第九章輸電線路的防雷保護(hù)

1、第九章 輸電線路的防雷保護(hù)本章要求：輸電線路的感應(yīng)過(guò)電壓：雷擊大地和雷擊桿塔時(shí)導(dǎo)線上感應(yīng)過(guò)電壓的計(jì)算 輸電線路上的直擊雷過(guò)電壓和耐雷水平建弧率及雷擊跳閘率的計(jì)算。 輸電線路防雷措施及作用分析 由于輸電線路長(zhǎng)度大， 分布面廣， 地處曠野， 易受到雷擊。 輸電線路上出現(xiàn)的大氣過(guò)電 壓有兩種： 一種是雷擊于輸電線路引起的 ，稱為直擊雷過(guò)電壓；（1）雷直擊導(dǎo)線，無(wú)避雷線的線路最易發(fā)生，但即使有避雷線，雷電仍可能繞過(guò)避雷線的 保護(hù)范圍而擊于導(dǎo)線（繞擊） 。（2）雷擊桿塔或避雷線強(qiáng)大的雷電流通過(guò)桿塔及接地電阻，使桿塔和避雷線的電位突然升 高，桿塔與導(dǎo)線的電位差超過(guò)線路絕緣子閃絡(luò)電壓時(shí)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)， 導(dǎo)線

2、上出現(xiàn)很高的電 壓。這種桿塔電位升高，反過(guò)來(lái)對(duì)導(dǎo)線放電，稱為反擊。另一種是雷擊線路附近地面而引起的，由于電磁感應(yīng)所引起的 ，稱為感應(yīng)雷過(guò)電壓 。（3）雷擊輸電線路附近大地雷擊導(dǎo)線水平距離 65m 以外的大地時(shí)，由于空間電磁場(chǎng)的急劇變化，在導(dǎo)線上感應(yīng)出的過(guò)電壓，稱為感應(yīng)雷過(guò)電壓。感應(yīng)雷過(guò)電壓的危害 ：（ 3-1 ）引起線路跳閘，影響正常供電由于過(guò)電壓引起絕緣子閃絡(luò)，導(dǎo)線對(duì)地短路，雷電過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間短（幾十卩S）,繼電保護(hù)裝置來(lái)不及動(dòng)作， 但工頻續(xù)流沿放電通道繼續(xù)放電， 在形成穩(wěn)定燃燒的電弧后， 則繼電 保護(hù)裝置將使斷路器跳閘，影響正常送電（ 3-2 ）雷電波侵入變電站導(dǎo)線上形成的雷電過(guò)電壓波，

3、最終將侵入變電站， 經(jīng)復(fù)雜的折反射后， 在電氣設(shè)備上出 現(xiàn)很高的過(guò)電壓，危及設(shè)備絕緣，造成事故。輸電線路防雷性能的優(yōu)劣主要由 耐雷水平 及雷擊跳閘率 來(lái)衡量。耐雷水平： 雷擊線路時(shí)線路絕緣不發(fā)生沖擊閃絡(luò)的最大雷電流的幅值，單位為KA 。線路的耐雷水平越高，線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)的機(jī)會(huì)就越小。雷擊跳閘率： 每 100km 線路每年有雷擊所引起的跳閘次數(shù)。是衡量線路防雷性能的綜 合指標(biāo)。線路防雷問(wèn)題是一個(gè)綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題， 在確定線路的具體防雷措施時(shí)， 應(yīng)根據(jù)線路 的電壓等級(jí)、負(fù)荷性質(zhì)、 系統(tǒng)運(yùn)行方式、 雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌的特點(diǎn)和土壤電阻率的 高低等條件，特別要結(jié)合當(dāng)?shù)卦芯€路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)通過(guò)

4、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。第一節(jié) 輸電線路的感應(yīng)雷過(guò)電壓、雷擊線路附近大地，線路上的感應(yīng)過(guò)電壓感應(yīng)過(guò)電壓的來(lái)源：靜電分量：束縛電荷瞬間釋放形成感應(yīng)雷過(guò)電壓。 電磁分量：主放電電流產(chǎn)生磁場(chǎng)變化形成感應(yīng)過(guò)電壓。當(dāng)S 65m時(shí)，單導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓為：Ug=25替，不同桿塔的等值電感Lgt.可由9-2-2查得。單根避雷線的等值電感Lb約為0.67l（H ）（1Ii -雷電流幅值 KA ; hd 導(dǎo)線懸掛的平均高度 m ; S雷擊點(diǎn)距離導(dǎo)線的距離。感應(yīng)過(guò)電壓特點(diǎn)：(1) 由于雷擊大地，大地自然接地電阻較大，雷電流幅值一般65m的情況，更近的雷電將因線路的引雷作用而擊于線路。雷擊線路桿塔時(shí)，由于雷電通道所產(chǎn)生

5、的電磁場(chǎng)的迅速變化，將在導(dǎo)線上感應(yīng)出與雷電流極性相反的過(guò)電壓。無(wú)避雷線時(shí)有避雷線時(shí)Ugd 二al%（1 十）a感應(yīng)過(guò)電壓系數(shù)（kV/m），等于雷電流平均陡度（2.6）第二節(jié) 輸電線路的直擊雷過(guò)電壓和耐雷水平我們以中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中有避雷線的線路為例進(jìn)行分析，其他線路的分析原則相 同。雷擊避雷線路的情況可以分為3種，即雷擊桿塔塔頂、雷擊避雷線檔距中央、雷繞過(guò)避雷線繞擊與導(dǎo)線（繞擊）。一、雷擊桿塔塔頂時(shí)的過(guò)電壓和耐雷水平雷擊桿塔塔頂時(shí)，雷電通道中的負(fù)電荷與桿塔及避雷線上的正電荷迅速中和形成雷電 流。雷擊瞬間自雷擊點(diǎn)（即塔頂）有一只雷電流波沿桿塔向下運(yùn)動(dòng)；另有兩個(gè)相同的負(fù)電 流波分別從塔頂沿兩側(cè)避

6、雷線相鄰桿塔運(yùn)動(dòng)，于此同時(shí)自塔頂有一正雷電流波沿雷電通道 向上運(yùn)動(dòng)，此正雷電流波的數(shù)值與3個(gè)負(fù)電流波數(shù)值之和相等。線路絕緣上的過(guò)電壓即由這幾個(gè)電流所引起的。由雷電通道中正電流波的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)線上所產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓已在上節(jié)闡述過(guò)了，這里主要分析流經(jīng)桿塔和地線中的雷電流所引起的的過(guò)電壓。1塔頂電位/避雷線電位對(duì)于高度40米以下的桿塔，在工程中，常將桿塔和避雷線以集中參數(shù)電感Lgt,Lb來(lái)代為檔距的長(zhǎng)度，m），雙根避雷線約為0.421 （舊）。Rch為桿塔沖擊接地電阻?？紤]到雷擊點(diǎn)的阻抗較低，故在計(jì)算中可省略去雷電通道波阻抗的影響。由于避雷線的分流作用，流經(jīng)桿塔的電流igt將小于雷電流iL。igt.二:

7、iL塔頂橫擔(dān)對(duì)地電位可表示為:桿塔分流系數(shù)可由9-2-3查得URchigt La 字二 RhiLLa羋dtdt把下列兩式代入上面方程:dt 一2.6。帶入上式可&幾何耦合系則橫擔(dān)對(duì)地電位的幅值 U a為aUa 二譏（Rch 呂2.6式中I L為雷電流的幅值；La以橫擔(dān)以下塔身的電感，可表示為L(zhǎng)a = Lgt以得到，塔頂橫擔(dān)對(duì)地電位：Ua 二譏（Rh 呂 4）2.6 hgt式中：Lgt為桿塔的總電感；hgt為桿塔的高度；ha為桿塔橫擔(dān)的高度。塔頂端電位可表示為：Utd二Rchigt Lgt咚二RhiLLgtg g dtg dt塔頂電位幅值可表示為： U td = 1 RcJ L J L “dt2

8、、導(dǎo)線電位與線路絕緣承擔(dān)的電壓平行導(dǎo)線上電位：（1） 耦合波分量kUtd雷電極性相同（k耦合系數(shù)）（2） 雷擊桿塔在導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓ahd（1 -旦心），與雷電極性相反（hd數(shù)）故導(dǎo)線的電位可表示為ud二kutd - ahd （1 -匹k0）hd絕緣子兩端電位差：是表示的是橫擔(dān)電位與導(dǎo)線電位之差，故線路絕緣上的電壓幅值 可表示為:Uj =Ua -Ud =Ua kUtd ahd(1 ko)Lgtha2.6hgt二 RIlIldt將以上的三個(gè)式子聯(lián)列可得為簡(jiǎn)化計(jì)算，以上計(jì)算中，假定各電壓分量的幅值均在同一時(shí)刻出現(xiàn)，且未考慮極性不確定的工作電壓分量。對(duì)于220kV及以下的線路，其工作電壓所占比重不

9、大，一般可以省略；但對(duì)超、特高壓線路，則不可不計(jì)，且雷擊時(shí)導(dǎo)線上工作電壓的瞬時(shí)值及其極性應(yīng)作為一隨機(jī)變量來(lái)考慮，為從嚴(yán)要求，在計(jì)算中應(yīng)取與橫擔(dān)電位Ua異極性的情況。3、 耐雷水平當(dāng)電壓Uj未超過(guò)線路的絕緣水平，即Uj : U 50%時(shí)，導(dǎo)線與桿塔之間不會(huì)閃絡(luò)。由此可得出雷擊桿塔時(shí)線路的耐雷水平ll為U 50%dRh (要注意的是U50%應(yīng)取絕緣子串中的正極性 50%沖擊放電電壓，因?yàn)榱魅霔U塔電流大多 是負(fù)極性的，此時(shí)導(dǎo)線相對(duì)于桿塔處于正電位，而且絕緣子串的 u50%在導(dǎo)線為正極性時(shí)較低。如果雷擊桿塔時(shí)雷電流幅值超過(guò)了線路的耐雷水平|，就會(huì)引起線路的閃絡(luò)，此閃絡(luò)稱為“反擊”?！胺磽簟边@個(gè)概念很重

10、要，因?yàn)樵瓉?lái)被認(rèn)為是接地的桿塔此時(shí)是帶上了高電位， 反過(guò)來(lái)對(duì)輸電線路放電， 把雷電過(guò)電壓施加到線路上，并進(jìn)而侵入變電所。 為了減少反擊我們必須提高耐雷水平。分析可知提高耐雷水平的主要措施有：（1） 降低桿塔接地電阻 Rch一般高度桿塔，Rch的壓降是塔頂電位主要分量。（2） 增大耦合系數(shù) k可以減少絕緣子串上的電壓和感應(yīng)過(guò)電壓采用雙避雷線，加裝耦合 地線。（3）減小分流系數(shù)：(4) 加強(qiáng)線路絕緣增加絕緣子片數(shù)，采用更好的絕緣材料二雷擊避雷線檔距中央時(shí)的過(guò)電壓雷擊避雷線檔距中央示意圖如上圖所示；從雷擊引起導(dǎo)、地線間氣隙擊穿的角度來(lái)看， 雷擊避雷線最嚴(yán)重的情況是雷擊點(diǎn)處于檔距中央時(shí)，因?yàn)檫@時(shí)從桿塔

11、接地點(diǎn)反射回來(lái)的異號(hào)電壓波抵達(dá)雷擊點(diǎn)的時(shí)間最長(zhǎng)，雷擊點(diǎn)上的過(guò)電壓幅值最大 。雷擊點(diǎn)A的最高電壓為：UaZoZb2Zo Zb此電壓波uA自雷擊點(diǎn)沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運(yùn)動(dòng)，由于桿塔的接地電阻要比桿塔和避雷線的波阻抗小得多，可以近似認(rèn)為等于零用Z0表示，這樣接地點(diǎn)將發(fā)生負(fù)的電壓全反射。電壓波Ua從A點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)桿塔接地點(diǎn)發(fā)生反射后回到A點(diǎn)，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間可表示為：tl = 2(2 hgt ) / Vb (us)l為檔距的長(zhǎng)度 m, hgt為桿塔的高度 m, Vb為波速m/us計(jì)及電暈的影響為 0.75倍的 真空光速。若雷電流為平頂斜角波，其波前的表達(dá)式為L(zhǎng)at ( a為雷電流波前陡度a=30kA/u

12、s)，則可得到雷擊點(diǎn)電壓 Ua的表示式ZoZbuA(t)0一- at,t ：t|2Z。 z-1ZZbuA(t)0 - at|,t -112Z0 z-上式中請(qǐng)注意t,t1的關(guān)系，以及uA(t)關(guān)于它們的表示;由上式可見，在t二時(shí)，雷擊電電壓達(dá)到最大值為aZ0ZbUag (I2hgt)(2Z0 z-Pgt；由于避雷線與導(dǎo)線的耦合作用，在導(dǎo)線上將耦合KU A的電壓，所以避雷線與導(dǎo)線之間空氣間隙S上所承受的最高電壓 Us為:aZ zUs=UA(1-k)0 b(I2hgt)(1-k)(2Zo ZJ由上式可以看出，雷擊避雷線檔距的中央時(shí)，雷擊處避雷線與導(dǎo)線間的空氣隙S上的電壓與耦合系數(shù) k、雷電流陡度a、

13、桿塔高度、以及檔距有關(guān)；當(dāng)此電壓超過(guò)空氣間隙的發(fā) 電電壓時(shí)，間隙將被擊穿造成短路事故。根據(jù)理論分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，規(guī)程規(guī)定在檔距中央，導(dǎo)線和避雷線之間的空氣距離S,在15 C無(wú)風(fēng)時(shí)滿足S _0.01211(m)式中的I表示的是檔距長(zhǎng)度，m。當(dāng)檔距長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)(如大跨越檔)，若按上式計(jì)算出的 S大于下表中所規(guī)定的值時(shí)，可 按照下表值中規(guī)定確定，但大跨越檔導(dǎo)線與避雷線間空氣距離不得小于下表中規(guī)定的值。防止反擊要求的大跨越檔線路與避雷線間的距離系統(tǒng)電壓kV3566110220330500距離m367.5111517.5只要滿足上述距離要求，多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，雷擊避雷線檔距中央時(shí)，導(dǎo)線與避雷線 間一般不會(huì)發(fā)

14、生閃絡(luò)。所以，在下面計(jì)算雷擊跳閘率時(shí)，就不計(jì)及這種情況。三、繞擊時(shí)的過(guò)電壓和耐雷水平裝設(shè)避雷線的線路，使三相導(dǎo)線都處于它的保護(hù)范圍之內(nèi)，仍然存在雷繞過(guò)避雷線而 直接擊中導(dǎo)線的可能性，發(fā)生這種繞擊的概率稱為繞擊率 pa，旦出現(xiàn)這種情況，往往會(huì)引起線路絕緣子串的閃絡(luò)。繞擊率和保護(hù)角a，桿塔的高度h，及線路通過(guò)地區(qū)的地形地貌等因素有關(guān)，可用以下公式求得：a Th對(duì)平原地區(qū)Ig Pa = a h -3.986對(duì)山區(qū)|g pa二空匕- 3.3586保護(hù)角a 指避雷線和邊相導(dǎo)線的連線與經(jīng)過(guò)避雷線的鉛垂線之間的夾角。保護(hù)角 越小，避雷線對(duì)導(dǎo)線的屏蔽保護(hù)作用越好； h為桿塔的高度。繞擊導(dǎo)線時(shí)導(dǎo)線上的電壓為ud

15、Ud 二 iLZZd2Z0 Zd其幅值可表示為UdZZd2Z0 Zd從上式可知，繞擊時(shí)導(dǎo)線上的電壓幅值Ud隨電流幅值Il的增加而增加，若超過(guò)線路絕緣子串的沖擊閃絡(luò)電壓，則絕緣子串將發(fā)生閃絡(luò)，繞擊時(shí)的耐雷水平|2可令Ud等于絕緣子串50%閃絡(luò)電壓U50%來(lái)計(jì)算。因規(guī)程認(rèn)為 Z。二Zd 2，故1 2 h U 50% / 100根據(jù)規(guī)程計(jì)算的方法。35、110、220、330kV線路的繞擊耐壓水平分別為3.5,7,12和16kA左右，其值較雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平小得多！第三節(jié)輸電線路的雷擊跳閘率當(dāng)輸電線路著雷時(shí)， 若雷電流超過(guò)線路耐雷水平，則線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)，雷電流經(jīng)閃絡(luò)通道入地，但由于沖擊閃絡(luò)持

16、續(xù)時(shí)間只有幾十卩s,繼電保護(hù)和斷路器根本來(lái)不及動(dòng)作，雷電流過(guò)后，工頻電壓所產(chǎn)生的工頻電流（工頻續(xù)流）以電弧的形式流過(guò)閃絡(luò)通道，若電弧穩(wěn)定燃燒才會(huì)使繼電保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘。所以研究線路雷擊跳閘率，必須考慮上述各種因素！一、建弧率當(dāng)線路著雷后，由于沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)為工頻電弧的概率與弧道中的平均電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，也與閃絡(luò)瞬間工頻電壓的瞬時(shí)值和去游離條件有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)， 沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定工頻電弧的概率一一稱為建弧率。= （4.5E0.75 -14）%式中，E為絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度kV （有效值）/m。對(duì)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)Uelj 3Ue2lj中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)且未鐵橫擔(dān)時(shí)，

17、Ue為線路額定電壓（kV）有效值；I j為絕緣子閃絡(luò)距離（m）。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，單相閃絡(luò)不會(huì)引起跳閘，只有當(dāng)?shù)诙鄬?dǎo)線再閃絡(luò)后才會(huì)造成相間閃絡(luò)而跳閘因此 ue應(yīng)是線電壓，I j是相間絕緣長(zhǎng)度。實(shí)踐證明，當(dāng) E 6kV / m （有效值）時(shí)，可以近似認(rèn)為 =0。二、雷擊桿塔時(shí)的跳閘率擊桿率：雷擊桿塔的次數(shù)與雷擊線路的次數(shù)之比叫擊桿率，一般用字母g表示，它與地形特點(diǎn)和避雷線的根數(shù)有關(guān)。跳閘率用n來(lái)表示，其含義是指：假定在每年40個(gè)雷電日的情況下，每 100公里線路因受雷擊而可能跳閘的次數(shù)。它可以來(lái)衡量不同線路設(shè)計(jì)方案的相對(duì)優(yōu)劣，并不代表線路實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的遮斷情況。m 二 0.28(b 4h

18、b) RR 表示雷電流幅值超過(guò) Ii的概率，n 表示為建弧率,三、繞擊跳閘率設(shè)繞擊率為Rn2 =0.28（b + 4hb）nRR四、線路雷擊跳閘率n=ni +壓=0.28（b+4hbN（gR 十卩口巳）以上各式中的擊桿率 g見下表避雷線根數(shù) 地 形012平原1/21/41/6山區(qū)1/31/4第四節(jié)輸電線路的防雷措施、線路雷害事故發(fā)展過(guò)程及防護(hù)措施輸電線路雷害事故的發(fā)展過(guò)程及相應(yīng)的防護(hù)措施用上圖說(shuō)明： 這里先扼要介紹一下現(xiàn)代輸電線路上所采用的各種防雷保護(hù)措施； 一 避雷線（架空地線）作用：1.減少雷直擊導(dǎo)線 2.分流作用降低塔頂電位 3.屏蔽作用降低感應(yīng)過(guò)電壓沿全線裝設(shè)避雷線直到目前為止仍然是110KV及以上架空輸電線路最重要和最有效的防雷措施，它除了能避免雷電直接擊中導(dǎo)線而產(chǎn)生極高的雷電過(guò)電壓以外，而且還是提高線路耐雷水平的有效措施之一。規(guī)程規(guī)定：a. 220kV及以上全