如何选择有效的雷电保护装置？

5.1　雷电过电压

5.1.1　设计和运行中应考虑直接雷击、雷电反击和感应雷电过电压对电气装置的危害。

5.1.2　架空线路上的雷电过电压。

a）距架空线路S＞65m处，雷云对地放电时，线路上产生的感应过电压最大值可按式（2）计算：

式中：Ui——雷击大地时感应过电压最大值，kV；

I——雷电流幅值（一般不超过100），k A；

hc——导线平均高度，m；

S——雷击点与线路的距离，m。

线路上的感应过电压为随机变量，其最大值可达300kV～400kV，一般仅对35kV及以下线路的绝缘有一定威胁。

b）雷击架空线路导线产生的直击雷过电压，可按式（3）确定：

式中：US——雷击点过电压最大值，kV。

雷直击导线形成的过电压易导致线路绝缘闪络。架设避雷线可有效地减少雷直击导线的概率。

c）因雷击架空线路避雷线、杆顶形成作用于线路绝缘的雷电反击过电压，与雷电参数、杆塔型式、高度和接地电阻等有关。

宜适当选取杆塔接地电阻，以减少雷电反击过电压的危害。

5.1.3　发电厂和变压所内的雷电过电压来自雷电对配电装置的直接雷击、反击和架空进线上出现的雷电侵入波。

a）应该采用避雷针或避雷线对高压配电装置进行直击雷保护并采取措施防止反击。

b）应该采取措施防止或减少发电厂和变电所近区线路的雷击闪络并在厂、所内适当配置阀式避雷器以减少雷电侵入波过电压的危害。

c）按本标准要求对采用的雷电侵入波过电压保护方案校验时，校验条件为保护接线一般应该保证2km外线路导线上出现雷电侵入波过电压时，不引起发电厂和变电所电气设备绝缘损坏。

5.2　避雷针和避雷线

5.2.1　单支避雷针的保护范围（图2）。

图2　单支避雷针的保护范围（h≤30m时，θ＝45°）

a）避雷针在地面上的保护半径，应按式（4）计算：

式中：r——保护半径，m；

h——避雷针的高度，m；

P——高度影响系数，h≤30m，P＝1；30m＜h≤120m，P＝；当h＞120m时，取其等于120m。

b）在被保护物高度hx水平面上的保护半径应按下列方法确定：

1）当hx≥0.5h时

式中：rx——避雷针在hx水平面上的保护半径，m；

hx——被保护物的高度，m；

ha——避雷针的有效高度，m。

2）当hx＜0.5h时

5.2.2　两支等高避雷针的保护范围（图3）：

a）两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。

b）两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R＇O。O点为假想避雷针的顶点，其高度应按式（7）计算：

式中：hO——两针间保护范围上部边缘最低点高度，m；

D——两避雷针间的距离，m。

图3　高度为h的两等高避雷针的保护范围

两针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度应按图4确定。当bx＞rx时，取bx＝rx。

图4　两等高（h）避雷针间保护范围的一侧最小宽度（bx）与D/haP的关系

（a）D/haP＝0～7；（b）D/haP＝5～7

求得bx后，可按图3绘出两针间的保护范围。

两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。

5.2.3　多支等高避雷针的保护范围[图5（a）及图5（b）]。

a）三支等高避雷针所形成的三角形的外侧保护范围应分别按两支等高避雷针的计算方法确定。如在三角形内被保护物最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx≥0时，则全部面积受到保护。

图5　三、四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围

（a）三支等高避雷针在hx水平面上的保护范围；（b）四支等高避雷针在hx水平面上的保护范围

图6　单根避雷线的保护范围（h≤30m时，θ＝25°）

b）四支及以上等高避雷针所形成的四角形或多角形，可先将其分成两个或数个三角形，然后分别按三支等高避雷针的方法计算。如各边的保护范围一侧最小宽度bx≥0，则全部面积即受到保护。

5.2.4　单根避雷线在hx水平面上每侧保护范围的宽度（图6）。

a）当hx≥时

式中：rx——每侧保护范围的宽度，m。

b）当hx＜时

5.2.5　两根等高平行避雷线的保护范围（图7）。

图7　两根平行避雷线的保护范围(www.xing528.com)

a）两避雷线外侧的保护范围应按单根避雷线的计算方法确定。

b）两避雷线间各横截面的保护范围应由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度应按式（10）计算：

式中：hO——两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；

D——两避雷线间的距离，m；

h——避雷线的高度，m。

c）两避雷线端部的两侧保护范围仍按单根避雷线保护范围计算。两线间保护最小宽度（参见图3）按下列方法确定：

1）当hx≥时

2）当hx＜时

5.2.6　不等高避雷针、避雷线的保护范围（图8）。

a）两支不等高避雷针外侧的保护范围应分别按单支避雷针的计算方法确定。

图8　两支不等高避雷针的保护范围

b）两支不等高避雷针间的保护范围应按单支避雷针的计算方法，先确定较高避雷针1的保护范围，然后由较低避雷针2的顶点，作水平线与避雷针1的保护范围相交于点3，取点3为等效避雷针的顶点，再按两支等高避雷针的计算方法确定避雷针2和3间的保护范围。通过避雷针2、3顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧，其弓高应按式（13）计算：

式中：f——圆弧的弓高，m；

D＇——避雷针2和等效避雷针3间的距离，m。

c）对多支不等高避雷针所形成的多角形，各相邻两避雷针的外侧保护范围按两支不等高避雷针的计算方法确定；三支不等高避雷针，如在三角形内被保护物最大高度hx水平面上，各相邻避雷针间保护范围一侧最小宽度bx≥0，则全部面积即受到保护；四支及以上不等高避雷针所形成的多角形，其内侧保护范围可仿照等高避雷针的方法确定。

d）两根不等高避雷线各横截面的保护范围，应仿照两支不等高避雷针的方法，按式（10）计算。

5.2.7　山地和坡地上的避雷针，由于地形、地质、气象及雷电活动的复杂性，避雷针的保护范围应有所减小。避雷针的保护范围可按式（4）～式（6）的计算结果和依图4确定的bx等乘以系数0.75求得；式（7）可修改为hO＝h－；式（13）可修改为f＝

利用山势设立的远离被保护物的避雷针不得作为主要保护装置。

5.2.8　相互靠近的避雷针和避雷线的联合保护范围可近似按下列方法确定（图9）：

图9　避雷针和避雷线的联合保护范围

避雷针、线外侧保护范围分别按单针、线的保护范围确定。内侧首先将不等高针、线划为等高针、线，然后将等高针、线视为等高避雷线计算其保护范围。

5.3　阀式避雷器

5.3.1　采用阀式避雷器进行雷电过电压保护时，除旋转电机外，对不同电压范围、不同系统接地方式的避雷器选型如下：

a）有效接地系统，范围Ⅱ应该选用金属氧化物避雷器；范围Ⅰ宜采用金属氧化物避雷器。

b）气体绝缘全封闭组合电器（GIS）和低电阻接地系统应该选用金属氧化物避雷器。

c）不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统，根据系统中谐振过电压和间歇性电弧接地过电压等发生的可能性及其严重程度，可任选金属氧化物避雷器或碳化硅普通阀式避雷器。

5.3.2　旋转电机的雷电侵入波过电压保护，宜采用旋转电机金属氧化物避雷器或旋转电机磁吹阀式避雷器。

5.3.3　有串联间隙金属氧化物避雷器和碳化硅阀式避雷器的额定电压，在一般情况下应符合下列要求：

a）110kV及220kV有效接地系统不低于0.8Um。

b）3kV～10kV和35kV、66kV系统分别不低于1.1Um和Um；3kV及以上具有发电机的系统不低于1.1Um·g。

注：Um·g为发电机最高运行电压。

c）中性点避雷器的额定电压，对3kV～20kV和35kV、66kV系统，分别不低于0.64Um和0.58Um；对3kV～20kV发电机，不低于0.64Um·g。

5.3.4　采用无间隙金属氧化物避雷器作为雷电过电压保护装置时，应符合下列要求：

a）避雷器的持续运行电压和额定电压应不低于表3所列数值。

b）避雷器能承受所在系统作用的暂时过电压和操作过电压能量。

5.3.5　阀式避雷器标称放电电流下的残压，不应大于被保护电气设备（旋转电机除外）标准雷电冲击全波耐受电压的71%。

5.3.6　发电厂和变电所内35kV及以上避雷器应装设简单可靠的多次动作记录器或磁钢记录器。

5.4　排气式避雷器

5.4.1　在选择排气式避雷器时，开断续流的上限，考虑非周期分量，不得小于安装处短路电流的最大有效值；开断续流的下限，不考虑非周期分量，不得大于安装处短路电流的可能最小值。

5.4.2　如按开断续流的范围选择排气式避雷器，最大短路电流应按雷季电力系统最大运行方式计算，并包括非周期分量的第一个半周短路电流有效值。如计算困难，对发电厂附近，可将周期分量第一个半周的有效值乘以1.5；距发电厂较远的地点，乘以1.3。最小短路电流应按雷季电力系统最小运行方式计算，且不包括非周期分量。

5.4.3　排气式避雷器外间隙的距离，在符合保护要求的条件下，应采用较大的数值。排气式避雷器外间隙的距离一般采用表4所列数值。

表3　无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压和额定电压

注　1　220kV括号外、内数据分别对应变压器中性点经接地电抗器接地和不接地。
2　330kV、500kV括号外、内数据分别与工频过电压1.3p.u.和1.4p.u.对应。
3　220kV变压器中性点经接地电抗器接地和330kV、500kV变压器或高压并联电抗器中性点经接地电抗器接地时，接地电抗器的电抗与变压器或高压并联电抗器的零序电抗之比小于等于1/3。
4　110kV、220kV变压器中性点不接地且绝缘水平低于表21所列数值时，避雷器的参数需另行研究确定。

表4　排气式避雷器外间隙的距离

为减少排气式避雷器在反击时动作，应降低与避雷线的总接地电阻，并增大外间隙距离，一般可增大到表4所列的外间隙最大距离。

5.4.4　排气式避雷器的设置应符合下列要求：

a）应避免各避雷器排出的电离气体相交而造成短路。但在开口端固定避雷器，则允许其排出的电离气体相交。

b）为防止在排气式避雷器的内腔积水，宜垂直安装，开口端向下或倾斜安装，与水平线的夹角不应小于15°。在污秽地区，应增大倾斜角度。

c）排气式避雷器应安装牢固，并保证外间隙稳定不变。

d）标称电压10kV及以下系统中用的排气式避雷器，为防止雨水造成短路，外间隙的电极不应垂直布置。

e）外间隙电极宜镀锌，或采取避免锈水沾污绝缘子的措施。

5.4.5　排气式避雷器应装设简单可靠的动作指示器。

5.5　保护间隙

5.5.1　如排气式避雷器的灭弧能力不能符合要求，可采用保护间隙，并应尽量与自动重合闸装置配合，以减少线路停电事故。保护间隙的主间隙距离不应小于表5所列数值。

表5　保护间隙的主间隙距离最小值

5.5.2　除有效接地系统和低电阻接地系统外，应使单相间隙动作时有利于灭弧，并宜采用角形保护间隙。

保护间隙宜在其接地引下线中串接一个辅助间隙，以防止外物使间隙短路。辅助间隙的距离可采用表6所列数值。

表6　辅助间隙的距离