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)線上出現(xiàn)很高的電壓。這種桿塔電

2、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，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)

3、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)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)電壓一、雷擊線路附近大地，線路上的感應(yīng)過(guò)電

4、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：雷電流幅值KA；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<100kA，感應(yīng)過(guò)電壓幅值一般為300400kV，最大為500kV，故可能引起35kV及以下線路閃絡(luò)事故，對(duì)于110kV及以上線路，由于絕緣水平較高，所以一般不會(huì)引起閃絡(luò)事故。 （2）感應(yīng)過(guò)電壓的極性與雷電流極性相反。. （3）三相導(dǎo)線上同時(shí)出現(xiàn)，相間不存在電位差，故只能引起對(duì)地閃絡(luò)事故，如果

5、兩相或三相同時(shí)對(duì)地進(jìn)行閃絡(luò)，即形成相間閃絡(luò)事故。 （4）波形較平緩，波頭幾幾十s，波長(zhǎng)幾百s當(dāng)導(dǎo)線上方掛有避雷線時(shí)：由于其屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)線上的感應(yīng)電荷就會(huì)減少，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓就會(huì)降低。避雷線的屏蔽作用可用下法求得，設(shè)導(dǎo)線和避雷線的對(duì)地平均高度分別為，若避雷線不接地，則可求得避雷線和導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓分別可以表示為 所以 但是避雷線實(shí)際上是通過(guò)每基桿塔接地的，因此可以設(shè)想在避雷線上有一個(gè)電位，以此來(lái)保持避雷線為零電位，由于避雷線與導(dǎo)線的耦合作用，此將在導(dǎo)線上產(chǎn)生耦合電壓,其中K為避雷線和導(dǎo)線的耦合系數(shù)。這樣，導(dǎo)線上的電位將為 上式可以表明，接地避雷線的存在，可使得導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓下降到。耦合

6、系數(shù)K越大，則導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓越低。二、雷擊線路桿塔時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓 上式比較適合當(dāng)S>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) 感應(yīng)過(guò)電壓系數(shù)（），等于雷電流平均陡度（）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

7、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)電感來(lái)代替，不同桿塔的等值電感可由9-2-2查得。單根避雷線的等值電感約為(為檔距的長(zhǎng)

8、度，m)，雙根避雷線約為。為桿塔沖擊接地電阻。考慮到雷擊點(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)桿塔的電流將小于雷電流。 :桿塔分流系數(shù) 可由9-2-3查得塔頂橫擔(dān)對(duì)地電位可表示為 把下列兩式代入上面方程：則橫擔(dān)對(duì)地電位的幅值為 式中為雷電流的幅值；以橫擔(dān)以下塔身的電感，可表示為。帶入上式可以得到，塔頂橫擔(dān)對(duì)地電位： 式中：為桿塔的總電感；為桿塔的高度; 為桿塔橫擔(dān)的高度。塔頂端電位可表示為：塔頂電位幅值可表示為：2、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）耦合波分量雷電極性相同 （耦合系數(shù)） （2）雷擊桿塔在導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓，與雷電極性相

9、反（幾何耦合系數(shù)）故導(dǎo)線的電位可表示為絕緣子兩端電位差：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： 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)電位異極性的情況。3、 耐雷水平當(dāng)電壓未超過(guò)線路的絕緣水平，即時(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)線路的耐雷水平為 要注意的是應(yīng)取絕緣子串中的正極性50

10、%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 一般高度桿塔，的壓降是塔頂電位主要分量。（2）增大耦合系數(shù)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

11、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： 此電壓波自雷擊點(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)為等于零用表示，這樣接地點(diǎn)將發(fā)生負(fù)的電壓全反射。電壓波從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： （us）為檔距的長(zhǎng)度m，為桿塔的高度m，為波速m/us計(jì)及電暈的影響為0.75

12、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（為雷電流波前陡度），則可得到雷擊點(diǎn)電壓的表示式上式中請(qǐng)注意的關(guān)系，以及關(guān)于它們的表示；由上式可見(jiàn)，在時(shí)，雷擊電電壓達(dá)到最大值為 由于避雷線與導(dǎo)線的耦合作用，在導(dǎo)線上將耦合的電壓，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為： 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、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,在無(wú)風(fēng)時(shí)滿足 （m）式中的表示的是檔距長(zhǎng)度，m。當(dāng)

13、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)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，一旦出現(xiàn)這種情況，往往會(huì)引起線路絕

14、緣子串的閃絡(luò)。繞擊率和保護(hù)角，桿塔的高度，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：對(duì)平原地區(qū) 對(duì)山區(qū) 保護(hù)角指避雷線和邊相導(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；為桿塔的高度。繞擊導(dǎo)線時(shí)導(dǎo)線上的電壓為 其幅值可表示為 從上式可知，繞擊時(shí)導(dǎo)線上的電壓幅值隨電流幅值的增加而增加，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)的耐雷水平可令等于絕緣子串50%閃絡(luò)電壓來(lái)計(jì)算。因規(guī)程認(rèn)為，故 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

15、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)持續(xù)時(shí)間只有幾十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)定工頻電弧的概率稱為建弧率。 式中，E為絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度kV（有效值）/

16、m。 對(duì)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng) 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)，為線路額定電壓(kV)有效值；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)而跳閘因此應(yīng)是線電壓，是相間絕緣長(zhǎng)度。實(shí)踐證明，當(dāng)（有效值）時(shí)，可以近似認(rèn)為。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，一般用字母表示，它與地形特點(diǎn)和避雷線的根數(shù)有關(guān)。跳閘率用來(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

17、。 表示雷電流幅值超過(guò)的概率，表示為建弧率，三、繞擊跳閘率 設(shè)繞擊率為 四、線路雷擊跳閘率以上各式中的擊桿率g見(jiàn)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一、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及以上全線雙避雷線（保護(hù)角