過(guò)電壓報(bào)告 昆明理工大學(xué)

1、特高壓輸電系統(tǒng)過(guò)電壓計(jì)算及仿真引言中國(guó)電網(wǎng)是伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展而不斷擴(kuò)展的，目前東北、華北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)均己形成500kV主干網(wǎng)架,西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的格局正在形成。我國(guó)用電負(fù)荷與發(fā)電能源分布很不均衡，東部地區(qū)負(fù)荷多而能源少，西北西南地區(qū)能源多而負(fù)荷少，在能源中心建立大火電、水電基地，遠(yuǎn)距離、大容量將電能輸送到負(fù)荷中心是解決該矛盾的較好途徑。這就需要建立全國(guó)能源傳輸通道，進(jìn)行“西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置。遠(yuǎn)距離、大容量輸電的需求帶動(dòng)了特高壓輸電技術(shù)的研究，由于西電東送和南北互供等大容量、遠(yuǎn)距離送電的要求，過(guò)電壓?jiǎn)栴}在我國(guó)顯得更加突出。

2、過(guò)電壓分外過(guò)電壓和內(nèi)過(guò)電壓兩大類。外過(guò)電壓，又稱雷電過(guò)電壓，是由大氣中的雷云對(duì)大地放電而引起的。分直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓兩種。雷電過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間約為幾十微秒，具有脈沖的特性，故常稱為雷電沖擊波。直擊雷過(guò)電壓是雷閃直接擊中電工設(shè)備導(dǎo)電部分時(shí)所出現(xiàn)的過(guò)電壓。直擊雷過(guò)電壓幅值可達(dá)上百萬(wàn)伏，會(huì)破壞電工設(shè)施絕緣，引起短路接地故障。感應(yīng)雷過(guò)電壓是雷閃擊中電工設(shè)備附近地面，在放電過(guò)程中由于空間電磁場(chǎng)的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設(shè)備（包括二次設(shè)備、通信設(shè)備）上感應(yīng)出的過(guò)電壓。內(nèi)過(guò)電壓,電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式發(fā)生改變而引起的過(guò)電壓。有暫時(shí)過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。暫時(shí)過(guò)電壓是由于斷路器操作或發(fā)生

3、短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)渡過(guò)程以后重新達(dá)到某種暫時(shí)穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過(guò)電壓 ，又稱工頻電壓升高。操作過(guò)電壓是由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的衰減較快持續(xù)時(shí)間較短的過(guò)電壓，常見(jiàn)的有：空載線路合閘和重合閘過(guò)電壓。切除空載線路過(guò)電壓。切斷空載變壓器過(guò)電壓?；」饨拥剡^(guò)電壓。諧振過(guò)電壓是電力系統(tǒng)中電感、電容等儲(chǔ)能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過(guò)電壓。電力系統(tǒng)中電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化是產(chǎn)生過(guò)電壓的根本原因。無(wú)論外過(guò)電壓還是內(nèi)過(guò)電壓，都受許多隨機(jī)因素的影響，需要結(jié)合電力系統(tǒng)具體條件，通過(guò)計(jì)算、模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等多種途徑取得數(shù)據(jù)，用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行過(guò)電壓預(yù)測(cè)。研究?jī)?nèi)容本文基于

4、特高壓輸電線路的特點(diǎn)，分別從內(nèi)部過(guò)電壓和外部過(guò)電壓兩個(gè)方面對(duì)輸電線路過(guò)電壓原理和計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。內(nèi)部過(guò)電壓方面：空載線路的電容效應(yīng)、接地故障（單相或兩相）引起的工頻電壓的升高、空載線路跳閘過(guò)電壓進(jìn)行分析，導(dǎo)出過(guò)電壓計(jì)算公式，為電力設(shè)備選型、繼電保護(hù)提供一定的選擇依據(jù)。外部過(guò)電壓方面：由于輸電線路過(guò)電壓主要原因是雷電災(zāi)害，本文將主要講解雷電過(guò)電壓的幾種基本形式（直擊雷過(guò)電壓、雷電感應(yīng)過(guò)電壓和雷電侵入波）的基本原理和計(jì)算。希望能加深同學(xué)們對(duì)高電壓技術(shù)這門(mén)課的理解。研究方案及成果電力系統(tǒng)中的電容、電感均為儲(chǔ)能元件，當(dāng)操作或者故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將有過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生。在過(guò)渡過(guò)程中，由于電源繼

5、續(xù)供給能量，而且儲(chǔ)存在電感中的磁能或電容中的靜電場(chǎng)能會(huì)釋放或者轉(zhuǎn)換，所以會(huì)產(chǎn)生高于電源電壓的過(guò)電壓。它們是在幾毫秒甚至幾十毫秒之后要消失的暫態(tài)過(guò)電壓。這種暫態(tài)過(guò)電壓是由工頻電壓和以系統(tǒng)自振頻率振蕩的電壓相疊加構(gòu)成的。一、內(nèi)部過(guò)電壓1、線路末端的工頻過(guò)電壓 在L、C串聯(lián)電路中，如果容抗大于感抗，即1/L，電路中將流過(guò)容性電流，它在電感上的壓降Ul抬高了電容電壓Uc，即Uc=E+UL，（E為電源電動(dòng)勢(shì)），這種現(xiàn)象稱為電容效應(yīng)。 空載長(zhǎng)線路可以看成是無(wú)數(shù)個(gè)串聯(lián)連接的L、C回路,由于總的對(duì)地容抗一般遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的感抗，由于電容效應(yīng)的影響，線路上的電壓高于電源電壓，而且越到終端，電壓越高。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分

6、析課程中，我們已經(jīng)推導(dǎo)出了輸電長(zhǎng)線路電壓、電流的方程如下：=cosh+sinh （1）=cosh+(/) sinh （2） 式中：、為線路任意點(diǎn)的電壓、電流；、為線路末端電壓、電流； = 線路波阻抗，R、L、G、C分別是單位長(zhǎng)度線路的電阻、電感、對(duì)地漏電導(dǎo)、電容；=輸電線路傳輸常數(shù)；線路長(zhǎng)度；對(duì)于和，忽略對(duì)地電導(dǎo)G和線路R后，簡(jiǎn)化如下：= (3) = (4) 線路末端接有負(fù)載的等值電路可由下圖表示圖1 線路末端接有負(fù)載的等值電路根據(jù)上圖，可列出電源電勢(shì)、電壓、電流的關(guān)系式：=+ (5)將（1）（2）式代入上式可得末端電壓和電源電勢(shì)的關(guān)系如下：= (6)當(dāng)線路末端開(kāi)路，=0，=，由=，=，則末端

7、線路電壓與首端電源電勢(shì)的關(guān)系如下：= (7) 式中，為電源阻抗，為線路波阻抗，為相位系數(shù)，在頻率為50Hz是，=/km, 。如果電源容量為無(wú)窮大，即=0， =0，則有 = (8) 圖2 空載長(zhǎng)線末端電壓升高與線路長(zhǎng)度的關(guān)系圖中畫(huà)出了不同線路長(zhǎng)度下的終端電壓升高與長(zhǎng)度的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)=，即=/=1500km時(shí)，終端電壓將趨于無(wú)窮大。 當(dāng)電源容量有限時(shí)，>0,由（7）式可知，這會(huì)增強(qiáng)電容效應(yīng)，就如增加了導(dǎo)線長(zhǎng)度一樣，諧振點(diǎn)提前了,如上圖中曲線2所示，曲線1對(duì)應(yīng)于電源阻抗為零的情況。這是由于電源電抗的作用，線路始端電壓高于電源電動(dòng)勢(shì)，因而增大了線路的電容電流，使電路的工頻電壓升高趨于嚴(yán)重。

8、電源容量越小，情況就越嚴(yán)重。所以，在估計(jì)最嚴(yán)重的工頻電壓升高時(shí)，應(yīng)以可能出現(xiàn)的電源容量最小的運(yùn)行方式為依據(jù)。2、 接地故障引起的工頻電壓升高系統(tǒng)發(fā)生單相或兩相接地故障時(shí)，短路電流的零序分量會(huì)使非故障相出現(xiàn)工頻電壓升高。接地故障往往是由雷擊引起的。因此，如果非故障相的避雷器動(dòng)作，它必須在較高的工頻電壓下熄滅續(xù)流電弧，這是選擇避雷器的一個(gè)重要條件。在電力系統(tǒng)分析課程的學(xué)習(xí)中，我們知道，任意復(fù)雜的系統(tǒng)，在某點(diǎn)發(fā)生不對(duì)稱短路，可將故障點(diǎn)短路電流和故障電壓分解成對(duì)稱分量，即正序、負(fù)序和零序，根據(jù)三序網(wǎng)的等值電路，可寫(xiě)出一般的三序電壓平衡方程如下：= （9）0= （10） 0= （11）1） 單相接地故障

9、發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)各相的電壓和電流是不對(duì)稱的。如左圖所示，以a相為例，當(dāng)發(fā)生接地短路時(shí)，有如下關(guān)系： =0；=0 （12）將上式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱分量的形式為：+=0 （13）= （14）圖3 a相接地短路聯(lián)立（9）（14）式可得：= （15）故障相（相）的短路電流為=+= （16）故障處b、c相的電流為零。故障處各序電壓由（9）（11）式求得，即= （17）= (18)= (19)則故障處三相電壓對(duì)稱分量法求得為=+=0 (20)=+ （21）=+ （22）對(duì)于較大電源容量的系統(tǒng)=，如果忽略各序阻抗中的電阻分量（即=，=），=+=（）+（） = （23）同理可得：= （24）由以上兩式可求得

10、和的模值為= = （25）圖4單相接地故障引起的工頻過(guò)電壓叫接地系數(shù)，它說(shuō)明接地故障時(shí)非故障相的對(duì)地最高工頻電壓與無(wú)故障時(shí)對(duì)地工頻電壓有效值之比，根據(jù)上式的結(jié)果可畫(huà)出左圖所示的/與/關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)不對(duì)稱故障引起的正常相工頻電壓升高系數(shù)是大于1的，若要計(jì)算遠(yuǎn)離故障點(diǎn)的電壓時(shí)，則由電容效應(yīng)，將引起正常相的電壓進(jìn)一步提高,這種由電容效應(yīng)與不對(duì)稱故障引起的電壓升高相疊加引起的過(guò)電壓必須加以考慮。系統(tǒng)中的正序電抗包括發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)同步電抗、變壓器漏抗及線路感抗等，一般是電感性的（正值），而系統(tǒng)的零序電抗，則因系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式不同而有較大的差別，根據(jù)定義，應(yīng)為線路導(dǎo)線的對(duì)地電抗與中性點(diǎn)對(duì)地電抗的并聯(lián)

11、值。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，決定于線路對(duì)地電容，因此是負(fù)值，而是正值。通常310kv系統(tǒng)采用這種運(yùn)行方式，所接線路不會(huì)太長(zhǎng)，/的值在20-范圍內(nèi)。單相接地故障時(shí)，接地系數(shù)稍比大，即非故障相電壓約為1.1倍線電壓，因此在選擇避雷器的滅弧電壓時(shí)，取110%線電壓，稱為110%避雷器。3560kv系統(tǒng)中性點(diǎn)一般經(jīng)消弧線圈接地，這時(shí)/值趨于無(wú)窮大，非故障相電壓接近于線電壓。因此在這種電壓等級(jí)的系統(tǒng)采用100%避雷器。中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，為不大的正值，通常輸電線路的/3，系統(tǒng)中變壓器部分或全部接地，故/3，稱為有效接地。一般110kv及以上系統(tǒng)均采用這種運(yùn)行方式。單相接地故障時(shí)，非故障相的工頻電壓升高不大于

12、1.4倍相電壓，即0.8倍線電壓。因此，對(duì)110kv及220kv系統(tǒng)中的避雷器，其滅弧電壓按系統(tǒng)最大工作線電壓的80%確定，稱為80%避雷器。對(duì)330kv及以上系統(tǒng)，輸送距離較長(zhǎng)，計(jì)及長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)時(shí)，線路末端工頻電壓升高可能超過(guò)最大工作線電壓的80%，則根據(jù)安裝位置的不同分為：電站型避雷器（即80%雷器）及線路型避雷器（即90%避雷器）兩種。3. 兩相接地故障如圖表示f點(diǎn)發(fā)生兩相（b、c相）短路接地，其邊界條件顯然是=0；=0 （26） 上式與單相接地短路的邊界條件很類似，只是電壓和電流互換，因此其轉(zhuǎn)換為對(duì)稱分量的形式為： =0 （27）圖5 兩相接地短路 +=0 （28）根據(jù)以上邊界條件

13、，可畫(huà)出滿足該條件的復(fù)合序網(wǎng)，即三個(gè)序網(wǎng)在故障點(diǎn)并聯(lián)。由復(fù)合序網(wǎng)可求得故障處各序電流為= （29）= （30）= （31）故障相的短路電流為=+=（） （32）=+=（） （33） 兩相短路接地時(shí)流入地中的電流為=+=3=3 （34）由復(fù)合序網(wǎng)可求得短路電壓的各序分量為 = （35）短路處非故障相電壓為= +=3 （36）若為純電抗，且=，則=3 （37）/與/的關(guān)系曲線如右所示，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，非故障相電壓升高最多為正常電壓的1.5倍，小于單相短路時(shí)電壓的升高。圖6 單相接地故障引起的工頻過(guò)電壓接地短路故障Simulink仿真實(shí)驗(yàn)以下為一個(gè)簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)圖，主要由電源、輸電線路和故障負(fù)

14、荷組成，并設(shè)定為ode15s參數(shù)計(jì)算方式，Timer計(jì)時(shí)0.01s是發(fā)生接地短路故障，三相電源為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，頻率50Hz，輸電線路采用分布參數(shù)模型。圖7 接地短路仿真實(shí)驗(yàn)圖1）a相短路接地圖8 單相接地短路仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置圖圖9 單相接地短路仿真結(jié)果圖=0； =02）bc相短路接地圖10 兩相接地短路仿真參數(shù)設(shè)置圖=0 =0； 圖11 兩相接地短路仿真結(jié)果置圖4. 空載線路跳閘過(guò)電壓切除空載線路是電力系統(tǒng)常見(jiàn)的操作之一，產(chǎn)生過(guò)電壓的原因是斷路器跳閘的過(guò)程中發(fā)生電弧的重燃。斷路器切斷的是較小的容性電流，通常為幾十安到幾百安，比短路電流小的多，但能夠切除巨大短路電流的開(kāi)關(guān)卻不一定能夠不重燃地切斷

15、空載線路。這是因?yàn)樵谔l初期，由于斷路器，特別是油斷路器，觸頭間恢復(fù)電壓的上升速度有可能超過(guò)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的上升速度，造成電弧的重燃，從而引起電磁振蕩，出現(xiàn)過(guò)電壓。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,斷路器的滅弧能力越差，電弧重燃的幾率就越大，過(guò)電壓的幅值也就越高 。忽略電阻分量，用下面等值電路圖來(lái)分析切除空載線路產(chǎn)生過(guò)電壓的過(guò)程 。 圖12 空載線路集中參數(shù)等效電路設(shè)電源電勢(shì)e(t) =sin（t+）；為分析的方便,暫不考慮空載線路的工頻電壓升高，認(rèn)為斷路器跳閘之前線路的電壓 就等于電源的電勢(shì)e(t)。設(shè)斷路器動(dòng)作以后，觸頭開(kāi)始分離，當(dāng)斷路器的工頻電流過(guò)零值（t=t1）時(shí)，電弧熄滅，此時(shí)電容上的電壓為電源電壓的最大

16、值即= ， 如果不考慮線路上殘余電荷的泄漏，則線路維持殘壓，于是斷路器觸頭間恢復(fù)電壓 為： （38）如果斷路器觸頭間去游離能力很強(qiáng)，抗電強(qiáng)度恢復(fù)增長(zhǎng)的很快，則電弧從此熄滅，線路被斷開(kāi)，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。若開(kāi)關(guān)滅弧性能不良，則在恢復(fù)電壓的作用下，觸頭間的電弧可能發(fā)生重燃,產(chǎn)生過(guò)電壓 。最嚴(yán)重的情況考慮，設(shè)在t2=t1+時(shí)刻，電弧發(fā)生重燃，這時(shí)相當(dāng)于電源電壓突然加在電感+和具有初始值的電容組成的振蕩回路上，由于回路固有振蕩角頻率=，比工頻大得多，此過(guò)渡過(guò)程為高頻振蕩形式，可以認(rèn)為在高頻振蕩的過(guò)渡過(guò)程中電源電勢(shì)保持不變。若忽略回路損耗引起的電壓的衰減，過(guò)渡過(guò)程中電容上電壓達(dá)到的最大值可由過(guò)渡過(guò)程后電壓

17、的穩(wěn)態(tài)值 和初始值 ，進(jìn)行估算： （39）由上式可知，電弧重燃產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值，與此同時(shí)，回路中的電容電流又過(guò)零點(diǎn)，電弧再次熄滅，線路上就保持了一3的殘壓。此后在t3=t2+時(shí)刻，斷口間的電壓達(dá)到4，電弧再次重燃，則線路過(guò)電壓可達(dá)5。依次類推，每隔半個(gè)工頻周期電弧就重燃和熄滅一次，線路過(guò)電壓將按7，9等逐次增加，直到觸頭間已有足夠的絕緣強(qiáng)度，電弧不再重燃為止。跳閘操作產(chǎn)生的線路過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程可由下圖表示：圖13 切除空載線路過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程值得說(shuō)明的是,由于受到一系列復(fù)雜因素的影響，切除空載線路的過(guò)電壓不可能無(wú)限的增大。當(dāng)過(guò)電壓較高時(shí)，線路上就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈現(xiàn)象，電暈損耗將消耗過(guò)電壓波的能

18、量，引起過(guò)電壓波的衰減，限制了過(guò)電壓的升高。當(dāng)母線上有多回出線時(shí)，相當(dāng)于母線電容增大，可以降低線路上初始電壓的絕對(duì)值并吸收部分振蕩能量，而其有功負(fù)荷又能增強(qiáng)阻尼效應(yīng)，使重燃時(shí)的過(guò)電壓相應(yīng)的降低。隨著斷路器制造水平、滅弧能力的提高，切除空載線路時(shí)的電弧重燃得到了有效的抑制，而且，在特高壓電網(wǎng)中，隨著線路接入并聯(lián)電抗器及氧化鋅避雷器等限壓措施的介入，跳閘過(guò)電壓得到了有效的抑制。相對(duì)而言，合閘(重合閘)空載線路產(chǎn)生的過(guò)電壓則成為特高壓電網(wǎng)絕緣水平的決定性因素。二、外部過(guò)電壓雷擊是造成輸電線路跳閘停電事故的主要原因，在電力系統(tǒng)非計(jì)劃停運(yùn)中，雷電事故一般占30%以上，有的地區(qū)甚至達(dá)到80以上，對(duì)電力安全

19、傳送的影響及危害非常大。輸電線路雷害事故引起的跳閘，不但影響電力系統(tǒng)的正常供電，增加輸電線路及開(kāi)關(guān)設(shè)備的維修工作量，而且由于輸電線路上落雷，雷電輸電線路的雷害事故引起的跳閘，不斷影響電力系統(tǒng)的正常供電，增加輸電線路及開(kāi)關(guān)設(shè)備的維修工作量，而且由于輸電線路上的落雷引起的雷電波可能會(huì)沿著線路侵入變電所，造成不可估量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。由此可見(jiàn)，輸電線路的防雷是減少電力系統(tǒng)雷害事故及其所引起電量損失的關(guān)鍵。本文主要介紹雷擊過(guò)電壓有三種基本形式即：直擊雷過(guò)電壓、雷電感應(yīng)過(guò)電壓和雷電侵入波，并重點(diǎn)分析了輸電線路的雷電過(guò)電壓計(jì)算方法。1、 直擊雷過(guò)電壓直擊雷過(guò)電壓是指由雷電直接擊中線路或桿塔引起的過(guò)電壓

20、。強(qiáng)大的雷電流通過(guò)這些物體導(dǎo)入大地，從而產(chǎn)生破壞性極大的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，造成設(shè)備損壞，建筑物破壞。直擊雷放電過(guò)程如圖如右下所示：（1）雷電流的幅值Im雷電流幅值是指脈沖電流所達(dá)到的最高值。雷電流的幅值大小與許多因素有關(guān)，主要的因素有氣象、地質(zhì)條件和地理位置。其中氣象情況有很大的隨機(jī)性，因此只有通過(guò)大量的實(shí)際測(cè)量才能正確估算雷電流峰值的概率分布。按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)目前使用的雷電流幅值超過(guò)Im的概率，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式可得:圖14 直擊雷放電過(guò)程 (40)上式中:Im為雷電流的幅值，單位為kA；P為雷電流幅值超過(guò)Im的概率。在平均雷電日數(shù)只有20或更小的部分地區(qū)，雷電流幅值也較小，可用下式表示: (

21、41) 雷電流幅值Im一般不超過(guò) 100kA。（2）雷電流的波形圖15雷電流波形圖雷電流的幅值隨各國(guó)的自然條件的不同而差別很大，但是各國(guó)測(cè)得的雷電流波形卻基本相同。大量統(tǒng)計(jì)表明，雷電流的波頭長(zhǎng)度大多出現(xiàn)在 1 us - 5 us 的范圍內(nèi)，平均在2 us - 2.5 us，我國(guó)在防雷設(shè)計(jì)中建議取 2.6 us；雷電流的波長(zhǎng)時(shí)間一般在20 us - 100 us，平均約為50 us。雷電流由零增大到幅值的這段時(shí)間的波形稱為波頭wh 。雷電流從幅值衰減到幅值的一半的這段波形稱為波尾wt 。（3）雷電流的陡度雷電波的陡度用雷電流波頭部分的增長(zhǎng)速度來(lái)表示，即 。雷電流的幅值和波頭決定了雷電流的上升陡度

22、，即雷電流隨時(shí)間的變化率。雷電流的陡度對(duì)過(guò)電壓有直接的影響，對(duì)電氣設(shè)備的絕緣來(lái)說(shuō)，雷電流的波陡度越大，則產(chǎn)生的過(guò)電壓越高，對(duì)絕緣的破壞越嚴(yán)重。因此，應(yīng)當(dāng)設(shè)法降低波陡度，保持設(shè)備的絕緣性能。雷電流陡度的直接測(cè)量非常困難，經(jīng)常是根據(jù)一定的幅值和波頭去推算。我國(guó)采用固定的波頭時(shí)間 2.6us，即認(rèn)為雷電流的平均陡度和雷電流幅值Im線性相關(guān)。 (42)上式中: 為雷電流的陡度，Im是雷電流的幅值。(4)雷電波阻抗Z0雷電通道在主放電時(shí)如同導(dǎo)體，使雷電流在其中流動(dòng)同普通分布參數(shù)導(dǎo)線一樣，具有某一等值波阻抗，稱為雷電波阻抗,用Z0表示。根據(jù)理論研究和實(shí)測(cè)分析，我國(guó)有關(guān)規(guī)程建議Z0取300左右。輸電線路直擊

23、雷過(guò)電壓計(jì)算在電力系統(tǒng)中，輸電線路的防雷擊重點(diǎn)在于直擊雷的防護(hù)，也可分為無(wú)避雷線時(shí)的直擊雷過(guò)電壓和有避雷線時(shí)的直擊雷過(guò)電壓的兩種情況。（1）無(wú)避雷線時(shí)的直擊雷過(guò)電壓輸電線路未架設(shè)避雷線的情況下，雷擊線路的部位只有兩個(gè)，一個(gè)是雷擊導(dǎo)線，另一個(gè)是雷擊塔頂。當(dāng)雷擊中線路上的某一點(diǎn)時(shí)，雷電波將沿著線路向兩側(cè)傳播，當(dāng)雷擊點(diǎn)電位超過(guò)絕緣子串50%沖擊放電電壓時(shí)，會(huì)引起絕緣子串閃絡(luò)，這時(shí)線路的耐雷水平為： (43)式中: - 取絕緣子串的負(fù)極性50%放電電壓，單位kV。此式是我國(guó)用來(lái)估算雷擊導(dǎo)線過(guò)電壓及耐雷水平的近似計(jì)算公式。當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，雷電流I將流經(jīng)鐵塔及其接地電阻而流入大地。假設(shè)桿塔的電感為L(zhǎng)，鐵塔的

24、沖擊電阻為R，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度為h，雷電流為斜角平頂波，且工程計(jì)算取波頭為2.6us，此時(shí)作用在絕緣子串上的電壓（單位為kV）是： (44)由此可知，加在線路絕緣子串上的雷電過(guò)電壓與雷電流的大小、陡度，導(dǎo)線與鐵塔的高度及鐵塔的接地電阻有關(guān)。如果此值等于或大于絕緣子串的50%雷電沖擊放電電壓時(shí)，塔頂將對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生反擊。在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，有可能使線路跳閘，此時(shí)線路的耐雷水平為： (45)60kV及以下電網(wǎng)采用中性點(diǎn)非直接接地方式，雷擊塔頂時(shí)若雷電流超過(guò)耐雷水平，會(huì)發(fā)生塔頂對(duì)一相導(dǎo)線放電。由于工頻電流很小，不能形成穩(wěn)定的工頻電弧，故不會(huì)引起線路跳閘，仍能安全送電。只有當(dāng)?shù)谝幌嚅W絡(luò)后，再向第二相反

25、擊，導(dǎo)致兩相導(dǎo)線絕緣子串閃絡(luò)，形成相間短路時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)大的短路電流，引起線路跳閘。此時(shí)，線路的耐雷水平為： (46)式中：指兩相導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)。（2）有避雷線時(shí)直擊雷過(guò)電壓有避雷線時(shí)直擊雷擊線路的部位有三種:一是雷繞過(guò)避雷線而直擊于導(dǎo)線，二是雷直擊塔頂，三是雷擊避雷線檔距中央。當(dāng)雷繞過(guò)避雷線擊于導(dǎo)線時(shí)，要求直擊雷過(guò)電壓及耐雷水平必須先得出繞擊率 。所謂繞擊率就是指雷電繞過(guò)避雷線而擊中導(dǎo)線的概率，它隨著保護(hù)角的減小而迅速下降。根據(jù)模擬試驗(yàn)和多年現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，繞擊率與避雷線對(duì)外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角，鐵塔高度h和地形條件等有關(guān)，我國(guó)規(guī)程規(guī)定繞擊率常用下面公式計(jì)算:對(duì)于平原地區(qū)的輸電線路： (47)

26、對(duì)于山區(qū)地區(qū)的輸電線路: (48) 由上面兩式可知如果要減少繞擊率，就應(yīng)盡量減小保護(hù)角，而過(guò)電壓的大小，則直接體現(xiàn)在桿塔的高度上，所以繞擊率與過(guò)電壓的大小成正比。發(fā)生繞擊后線路上的過(guò)電壓及耐雷水平可按無(wú)避雷線時(shí)雷擊導(dǎo)線時(shí)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)雷直擊塔頂時(shí)，雷電流大部分經(jīng)過(guò)被擊鐵塔入地，小部分電流則經(jīng)過(guò)避雷線由相鄰鐵塔入地。流經(jīng)被擊桿塔入地的電流，和總電流的關(guān)系可以用下式表示: (49)其中指鐵塔的分流系數(shù)，它始終小于1。因此，雷擊有避雷線的輸電線路的塔頂時(shí)的耐雷水平I 為： (50) 當(dāng)雷擊輸電線路檔距中央避雷線時(shí)，由于雷擊點(diǎn)距桿塔有一段距離，由兩側(cè)接地鐵塔處發(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

27、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，求得雷擊點(diǎn)的過(guò)電壓。設(shè)檔距避雷線電感為2L，雷電流取斜角波，即，則 該點(diǎn)與導(dǎo)線空氣間隙絕緣上所承受的電壓U為: 其中為導(dǎo)線與避雷線之間的耦合系數(shù)。2、雷電感應(yīng)過(guò)電壓圖16 感應(yīng)雷放電過(guò)程雷電感應(yīng)過(guò)電壓也叫感應(yīng)雷過(guò)電壓，所謂雷電感應(yīng)過(guò)電壓，是指雷電擊中電氣設(shè)備附近地面，在放電過(guò)程中由于空間電磁場(chǎng)的急劇變化而使未直接遭受累積的電氣設(shè)備上感應(yīng)出的過(guò)電壓。雷電感應(yīng)過(guò)電壓的形成過(guò)程如右圖，在雷云放電的起始階段，雷云及其雷電先導(dǎo)通道中的電荷所形成的電場(chǎng)對(duì)雷電流的波形線路發(fā)生靜電感應(yīng)，逐漸在線路上感應(yīng)出大量異號(hào)的束縛電

28、荷Q。由于線路導(dǎo)線和大地之間有對(duì)地電容C存在，從而在線路上建立一個(gè)雷電感應(yīng)電壓U=Q/C。當(dāng)雷云對(duì)地放電后，線路上的束縛電荷被釋放出來(lái)形成自由電荷，向線路兩端沖擊流動(dòng)，這就是雷電感應(yīng)過(guò)電壓沖擊波。輸電線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓計(jì)算（1）無(wú)避雷線時(shí)的雷電感應(yīng)過(guò)電壓由理論分析和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果得到，當(dāng)雷擊附近大地時(shí)，我國(guó)規(guī)程建議，當(dāng)雷擊點(diǎn)與輸電線路間的距離S大于65米時(shí)，這時(shí)導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓的最大值是: (51)式中: 導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓的最大值，單位kV。Im 雷電流幅值，單位為kA。h 導(dǎo)線懸掛平均高度，單位為m。 S 雷擊點(diǎn)至線路的距離，單位為m。由上式可以看出感應(yīng)過(guò)電壓U與雷電流幅值Im、

29、導(dǎo)線懸掛的平均高度h成正比，與雷擊點(diǎn)至線路的距離s成反比。但是，上式僅適用于雷擊點(diǎn)至線路的距離大于65米的情況，如果距離小于65米時(shí)，線路的引雷作用會(huì)導(dǎo)致雷電直擊在線路上。當(dāng)雷直接擊在桿塔上時(shí)，我國(guó)規(guī)程建議，對(duì)高度一般在40米以下時(shí)的輸電線路，感應(yīng)過(guò)電壓的最大值的計(jì)算如下: （52）式中： Im 雷電流幅值，單位為kA。 h 導(dǎo)線懸掛平均高度，單位為m。由上式可以得到感應(yīng)過(guò)電壓僅與雷電流的大小、導(dǎo)線懸掛的平均高度成正比。（2）有避雷線時(shí)的雷電感應(yīng)過(guò)電壓 如果線路上掛有避雷線，則由于其屏蔽作用，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓將會(huì)下降。假定避雷線不接地，在避雷線和導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓可用公式(2-4)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)二者懸掛高度相差不大時(shí)，可近似認(rèn)為兩者相等。但實(shí)際上避雷線是接地的，其電位為零，這相當(dāng)于在其上疊加了一個(gè)極性相反，幅值相等的電壓(-U)。當(dāng)雷擊線路附近的地面時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓如下式