第十六章避雷器和接地装置12601.docx

1、第十六章避雷器和接地装置12601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

2、有冲击特性，一般在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

3、，设备的波阻抗及接地阻抗越小，直击雷过电压也就越小。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，亦可独立装设。避雷线是悬挂在

4、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：图181 单支避雷针的保护范围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

5、雷针之间的保护范围，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时，p5.5h图182 两支等高避雷针的联合保护范围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 ，两根等高平行避雷线的保护范围见图184。其外侧的保护范围按单根避雷线

6、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183 单根避雷线的保护范围 式中，系数p含义同前图184 两平行避雷线的保护范围p的含义同上式第三节 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、保护间隙图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

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。二、阀型避

8、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许多段短弧，使其熄灭。减

9、小工频续流有利于间隙电弧的熄灭，因此在工频电压下，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、残压图187 阀片电阻的伏安特性曲线图188 单个火花间隙图186 阀型避雷器原理结构图1间隙；2非线性电阻不高（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。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安装卡子磁吹型避雷器的火花间隙也由许多单个间隙串联

10、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。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

11、圈4电阻阀pian片如前所述，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。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

12、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

13、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）FZ110J型；（b）FCZ3220J型；（c）FCZ500J型三、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

14、线所对应的电流一般在105A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，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。

15、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、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。图1813 ZnO避雷器有并联间隙的原理图图1812 Zn

16、O、SiC和理想避雷器伏安特性曲线的比较压比是指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

17、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、R2的电流迅速增大，R1、R2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，并联间隙g被击穿，R2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：Y2

18、0W-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：318 318 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 6mA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)： 981

19、kV（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

20、. 100s 466.2kV 441kV瓷柱绝缘水平a. BIL（1.2/50s） 1675kV（峰值）b. SIL(250/2500s) 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： 1-3mA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

21、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）启动/备用变压器中性点用氧化锌避雷器型号为：Y1.5W-60/144。避雷器运行在指定的条件下和按照运行指导手册维修时，运行寿命为30年。第四节 发电厂的接地装置 接地装置是埋入土中的金属接地体（角钢

22、、扁钢、钢管等）和连接用的连接线构成。按接地的目的，电气设备的接地可分为：工作接地、防雷接地、保护接地和仪控接地。（1）工作接地：为了保证电力系统正常运行所需要的接地。例如中性点直接接地系统中的变压器中性点接地，其作用是稳定电网对地电位，从而可使对地绝缘降低。（2）防雷接地：是针对防雷保护的需要而设置的接地，以利于降低雷过电压，故又称为过电压保护接地。（3）保护接地：也称为安全接地，是为了人身安全而设置的接地，即电气设备的外壳（包括电缆皮）接地，以防外壳带电危急人身安全。（4）仪控接地：发电厂的热力控制系统、数据采集系统、计算机监控系统、晶体管或微机型继电保护系统和远动通信系统等，为了稳定电位

23、、防止干扰而设置的接地。仪控接地亦称电子系统接地。一、接地电阻的基本概念图1814 接地电流的散流场和地面电位分布UM接地点电位；I接地电流；Ui接触电压；Uk跨步电压；地中电流密度；Uf（r）大地表面的电位分布曲线接地电阻是指电流经接地体进入大地并向周围扩散时所遇到的电阻。通常认为大地具有零电位，其中没有电流通过时，大地各处是等电位的。但大地不是理想导体，它具有一定的电阻率，如果有电流流过，则大地各处就具有不同的电位。当有电流经接地体注入大地后，它以电流场的形式向四处扩散，如图1814所示。离电流注入点愈远，半球形的散流面积愈大，地中的电流密度就愈小，因此可以认为在较远处。（1520m以外）

24、，单位扩散距离的电阻及地中电流密度已接近零，该处电位已为零电位。显然，当接地点有电流流入大地时，接地点电位最高，离接地点愈远，电位愈低，图中曲线Uf（r）即表示地表面的电位分布情况（式中r表示离雷电流注入点的距离）。我们把接地点处的电位UM与接地电流I的比值定义为该点的接地电阻R，RUM/I 。当接地电流为定值时，接地电阻R愈小，则电位UM愈低，反之则愈高。接地装置的接地电阻R主要决定于接地装置的结构、尺寸、埋入地下的深度及当地的土壤电阻率。因金属接地体的电阻率远小于土壤电阻率，故接地体本身的电阻在接地电阻R中可以忽略不计。二、接地电阻的允许值接地电阻的允许值是根据接地故障电流I的大小、接地装

25、置上出现电压时间的长短和接触几率多少，并考虑不同土壤电阻率下投资的合理性而制定。在大接地短路电流系统中，接地短路电流较大，但故障切除时间快，接地装置上只是在很短的时间内有电压出现。因此，当发生单相接地时，接地网电压规定不得超过2000V，其接地装置的接地电阻为R2000/I （）式中 I流经接地装置的短路电流。当I4000A时，可取R0.5。在大地电阻率很高时允许将R值提高到R5 ，但在这种情况下，必须验证人身安全。在小接地短路电流系统中，接地故障电流I较小，继电保护常作用于信号，不切除故障部分，接地装置上电压升高的时间较长，因此，接地电压限制到较低。当接地装置仅用于高压设备时，规定接地电压不

26、得超过250V，即R250/I（）当接地装置为高低压设备所共用时，考虑到人与低压设备接触的机会更多，规定接地电压不得超过120V，即R120/I（）式中 I计算用接地故障电流（A）。一般在小接地短路电流系统中，接地电阻不应超过10。大地电阻率较高时，接地电阻允许取大些。对工作接地及保护接地而言，接地电阻是指直流或工频电流流过时的电阻；对防雷接地而言，是指雷电冲击电流流过时的电阻，简称冲击接地电阻。同一接地装置在工频电流和冲击电流作用下，将具有不同的电阻值，通常用冲击系数表示两者的关系=Rch/Rg式中 Rg工频接地电阻；Rch冲击接地电阻，是接地体上的冲击电压幅值与流经该接地体中的冲击电流幅值

27、之比值。一般情况下，1，也有时1，这与接地体的几何尺寸、雷电流的幅值和波形及土壤电阻率等因素有关。三、接触电压和跨步电压从人身安全考虑，一般人体通过50mA以上电流就有生命危险。人体皮肤处于干燥、洁净和无损伤时，人身电阻高达几十千欧以上，而皮肤有伤口或处于潮湿状态时，人身电阻可降到1000左右。因此在最不利的情况下，人接触的电压只要达0.05100050V左右，即有致命危险。在电气设备发生接地故障时，处于分布电位的人可能有两种方式触及不同电位点而受到电压的作用，见图1814。当人触及漏电设备外壳，加于人手与脚之间的电压，称为接触电压，通常按人站在距设备水平距离0.8m的地面上，手触设备离地面高

28、为1.8m处所受到的电压计算，如图1814中所示的Uj。人的两脚着地点之间的电位差称为跨步电压（取跨距为0.8m）如图1814中所示的Uk。人体所能耐受的接触电压和跨步电压的允许值，与通过人体的电流值、持续时间的长短、地面土壤电阻率及电流流经人体的途径有关。在大接地短路电流系统中，接触电压Uj和跨步电压Uk的允许值为：人脚站立处地面土壤电阻率（m），t接地短路电流持续时间（s）。在小接地短路电流系统中，接触电压和跨步电压的允许值为：四、发电厂的接地装置接地装置由接地体和连接导体组成。接地体可分为自然接地体和人工接地体。自然接地体包括埋在地下的金属管道、金属结构和钢筋混凝土基础，但可燃液体和气体

29、的金属管道除外，人工接地体是专为接地需要而设置的接地体。人工接地体有垂直接地体和水平接地体之分。垂直接地体一般是用长约2.53m的角钢（20mm20mm3mm50mm50mm5mm）、圆钢或钢管垂直打入地下，顶端深入地下0.30.5m。水平接地体多用扁钢（宽一般为2040mm，厚不小于4mm）或者直径不小于6mm的圆钢或者用铜导体，埋于地下0.51m处或埋于厂房、楼房基础底板以下，可构成环形或网格形等接地系统。发电厂要求良好的接地装置，以满足工作、安全和防雷保护的接地要求。一般是根据安全和工作接地要求设置有一个统一的接地网，然后在避雷器和避雷针下面增加接地体以满足防雷接地的要求。发电厂的接地装

30、置除利用自然接地体外，还应装设水平敷设的人工接地网。人工接地网应围绕设备区域连成闭合形状，并在其中敷设若干均压带（图1815）或敷设成方格网状。水平接地网应埋入地下0.6m以下，以免受到机械损伤，并可减少冬季土壤表层冻结和夏季地表水分蒸发对接地电阻的影响。随着电力系统的发展，电力网的接地短路电流日益增大。在大接地短路电流系统的发电厂和变电所内，接地网电位的升高已成为重要问题。为了保证人身安全，除适当布置均压带外，还采取以下均压措施：（1）因接地网边角外部电位梯度较高，边角处应做成圆弧形。（2）在接地网边缘上经常有人出入的走道处，应在该走道下不同深度装设与地网相连的帽檐式均压带或者将该处附近铺成

31、具有高电阻率的路面。对于600MW机组电厂，其500KV和220KV配电装置、汽轮机房、锅炉房等主要电气建筑物下面常将深埋的水平接地体敷设成方格网。一般在主厂房接地网和升压变电所接地网连接处设有可拆部件，以便分别测试各个主接地网的接地电阻。主接地网的接地电阻一般在0.5以内。地下接地网在一些适当部位连接有多股绞线，引出地面，以便连接需要接地的设备或接地母线（总地线排），或与厂房钢柱连接并形成整个建筑物接地。室外防雷保护接地引下线与接地体的连接点通常设在地表下0.30.5m以下。图1815 水平闭合式接地网及其电位分布发电厂中接地的交流系统必须设有接地线，并使其与接地体或接地网连接。大量电气设备或其他非载流金属部分都必须接地，如配电盘的框架、开关柜或开关设备的支架、电动机底座、金属电缆架、导线的金属