電力系統(tǒng)過(guò)電壓：第3章 輸電線路的防雷保護(hù)

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(jī)會(huì)較多輸電線路遭受雷擊的機(jī)會(huì)較多 輸電線路是電力系統(tǒng)的大動(dòng)脈，它將巨大的電能輸送到四面八方。漫長(zhǎng)輸電線路是電力系統(tǒng)的大動(dòng)脈，它將巨大的電能輸送到四面八方。漫長(zhǎng)的輸電線路穿過(guò)平原、山區(qū)，跨越江河湖泊，遇到的地理?xiàng)l件和氣象條的輸電線路穿過(guò)平原、山區(qū)，跨越江河湖泊，遇到的地理?xiàng)l件和氣象條件各不相同，所以遭受雷擊的機(jī)會(huì)較多。件各不相同，所以遭受雷擊的機(jī)會(huì)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(kāi)關(guān)設(shè)備的維修工作量。我國(guó)由于雷擊造成的跳閘大約占開(kāi)關(guān)設(shè)備的維修工作量。我國(guó)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(huì)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(huì)沿線路侵入變電所。而在電力系統(tǒng)中，線路的絕緣最強(qiáng)，變電所次之，發(fā)電機(jī)最弱，若發(fā)電廠、變電所的中，線路的絕緣最強(qiáng)，變電所次之，發(fā)電機(jī)最弱，若發(fā)電廠、變電所的設(shè)備保護(hù)不完善，往往會(huì)引起設(shè)備絕緣損壞，影響安全供電。設(shè)備保護(hù)不完善，往往會(huì)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(yùn)行?？煽啃裕疫€可以使變電所安全運(yùn)行。 輸電線路防雷的任務(wù)是：采用技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上的合理措施，使系統(tǒng)雷害降低到運(yùn)行部門能夠接受的程度，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)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(dǎo)線導(dǎo)線直擊雷直擊雷過(guò)電壓過(guò)電壓感應(yīng)雷感應(yīng)雷過(guò)電壓過(guò)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(dǎo)線防止雷直擊導(dǎo)線沿線架設(shè)避雷線，有時(shí)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(lái)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(fù)正常跳閘建弧率的計(jì)算建弧

4、率的計(jì)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(duì)中性點(diǎn)有效接地的電網(wǎng)ejm3(0.5)UEll對(duì)中性點(diǎn)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(zhǎng)度：絕緣子串長(zhǎng)度；lm：線路的線間距離（對(duì)鐵橫擔(dān)和鋼筋混凝土橫擔(dān)線路，：線路的線間距離（對(duì)鐵橫擔(dān)和鋼筋混凝土橫擔(dān)線路，lm = 0）減小建弧率的措施：(1)適當(dāng)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(chǎng)強(qiáng)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(dòng)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(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況實(shí)施，例如線路的電壓等級(jí)、重要程度、當(dāng)?shù)乩纂娀顒?dòng)強(qiáng)弱、已有線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等，再由技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果，作出因地制宜的保護(hù)措施。衡量輸電線路防雷性能的指標(biāo)衡量輸電線路防雷性能的指標(biāo)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(gè)雷電日和 l00km 的線路長(zhǎng)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(guò)電壓形成的機(jī)理感應(yīng)雷過(guò)電壓形成的機(jī)理靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)(1)束縛電荷的形成當(dāng)雷云接近輸電線路上空時(shí)，根據(jù)靜電感應(yīng)的原理，將在線路上感應(yīng)出一個(gè)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(hào)的電荷則通過(guò)線路的接地中性點(diǎn)逸入大地，對(duì)中性點(diǎn)絕緣的線路，此同號(hào)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(duì)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(dòng)被釋放電荷的移動(dòng)電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)雷電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可在導(dǎo)線中產(chǎn)生電磁感應(yīng)過(guò)電壓，不過(guò)電磁感應(yīng)過(guò)電壓部分比較小。根據(jù)理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果，有關(guān)規(guī)程建議，當(dāng)雷擊點(diǎn)距輸電線路的距離距離s大于大于65m時(shí)時(shí)，導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓最大值可按下式計(jì)算：式式中中I ：雷電流幅值，：雷電流幅值，kA；hd：導(dǎo)線懸掛平均高度，：導(dǎo)線懸掛平均高度，m；s：雷擊點(diǎn)至線路的距離，：雷擊點(diǎn)至線路的距離，m。d25IhUssI hdd25IhUs(1)靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)先導(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(huì)使感應(yīng)過(guò)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(dāng)雷直擊于桿塔或線路附近的避雷線（針）時(shí)，周圍迅速變化的電磁場(chǎng)將在導(dǎo)線上感應(yīng)出相反符號(hào)的過(guò)電壓。在無(wú)避雷線時(shí)，對(duì)一般高度的線路，這一感應(yīng)過(guò)電壓的最大值可由下式計(jì)算：dUh式中式中: 感應(yīng)過(guò)電壓系數(shù)，感應(yīng)過(guò)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?yàn)榉当容^小，故感應(yīng)過(guò)電壓一般只對(duì)35 kV線路有害，對(duì)110 kV及以上的線路，由于絕緣水平較高，一般不會(huì)引起閃絡(luò)事故?！纠坷纂娏鱅=88 kA，線路懸掛平均高度hd=12 m，雷擊點(diǎn)至線路的距離s=65 m，則導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)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(dǎo)線受它的屏蔽作用，感應(yīng)過(guò)電壓將會(huì)降低。假定避雷線不接地，則導(dǎo)線和避雷線上將分別感應(yīng)出過(guò)電壓：d25dIhUs b25bIhUs bdUkU 事實(shí)上避雷線接地，相當(dāng)于避雷線上再疊加了一個(gè)

10、電壓 該電壓使得避雷線電壓為0，并在導(dǎo)線上耦合出：bU 故有接地避雷線的情況下，感應(yīng)過(guò)電壓變?yōu)?導(dǎo)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(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓變?yōu)樵瓉?lái)的(1-k)倍，因此，耦合系數(shù)對(duì)有避雷線時(shí)的感應(yīng)過(guò)電壓有較大的影響。雷擊導(dǎo)線雷擊塔頂(1)雷擊導(dǎo)線的過(guò)電壓及耐雷水平雷擊導(dǎo)線的過(guò)電壓及耐雷水平 過(guò)電壓過(guò)電壓0022ZZUIZZ02ZZ 4IZU 400Z 100UI輸電導(dǎo)線上的過(guò)電壓大小正比于雷電流的大小欲使雷擊時(shí)，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(dān)，每串絕緣子為7個(gè)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(gè)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(lái)大大減少雷直擊于導(dǎo)線的情況是很重要的措施。耐雷水平p雷電流超過(guò)雷電流超過(guò)I的概率的概率lg88Ip (2)雷擊雷擊塔頂?shù)倪^(guò)電壓及耐雷水平塔頂?shù)倪^(guò)電壓及耐雷水平 當(dāng)雷擊線路桿塔頂端時(shí)，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L(zhǎng)gt ，雷電流為斜角平頂波，且工程計(jì)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(dāng)雷擊塔頂(如絕緣子未閃絡(luò)，則情況與前述感應(yīng)雷過(guò)電壓一樣)時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓為：感應(yīng)過(guò)電壓的極性與塔頂電位的極性相反(假定為負(fù)極性雷，則塔頂電位為負(fù)，感應(yīng)過(guò)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(fù)極性雷電的情況下，塔頂電位為負(fù)，絕緣子串掛

13、導(dǎo)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(dǎo)線為正時(shí)的放電電壓）放電電壓（導(dǎo)線為正時(shí)的放電電壓），它要比U50% 絕緣子串負(fù)極性放電電壓低一些。當(dāng)桿塔比較高時(shí)，必須采用波當(dāng)桿塔比較高時(shí)，必須采用波阻抗描述其特性。阻抗描述其特性。故障過(guò)程故障過(guò)程：中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中性點(diǎn)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(duì)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(rèn)為該相導(dǎo)線具有塔頂?shù)碾娢?。由于第一相?dǎo)線與第二相導(dǎo)線的耦合作用，

14、使兩相導(dǎo)線電壓差為：jcjchgtdc(1)(/2.6/2.6)(1)UK UI RLhK式中Kc 為兩相導(dǎo)線間的耦合系數(shù)。當(dāng)大于或等于絕緣子串U50% 沖擊放電電壓時(shí)，第二相導(dǎo)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(guò)避雷線擊于導(dǎo)線的過(guò)電壓及耐雷水平雷繞過(guò)避雷線擊于導(dǎo)線的過(guò)電壓及耐雷水平繞擊率繞擊率雷繞過(guò)避雷線擊于導(dǎo)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(zhǎng)度為 l00 km，穿過(guò) 40 個(gè)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(dǎo)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(dǎo)線的保護(hù)角桿塔高度h地形條件對(duì)平原線路 對(duì)山區(qū)線路alg3.9086hpalg3.3586hp100UI故線路的耐雷水平為：50%100UI 繞擊時(shí)的過(guò)電壓為：( (2 2) )雷擊雷擊塔頂時(shí)的過(guò)電壓及耐雷塔頂時(shí)的過(guò)電壓及耐雷水平水平雷擊塔頂時(shí)，雷電流大部分經(jīng)過(guò)被擊桿塔入地(桿塔阻抗較小)，小部分電流則經(jīng)過(guò)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(wú)關(guān)，而隨時(shí)間變化。為了便于計(jì)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(jì)算耐雷水平的計(jì)算絕緣子串上的電壓：如不計(jì)耦合系數(shù)gchgtd(/2.2 66.)jgtgI RLUIUhU 計(jì)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(duì)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(dǎo)線下方增設(shè)耦合地線，其作用是增強(qiáng)導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)距桿塔有一段距離，由兩側(cè)接地桿塔處發(fā)生的負(fù)反射需要一段時(shí)間才能回到雷擊點(diǎn)而使該點(diǎn)電位降低。在此期間，雷擊點(diǎn)地線上會(huì)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(lái)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(diǎn)電位雷擊點(diǎn)與導(dǎo)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(shí)上，我國(guó)規(guī)程規(guī)定，在檔距中央，導(dǎo)線和避雷線之間的空氣導(dǎo)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(dǎo)線與避雷線之間的距離，：導(dǎo)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(shí)，導(dǎo)線與避雷線間一般不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。所以，在計(jì)算雷擊跳閘率時(shí)，不計(jì)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(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般將避雷線或?qū)Ь€對(duì)地面的遮蔽寬度取4hd+b，這樣 l00 km 長(zhǎng)的輸電線路對(duì)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(gè)雷暴日作為標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)，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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(guò)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(guò)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(duì)于中性點(diǎn)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(diǎn)非直接接地的電網(wǎng)中，無(wú)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(jì)算： d10.28(4)nhbpp1為雷擊使線路一相導(dǎo)線與桿塔間閃絡(luò)后，再向第二相導(dǎo)線反擊時(shí)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(fù)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(dǎo)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(jì)算幾何參數(shù)計(jì)算幾何參數(shù)避雷線與導(dǎo)線的平均高度dpdd2223.41215.433hhfbpbb2229.1724.533hhf避雷線和