電力系統(tǒng)防雷及接地

電力系統(tǒng)防雷及接地一、閃電的分類1、云地閃正閃負閃（90％左右）2、云閃（云內(nèi)、云氣、云云）3、球閃（地滾雷）二、云地閃電的主要放電過程云層荷電初始擊穿梯級先導連接第一回擊K、J過程直竄先導第二回擊…..三、雷電放電過程1、先導放電2、主放電3、余輝放電

圖6—1雷電放電的發(fā)展過程四、雷擊的選擇性和易擊點大量統(tǒng)計資料和實驗研究證明，雷擊地點和建筑物遭受雷擊部位具有一定的規(guī)律性。易擊區(qū)：空曠地區(qū)：雷擊高的物體山區(qū)：有時山頂物體，有時迎風面與地質(zhì)條件有關(guān)：地質(zhì)有礦物質(zhì)五、防雷的幾個基本術(shù)語1、雷電流波形：雷電流的波頭和波尾皆為隨機變量，其平均波尾為40μs；對于中等強度以上的雷電流，波頭大致在1-4μs內(nèi)，實測表明，雷電流幅值IL與陡度的線性相關(guān)系數(shù)為0.6左右，這說明雷電流幅值增加時雷電流陡度也隨之增加，因此波頭變化不大，根據(jù)實測的統(tǒng)計結(jié)果，“規(guī)程”建議計算用波頭取2.6μs。六、防雷的幾個基本術(shù)語雷電流的波頭形狀對防雷設(shè)計是有影響的，因此在防雷設(shè)計中需對波頭形狀作出規(guī)定，“規(guī)程”建議在一般線路防雷設(shè)計中波頭形狀可取為斜角坡；而在設(shè)計特殊高塔時，可取為半余弦波頭，在波頭范圍內(nèi)雷電流可表示為：六、防雷的幾個基本術(shù)語2、雷電流幅值：雷電流iL為一非周期沖擊波，其幅值與氣象、自然條件等有關(guān)，是一個隨機變量，只有通過大量實測才能正確估計其概率分布規(guī)律。雷電流幅值概率分布可用下式表示上式中IL為雷電流幅值（kA），P為雷電流幅值超過IL的概率。例如IL等于120kA，可求得P為4.3%。

六、防雷的幾個基本術(shù)語3、雷電日：在進行防雷設(shè)計和采取防雷措施時，必須從該地區(qū)雷電活動的具體情況出發(fā)。某一地區(qū)的雷電活動強度可以用該地區(qū)的雷電日來表示。雷電日是一年中有雷電的日數(shù)?！耙?guī)程”建議采用雷電日作為計算單位。規(guī)程規(guī)定：少雷區(qū)T<15中雷區(qū)15T<40多雷區(qū)40T<90強雷區(qū)T

90六、防雷的幾個基本術(shù)語4、地面落雷密度：為了防雷設(shè)計和采取防雷措施，必須知道地面落雷密度，地面落雷密度“r”的定義為：每一雷電日每平方公里地面遭受雷擊的次數(shù)，“規(guī)程”建議r為0.07次/平方公里·雷日。對于線路來說，由于高出地面，有引雷的作用，根據(jù)模擬試驗和運行經(jīng)驗，一般高度的線路的等值受雷面的寬度為（4h+b）(h為避雷線成導線的平均高度，b為兩根避雷線間的距離)，也即等值于受雷面積為線路兩側(cè)的地帶，線路愈高，則等值受雷面積愈大。Td＝40的地區(qū)，每100km每年的雷擊次數(shù)為：NL＝0.28(b+4h)六、防雷的幾個基本術(shù)語5、保護角：通常將避雷線與外側(cè)導線的連線和避雷線對地垂直線之間的夾角叫保護角。六、防雷的幾個基本術(shù)語6、擊桿率：在線路落雷總數(shù)中雷擊桿塔的次數(shù)與避雷線根數(shù)和經(jīng)過地區(qū)的地形有關(guān)，雷擊桿塔次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)的比值稱為擊桿率g避雷線根數(shù)地形012平原1/21/41/6山區(qū)11/31/4六、防雷的幾個基本術(shù)語7、建弧率：在雷沖擊絕緣子串時，雷沖擊電壓過去后，弧道仍有一定程度的游離，在工頻電壓作用下，將有短路電流流過閃絡通道，形成工頻電弧。7、建弧率

雷電壓持續(xù)時間很短（100μs左右），絕緣子沖擊閃絡時間也相應很短，繼電保護來不及動作，所以僅有沖擊閃絡并不會引起開關(guān)跳閘，只有當沖擊閃絡火花轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧，才會引起線路開關(guān)跳閘，因此一條線路的雷擊跳閘數(shù)，不僅與耐雷水平有關(guān)，而且與沖擊閃絡之后弧道建立工頻電弧的可能性，也就是建弧率有關(guān)，建弧率可用η表示：7、建弧率

建弧率的大小，主要與工頻電壓作用下弧道平均場強的大小有關(guān)，也和沖擊閃絡是發(fā)生在工頻電壓的哪一部分以及弧道的去游離情況有關(guān)，如果恰好在u=0發(fā)生雷擊，隨后就不會產(chǎn)生工頻電弧，根據(jù)實驗及運行經(jīng)驗，η主要與E有關(guān)，可按下式計算：

式中，E—絕緣子串的平均運行電壓梯度（千伏，有效值/米）六、防雷的幾個基本術(shù)語8、雷電過電壓（外部過電壓、大氣過電壓）：（1）直擊雷過電壓：對任何電壓等級（含百萬伏等級）的線路和設(shè)備都可能產(chǎn)生危險。（2）感應雷過電壓：通常只對35kV及以下等級的線路和設(shè)備構(gòu)成威脅。七、發(fā)電廠和變電所的防雷保護1、三道防線（1）防止雷擊于變電所電力設(shè)備上（避雷針或避雷線）（2）進線保護段（3）將侵入變電所雷電波降低到電氣裝置絕緣強度允許值（如采用MOA）2、避雷針（線）（1）避雷針（線）的防雷保護原理在雷電先導階段，避雷針頂部聚積電荷，在發(fā)展先導和避雷針頂端之間通道建立了很大電場強度，避雷針迎面先導的產(chǎn)生和發(fā)展大大加強這通道中的場強，最后選定擊中避雷針。（2）避雷針（線）的保護范圍電力行業(yè)標準DL/T620-1997規(guī)定的保護范圍內(nèi)可能遭受雷擊概率為0.1%美國IEEEStd142-1991規(guī)定的保護范圍，滾球半徑為30m，保護范圍內(nèi)遭受雷擊概率為0.1%，采用45m，大約為0.5%3、單支避雷針的保護范圍hx水平面上保護范圍的截面4、兩支等高避雷針的聯(lián)合保護范圍5、兩支不等高避雷針的保護范圍6、三支和四支等高避雷針的保護范圍（a）（b）7、避雷針（線）的安裝規(guī)定

發(fā)電廠的主廠房、主控制室和配電裝置室一般不裝設(shè)直擊雷保護裝置。獨立避雷針（線）宜設(shè)獨立的接地裝置。在非高土壤電阻率地區(qū)，其接地電阻不宜超過10。當有困難時，該接地裝置可與主接地網(wǎng)連接，但避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點至35kV及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15m。7、避雷針（線）的安裝規(guī)定

35kV及以下高壓配電裝置架構(gòu)或房頂不宜裝避雷針。除水力發(fā)電廠外，裝設(shè)在架構(gòu)（不包括變壓器門型架構(gòu)）上的避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點至變壓器接地線與主接地網(wǎng)的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15m。嚴禁在裝有避雷針、避雷線的構(gòu)筑物閃架設(shè)未采取保護措施的通信線、廣播線和低壓線。8、進線保護段

發(fā)電廠和變電所應采取措施防止或減少近區(qū)雷擊閃絡。未沿全線架設(shè)避雷線的35kV－110kV架空送電線路，應在變電所1km－2km的進線段架設(shè)避雷線。變電所出線1－2基桿塔接地電阻不應大于5。8、進線保護段220kV－500kV架空線路，在2km進線保護段范圍內(nèi)以及35kV-110kV線路在1km-2km進線保護段范圍內(nèi)的桿塔耐雷水平應符合以下要求：標稱電壓（kV）35110220500耐雷水平kA一般線路20～3040～7575～110125～175變電所進線保護段30751101758、進線保護段進線保護段上的避雷線保護角宜不超過20度，最大不應超過30度。9、熱備用線路的防雷保護經(jīng)?？粘涞?5—220kV線路，應在線路斷開點附近采取防雷保護措施，如加裝間隙或避雷器。對雷電活動強烈的地區(qū)，可在110KV及以上線路的隔離開關(guān)處加裝加裝間隙或避雷器。華東一些地區(qū)已推廣。2007年6月22日，浙江220kV海門變電站220kV州門2341線遭受連續(xù)雷擊，C相故障，進而導致剛剛跳開的220kV州門2341線開關(guān)斷口擊穿，引發(fā)開關(guān)、保護等設(shè)備連鎖反應，造成全站停電。10、避雷器的配置（1）MOA至主變壓器間的最大電氣距離金屬氧化物避雷器至主變壓器間的最大電氣距離系統(tǒng)額定電壓（kV）進線段長度（km）進線路數(shù)123≥411011.525590125851201701051452051151652302202125（90）195（140）235（170）265（190）10、避雷器的配置（2）變壓器中性點保護對于110kV變壓器，當中性點絕緣的沖擊耐受電壓

185kV時，應在間隙旁并聯(lián)MOA，其U1mA

67kV，1kA雷電殘壓

120kV。中性點經(jīng)小電抗接地10、避雷器的配置（3）自耦變壓器必須在其兩個自耦合的繞組出線上裝設(shè)閥式避雷器，該避雷器應裝設(shè)在自耦變壓器和斷路器之間。11、雷電波侵入自耦變壓器時的過電壓分布（a）高壓端A1進波；（b）中壓端A2進波1—初始電壓分布；2—穩(wěn)態(tài)電壓分布；3—最大電位包絡線12、避雷器（MOA)

金屬氧化物避雷器是以氧化鋅（ZnO）基壓敏電阻（非線性電阻）組成的。日本稱氧化鋅避雷器，美國稱金屬氧化物避雷器（MOA），前蘇聯(lián)稱非線性過電壓限制器。它們都是以氧化鋅為主要成分，添加三氧化二鉍（Bi2O3），三氧化二鈷（Co2O3），二氧化錳（MnO2），三氧化二銻（Sb2O3）等金屬氧化物，經(jīng)過粉碎混合后，高溫燒結(jié)而成。12、避雷器（MOA)

ZnO、SiC和理想避雷器伏安特性的比較

ZnO避雷器的伏安特性（1）MOA的應用選擇使用環(huán)境條件：根據(jù)使用地區(qū)的氣溫、太陽光輻射、海拔、風速、污穢、地震等環(huán)境條件。額定電壓和持續(xù)運行電壓以及壓力釋放等級：根據(jù)使用電網(wǎng)的最高運行電壓、頻率、中性點接地方式、供電運行方式、短路電流數(shù)值以及故障持續(xù)時間等。（1）MOA的應用選擇MOA類型、標稱放電電流、沖擊耐受試驗電流值、線路放電等級：根據(jù)被保護對象以及其重要性。MOA保護水平及絕緣配合：根據(jù)使用電網(wǎng)的過電壓水平和可接受的故障率。（2）氧化鋅避雷器的檢測

氧化鋅避雷器在保護電力系統(tǒng)的安全運行上起著十分重要的作用。由于避雷器長期直接承受工頻電壓、沖擊電壓和內(nèi)部受潮的影響，引起ZnO閥片老化，阻性電流增加和功耗增大，導致避雷器內(nèi)部閥片溫度升高，直至發(fā)生熱崩潰，使避雷器爆炸。為了及時發(fā)現(xiàn)避雷器的隱患，需要經(jīng)常對其運行狀況進行檢測。目前我們的檢測手段是以在線監(jiān)測為主，帶電測試和停電預試為輔。目前安裝的絕大多數(shù)在線監(jiān)測儀只是檢測全泄漏電流，有必要定期通過帶電測試或停電試驗來檢測避雷器的阻性電流和功率損耗等參量.（3）帶電測試泄漏電流測試結(jié)果的主要影響因素

①避雷器表面泄漏的影響②外界環(huán)境的影響③避雷器相間電容耦合的影響（4）帶電測試帶電測試由于受空間電磁場干擾的影響，主要是電容耦合，測量結(jié)果與停電測量結(jié)果有一定差別,容易對避雷器的健康狀況產(chǎn)生誤判斷。對帶電測試數(shù)據(jù)的分析主要是靠橫向及縱向比較。對出現(xiàn)異常測試數(shù)據(jù)的避雷器，應按周期進行帶電測試，并以初次測試數(shù)據(jù)為基準進行比較，并注意其變化趨勢。新投運避雷器應立即安排帶電測試，以便積累原始數(shù)據(jù)。八、高壓輸電線路的防雷概述輸電線路在運行過程中承受工作電壓、操作過電壓或大氣過電壓時，都可能會發(fā)生絕緣閃絡事故。在超高壓輸電系統(tǒng)中，操作過電壓已被限制在較低的水平（500kV系統(tǒng)不超過2.0p.u），已不再是構(gòu)成線路絕緣的控制因素。另一方面，近幾年來因治理污閃事故的調(diào)爬等措施使線路的絕緣水平得到提高，線路在工作電壓作用下的可靠性也明顯提高。國內(nèi)、外運行經(jīng)驗表明，大氣過電壓引起的絕緣閃絡已成為線路故障的主要原因。

1、國外高壓輸電線路雷擊跳閘率（單位：次/100km.a）

國家電壓等級(kV)美國俄羅斯日本220（230）0.870.360.88330（345）0.530.12/5000.350.090.632、國家電網(wǎng)公司雷擊跳閘率規(guī)定統(tǒng)計表明，雷害引起的跳閘約占線路跳閘次數(shù)的50％。為確保送電線路的安全穩(wěn)定運行，建設(shè)堅強電網(wǎng)，國家電網(wǎng)公司對雷擊跳閘率指標提出了更加嚴格的要求。2005年3月國家電網(wǎng)公司頒布的《110(66)kV～500kV架空輸電線路運行規(guī)范》明確指出各電壓等級線路的雷擊跳閘率（規(guī)算到40個雷暴日），應達到如下指標：2、國家電網(wǎng)公司雷擊跳閘率規(guī)定表1－2線路雷擊跳閘率目標值（單位：次/100km.a）110kV220kV330kV500kV0.5250.3150.200.14電力行業(yè)標準DL/T620－1997計算的雷擊跳閘率（次/100km.a）110kV220kV330kV500kV平原線路0.830.250.120.081山區(qū)線路1.18～2.010.43～0.950.27～0.600.17～0.42注：平原對應接地電阻Ri=7

，山區(qū)兩數(shù)據(jù)分別對應Ri為7和15。

3、造成輸電線路雷擊跳閘的主要原因輸電線路反擊：桿塔以及桿塔附近避雷線上落雷后，由于桿塔或接地引下線的電感和桿塔接地電阻上的壓降，塔頂?shù)碾娢豢赡苓_到使線路絕緣發(fā)生閃絡的數(shù)值，造成桿塔雷擊反擊。桿塔的接地電阻是影響雷擊跳閘率的重要因素，計算表明：桿塔的接地電阻如增加10～20Ω，雷擊跳閘率將會增加50%～100%。為此，各網(wǎng)、省電力公司為提高供電可靠性，投入大量的人力和財力進行桿塔接地電阻的改造，使線路桿塔的接地電阻滿足防雷設(shè)計的要求，保證了雷擊跳閘率滿足規(guī)程的要求。

3、造成輸電線路雷擊跳閘的主要原因

輸電線路絕緣水平也是影響線路雷擊反擊的重要因素。為此，合理配置線路桿塔的絕緣水平和布置方式，會提高桿塔的耐雷水平，從而降低雷擊故障跳閘率。雷直擊塔頂或避雷線會造成對線路絕緣的反擊，我國防雷與接地規(guī)程給出了不同電壓等級輸電線路桿塔承受反擊的耐雷水平：

4、輸電線路繞擊

雷繞過避雷線的屏蔽，擊于導線稱為“繞擊”。由于影響發(fā)生繞擊的因素比反擊要復雜得多，人們對它感興趣的程度和研究深度也較反擊為多。上一世紀的60年代初，美國的E.R.Whitehead、H.R.Armstorng和G.R.Brown等人在前人完成的小模型模擬試驗的基礎(chǔ)上先后開展了繞擊過程的理論研究，并取得了重要成果，完善和發(fā)展了分析輸電線路屏蔽性能的電氣幾何模型（EGM），被稱為Whitehead理論。1964年我國朱蒙美教授在模擬試驗的基礎(chǔ)上獨立提出了與之基本相似的計算模型。隨后Sargtnt、Eviksson、Mossa等人在完善和推廣EGM的應用方面作了大量的工作。4、輸電線路繞擊

近年來，Eviksson、Dallera、Rizk等人將近代長空氣間隙放電的研究成果用于線路屏蔽性能的研究，提出了先導發(fā)展模型（LPM）。該模型認為在下行先導的作用下，接地物體上的上行先導的發(fā)生、發(fā)展及相遇的過程，在決定雷電屏蔽性能時起決定性的作用，并引入吸引距離作為基本參數(shù)。我國各網(wǎng)、省電力公司在輸電線路防繞擊方面也做了大量的工作，如采取增強桿塔絕緣提高其繞擊耐雷水平；減小邊導線保護角，甚至采用負保護角或加裝塔頂拉線、在地線上裝側(cè)向避雷針、裝設(shè)耦合地線及旁路架空地線等措施，增強對導線的屏蔽作用，降低繞擊概率。

5、輸電線路的幾種常見過電壓

架空輸電線路中常見的過電壓有以下兩種，第一種是：架空線路上的感應過電壓,即雷擊發(fā)生在架空線路的附近，通過電磁感應在輸電線路上產(chǎn)生的過電壓；第二種是直擊雷過電壓，即雷電直接打在避雷線或是導線上時產(chǎn)生的過電壓。下面對這兩種過電壓做一個簡單的介紹，在介紹中主要介紹產(chǎn)生的機理及結(jié)論.6、架空輸電線路上的感應過電壓

當雷擊線路附近的地面時，會在架空線路的三相導線上出現(xiàn)感應過電壓（感應雷）。這種感應過電壓的形成過程如下：在雷電放電的先導階段，在先導通道中充滿了電荷，它對導線產(chǎn)生了靜電感應，在負先導通道附近的導線上積累了異號的正束縛電荷，而導線上的負電荷則被排斥到導線的遠端。6、架空輸電線路上的感應過電壓6、架空輸電線路上的感應過電壓

因為先導的發(fā)展速度很慢，所以在上一過程中導線的電流不大，可以忽略不計，而導線將通過系統(tǒng)的中性點或泄漏電阻而保持其零電位（如果不計工頻電壓的話）。由此可見，如果先導通道電場使導線各點獲得的電位為U0（x），則導線上的束縛電荷電場必定使導線獲得電位為+U0（x），即二者在數(shù)值上相等，符號相反，也即各點上均有±U0（x）疊加，使導線在先導階段時處處電位為零。

6、架空輸電線路上的感應過電壓

雷擊大地后，主放電開始，先導通道中的電荷被中和。如果先導通道中的電荷是全部瞬時被中和（這當然是不可能的），則導線上的束縛電荷也將全部瞬時變?yōu)樽杂呻姾?，此時導線出現(xiàn)的電位僅由這些剛解放的束縛電荷決定，它顯然等于+U0（x）。這是靜電感應過電壓的極限。實際上，主放電的速度有限，所以導線上束縛電荷的釋放是逐步的，因而靜電感應過電壓將比+U0（x）小。

6、架空輸電線路上的感應過電壓

此時由于對稱的關(guān)系，被釋放的束縛電荷將對稱的向?qū)Ь€兩側(cè)流動，電荷流動形成的電流i乘以導線的波阻Z即為向兩側(cè)流動的靜電感應過電壓流動波u=iZ。此外，如果先導通道電荷全部瞬時中和，則瞬間有（這當然是不可能的），則將產(chǎn)生極強的時變磁場，后者將使導線產(chǎn)生極大的電磁感應過電壓。6、架空輸電線路上的感應過電壓因此電磁分量要比靜電分量小得多，后者約為前者的五倍。又由于兩種分量出現(xiàn)最大值的時刻也不同，所以在對總的感應過電壓幅值的構(gòu)成上，靜電分量起主要作用。為了使大家在工作中對感應過電壓的值有一個數(shù)量級的概念，可以用下式進行粗略的估算式中，I：主放電電流（kA）hc：導線平均高度（m）S：雷擊點距線路的距離（m）7、架空輸電線路上的直擊雷過電壓

雷直擊于有避雷線的輸電線路分為三種情況，a、雷擊桿塔頂部；b、雷擊避雷線中央部分；c、繞過避雷線擊于導線。a、當雷擊于導線時，導線的電位可按下式計算：7、架空輸電線路上的直擊雷過電壓7、架空輸電線路上的直擊雷過電壓b、雷擊線路桿塔頂部雷擊線路桿塔頂部時，有很大的電流igt流過桿塔入地。對一般高的桿塔，塔身可用等值電感Lgt代替，其沖擊接地電阻為Rch，于是塔頂電位為

在一般情況下沖擊接地電阻Rch對Ugt起很大的作用，而在山區(qū)或高阻區(qū)，Rch可達上百歐，此時它對Ugt的值將起決定性的作用。至于桿塔電感只有在特高塔或大跨越時才會起決定作用。7、架空輸電線路上的直擊雷過電壓7、架空輸電線路上的直擊雷過電壓c、雷直擊于檔距中央的避雷線當雷直擊于檔距中央的避雷線會產(chǎn)生很高的過電壓，可用下式計算：

式中Lb為半檔避雷線的電感，a為雷電流陡度。從世界各國運行的情況看在檔中發(fā)生相地線間的閃絡是很少見的。8、線路防雷的四道防線（1）第一道防線是保護導線不受或少受雷直擊，為此可采用避雷線、可控放電避雷針或改用電纜。（2）第二道防線是雷擊塔頂或避雷線時不使或少使絕緣發(fā)生閃絡，為此需提高線路的耐雷水平或線路的絕緣水平。（3）第三道防線是當絕緣發(fā)生閃絡時，盡量減少由沖擊閃絡轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定電力電弧的概率，從而減少雷擊跳閘率，為此應減少絕緣上的工頻電場強度，或電網(wǎng)中性點采用不直接接地方式。（4）第四道防線是即使跳閘也不中斷電力的供應，可用自動重合閘或用雙回線以及環(huán)網(wǎng)供電。9、影響輸電線路雷擊跳閘的因素桿塔接地