電力系統(tǒng)過電壓：第3章 輸電線路的防雷保護

1、第第3章章輸電線路防雷的意義輸電線路防雷的意義輸電線路遭受雷擊的機會較多輸電線路遭受雷擊的機會較多 輸電線路是電力系統(tǒng)的大動脈，它將巨大的電能輸送到四面八方。漫長輸電線路是電力系統(tǒng)的大動脈，它將巨大的電能輸送到四面八方。漫長的輸電線路穿過平原、山區(qū)，跨越江河湖泊，遇到的地理條件和氣象條的輸電線路穿過平原、山區(qū)，跨越江河湖泊，遇到的地理條件和氣象條件各不相同，所以遭受雷擊的機會較多。件各不相同，所以遭受雷擊的機會較多。輸電線路遭受輸電線路遭受雷擊引起的雙重危害雷擊引起的雙重危害 (1)輸電線路遭受雷擊造成跳閘，影響電力系統(tǒng)的正常供電，增加線路及輸電線路遭受雷擊造成跳閘，影響電力系統(tǒng)的正常供電，增

2、加線路及開關(guān)設(shè)備的維修工作量。我國由于雷擊造成的跳閘大約占開關(guān)設(shè)備的維修工作量。我國由于雷擊造成的跳閘大約占4070。(2)由于輸電線路上落雷，雷電波還會沿線路侵入變電所。而在電力系統(tǒng)由于輸電線路上落雷，雷電波還會沿線路侵入變電所。而在電力系統(tǒng)中，線路的絕緣最強，變電所次之，發(fā)電機最弱，若發(fā)電廠、變電所的中，線路的絕緣最強，變電所次之，發(fā)電機最弱，若發(fā)電廠、變電所的設(shè)備保護不完善，往往會引起設(shè)備絕緣損壞，影響安全供電。設(shè)備保護不完善，往往會引起設(shè)備絕緣損壞，影響安全供電。做好輸電線路的防雷工作，不僅可以提高輸電線路本身的供電做好輸電線路的防雷工作，不僅可以提高輸電線路本身的供電可靠性，而且還可

3、以使變電所安全運行。可靠性，而且還可以使變電所安全運行。 輸電線路防雷的任務(wù)是：采用技術(shù)上與經(jīng)濟上的合理措施，使系統(tǒng)雷害降低到運行部門能夠接受的程度，保證系統(tǒng)安全可靠運行。雷擊雷擊塔頂及塔頂附近避雷線塔頂及塔頂附近避雷線雷擊雷擊檔距中央的避雷線檔距中央的避雷線雷擊雷擊導線導線直擊雷直擊雷過電壓過電壓感應(yīng)雷感應(yīng)雷過電壓過電壓雷擊雷擊線路附近地面線路附近地面(1)防止雷直擊導線防止雷直擊導線沿線架設(shè)避雷線，有時還要裝設(shè)避雷針與其配合；在某些情況下改用電纜線路，使輸電線路免受直接雷擊。電纜溝圖片來源于http:/ 雷擊閃絡(luò)不能形成穩(wěn)定的工頻電弧轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧熄弧系統(tǒng)恢復正常跳閘建弧率的計算建弧

4、率的計算0.75(4.514)%E建弧率E：絕緣子串的平均工作電壓梯度：絕緣子串的平均工作電壓梯度(r.m.s)，kV/m。對中性點有效接地的電網(wǎng)ejm3(0.5)UEll對中性點非有效接地的電網(wǎng) ejm2UEll式中式中Ue：額定電壓：額定電壓；lj：絕緣子串長度：絕緣子串長度；lm：線路的線間距離（對鐵橫擔和鋼筋混凝土橫擔線路，：線路的線間距離（對鐵橫擔和鋼筋混凝土橫擔線路，lm = 0）減小建弧率的措施：(1)適當增加絕緣子片數(shù)絕緣子片數(shù)，減小絕緣子串上的工頻電場強度；(2)電網(wǎng)中采用不接地或者經(jīng)消弧線圈接地方式接地方式，防止建立穩(wěn)定的工頻電弧 (4)(4)防止線路中斷供電防止線路中斷供

5、電可采用自動重合閘，或雙回路、環(huán)網(wǎng)供電等措施，即使線路跳閘，也能不中斷供電。 輸電線路防雷的“四道防線”在應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)具體情況實施，例如線路的電壓等級、重要程度、當?shù)乩纂娀顒訌娙?、已有線路的運行經(jīng)驗等，再由技術(shù)與經(jīng)濟比較的結(jié)果，作出因地制宜的保護措施。衡量輸電線路防雷性能的指標衡量輸電線路防雷性能的指標耐雷水平雷擊跳閘率輸電線路的雷擊跳閘率輸電線路的雷擊跳閘率：雷擊跳閘率是指折算為統(tǒng)一的條件下，因雷擊而引起的線路跳閘的次數(shù)。此統(tǒng)一條件規(guī)定為每年 40 個雷電日和 l00km 的線路長度，因此雷擊跳閘率的單位是：次/ (l00km40雷電日)。 耐雷水平：耐雷水平：雷擊線路不致引起絕緣閃絡(luò)的最大

6、雷電流幅值(kA)，稱為線路的耐雷水平。感應(yīng)雷過電壓形成的機理感應(yīng)雷過電壓形成的機理靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)(1)束縛電荷的形成當雷云接近輸電線路上空時，根據(jù)靜電感應(yīng)的原理，將在線路上感應(yīng)出一個與雷云電荷相等但極性相反的電荷，這就是束縛電荷，而與雷云同號的電荷則通過線路的接地中性點逸入大地，對中性點絕緣的線路，此同號電荷將由線路泄漏而逸入大地束縛電荷的形成和分布束縛電荷的形成和分布靜電感應(yīng)(主要部分)；磁感應(yīng)(2)束縛電荷的釋放如雷云對地（輸電線路附近地面）放電，或者雷擊塔頂?shù)窗l(fā)生反擊（它們之間的差別僅在于后者以桿塔代替部分雷電通道），由于放電速度很快，雷云中的電荷便很快消失，于是輸電線路上的束縛電

7、荷就變成了自由電荷，分別沿線路向左右傳播。被釋放電荷的移動被釋放電荷的移動電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)雷電流產(chǎn)生的磁場可在導線中產(chǎn)生電磁感應(yīng)過電壓，不過電磁感應(yīng)過電壓部分比較小。根據(jù)理論分析和實測結(jié)果，有關(guān)規(guī)程建議，當雷擊點距輸電線路的距離距離s大于大于65m時時，導線上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓最大值可按下式計算：式式中中I ：雷電流幅值，：雷電流幅值，kA；hd：導線懸掛平均高度，：導線懸掛平均高度，m；s：雷擊點至線路的距離，：雷擊點至線路的距離，m。d25IhUssI hdd25IhUs(1)靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)先導通道中電荷密度大主放電速度高雷電流幅值I大靜電感應(yīng)分量大高度hd大線路對地電容小，釋放相同數(shù)量的

8、束縛電荷造成的電壓高距離s小束縛電荷多(2)電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)I大，s小均將使導線與大地構(gòu)成的回路中各部位的磁通密度加大； hd大，該回路面積愈大，這些都會使感應(yīng)過電壓的電磁分量增高。 更近的雷擊，則因線路的吸引，而擊于線路本身。更近的雷擊，則因線路的吸引，而擊于線路本身。當雷直擊于桿塔或線路附近的避雷線（針）時，周圍迅速變化的電磁場將在導線上感應(yīng)出相反符號的過電壓。在無避雷線時，對一般高度的線路，這一感應(yīng)過電壓的最大值可由下式計算：dUh式中式中: 感應(yīng)過電壓系數(shù)，感應(yīng)過電壓系數(shù)，kV/m，其值等于以，其值等于以kA/s為單位的雷電流平均陡度值，即為單位的雷電流平均陡度值，即 = I / 2.

9、6 。因為幅值比較小，故感應(yīng)過電壓一般只對35 kV線路有害，對110 kV及以上的線路，由于絕緣水平較高，一般不會引起閃絡(luò)事故。【例】雷電流I=88 kA，線路懸掛平均高度hd=12 m，雷擊點至線路的距離s=65 m，則導線上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓約為：88 122525406kV65dIhUs【例】雷電流I=88 kA，線路懸掛平均高度hd=12 m。d8812406kV2.6Uh如果線路架設(shè)有接地的避雷線，則導線受它的屏蔽作用，感應(yīng)過電壓將會降低。假定避雷線不接地，則導線和避雷線上將分別感應(yīng)出過電壓：d25dIhUs b25bIhUs bdUkU 事實上避雷線接地，相當于避雷線上再疊加了一個

10、電壓 該電壓使得避雷線電壓為0，并在導線上耦合出：bU 故有接地避雷線的情況下，感應(yīng)過電壓變?yōu)?導線和避雷線的懸掛高度差不多)：(1)ddddbdUUUUkUk U由于接地避雷線的屏蔽作用，導線上的感應(yīng)過電壓變?yōu)樵瓉淼?1-k)倍，因此，耦合系數(shù)對有避雷線時的感應(yīng)過電壓有較大的影響。雷擊導線雷擊塔頂(1)雷擊導線的過電壓及耐雷水平雷擊導線的過電壓及耐雷水平 過電壓過電壓0022ZZUIZZ02ZZ 4IZU 400Z 100UI輸電導線上的過電壓大小正比于雷電流的大小欲使雷擊時，線路絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)，必須：50%UU故線路的耐雷水平耐雷水平為：50%100UI 【例】110 kV線路，水泥桿，

11、鐵橫擔，每串絕緣子為7個X-4.5，其正沖擊50%放電電壓為U50%=100+84.5m，其中m為每串絕緣子個數(shù)。求線路的直擊雷耐雷水平。50%10084.5 7692U50%6.92kA100UI 直擊雷的耐雷水平很低，故采用避雷線避雷線來大大減少雷直擊于導線的情況是很重要的措施。耐雷水平p雷電流超過雷電流超過I的概率的概率lg88Ip (2)雷擊雷擊塔頂?shù)倪^電壓及耐雷水平塔頂?shù)倪^電壓及耐雷水平 當雷擊線路桿塔頂端時，雷電流I將流經(jīng)桿塔及其接地電阻Rch流入大地。設(shè)桿塔的電感為Lgt ，雷電流為斜角平頂波，且工程計算取波頭為2.6s，則 = I / 2.6。根據(jù)右圖的等值電路可求出塔頂電位塔

12、頂電位為：chgtgchtd/()d2.6IUIRLI RtL式中式中Rch：桿塔的沖擊電阻，：桿塔的沖擊電阻，；Lgt：桿塔的等值電感，：桿塔的等值電感，H。等值電阻dd2.6IUhh當雷擊塔頂(如絕緣子未閃絡(luò)，則情況與前述感應(yīng)雷過電壓一樣)時，導線上的感應(yīng)過電壓為：感應(yīng)過電壓的極性與塔頂電位的極性相反(假定為負極性雷，則塔頂電位為負，感應(yīng)過電壓為正)，因此，作用于絕緣子串上的電壓為：jchgtdchgtd()(/2.6)/2.6(/2.6/2.6)UUUI RLIhI RLh 線路的耐雷水平耐雷水平：chgt0%d5/2.6/2.6IRLhU因在負極性雷電的情況下，塔頂電位為負，絕緣子串掛

13、導線端電位為正，故上述公式中的50%沖擊電壓應(yīng)為絕緣子串正極性正極性放電電壓（導線為正時的放電電壓）放電電壓（導線為正時的放電電壓），它要比U50% 絕緣子串負極性放電電壓低一些。當桿塔比較高時，必須采用波當桿塔比較高時，必須采用波阻抗描述其特性。阻抗描述其特性。故障過程故障過程：中性點直接接地系統(tǒng)中性點直接接地系統(tǒng)中性點非直接接地系統(tǒng)中性點非直接接地系統(tǒng)雷擊閃絡(luò)建弧跳閘雷擊第一相閃絡(luò)不 能建弧雷擊第一相閃絡(luò)第一相對第二相反擊建弧跳閘第一第一相閃絡(luò)后，第二相也閃絡(luò)的情況相閃絡(luò)后，第二相也閃絡(luò)的情況雷擊塔頂，第一相絕緣閃絡(luò)后，可以認為該相導線具有塔頂?shù)碾娢弧Ｓ捎诘谝幌鄬Ь€與第二相導線的耦合作用，

14、使兩相導線電壓差為：jcjchgtdc(1)(/2.6/2.6)(1)UK UI RLhK式中Kc 為兩相導線間的耦合系數(shù)。當大于或等于絕緣子串U50% 沖擊放電電壓時，第二相導線也發(fā)生反擊，形成兩相短路，有可能引起跳閘，由此得出線路耐雷水平為：50%cchgtd(1)(/2.6/2.6)UIKRLh(1)(1)雷繞過避雷線擊于導線的過電壓及耐雷水平雷繞過避雷線擊于導線的過電壓及耐雷水平繞擊率繞擊率雷繞過避雷線擊于導線的次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)之比稱為繞擊率pa假設(shè)一條輸電線路長度為 l00 km，穿過 40 個雷電日地區(qū)，它所受到的雷擊次數(shù)為N，那么雷繞擊于線路的次數(shù)N1為：1aNp N導線避雷

15、線影響繞擊率影響繞擊率p pa a的因素的因素：避雷器外側(cè)導線的保護角桿塔高度h地形條件對平原線路 對山區(qū)線路alg3.9086hpalg3.3586hp100UI故線路的耐雷水平為：50%100UI 繞擊時的過電壓為：( (2 2) )雷擊雷擊塔頂時的過電壓及耐雷塔頂時的過電壓及耐雷水平水平雷擊塔頂時，雷電流大部分經(jīng)過被擊桿塔入地(桿塔阻抗較小)，小部分電流則經(jīng)過避雷線由相鄰桿塔入地。桿塔的分流系數(shù) gtgiigtg=ii分流系數(shù)求取分流系數(shù)求取桿塔塔頂電位 gtgtgtchgtddiui RLtgtgiid=d2.6iItgtchgtg(/2.6)UI RLchggtgbgd()/dRtL

16、Lttt ggtchbb11LRtLLg與雷電流陡度無關(guān)，而隨時間變化。為了便于計算，工程上t值取 0 2.6 s的平均值，因此有： ggtchbb111.3LRLL額定電壓 (kV)110220330500單避雷線0.900.92-雙避雷線0.860.880.880.865 0.822分流系數(shù)g耐雷水平的計算耐雷水平的計算絕緣子串上的電壓：如不計耦合系數(shù)gchgtd(/2.2 66.)jgtgI RLUIUhU 計及耦合系數(shù)dgchggt(1)(/2.6)(1)2.6jcjchUK UIRLK雷擊塔頂?shù)哪屠姿剑?0%cgchgtd(1)(/2.6)/2.6UIKRLh提高耐雷水平的方法：降

17、低接地電阻Rch對于一般高度的桿塔，沖擊接地電阻Rch上的電壓降是塔頂電位的主要成分。提高耦合系數(shù)Kc常規(guī)的做法是，將單根避雷線改為雙避雷線，甚至在導線下方增設(shè)耦合地線，其作用是增強導線、地線間的耦合作用。雷擊塔頂?shù)哪屠姿脚c桿塔沖擊接地電阻、分流系數(shù)、導線與避雷線耦合系數(shù)Kc 、桿塔等值電感Lgt，以及絕緣子串沖擊放電電壓U50% 有關(guān)。 (3)(3)雷擊避雷線檔距中央雷擊避雷線檔距中央由于雷擊點距桿塔有一段距離，由兩側(cè)接地桿塔處發(fā)生的負反射需要一段時間才能回到雷擊點而使該點電位降低。在此期間，雷擊點地線上會出現(xiàn)較高的電位。這可用近似的集中參數(shù)的等值電路來分析。設(shè)檔距避雷線電感為2Ls ，雷

18、電流取斜角波，即 I=t，則：Ass1d12d2IULLt雷擊點電位雷擊點與導線空氣間隙絕緣上所承受的電壓Us為：sAcsc1(1)(1)2UUKLK耐雷水平s50%UU事實上，我國規(guī)程規(guī)定，在檔距中央，導線和避雷線之間的空氣導線和避雷線之間的空氣距離距離s按下式求得：0.0121sl式中式中s：導線與避雷線之間的距離，：導線與避雷線之間的距離，m；l： 檔距，檔距，m。只要滿足上式要求，雷擊檔距中央避雷線時，導線與避雷線間一般不會發(fā)生閃絡(luò)。所以，在計算雷擊跳閘率時，不計及這種情況。 線路可能受雷擊的次數(shù)線路可能受雷擊的次數(shù) 3dd(4) 10100=0.1 (4)Ahbhbd40 0.070

19、.28(4)NAhb雷擊 閃絡(luò) 跳閘 線路受雷害面積線路受雷害面積根據(jù)模擬試驗和運行經(jīng)驗，一般將避雷線或?qū)Ь€對地面的遮蔽寬度取4hd+b，這樣 l00 km 長的輸電線路對地面的遮蔽面積，或受雷害面積為：落雷次數(shù)落雷次數(shù) 地面落雷密度為 0.07，如果取每年40個雷暴日作為標準值，此時，每年 l00km 輸電線路受到的雷擊次數(shù)為：雷擊跳閘 反擊跳閘 繞擊跳閘 (1)反擊跳閘率反擊跳閘率 n1 雷擊塔頂雷擊避雷線檔距中央雷擊桿塔次數(shù)與雷擊線路總數(shù)的比例稱為擊桿率 g，其值可由運行經(jīng)驗得出。擊桿率避雷線根數(shù)012平原1/21/41/6山區(qū)1/31/4擊桿率 g反擊跳閘率 n11d10.28(4)n

20、hb g p落雷面積落 雷次數(shù)擊 桿次數(shù)超過耐雷水平的次數(shù)建弧次數(shù)3dd(4) 10100=0.1 (4)Ahbhbd40 0.070.28(4)NAhbgbhNd）（40.28g50%cgchgtd(1)(/2.6)/2.6UIKRLhlg88Ip 0.75(4.514)%E(2)繞繞擊擊跳閘率跳閘率 n2 2da20.28(4)nhb pp線路繞擊率為pa ，每百公里每年繞擊次數(shù)為Npa = 0.28(4hd+b) pa，雷電流超過耐雷水平I2的概率p2 ，建弧率為 ，則每百公里線路因繞擊跳閘次數(shù) n2 為alg3.9086hpalg3.3586hplg88Ip 0.75(4.514)%E

21、(3)總跳閘總跳閘率率 n2 12d1a20.28(4) ()nnnhbgpp p對于中性點直接接地，有避雷線的線路跳閘率 n 為：雷擊跳閘 反擊跳閘 繞擊跳閘 雷擊塔頂雷擊避雷線檔距中央在中性點非直接接地的電網(wǎng)中，無避雷線（金屬或鋼筋混凝土桿塔線路）的線路雷擊跳閘率可用下式計算： d10.28(4)nhbpp1為雷擊使線路一相導線與桿塔間閃絡(luò)后，再向第二相導線反擊時耐雷水平的雷電流概率。 【例】如圖 220 kV 線路。假定桿塔沖擊接地電阻 Rch = 7 ，絕緣串由 13 片 X-7組成。其正極性沖擊放電電壓 U50% 為 1410 kV，負極性沖擊放電電壓U50% 為 1560kV。架設(shè)雙避雷線，避雷線弧垂為 7m ，導線弧垂為 12 m ，避雷線半徑為 5.5 mm 。求該線路的耐雷水平及雷電跳閘率。(1)計算幾何參數(shù)計算幾何參數(shù)避雷線與導線的平均高度dpdd2223.41215.433hhfbpbb2229.1724.533hhf避雷線和