架空輸電線路的防雷保護(hù).

1、1.1 線路防雷工作的重要性1.2 輸電線路上出現(xiàn)的雷電過電壓的種類1.3 衡量線路耐雷性能的主要指標(biāo)1.4 線路防雷設(shè)計的選定原則（1）架空線路長度大，暴露在曠野，易 受雷擊。（2）雷擊線路使絕緣子閃絡(luò)，導(dǎo)致跳 閘，使供電中斷。（3）雷擊線路形成的過電壓沿線路傳播 并侵入變電所和發(fā)電廠，造成變電站 雷害事故。（1）感應(yīng)雷過電壓雷擊線路附近地面，由于電磁 感應(yīng)引起的。（2）直擊雷過電壓雷直接擊于線路 1）雷擊塔頂 2）雷擊避雷線檔距中央 3）雷繞擊導(dǎo)線（1）耐雷水平 定義： 雷擊時線路絕緣不發(fā)生沖擊閃絡(luò)的最大雷電流幅值，kA。表1 各級電壓送電線路的耐雷水平 額定 電壓 (kV) 35 66

2、110 220 330 500 耐雷 水平 (kA) 2030 3060 4075 75110100150125175（2）雷擊跳閘率 定義：雷電活動強(qiáng)度都折算為40個雷日、線路長度折算至100km條件下，每年雷擊引起的線路跳閘次數(shù)，次(/100km年) 。 跳閘率越高，耐雷性能越差。 （1）提高耐雷水平，降低雷擊跳閘率，既避免線路因雷擊而頻繁跳閘，又不使線路防雷投資過于增加。（2）線路具體的防雷措施應(yīng)根據(jù)電壓等級、負(fù)荷性質(zhì)、系統(tǒng)運(yùn)行方式、雷電活動強(qiáng)弱、地形地貌和土壤電阻率等條件，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后合理選定。2.1 感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生2.2 雷擊線路附近大地時導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓2

3、.3 雷擊桿塔塔頂時導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓在雷云對地放電過程中，放電通道周圍空間電場急劇變化，并在鄰近的導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng) 過電壓，它包含靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)兩個分量。圖1(a)中，在有負(fù)電荷雷云的先導(dǎo)放電階段，由于靜電感應(yīng)，在導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度E的切向分量Ex的驅(qū)動下，與雷云異號的正電荷被吸引到靠近先導(dǎo)通道的一段導(dǎo)線上排列成束縛電荷，而導(dǎo)線中負(fù)電荷則被排斥到導(dǎo)線兩側(cè)遠(yuǎn)方或經(jīng)線路的泄漏電導(dǎo)和系統(tǒng)的中性點逸入大地。圖1(b)中，主放電開始以后，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷自下而上被迅速中和，由雷擊所造成的靜電場突然消失，于是輸電線路上的束縛電荷就變成了自由電荷，所形成的電壓波迅速向線路兩側(cè)傳播。由此

4、形成的電流i乘以線路波阻Z，即為向兩側(cè)運(yùn)動的靜電感應(yīng)過電壓的流動波u=iZ。感應(yīng)過電壓的兩個分量（1）靜電分量：因先導(dǎo)通道中電荷突然中和而引起的感應(yīng)過電壓，如圖1(b)所示。 （2）電磁分量：當(dāng)發(fā)生主放電時，伴隨著雷電流沖擊波，在放電通道周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁脈沖場，它的磁通若有與導(dǎo)線鉸鏈的情況，就會在導(dǎo)線中感應(yīng)出一定的電壓，稱為感應(yīng)雷過電壓的電磁分量 。 由于主放電通道與導(dǎo)線基本上是互相垂直，互感不大。再者，主放電速度為光速的（1/201/2)，因此電磁感應(yīng)分量不會很大?？偟恼f，電磁感應(yīng)分量要比靜電感應(yīng)分量小很多，約為后者的1/5?？紤]到這兩種分量出現(xiàn)最大值的時刻不同，故在感應(yīng)雷過電壓幅值的

5、構(gòu)成上，靜電感應(yīng)分量將起主要作用。 （1）無避雷線 當(dāng)S65m時， （1）式中， 為感應(yīng)電壓幅值，kV; 為雷電流幅值，kA； 為導(dǎo)線懸掛平均高度，m； 為直接雷擊點距線路的距離，m。gU25dgIhUSIdhS 由（1）式可知，感應(yīng)過電壓與雷電流幅值成正比，與導(dǎo)線對地平均高度 成正比， 越高則導(dǎo)線對地電容越小，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓就越高；感應(yīng)過電壓與雷擊點的至線路間的水平距離 成反比， 越大，感應(yīng)過電壓越小。IdhIdhSS 感應(yīng)雷過電壓一般不超過500kV，對110kV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。所以，感應(yīng)雷在110kV及以下的線路中應(yīng)重點防治，對于高壓線路，防雷工

6、作主要以防止直擊雷為主。 （2）有避雷線 當(dāng)雷擊線路附近大地時，需考慮避雷線的電磁屏蔽作用。應(yīng)用疊加原理，假設(shè)避雷線不接地，導(dǎo)線和避雷線上感應(yīng)過電壓分別為 （2） （近似地取 ） 2525dgdbbgbgdgddIhUSIhhUUUSh1bdhh 式中， 、 分別為導(dǎo)線和避雷線上感應(yīng)過電壓的幅值，kV； 、 分別為導(dǎo)線荷避雷線對地平均高度，m。 實際上避雷線是接地，電位為零。為此，設(shè)想在不接地的避雷線上疊加一個 的電壓，于是此電壓將在導(dǎo)線上產(chǎn)生耦合電壓 ，k是雷線與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)。gdUgbUdhbh( )gbU( )gbkU 故有避雷線后，作用在絕緣子串兩端的感應(yīng)雷過電壓下降為 （3）gd

7、gdgbgdgdUUkUUkU25(1)dIhkS 無避雷線25dgIhUS 有避雷線25(1)dgdIhUkS避雷線的作用之一：耦合作用耦合作用 耦合系數(shù)越大，則導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓越低。當(dāng)計及電暈后的耦合系數(shù)如表2所示。表2 耦合系數(shù)的電暈校正系數(shù)電壓等級(kV)203566110154330500雙避雷線1.11.21.251.28單避雷線1.151.251.3 在 的范圍內(nèi)的雷將被線路吸引而擊中線路本身。雷擊線路桿塔時，由于雷電通道所產(chǎn)生的電磁場的迅速變化，將會在導(dǎo)線上產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓。 （1）無避雷線時 （4） 式中， 為感應(yīng)過電壓系數(shù)，kV/m，其數(shù)值等于以 計的雷電流平均陡度，

8、即 。50SmgddUh/kAs2.6I（2）有避雷線時，由于屏蔽作用 （5）式中，k為耦合系數(shù)。(1)gddUhk3.1 雷擊塔頂時直擊雷過電壓3.2 雷擊避雷線檔距中央時直擊雷過電壓3.3 雷繞擊導(dǎo)線時直擊雷過電壓（1）無避雷線 如圖2(a)所示，雷擊塔頂T點，雷電流通過桿塔經(jīng)沖擊接地電阻防Rch散入大地，取桿塔電感為Lgt，等值電路如圖2(b)所示。 由此可得塔頂電位為 （6） 其幅值為 （7） 而雷擊塔頂時產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓 由（4）式計算，即TchgtdiuiRLdt()2.6gtTchLUI RgU2.6gddIUhh 故作用在絕緣子串上的過電壓為 （8）注：1. 通常雷云電荷為負(fù)

9、極性，故導(dǎo)線上感應(yīng)電壓 為正極性，塔頂電位 為負(fù)極性，絕緣子串承受正極性沖擊電壓 值。 2. 當(dāng) 時，絕緣子串閃絡(luò)，即桿塔電位對某相導(dǎo)線反擊，使該相導(dǎo)線 接地。 ()()2.62.6gtdjTgchLhUUUI R gUTUjU50%jUU 單相線路在此電壓下遭反擊后，此相導(dǎo)線相當(dāng)于一根避雷線，此時它具有塔頂電位 ，在其他兩相導(dǎo)線上出現(xiàn)耦合電壓 ，其他兩相導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓下降至 （ 為雷電流陡度）。未閃絡(luò)兩相絕緣子鏈承受的過電壓為 （9）TUTkU(1)dhk(1)jTTdUUkUhk()(1)2.62.6gtdchLhI Rk 當(dāng) 時，在兩相中耦合系數(shù)k較小的一相被反擊，此時的耐雷水平I

10、為： （10） 由此可知，增加線路絕緣強(qiáng)度、增大導(dǎo)線間的耦合系數(shù)、減小桿塔接地電阻、減小桿塔電感等措施均可提高線路的耐雷水平。50%jUU50%()(1)2.62.6gtdchUILhRk（2）有避雷線 塔頂電位為 （11） （12） 為分流系數(shù)，表示避雷線的分流作用， 。 tTtchgtdiui RLdttii1當(dāng)塔頂電位為 時，與塔頂相連的避雷線上也有相同的電位，導(dǎo)線上將產(chǎn)生耦合電壓 ，此電壓與雷電流同極性。此外，由于雷電通道電磁場的作用，在導(dǎo)線上尚有感應(yīng)過電壓 ，此電壓與雷電流反極性，所以導(dǎo)線電位的幅值為 （13） TUTkU(1)dhk(1)dTdUkUhk絕緣子串兩端電壓為塔頂荷導(dǎo)線

11、電位之差 （14）當(dāng)雷電流較大，沖擊接地電阻較大時， 時，絕緣子串閃絡(luò)，耐雷水平為 （15）()(1)2.62.6gtdjchLhUIRk50%jUU50% ()(1)2.62.6gtdchUILhRk 雷擊避雷線檔距中央時，只要檔距中央的導(dǎo)、地線間空氣距離滿足下述經(jīng)驗公式，則一般不會出現(xiàn)擊穿事故 。 （16）式中，S為避雷線與導(dǎo)線的空氣間隙，m；l為檔距，m。0.0121Sl（1）無避雷線 認(rèn)為在雷擊點沒有波的折、反射，根據(jù)圖5(b)等值電路，可以求得雷擊點的直擊雷過電壓的幅值為 (17) 若考慮電暈影響，取220kV及以下線路波阻抗Z為400歐，則雷擊點電位為 (18) 224AIZIZU

12、100AUI 如果 ，線路絕緣就發(fā)生閃絡(luò)，此時耐雷水平為 （19）注：我國60kV及以下架空線路一般無避雷線，雷擊導(dǎo)線時的耐雷水平是很低的。50%AUU50%100UI （2）有避雷線 雷繞擊導(dǎo)線時產(chǎn)生的過電壓與無避雷線的情況相同，可用式(19)計算，相應(yīng)的耐雷水平為 （20） 50%2100UI 裝設(shè)避雷線后，雷繞擊于導(dǎo)線的概率用繞擊率 表示。 對平原地區(qū)線路 （21） 對山區(qū)線路 （22）式中， 為一次雷擊線路中出現(xiàn)繞擊的比例； 為桿塔上避雷線對外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角；h為桿塔高度。Plg3.986hPlg3.3586hPP4.1 雷擊跳閘率定義4.2 所需具備的條件4.3 雷擊跳閘率的計算 雷

13、擊跳閘率 是指雷電活動強(qiáng)度都折算為每年40個雷日、線路長度折算至100km的條件下，每年雷擊引起線路跳閘的次數(shù)，即次/(100km年 ) . 工程設(shè)計中，它是衡量耐雷性能的綜合指標(biāo)。n 首先雷擊電流必須超過線路耐雷水平，引起線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)； 接著在沖擊閃絡(luò)通道上建立起工頻電弧，從而才會使繼電保護(hù)裝置動作，斷路器跳閘。 1.雷擊次數(shù) 設(shè)N為每100km線路每年（40個雷電日）遭受雷擊的次數(shù) （23）式中， 為地面落雷密度，取0.015次/(km2雷日 )；A為線路等值受雷寬度，m，一般取 ， 為避雷線的平均高度，m。在無避雷線時， 為最上層導(dǎo)線的平均高度。100 401000AN10bAh

14、bhbh2.建弧率 在線路沖擊閃絡(luò)的總數(shù)中，可能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定工頻電弧的比例。按下式計算 （24）式中，E為絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度，kV/m。若 ，則 ，線路不會雷擊跳閘。 0.752(4.514) 10E6/EkVm0 有效接地系統(tǒng) （25） 對中性點絕緣、消弧線圈接地系統(tǒng) （26）式中， 為系統(tǒng)額定電壓，kV； 絕緣子串長度，m； 木橫擔(dān)線路的線間距離，m。13nUEl122nUEllnU1l2l3.雷擊跳閘率 架空線路的雷擊跳閘率 應(yīng)該是雷擊桿塔跳閘率 和繞擊跳閘率 之和。 （27）式中，g為擊桿率； 為繞擊率； 為大于或等于雷擊塔頂耐雷水平 的概率； 為大于或等于繞擊導(dǎo)線耐雷水平 的概

15、率。n1n2n1212IInnnNgPNP P12()IIN gPP PP1IP1I2IP2I5.1 電氣幾何模型考慮的前提條件5.2 電氣幾何模型的具體分析 （1）由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)放電通道頭部到達(dá)被擊物體的臨界擊穿距離閃擊距離之前，受擊點是不確定的。先到哪個物體的閃擊距離以內(nèi)，即向該物體放電。（2）閃擊距離的大小和先導(dǎo)頭部的電位有關(guān)，因而與先導(dǎo)通道的電荷密度有關(guān)。后者又決定了隨后出現(xiàn)的雷電流幅值。所以認(rèn)為閃擊距離是雷電流幅值的函數(shù)。 擊距與 預(yù)測電流的關(guān)系可表達(dá)為 （28）0.757.1srI（3）不考慮雷擊目的物體的形狀和鄰近效應(yīng)等其他因素對閃擊距離的影響，假定先導(dǎo)對桿塔、避雷線、導(dǎo)

16、線的閃擊距離相等。 （4）假定先導(dǎo)接近地面時的入射角必服從某一給定的概率分布函數(shù)，垂直落雷密度最大，水平落雷密度下降到零。 此外，還應(yīng)考慮地面傾角的影響。分析時取檔距內(nèi)導(dǎo)線、地線對地的平均高度。有時還要計及風(fēng)速的影響等。（1）臨界擊距 （29）式中， 、 為避雷線和輸電線路的高度，m； 為避雷線的保護(hù)角。 2(2sin)2cosbdbdskhhh hrbhdh通常有 ，故可以簡化為 （30）再可求出相應(yīng)于 的雷電流 ， 是可能發(fā)生繞擊的最大雷電流，即只有雷電流小于 時才會有繞擊。2bdskhhr2(1 sin)bdskhhrskrkIkIkI（2）允許擊距并非所有繞擊都會引起線路絕緣閃絡(luò)，只有

17、當(dāng)雷電流大于雷擊導(dǎo)線的耐雷水平 時才會引起絕緣閃絡(luò)，可得相應(yīng)于 的擊距 ，即 （31）稱 為允許擊距。2I2Isyr0.7550%0.225()syrUsyr若人為地改變避雷線的保護(hù)角 ，使 ，則 時不發(fā)生繞擊， 時，有繞擊而不發(fā)生閃絡(luò)，這種情況稱為有效屏蔽。若 ，則有發(fā)生繞擊閃絡(luò)的可能，稱為部分屏蔽。令 ，可得有效屏蔽時的避雷線所需保護(hù)角。syskrrkIIkIIsyskrrsyskrr（3）繞擊率 在部分屏蔽情況下，將發(fā)生一定的繞擊概率和跳閘次數(shù)。 雷電流幅值為 的雷擊下導(dǎo)線著雷的繞擊率 （32） iIjjijjF CPE C（4）繞擊跳閘率 應(yīng)根據(jù)允許擊距 將繞擊區(qū)分為繞擊閃絡(luò)區(qū)和繞擊非

18、閃絡(luò)區(qū)兩部分 。每一雷日每單位長度線路繞擊閃絡(luò)次數(shù) 為 （33）syr2N2I()jiiNp IIFC區(qū)域2()kIiiiIIp IFC 在 中能建立工頻電弧的次數(shù)（即繞擊跳閘次數(shù)） 為 （34）式中， 為建弧率。根據(jù) ，可換算至每百公里年的繞擊跳閘率 。2N2n22()kIjiiInIp IFC2n2n 6.1 防雷措施的介紹 6.2 四道紡線的意義1.架設(shè)避雷線 其主要作用是防止雷直擊導(dǎo)線。同時還有以下作用：在雷擊塔頂時起分流作用，從而減小塔頂電位；對導(dǎo)線有耦合作用，從而降低絕緣子串上的電壓；對導(dǎo)線有屏蔽作用，從而降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓。 輸電線路愈高，采用避雷線的效果愈好。我國110kV線路一般全線架設(shè)避雷線，220kV及以上線路則是全線架設(shè)避雷線。35kV及以下的線路，一般不在全線架設(shè)避雷線。 為了提高避雷線對導(dǎo)線的屏蔽作用，減小繞擊率，避雷線的保護(hù)角較小，通常采用2