频续流第一次过零时就熄图 186 阀型避雷器原理结构图1间隙；2非线性电阻图 187 阀片电阻的伏安特性曲线图 188 单个火花间隙图 189 磁吹型避雷器的原理图1主间隙 2辅助间隙 3磁吹线圈 4电阻阀 pian 片图 1810 FS310 型阀型避雷器结构示意图1密封橡皮；2压紧弹簧；3间隙；4阀片；5瓷套；6安装卡子1266灭。它们的电阻阀片都是金刚砂（SiC）和结合剂烧结而成，称为碳化硅阀片。普通型避雷器的阀片是在低温下烧结而成，非线性
12、系数较低（约为 0.2） ，但通流容量小，不能承受持续时间较长的内过电压冲击电流；磁吹型避雷器的阀片，是在高温下烧结而成，非线性系数较高，但通流容量大，能用于限制内部过电压。目前我国生产的普通型避雷器有 FS 型和 FZ 型两种型号。FS 型避雷器，其通流容量较小，主要用于保护小容量的 3l0KV 配电装置中的电气设备（如变压器等） ，图1810 为 FS310 型避雷器结构示意图。FZ 型避雷器，其特性较好、通流容量较大，主要用于保护大中型变电所的变压器和电容器等设备。对于 FZ 型避雷器：电压低的，制成单体形式；35220KV 的，由若干标准单元串联组组成，如 FZ110J 型避雷器（适用
13、于 110KV 中性点接地系统）就是由四个 FZ30 型的串联而成，见图 1811（a） ，110KV 及以上电压等级的阀型避雷器，在其顶部装有均压环，以减少对地电容引起的电压不均匀现象。磁吹型避雷器主要有 FCZ 电站型和保护旋转电机用的 FCD 型。图1811（b） 、 （c）为 FCZ3220J 型和 FCZ500J 型避雷器的外型及安装尺寸。图 1811 阀型避雷器外形及安装尺寸（mm）（a）FZ 110J 型；（b）FCZ3220J 型；（c ）FCZ500J 型1267三、氧化锌避雷器氧化锌避雷器，实际上是一种阀型避雷器，其阀片以氧化锌（ZnO）为主要材料，加入少量金属氧化物，在高
14、温下烧结而成。氧化锌阀片具有很好的的伏安特性，其非线形系数 a=0.020.05 。图 1812 示出 SiC 避雷器、 ZnO 避雷器及理想避雷器的伏安特性，以做比较。图中，假定 ZnO、SiC 阀片在 10KA 电流下的残压相同；但在额定电压（或灭弧电压）下，ZnO 伏安特性曲线所对应的电流一般在 105 A 以下，可以近似认为其续流为零，而 SiC 伏安特性曲线所对应的续流却为 100A 左右。也就是说，在工作电压下ZnO 阀片可看作是绝缘体。ZnO 避雷器与 SiC 避雷器相比较，由于 ZnO 避雷器采用了非线性优良的 ZnO 阀片，使其具有许多优点。（1）无间隙、无续流。在工作电压下
15、，ZnO 阀片呈现极大的电阻，续流近似为零，相当于绝缘体，因而工作电压长期作用也不会使阀片烧坏，所以一般不用串联间隙来隔离工作电压。（2）通流容量大。由于续流能量极少，仅吸收冲击电流能量，故 ZnO 避雷器的通流容量较大，更有利于用来限制作用时间较长（与大气过电压相比）的内部过电压。（3）可使电气设备所受过电压降低。在相同雷电流和相同残压下，SiC 避雷器只有在串联间隙击穿放电后才泄放电流，而 ZnO 避雷器（无串联间隙）在波头上升过程中就有电流流过，这就可降低作用在设备上的过电压。（4）在绝缘配合方面可以做到陡波、雷电波和操作波的保护裕度接近一致。（5）ZnO 避雷器体积小、质量轻、结构简单
16、、运行维护方便。ZnO 避雷器的主要特性常用起始动作电压及压比等表示。起始动作电压又称转折电压，从这一点开始，电流将随电压升高而迅速增加，也即其非线性系数迅速进入0.020.05 的区域。通常以 1mA 时的电压作为起始动作电压，其值约为其最大允许工作电压峰值的 105115。压比是指 ZnO 避雷器通过大电流时的残压与通过 1mA 直流电流时的电压之比。例如，10KA 压比是指通 过 10KA 冲击电流时的残压与通过 lmA（直流）时的电压之比。压比越小，意味着通过大电流时的残压越低，则 ZnO避雷器的保护性能越好。目前，此值约为 1.62.00 。目前生产的 ZnO 避雷器，大部分是无间隙
17、 图 1812 ZnO、SiC 和理想避雷器伏安特性曲线的比较图 18 13 ZnO 避雷器有并联间隙的原理图1268的。对于超高压避雷器或需大幅降低压比时，也采用并联或串联间隙的方法；为了降低大电流时的残压而又不加大阀片在正常运行时的电压负担，以减轻阀片的老化，往往也采用并联或串联间隙的方法。图 1813 表示 ZnO 避雷器有并联间隙的原理图。在正常情况下，间隙 g 是不导通的，工作电压由阀片电阻 R1 和 R2 两部分分担，单个阀片上所受电压较低。当有雷击或操作过电压作用时，流经 R1、R 2 的电流迅速增大，R 1、R 2 上的压降（残压）也随之迅速增加，当 R2 上的残压达到某一值时
18、，并联间隙 g 被击穿，R 2 被短接，避雷器上的残压仅由 R1 决定，从而降低了残压，也就降低了压比。氧化锌避雷器是一种新型避雷器。在国外技术发达的国家中，已用它来取代有串联间隙的普通型避雷器和磁吹型避雷器。氧化锌避雷器型号的含义如下：第四节 岱海电厂 500KV、220KV 避雷器介绍我厂使用 500 kV 系统避雷器为户外、单相、无间隙金属氧化物避雷器。避雷器安装处的设计短路电流为 50kA。500 kV 避雷器使用参数：型号：Y20W-444/1063(用于线路) Y20W-420/1006(用于主变)额定电压：444kV (用于线路) 420kV(用于主变)正常运行电压：318 31
19、8最高连续运行电压： 355kV(rms) 335kV(rms)标称放电电流： 20 kA在最高持续运行电压 550/ kV 下的阻性电流 1mA， 全电流 6mA 36mA 工频参考电压： 444/420(rms)直流 1mA 参考电压：597kV(用于线路) 565kV(用于主变)操作冲击电流残压(2kA 峰值、波前时间30us)：864kV（用于线路） 817.9kV（用于主变）雷电冲击电流残压(10kA 峰值、8/20us)：981kV（用于线路） 930kV（用于主变）陡波冲击电流残压(10kA 峰值、波前时间 1us) 1137kV（用于线路） 1075kV（用于主变）大电流冲击耐
20、受（4/10s，2 次放电动作）： 100kA（峰值）系统中性点接地方式： 中性点直接接地1269安装方式：安装在支架上安装地点: 户外压力释放能力：a. 大电流（0.2s） 63kA（对称分量，rms）b. 小电流（0.2s） 800A（对称分量，rms）额定放电能量： 15kJ/kV暂态过电压能力：避雷器在注入标准规定的能量后，能耐受相当于额定电压数值的暂时过电压 10s。a. 1s 510.6kV 483kVb. 10s 488.4kV 462kVc. 100s 466.2kV 441kV瓷柱绝缘水平a. BIL（1.2/50s） 1675kV（峰值）b. SIL(250/2500s)
21、1175kV（峰值）c. 1min 工频耐受电压 680kV（rms）我厂使用 220 kV 系统避雷器为户外、单相、无间隙金属氧化物避雷器。安装在户外支架上220KV避雷器额定参数：额定电压： 200 kV最高连续运行电压： 146 kV标称放电电流： 10 kA在最高持续运行电压252/ kV下的泄漏电流： 1-3mA3直流1mA参考电压： 290 kV操作冲击电流残压： 413 kV雷电冲击电流残压： 496 kV陡波冲击电流残压： 546 kV大电流冲击耐受（4/10s，2次放电动作）： 100kA（峰值）长持续时间电流耐受（矩形波，波峰持续时间2000s）：600A（峰值）压力释放能力：a. 大电流（0.2s）： 40kA（对称分量，rms）b. 小电流（0.2s）： 800A（对称分量，rms）额定放电能量： 14.5kJ/kV瓷柱绝缘水平：a. BIL（ 1.2/50s）： 950kV（峰值）b. 1min工频耐受电压： 395kV（rms）
