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发电厂防雷

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发电厂防雷

发电厂防雷一般是指发电厂和变电站的防雷,由于许多电力设备身处其中,而且还有电力系统中最重要的电力设备―发电机和变压器,因此发电厂和变电站(以下简称发、变电站)的防雷重要性比线路大。 

如果说输电线不一定都要架设避雷线,那么发、变电站却要避雷针、避雷线和避雷器三者俱全。

发、变电站受雷有三个来源:雷直击电力设备;雷直击避雷针、线后形成的感应过电压;雷直击输电线后沿线路的来波。

1、我们先来看第一种情况。在以前的文章中,我曾经谈到,对一个100米见方的变电站,在中等落雷地区(每年打40个雷),大约27年会遭受一次雷击。或者说如果有一个地区,有27个变电站,那么该地区平均每年都会有一个变电站遭雷打。

如果在雷电易击区,则平均每2、3年就要落雷一次。雷电易击区一般是指山区的风口处、顺风的河谷、峡谷以及易形成雷云的四周是山的潮湿盆地;土壤电阻率有突变的地带,例如岩石与土壤,山坡与稻田的交界处、以及岩石山脚下有小河的山谷处;地下有导电性矿的地面(即雷喜欢朝土壤电阻率小的地方打);良好土壤和植被的山丘,雷易击于山顶和山的向阳坡。

所以我们在选址时应该尽量躲开这些地区,并且所有的发、变电站都必须装设防直击雷装置―避雷针或避雷线。装了避雷针、线后,根据我国的运行经验,发、变电站的雷电绕击事故率约为0.2~0.3次/百所年,即对一个发、变电站而言,1000年才会遇到雷击2~3次,所以避雷针、线的防雷效果还是相当有效的。

2、我们再来看第二种情况。有了上述第一道防线后,发、变电站还是会发生雷击事故,这就是由感应雷引起的,对于感应雷的解释,以前的文章也进行过解释。

感应雷会使35kV及以下的母线和设备产生严重的故障,据不完全统计,变电站35kV及以下侧的感应过电压事故率约为1次/百所年,所以避雷针应尽量远离电力设备。

3、由于线路落雷次数多,所以第三种情况最频繁。线路的绝缘一般比发、变电站设备的绝缘为高。

例如110千伏线路,每串有7个―4.5绝缘子,其冲击绝缘强度为700千伏,说明沿线路可能有700kV的雷电波进到变电站,因为经济上的原因,相同电压等级的变压器的出厂全波试验电压只有480kV,所以变压器几乎必坏无疑。

限制这种侵入波的主要设备是避雷器,但这还不够,由于制造上的原因,避雷器的通流容量有一定的限制,一般在5kA到15kA的范围内。而在我国,每100次雷中,大约平均有73次的雷电流会达到15kA,所以此时避雷器也几乎必坏无疑。

解决的办法就是在临近变电站的1~2公里线路上架设避雷线,这称为进线段。由于进线段导线本身阻抗的作用,流过避雷器的雷电流将受到限制,而且沿导线的来波陡度也将由于冲击电晕的作用而大为降低。

有了进线段之后,沿线来波把避雷器打坏的很少。据我国的运行经验统计,110~220kV变电站侵入雷电波事故率约为0.5次/百所年,即一个变电站的耐雷寿命有200年,35kV变电站侵入雷电波事故率约为0.67次/百所年,即一个变电站的耐雷寿命约为150年,这是因为35kV电压等级的设备本身绝缘较低的原因。

最后谈谈旋转电机的防雷,在这里特别提到旋转,是因为变压器是静止的。世界上的事情就是这么奇怪,电力系统中最重要的两个设备,一个旋转,一个却静止,其实这就是一阴一阳谓之道也!就是因为发电机是旋转的,所以它的防雷具有以下特点:

1、发电机是整个电力系统的源泉,特别在独立电厂中更是如此。当它遭受雷击时,可能产生强大的电流将定子铁心烧坏。

下图是国外一个发电厂因为雷击造成发电机的定子故障。

再下面一张是定子铁心被烧坏的局部特写图。 

这种结构修理起来特别困难,而且需要花费很长的时间。因此对大容量的或者特别重要的旋转电机,防雷保护要求特别可靠。 

2、旋转电机由于结构上的特点,其绝缘水平比较低。因为它的绝缘物是放在定子铁心的槽中的,在制造过程中需要将线圈压进槽内,这可能会使绝缘物受到损伤。又由于它不能像变压器那样放在油中,所以只能完全靠固体介质来绝缘,这样在制造过程中就可能产生气泡,从而容易发生局部放电。同时它也不能像变压器线圈那样能采用电容补偿等措施来使冲击电压分布均匀。所以电机的绝缘水平比起同级变压器来要弱得多,例如出厂时前者的冲击耐压只有后者的三分之一左右。 

3、电机绝缘在运行中老化速率较快,这是因为它所处的条件比变压器要差得多的缘故。电机在运行中可能受潮,受污,也可能受到臭氧等化学成分的侵蚀,同时又经常受到机械力(如震动,短路电流冲击以及热胀冷缩等)的作用。电机的绝缘介质受到破坏后的累积效应也比较强,特别在导线出槽处,由于电场极不均匀,所以每逢过电压作用时该处绝缘就受到一次轻微损伤,时间一长就可能发生击穿。

综上所述,旋转电机的防雷元件只靠避雷器就不够了,一般需要避雷器、电容器、电抗器和电缆段。

下图是该发电厂采用了前两种设备(避雷器和三相脉冲电容器)进行了联合保护。   

另外还要注意:由于电机的绝缘水平很低,出厂时的冲击耐压也很低,用一般的保护变压器或电站的避雷器都不行,因为它们的残压均比发电机的冲击耐压要高,因此只能使用专门的残压低的避雷器。又因为电容器上的电压不能突变,在雷电冲击到达瞬间,电容等于短路,然后逐步充电,这就限制了来波上升的速度,同时降低了来波幅值,这正是我们需要的结果。

作者为武汉大学 张德赛 教授提供    图文为输变电线路提供 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2021年11月11日 16:05
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