交流电力系统过电压防护及绝缘配合PDF电子书下载

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Uref 51

4.3.2 额定电压Ur 52

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GMOA 82

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