第九章輸電線路的防雷保護

1、第九章輸電線路的防雷保護本章要求：輸電線路的感應(yīng)過電壓：雷擊大地和雷擊桿塔時導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓的計算輸電線路上的直擊雷過電壓和耐雷水平建弧率及雷擊跳閘率的計算。輸電線路防雷措施及作用分析由于輸電線路長度大，分布面廣， 地處曠野， 易受到雷擊。 輸電線路上出現(xiàn)的大氣過電壓有兩種： 一種是雷擊于輸電線路引起的，稱為直擊雷過電壓；（1）雷直擊導(dǎo)線，無避雷線的線路最易發(fā)生，但即使有避雷線，雷電仍可能繞過避雷線的保護范圍而擊于導(dǎo)線（繞擊）。（2）雷擊桿塔或避雷線強大的雷電流通過桿塔及接地電阻，使桿塔和避雷線的電位突然升高，桿塔與導(dǎo)線的電位差超過線路絕緣子閃絡(luò)電壓時絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)線上出現(xiàn)很高的電壓。這種

2、桿塔電位升高，反過來對導(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，由于空間電磁場的急劇變化，在導(dǎo)線上感應(yīng)出的過電壓，稱為感應(yīng)雷過電壓。感應(yīng)雷過電壓的危害：（ 3-1）引起線路跳閘，影響正常供電由于過電壓引起絕緣子閃絡(luò)，導(dǎo)線對地短路，雷電過電壓持續(xù)時間短（幾十 s），繼電保護裝置來不及動作，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

3、出現(xiàn)很高的過電壓，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 來衡量。耐雷水平： 雷擊線路時線路絕緣不發(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)的機會就越小。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。線路防雷問題是一個綜合的技術(shù)經(jīng)濟問題， 在確定線路的具體防雷措施時， 應(yīng)根據(jù)線路的電壓等級、負荷性質(zhì)、 系統(tǒng)運行方式、 雷電活動的強弱、地形地貌的特點和土壤電阻率的高低等條件，特別要結(jié)合當?shù)卦芯€路的運行經(jīng)驗通過技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。第一節(jié)輸電線路的感應(yīng)雷過電壓一、雷擊線路附

4、近大地，線路上的感應(yīng)過電壓感應(yīng)過電壓的來源：靜電分量：束縛電荷瞬間釋放形成感應(yīng)雷過電壓。電磁分量：主放電電流產(chǎn)生磁場變化形成感應(yīng)過電壓。當 S > 65m 時，單導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓為：U g 25 I lhdSI l 雷電流幅值 KA ； hd 導(dǎo)線懸掛的平均高度m；S雷擊點距離導(dǎo)線的距離。感應(yīng)過電壓特點：（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，對于110kV 及以上線路，由于絕緣水平較高，所以一般不會引起閃絡(luò)事故。（ 2）感應(yīng)過電壓的極性與雷電流極

5、性相反。.（ 3）三相導(dǎo)線上同時出現(xiàn)，相間不存在電位差，故只能引起對地閃絡(luò)事故，如果兩相或三相同時對地進行閃絡(luò)，即形成相間閃絡(luò)事故。（ 4）波形較平緩，波頭幾幾十 s，波長幾百 s當導(dǎo)線上方掛有避雷線時：由于其屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)線上的感應(yīng)電荷就會減少，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓就會降低。避雷線的屏蔽作用可用下法求得，設(shè)導(dǎo)線和避雷線的對地平均高度分別為 hd , hb ，若避雷線不接地 ，則可求得避雷線和導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓分別可以表示為U g b25ILhbU g d 25 I LhdSS所以U g bhbU g dhd但是避雷線實際上是通過每基桿塔接地的，因此可以設(shè)想在避雷線上有一個( U g b ) 電位

6、，以此來保持避雷線為零電位，由于避雷線與導(dǎo)線的耦合作用，此( U g b )將在導(dǎo)線上產(chǎn)生耦合電壓 k0 ( U g b ) ,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U g dU g dU g d (1k0 )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)過電壓U g d 下降到 U g d 。 耦合系數(shù) K 越大，則導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓越低。二、雷擊線路桿塔時，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓U g25 Il hdS上式比較適合當 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， 由于雷電通道所產(chǎn)生的電磁場的迅速變化，將在導(dǎo)線上感應(yīng)出與雷電流極性相

7、反的過電壓。無避雷線時U g dahd有避雷線時U g dahd (1 k0 )a 感應(yīng)過電壓系數(shù)（kV / m ），等于雷電流平均陡度（I L ）2.6第二節(jié)輸電線路的直擊雷過電壓和耐雷水平我們以中性點直接接地系統(tǒng)中有避雷線的線路為例進行分析，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、雷繞過避雷線繞擊與導(dǎo)線（繞擊） 。一、雷擊桿塔塔頂時的過電壓和耐雷水平雷擊桿塔塔頂時，雷電通道中的負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（即塔頂）有一只雷電流波沿桿塔向下運動；另有兩個相同的負電流波分別從塔頂沿兩側(cè)避雷線相鄰桿

8、塔運動，于此同時自塔頂有一正雷電流波沿雷電通道向上運動，此正雷電流波的數(shù)值與 3 個負電流波數(shù)值之和相等。 線路絕緣上的過電壓即由這幾個電流所引起的。由雷電通道中正電流波的運動在導(dǎo)線上所產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓已在上節(jié)闡述過了，主要分析流經(jīng)桿塔和地線中的雷電流所引起的的過電壓。1、塔頂電位 /避雷線電位對于高度 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Lg t這里, Lb 來代替，不同桿塔的等值電感Lg t可由9-2-2查得。單根避雷線的等值電感Lb 約為 0.67l (H ) ( l為檔距的長度， m)，雙根避雷線約為 0.42l (H ) 。 Rch 為桿塔沖擊接地電阻?？?/p>

9、慮到雷擊點的阻抗較低，故在計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i g t將小于雷電流 i L 。i g tiL: 桿塔分流系數(shù)可由 9-2-3查得塔頂橫擔(dān)對地電位可表示為uaRchi gtdi gtRchiLdi LLaLadtdt把下列兩式代入上面方程：di LI Ldt2.6則橫擔(dān)對地電位的幅值U a 為U aI L (RchLa )2.6式中 I L 為雷電流的幅值；La 以橫擔(dān)以下塔身的電感，可表示為LaLgtha。帶入上式可hgt以得到， 塔頂橫擔(dān)對地電位：U aI L( RchLgtha)2.6hgt式中： Lgt 為桿塔的總電感； hgt 為桿

10、塔的高度 ;ha為桿塔橫擔(dān)的高度。塔頂端電位可表示為：utdRchi gtLgtdi gtRchiLLgtdi Ldtdt塔頂電位幅值可表示為：U tdRch I LI LLgtdt2、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 kUtd雷電極性相同（ k 耦合系數(shù)）（ 2）雷擊桿塔在導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓ahd (1hb k0 ) ，與雷電極性相反（k0 幾何耦合系hd數(shù)）故導(dǎo)線的電位可表示為udkutdahd (1hbk0 )hd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：U jU a U dU akU tdahd (1hb k0 )

11、hdU aI L ( RchLgtha )2.6hgtU tdRch I LI LLgtdt將以上的三個式子聯(lián)列可得U jI L (1 k )Rch(haLgt(1hbk0 )hdhgtk )hd2.62.6為簡化計算， 以上計算中， 假定各電壓分量的幅值均在同一時刻出現(xiàn)，且未考慮極性不確定的工作電壓分量。對于 220kV 及以下的線路，其工作電壓所占比重不大，一般可以省略；但對超、特高壓線路，則不可不計，且雷擊時導(dǎo)線上工作電壓的瞬時值及其極性應(yīng)作為一隨機變量來考慮 ，為從嚴要求，在計算中應(yīng)取與橫擔(dān)電位U a 異極性 的情況。3、 耐雷水平當電壓 U j 未超過線路的絕緣水平，即U jU 50

12、% 時，導(dǎo)線與桿塔之間不會閃絡(luò)。由此可得出雷擊桿塔時線路的耐雷水平I l為I lU 50%Lgthahbhd(1 k)Rch(k )(1hgt2.6hdk0 )2.6要注意的是 U 50% 應(yīng)取絕緣子串中的正極性50% 沖擊放電電壓，因為流入桿塔電流大多是負極性的，此時導(dǎo)線相對于桿塔處于正電位，而且絕緣子串的U 50% 在導(dǎo)線為正極性時較低。 如果雷擊桿塔時雷電流幅值超過了線路的耐雷水平I l，就會引起線路的閃絡(luò)，此閃絡(luò)稱為“反擊”?！胺磽簟?這個概念很重要， 因為原來被認為是接地的桿塔此時是帶上了高電位，反過來對輸電線路放電， 把雷電過電壓施加到線路上， 并進而侵入變電所。 為了減少反擊我們

13、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 Rch一般高度桿塔， Rch 的壓降是塔頂電位主要分量。（ 2）增大耦合系數(shù)k 可以減少絕緣子串上的電壓和感應(yīng)過電壓采用雙避雷線 ,加裝耦合地線。（3）減小分流系數(shù)（ 4）加強線路絕緣 增加絕緣子片數(shù) ,采用更好的絕緣材料二、雷擊避雷線檔距中央時的過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看，雷擊避雷線最嚴重的情況是雷擊點處于檔距中央時 ，因為這時從桿塔接地點反射回來的異號電壓波抵達雷擊點的時間最長， 雷擊點上的過電壓幅值最大 。雷擊點 A 的最高電壓為：Z0ZbuAiL 2Z0 Z

14、b此電壓波 uA 自雷擊點沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運動，由于桿塔的接地電阻要比桿塔和避雷線的波阻抗小得多，可以近似認為等于零用Z0 表示，這樣接地點將發(fā)生負的電壓全反射。電壓波 uA 從 A 點出發(fā)， 到達桿塔接地點發(fā)生反射后回到A 點，所經(jīng)過的時間可表示為：t12( lhgt ) / vb （ us）2l 為檔距的長度 m， hgt 為桿塔的高度m， vb 為波速 m/us 計及電暈的影響為 0.75 倍的真空光速。若 雷 電 流 為 平 頂 斜 角 波 ， 其 波 前 的 表 達 式 為 iLat （ a 為 雷 電 流 波 前 陡 度a 30kA / us ），則可得到雷擊點電壓uA 的表

15、示式uA(t )Z0 Zbat,tt12Z0ZbuA(t )Z0 Zbat1,tt12Z0Zb上式中請注意t,t1 的關(guān)系，以及uA (t ) 關(guān)于它們的表示；由上式可見，在tt1 時，雷擊電電壓達到最大值為aZ0 Zb(l 2hgt )U AZb )(2Z0由于避雷線與導(dǎo)線的耦合作用，在導(dǎo)線上將耦合KU A 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US為：U SaZ0 Zb(l 2hgt )(1 k )U A (1 k )Zb )(2Z0由上式可以看出，雷擊避雷線檔距的中央時，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

16、此電壓超過空氣間隙的發(fā)電電壓時，間隙將被擊穿造成短路事故。根據(jù)理論分析和運行經(jīng)驗，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15 C 無風(fēng)時滿足S0.012l1 （ m）式中的 l 表示的是檔距長度，m。當檔距長度較長時（如大跨越檔），若按上式計算出的S 大于下表中所規(guī)定的值時，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，多年運行經(jīng)驗表明，雷擊避雷線檔距中央時，導(dǎo)線與避雷線間一般不會發(fā)生閃絡(luò)。所以，在下面計

17、算雷擊跳閘率時，就不計及這種情況。三、繞擊時的過電壓和耐雷水平裝設(shè)避雷線的線路，使三相導(dǎo)線都處于它的保護范圍之內(nèi)，仍然存在雷繞過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pa ，一旦出現(xiàn)這種情況，往往會引起線路絕緣子串的閃絡(luò)。繞擊率和保護角 a ，桿塔的高度 h ，及線路通過地區(qū)的地形地貌等因素有關(guān)，可用以下公式求得：ah3.9對平原地區(qū)lg pa86ah3.35對山區(qū)lg pa86保護角 指避雷線和邊相導(dǎo)線的連線與經(jīng)過避雷線的鉛垂線之間的夾角。保護角越小，避雷線對導(dǎo)線的屏蔽保護作用越好；h 為桿塔的高度 。繞擊導(dǎo)線時導(dǎo)線上的電壓為udZ0 Zdudi L 2Z0 Zd其幅值可

18、表示為Z0Z dU dI L2Z0Zd從上式可知，繞擊時導(dǎo)線上的電壓幅值U d 隨電流幅值 I L 的增加而增加，若超過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)，繞擊時的耐雷水平I 2 可令 U d 等于絕緣子串 50%閃絡(luò)電壓 U 50% 來計算。因規(guī)程認為Z0Zd2，故I 2 U 50% /100根據(jù)規(guī)程計算的方法。 35、 110、 220、 330kV線路的繞擊耐壓水平分別為3.5,7,12 和16kA 左右，其值較雷擊桿塔時的耐雷水平小得多！第三節(jié)輸電線路的雷擊跳閘率當輸電線路著雷時， 若雷電流超過線路耐雷水平， 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

19、閃絡(luò)持續(xù)時間只有幾十 s，繼電保護和斷路器根本來不及動作，雷電流過后，工頻電壓所產(chǎn)生的工頻電流 （工頻續(xù)流）以電弧的形式流過閃絡(luò)通道，若電弧穩(wěn)定燃燒才會使繼電保護動作，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強度有關(guān)，也與閃絡(luò)瞬間工頻電壓的瞬時值和去游離條件有關(guān)。 根據(jù)實驗和運行經(jīng)驗， 沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定工頻電弧的概率稱為建弧率。(4.5E0.7514)%式中， E 為絕緣子串的平均運行電壓梯度對中性點直接接地系統(tǒng)中性點不接地系統(tǒng)kV （有效值） /m 。Euel j3E ue 2l j對于中性點直接接地

20、系統(tǒng)且未鐵橫擔(dān)時，ue 為線路額定電壓(kV) 有效值 ；l j 為絕緣子閃絡(luò)距離（ m）。對于中性點不接地系統(tǒng)，單相閃絡(luò)不會引起跳閘，只有當?shù)诙鄬?dǎo)線再閃絡(luò)后才會造成相間閃絡(luò)而跳閘因此ue 應(yīng)是線電壓， l j 是相間絕緣長度。實踐證明，當 E6kV / m （有效值）時，可以近似認為0 。二、雷擊桿塔時的跳閘率擊桿率：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g 表示，它與地形特點和避雷線的根數(shù)有關(guān)。跳閘率用 n 來表示，其含義是指：假定在每年40 個雷電日的情況下，每100 公里線路因受雷擊而可能跳閘的次數(shù)。它可以來衡量不同線路設(shè)計方案的相對優(yōu)劣，并不代表線路實際運行過程中的遮斷情況。n10.28(b4hb ) P