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1 防雷保护计算中雷电放电基本特征和参数1

前言1

1.1 关于雷电放电简述1

1.2 雷电放电参数2

1.2.1 主放电通道波阻3

1.2.2 雷电流波形3

1.2.3 雷电流幅值概率分布4

1.2.5 雷电流极性5

1.2.4 雷电流陡度概率分布5

1.2.6 俄1999《导则》推荐架空线路和变电所防雷保护计算中使用的雷电参数6

1.2.7 重复放电次数及对地输送的电荷量8

1.3 雷电活动与气象条件的关系9

1.4 雷击的选择性和易击点10

1.5 电力系统物体被雷击次数估算12

1.6 雷电过电压12

2 避雷针（线）14

2.1 避雷针（线）的防雷保护原理14

2.2 避雷针（线）的保护范围14

2.3.1 单支避雷针的保护范围16

2.3 电力行业标准DL/T 620—1997有关规定16

2.3.2 两支等高避雷针的保护范围17

2.3.3 多支等高避雷针的保护范围17

2.3.4 避雷线的保护范围18

2.3.4.1 单根避雷线的保护范围18

2.3.4.2 两根等高平行避雷线的保护范围18

2.3.5 不等高避雷针（线）的保护范围19

2.3.6 斜坡地面设置的避雷针（线）的保护范围19

2.4 避雷针高度超过120m的保护范围20

2.3.7 相互靠近的避雷针和避雷线的联合保护范围20

2.5 避雷针（线）及接地引流线的配置21

3 防雷接地装置26

3.1 接地电阻（阻抗）的物理概念26

3.2 土壤电阻率27

3.3 （工频）接地电阻值计算30

3.4 冲击接地电阻（阻抗）34

3.5 接地装置敷设36

3.6 避雷针（线）至被保护物之间的允许距离37

3.7 接地装置的工频参数测量38

3.7.1 接地电阻测量38

3.7.2 发电厂、变电所接地网接地电阻测量39

3.7.3 电力线路杆塔接地电阻测量40

3.7.4 接地电阻测量中对季节影响的考虑40

3.7.5 消除工频干扰40

3.7.6 接触、跨步电位差测量41

3.7.7 电阻率测量41

3.7.7.1 土壤电阻率测量41

3.7.7.2 水电阻率测量41

4 金属氧化物避雷器（限压器）43

4.1 避雷器发展简史43

4.2 MOR结构和一般特性45

4.2.1 制造46

4.2.2 微观结构47

4.2.3 MOR等值电路47

4.2.4 MOR的U-I特性和导电机理48

4.3 IEC60099-4和GB 11032规定的WGMOA的一些重要参数51

4.3.1 参考电压Uref51

4.3.2 额定电压Ur52

4.3.3 持续运行电压Uc（或COV）53

4.3.4 WGMOA的Ur和Uc之间关系54

4.3.5 WGMOA的额定能量（能量资源）57

4.4.1 为WGMOA正名58

4.4.2 能量资源——安秒（I-t）特性58

4.4 WGMOA的真实含义和新技术条件要求58

4.4.3 工频电压耐受时间——伏秒（U-t）特性60

4.4.4 保护性能——伏安（U-I）特性60

4.4.5 小结61

4.5 MOR特性劣化61

4.5.2 环境温度时长期电网运行电压应力62

4.5.3 大电流冲击应力62

4.5.1 同周围物质的化学反应62

4.6 WGMOA的热稳定63

4.7 WGMOA在电网运行电压下的工况64

4.7.1 在干燥和清洁情况下的电压分布65

4.7.1.1 电压分布65

4.7.1.2 安装位置的影响65

4.7.1.3 均压措施66

4.7.1.4 电压分布不均匀的后果66

4.7.2 在潮湿和污染情况下的性能66

4.7.3.1 在重污染下的试验69

4.7.3 德国对110kV和220kV WGMOA在运行电压下长期特性实测69

4.7.3.2 在轻污染下的试验72

4.7.3.3 长期的污染试验73

4.7.3.4 德国试验小结74

4.8 WGMOA向GMOA的发展75

4.8.1 新型SiC非线性并联电阻间隙GMOA的先进性76

4.8.2 新型GMOA防雷保护性能和应用效益79

4.8.3 采用新型GMOA保护对延长运行电缆寿命有特效80

4.8.4 内串间隙GMOA82

4.8.5 在中性点有效接地电网中应用外串GMOA具有优越性82

4.9.1 概述83

4.8.6 本节小结83

4.9 现行交流MOA的试验方法83

4.9.2 试验分类88

4.9.3 试验方法91

4 9.3.1 WGMOA瓷套绝缘耐受试验91

4.9.3.2 持续电流试验91

4.9.3.3 残压试验92

4.9.3.4 长持续时间电流耐受试验92

4.9.3.5 工频电压耐受时间特性试验94

4.9.3.7 动作负载试验95

4.9.3.6 工频参考电压试验95

4.9.3.8 密封试验102

4.9.3.9 压力释放试验102

4.9.3.10 机械负荷试验105

4.9.3.11 直流参考电压试验106

4.9.3.12 无线电干扰电压和局部放电试验106

4.9.3.13 人工污秽试验——GB 11032—2000附录E（标准的附录）人工污秽试验106

4.9.3.14 多柱WGMOA电流分布试验108

4.9.3.15 WGMOA沿轴电压分布试验108

4.9.3.16 WGMOA的脱离器试验110

4.9.3.17 合成套WGMOA的热机械试验112

4.9.3.18 合成套WGMOA在不同环境条件下的加速老化试验112

4.9.3.19 合成套WGMOA的密封试验113

4.9.3.20 合成套WGMOA的压力释放试验114

4.9.3.21 GMOA工频放电电压试验114

4.9.3.22 GMOA 1.2/50μs冲击放电电压试验114

4.9.3.23 GMOA波前冲击放电电压试验114

4.9.3.24 GMOA动作负载试验（续流试验）114

4.9.3.26 运行中预防性试验115

4.9.3.25 0.75倍直流参考电压下泄漏电流试验115

4.10 MOA的应用选择116

4.10.1 概述116

4.10.2 WGMOA使用环境条件的选择119

4.10.3 WGMOA的Ur和Uc以及压力释放等级的选择121

4.10.3.1 WGMOA的Uc选择121

4.10.3.2 WGMOA的Ur选择122

4.10.3.3 国际上WGMOA的Uc和Ur的应用选择实例126

4.10.3.4 WGMOA的压力释放等级的选择147

4.10.4.2 MOA标称放电电流In的选择148

4.10.4.1 MOA类型的选择148

4.10.4 MOA类型、标称放电电流、冲击耐受试验电流、线路放电等级的选择148

4.10.4.3 MOA的大电流冲击耐受试验电流值的选择150

4.10.4.4 WGMOA的能量能力（能量资源）的选择151

4.10.5 保护并联电容器组专用WGMOA选择155

4.10.5.1 应用WGMOA保护并联电容器组的理由156

4.10.5.2 计算分析156

4.10.5.3 WGMOA的参数选择160

4.10.5.4 实例161

5 3～66kV电网中性点接地方式和内过电压防护164

4.10.8 电弧炉装置的变压器相间MOA的选择164

4.10.5.5 步进法164

4.10.6 线路载波通信阻波器两端并联专用WGMOA的选择164

4.10.5.6 结论164

4.10.7 电缆护层专用WGMOA的选择165

5.1 引言168

5.2 电力系统中性点接地方式分类168

5.3 国内外的一些实践169

5.3.1 德国169

5.3.2 前苏联169

5.3.3 美国169

5.3.4 英国170

5.3.5 日本170

5.3.6 法国170

5.3.7 中国171

5.4 20世纪60年代一些国家配电网中性点接地方式的变更172

5.5 配电网中性点接地方式变更后产生的问题172

5.6.2 城市配电网运行环境的变化176

5.6.1 城市配电网结构发展的变化176

5.6 20世纪80年代后城市配电网结构发展和运行环境的变化176

5.7 中性点不接地（绝缘）和消弧线圈接地系统中，单相间歇性电弧接地引发相间短路的原因探讨177

5.7.1 我国3～66kV配电网绝缘水平177

5.7.2 单相间歇性电弧接地过电压177

5.7.2.1 单相刚接地（第一次接地）时产生的过电压178

5.7.2.2 单相间歇性电弧接地时重燃产生的过电压179

5.7.2.3 DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》对单相间歇性电弧接地故障时产生的过电压值的规定180

5.7.3 断线接地过电压180

5.7.4 单相间歇性电弧接地时故障点总电流［Ijd（t）］180

5.8.1 切除单相接地故障186

5.7.5 主要结论186

5.8 中性点消弧线圈接地系统中切除接地故障时过电压及其保护186

5.8.2 切除两相接地故障187

5.8.3 中性点消弧线圈接地系统中切除单相和两相接地时过电压保护187

5.9 3～66kV电网铁磁谐振过电压187

5.10 俄1999《导则》对《6～35kV电网内过电压防护》措施有关规定188

5.10.1 对地电容电流补偿188

5.10.2 6～35kV电网中电弧过电压防护188

5.10.3 绝缘监控用的6～35kV电压互感器故障防护190

5.10.4 防护真空断路器操作过电压191

5.11 配电网中性点不同接地方式的优缺点193

5.11.1 配电网中性点不接地（绝缘）的优缺点193

5.11.2 配电网中性点谐振（消弧线圈）接地的优缺点194

5.11.3 配电网中性点直接接地的优缺点194

5.11.4 配电网中性点电阻器接地的优缺点194

5.11.5 配电网中性点低值电抗器接地的优缺点195

5.11.6 配电网中性点不同接地方式特点比较表195

5.12 简要结论196

6.1 35kV及以下架空线路雷击跳闸次数计算方法198

6 3～35kV架空线路防雷保护198

6.2 提高35kV及以下架空线路耐雷性的措施201

7 架空线路防雷保护203

7.1 特点203

7.2 架空线路耐雷指标决定于防雷保护措施205

7.2.1 架空线路结构参数对其耐雷指标的影响206

7.2.2 架空线路路径自然风土条件和特征对耐雷指标的影响207

7.2.3 俄罗斯110～750kV架空线路耐雷运行指标208

7.2.4 66kV及以上架空线路防雷保护措施209

7.3.1 110kV及以上架空线路耐雷性计算用的原始数据217

7.3 110kV及以上架空线路耐雷性计算方法217

7.3.2 架空线路绝缘冲击放电特性218

7.3.3 架空线路计算参数220

7.3.4 110kV及以上有避雷线架空线路雷击跳闸次数计算224

7.3.5 无避雷线金属和混凝土杆塔线路雷击跳闸次数计算231

7.3.6 无避雷线木杆架空线路雷击跳闸次数计算231

7.3.7 大跨越防雷保护234

7.3.8 通过高土壤电阻率路径的架空线路雷击跳闸次数计算238

7.4.2 110kV及以上架空线路防雷保护选择准则239

7.4.1 制作110～750kV架空线路耐雷性评估参考曲线239

7.4 110kV及以上架空线路防雷保护措施选择239

7.4.3 俄1999《导则》的有关规定240

7.5 不同结构应用的110～750kV架空线路耐雷指标和防雷保护措施的分析246

7.6 土壤中雷电流通过时形成火花过程对110～330kV架空线路耐雷指标的影响249

8 发变电所防雷保护254

8.1 引言254

8.2 变电所防雷保护是一个系统工程255

8.3 发变电所的直击雷防护256

8.4 沿架空输电线路导线侵入变电所的雷电过电压的防护原理和原则260

8.5 加强变电所进（出）线段防雷保护的要求261

8.6 发电厂和变电所防护沿架空线路导线上侵入雷电波263

8.7 降低配电装置绝缘上过电压的措施264

8.7.1 沿架空线路导线侵入变电所流经WGMOA的雷电流的估计264

8.7.2 电力变压器绕组各侧设防耐雷可靠性应一致268

8.7.3 选用沿架空输电线路导线上侵入到变电所雷电波陡度和幅值不应“一刀切”269

8.8 变电所耐雷性（或危险率）的预测和评价270

8.8.1 俄罗斯方法270

8.8.2 中国电力科学研究院方法272

8.9 DL/T 620—1997的有关规定275

8.10 电力变压器中性点过电压保护280

9 直配旋转电机防雷保护283

9.1 旋转电机电气绝缘强度283

9.2 直配旋转电机防护雷电侵入波原理283

9.3 电缆段对雷电波的衰减283

9.4 电缆段中雷电波的振荡286

9.5 电缆段的雷电流分流289

9.6 带电缆段的防雷保护接线方式300

9.6.1 高标称In的电机用WGMOA的简化防雷保护接线方式300

9.6.2 标准中规定的带电缆段（l≥100m）防雷保护接线方式301

9.6.3 小结304

9.7 直配架空线路运行的旋转电机的防雷保护接线方式306

9.7.1 进线段利用避雷针的防雷保护接线流经电机用MOA的雷电流307

9.7.2 降低线路对地绝缘水平和进线段利用避雷针保护的防雷接线方式312

9.7.3 进线段利用避雷线的防雷保护接线方式313

9.7.4 降低木杆线路对地绝缘水平和进线段利用避雷线保护的防雷接线方式314

9.8 旋转电机对感应雷的防护317

9.9 直配旋转电机中性点防雷保护319

9.10 旋转电机经变压器与架空线路连接供电运行的防雷保护320

11 110kV及以上电网内过电压防护320

11.1.1 概论：基本规定325

11.1.2 谐振过电压325

10 6～10kV配电网防雷保护325

11.1 110kV及以上电网内过电压一般特性325

11.1.3 操作过电压327

11.1.4 谐振过电压和操作过电压的统计特性328

11.1.5 110～1150kV电压的电网绝缘保护时内过电压统计分布计算329

11.2 谐振过电压329

11.2.1 概述329

11.2.2 替代结线参数和谐振过电压主要影响因素数量评估330

11.2.5 成功单相自动重合闸时非对称方式中50Hz频率强制电压332

11.2.3 对称运行方式中50Hz频率过电压过渡过程强制电压332

11.2.4 单相短路时非对称方式中50Hz频率强制电压332

11.2.6 500kV及以上输电成功单相自动重合闸休止中的过电压保护333

11.2.7 非全相方式中50Hz频率过电压334

11.2.8 工作在空载线路上的发电机参数自激磁334

11.2.9 暂态铁磁谐振现象时的偶次、2ω频率和奇次、（2k+1）ω频率、高次谐波过电压335

11.2.10 带电磁式电压互感器合空载母线后，220～500kV输电中发生的50Hz频率铁磁谐振过电压防护336

11.3 SF6组合配电装置110～750kV变电所防护谐振、高频和低频操作过电压和雷电过电压338

11.3.1 概述338

11.2.11 100Hz和200Hz频率偶次高次谐波自动参数自激磁338

11.3.2 GIS在运行过程中SF6绝缘电气强度可能降低341

11.3.3 GIS和变电所设备绝缘防护过电压的技术措施342

11.3.4 GIS防护谐振过电压342

11.3.5 GIS防护低频操作过电压342

11.3.6 变电所设备和GIS防雷保护342

11.3.7 GIS防护高频操作过电压343

11.4 纵（串联）和横（并联）补偿输电防护操作和雷电过电压343

11.4.1 概述343

11.4.2 纵（串联）和横（并联）补偿输电中操作和分频谐振过电压特征343

11.4.3纵（串联）和横（并联）补偿输电防护操作和谐振过电压345

12 交流电力系统绝缘配合349

12.1 概述349

12.2 绝缘配合原则350

12.3 绝缘上作用的电压和过电压351

12.4 绝缘水平和绝缘试验352

12.4.1 总要求353

12.4.2 标准短时工频耐受电压试验353

12.4.5 相间及纵绝缘标准耐受电压试验354

12.4.4 替代试验354

12.4.3 标准冲击耐受电压试验354

12.5 绝缘配合方法和应用选择358

12.5.1 确定性法（又称惯用法或常规法）358

12.5.2 统计法359

12.5.3 简化统计法360

12.5.4 绝缘配合程序361

12.6 变电所绝缘配合366

12.6.1 电力设备绝缘配合366

12.6.2 变电所绝缘子串及空气间隙的绝缘配合375

12.7.1 问题和分析378

12.7 架空输电线路绝缘配合378

12.7.2 清洁区（0级污秽区）线路绝缘子串379

12.7.3 架空输电线路导线对杆塔的空气间隙380

12.7.4 中国架空输电线路绝缘子串和最小空气间隙380

附录A 全世界实践的发电机和发电机升压变压器线圈中性点接地方式的征询调研报告382

附录B ABB公司交流高压EXLIM型WGMOA选择导则395

附录C ABB公司交流电站（变电站）保护用的WGMOA应用导则414

附录D ABB公司交流EXLIM型WGMOA限制输电线路操作过电压的应用导则423

附录E 通信微波站的防雷保护432

附录F 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录5《载流体至110～750kV室外配电装置和110～330kV室内配电装置各种部件在明亮（受光）处最小允许距离，ОПН保护水平为相对地1.8倍》443

附录G 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录30——《110～1150kV变电所防雷保护计算方法和替代结线编制实例》445

附录H 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录32——俄国家电力科学研究院（ВНИИЭ）开发的《利用蒙特卡洛（Monte Carlo）统计试验方法对变电所防雷保护可靠性指标进行评估》的方法和图表453

附录I 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录33——俄国立圣·彼得堡技术大学（СПБГТУ）（前身为苏联国立列宁格勒加里宁工学院——ЛПИ）开发的《变电所连同架空线路为一整体的防雷保护统计分析方法》的方法和图表458

附录J 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录1——《操作过电压对输电绝缘和电流负载对过电压限制器（ОПМ——交流无间隙金属氧化物非线性电阻器）的年作用次数评估》468

附录K 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录2——《谐振过电压数值计算及其防护措施有效性评估方法》471

附录L 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录3——《确定被操作输电自由振荡频率中最小的频率图》485

附录M IEC推荐的GIS及其内部设备的试验电压486

附录N 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录6——《110～1150kV ОПН（在内过电压动作负载下）服役期望期（年）计算方法》487

附录O 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录7——《GIS—КРУЭ供电单元变压器（自耦变压器）绝缘防雷保护系统选择实例》493

附录P 俄1999年制订的《6～1150kV电网雷电和内过电压防护导则》附录8——《ОПН（在内过电压动作负载下）服役期望期（年）计算实例》496