【正文】 [9]劉兆林，張國強(qiáng)，溫碧紅 .氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)規(guī)程 .北京：中國電力出版社， [10] 王洪新，賀景亮 .電力系統(tǒng)電磁兼容 .武昌：武漢大學(xué)出版社， 2020 。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得出，在電纜首端裝設(shè)一組氧化鋅避雷器 [如圖83（ a） 所示 ],雖然可滿足保護(hù)要求，但若在 GIS 入口處再加裝一組氧化鋅避雷器 [如圖 83（ b） 、（ c） 所示 ]，保護(hù)效果會(huì)更佳。 GIS變電站的絕緣與一般敞開式變電站的絕緣在伏秒特性及極性效應(yīng)上的差異是因?yàn)樗鼈兊慕^緣介質(zhì)中電場(chǎng)分布不同而引起的。 VFTO 對(duì)避雷器和變壓器的影響 ： GIS 中隔離開關(guān)操作引起的 VFTO，雖然幅值不算太高（一般為系統(tǒng)電壓的 2倍左右），但其等值頻率高、陡度大（有時(shí)可達(dá) ? ,即使在變壓器處也可達(dá) ? ），該 VFTO 作用在避雷器上會(huì)產(chǎn)生很大的脈沖電容電流，從而可引起避雷器的頻繁動(dòng)作。例如，近年巴西的 Graiau 500kVGIS 變電站在運(yùn)行的初期，就曾因隔離開關(guān)操作產(chǎn)28 生的 VFTO 造成 GIS 外殼內(nèi)部的火花放電， 500kV 油紙?zhí)坠艿?炸裂和變壓器故障等。 （ 2）有利于環(huán)境 保護(hù)。在中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中，X0/X1的值一般不超過 3，以這種極限來計(jì)算， 0U 最大可達(dá) lmUUUU % 30 ???? ?? 式中 Ulm為最大運(yùn)行的線電壓，因此一般建議選取 40%Ulm為避雷器額定電壓。另外，還需在安裝場(chǎng)所檢驗(yàn)避雷器的密封性能，測(cè)量碳化硅避雷器的工頻放電電壓。 （ 5） GIS 組合電器的絕緣配合是目前研究的一個(gè)課題，有關(guān)配合系數(shù)尚需經(jīng)過計(jì)算或模擬試驗(yàn)后確定，不過一般而言，避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間的距離很近，這一點(diǎn)是對(duì)絕緣配合有利的。 IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定操作過電壓作用時(shí)采取的最小保護(hù)裕度也為 15%（ K=），考慮雷電過電壓作用時(shí)， 52kV 以下配電系統(tǒng)配合系數(shù)為 （美國、加拿大生產(chǎn)的絕緣強(qiáng)度高的電力設(shè)備允許配合系數(shù)為 ），其余電壓等級(jí)中配合系數(shù)為 或 。s， 150～ 300181。避雷器一般裝設(shè)在母線上，如一組避雷器不能滿足要求，則應(yīng)考慮增設(shè)。 避雷器與保護(hù)設(shè)備最大允許電氣距離 從 前面的分析可以看出，當(dāng)侵入陡度一定時(shí)，避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間的電氣距離越大，設(shè)備上電壓高出避雷器的殘壓 也就越多。 當(dāng)侵入波侵入變電站時(shí)，變電站設(shè)備上所承受沖擊電壓的最大值其差值 Us可用下 vlabUSU 25 ??? (68) 式中： l為電氣設(shè)備與避雷器之間的電氣距離。因此，避雷器與各電氣設(shè)備都不可避免的有一段長度的距離。為簡化分析，不計(jì)變壓器的對(duì)地入口電容，并假定避雷器的伏秒特性和伏安特性u(píng)b=f(ib)已知。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動(dòng)化控制等各個(gè)系統(tǒng) 。 綜合上述中性點(diǎn)過電壓分析，可列出各級(jí)變電站在各種過電壓形式下的過電壓穩(wěn)態(tài)值匯總表，如 12 表 51 各級(jí)變電站中 性點(diǎn)過電壓大小（有效值） 變電站級(jí)別 /kV 有效接地系統(tǒng)單相接地故障 /kV 構(gòu)成局部中性點(diǎn)絕緣的單相接地故障 非全相分、合閘過電壓 /最大值 /kV 35 14 23 23/46 110 73 72/146 220 146 146/292 中性點(diǎn)過電壓的保護(hù)措施 對(duì)中性點(diǎn)的過電壓 保護(hù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的具體情況選擇最佳的保護(hù)方式，應(yīng)與二次側(cè)保護(hù)設(shè)備相互配合。此時(shí)中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)過電壓公式計(jì)算為： U0=Ue K（ K+2）。變電站的中性點(diǎn)過電壓產(chǎn)生也是基于上述原因，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)反映在中性點(diǎn)上的過電壓形式有：雷電過電壓、內(nèi)部過電壓。 保護(hù)接地 :不設(shè)這種接地，電力系統(tǒng)也能正常運(yùn)行 ,但為了人身安全而將電氣設(shè)備的金屬外殼等加以接地 ,它是在故障的條件下才發(fā)揮作用的 ,它所要求的接地電阻值處于 110?的范圍內(nèi)。為了避免這種情況發(fā)生 ,被保護(hù)物體與避雷針間在空氣中以及地下接地裝置間應(yīng)有足夠的距離。二是雷擊輸電線路產(chǎn)生的雷電波沿線路侵入變電所。 由于雷電侵入波主要對(duì) 35kV 以下系統(tǒng)危害較大，變電站著重對(duì) 35kV 和 10kV線路入侵波進(jìn)行了防護(hù)。由于避雷針的存在，建筑物上落雷機(jī)會(huì)反倒增加，內(nèi)部設(shè)備遭感應(yīng)雷危害的機(jī)會(huì)和程度一般來說是增加了。如中等強(qiáng)度的雷云 (U0=50MV),按雷電先導(dǎo)的閃擊距離公式 rs= ，可得球的半徑為 133m，在此情況下得出的保護(hù)半徑比有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程的大一些。 6 3 變電站防雷措施 避雷針 為免遭直擊雷破壞，變電站一般采用獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針進(jìn)行防雷保護(hù)。顯然，感應(yīng)雷危害是大面積的，是電子設(shè)備的克星。 不僅僅是輸電線路、動(dòng)力電纜，凡是引進(jìn)變電站的金屬管線都會(huì)引起雷電反擊。兩者相接，進(jìn)入直擊或繞擊的主放電階段。雷電的本身并沒有變，而是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得人類社會(huì)的生產(chǎn)生活狀況變了。 但需要說明，避雷針必須有足夠可靠，并且有接地電阻盡量小的引下線接地裝置與其配套，否則，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷擊的損害程度。第二種解析認(rèn)為，避雷針是靠把雷雨云所帶的異種電荷引導(dǎo)到自身上來，通過良好的接地裝置，把雷電流泄入大地，保護(hù)建筑物不受雷擊。 接閃器 ： 直接截受雷擊，及用作接閃的器具、金屬構(gòu)件和金屬屋面等，稱為接閃器。 由于雷擊會(huì)給人類帶來災(zāi)害，因此，人類很早就與雷害進(jìn)行斗爭。 本次設(shè)計(jì)以 110kV 變電站為主要設(shè)計(jì)對(duì)象 ,主要解決以 下問題： 分析與計(jì)算； 、入侵波的保護(hù)分析與設(shè)計(jì)； 、氣體絕緣變電站、變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)分析與設(shè)計(jì)； 。我國運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，凡裝設(shè)符合規(guī)程要求的避雷針的發(fā)電廠和變電所，繞擊和反擊事故率是非常低的。從這個(gè)角度來講，人類有今天的文明應(yīng)該感謝雷電。 防雷設(shè)備 為保護(hù)變電站的設(shè)備安全，提高其供電可靠性，優(yōu)化防 雷設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)變電站的防雷安全措施 。實(shí)際上，在富蘭克林發(fā)明避雷 針的時(shí)候，提出了兩種避雷針工作機(jī)理的解析；第一種解析認(rèn)為，避雷針是靠其針尖電暈放電發(fā)出與雷雨云相反的電荷，使雷雨云的電荷得到中和，從而免除建筑物的雷害。 由于避雷針與大地有良好的電氣連接，能把大地積存的電荷能量迅速傳遞到雷雨云層中泄放；或把雷雨云層中積存的電荷能量傳遞到大地中泄放，使雷擊而造成的過電壓時(shí)間大大的縮短，從很大程度上降低了雷擊的危害性，這就是避雷針的工作原理。 （ 4） 產(chǎn)生上述特點(diǎn)的根本原因，也就是關(guān)鍵性的特點(diǎn)是雷災(zāi)的主要對(duì)象已集中在微電子器件設(shè)備上。閃電開展之前先是雷云底部的始發(fā)先導(dǎo)按間歇分級(jí)躍進(jìn)方式向地表發(fā)展，當(dāng)距地面 50～ 100m 時(shí)，由避雷針等地表電場(chǎng)畸變集中的地方產(chǎn)生垂直向上的迎面先導(dǎo)。如果受雷擊變電站輸電線路來自另一個(gè)5 不同地網(wǎng)的變電站，那么上升的地電位與輸電線上的電位將形成巨大反差，導(dǎo)致與輸電線路相連的電氣設(shè)備的損壞。雷電流變化梯度很大，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，使得周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流可能向周圍物體放電，如附近有可燃物就會(huì)引發(fā)火災(zāi)和爆炸，而感應(yīng)到正在聯(lián)機(jī)的導(dǎo)線上就會(huì)對(duì)設(shè)備具有強(qiáng)烈的破壞性。特別注意的是電子設(shè)備的高阻抗輸入回路，信號(hào)回路等引線較長，且直接連接的金屬體積較大處，雖 然已作電磁屏蔽（采用屏蔽電纜且屏蔽層兩端接地）仍會(huì)遭受厄運(yùn)。球與地面接觸點(diǎn)到針尖這段弧，如果碰不到被保護(hù)物體，則被保護(hù)物處在保護(hù)范圍內(nèi)。如果一個(gè)變電站有 4 根針，每邊相距 50m，雷擊概率則為 次 /年。以前裝設(shè)的避雷器大多為裝在線路端的管型避雷器和裝在母線、設(shè)備處的閥型避雷器，目前均由性能更好的金屬氧化物避雷器所取代。 變電所的雷害事故來自兩個(gè)方面 :一是雷直擊變電所 。逆閃絡(luò)一旦出現(xiàn) ,高電位將加到電氣設(shè)備上，有可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣的損壞。 接地是指將地面上的金屬物體或電氣回路中的某一節(jié)點(diǎn)通過導(dǎo)體與大地保持等電位 ,電力系統(tǒng)的接地按其功用可分三類 : 工作接地 :根據(jù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要而設(shè)置的接地，它所要求的接地電阻值約在 ?的范圍內(nèi)。內(nèi)部過電壓主要是由于電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式改變引起的過電壓反映，其主要包括操 作過電壓和暫時(shí)過電壓。由于電網(wǎng)各處 X0/X1 不容易準(zhǔn)確提供，且有效接地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一般 K≤ 3，當(dāng) K=3 時(shí)過電壓最嚴(yán)重。由于現(xiàn)在斷路器都是連動(dòng)的，因此出現(xiàn)上述情形比較少，但在實(shí)際變電站運(yùn)行中曾出現(xiàn)過，在中性點(diǎn)過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)中也要給予考慮。 雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對(duì)布放在建筑物外部的線纜放電。 首先分析避雷器直接 裝設(shè)在變壓器出線端的簡單接線，如圖 61（ a） 所示。 2u U ub 1 2 Z Ub ub Z1 ib 2u Z1 (a)接線圖 (b)動(dòng)作前等值電路 (c)動(dòng)作后等值電路圖 圖 61 避雷器接在變壓器端的接線和等值電路 16 避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間的距離（ l≠ 0） 變電所中有很多電氣設(shè)備，我們不可能在每個(gè)設(shè)備旁裝設(shè)一組避雷器加以保護(hù)，一般只在變電所母線上裝設(shè)避雷器，變壓器是最重要的設(shè)備，避雷器應(yīng)盡量靠近變壓器。（ 2）進(jìn)線刀閘上的電壓 uL(t)和變壓器上的電壓 uT(t) 從表 62 和表 63中可以看出，進(jìn) 線刀閘處電壓的最大值 UL為 vlabULU 125 ??? （ 66） 圖 64 接線上各點(diǎn)的電壓波形 uB i 2i2 if 2a(iif) 2a(iif) Ub5 =2a(if i2 ) 2a(ii1i2) ai 2(i1+i2) i1+2i2 Ub5 +2ai1 Ub5 +2ai2 Ub5 Ub5 2ai2 if 2i2 2i2 (a) (c) (b) i uL uT i 19 表 62 進(jìn)線刀閘上電壓 uL（ t） i Lu ? ?v li 21l2 ?＜ ai ? ?v llivlfi 21212 ?? ＞＞ ? ? ?????? ????????? ??? v lliav lliaai 212212 vlfii 12?＞ vlabUv lliavliiav llia 12521121212212 ??????????? ????????? ???????? ??????????? ?? 表 63 變壓器上電壓 uT(t) i Tu fii＜ ai2 fii? vlabUfai 2252 ??? vlfii 22?? vlabUvlfiavlfifiavlia 2252222242212 ??????????? ???????? ???????? ??????????? ? vlfii 24?? vlabUfai 2252 ??? ?? ?? 變壓器上電壓的最大值 UT為 vlabUTU 125 ??? (67) 由式 (64)和式 (65)表明，不論被保護(hù)設(shè)備位于避雷器前還是避雷器后，只要設(shè)備離避雷器有一段距離 l，則設(shè)備上所受沖擊電壓的最大值必然高于避雷器殘壓 Ub5。 綜合以上的分析可得出：為保證設(shè)備安全，必須限制避雷器動(dòng)作后流過避雷器的電流在 5kA 以下，同時(shí)，也要限制侵入波的陡度 a 和注意電氣設(shè)備與避雷器之間的電氣距離 l。 對(duì)于一般變電所的雷電侵入波保護(hù)設(shè)計(jì)主要在于選擇避雷器安裝位置，其原則是在任何可能運(yùn)行方式下，變壓器和各設(shè)備到避雷器的電氣距離均應(yīng)小 于其最大電氣距離。 （ 2）對(duì)于操作過