第六章 輸電線路防雷保護(hù)

1、第六章第六章 輸電線路的防雷保護(hù)輸電線路的防雷保護(hù)輸電線路上出現(xiàn)的大氣過(guò)電壓有兩種：u感應(yīng)過(guò)電壓：雷擊線路附近地面，由于電磁感應(yīng)所引起的。u直擊雷過(guò)電壓：雷直擊于線路引起的。6.1輸電線路的感應(yīng)雷過(guò)電壓輸電線路的感應(yīng)雷過(guò)電壓感應(yīng)過(guò)電壓 當(dāng)雷擊線路附近大地時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在線路上的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。主放電前 在雷云放電的起始階段，存在著向大地發(fā)展的先導(dǎo)放電過(guò)程，線路正處于雷云與先導(dǎo)通道的電場(chǎng)中，由于靜電感應(yīng)，沿導(dǎo)線方向的電場(chǎng)強(qiáng)度分量 將導(dǎo)線兩端與雷云異號(hào)的正電荷吸引到靠近先導(dǎo)通道的一段導(dǎo)線上來(lái)成為束縛電荷，導(dǎo)線上的負(fù)電荷則由于 的排斥作用而使其向兩端運(yùn)動(dòng)，經(jīng)線路的泄露電導(dǎo)和系統(tǒng)的中性點(diǎn)而流

2、入大地。因?yàn)橄葘?dǎo)通道發(fā)展速度不大，所以導(dǎo)線上電荷的運(yùn)動(dòng)也很緩慢，由此而引起的導(dǎo)線中的電流很小，同時(shí)由于導(dǎo)線對(duì)地泄漏電導(dǎo)的存在，導(dǎo)線電位將與遠(yuǎn)離雷云處的導(dǎo)線電位相同導(dǎo)線電位將與遠(yuǎn)離雷云處的導(dǎo)線電位相同。xExE6.1.1雷擊線路附近大地時(shí)，線路上的感應(yīng)過(guò)電壓雷擊線路附近大地時(shí)，線路上的感應(yīng)過(guò)電壓主放電后 當(dāng)雷云對(duì)線路附近的地面放電時(shí)，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷被迅速中和，先導(dǎo)通道所產(chǎn)生的電場(chǎng)迅速消失，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)形成感應(yīng)雷過(guò)電壓感應(yīng)雷過(guò)電壓。 根據(jù)理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果，當(dāng)雷擊點(diǎn)離開(kāi)線路的距離 時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過(guò)電壓最大值 可按下式計(jì)算。mS65gUkVShIUdLg 25

3、雷電流幅值導(dǎo)線懸掛的平均高度雷擊點(diǎn)離線路的距離 感應(yīng)雷過(guò)電壓與雷電流成正比，與導(dǎo)線懸掛平均高度成正比（高度高，則導(dǎo)線對(duì)地電容越小，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓就愈高）；感應(yīng)雷過(guò)電壓與雷擊點(diǎn)到線路的距離成反比。 如果導(dǎo)線上方掛有避雷線，則由于其屏蔽的效應(yīng)，導(dǎo)線上的感應(yīng)電荷會(huì)減少，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓就會(huì)降低。 避雷線是通過(guò)基桿塔接地的，可以設(shè)想在避雷線上有一 電位，以此來(lái)保持避雷線為零電位，由于避雷線與導(dǎo)線耦合作用，此 將在導(dǎo)線上產(chǎn)生耦合電壓 ， 為避雷線與導(dǎo)線的耦合系數(shù)。因此，導(dǎo)線上的電位將為：ShIUbLbg25ShIUdLdg25dbdgbghhUUbgUbgU)(bgUKK)1 ()1 (KUhhK

4、UKUUUdgdbdgbgdgdg 接地避雷線的存在，可使導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓下降。耦合系統(tǒng)K越大，則導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓越低。6.1.2雷擊線路桿塔時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓雷擊線路桿塔時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓 雷擊線路桿塔時(shí)，由于雷電通道所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)迅速變化，將在導(dǎo)線上感應(yīng)出與雷電流極性相反的過(guò)電壓，其計(jì)算問(wèn)題至今尚有爭(zhēng)論，不同方法計(jì)算的結(jié)果差別很大，也缺乏實(shí)踐數(shù)據(jù)。目前，規(guī)程建議對(duì)一般高度（約40M以下）無(wú)避雷線的線路，此感應(yīng)過(guò)電壓最大值可用下式計(jì)算ddgahU感應(yīng)過(guò)電壓系數(shù) 有避雷線時(shí)，由于其屏蔽效應(yīng)，則：)1 (KahUddg6.2輸電線路的直擊雷過(guò)電壓和耐雷水平輸電線路的直擊雷過(guò)電壓和耐雷

5、水平雷直擊于有避雷線線路的情況可分為三種：u雷擊桿塔塔頂u雷擊避雷線檔距中央u雷繞過(guò)避雷線擊于導(dǎo)線（繞擊）雷擊桿塔雷擊避雷線繞擊導(dǎo)線6.2.1雷擊桿塔塔頂時(shí)的過(guò)電壓和耐雷水平雷擊桿塔塔頂時(shí)的過(guò)電壓和耐雷水平 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(guò)地區(qū)的地形有關(guān)。 擊桿率：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 雷擊桿塔塔頂時(shí)，雷電流通道中的負(fù)電荷與桿塔及避雷線上的正感應(yīng)電荷迅速中和形成雷電流，雷擊瞬間自雷擊點(diǎn)（塔頂）有一只雷電流波沿桿塔向下運(yùn)有一只雷電流波沿桿塔向下運(yùn)動(dòng)動(dòng)；另有兩個(gè)相同的負(fù)電流波分別自塔另有

6、兩個(gè)相同的負(fù)電流波分別自塔頂沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運(yùn)動(dòng)頂沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)自塔頂有一正雷電流波沿雷電流通道向上運(yùn)動(dòng)，此正雷電流波的數(shù)值與3個(gè)負(fù)電流波數(shù)值之總和相等。線路絕緣上的過(guò)電壓即由這幾個(gè)電流波所引起。 由雷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(guò)電壓已如上節(jié)所述，這里主要分析流經(jīng)桿塔和地線中的雷電流所引起的過(guò)電壓。+-gtZ0ZbZbZ（1）塔頂電位 對(duì)于一般高度（40m以下）的桿塔，在工程近似計(jì)算中，常將桿塔和避雷線以集中參數(shù)電感 和 來(lái)代替。bLgtLchRgtL0ZbZgtiLi2/2bbiLbL22/bigtLbLchRgtigtibiLichR塔頂電位可由

7、下式計(jì)算： 為分流系數(shù)。由于避雷線的分流作用，流經(jīng)桿塔的電流 將小于雷電流 。gtiLiLgtiidtdiLiRdtdiLiRULgtLchgtgtgtchtd（2）導(dǎo)線電位和線路絕緣上的電壓 當(dāng)塔頂電位為 時(shí)，則與塔頂相連的避雷線上也將有相同的電位 。由于避雷線與導(dǎo)線間的耦合作用，導(dǎo)線上將產(chǎn)生耦合電壓 ，此電壓與雷電流同極性。此外，由于雷電通道電磁場(chǎng)的作用，導(dǎo)線上尚有感應(yīng)過(guò)電壓 ，此電壓與雷電流異極性，所以導(dǎo)線電位的幅值為：)1 (KhKUUdtddtdUtdUtdKU)1 (Khd 線路絕緣子串上兩端電壓為塔頂電位與導(dǎo)線電位之差，故線路絕緣上的電壓幅值為： 雷擊時(shí)導(dǎo)、地線上電壓較高，將出現(xiàn)

8、沖擊電暈，K值應(yīng)采用電暈修正后的數(shù)值。)1)()1 (KhUKhKUUUUUdtddtdtddtdj（3）耐雷水平的計(jì)算 線路絕緣上電壓的幅值 隨雷電流增大而增大，當(dāng) 大于絕緣子串沖擊閃絡(luò)電壓時(shí)，絕緣子串將發(fā)生閃絡(luò)，由于此時(shí)桿塔電位較導(dǎo)線電位為高，故此類閃絡(luò)稱為“反擊”。雷擊桿塔的耐雷水平 可由 等于線路絕緣子串的50沖擊閃絡(luò)電壓 時(shí)求得： 雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平與分流系數(shù)，桿塔等值電感，桿塔沖擊接地電阻，導(dǎo)地線間的耦合系數(shù)和絕緣子串的50沖擊閃絡(luò)電壓有關(guān)。6 . 2)6 . 2()1 (%501dgtchhLRKUI1IjUjUjU%50U 對(duì)一般高度桿塔，沖擊接地電阻上的電壓降是塔頂電位的主

9、要成分，因此降低接地電阻可以有效地減小塔頂電位和提高耐雷水平。增加耦合系數(shù)K可以減少絕緣子串上電壓和減小感應(yīng)過(guò)電壓，同樣也可以提高耐雷水平。 常用措施是將單避雷線改為雙避雷線，或在導(dǎo)線下方增設(shè)架空地線稱為耦合地線，其作用主要是增強(qiáng)導(dǎo)、地線間的耦合作用，同時(shí)也增加了地線的分流作用。6 . 2)6 . 2()1 (%501dgtchhLRKUI6.2.2雷擊避雷線檔距中央時(shí)的過(guò)電壓雷擊避雷線檔距中央時(shí)的過(guò)電壓l 雷擊避雷線檔距中央，雷擊點(diǎn)阻抗為 （ 為避雷線波阻抗），流入雷擊點(diǎn)的雷電流波 為：故雷擊點(diǎn)的電壓為：2/bZbZZi02/1ZZiibLZbbLbZAZZZZiZiu0022l 電壓波 自

10、雷擊點(diǎn)沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運(yùn)動(dòng)，經(jīng) 時(shí)間（ 為檔距長(zhǎng)度， 為避雷線中的波速）到達(dá)桿塔，由于桿塔的接地作用，在桿塔處將有一負(fù)反射波返回雷擊點(diǎn)，又經(jīng) 時(shí)間，此負(fù)反射波到達(dá)雷擊點(diǎn)，若此時(shí)雷電流尚未到達(dá)幅值，即 小于雷電流波頭，則雷擊點(diǎn)的電位自負(fù)反射波到達(dá)時(shí)開(kāi)始下降。故雷擊點(diǎn)A的最高電位將出現(xiàn)在 時(shí)刻Aubvl 2/lbvbvl 2/)2/(2bvlbvl /l 若雷電流取為斜角波頭，即 ，可得雷擊點(diǎn)的最高電位：bbAZZZZvlaU002atiLbbLbZAZZZZiZiu0022atiLl 由于避雷線與導(dǎo)線間的耦合作用，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生耦合電壓 ，故雷擊處避雷線與導(dǎo)線間的空氣間隙S上所承受的最大電

11、壓 為： 可見(jiàn)，雷擊避雷線檔距中央時(shí)，雷擊處避雷線與導(dǎo)線間的空氣間隙S上的電壓與耦合系數(shù)、雷電流陡度以及檔距長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)此電壓超過(guò)空氣間隙S的放電電壓時(shí)，間隙將被擊穿造成短路事故。)1 (2)1 (00KZZZZvlaKUUbbAsAKUsU 經(jīng)過(guò)我國(guó)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的修正，規(guī)定按下式確定應(yīng)有的S值:當(dāng)發(fā)生雷擊避雷線檔距中央時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)擊穿事故。 對(duì)于大跨越檔距，若 大于雷電流波頭，則相鄰桿塔來(lái)的負(fù)反射波到達(dá)雷擊點(diǎn)A時(shí)，雷電流已過(guò)峰值，故雷擊點(diǎn)的最高電位由雷電流峰值所決定。導(dǎo)地線間的距離S將由雷擊點(diǎn)的最高電位和間隙平均擊穿強(qiáng)度所決定。mlS1012. 0bvl /6.2.3繞擊時(shí)的過(guò)電壓和耐雷

12、水平繞擊時(shí)的過(guò)電壓和耐雷水平繞擊率 裝設(shè)避雷線的線路，使三相導(dǎo)線都處于它的保護(hù)范圍之內(nèi)，仍然存在雷繞過(guò)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 。 一旦出現(xiàn)這種情況，則往往會(huì)引起線路絕緣子串的閃絡(luò)。模擬試驗(yàn)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)均證明： 之值與避雷線對(duì)邊相導(dǎo)線的保護(hù)角 ，桿塔高度 及線路通過(guò)地區(qū)的地形地貌等因素有關(guān)：對(duì)平原對(duì)山區(qū)apaphhap9 . 386lghpa35. 386lghpaadZZidZ 繞擊時(shí)雷擊點(diǎn)阻抗為 （ 為導(dǎo)線波阻抗），流經(jīng)雷擊點(diǎn)的雷電流波為：導(dǎo)線上電壓為：其幅值為：02/1ZZiidLZddLdzdZZZZiZiu00222/dZdZddLdZZZZ

13、IU002 繞擊時(shí)導(dǎo)線上電壓幅值 隨雷電流幅值的增加而增加，若超過(guò)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(shí)的耐雷水平 可令 等于絕緣子串50%的閃絡(luò)電壓 來(lái)計(jì)算。 “規(guī)程”認(rèn)為故 根據(jù)規(guī)程的計(jì)算方法，35，110，220，330KV線路的繞擊耐雷水平分別為3,5,7,12和16KA左右，其值較雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平小得多ddZZZZUI00%50222IdU%50U2/0dZZ 1004%50%502UZUIddU6.3輸電線路的雷擊跳閘率輸電線路的雷擊跳閘率研究線路雷擊跳閘率須考慮的重要因素 當(dāng)輸電線路著雷時(shí)，若雷電流超過(guò)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

14、地，但由于時(shí)間只有幾十微秒，線路開(kāi)關(guān)來(lái)不及動(dòng)作，只有當(dāng)沿閃絡(luò)通道流過(guò)的工頻短路電流的電弧持續(xù)燃燒時(shí)，線路才會(huì)跳閘停電。 研究線路雷擊跳閘率時(shí)，必須考慮上述諸因素。6.3.1建弧率建弧率 當(dāng)線路著雷后，由沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)為工頻電弧的概率與弧道中的平均電場(chǎng)強(qiáng)度有關(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)實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定工頻電弧的概率，稱為建弧率：)%145 . 4(75. 0E（有效值）壓梯度，絕緣子串的平均運(yùn)行電mkVE/6.3.2有避雷線線路雷擊跳閘率的計(jì)算有避雷線線路雷擊跳閘率的計(jì)算116 . 0pghnb（1）雷擊桿塔時(shí)的跳閘率 每100km有避雷線的線路每年（40個(gè)

15、雷電日）落雷次數(shù)為 次，若擊桿率為 ，則每100km線路每年雷擊桿塔的次數(shù)為 次，若雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平為 ，雷電流幅值超過(guò) 的概率為 ，建弧率為 ，則100km線路每年雷擊桿塔的跳閘次數(shù) 為：bhN6 . 0gghNbg6 . 01I1I1p1n226 . 0pphnab（2）繞擊跳閘率 設(shè)繞擊率為 ，100km線路每年繞擊次數(shù) ，繞擊時(shí)的耐雷水平為 ，雷電流幅值超過(guò) 的概率為 ，建弧率為 ，則每100km線路每年的繞擊跳閘次數(shù)為 ：2IapabpphNa6 . 02I2p年公里次100/)(6 . 02121ppgphnnnab（3）線路雷擊跳閘率 若避雷線與導(dǎo)線在檔距中央處的空氣間隙距離

16、 ，則雷擊避雷線檔距中央一般不會(huì)發(fā)生擊穿事故，其跳閘率可視為零。 因此，線路雷擊跳閘率n為：mls1012. 06.4輸電線路的防雷措施輸電線路的防雷措施u架設(shè)避雷線u降低桿塔接地電阻u架設(shè)耦合地線u采用不平衡絕緣方式u裝設(shè)自動(dòng)重合閘u采用消弧線圈接地方式u裝設(shè)管型避雷器u加強(qiáng)絕緣6.4.1架設(shè)避雷線避雷線的作用 避雷線是高壓和超高壓輸電線路最基本的防雷措施，其主要目的是防止雷直擊導(dǎo)線，此外，避雷線對(duì)雷電流有分流作用，可以減小流入桿塔的雷電流，使塔頂電位下降；通過(guò)對(duì)導(dǎo)線的耦合作用可以減小線路絕緣上的電壓；對(duì)導(dǎo)線的屏蔽作用還可以降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓。架設(shè)避雷線的要求 線路電壓愈高，采用避雷線的

17、效果愈好，而且避雷線在線路造價(jià)中所占比重也愈低。因此規(guī)程規(guī)定:l220KV及以上電壓等級(jí)輸電線路就全線架設(shè)避雷線，110KV線路一般也應(yīng)全線架設(shè)避雷線。保護(hù)角一般采用20 30（為了提高避雷線對(duì)導(dǎo)線的屏蔽效果，減小繞擊率） 。l500KV及以上線路都架設(shè)雙避雷線，保護(hù)角=15，有時(shí)甚至采用負(fù)保護(hù)角（即避雷線位于導(dǎo)線外側(cè)）。l35KV及以下的線路一般不全線裝設(shè)避雷線。（主要因?yàn)檫@些線路本身的絕緣水平太低，即使裝設(shè)避雷線來(lái)截住直擊雷，往往仍難以避免發(fā)生反擊閃絡(luò)，因此效果不好；另一方面，這些線路均屬中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，一相接地故障的后果不像中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)中那樣嚴(yán)重，因而主要依靠裝設(shè)消弧線圈和自

18、動(dòng)重合閘來(lái)進(jìn)行防雷保護(hù)。）6.4.2降低桿塔接地電阻 對(duì)于一般高度的桿塔，降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平防止反擊的有效措施。規(guī)程規(guī)定，有避雷線的線路，每基桿塔的工頻接地電阻，在雷季干燥時(shí)不宜超過(guò)下表所列數(shù)值。土壤電阻率土壤電阻率100及以下1005005001000100015002000以上接地電阻接地電阻1015202530 土壤電阻率低的地區(qū)，應(yīng)充分利用桿塔的自然接地電阻。在高土壤率地區(qū)降低接地電阻比較困難時(shí)，可采用多根放射形接地體，或連續(xù)伸長(zhǎng)接地體，或配合使用降阻劑降低接地電阻。6.4.3架設(shè)耦合地線 在降低桿塔接地電阻有困難時(shí)，可以采用在導(dǎo)線下方架設(shè)地線的措施，其作用是增加避雷線

19、與導(dǎo)線間的耦合作用以降低絕緣子串上的電壓。此外，耦合地線還可以增加對(duì)雷電流的分流作用。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，耦合地線對(duì)降低雷擊跳閘率的作用是很顯著的。6.4.4采用不平衡絕緣方式 為了節(jié)省線路走廊用地，在現(xiàn)代超高壓線路中采用同桿架設(shè)雙回路的情況日益增多。對(duì)此類線路在采用通常的防雷措施尚不能滿足要求時(shí)，還可采用不平衡絕緣的原則，使兩回路的絕緣子串片數(shù)有差異，這樣雷擊時(shí)絕緣子片數(shù)少的回路先閃絡(luò)，閃絡(luò)后的導(dǎo)線相當(dāng)于地線，增加了對(duì)另一回導(dǎo)線的耦合作用，提高了另一回的耐雷水平，使之不發(fā)生閃絡(luò)，以保證另一回繼續(xù)供電。一般認(rèn)為兩回路絕緣水平的差異宜為 倍相電壓（峰值），差異過(guò)大將使線路總故障率增加，差異究竟多少為宜，應(yīng)從各方面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)決定。36.4.5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