高電壓技術(shù) 第9章 輸電線路的防雷保護(hù)_XL

1、高電壓技術(shù)廣東工業(yè)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院徐亮徐email:輸電線路的防雷保護(hù) 教學(xué)目標(biāo)1.掌握輸電線路感應(yīng)雷過電壓、直擊雷過電壓形成的物理過程及其危害。2.掌握反擊和繞擊情況下的輸電線路耐雷水平及雷擊跳閘率的計(jì)算3.掌握輸電線路的防雷保護(hù)措施4.了解雷擊線路的電氣幾何模型教學(xué)重點(diǎn)1.輸電線路的感應(yīng)雷過電壓；2.輸電線路的直擊雷過電壓和耐雷水平。輸電線路雷電過電壓分類感應(yīng)雷過電壓感應(yīng)雷過電壓： 由于雷云對(duì)地放電過程中，放電通道周圍空間電磁場(chǎng)急劇變化，會(huì)在附近輸電線路上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓：靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩個(gè)分量，一般只對(duì)35kV及以下線路有威脅。直擊雷過電

2、壓直擊雷過電壓： 反擊反擊：雷擊桿塔或避雷線，雷擊點(diǎn)電位與導(dǎo)線電位差超過線路絕緣的沖擊放電電壓時(shí)，會(huì)對(duì)線路導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)，使導(dǎo)線出現(xiàn)過電壓； 繞擊繞擊：雷電直接或繞過避雷線擊中導(dǎo)線； 危害：一是使線路發(fā)生短路接地故障，使線路短路器跳閘；另外，形成雷電波侵入變電所，破壞變電站內(nèi)電氣設(shè)備絕緣。輸電線路的感應(yīng)過電壓產(chǎn)生機(jī)理：靜電感應(yīng) 負(fù)先導(dǎo)階段負(fù)先導(dǎo)階段：發(fā)展平均速度較低，導(dǎo)線束縛電荷的聚集過程也較緩慢，由此而呈現(xiàn)出的導(dǎo)線電流很小，相應(yīng)的電壓波uiZ也可忽略不計(jì)（Z為導(dǎo)線波阻抗）。導(dǎo)線維持原工作電壓不變。 主放電階段主放電階段：由地面凸起物產(chǎn)生的迎面先導(dǎo)向上發(fā)展。下行先導(dǎo)和上行的迎面先導(dǎo)之間發(fā)生強(qiáng)烈的

3、放電，上行先導(dǎo)中的正電荷迅速與下行先導(dǎo)中的負(fù)電荷中和，相應(yīng)電場(chǎng)迅速減弱，使導(dǎo)線上的正束縛電荷迅速釋放，形成電壓波向兩側(cè)傳播。平均速度很快，導(dǎo)線上的束縛電荷的釋放過程也很快，所以形成的電壓波uiZ幅值可能很高。 電磁分量電磁分量：在主放電過程中，伴隨著雷電流沖擊波，在放電通道周圍空間出現(xiàn)甚強(qiáng)的脈沖磁場(chǎng)。其中一部分磁力線穿過導(dǎo)線大地回路，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這種過電壓為感應(yīng)過電壓的電磁分量。 感應(yīng)過電壓的靜電分量和電磁分量都是在主放電過程中，由統(tǒng)一的電磁場(chǎng)突變而同時(shí)產(chǎn)生的。由于主放電的速度比光速小得多（一般為光速的1/20到1/2），主放電通道和導(dǎo)線基本上互相垂直，互感不大，電磁感應(yīng)較弱，因此電磁感應(yīng)分

4、量要比靜電感應(yīng)分量小得多，并且兩種分量出現(xiàn)最大值的時(shí)刻也不相同，所以在總的感應(yīng)過電壓幅值中，靜電分量將起主要作用。 （a）感應(yīng)過電壓靜電分量形成時(shí)的先導(dǎo)階段 （b）主放電階段 （c）感應(yīng)過電壓的電磁分量形成原理圖 感應(yīng)過電壓的特點(diǎn)：感應(yīng)過電壓的特點(diǎn)：波形較平緩，波頭時(shí)間由幾微秒到幾十微秒，而波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百微秒。 雷擊線路附近大地時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓計(jì)算公式推導(dǎo)： 根據(jù)電磁場(chǎng)理論，計(jì)及鏡象的作用，當(dāng)雷電流為直角波時(shí)，導(dǎo)線上離雷擊點(diǎn)最近的一點(diǎn)的感應(yīng)過電壓靜電分量的最大值Uc為 （1）電磁分量的最大值Um為 （2）兩者之和就是感應(yīng)過電壓的最大值Ui： （3） 以上公式中 I：雷電流幅值（kA）； h：

5、導(dǎo)線對(duì)地平均高度（m）；S：導(dǎo)線與雷擊點(diǎn)的水平距離（m）； kc(v)、km(v)、k ：式中系數(shù)，具有電阻的綱量； v：主放電速度，主放電速度有限，k與v的關(guān)系不大。IshvkUcc)(IshvkUm)(mIshkIshvkvUUUmmci)()(kc 實(shí)際雷電流不是直角波而具有一定的波頭長(zhǎng)度，這使k值比直角波時(shí)小些。規(guī)程建議，當(dāng)S65m時(shí)，取k=25，所以雷擊線路附近大地時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓可由下式近似計(jì)算： kV （9-1-1） 計(jì)算公式分析 感應(yīng)電壓極性與雷云電荷也即與雷電流的極性相反感應(yīng)電壓極性與雷云電荷也即與雷電流的極性相反。 從產(chǎn)生靜電分量靜電分量的角度看，雷電流幅值大，是由于先

6、導(dǎo)通道的電荷密度 大，或者由于主放電速度v高。 愈大，其電場(chǎng)強(qiáng)度愈強(qiáng)，導(dǎo)線上的束縛電荷愈多，v 愈高，一定時(shí)間內(nèi)被釋放的束縛電荷愈多，這都使靜電分量加大。導(dǎo)線平均高度愈高則導(dǎo)線對(duì)地電容愈小，釋放出同樣的束縛電荷所呈現(xiàn)的電壓就愈高。雷擊點(diǎn)至導(dǎo)線的距離愈近，導(dǎo)線上的束縛電荷愈多，釋放后的過電壓也愈高。 SIhUi25 從產(chǎn)生電磁分量電磁分量的角度看，雷電流幅值大、雷擊點(diǎn)離導(dǎo)線近都使導(dǎo)線大地回路中各部位的磁通密度加大。導(dǎo)線平均高度高，加大了回路的面積。因而都增大了回路中磁通隨時(shí)間的變化率。這些都會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)過電壓電磁分量的增高。 式（4）中最大雷電流幅值一般不會(huì)超過100kA，可按I100kA進(jìn)行估算

7、。實(shí)測(cè)表明，感應(yīng)過電壓的幅值一般約為300400kV，這可能引起35kV及以下電壓等級(jí)的線路閃絡(luò)，而對(duì)110kV及以上電壓等級(jí)的線路，則一般不至于引起閃絡(luò)。且由于各相導(dǎo)線的感應(yīng)過電壓基本上相同，所以相間閃絡(luò)更無可能。 與直擊雷過電壓相比，感應(yīng)過電壓感應(yīng)過電壓還應(yīng)以下特點(diǎn)：它的波形較平緩波形較平緩，波頭由幾微秒到幾十微秒，而波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百微秒。避雷線的屏蔽作用 接地避雷線使導(dǎo)線上的接地避雷線使導(dǎo)線上的 感應(yīng)過電壓降低的原理感應(yīng)過電壓降低的原理： 避雷線與大地相連保持 地電位，可以看做將一部分 “大地”引入導(dǎo)線的近區(qū)。對(duì) 于靜電感應(yīng)，其影響是增大了 導(dǎo)線的對(duì)地電容從而使導(dǎo)線對(duì) 地電位降低。對(duì)于電磁感

8、應(yīng)， 其影響相當(dāng)于在導(dǎo)線對(duì)地回路附近增加了一個(gè)地線大地的短路環(huán)，從而抵消了一部分導(dǎo)線上的電磁感應(yīng)電勢(shì)。這樣，避雷線總的屏蔽效果是降低了導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓。 應(yīng)用疊加原理計(jì)算避雷線對(duì)導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓的影響應(yīng)用疊加原理計(jì)算避雷線對(duì)導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓的影響： 公式推導(dǎo)：導(dǎo)線和地線的平均對(duì)地高度分別為hc和hs，如果避雷線沒有接地，則導(dǎo)線和避雷線上的感應(yīng)過電壓Uc和Us分別為SIhUcc25eschhUSIhUss25 但避雷線實(shí)際上是接地的，其電位為零?？梢栽O(shè)想避雷線上又疊加了一個(gè) -Us的電壓，而它又將在導(dǎo)線上產(chǎn)生耦合電壓k(-Us)，k為避雷線和導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)。導(dǎo)線上的實(shí)際感應(yīng)過電壓Uc將為:

9、 （5） 分析及結(jié)論：避雷線使導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓下降避雷線使導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓下降至（1-k）倍。耦合系數(shù)愈大，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓耦合系數(shù)愈大，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓愈低愈低。)1 (1kUhhkUkUUUccicscc雷擊線路塔頂時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓 式（9-1-1）只適用于雷擊線路附近大地距離S65m的情況。如前所述，線路的等值寬度約為10hs，若避雷線的平行高度hs13m，線路兩側(cè)的受雷寬度就有65m。所以對(duì)于一般高度的高壓超高壓線路，更近的落雷將由于引線的引雷作用而擊于線路。 雷擊線路塔頂時(shí)，迅速向上發(fā)展的主放電引起周圍空間電磁場(chǎng)的突然變化，也會(huì)在導(dǎo)線上感應(yīng)出與雷電流極性相反的過電壓。規(guī)程

10、建議對(duì)一般高度的線路，無避雷線時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓的最大值可按下式計(jì)算： 式中 Ui ：感應(yīng)過電壓（kV）； hc ：導(dǎo)線的平均高度（m）； a ：感應(yīng)過電壓系數(shù)（kV/m），其值等于以kA/s為單位的雷電流平均陡度值。 有避雷線時(shí)，由于它的屏蔽作用，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓將降低為：ciahU )1 ()1 (kahUkUcii雷擊桿塔反擊時(shí)的過電壓反擊的產(chǎn)生 在雷擊塔頂?shù)南葘?dǎo)放電階段在雷擊塔頂?shù)南葘?dǎo)放電階段：導(dǎo)線、避雷線和桿塔上雖然都會(huì)感應(yīng)出異號(hào)的束縛電荷，但是由于先導(dǎo)放電的發(fā)展速度較慢，如果不計(jì)工頻工作電壓，導(dǎo)線上的電位仍為零，避雷線和桿塔的電位也為零，因此線路絕緣上不會(huì)電位差。 在雷擊塔頂?shù)闹鞣烹婋A段在雷擊塔頂?shù)闹鞣烹婋A段：先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷與桿塔、避雷線以及大地中的正電荷迅速中和，形成雷電沖擊電流。一方面負(fù)極性的的雷電沖擊波沿著桿塔向下和沿著避雷線向兩側(cè)傳播，使塔頂電位不斷升高，并通過電磁耦合使導(dǎo)線電位發(fā)生變化；另一方面由塔頂向雷云迅速發(fā)展的正極性雷電波，引起空間電磁場(chǎng)的迅速變化，又使導(dǎo)線上出現(xiàn)正極性的感應(yīng)雷電波。作用在線路絕緣子串上的電壓為塔頂電位與導(dǎo)線電位之差。這一電壓一旦超