杭州临安电网输电线路防雷研究

1、第1章 绪 论1.1 课题的背景和意义雷击是影响电网安全稳定运行的重要因素之一。由于高压输电线路距离长、跨度大、地理分布广，气象条件十分复杂，长期以来，雷击引起输电线路跳闸事件频繁发生，对电网安全运行造成极大的威胁。雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大的比重，据统计，因雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的50%-70%以上。特别是伴随着科学技术的发展，电力系统内部过电压的降低及其导致的事故的减少，雷击引起的线路跳闸事故占据日益主要的地位。因此，寻求更有效的线路防雷保护措施，一直是电力工作者关注的课题。临安市地处浙江的省会杭州西郊。截止到2011年底，截止到2011年底，临安地区管辖的

2、35kV-110kV电压等级的架空输电线路共52条，线路总长684.651公里，其中35kV线路25条，长度284.177公里，110kV线路27条，线路长度为400.474公里。输电线路作为临安地方电网的骨干网架，除了担负着全市电网电能的输送任务外，还与周边地区的输电系统形成环网供电系统，因此35kV-110kV输电网络的安全稳定运行与广大人民群众息息相关。近年来，随着输电线路走廊运行环境持续恶化，线路发生跳闸故障的情况时有发生，下面对临安电网2006-2011年35kV-110kV电压等级输电线路的跳闸原因进行分析，如表1。表1 杭州临安地区35kV-110kV电压等级线路2006-201

3、1年跳闸原因统计表电压等级雷击大风覆冰火灾外力破坏其它合计200645000104620077900012822008841300088200935020003720107501000762011540100257合计37217024386故障占比96.37%0.26%1.81%0%0.52%1.04%100%通过以上表格可以看出，2006-2011年，临安电网中输电线路跳闸的主要原因是雷击，占所有跳闸次数的高达96.37%，输电线路因雷击跳闸故障的频繁发生，极大地影响了供电可靠性和电网的安全运行，同时也影响了人民群众的正常的生产、生活用电，发生严重故障时还会可能会造成变电站停运，给国民经济造

4、成巨大损失。为此，对临安电网输电线路雷害事故频发的原因进行认真分析，找出临安电网输电线路在防雷措施上存在的缺陷和不足，有针对性地提出符合临安电网输电线路实际情况的防雷改造显得必要而迫切。 1.2 国内外研究动态经过几十年的摸索和总结，为了尽量努力降低输电线路雷击故障，提高供电的可靠性和安全性，人们提出了很多关于如何更好的进行防雷的分析方法和具体措施。从输电线路的发展过程来看，其防雷保护大体上经历四个阶段：第一阶段：上世纪三十年代以前，由于输电线路电压等级普遍不高，研究主要以防感应雷为主，主要防雷措施是装设耦合地线，增加耦合系数，减小线路上的感应过电压。第二阶段：上世纪三十年代至五十年代，人们对

5、雷电有了更深的了解和认识，归纳了表征雷电的参数，开始意识到直击雷是高压输电线路跳闸的主要原因。因此，人们经过研究，产生了有效防止直击雷和保护输电线路导线的的计算方法。第三阶段：上世纪五十年代至六十年代，美国345kV线路发生了非常多的绝缘闪络，人们对以前的防雷计算方法和研究数据进行了重新评估。这样使得输电线路的防雷研究有了很大的发展，也在线路的理论分析、现场实测、模拟试验和运行经验等方面有了极大的提高。第四阶段：上世纪六十年代至今，人们将模拟试验、现场实测、概率统计和计算机进行了密切联系，使现在的防雷保护在理论和实践上有了大幅提升。在实际的高压输电线路防雷中，经常采取的传统措施有架设避雷线、降

6、低杆塔接地电阻、提高线路的绝缘水平、采用负保护角或减小避雷线屏蔽角、安装线路避雷器等。但诸多方法都各有利弊，对于分布在山区高土壤电阻率的易击段与易击杆塔所在线路，降低杆塔接地电阻难度较大，难以达到规程要求。而提高绝缘水平将会使杆塔更宽更高而受到杆塔结构及走廊宽度的限制，即使方案可行也会使投资增加很多，经济效益较差。对于采用负角保护、减小屏蔽角与多重屏蔽的方法将受到杆塔结构的限制，对于一些老线路的改造难以进行，且由于山区线路地形限制，经过山坡的线路绕击率高，使绕击雷对线路造成的故障率高的问题没有好的对策。采用不平衡绝缘，对于一般的线路来说难度较大，如果仅是对多回路线路中的一回线路加大绝缘子的干弧

7、距离，则有可能导致线路的电气间隙距离不足。而对于防绕击避雷针及可控避雷针而言，近年来的运行经验已经证明，避雷针在预防雷电绕击的同时，也起到了引雷的作用，不少安装了避雷针的线路依然出现了跳闸的情况。此外，防绕击避雷针还出现了因为运行时间太长导致地线断线的情况，给输电线路的安全运行带来新的威胁。在高压输电线路的防雷措施中，各国都在进行大量的研究。国外较早研制出一种新技术，即线路型避雷器。美国AEP和GE公司1980年开始研制用于线路防雷的线路型避雷器，1982年lO月有75只在138kV线路上投入运行，结构上采用了环氧玻璃筒包裹ZnO阀片，筒外套上橡胶裙套。1993年，在Port Washingt

8、on和Pecongic地区的三回线路上加装了线路型避雷器，并采用了不同间距的配置方案，连续观察了三年，取得了大量的实用资料和安装、运行经验。日本自1986年开始研制输电线路限制雷电过电压的线路型避雷器，年底研制出 77kV线路防雷用线路型避雷器，1988年研制出275kV线路防雷用线路型避雷器，到1990年已在33-275kV系统的610km线路上运行了4670只线路型避雷器，1992年500kV系统输电线路防雷用线路型避雷器已投入运行。到2009年3月止，避雷器在日本的总安装量为351000相，这一数据大约是10年前的四倍。从1993年三月起，500kV及以下等级线路开始大力推广使用。这些线

9、路型避雷器在运行过程中所起的作用被大量的避雷器动作纪录所证明。最先的成功纪录是在1991年7月275kV线路上以及在1992年8月 500kV线路上获得的。前苏联列宁格勒工业大学从80年代中期开始，进行了一系列的线路型避雷器的研究。现已研制出ll0-1150kV系列线路用避雷器，用于一般输电线路和紧凑型输电线路。线路型避雷器在我国是从1993年开始研制和应用的。1993年，清华大学研制出110110kV无间隙的线路避雷器，安装在承德山区多雷地区的线路；1996年清华大学与中能公司合作研制出110110kV带间隙的线路合成绝缘避雷；500kV线路避雷器1999年9月通过技术鉴定，并成功挂网运行。

10、加装避雷器以后，当输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部分雷电流从架空地线传入相临杆塔，一部分经塔体入地，当雷电流超过一定值后，避雷器动作加入分流。大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相临杆塔。雷电流在流经架空地线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和架空地线上产生耦合分量。因为避雷器的分流远远大于从架空地线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络，因此，线路避雷器具有很好的钳电位作用，这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。通过对我国线路避雷器的运行情况进行跟踪，证明避雷器的防雷效果是较好的。1

11、.3 课题研究的内容主要通过对临安电网近年来输电线路雷击跳闸的数据进行分析，找出线路遭受雷害的规律和存在的问题，并结合现有输电线路上的防雷效果进行总结分析和评价，对临安电网输电线路提出有针对性的防雷措施。阐述大气过电压计算理论及其对输电线路影响。通过对输电线路所处的地形地貌、线路沿线的落雷情况和气候情况、线路的绝缘配置情况、雷击杆塔的相位、接地电阻、保护角等的研究讨论，找出雷击故障线路所处的区域、线路类型以及存在的共同点。通过对各种防雷措施的效果进行理论的评估分析，并结合临安局已采取的防雷措施进行验证，讨论影响耐雷水平的诸多因素变化时对提高线路耐雷水平的影响，分析研究各种可能的过电压水平。最后

12、，在对临安电网实际雷击情况的统计和分析并找出规律的基础上，提出具有一定工程价值的提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率的综合防雷措施。 1.4 研究方案及难点通过对目前临安电网输电线路的整体运行状况进行分析，结合历年来的雷击跳闸情况及雷电活动的数据，找出线路存在的薄弱环节。针对这些薄弱环节，从理论上对各种防雷措施的效果进行分析，并结合实际情况对某35kV或110kV线路提出防雷改造建议，对比线路改造前后的雷击跳闸情况，验证各种防雷措施在临安电网35kV或110kV线路上实施的可行性。分析目前防雷改造工作存在的技术、经济和政策上的问题，找出这三者之间的平衡点，最终制定出符合临安地区输电线路运行的防雷改

13、造措施。存在的难点：（1）大量现场数据的采集；（2）选用合适的高电压理论对线路遭受雷击的原因进行分析；（3）从理论上对输电线路防雷措施的效果进行综合评估；（4）防雷措施的制定必须绕过有效但又无法开展的设计及施工阶段。第二章 输电线路雷击过电压的原理2.1雷电放电的过程雷电的发生与与雷云存在密不可分的联系，人们通常把发生雷电的云成为雷云。实际上与雷电有关的云有多种，但最重要的是积雨云，因为它是最常见的雷电灾害发生的大气环流背景。积雨云中的大气电场较为强烈，平均值的变化范围可以达到104V·m-1至105V·m-1数量级。雷电的形成可以概括为：当积雨云带有大量电荷，由于静电感应

14、作用，在积雨云的下方地面或地面上的物体附近的电场强度足够大时，发生积雨云和地表(或地面上的物体)之间空气被击穿的局部放电，即雷电现象。根据发生的位置不同，雷电可分为云闪和地闪两类。云闪是云层中和云层间的放电，对地面上的构筑物没有很大的影响，而地闪则是云内电荷中心与大地和地物之间的放电过程，对地面上的构筑物、电力设备危害较大，是防雷的主要研究对象。雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷符号决定的。广泛的实测表明，90%左右是负极性雷。雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，而每次放电又可分为先导放电、主放电和余晖放电三个阶段。先导放电阶段以常见的负极性云地闪电为例，当云中负电荷中心的电场强度

15、达到106V·m-1左右时，附近的电场达到足以使空气绝缘破坏的强度(约3000k V·m-1)时大气就会发生电击穿，获得足够大动能的电子撞击气体分子使其电离，从而产生大量离子，这部分气体就成为导电介质，并具有气体发光现象，通常称这部分导电的气体为流注。这部分流注状导电气体是逐级向下方延伸的，靠电场给予的动能去碰撞前方的气体分子，呈现电子雪崩式导电，它基本上沿着电场作用力的方向（垂直与地面）。但由于运动的惯性和碰撞的概率，每个电子的速度和方向因很多随机因素造成导电气体的向下发展并不是垂直向下，这一段暗淡光柱时一条弯曲有分叉的折线段，逐渐向下方推进，因而又称先导放电为为阶梯先导

16、。它向下推进的平均速度为1.5×105 m·s-1,单个阶梯的长度平均为50m,各阶梯间的间隔时间平均为50s左右。主放电阶段当阶梯先导到达距离地面约5-50米时，地面的突出或较高物体上出现感应电荷，使局部电场畸变增强，先导通道的发展将沿着其前端到感应电荷集中点之间发展。此时放电通道的发展便具有定向性，或者说雷击点有选择性，上述使先导通道具有定向性的高度，称为定向高度。先导引发地面形成很强的大气电场并产生回击，它实际上是引起地面空气产生向上的流注，这流注与下行先导接通，就形成一个直通云中负电荷区的导电通道。云中负电荷迅速流入这个通道冲向大地，电流十分巨大，形成很亮的光柱，同

17、时伴随巨大的雷鸣，这便是主放电阶段。主放电的推进速度也比阶梯先导要快很多，平均速度为5×107 m·s-1，放电时间非常短，约为50-100s，放电通道的直径平均为几厘米，峰值电流可以达到数十甚至数百千安。形象的说，先导的发展像是将一条具有很高负电位的长导线由上向下延伸，而主放电的发展则是将导线在其下端接地短路，只是导电的雷电通道是游离空气而不是金属，因此沿雷电通道传播的波速也就不同与金属导线中的波速。余晖放电阶段主放电完成后，云中剩余的电荷将沿雷电通道继续流向大地，这时在拍摄的照片上看到的是一篇模糊发光的部分，称为余辉放电。余辉放电电流仅103-101A，持续的时间约为0

18、.030.15s。 上述三个阶段组成了下行负极性雷的第一个分量，而雷电的放电过程一般并不就此结束，而是后续还有几个或十几个分量，后续分量存在的原因可能是雷云中存在几个电荷中心。每个后续分量依然是由先导阶段、主放电阶段和余晖放电阶段所组成。由于原先的通道没有充分的脱离游离，后续分量的先导沿着第一分量的通道前进，不再分级。后续分量的放电机理与第一分量相同，电流幅值只有第一分量的1/2-1/3，但其电流上升的陡度比第一分量大3-5倍，会在感性被击物体上造成较高的过电压。因此，各分量中的最大电流和电流增长的最大陡度是造成被雷击物体上过电压、电动力和破坏力的主要因素，在余晖放电中流过较长时间的电流是造成

19、雷电热效应的重要因素之一。2.2输电线路绝缘子雷击闪络原理在强电场中的固体绝缘介质，若其绝缘性能大于其周围气体介质，则气体介质先于固体介质击穿。实践证明，气体介质的击穿总是以沿着固体介质表面闪络的形式完成，沿面闪络电压总是小于气体介质的击穿电压。输电线路遭受雷击后，会产生雷电波沿着输电线路导线或架空线传输，在输电线路雷击点周围产生畸变的高电场，形成局部的过电压，这个过电压称为大气过电压。对于输电线路上电气绝缘性能良好的绝缘子，因为它的击穿电压总是比它的表面闪络电压高约30%-50%，因此大气过电压只能令绝缘子表面放电闪络。由于雷击过电压使绝缘子表面周围的空气游离，形成放电通道，随后强大的工频短

20、路电流通过形成持续的电弧，最终造成绝缘子表面灼伤或损坏。如果绝缘子运行工况不良，其绝缘电阻已经较低或为零，雷电闪络放电时还会造成绝缘子击穿、炸裂甚至烧熔，引起导线落地，造成永久性事故。2.4雷电参数为了对大气过电压采取合理的防护措施，人们对雷电现象进行了长期的观测，积累了丰富的测量资料，并对此进行统计，获得了描述雷电活动规律和雷电流的统计参数，这些数据主要包括雷电流幅值波形、雷暴日和雷暴小时、地面落泪密度和输电线路落雷次数等。2.4.1 雷电流的幅值雷电流是一种非周期变化的冲击波，其幅值Im是个随机变量，大小变化范围很大，必须对大量的实测数据进行统计才能得到其分布特性。在我国，传统采用经验公式

21、来表达雷电流幅值概率： （2-1）式中Im为雷电流幅值，单位为kA，P为雷电流幅值超过Im的概率。近几年，一些研究人员根据新的观测统计结果，提出将（2-1）式修改为 （2-2）例如，取Im为60kA，代入（2-2）式中，可求得P为21%，即每100次雷电放电中有21次雷电流幅值超过60kA。2.4.2 雷电流的波形近年来大量的观测和研究表明，雷电流的波形为单极性的脉冲波。雷电流的波头和波尾都是随机变量，波头一般在1-4s内，我国防雷计算建议取波头时间为2.6s，波尾时间一般在20-100s，平均波尾在40s。雷电流的陡度即雷电流随时间的变化率，其大小由雷电流的幅值和波头时间决定。实测表明，雷电

22、流幅值增加时雷电流陡度也随之增加，在防雷设计中，为了简化分析和计算，将雷电流幅值与陡度表示为线性关系，即： （2-3）式中，为雷电流的陡度，为雷电流幅值，为波头时间。大量的观测和研究得出了各种不同的雷电波形，对任意一种波形都很难用一个数学表达式来表示。为了便于在防雷设计中进行定量分析和工程计算，人们对雷电波进行了分析、总结、归纳，对雷电波的等值波形作出了规定：在我国，一般线路防雷设计中雷电波形状取斜角波，波形斜率由式（2-3）确定，等值斜角波的波尾部分可以无限延长，也可以固定斜率衰减。在特殊高塔防雷设计时，可用半个余弦波头来进行等值分析，在波头范围内雷电流表达式为：式中，为等值角频率，它与波头

23、时间的关系为，为波头时间。2.4.1雷暴日与雷暴小时在进行防雷设计或采取防雷措施时，必须以该地区的雷电活动具体情况为依据。雷暴是一种伴随有大风、降雨、雷电等多种强烈大气现象的中小尺度天气过程，雷电发生在雷暴的活动期，因此描述雷暴活动气候的时空分布特征可以反映雷电活动情况。某一地区雷电活动的频繁程度，可用该地区的雷暴日或雷暴小时来表征。雷暴日是指当天发生雷暴的日子。一天内，只要听到一次或一次以上的雷声就作为一个雷暴日，而不论该天雷暴发生的次数和持续时间。雷暴小时是指在一个小时内只要听到一次或一次以上的雷声就作为一个雷暴小时。雷暴日和雷暴时分为月雷暴日（时）、季雷暴日（时）和年雷暴日（时）及其平均

24、雷暴日（时）。由于年平均雷暴日和年平均雷暴时是多年平均的结果，更能反映出一个地区雷暴活动的多年平均实际情况，在雷暴气候统计中被广泛使用。我国各地年雷暴日和雷暴时的大小与当地所处的纬度及距离海洋的远近有关。根据统计，大多数地区雷暴小时与雷暴日的的比值在3左右。全年平均雷暴日小于15日的地区为少雷区，如西北地区；超过40日的地区为多雷区，如长江流域和华北地区；超过90日的地区为高雷区，如华南一些地区，在防雷设计上要因地制宜区别对待。表2-1 我国长江三角洲地区一些城市年平均雷暴日城市名雷暴日数杭州市37.6上海市28.4宁波市40.0南京市32.6苏州市28.1温州市51.02.4.2地面落雷密度

25、对于雷电放电来说，云间放电的次数要多于云地间放电的次数，而雷暴日和雷暴小时没有对这一情况加以区分。从防雷的角度来说，云地放电的频数是确定雷电对人类和构筑物影响的最重要的参数。雷云对地放电的频度用地面落雷密度来表示，其定义是每个雷暴日在每平方千米地面上遭受的雷击次数，单位为次·km-2。由于国内传统的线路防雷设计中无法获得年落雷密度，现行规程中用×T得到该地区的年落雷密度，即Ng。通常在40雷暴日情况下，取经验数据0.07，对应的年落雷密度Ng即为2.8。在传统线路防雷的设计环节中，基于雷电观测手段的局限性，存在一系列的假设和经验公式。近些年，随着雷电定位系统的成熟和应用，各

26、地电网企业对雷电参数开展了精细化研究，统计分析本地落雷密度，并进行了落雷密度分布图的绘制。并应用于本地区的输电线路防雷工作。2.4.3输电线路落雷次数对于输电线路来说，由于其高出地面，遭受雷击的可能性较大。根据试验结果和运行经验，输电线路的等值受雷面积的宽度为4倍导线（或地线）的平均高度。在计算每年每百公里的线路雷击次数N时，一般采用了近似公式进行计算：N0.1×T（b+4hav） 式（2-4）其中T为年雷暴日数；表示每一雷暴日、每平方公里的地面落雷次数，单位：次/km2.雷暴日；×T的乘积表示该地区的年落雷密度，单位：次/km2.a；hav为地线（或者导线）的平均高度；4

27、*hav为等值受雷面积的宽度；b为两根地线之间的距离。2.5输电线路大气过电压的计算输电线路上出现的大气过电压主要有两种，一种是雷击线路附近的地面时，因为雷电通道周围空间电磁场的剧烈变化，输电线路由于电磁感应作用所引起的过电压，称为感应雷过电压；一种是雷电直接击中线路或杆塔引起的，称为直击雷过电压。2.5.1、感应雷过电压及其计算当雷云在输电线路上空开始先导放电阶段时，由于静电感应，在先导通道上的一段导线将感应出与雷云电荷异号的电荷，这就是束缚电荷，而与雷云同号的电荷，则通过线路的泄露电导和中性点流入大地。当雷云对输电线路附近地面放电，由于先导通道中的电荷被迅速中和，先导所产生的电场迅速降低，

28、输电线路上的束缚电荷就得到释放，分别沿导线两侧运动就形成感应雷过电压，这种由静电场突变而引起的感应电压又称为静电分量。与此同时，雷电流还在放电通道周围空间产生了强大的磁场，磁场的变化也会使导线感应出很高的电压，这种由磁场突变引起的感应电压称为电磁分量，即静电分量和电磁分量是感应雷过电压的两个主要组成部分，且感应雷过电压的极性与雷电流极性相反。(l)无避雷线时的感应雷过电压根据一些研究和测量结果，我国规程建议，当雷击点与输电线路的距离S大于65m时，导线上产生的感应雷过电压最大值可按照下式计算:（2-5）式中Im为雷电流幅值，单位kA，hd为导线悬挂的平均高度，单位为m，S为雷击点至线路的距离，

29、单位为m。从式（2-5）可以看出，感应过电压的幅值与雷电流幅值Im及导线平均高度悬挂成正比关系，导线挂点越高，其对地电容就越小，感应电荷产生的电压就越高；与雷击点到线路的距离S成反比关系，距离越远，感应过电压越小。由于雷击线路附近地面时，雷电通道中的自然接地电阻比较大，因此雷电流的幅值一般不会超过100kA，感应雷过电压一般也不会超过500kV，对于110kV及以上的线路，由于其绝缘水平较高，一般不会引起闪络；而对35kV及以下线路可能会引发闪络事故，但由于感应过电压同时产生于三相导线，相与相之间无电位差，故只会造成对地闪络，当两相或者三相导线同时对地闪络时才会发生相间闪络事故，造成跳闸。当落

30、雷点距离输电线路小于65m时，由于线路的引雷作用，绝大多数落雷将直接击于杆塔上，由于雷电通道形成的电磁场的剧烈变化，导线上将感应出与雷电流极性相反的过电压。当雷击输电线路杆塔时，我国规程建议对40m以下一般高度无避雷线线路，感应雷过电压最大值按如下公式计算（2-6）式中为感应过电压系数，单位kV/m，其值等于雷电流的平均陡度值，根据式（2-3）取=Im/2.6。(2)有避雷线时的感应雷过电压如果输电线路上装设有避雷线，在屏蔽效应作用下，导线上的感应电荷会有所减少，感应过电压将会降低。在避雷线不接地情况下，且落雷点距离输电线路大于65m时，可根据式（2-5）求得避雷线上的感应过电压Ugb和导线上

31、产生的感应过电压Ugd，即：，但实际运行中的输电线路，其避雷线大多是通过杆塔接地的。因此，为保持避雷线的零电位，避雷线上相当于有一个-Ugb来抵消感应过电压Ugb，这个-Ugb将会在导线上产生耦合电压为k (-Ugb)，k 为导线与避雷线间的耦合系数。因此，导线上的感应过电压将变为Ugd-k Ugb，若导线与避雷线挂点高差不大，则Ugd-k Ugb近似等于Ugd（1-k）。当落雷点距离输电线路小于65m时，根据前文分析，感应雷过电压按下式计算（2-7）2、直击雷过电压及其计算电力系统的防雷的重点是防直击雷过电压。直击雷过电压较为复杂，以下主要分析中性点直接接地系统带有避雷线的输电线路的直击雷过

32、电压，从雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中央和雷电绕过避雷线直击导线即“绕击”三种情况来分析，阐明其过电压计算方法。(l)雷击输电线路杆塔时的过电压雷击杆塔顶端时，以雷击点即杆塔顶端为起点，将有三个方向的雷电流波的运动，分别为沿杆塔向下运动的分量和沿两侧避雷线向相邻杆塔运动的分量，作用在线路绝缘上的过电压就是由这三个分量引起。由于避雷线对雷电流起到分流作用，因此流经杆塔的雷电流igt将小于雷电流im，即igt=im。为分流系数，对35kV-110kV单避雷线线路值一般取0.9，双避雷线线路值一般取0.86。塔顶电位的幅值Utd则为：（2-8）式中，Im为雷电流幅值，Rch杆塔的冲击接地电阻，Lgt

33、为杆塔的等效电感。当塔顶电位产生的同时，由于避雷线与杆塔塔头直接相连，则避雷线的电位也为Utd。由于导线与避雷线之间的耦合作用，导线上将出现一个值为kUtd的耦合电压，其极性与雷电流极性相同。另外，根据式（2-7），导线上还会产生与雷电流极性相反的感应过电压，则导线上的电位幅值Ud为因此，加在线路绝缘子串两端的电压幅值Uj即为塔顶电位与导线电位之差，即+代入式（2-8）及=Im/2.6，得（2-9）实际运行中的输电线路，一并作用在线路绝缘上的电压还有导线上的工频电压，但对于110kV及以下电压等级线路，其所占的比重可忽略不计。(2)雷击避雷线档距中央时的过电压雷击避雷线档距中央时，雷电流则沿避

34、雷线向相邻杆塔运动，雷击点电位幅值可按下式计算： （2-10）式中，a为雷电流陡度，l为雷击点所在的档距长度，为雷电流在避雷线上的运动速度，为雷电流通道的波阻抗，为雷电流在避雷线中的波阻抗。由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将耦合出一个电压，加载在避雷线与其下方导线间的空气间隙上的电压幅值- （2-11） (3)“绕击”时的过电压对于装设有避雷线的输电线路，有可能发生雷电绕过避雷线而直击导线的情况，即“绕击”。即便这种概率不高，但一旦发生将会引起线路绝缘子串闪络。绕击发生时，导线上电压幅值即线路绝缘上承受的电压幅值为（2-12）式中，Im为雷电流幅值，为雷电流通道的波阻抗，为雷电流在避雷线中

35、的波阻抗。在输电线路防雷工程的实际应用上，更关注线路的绕击率。根据模拟试验和实际运行经验，人们认为绕击率与避雷线对最外侧导线的保护角度，输电线路杆塔的高度h以及线路所处的地形地貌等条件有关。我国现行规程用以下公式计算线路的绕击率线路位于平原地区 （2-13）线路位于山区 （2-14）从式（2-13）（2-14）可知，线路绕几率随着杆塔高度的增加而增大，随着避雷线保护角的增加而增大，山区的线路绕几率大致为平原地区的3倍，或在保证同等绕几率情况下保护角需减小8度。3、输电线路耐雷水平的计算从上述分析可以知道，不管是感应雷还是直击雷都会造成输电线路杆塔或导线的电位升高，从而引起线路绝缘上的电位差增大

36、。加载在线路绝缘上的过电压幅值随着雷电流的增大而增大，当过电压幅值大于绝缘子的冲击闪络电压时，绝缘子串将会发生闪络，而雷击输电线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值称为输电线路的“耐雷水平”，耐雷水平越高则输电线路发生闪络的可能性越小。在二十世纪三十年代，防雷工作以防感应雷为主要研究方向，随着高压输电线路的发展，电网的电压等级不断提高，直击雷已经变为主要矛盾，以下主要分析直击雷耐雷水平的计算。（1） 雷击线路杆塔时由式（2-9）得知雷电直击杆塔时的杆塔电位。当此电位超过线路绝缘50%的冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔上的电位高于导线上的电位，故将此类闪络成为“反击”闪络。此时

37、杆塔的耐雷水平可以由50%的冲击闪络电压反求，即(2-15)由式（2-15）可知，雷击杆塔时的耐雷水平与杆塔的冲击接地电阻和导地线之间的耦合系数有关。距离避雷线较远的导线由于其耦合系数较其他导线小，故比其他导线容易发生反击闪络。在实际防雷工程中，人们主要采用降低杆塔接地电阻和增加避雷线以提高耦合系数的办法来提高杆塔的耐雷水平。我国规程规定，各电压等级的输电线路，雷击杆塔时的耐雷水平不应低于表2-2所列数值的规定。表2-2 有避雷线线路的耐雷水平线路额定电压（kV）35110110330500耐雷水平（kA）2030407580120100140125175（2） 雷击避雷线档距中央时由式（2-

38、10）（2-11）得知，当雷击避雷线时，避雷线与导线间空气绝缘两端的过电压与档距l，雷电流的陡度a和耦合系数k相关，若过电压幅值超过空气绝缘就会发生短路事故。因此，在进行防雷设计时，应确保导线与避雷线之间有足够的绝缘距离。我国现行规程对一般档距线路的导、地线间隔距离s作出如下规定：（2-16）只要能够满足此距离要求，则一般不会发生闪络事故。（3）绕击时由式（2-12）可知绕击发生时，线路绝缘子串上的电压幅值为，令等于绝缘子串50%闪络电压可反求出绕击时的耐雷水平。（2-17）我国规程认为，一般取400，则。 根据规程的计算方法，35kV、110 kV、110 kV、330 kV、500 kV线

39、路绕击耐雷水平分别为3.5kA、7 kA、12 kA、16 kA、24 kA左右，其数值较雷击杆塔时的耐雷水平小很多。4、输电线路的雷击跳闸率4.1 建弧率当输电线路遭受雷击时，若雷电流幅值超过线路的耐雷水平，线路绝缘子串讲发生冲击闪络，由于冲击闪络过程极其短暂，仅有几十微秒，远远小于继电保护装置的动作时间，开关来不及动作。只有流入闪络通道中的工频电流建立稳定的电弧并持续燃烧时，线路才会发生跳闸。由冲击闪络演变为工频电弧的概率与闪络瞬时工频电压、电弧通道中的平均场强等因素有关，这个概率即为建弧率，用表示。根据实验和研究，建弧率可按下式进行计算（2-18）式中，E为绝缘子串的平均运行电压梯度，其

40、值随着系统的中性点接地方式不同而不同。对于中性点直接接地系统：（2-20）式中，为线路的额定电压，为绝缘子串的闪络距离。对于中性点不直接接地系统：（2-19）由于中性点不直接接地系统单相闪络并不会跳闸，只有在第二相导线也发生闪络时才会造成线间闪络而跳闸，因此式（2-19）中的和应分别为线电压和相间绝缘长度。4.2 跳闸率的计算输电线路跳闸率是每一百公里线路在一年中有可能发生跳闸次数的统计概率。根据线路雷击闪络的原理不同，跳闸率也分为雷击杆塔跳闸率（即反击跳闸率）和绕击跳闸率。线路的雷击跳闸率为反击跳闸率和绕击跳闸率之和。4.2.1反击跳闸率反击跳闸率的大小与一个地区的年落雷密度、落雷击中杆塔的

41、概率、击中线路雷电流幅值超过线路耐雷水平的概率以及线路的建弧率等因素有关。在实际运行中，击杆率与避雷线的数量以及线路所处的地形地貌有关，我国规程按表2-3取值。表2-3 击杆率 避雷线数量地形012山地0.50.250.17平原10.330.25根据前文2.4.2段中所述及式（2-4），在通常的每年40个雷暴日情况下，每一百公里线路每年落雷次数为次，则每百公里线路年雷击杆塔次数为次，若杆塔的耐雷水平为，根据式（2-2）雷电流幅值超过的概率为，建弧率为，那么反击跳闸率为：（2-20）4.2.2绕击跳闸率由式（2-13）（2-14）可知线路的绕击率，则每一百公里线路的年绕击次数为，雷电流超过耐雷水

42、平的概率为，建弧率为，那么绕击跳闸率为： （2-21）4.3.3 线路雷击跳闸率线路的雷击跳闸率即为，整理后如下式 （2-22）第3章 输电线路运行中防雷措施分析近些年，输电线路雷击跳闸故障的高发，对输电线路的可靠运行造成严重影响。由于雷电活动具有不可测性，早些年，很多运行单位抱有“跟天斗，斗不过”的思想，消极应对输电线路的防雷工作，线路的雷击跳闸故障也是屡创新高。近年来，国家电网公司对预防雷电过电压对输电线路的危害越来越重视，先后印发了预防多雷地区变电站断路器等设备雷害事故技术措施、架空输电线路差异化防雷工作指导意见、关于印发输电线路防绕击避雷侧针技术研讨会纪要的通知等指导性文件，浙江省电力

43、公司也出台了浙江电网交流输电线路用有串联间隙复合外套金属氧化物避雷器使用导则，为各输电线路运行单位的防雷工作提供了一定的依据。总体来说，这些指导性的意见具有一定通用性，但未能结合不同地区和不同环境，对防雷的具体措施加以甄别。目前，常用的防雷措施包括采取降低杆塔接地电阻、安装线路避雷器、加强绝缘水平、增加耦合地线等防雷措施以来提高线路的耐雷水平。3.1安装线路避雷器的效果分析 雷击线路杆塔或避雷线时，一部分雷电流通过杆塔和杆塔接地电阻使塔顶对地电位大幅升高，另一部分雷电流通过避雷线流到相邻杆塔。当导线上电位与塔顶电位的差值超过绝缘子串50%的放电电压时，将发生由塔顶至导线的闪络。而加装了线路避雷

44、器的高压输电线路在遭受雷击时，当雷电流超过一定值后，避雷器将动作加入分流，此时大部分的雷电流将从避雷器流入导线，再传播到相邻杆塔。由于导线间的电磁感应作用，雷电流在流经导线和避雷线时，将分别在导线和避雷线上产生耦合分量。由于避雷线分流的雷电流要远远小于避雷器的分流，上述耦合分量就将导线电位拉高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络。雷电流过后，流过避雷器的工频续流仅为毫安级，流过避雷器的工频续流在第一次过零时熄灭，线路断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态。因此，高压输电线路在加装线路避雷器之后，可以利用其电阻的非线性特性来对绝缘子串进行保护，在提高线路防雷水平的基础

45、上进而降低雷击跳闸率，这也是线路避雷器防雷的显著特点。不同地段的线路，避雷器的安装位置也不尽相同。对于单回路线路，当其位于山坡上时，只需要在线路的外边坡侧加装避雷器，就能有效防止绕击；位于山顶的线路，需要在两边相加装避雷器。双回路或多回路线路，为了防止同跳，对于接地电阻较大的杆塔，需在三相都加装避雷器。线路避雷器的保护范围主要是针对安装的相位和杆塔，对于相邻的杆塔，其保护作用很小。通过实验室计算，在110kV输电线路中，按照常规的档距来算，线路避雷器对相邻的杆塔的反击耐雷水平改善非常有限，一般情况仅能提高2kA左右，对绕击耐雷水平可以忽略不计。在评估时，可以认为线路避雷器可以使安装相的雷击跳闸

46、率降为0，对相近的杆塔的耐雷水平的影响基本没有。由此，在计算线路加装避雷器后的绕击跳闸率时，可以根据如下规则进行：单回路线路山坡外侧相安装避雷器后的绕击跳闸率为0，山顶线路边相安装避雷器后的绕击跳闸率只有原来的一半，若两边相均安装，则绕击跳闸率也为0。图3-2反应的是110kV输电线路同塔双回线路，不同杆塔接地电阻不同线路避雷器安装方式下的跳闸率，在接地电阻较大的时候，加装了避雷器的线路，其雷击跳闸率减低地比较地非常明显。如果在加装避雷器前，先降低杆塔的接地电阻，那取得的效果将会更加显著。图3-2 110kV输电线路不同杆塔接地电阻不同线路避雷器安装方式下的跳闸率 3.2降低接地电阻的效果分析

47、 输电线路杆塔的接地装置将直接击于输电线路的雷电流引入大地，其通过杆塔或引下线与避雷线相连，以阻止杆塔电位升高，减少雷击引起的绝缘闪络故障。低接地电阻无疑降是提高线路耐雷水平、防止线路反击跳闸最为有效和经济的方法。对于杆塔接地装置，其冲击接地电阻值越低，雷击时加在绝缘子串上的电压就越低，发生雷击闪络的几率就越小。根据实验得到如图3-1的曲线，其反映了110kV线路的反击跳闸率与接地电阻的关系。从图中可以看出，杆塔的反击跳闸率与接地电阻的增大具有明显的正关联性。杆塔的高度越高，反击跳闸率相应也就越高。这主要是因为杆塔越高，则线路就越容易引雷，从而遭受雷击的概率也随之越高，另一个原因是因为线路的耐

48、雷水平与杆塔的高度成反比例。通过对不同类型的杆塔进行对比发现，在杆塔高度相同的情况下，耐张塔的反击跳闸率要低于猫头塔，这主要是因为猫头塔中避雷线与两侧的导线间的距离比较远，使得其耦合系数较小，导致其耐雷水平较低，从而容易遭受雷电反击。同杆多回路下路，由于其杆塔相对较高，塔身尺寸较大，导致其引雷面积变大，因此遭受反击的机会也就越大。由于无法对在运线路塔身的结构进行改变，因此更应该控制好杆塔的接地电阻。从图3-1可以看出，当杆塔的接地电阻降到10时，一般高度的110kV线路杆塔的反击跳闸率可以降低到2.0次（100 km·a)以下。图3-1 110 kV杆塔接地电阻对反击跳闸率的影响3.

49、3加强线路绝缘水平的效果分析 不同的地区，采用的设计标准可能会有差别。通常情况下，110kV线路的绝缘子片数最少要求7片，有些地方执行的是最低配置标准，有些地方则会比最低配置多出几片。在这种情况下，对于遭受雷击跳闸的线路，可以通过加强绝缘的方式进行改造。3.3.1加强绝缘对反击跳闸率的影响图3-3描述的是110kV线路不同杆塔接地电阻下加强绝缘对雷击跳闸率的影响。从图中可以看出，在呼高相同的情况下，通过加强绝缘能够较为明显的降低杆塔的反击跳闸率。当杆塔的接地电阻大于20时，110kV输电线路每增加1片绝缘子能够使杆塔的耐雷水平提高10A左右，这对于处于高电阻区的杆塔来说，增加绝缘能有效地降低反

50、击的概率。从图中还可以分析得出，处于低电阻区的线路，通过加强绝缘的效果比处于高电阻区的线路要差。当接地电阻等于30时，110kV输电线路每增加一片绝缘子能够使得线路的反击跳闸率降低1.2次/（100km·a)，作用相当明显。图3-3 110 kV同杆双回塔增加绝缘对跳闸率的影响3.3.2加强绝缘对绕击跳闸率的影响增加玻璃或瓷质绝缘子的片数以及增加合成绝缘子的长度，可以从两个方面提高线路的耐雷水平，一是增加绝缘子长度对于大部分处于正保护角的杆塔，能够在一定程度上降低保护角，提高避雷线的屏蔽保护作用，二是能够增加外绝缘的强度，提高绝缘子承受雷电过电压的能力。在现实的运行中，由于杆塔的结构

51、原因，要想大幅度地增加绝缘子串的长度难以实现，因而对避雷线的保护角影响甚微。增加绝缘子串长度只能提高线路耐雷水平。对于110kV线路，每增加一片绝缘子，大约只能能够提高1kA左右的绕击耐雷水平。由此可以得知，由于线路增加的绝缘长度有限，对于防绕击的线路而言，增加绝缘强度并不能较大幅度地降低线路的雷击跳闸率。3.4增加耦合地线等措施的效果分析 除了前面所列的降低杆塔的接地电阻、安装线路避雷器和加强绝缘外，另外还有一些措施能够提高输电线路的耐雷水平，这些措施包含加装耦合地线、降低避雷线的保护角以及加装侧向避雷针。从实验的效果来看，加装耦合地线的防雷效果与加装两片绝缘子的差不多，对提高线路的耐雷水平

52、并不突出。此外，从加装耦合地线的经济性来看，其设计、施工以及所用的停电时间都比一般措施占用的资源多，其建设总投入大大地超出了增加绝缘子片数的措施。因此，加装耦合地线的措施，其性价比太低，从技术上可以考虑，但是实际应用中考虑较少。降低避雷线的保护角，此方法对于新建线路可以在设计时考虑，对于已建线路基本没有可操作性。此外，前几年通过加装侧向避雷针来防雷的措施比较普遍，但是由于其防绕击的同时，也引来了雷电，且加装在避雷线上的侧针在长时间的摆动下，容易对地线造成磨损，目前根据国网公司下达的文件要求，已不再建议安装侧向避雷针30-33。第4章 110kV线路综合防雷措施及评估临安局管辖的110kV架空输

53、电线路板桥1280线、岗金1287线是从110kV岗阳变电所到110kV板桥变电所的线路，线路全长约13.6km，共有杆塔44基，两条线路1#-28#同杆双回路架设，29#至末端变电所分列架设。线路于2006年10月投入运行。板桥1280线、岗金1287线1#-20#所处的地形平地，21#-44#所处的地形为山地。线路的路径走向如图4-1。图4-1 板桥1280线、岗金1287线全线的路径走向图4.1 板桥1280线、岗金1287线雷击跳闸情况板桥1280线、岗金1287线投运以后，在2006年-2008年期间共发生过10次雷击跳闸故障，且有4次发生的是同跳。由于这两条线路是供临安板桥地区的主

54、要供电线路，线路同时跳闸，给110kV板桥变电所对本地区的安全供电带来严重威胁。板桥1280线、岗金1287线的雷击跳闸情况统计如表4-1。表4-1 板桥1280线、岗金1287线雷击跳闸情况统计表序号年份线路名称跳闸时间杆塔号及地形事故情况摘要12007岗金1287线7月22日18：1423#高山经查发现岗金1287线23#塔A相大号侧合成绝缘子均压环有雷击痕迹，该塔接地电阻为15.3 (地形：高山) 22008板桥1280线7月12日18：006#平地经查找发现6#耐张塔B相小号外侧导线端第一片瓷瓶雷击闪络。该塔接地电阻为2.4 (地形：高山)32008板桥1280线7月12日18：202

55、6#(高山)经查找发现26#直线塔C相合成绝缘子雷击1只，接地电阻6.9。42008板桥1280线7月12日18：2935#(高山)经查找发现35#直线塔合成绝缘子A相雷击1只、B相雷击1只、C相雷击2只，接地电阻8.2。52008岗金1287线7月12日18：0339#(高山)经查找发现39#耐张塔A相小号侧瓷瓶雷击破碎1片、闪烙3片，接地电阻8.9。62008岗金1287线7月12日18:2026#(高山)经查找发现26#直线塔B、C相合成绝缘子各雷击2只，接地电阻6.9。72008板桥1280线8月22日14：3627#(高山)经查找发现27#直线塔A相小号侧合成绝缘子雷击1只，接地电阻

56、5.5。82008岗金1287线8月22日14：3827#(高山)经检查发现27#直线塔A相小号侧合成绝缘子雷击1只，接地电阻5.5。92008岗金1287线8月22日14：3535#(高山)经检查发现35#直线塔A、B相大号侧合成绝缘子各雷击1只，接地电阻12.6。102009板桥1280 线2月24日22:2634#(高山)经检查发现34#塔A、B相合成绝缘子各雷击一只。接地电阻6.8。112009岗金1287线8月26日16:2722#(高山)经检查发现22#塔B相瓷瓶闪络6片。接地电阻13.5。122009板桥1280线8月26日16:3822#(高山)经检查发现22#塔B相瓷瓶闪络7片。接地电阻13.5。132009板桥1280线8月26日16:2721#(高山)经检查发现21#塔C相跳线有雷击痕迹。接地电阻6.1。142010岗金1287线8月18日15：4626#(高山)经查发现26#直线塔（双串）A相大号侧合成绝缘子雷击1串，C相大号侧合成绝缘子雷击1串。接地电阻6.9。152010板桥1280线8月18日15：4626#(高山)经查发现26#直线塔（双串）A相大号侧合成绝缘子雷击1串，C相大号侧合成绝缘子雷