電力系統(tǒng)防雷ppt課件

1、第十章第十章 電力系統(tǒng)防雷保護(hù)電力系統(tǒng)防雷保護(hù) （2 2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）10.1 輸電線路的防雷保護(hù) 雷害事故在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的跳閘停電事故中占有很大的比重。特別是伴隨著開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的降低及其導(dǎo)致的事故的減少，雷擊引起的跳閘事故占據(jù)日益主要的地位。 架空輸電線路長度大，分布面廣，且往往翻山越嶺，遭受雷擊的機(jī)會(huì)很多。一條100km長的架空輸電線路在一年中往往要遭到數(shù)十次雷擊，因而線路的雷擊事故在電力系統(tǒng)總的雷電事故中占有很大的比重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網(wǎng)總事故的60%以上。輸電線路防雷保護(hù)的目的就是盡可能減少線路雷害事故的次數(shù)和損失。 輸電線路上出現(xiàn)的雷電過電壓主

2、要有兩種，即為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。前者由雷擊于線路引起，后者由雷擊線路附近地面、由于電磁感應(yīng)引起。l10.1.1輸電線路感應(yīng)雷過電壓 一、 雷擊線路附近大地時(shí)，線路上的感應(yīng)過電壓 當(dāng)雷擊線路附近的大地時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。感應(yīng)過電壓的形成如圖101所示，設(shè)雷云帶負(fù)電荷。在主放電開始之前，雷云中的負(fù)電荷沿先導(dǎo)通道向地面運(yùn)動(dòng)，線路處于雷云和先導(dǎo)通道形成的電場中。由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)線軸向上的電場強(qiáng)度Ex將正電荷吸引到最靠近先導(dǎo)通道的一段導(dǎo)線上，成為束縛電荷。導(dǎo)線上的負(fù)電荷則受Ex的作用向?qū)Ь€兩端運(yùn)動(dòng)，經(jīng)線路的泄漏電導(dǎo)和系統(tǒng)的中性點(diǎn)而流入大地。由于先導(dǎo)發(fā)展的速度很慢，導(dǎo)致導(dǎo)

3、線上束縛電荷的聚集過程也比較緩慢，因而導(dǎo)線上由此而形成的電流很小，可以忽略不計(jì)，在不考慮工頻電壓的情況下，導(dǎo)線將通過系統(tǒng)的中性點(diǎn)或泄漏電阻保持零電位。主放電開始后，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷被迅速中和，使導(dǎo)線上的束縛電荷得到釋放，沿導(dǎo)線向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)形成過電壓。這種由于先導(dǎo)通道中電荷所產(chǎn)生的靜電場突然消失而引起的感應(yīng)電壓稱為感應(yīng)過電壓的靜電分量。同時(shí)，主放電通道中的雷電流在通道周圍空間產(chǎn)生了強(qiáng)大的磁場，該磁場的變化也將使導(dǎo)線上感應(yīng)出很高的電壓。這種由于主放電通道中雷電流所產(chǎn)生的磁場變化而引起的感應(yīng)電壓稱為感應(yīng)過電壓的電磁分量。由于主放電通道與導(dǎo)線互相垂直，因此電磁分量不大，約為靜電分量的1/5。從圖101

4、可以看出，感應(yīng)過電壓的極性與雷電流極性相反。導(dǎo)線dhx導(dǎo)線xExES雷云S雷云主放電前主放電后)(a)(bdh導(dǎo)線高度雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線間的距離Sdh圖圖10101 1 感應(yīng)雷過電壓形成示意圖感應(yīng)雷過電壓形成示意圖 根據(jù)理論分析和實(shí)測結(jié)果，我國的技術(shù)規(guī)程建議，當(dāng)雷擊點(diǎn)離導(dǎo)線的距離超過65m時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓最大值Ug可按下式計(jì)算：kVShIUdLg 25（101） 其中，IL為雷電流幅值kA），hd為導(dǎo)線高度m），S為雷擊點(diǎn)離導(dǎo)線的距離m）。 由上式可知，感應(yīng)過電壓與雷電流峰值IL成正比，與導(dǎo)線平均高度hd成正比，hd越大則導(dǎo)線對(duì)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(diǎn)到線路的

5、距離S成反比，S增大時(shí)，感應(yīng)過電壓就減小。 由于雷擊地面時(shí)雷擊點(diǎn)的自然接地電阻較大，雷電流峰值一般不超過100kA。因此在式101中可按ILl00 kA進(jìn)行估算。實(shí)測證明，感應(yīng)過電壓峰值最大可達(dá)的300400kV。對(duì)35 kV及以下鋼筋混凝土桿線路，可能造成絕緣閃絡(luò)；但對(duì)于110 kV及以上線路，由于絕緣水平較高，一般不會(huì)引起閃絡(luò)。感應(yīng)過電壓在三相導(dǎo)線中同時(shí)存在，相間不存在電位差，故只能引起對(duì)地閃絡(luò)；如果兩相或三相同時(shí)對(duì)地閃絡(luò)，則形成相間短路。 如果導(dǎo)線上方掛有避雷線，其影響相當(dāng)于增大了導(dǎo)線的對(duì)地電容，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓將會(huì)下降。避雷線的屏蔽作用可用疊加法求得。設(shè)導(dǎo)線和避雷線的對(duì)地平均高度分別

6、為hd和hb，若設(shè)避雷線不接地，則由式101可以求得導(dǎo)線上和避雷線上的感應(yīng)過電壓Ugd和Ugb分別為：ShIUdLgd 25和 ShIUbLgb25故 gddbgbUhhU 但實(shí)際上避雷線是通過桿塔接地的，其電位為零。為滿足這一條件，可以設(shè)想在避雷線上還存在一個(gè)電位-Ugb。該電位將在導(dǎo)線上產(chǎn)生耦合電位k（-Ugb ），其中k為避雷線與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)。耦合電位與導(dǎo)線的雷電感應(yīng)過電壓相疊加后，導(dǎo)線上實(shí)際的感應(yīng)過電壓Ugd為)1 ()1 (kUhhkUkUUUgddbgdgbgdgd（102） 從上式可以看出，避雷線的存在使導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓下降了1-k倍。耦合系數(shù)越大，感應(yīng)過電壓越低。 二

7、雷擊線路桿塔時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓 式101和102只適用于S65m的情況，更近的落雷事實(shí)上將因線路的引雷作用而擊中線路避雷線或?qū)Ь€或桿塔。 雷擊線路桿塔時(shí)，由于主放電通道所產(chǎn)生的磁場的迅速變化，將在導(dǎo)線上感應(yīng)出與雷電流極性相反的過電壓，其計(jì)算問題至今尚有爭論，不同方法的計(jì)算結(jié)果相差很大，也缺乏實(shí)踐數(shù)據(jù)。對(duì)一般高度約40m以下的無避雷線的線路，導(dǎo)線上感應(yīng)的過電壓的最大值可按下式計(jì)算： dgdahU（103） 其中，a為感應(yīng)過電壓系數(shù)kV/m），其值近似等于以kA/s計(jì)的雷電流平均波前陡度，即aIL/2.6。 有避雷線時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓相應(yīng)為 )1 (kahUdgd（104） 其中，k為耦合

8、系數(shù)。 l10.1.2 輸電線路的直擊雷過電壓和耐雷水平 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，其它線路的分析原則相同。 如圖102所示，雷直擊于帶避雷線的線路有三種情況，即雷擊桿塔頂部，雷擊避雷線檔距中央和雷擊導(dǎo)線即繞擊）。 雷 擊 避 雷 線雷 擊 桿 塔繞 擊 導(dǎo) 線圖102 帶避雷線線路遭受雷直擊的三種情況 雷擊線路桿塔頂部時(shí)，由于塔頂電位與導(dǎo)線電位相差很大，可能引起絕緣子串的閃絡(luò)，即發(fā)生反擊。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在線路落雷總次數(shù)中，雷擊桿塔的次數(shù)與避雷線的根數(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。我國技術(shù)規(guī)程建議的擊桿率g如表101所示。一 、

9、雷擊桿塔時(shí)的反擊過電壓表101 擊 桿 率 g 避雷線根數(shù) 地形 012 平 原1/2 1/41/6 山 區(qū)11/31/4 雷擊桿塔頂部瞬間，如圖103所示，負(fù)極性雷電流一部分沿桿塔向下傳播，還有一部分沿避雷線向兩側(cè)傳播；同時(shí)，自塔頂有一正極性雷電流沿主放電通道向上運(yùn)動(dòng)，其數(shù)值等于三個(gè)負(fù)雷電流數(shù)值之和。線路絕緣上的過電壓即由這幾個(gè)電流波引起。由雷電主放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)過電壓已在前面進(jìn)行了分析，這里主要分析流經(jīng)桿塔和地線中的電流所引起的過電壓。圖103 雷擊塔頂時(shí)雷電流的分布 （1塔頂電位 對(duì)于一般高度約40m以下的桿塔，工程上常采用如圖104所示的集中參數(shù)等值電路進(jìn)行

10、分析計(jì)算。圖中，Lgt和Lb分別為桿塔和避雷線的等值電感，Rch為桿塔的沖擊接地電阻。單根避雷線的等值電感約為0.67lHl為避雷線檔距長度，m），雙根避雷線約為0.42lH。不同類型的桿塔的等值電感可由表102估算。表表10102 2 桿塔的等值電感的平均值桿塔的等值電感的平均值 桿塔型式桿塔電感H/m）無拉線水泥單桿有拉線水泥單桿無拉線水泥雙桿鐵 塔門型鐵塔0.840.420.420.500.40 考慮到雷擊點(diǎn)的阻抗較小，故在計(jì)算中可忽略主放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， ，其中為桿塔的分流系數(shù)。的值可由圖104所示的等值電路求出。對(duì)于不同電壓等級(jí)一

11、般長度檔距的桿塔，值可由表103查得。 塔頂電位utd為 Lgtii)(dtdiLiRdtdiLiRuLgtLchgtgtgtchtd（105） 以 代入，則塔頂電位的幅值為 6.2LLIdtdi)6 . 2(gtchLtdLRIU（106） chRchRgtLgtigtibL2bL22bi2biLiLibLbigtL圖圖10104 4 雷擊塔頂?shù)牡戎惦娐防讚羲數(shù)牡戎惦娐?表表103 一般長度檔距的線路桿塔分流系數(shù)一般長度檔距的線路桿塔分流系數(shù) 線路額定電壓（kV）避雷線根數(shù)值110120.900.86220120.920.88330 20.88（2導(dǎo)線電位 與塔頂相連的避雷線具有與塔頂相等

12、的電位utd幅值為Utd）。由于避雷線與導(dǎo)線之間的耦合作用，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生耦合電位kutd，此電位與雷電流同極性。此外，發(fā)生主放電時(shí)，根據(jù)式104），導(dǎo)線上存在感應(yīng)電位ahd1k），該電位與雷電流極性相反。因此，導(dǎo)線上總的電位的幅值Ud為)1 (kahkUUdtdd（107） （3線路上絕緣子串兩端電壓 由式107可得線路上絕緣子串兩端電壓的幅值Uj為)(1 ()1 ()1 (dtddtddtdjahUkkahUkUUU（108） 將式106及 代入式108），得6 . 2LIa )6 . 26 . 2)(1 (dgtchLjhLRkIU（109） 雷擊時(shí)，導(dǎo)線和地線上的電位較高，將出現(xiàn)沖擊電

13、暈，耦合系數(shù)k應(yīng)采用修正后的數(shù)值，見表81。 需要指出的是，上述計(jì)算所得的絕緣子串兩端電壓并未考慮導(dǎo)線上的工作電壓。對(duì)于220kV及以下線路，工作電壓值所占比例不大，可以忽略不計(jì)；但對(duì)超高壓線路而言，則不可忽略，雷擊時(shí)導(dǎo)線上的工作電壓的瞬時(shí)值應(yīng)作為一隨機(jī)變量加以考慮。 （4耐雷水平的計(jì)算 由式109可知，線路上絕緣承受的電壓與雷電流成正比關(guān)系。當(dāng)Uj大于絕緣子串的U50%時(shí)，絕緣子串將發(fā)生閃絡(luò)，發(fā)生反擊。由于90%以上的雷電流為負(fù)極性，同時(shí)絕緣子串下端導(dǎo)線側(cè)為正極性時(shí)U50%較低，所以U50%應(yīng)以下端為正極性時(shí)的值為標(biāo)準(zhǔn)。令式109等于U50%，即可求得雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平I1為)6 . 26

14、 . 2)(1 (%501dgtchhLRkUI（1010） 由上式可知，k越小則I1越小，較易發(fā)生反擊，因此，應(yīng)選取遠(yuǎn)離避雷線的導(dǎo)線作為計(jì)算對(duì)象。 我國的技術(shù)規(guī)程規(guī)定，不同電壓等級(jí)的線路，雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平不應(yīng)低于表10-4所列數(shù)值。表表104 有避雷線線路的耐雷水平有避雷線線路的耐雷水平 額定電壓（kV）35110220330500耐雷水平（kA）2030407575110100150125175 從式1010可知，雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平與分流系數(shù)、桿塔等值電感Lgt、桿塔沖擊接地電阻Rch、導(dǎo)地線間的耦合系數(shù)k和絕緣子串的50%沖擊閃絡(luò)電壓U50%有關(guān)。在工程實(shí)際中，一般以降低沖擊接地電

15、阻Rch和提高導(dǎo)地線間的耦合系數(shù)k作為提高線路耐雷水平的主要手段。對(duì)一般高度的桿塔，沖擊接地電阻上的壓降對(duì)絕緣子串兩端電壓影響最大，降低桿塔接地阻Rch能有效地提高線路的耐雷水平。增大導(dǎo)地線間的耦合系數(shù)k可以減少絕緣子串上的電壓，同樣也可以提高耐雷水平。 二 雷擊避雷線檔距中央時(shí)的過電壓 雷擊避雷線檔距中央時(shí)，雖然也會(huì)在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生很高的過電壓，但由于避雷線的半徑較小，會(huì)在避雷線上產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈；又由于雷擊點(diǎn)離桿塔較遠(yuǎn)，當(dāng)過電壓波傳播到桿塔時(shí)，已不足以使絕緣子串擊穿，因此通常只需考慮雷擊點(diǎn)避雷線對(duì)導(dǎo)線的反擊問題。bZl2iASbZ0Z0ZiAAu2bZ圖圖105 雷擊避雷線擋距中央雷擊避雷線擋距

16、中央 圖圖106 彼得遜等值電路彼得遜等值電路 雷擊避雷線檔距中央如圖105所示，圖中Z0和Zb分別為主放電通道和避雷線的波阻抗。由于雷擊點(diǎn)離桿塔較遠(yuǎn)，過電壓波到達(dá)兩側(cè)桿塔入地，再反射到達(dá)雷擊點(diǎn)的時(shí)間較長，因此在反射波到達(dá)前，雷擊點(diǎn)電壓可用彼得遜等值電路計(jì)算。 雷擊時(shí)的電流源彼得遜等值電路如圖106所示。由圖可得雷擊點(diǎn)處的電壓uA為 bbbbAZZZZiZZZZiu0000222（1011） 電壓波uA自雷擊點(diǎn)沿避雷線向兩側(cè)桿塔運(yùn)動(dòng)，經(jīng) （l為檔距長度，vb為避雷線中的波速時(shí)間到達(dá)桿塔。由于桿塔接地，因此將有一負(fù)反射波沿原路返回，又經(jīng) 時(shí)間后到達(dá)雷擊點(diǎn)。若此時(shí)雷電流尚未到達(dá)幅值，則雷擊點(diǎn)的電位

17、自負(fù)反射波到達(dá)后開始下降，故雷擊點(diǎn)A的最高電位將出現(xiàn)在 時(shí)。bvl2bvl2bbvlvlt22 若雷電流取為斜角波頭i=at，將t的值代入，則由式1011可得雷擊點(diǎn)避雷線的最高電位UA為bbbAZZZZvlaU002（1012） 由于避雷線與導(dǎo)線間的耦合作用，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生耦合電位kUA，故雷擊處避雷線與導(dǎo)線間空氣間隙S上所承受的最高電壓US為 )1 (200kZZZZvlaUbbbS（1013） 由上式可知，雷擊避雷線檔距中央時(shí)，雷擊處避雷線與導(dǎo)線間空氣絕緣所承受的電壓與耦合系數(shù)k、檔距l(xiāng)及雷電流陡度a有關(guān)。當(dāng)此電壓超過空氣間隙的放電電壓時(shí)，間隙就會(huì)發(fā)生擊穿。 對(duì)于大跨越檔距，假設(shè) 大于雷電

18、流波頭，則從相鄰桿塔來的負(fù)反射波到達(dá)雷擊點(diǎn)時(shí)，雷電流已過峰值，故雷擊點(diǎn)的最高電位由雷電流峰值決定。 bvl 由式1013），結(jié)合空氣間隙的抗電強(qiáng)度，可以計(jì)算出不發(fā)生擊穿的最小空氣間隙距離S。我國規(guī)程規(guī)定，檔距中央避雷線與導(dǎo)線間的空氣間隙距離S宜按以下公式確定：1012.0lS（1014） 其中，l為檔距長度，1m是考慮到桿塔和接地體中波過程的影響。 國內(nèi)外的長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，雷擊避雷線檔距中央引起避雷線與導(dǎo)線間空氣間隙閃絡(luò)的事例是非常少見的，這可能是由于根據(jù)空氣間隙的擊穿強(qiáng)度來確定間隙距離的絕緣設(shè)計(jì)方法不符合實(shí)際情況造成的。一種解釋認(rèn)為，閃絡(luò)發(fā)生前，避雷線與導(dǎo)線間的預(yù)擊穿降低了間隙上的電位差。

19、 因此，在線路防雷工程設(shè)計(jì)中，只要避雷線和導(dǎo)線間的空氣距離滿足式1014的要求，雷擊避雷線檔距中央引起線路的閃絡(luò)跳閘可以忽略不計(jì)。 三 繞擊時(shí)的過電壓和耐雷水平 裝設(shè)避雷線的線路，仍然有雷繞過避雷線而擊于導(dǎo)線即發(fā)生繞擊的可能性。雖然繞擊的概率很低，但其危害較大，一旦發(fā)生繞擊，往往會(huì)引起線路絕緣子串的閃絡(luò)。 （1電氣幾何模型與繞擊率 繞擊的原理可借助于20世紀(jì)60年代建立的電氣幾何模型進(jìn)行分析。電氣幾何模型是以“閃擊距離”（擊距rs的概念為基礎(chǔ)的，所謂擊距就是雷電先導(dǎo)頭部與地面目標(biāo)的臨界擊穿距離。擊距的大小與先導(dǎo)頭部的電位有關(guān)，因而與先導(dǎo)通道中的電荷有關(guān)，后者又決定了雷電流的幅值。因此，擊距與r

20、s與雷電流幅值IL有直接關(guān)系，根據(jù)理論研究和實(shí)驗(yàn)，其關(guān)系如下： pskIr （1015） 其中，k、p為常數(shù)，不同的研究者給出的數(shù)值相差較大，通常采用美國的E. R. Whitehead給出的數(shù)值k6.72，p =0.8）。 關(guān)于繞擊的電氣幾何模型分析是以等擊距的假設(shè)為依據(jù)的，即假定先導(dǎo)對(duì)桿塔、避雷線、地面和導(dǎo)線的擊距均相等。 擊距rs求出后，就可以用幾何分析法來求先導(dǎo)對(duì)導(dǎo)線的繞擊情況。如圖107所示，分別以避雷線和導(dǎo)線d為中心，以擊距rsi為半徑作兩個(gè)圓弧，這兩個(gè)圓弧交于Bi點(diǎn)；再在離地面高度為rsi處作一水平線CiDi與以d為圓心、半徑為rsi的弧交于Ci點(diǎn)，由圓弧AiBi、BiCi和直線

21、CiDi在沿線路方向組成一曲面，稱為定位曲面。雷電流幅值為ILi的先導(dǎo)未到定位曲面之前，其發(fā)展不受地面物體的影響，僅當(dāng)它下行至定位曲面時(shí)才受地面物體的影響而定位。若ILi的先導(dǎo)落在AiBi弧上，則由于到避雷線的距離比到其它物體的距離為小，雷擊中避雷線；同理，若落在BiCi弧上，則擊中導(dǎo)線發(fā)生繞擊）；若落在直線CiDi上，則擊中大地。因此，BiCi稱為繞擊暴露面。不同的雷電流幅值有不同的rs，所以可畫出一系列的定位曲面。可以證明，AiBi弧與BiCi弧交點(diǎn)的軌跡為導(dǎo)線與避雷線的連線的垂直平分線圖中的直線oK），BiCi弧CiDi線的交點(diǎn)的軌跡為一拋物線圖中曲線HCiK）。中垂線與拋物線將整個(gè)空間

22、分成三部分，中垂線與拋物線所包圍的區(qū)域BiCi弧段為擊中導(dǎo)線區(qū)即繞擊區(qū)）。隨著雷電流的增大，BiCi弧段逐漸減??；當(dāng)雷電流幅值增大到IK時(shí)，BiCi弧段縮減到零，此時(shí)已不可能發(fā)生繞擊。相當(dāng)于IK的擊距稱為臨界擊距rsb。 圖圖107 輸電線路繞擊的電氣幾何模型輸電線路繞擊的電氣幾何模型 從電氣幾何模型可以看出，當(dāng)雷電流大于一定值時(shí)，就不會(huì)發(fā)生繞擊；而當(dāng)雷電流較小時(shí)，則繞擊的可能性增大。 電氣幾何模型是在多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)測基礎(chǔ)上總結(jié)的一種工程化的估計(jì)方法，用它可以說明為什么在保護(hù)角不大但仍不能滿足有效屏蔽的要求時(shí)，線路會(huì)有繞擊事故，即在分析繞擊事故時(shí)是有用的；同時(shí)，該模型也證明了高桿塔時(shí)采用

23、負(fù)保護(hù)角的必要性。但這一模型尚存在一些問題，首先在于擊距的確定，基本數(shù)據(jù)不太可靠，各家數(shù)據(jù)相差很大；第二，在擊穿前的最后一次下行先導(dǎo)逐級(jí)發(fā)展時(shí)，它不一定就恰好停歇在一個(gè)“擊距上，而可能停歇在比一個(gè)“擊距小的任何位置上，因此大電流也可能發(fā)生繞擊；最后，當(dāng)線路電壓等級(jí)提高時(shí)，由于絕緣加強(qiáng)，所以能承受的雷擊電流也增大，而允許擊距也隨之增大，這樣就得出了有其保護(hù)角可以隨線路電壓等級(jí)的提高而加大的結(jié)果，但這一點(diǎn)是與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)恰恰相反的。因此，該模型還有待完善。 在工程實(shí)際中，往往采用經(jīng)驗(yàn)公式來求取繞擊概率。根據(jù)模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，繞擊率P與避雷線對(duì)外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角、桿塔高度和線路經(jīng)過地區(qū)的地形地

24、貌和地質(zhì)條件有關(guān)，我國技術(shù)規(guī)程建議采用下列公式進(jìn)行計(jì)算繞擊率P： 對(duì)平原地區(qū) 9 . 386lghP （1016） 對(duì)山區(qū) 35. 386lghP（1017） 其中， 為保護(hù)角（）；h為桿塔高度m）。 從上兩式可知，山區(qū)線路的繞擊率約為平原線路的3倍，或相當(dāng)于保護(hù)角增大了8。（2繞擊耐雷水平 忽略避雷線和導(dǎo)線的耦合作用，以及桿塔接地的影響，發(fā)生繞擊時(shí)可以認(rèn)為是雷電流波i/2，沿波阻抗為Z0的主放電通道傳播到A點(diǎn)，如圖108所示。圖中Zd為導(dǎo)線的等值波阻。設(shè)導(dǎo)線為無窮長，則根據(jù)彼得遜法則，得到如圖108b所示的等值電路。 Ai210ZdZdZi0Z2dZAuAi)(a)(b圖圖108 繞擊導(dǎo)線的

25、等值電路繞擊導(dǎo)線的等值電路 流經(jīng)雷擊點(diǎn)A的電流iA為 200dAZZZii（1018） 導(dǎo)線上的電壓uA為dddAAZZZZiZiu0022（1019） 其幅值UA為 ddLAZZZZIU002（1020） 從上式可知，繞擊時(shí)導(dǎo)線上的電壓隨雷電流幅值的增大而增大，若超過絕緣子串的閃絡(luò)電壓，則絕緣子串將發(fā)生閃絡(luò)，繞擊時(shí)的耐雷水平I2可根據(jù)令UA等于絕緣子串的50閃絡(luò)電壓U50%來計(jì)算： ddZZZZUI00%5022（1021） 我國技術(shù)規(guī)程認(rèn)為 02ZZd1004%50%502UZUId（1022） 根據(jù)規(guī)程法，35、110、220、330kV線路的繞擊耐雷水平分別為3.5、7、12和16kA

26、左右，較雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平小得多。l10.1.3 輸電線路的雷擊跳閘率 輸電線路遭受雷擊發(fā)生跳閘需要滿足兩個(gè)條件。首先是直擊線路的雷電流超過線路的耐雷水平，線路絕緣將發(fā)生沖擊閃絡(luò)。但是它的持續(xù)時(shí)間只有幾十微秒，線路開關(guān)還來不及跳閘，因此必須滿足第二個(gè)條件沖擊電弧轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧，才能導(dǎo)致線路跳閘。 一 、建弧率 沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧的概率，稱為建弧率。建弧率與工頻弧道中的平均電場強(qiáng)度E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)試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可按下式計(jì)算：0.754.5E14(%) （1023） 其中，E為絕緣子串的平均運(yùn)行電壓有效值梯度kV/m 對(duì)中性點(diǎn)有效接地系

27、統(tǒng) 13luEe（1024） 對(duì)中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，單相閃絡(luò)不會(huì)引起跳閘，只有當(dāng)?shù)诙鄬?dǎo)線閃絡(luò)后才會(huì)造成相間閃絡(luò)而跳閘，因此 212lluEe（1025） 上兩式中，ue為線路額定電壓有效值）（kV）；l1為絕緣子串長度m）；l2為木橫擔(dān)線路的線間距離m），對(duì)鐵橫擔(dān)和鋼筋混凝土橫擔(dān)線路，l2=0。 實(shí)踐證明，當(dāng)E6kV/m時(shí)，則建弧率很小，可以近似地認(rèn)為0。 二 有避雷線線路雷擊跳閘率的計(jì)算 以下介紹的方法是我國用于工程近似計(jì)算線路雷擊跳閘率的方法，簡稱規(guī)程法。 （1雷擊桿塔時(shí)的跳閘率 由式95），每100km線路每年40個(gè)雷電日遭受雷擊的次數(shù)N為)4(28. 01001000)4(hbTh

28、bN次/100km年 （1026） 其中，T40雷暴日），0.07次/平方公里雷暴日，h為避雷線平均高度。 設(shè)n1為N次雷擊中，擊中桿塔的塔頂引起跳閘的次數(shù)，那么11NgPn （1027） 其中，g為擊桿率，見表101；P1為雷電流幅值超過雷擊桿塔耐雷水平I1的概率，I1由式1010求得，P1由式91求得；為建弧率，由式1023求得。（2雷繞擊導(dǎo)線時(shí)的跳閘率設(shè)n2為線路繞擊跳閘率，那么22PNPn （1028） 其中，N的意義同前式；P為繞擊率，由式1016）、（1017求得；P2為雷電流幅值超過繞擊耐雷水平I2的概率，I2由式1021或1022求得，P2由式91求得。 （3線路跳閘率 設(shè)n為

29、線路跳閘率，根據(jù)以上分析，忽略雷擊避雷線檔距中央引起的跳閘率時(shí)，線路的總跳閘率為雷擊桿塔跳閘率n1與繞擊跳閘率n2之和，即)(2121PPgPNnnn （1029） l10.1.4 輸電線路的防雷措施 輸電線路防雷設(shè)計(jì)的目的，是提高線路的耐雷性能，降低雷擊跳閘率。在雷害發(fā)展過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的措施，如圖1010所示。以下為一些常用的線路防雷措施。 雷電放電避雷線雷電過電壓提高耐雷水平措施線路絕緣沖擊閃絡(luò)降低建弧率的措施工頻電弧斷路器跳閘自動(dòng)重合閘供電中斷圖圖1010 線路雷害事故的發(fā)展過程及防護(hù)措施線路雷害事故的發(fā)展過程及防護(hù)措施 （1架設(shè)避雷線 這是高壓和超高壓輸電線路最基本的防雷措施

30、，其主要作用是防止雷直擊導(dǎo)線。此外，避雷線對(duì)雷電流還有分流作用，可以減小流入桿塔的雷電流，使塔頂電位下降；與導(dǎo)線之間的耦合也可降低絕緣上的過電壓。 我國規(guī)程規(guī)定，除了部分雷害較少的110kV線路外，110kV及以上線路一般應(yīng)全線架設(shè)避雷線，保護(hù)角一般采用2030；500kV線路應(yīng)架設(shè)雙避雷線，保護(hù)角不大于15。 在雙避雷線的超高壓線路上，正常的工作電流將在每個(gè)檔距中兩根避雷線所組成的閉合回路里感應(yīng)出電流并引起功率損耗。為降低這種損耗和將避雷線作通訊線用，可將避雷線經(jīng)一個(gè)小間隙對(duì)地絕緣起來，雷擊時(shí)此間隙擊穿，避雷線接地。 （2降低桿塔接地電阻 對(duì)于一般高度的桿塔，降低桿塔的接地電阻是提高線路耐雷

31、水平防止反擊的有效措施。我國規(guī)程規(guī)定了桿塔的工頻接地電阻，一般為1030，具體數(shù)值見表96。 在土壤電阻率1000m的地區(qū)，桿塔的混凝土基礎(chǔ)也能在某種程度上起天然接地體的作用，但在大多數(shù)情況下難以滿足要求，故需另加人工接地裝置。 （3架設(shè)耦合地線 作為一種補(bǔ)救措施，可在某些建成投運(yùn)后雷擊故障頻發(fā)的線段上，在導(dǎo)線的下方加裝一條耦合地線。它雖然不能像避雷線那樣攔截直擊雷，但具有一定的分流作用和增強(qiáng)導(dǎo)、地線之間的耦合系數(shù)，因而也能提高線路的耐雷水平和降低雷擊跳閘率。 （4采用不平衡絕緣方式 為了節(jié)省線路走廊用地，在現(xiàn)代高壓及超高壓線路中，采用同桿架設(shè)雙回線路的情況日益增多。為了避免線路落雷時(shí)雙回路同

32、時(shí)閃絡(luò)跳閘而造成完全停電的嚴(yán)重局面，在采用通常的防雷措施仍無法滿足要求時(shí)，可采用不平衡絕緣的方案。亦即使一回路的三相絕緣子片數(shù)少于另一回路的三相，這樣在雷擊線路時(shí)，絕緣水平較低的那回路將先發(fā)生沖擊閃絡(luò)。閃絡(luò)后的導(dǎo)線相當(dāng)于地線，增加了對(duì)另一回路導(dǎo)線的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平。 （5裝設(shè)自動(dòng)重合閘 由于線路絕緣具有自恢復(fù)功能，大多數(shù)雷擊造成的沖擊閃絡(luò)和工頻電弧在線路跳閘后能迅速去電離，線路絕緣不會(huì)發(fā)生永久性的損壞或老化，因此裝設(shè)自動(dòng)重合閘的效果很好。我國110kV及以上線路的重合閘成功率高達(dá)75%95%，可見自動(dòng)重合閘是減少線路雷擊停電事故的有效措施。 （6采用消弧線圈接地方式 對(duì)雷電活

33、動(dòng)強(qiáng)烈，接地電阻又難以降低的地區(qū)，采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，能使雷電過電壓所引起的相對(duì)地沖擊閃絡(luò)不轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧，絕大多數(shù)的單相雷擊閃絡(luò)接地故障將被消弧線圈所消除，大大減小了建弧率和斷路器的跳閘次數(shù)。而在兩相或三相遭雷擊時(shí)，雷擊引起第一相導(dǎo)線閃絡(luò)并不會(huì)引起跳閘，閃絡(luò)后的導(dǎo)線相當(dāng)于地線，增加了耦合作用，使未閃絡(luò)相絕緣子串上的電壓下降，從而提高了耐雷水平。我國的消弧線圈接地方式運(yùn)行效果良好，雷擊跳閘率大約可以降低1/3左右。 （7加強(qiáng)絕緣 例如增加絕緣子串中的片數(shù)、改用大爬距懸式絕緣子、增大塔頭空氣間距等等。這樣做當(dāng)然也能提高線路的耐雷水平、降低建弧率，但實(shí)施起來會(huì)有相當(dāng)大的局限性，僅在落雷

34、機(jī)會(huì)較多的個(gè)別大跨越高桿塔上使用。一般為了提高線路的耐雷水平，均優(yōu)先考慮采用降低桿塔接地電阻的辦法。 （8安裝線路避雷器 用作線路上雷電過電壓特別大或絕緣弱點(diǎn)的防雷保護(hù)。它能免除線路絕緣的沖擊閃絡(luò)，并能使建弧率降為零。在現(xiàn)代輸電線路上，常把管型避雷器安裝在線路之間及高壓線路與弱電例如通信線路之間的交叉跨越檔、過江大跨越高桿塔、變電站的進(jìn)線保護(hù)段等處。隨著氧化鋅避雷器的發(fā)展，復(fù)合外套氧化鋅避雷器由于其重量輕、安全性好，已成功用于線路上。 在確定防雷方式時(shí)，應(yīng)全面考慮線路的重要程度、系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌特點(diǎn)、土壤電阻率的高低等條件，結(jié)合當(dāng)?shù)卦芯€路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)技術(shù)

35、經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果，采取合理的保護(hù)措施。10.2 發(fā)電廠和變電站的防雷保護(hù)l10.2.1 發(fā)電廠、變電站的直擊雷保護(hù) 發(fā)電廠和變電站是電力系統(tǒng)的樞紐，一旦發(fā)生雷害事故，停電的影響面很大，且由于發(fā)電機(jī)、變壓器等主要電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣擊穿后大多沒有自恢復(fù)功能，使得停電時(shí)間比較長。因此，發(fā)電廠和變電站的防雷保護(hù)必須十分可靠。 發(fā)電廠、變電站遭受的雷害可能來自兩個(gè)方面：雷直擊發(fā)電廠、變電站；雷擊線路，過電壓波沿線路侵入發(fā)電廠、變電站。由于線路落雷頻繁，因此后者是發(fā)電廠、變電站遭受雷害的主要原因。 對(duì)直擊雷的防護(hù)一般采用避雷針和避雷線。我國的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，凡按規(guī)程要求裝設(shè)避雷針和避雷線的發(fā)電廠和變電站，繞擊和

36、反擊的事故率都非常低，每年每100個(gè)變電站發(fā)生繞擊或反擊的次數(shù)約為0.3次，防雷效果比較好。 為了防止雷直擊于發(fā)電廠和變電站，應(yīng)該使所有被保護(hù)物體處于避雷針或避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)，這已在前面進(jìn)行了介紹；同時(shí)還要求雷擊避雷針或避雷線時(shí)，不應(yīng)對(duì)被保護(hù)物體發(fā)生反擊，這里主要對(duì)此進(jìn)行討論。 避雷針的裝設(shè)可分為獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針兩種。 如圖1011所示，當(dāng)獨(dú)立避雷針遭受雷擊時(shí)，雷電流流過避雷針和接地裝置，將會(huì)出現(xiàn)很高的電位。設(shè)避雷針在高度h處的電位為uk ，接地裝置上的電位為ud，那么chLLkRidtdiLuchLdRiu（1030） （1031） 其中，L為h長避雷針的電感；Rch為避雷針的沖擊

37、接地電阻；iL為流經(jīng)避雷針的電流。 為防止避雷針對(duì)被保護(hù)物體發(fā)生反擊，避雷針與被保護(hù)物體之間的空氣間隙Sk應(yīng)有足夠的距離。若取空氣間隙的擊穿場強(qiáng)為Ek，則Sk應(yīng)滿足kkkEuS chRdS12kShLLi1變壓器 2母線圖圖1011 雷擊獨(dú)立避雷針雷擊獨(dú)立避雷針 （1032） 為防止避雷針接地裝置與被保護(hù)物體接地裝置之間發(fā)生反擊，兩者之間的地中距離Sd也應(yīng)有足夠的距離。若取土壤擊穿場強(qiáng)為Ed，則Sd應(yīng)滿足 dddEuS（1033） 取雷電流的幅值為100kA，雷電流的平均上升陡度為100/2.638.5kA/s，避雷針的電感為1.55H/m，空氣間隙和土壤的擊穿強(qiáng)度分別為Ek500kV/m、E

38、d300 kV/m，則由上兩式可得 hRhRSchchk12. 02 . 050055. 15 .38100chchdRRS33. 0300100（m） （m） 按實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)后，我國標(biāo)準(zhǔn)推薦用下面兩個(gè)公式校核獨(dú)立避雷針的空氣間距Sk和地中距離Sd。 Sk0.2Rch0.1h （1034）Sd0.3 Rch （1035） 在一般情況下，Sk不應(yīng)小于5m，Sd不應(yīng)小于3m。 對(duì)于110 kV及以上的配電裝置，由于其絕緣水平較高，可以將避雷針裝設(shè)在配電裝置的構(gòu)架上。裝設(shè)避雷針的構(gòu)架應(yīng)就近裝設(shè)輔助接地裝置，該裝置與變電站接地網(wǎng)的連接點(diǎn)離主變壓器與接地網(wǎng)連接點(diǎn)的距離不應(yīng)小于15m，其目的是使雷

39、擊時(shí)在避雷針接地裝置上產(chǎn)生的高電位，在沿地網(wǎng)向變壓器接地點(diǎn)傳播的過程中逐漸衰減，以避免對(duì)變壓器造成反擊。由于變壓器是變電站中最重要的設(shè)備，且其絕緣較弱，因此在變壓器門型構(gòu)架上不應(yīng)裝設(shè)避雷針。 對(duì)于35kV及以下的變電站，由于其絕緣水平較低，故不允許將避雷針裝設(shè)在配電構(gòu)架上，應(yīng)架設(shè)獨(dú)立避雷針，其接地電阻一般不超過10，以免出現(xiàn)反擊事故。 發(fā)電廠廠房一般不裝設(shè)避雷針，以免發(fā)生反擊事故和引起繼電保護(hù)的誤動(dòng)作。 關(guān)于是否采用避雷線的問題，過去因?yàn)閺?qiáng)調(diào)避雷線斷線有造成母線短路的危險(xiǎn)，所以在發(fā)電廠和變電站用得很少。但國外多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，用避雷線同樣可以得到很高的防雷可靠性。我國新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了可采

40、用避雷線保護(hù)。架設(shè)避雷線時(shí)同樣要注意避免引起反擊事故。l10.2.2 變電站的侵入波保護(hù) 由于線路落雷頻繁，所以沿線路入侵的雷電波是發(fā)電廠、變電所遭受雷害的主要原因。由線路入侵的雷電波電壓，雖受到線路絕緣的限制，但線路絕緣水平比發(fā)電廠、變電站電氣設(shè)備的絕緣水平高。若不采取防護(hù)措施，勢必造成發(fā)電廠、變電站電氣設(shè)備的損壞事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年每100個(gè)35kV和110220kV變電站由入侵雷電波引起的事故率分別為0.67次和0.5次。 防止侵入波危害的主要保護(hù)措施是在發(fā)電廠、變電所內(nèi)裝設(shè)閥型避雷器以限制入侵雷電波的幅值，使設(shè)備上的過電壓不超過其沖擊耐壓值，在發(fā)電廠、變電站的進(jìn)線上設(shè)置進(jìn)線保護(hù)段以限

41、制流經(jīng)避雷器的雷電流和限制入侵雷電波的陡度。 一、 避雷器的保護(hù)作用分析圖圖1012 避雷器接在變壓器端的接線和等值電路避雷器接在變壓器端的接線和等值電路 首先分析閥型避雷器直接裝設(shè)在變壓器出線端的簡單接線，如圖1012a所示。為簡化分析，不計(jì)變壓器的對(duì)地入口電容，并假定避雷器的伏秒特性u(píng)ft和伏安特性u(píng)b=fib知。 侵入波ut沿波阻抗為Z1的線路入侵，根據(jù)彼得遜法則，侵入波u到達(dá)避雷器后，在避雷器動(dòng)作前相當(dāng)于末端開路，避雷器上電壓上升為2ut），其等值電路如圖1012b所示。12Ziuubb（1035） 對(duì)上式包含非線性變量的方程，可用圖解法求解。如圖1013所示，縱坐標(biāo)取電壓u，橫坐標(biāo)分

42、別取時(shí)間t和電流i。在ut坐標(biāo)平面內(nèi)，避雷器上的電壓2ut與避雷器伏秒特性相交的點(diǎn)對(duì)應(yīng)避雷器的沖擊放電電壓Uch。在ui坐標(biāo)平面內(nèi)適用于間隙擊穿后），畫出曲線ub+ibZ1，然后自侵入波的幅值處作一水平線與曲線ub+ibZ1相交，交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是流過避雷器的最大雷電流Ibm，由Ibm對(duì)應(yīng)的Ubfib曲線上的電壓Ubm就是避雷器的最大殘壓。其它時(shí)刻避雷器上的電壓ub可按此用圖解法求得。 當(dāng)避雷器上的電壓2ut與避雷器伏秒特性u(píng)ft相交時(shí)，間隙放電，其后的等值電路如圖1012c所示，可得uti1Ziubb)(bbifu 1ZibfububmUu2chUbmIu來波 uf避雷器伏秒特性 ub避雷器上

43、的電壓ubf（ib）避雷器的伏安特性圖圖1013 避雷器電壓避雷器電壓Ub的圖解法的圖解法 由于閥型避雷器的伏秒特性比較平坦，故其沖擊放電電壓值Uch基本上不隨侵入波的陡度而變化。避雷器的殘壓值與流過的電流大小有關(guān)，但因閥片的非線性特性，在較大的雷電流變化范圍內(nèi)，其殘壓近乎不變。如前述，在具有正常防雷接線的110220kV變電站中，流經(jīng)避雷器的雷電流一般不超過5kA對(duì)330kV及以上系統(tǒng)為10 kA），故殘壓的最大值取5 kA下的數(shù)值；在一般情況下，避雷器的沖擊放電電壓與5kA下的殘壓基本相同。因此，在以后的分析中，可以將避雷器上的電壓ub近似視為一斜角平頂波，其幅值為5kA下的殘壓Ub-5，

44、波頭時(shí)間即避雷器放電時(shí)間則取決于侵入波的陡度。若侵入波為斜角波u=at，則避雷器的作用相當(dāng)于在避雷器放電時(shí)刻tf在裝設(shè)避雷器處產(chǎn)生一負(fù)電壓波attf），如圖1014所示。 由于避雷器直接接在變壓器旁，故變壓器上的過電壓波形與避雷器上的電壓完全相等，只要避雷器的沖擊放電電壓和5kA下的殘壓低于變壓器的沖擊耐壓，則變壓器將得到可靠的保護(hù)。圖圖1014 分析用避雷器上電壓波形分析用避雷器上電壓波形 二 距離效應(yīng) 變電站中有很多電氣設(shè)備，我們不可能在每個(gè)設(shè)備旁裝設(shè)一組避雷器加以保護(hù)，一般只在變電站母線上裝設(shè)避雷器。由于變壓器是最重要的設(shè)備，因此避雷器應(yīng)盡量靠近變壓器。這樣，避雷器離開變壓器和各電氣設(shè)備

45、都有一段長度不等的距離。當(dāng)雷電波入侵時(shí)，由于波的反射，被保護(hù)的電氣設(shè)備上的電壓將不同于避雷器的殘壓。 以如圖1015a所示的典型接線為例。由于一般電氣設(shè)備的等值入口電容都不大，因此可以忽略其影響，被保護(hù)設(shè)備處可以認(rèn)為是開路，故得到等值電路如圖1015b所示。 可以應(yīng)用網(wǎng)格法進(jìn)行分析，如圖1016所示。設(shè)侵入波為斜角波ut）=at，分析時(shí)分別以各點(diǎn)出現(xiàn)電壓的時(shí)刻為各自的時(shí)間零點(diǎn)。atLBTatLBT1l2l)(a)(b圖圖1015 分析雷電波侵入變電站的典型接線分析雷電波侵入變電站的典型接線 圖圖1016 計(jì)算電壓用的網(wǎng)絡(luò)圖計(jì)算電壓用的網(wǎng)絡(luò)圖（1避雷器上的電壓uBt） T點(diǎn)的反射波到達(dá)尚未到達(dá)B

46、點(diǎn)時(shí)， attuB)(T點(diǎn)的反射波到達(dá)B點(diǎn)以后至避雷器動(dòng)作前， )(2)2()(22vltavltaattuB（假設(shè)避雷器的放電時(shí)間 ），其中v為波速。vltf22 當(dāng)t=tf時(shí)，uBt與避雷器伏秒特性相交，避雷器動(dòng)作，由于避雷器非線性特性較好，此后可以認(rèn)為避雷器保持不變的殘壓Ub-55kA下的殘壓）。這樣，可以認(rèn)為在t=tf時(shí)在B點(diǎn)疊加了一個(gè)負(fù)的電壓波2attf），即當(dāng)ttf時(shí)522)(2)(2)(2)(bffBUvltattavltatu（1036） 由上式可得 vlaUtbf252（1037） 圖圖1017 接線上各點(diǎn)的電壓波形接線上各點(diǎn)的電壓波形 的波形見表104a和圖1017a），其

47、中 )(tuBvlvl2211， （2進(jìn)線刀閘上的電壓和變壓器上的電壓 同理，利用由1015b可以求得uLt） 和uTt），見表105b）、（c和圖1017b）、（c）。從圖表中可以看出，進(jìn)線刀閘處電壓的最大值UL為)(tuTvlaUUbL152（1038） 變壓器上電壓的最大值UT為vlaUUbT252（1039） 因此，不論被保護(hù)設(shè)備位于避雷器前或避雷器后，只要設(shè)備離避雷器有一段距離l，則設(shè)備上所受沖擊電壓的最大值必然高于避雷器的殘壓，其差值為 vlaU2（1040） 變壓器上電壓具有振蕩性質(zhì)，其振蕩軸為Ub-5，這是由于避雷器動(dòng)作后產(chǎn)生的負(fù)電壓波在B點(diǎn)與T點(diǎn)之間多次反射引起的。 以上分析

48、是從最簡單、最嚴(yán)重的情況出發(fā)的。實(shí)際上，由于變電站接線比較復(fù)雜，出線可能不止一路，設(shè)備本身又存在對(duì)地電容，這些都將對(duì)變電站的波過程產(chǎn)生影響。一般可將式1040修改為，其中K為考慮設(shè)備電容而引入的修正系數(shù)。 實(shí)際的過電壓波形如圖1018所示，其振蕩軸為避雷器的殘壓。這種波形和沖擊全波相差很大，它對(duì)變壓器絕緣的作用與截波相近，所以通常拿它的最大值與變壓器的多次截波耐壓值約等于三次截波耐壓值的1/1.15）。表106列出了不同電壓等級(jí)變壓器多次截波耐壓值與避雷器的殘壓。Tu5bUt變壓器上電壓圖圖1018 雷電波侵入變電站時(shí)，雷電波侵入變電站時(shí)，變壓器上典型的實(shí)際電壓波變壓器上典型的實(shí)際電壓波形形表

49、表106 變壓器多次截波耐壓值與避雷器殘壓的比較變壓器多次截波耐壓值與避雷器殘壓的比較 額定電壓（kV）變壓器三次截波耐壓Uj-5（kV）變壓器多次截波耐壓Uj（kV）FZ避雷器5kA殘壓Ub-5（kV）FCZ避雷器5kA殘壓Ub-5（kV）變壓器多次截波耐壓與避雷器殘壓的比FZFCZ351102203302255501090130019647894911301343326641082605158201.461.441.431.811.831.851.38 三 最大電氣距離 從前面的分析可以看出，當(dāng)侵入波陡度一定時(shí)，避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間的電氣距離越大，設(shè)備上電壓高出避雷器的殘壓也就越多。因此

50、，要使避雷器起到良好的保護(hù)作用，它與被保護(hù)設(shè)備之間的電氣距離就不能超過一定的值，即存在一個(gè)最大電氣距離。超過最大電氣距離后，設(shè)備上所受的沖擊電壓Us將超過其沖擊耐壓多次截波耐壓值Uj，保護(hù)失效。在變電站設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使所有設(shè)備到避雷器的電氣距離都在保護(hù)范圍內(nèi)，即滿足 jsUU jbUKvlaU25（1041） 對(duì)于一定陡度的侵入波，最大允許電氣距離lmax為 KvaUUlbj25max（1042） 圖1019a和b分別表示一路進(jìn)線與兩路進(jìn)線的變電站避雷器與主變壓器、電壓互感器間的最大電氣距離與侵入波陡度的關(guān)系，橫坐標(biāo)為波的空間梯度。變電站內(nèi)其它設(shè)備的沖擊耐壓值較變壓器高，它們與避雷器間的電氣距離可

51、相應(yīng)增大35%。圖中35220kV級(jí)系按普通閥型避雷器計(jì)算，330kV級(jí)系按磁吹閥型避雷器計(jì)算。不難理解，采用保護(hù)性能比普通閥型避雷器更好的磁吹避雷器或氧化鋅避雷器，就能增大保護(hù)距離。表107a和b分別列出了我國標(biāo)準(zhǔn)推薦的采用普通閥型避雷器和氧化鋅避雷器后的最大電氣距離。圖圖1019 避雷器與變壓器間的最大電氣距離與侵入波陡度的關(guān)系避雷器與變壓器間的最大電氣距離與侵入波陡度的關(guān)系 對(duì)一般變電站的雷電侵入波保護(hù)設(shè)計(jì)主要在于選擇避雷器的安裝位置，其原則是在任何可能的運(yùn)行方式下，變壓器和各設(shè)備到避雷器的電氣距離均應(yīng)小于其最大電氣距離。避雷器一般裝設(shè)在母線上，如一組避雷器不能滿足要求，則應(yīng)考慮增設(shè)。對(duì)

52、于接線復(fù)雜和特殊的變電站，需要通過模擬試驗(yàn)和計(jì)算來確定閥型避雷器的安裝數(shù)量和位置。表表107a） 普通閥型避雷器至主變壓器之間的最大電氣距離普通閥型避雷器至主變壓器之間的最大電氣距離m） 額定電壓（kV）進(jìn)線段長度（km）進(jìn)線路數(shù)12343511.5225405040557550659055751056611.524560806585105801051309011514511011.524570100709513580115160901301802202105165195220注：1.全線有避雷線時(shí)按進(jìn)線段長度為2km選取，進(jìn)線段長度在1km2km之間時(shí)按補(bǔ)插法確定，表107（b）也同此。 2

53、. 35kV也適用于有串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器的情況。表表107b） 金屬氧化物避雷器至主變壓器之間的最大電氣距離金屬氧化物避雷器至主變壓器之間的最大電氣距離m） 額定電壓（kV）進(jìn)線段長度（km）進(jìn)線路數(shù)123411011.525590125851201701051452051151652302202125（90）195（140）235（170）265（190）注：1.本表也適用于電站碳化硅磁吹避雷器（FM）的情況。2.本表括號(hào)內(nèi)所對(duì)應(yīng)的雷電沖擊全波耐受電壓為850kV。l10.2.3 變電站的進(jìn)線段保護(hù) 當(dāng)雷電波侵入變電站時(shí)，要使變電站的電氣設(shè)備得到可靠的保護(hù)，必須限制侵入波的陡度，并限制

54、流過避雷器的雷電流以降低殘壓。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，變電站的雷電侵入波事故約有50%是由雷擊離變電站1km以內(nèi)的線路引起的，約有71%是由雷擊3km以內(nèi)的線路引起的。這就要求變電站的線路進(jìn)線段應(yīng)有更好的保護(hù)，它是對(duì)雷電侵入波防護(hù)的一個(gè)重要的輔助手段。 進(jìn)線段保護(hù)是指在臨近變電站12km的一段線路上加強(qiáng)防雷保護(hù)措施。對(duì)35110kV全線無避雷線的線路，進(jìn)線段須架設(shè)避雷線，保護(hù)角取20；同時(shí)，對(duì)上述線路以及110km以上已沿全線架設(shè)避雷線的線路，在進(jìn)線段內(nèi)應(yīng)使保護(hù)角減小，并使線路有較高的耐雷水平表104中線路耐雷水平較高的數(shù)值），以減小進(jìn)線段內(nèi)由于繞擊或反擊所形成的侵入波的概率。這樣，可以認(rèn)為侵入變電站的

55、雷電波主要來自進(jìn)線保護(hù)段之外，在進(jìn)入變電站以前必須經(jīng)過進(jìn)線段這一段距離。 GBFZ2GB1GBA)(a未沿全線架設(shè)避雷線的35110kV線路的變電站的進(jìn)站保護(hù)接線(b)全線有避雷線的變電站的進(jìn)站保護(hù)接線km21FZ 變電站內(nèi)設(shè)備距避雷器的最大電氣距離lmax就是根據(jù)進(jìn)線段以外落雷的條件求得的，這樣就可以保證進(jìn)線段以外落雷時(shí)變電站不會(huì)發(fā)生事故。35kV及以上變電站的進(jìn)線段保護(hù)典型接線如圖1020所示。圖圖1020 35kV及以上變電站的進(jìn)線段保護(hù)接線及以上變電站的進(jìn)線段保護(hù)接線圖圖1021 進(jìn)線段限制避雷器電流的原理接線進(jìn)線段限制避雷器電流的原理接線a及等值電路及等值電路b）%50U)(a%50

56、2UbmUbLI)(bZZ 一 、進(jìn)線段保護(hù)的作用 進(jìn)線段主要起兩方面的作用：1. 進(jìn)入變電所的雷電過電壓波將來自進(jìn)線段以外的線路，它們?cè)诹鬟^進(jìn)線段時(shí)將因沖擊電暈而發(fā)生衰減和變形，降低了波前陡度和幅值；2.利用進(jìn)線段來限制流過避雷器的沖擊電流幅值。（1進(jìn)線段首端落雷，流經(jīng)避雷器的電流 首端圖1020中A點(diǎn)落雷是最嚴(yán)重的情況。受線路絕緣放電電壓的限制，雷電侵入波的最大幅值為線路絕緣的50%沖擊閃絡(luò)電壓U50%。雷電波在12km的進(jìn)線段內(nèi)往返一次所需要的時(shí)間為t=2l/v=6.713.3s，而侵入波的波頭很短，故避雷器動(dòng)作后產(chǎn)生的負(fù)電壓波折回雷擊點(diǎn)在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生的反射波到達(dá)避雷器前，流經(jīng)避雷器的雷電

57、流已過峰值。因此可以不計(jì)再次反射及以后過程的影響，只按原侵入波進(jìn)行分析，可用圖1021所示的等值電路列出方程：bmbLUZIU%502（1043） 其中，IbL為流經(jīng)避雷器的最大雷電流；Z為進(jìn)線段導(dǎo)線波阻；Ubm為避雷器的最大殘壓。 由于避雷器閥片的良好的非線性特性，可以假定殘壓不隨IbL的變化而為常數(shù) ，則上式的解為5bUZUUIbbL5%502 （2進(jìn)入變電站的雷電波的陡度 在分析進(jìn)線段對(duì)進(jìn)入的雷電波陡度的影響時(shí)，可以從最嚴(yán)重的情況出發(fā)，即出現(xiàn)在進(jìn)線段首端的入侵雷電波的最大幅值為線路的U50%且具有直角波頭。由于U50%已大大超過導(dǎo)線的臨界電暈半徑，因此在侵入波的作用下，線路上將出現(xiàn)沖擊電

58、暈，導(dǎo)致波形變形、波頭變長。由式877），可以求得進(jìn)入變電站的雷電波的陡度 為 alhUUUad)008.05 .0(kV/s （1045） 或 300avaamkV /（1046） 其中，U為來波幅值kV）； 為導(dǎo)線平均高度m）；l為進(jìn)線段長度km）。dh 表109列出了用上兩式計(jì)算得到的不同電壓等級(jí)的變電站侵入波的計(jì)算陡度a值。由該表按已知的進(jìn)線段長度求出a值后，就可根據(jù)圖1019求得變壓器或其它設(shè)備到避雷器的最大電氣距離lmax。表表109 變電站侵入波計(jì)算陡度變電站侵入波計(jì)算陡度 額定電壓（kV）計(jì)算用進(jìn)波陡度a （kV/m）進(jìn)線段長1km進(jìn)線段長2km或全線有避雷線351102203

59、305001.01.50.50.751.52.22.5 圖1020所示的35kV及以上變電站的進(jìn)線段保護(hù)典型接線中，另外安裝了三組避雷器。安裝在進(jìn)線段首端的GB1為管型避雷器用以限制入侵雷電波的幅值。在雷雨季節(jié)，進(jìn)線的斷路器或隔離開關(guān)可能經(jīng)常處于開路狀態(tài)，而此時(shí)線路側(cè)又經(jīng)常帶工頻電壓開關(guān)處于熱備用狀態(tài)），當(dāng)沿線有U50%幅值的雷電波入侵時(shí)，在此斷開點(diǎn)將發(fā)生全反射，電壓加倍，有可能使斷路器或隔離開關(guān)對(duì)地閃絡(luò)。此時(shí)由于線路側(cè)帶電，將進(jìn)一步導(dǎo)致工頻短路，有可能將斷路器或隔離開關(guān)的絕緣部件燒毀。因此，必須在靠近隔離開關(guān)或斷路器處裝設(shè)一組管型避雷器GB2，在斷路器閉合運(yùn)行時(shí)該避雷器不能動(dòng)作，也即此時(shí)GB

60、2應(yīng)在變電站閥型避雷器的保護(hù)范圍內(nèi)。如GB2在斷路器閉合運(yùn)行時(shí)由于侵入波而發(fā)生放電，則將造成截波，可能危及縱絕緣與相間絕緣。若選不到適當(dāng)參數(shù)的避雷器，則GB2可用閥型避雷器或保護(hù)間隙代替。二 、35kV小容量變電站的簡化進(jìn)線保護(hù) 對(duì)35kV的小容量變電站，可根據(jù)變電站的重要性和雷電活動(dòng)強(qiáng)度等情況采取簡化的進(jìn)線保護(hù)。由于35kV小容量變電站尺寸小，避雷器與變壓器的電氣距離一般在10m以內(nèi)，故侵入波陡度允許增加，進(jìn)線段長度可以縮短到500600m。為限制流入避雷器的電流，在進(jìn)線首端可裝設(shè)一組管型避雷器或保護(hù)間隙，如圖1022所示。容量更小的變電站，保護(hù)接線還可以進(jìn)一步簡化。 35110kV變電站，