高电压技术 第9章 输电线路的防雷保护_XL

1、高电压技术广东工业大学广东工业大学 自动化学院自动化学院徐亮徐email:输电线路的防雷保护 教学目标1.掌握输电线路感应雷过电压、直击雷过电压形成的物理过程及其危害。2.掌握反击和绕击情况下的输电线路耐雷水平及雷击跳闸率的计算3.掌握输电线路的防雷保护措施4.了解雷击线路的电气几何模型教学重点1.输电线路的感应雷过电压；2.输电线路的直击雷过电压和耐雷水平。输电线路雷电过电压分类感应雷过电压感应雷过电压： 由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场急剧变化，会在附近输电线路上产生感应过电压：静电感应和电磁感应两个分量，一般只对35kV及以下线路有威胁。直击雷过电

2、压直击雷过电压： 反击反击：雷击杆塔或避雷线，雷击点电位与导线电位差超过线路绝缘的冲击放电电压时，会对线路导线发生闪络，使导线出现过电压； 绕击绕击：雷电直接或绕过避雷线击中导线； 危害：一是使线路发生短路接地故障，使线路短路器跳闸；另外，形成雷电波侵入变电所，破坏变电站内电气设备绝缘。输电线路的感应过电压产生机理：静电感应 负先导阶段负先导阶段：发展平均速度较低，导线束缚电荷的聚集过程也较缓慢，由此而呈现出的导线电流很小，相应的电压波uiZ也可忽略不计（Z为导线波阻抗）。导线维持原工作电压不变。 主放电阶段主放电阶段：由地面凸起物产生的迎面先导向上发展。下行先导和上行的迎面先导之间发生强烈的

3、放电，上行先导中的正电荷迅速与下行先导中的负电荷中和，相应电场迅速减弱，使导线上的正束缚电荷迅速释放，形成电压波向两侧传播。平均速度很快，导线上的束缚电荷的释放过程也很快，所以形成的电压波uiZ幅值可能很高。 电磁分量电磁分量：在主放电过程中，伴随着雷电流冲击波，在放电通道周围空间出现甚强的脉冲磁场。其中一部分磁力线穿过导线大地回路，产生感应电势，这种过电压为感应过电压的电磁分量。 感应过电压的静电分量和电磁分量都是在主放电过程中，由统一的电磁场突变而同时产生的。由于主放电的速度比光速小得多（一般为光速的1/20到1/2），主放电通道和导线基本上互相垂直，互感不大，电磁感应较弱，因此电磁感应分

4、量要比静电感应分量小得多，并且两种分量出现最大值的时刻也不相同，所以在总的感应过电压幅值中，静电分量将起主要作用。 （a）感应过电压静电分量形成时的先导阶段 （b）主放电阶段 （c）感应过电压的电磁分量形成原理图 感应过电压的特点：感应过电压的特点：波形较平缓，波头时间由几微秒到几十微秒，而波长可达数百微秒。 雷击线路附近大地时导线上的感应过电压计算公式推导： 根据电磁场理论，计及镜象的作用，当雷电流为直角波时，导线上离雷击点最近的一点的感应过电压静电分量的最大值Uc为 （1）电磁分量的最大值Um为 （2）两者之和就是感应过电压的最大值Ui： （3） 以上公式中 I：雷电流幅值（kA）； h：

5、导线对地平均高度（m）；S：导线与雷击点的水平距离（m）； kc(v)、km(v)、k ：式中系数，具有电阻的纲量； v：主放电速度，主放电速度有限，k与v的关系不大。IshvkUcc)(IshvkUm)(mIshkIshvkvUUUmmci)()(kc 实际雷电流不是直角波而具有一定的波头长度，这使k值比直角波时小些。规程建议，当S65m时，取k=25，所以雷击线路附近大地时导线上的感应过电压可由下式近似计算： kV （9-1-1） 计算公式分析 感应电压极性与雷云电荷也即与雷电流的极性相反感应电压极性与雷云电荷也即与雷电流的极性相反。 从产生静电分量静电分量的角度看，雷电流幅值大，是由于先

6、导通道的电荷密度 大，或者由于主放电速度v高。 愈大，其电场强度愈强，导线上的束缚电荷愈多，v 愈高，一定时间内被释放的束缚电荷愈多，这都使静电分量加大。导线平均高度愈高则导线对地电容愈小，释放出同样的束缚电荷所呈现的电压就愈高。雷击点至导线的距离愈近，导线上的束缚电荷愈多，释放后的过电压也愈高。 SIhUi25 从产生电磁分量电磁分量的角度看，雷电流幅值大、雷击点离导线近都使导线大地回路中各部位的磁通密度加大。导线平均高度高，加大了回路的面积。因而都增大了回路中磁通随时间的变化率。这些都会导致感应过电压电磁分量的增高。 式（4）中最大雷电流幅值一般不会超过100kA，可按I100kA进行估算

7、。实测表明，感应过电压的幅值一般约为300400kV，这可能引起35kV及以下电压等级的线路闪络，而对110kV及以上电压等级的线路，则一般不至于引起闪络。且由于各相导线的感应过电压基本上相同，所以相间闪络更无可能。 与直击雷过电压相比，感应过电压感应过电压还应以下特点：它的波形较平缓波形较平缓，波头由几微秒到几十微秒，而波长可达数百微秒。避雷线的屏蔽作用 接地避雷线使导线上的接地避雷线使导线上的 感应过电压降低的原理感应过电压降低的原理： 避雷线与大地相连保持 地电位，可以看做将一部分 “大地”引入导线的近区。对 于静电感应，其影响是增大了 导线的对地电容从而使导线对 地电位降低。对于电磁感

8、应， 其影响相当于在导线对地回路附近增加了一个地线大地的短路环，从而抵消了一部分导线上的电磁感应电势。这样，避雷线总的屏蔽效果是降低了导线上的感应过电压。 应用叠加原理计算避雷线对导线上感应过电压的影响应用叠加原理计算避雷线对导线上感应过电压的影响： 公式推导：导线和地线的平均对地高度分别为hc和hs，如果避雷线没有接地，则导线和避雷线上的感应过电压Uc和Us分别为SIhUcc25eschhUSIhUss25 但避雷线实际上是接地的，其电位为零。可以设想避雷线上又叠加了一个 -Us的电压，而它又将在导线上产生耦合电压k(-Us)，k为避雷线和导线之间的耦合系数。导线上的实际感应过电压Uc将为:

9、 （5） 分析及结论：避雷线使导线上的感应过电压下降避雷线使导线上的感应过电压下降至（1-k）倍。耦合系数愈大，导线上的感应过电压耦合系数愈大，导线上的感应过电压愈低愈低。)1 (1kUhhkUkUUUccicscc雷击线路塔顶时导线上的感应过电压 式（9-1-1）只适用于雷击线路附近大地距离S65m的情况。如前所述，线路的等值宽度约为10hs，若避雷线的平行高度hs13m，线路两侧的受雷宽度就有65m。所以对于一般高度的高压超高压线路，更近的落雷将由于引线的引雷作用而击于线路。 雷击线路塔顶时，迅速向上发展的主放电引起周围空间电磁场的突然变化，也会在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压。规程

10、建议对一般高度的线路，无避雷线时导线上的感应过电压的最大值可按下式计算： 式中 Ui ：感应过电压（kV）； hc ：导线的平均高度（m）； a ：感应过电压系数（kV/m），其值等于以kA/s为单位的雷电流平均陡度值。 有避雷线时，由于它的屏蔽作用，导线上的感应过电压将降低为：ciahU )1 ()1 (kahUkUcii雷击杆塔反击时的过电压反击的产生 在雷击塔顶的先导放电阶段在雷击塔顶的先导放电阶段：导线、避雷线和杆塔上虽然都会感应出异号的束缚电荷，但是由于先导放电的发展速度较慢，如果不计工频工作电压，导线上的电位仍为零，避雷线和杆塔的电位也为零，因此线路绝缘上不会电位差。 在雷击塔顶的主放电阶段在雷击塔顶的主放电阶段：先导通道中的负电荷与杆塔、避雷线以及大地中的正电荷迅速中和，形成雷电冲击电流。一方面负极性的的雷电冲击波沿着杆塔向下和沿着避雷线向两侧传播，使塔顶电位不断升高，并通过电磁耦合使导线电位发生变化；另一方面由塔顶向雷云迅速发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使导线上出现正极性的感应雷电波。作用在线路绝缘子串上的电压为塔顶电位与导线电位之差。这一电压一旦超