高电压技术：第五章电力系统大气过电压及保护

1、雷电是自然中最宏伟壮观的现象也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。 早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质，随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。 雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。 从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是： 雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一 产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损

2、坏。 一、雷电放电的过程 二、雷电参数 三、雷击时计算雷电流的等值电路一、雷电放电的过程水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。 雷云中的电荷分布雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。 二、雷电参数为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计 在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日Td或一个雷电小时Th 由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值年平均雷电日1、雷暴日及雷暴小时 雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有

3、关T 输电线路年平均遭受雷击的次数 ThN100100010单位：次/100公里年我国标准对Td=40的地区，取地面落雷密度指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里雷电日）2、地面落雷密度和输电线路落雷次数主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。 我国有关规程建议取 雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。 3、雷电通道的波阻抗4、雷电的极性 负极性雷击均占7590%，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。 5、雷电流的幅值通常定义雷电流为雷击于低阻接地电阻(30)的物体

4、时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即一般地区，雷电流幅值超过的概率可按下式计算 6、雷电流的波前时间、陡度及波长 雷电流的波前时间T1处于14s的范围内，平均为2.6 s。波长T2处于20100 s的范围内，多数为40s左右。 我国防雷设计采用2.6/40s的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50s。 雷电流波前的平均陡度为 (kA/s)7、雷电流的计算波形在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形 1、双指数波2、斜角波3、斜角平顶波半余弦波 三、雷击时计算雷电流的等值电路LLvijLZZZZvi00v流经物体的电流波与被击 物体的波阻抗有关

5、v当Zj=0时，流经被击物体 的电流定义为雷电流LLvijLZZZZii00一、避雷针和避雷线 二、避雷器 三、防雷接地现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。 避雷针 v保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地从而使被保护物体免遭雷击。一、避雷针和避雷线v保护范围：由模拟试验确定，它只有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完全不受保护 v绕击率：

6、雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象，规程推荐的保护范围是对应0.1%绕击率而言 v避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击避雷线 v作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所 v保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间 v在架空输电线路上多采用保护角来表示避雷线的保护程度 v保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角， 越小，雷击导线的概率越小，对导线的屏蔽保护越可靠对避雷器的基本技术要求 v过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，这需要由两者的伏秒特性的配合来保护 v避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在某次过零时的工频续

7、流，使系统恢复正常二、避雷器1. 保护间隙保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。 缺点： 伏秒特性很陡； 保护间隙没有专门的灭弧装置 产生大幅值的截波 应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。 2. 阀型避雷器变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备绝缘水平的基础。 结构：主要由火花间隙F及与之串联的工作电阻R（阀片）两大部分组成。特点： 对工作电阻（阀片）的首位要求是它应具有良好的非线性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小，让冲击电流顺利泄入

8、地下，且残压不高；在工频电流下，阻值要变大，以利灭弧。 3. 金属氧化物避雷器 氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。1. 接地三、防雷接地电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。电气设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接称为接地。 电力系统的接地分为三类： 工作接地：根据系统正常运行要求设置（0.5-10） 保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用（1-10） 防雷接地：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压（1-30）2、接地电阻接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。 冲击

9、接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲击系数。v当雷电流流过接地装置时，接地体和土壤所呈现的响应不同于工频响应，即冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻 v火花效应和电感效应i的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。3、接地装置 v垂直接地体 v v v水平接地体 v v v接地网) 18(ln2dllRe)(ln22AdhllRe)1(nlLSBRe电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接雷击防护装置。 保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。 变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。 ZnO具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向

10、，正在逐步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。 防雷接地装置可以是单独的，也可以与变电所、发电厂的总接地网连成一体。防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。 电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电 厂等各个环节。 一、输电线路耐雷性能的若干指标 二、输电线路的感应雷过电压 三、输电线路直击雷过电压 输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施效果在工程上用耐雷水耐雷水平平和雷击跳闸率雷击跳闸率来衡量 每100km线路的年落雷次数N 次/(100km.年) 为地面落雷密度； b 为两根避雷线之间的距离； h 为避雷线的平均对地高度； Td 为雷暴日数 一、输电线路耐雷性能的若干指标（1）耐雷水平 耐雷水平是指雷

11、击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。 我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见下表： （2）雷击跳闸率 雷击跳闸率是指折算为统一条件（规定每年40个雷电日和100km的线路长度）下，因雷击而引起的线路跳闸的次数。单位为“次/(100km40雷暴日)”。由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率( ),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压梯度有关。可由下式求得 线路雷害事故发展过程及防护措施 只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电事故。 输电线路防雷措施 v防止雷直击导线 v防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 v防止雷击闪络后转化为

12、稳定的工频电弧 v防止线路中断供电 雷击输电线路过电压分类： 感应雷过电压、直击雷过电压（1） 感应雷过电压的产生（静电感应和电磁感应）二、输电线路的感应雷过电压（2） 无避雷线时的感应雷过电压 规程建议：当雷击点与电力线路之间的水平距离d65m时，导线上的感应雷过电压的最大值为 v雷击点接地电阻较大，最大雷电流幅值可采用I100kA进行估算 v感应雷过电压极性与雷云的极性相反 v相邻导线同时产生相同极性的感应雷过电压，因此相间不存在电位差，只存在对地闪络的可能，但如果两相或三相同时对地闪络，就会转化为相间闪络事故 在d50m以内雷将被线路吸引而击中线路本身dhIuci75当雷直击于导线以外的

13、任何位置而不产生反击时，由于空中电磁场的变化，将会在导线上产生很高的感应雷过电压。研究指出：它与导线的平均高度成正比 当无避雷线时，对一般高度的线路可用下式计算感应雷过电压最大值： a为感应过电压系数（kV/m），数值上等于雷电流的时间陡度平均值，即aI/2.6（kV/s）ccihau)(（3） 有避雷线时的感应雷过电压 当导线上方挂有接地的避雷线时，由于先导电荷产生的电力线有一部分被避雷线截住，即避雷线的屏蔽作用，因而导线上的感应束缚电荷减少，相应的感应电压也减少。 导线上的实际感应雷过电压为)1 (0)()(0)()(cgcigicicihhkuukuu三、输电线路直击雷过电压（1） 雷击

14、杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平-反击 塔顶电位幅值 导线电位幅值 线路绝缘子串上两端电压)6 . 2(titopLRIu)1 (cgctopchhkhauku)1)(6 . 26 . 2(khLRIuctiLi感应雷过电压避雷线在导线上感应电压耐雷水平 有避雷线 无避雷线 v工程实用中往往以降低Ri和提高k值作为提高输电线路耐雷水平的主要途径6 .2)6 .2()1 (%501ctihLRkuI6 .26 .2%501ctihLRuI击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。 2. 雷击避雷线档距中央时的过电压流入雷击点的雷电流波为 雷击点的电压 取雷电流为斜角波头：iL=at 雷击处避雷线与导线间

15、的空气间隙上所承受的最大电压02/1ZZiibLZbbLbZAZZZZiZiu0022)1 (2)1 (00kZZZZvlakUUbbbAS3. 雷绕过避雷线击于导线时的过电压-绕击流经雷击点的雷电流波为 导线上电压为 幅值 绕击时耐雷水平02/1ZZiidLZddLdZdZZZZiZiu0022ddLdZZZZIU002ddZZZZUI00%5022雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击 率P。 P之值与避雷线对边相导线的保护角、 杆塔高度ht及线路通过地区的地形、地貌等因素有关。 平原线路山区线路 有避雷线线路雷击跳闸率的计算 （1）雷击杆塔时的跳闸率（反击率） （2）绕击跳闸率（绕击

16、率） （3）线路的雷击跳闸率 次/100km年 116 . 0Pghnb226 . 0PPhnb)(6 . 02121PPPghnnnbP1雷电流超过反击耐压水平的雷电流 P2雷电流超过绕击耐压水平的雷电流1. 架设避雷线 2. 降低杆塔接地电阻 3. 架设耦合地线 4. 采用不平衡绝缘的方式 5. 自动重合闸 6. 采用消弧线圈接地方式 7. 架设线路避雷器 8. 加强绝缘线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电 所的雷害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变 电设备的内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自 恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防 雷保护与输电线路相比，

17、要求更严格、措施更严密、可 靠。 变电所中出现的雷电过电压的两个来源： 雷电直击变电所； 沿输电线入侵的雷电过电压波。 一、 发电厂、变电所的直击雷保护 二、 发电厂、变电所的雷电侵入波保护一、 发电厂、变电所的直击雷保护发电厂、变电所必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避雷针两类。注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。 变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的

18、空气间距及地下距离的问题。 为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S1应满足下式要求： 为了防止避雷针接地装置与变电所接地网之间因土壤击穿而连在一起，地下距离S2亦应满足下式要求独立避雷针应有的空气间隙 E1、E2为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均冲击击穿场强。 用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和地中距离：二、 发电厂、变电所的雷电侵入波保护装设避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施，它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需要有“进线段保护”与之配合。 避雷器的保护作用基于三个前提： 它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合 它的伏安特性应保证其残压低于被保护

19、绝缘的冲击电气强度 被保护绝缘必须处于避雷器的保护距离之内。 （1）避雷器与被保护设备连接一点（2）避雷器与被保护设备不在一点1()u tTat被保护绝缘与避雷器间的电气距离越大、进波陡度a越大，电压差值 也就越大。 U22()()2 ()2 ()22Uu tTu tbba tTTa tTbblaTav绝缘冲击耐压水平应满足： 阀式避雷器的保护距离： K为变电所出线修正系数 避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压器近一些。（3）变电所的进线段保护保证在靠近变电所的一段不长(一般为l2km)的线路上不出现绕击或反击。 对于那些未沿全线架设避雷线的35kV及以下的线路来说，首先在靠近变电所(l 2km)的线段上加装避雷线，使之成为进线段； 对于全线有避雷线的110kV及以上的线路，将靠近变电所的一段长2km的线路划为进线段。 在进线段上, 加强防雷措施、提高耐雷水平。进线段的作用： 雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变形，降低了波前陡度和幅值； 限制流过避雷器的冲击电流幅值 50%2bbUUIZ流过避雷器的冲击电流Ub阀式避雷器的残压，kV 一、三绕组