第九章输电线路的防雷保护

1、第九章输电线路的防雷保护本章要求：输电线路的感应过电压：雷击大地和雷击杆塔时导线上感应过电压的计算输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平建弧率及雷击跳闸率的计算。输电线路防雷措施及作用分析由于输电线路长度大，分布面广， 地处旷野， 易受到雷击。 输电线路上出现的大气过电压有两种： 一种是雷击于输电线路引起的，称为直击雷过电压；（1）雷直击导线，无避雷线的线路最易发生，但即使有避雷线，雷电仍可能绕过避雷线的保护范围而击于导线（绕击）。（2）雷击杆塔或避雷线强大的雷电流通过杆塔及接地电阻，使杆塔和避雷线的电位突然升高，杆塔与导线的电位差超过线路绝缘子闪络电压时绝缘子发生闪络，导线上出现很高的电压。这种

2、杆塔电位升高，反过来对导线放电，称为反击。另一种是雷击线路附近地面而引起的，由于电磁感应所引起的，称为感应雷过电压。（3）雷击输电线路附近大地雷击导线水平距离65m 以外的大地时，由于空间电磁场的急剧变化，在导线上感应出的过电压，称为感应雷过电压。感应雷过电压的危害：（ 3-1）引起线路跳闸，影响正常供电由于过电压引起绝缘子闪络，导线对地短路，雷电过电压持续时间短（几十 s），继电保护装置来不及动作，但工频续流沿放电通道继续放电，在形成稳定燃烧的电弧后，则继电保护装置将使断路器跳闸，影响正常送电（3-2）雷电波侵入变电站导线上形成的雷电过电压波，最终将侵入变电站，经复杂的折反射后，在电气设备上

3、出现很高的过电压，危及设备绝缘，造成事故。输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平 及雷击跳闸率 来衡量。耐雷水平： 雷击线路时线路绝缘不发生冲击闪络的最大雷电流的幅值，单位为KA 。线路的耐雷水平越高，线路绝缘发生冲击闪络的机会就越小。雷击跳闸率： 每 100km 线路每年有雷击所引起的跳闸次数。是衡量线路防雷性能的综合指标。线路防雷问题是一个综合的技术经济问题， 在确定线路的具体防雷措施时， 应根据线路的电压等级、负荷性质、 系统运行方式、 雷电活动的强弱、地形地貌的特点和土壤电阻率的高低等条件，特别要结合当地原有线路的运行经验通过技术经济比较来确定。第一节输电线路的感应雷过电压一、雷击线路附

4、近大地，线路上的感应过电压感应过电压的来源：静电分量：束缚电荷瞬间释放形成感应雷过电压。电磁分量：主放电电流产生磁场变化形成感应过电压。当 S > 65m 时，单导线上的感应过电压为：U g 25 I lhdSI l 雷电流幅值 KA ； hd 导线悬挂的平均高度m；S雷击点距离导线的距离。感应过电压特点：（1）由于雷击大地，大地自然接地电阻较大，雷电流幅值一般<100kA ，感应过电压幅值一般为 300400kV ，最大为500kV ，故可能引起35kV 及以下线路闪络事故，对于110kV 及以上线路，由于绝缘水平较高，所以一般不会引起闪络事故。（ 2）感应过电压的极性与雷电流极

5、性相反。.（ 3）三相导线上同时出现，相间不存在电位差，故只能引起对地闪络事故，如果两相或三相同时对地进行闪络，即形成相间闪络事故。（ 4）波形较平缓，波头几几十 s，波长几百 s当导线上方挂有避雷线时：由于其屏蔽效应，导线上的感应电荷就会减少，导线上的感应过电压就会降低。避雷线的屏蔽作用可用下法求得，设导线和避雷线的对地平均高度分别为 hd , hb ，若避雷线不接地 ，则可求得避雷线和导线上的感应过电压分别可以表示为U g b25ILhbU g d 25 I LhdSS所以U g bhbU g dhd但是避雷线实际上是通过每基杆塔接地的，因此可以设想在避雷线上有一个( U g b ) 电位

6、，以此来保持避雷线为零电位，由于避雷线与导线的耦合作用，此( U g b )将在导线上产生耦合电压 k0 ( U g b ) ,其中 K 为避雷线和导线的耦合系数。这样，导线上的电位将为U g dU g dU g d (1k0 )上式可以表明，接地避雷线的存在，可使得导线上的感应过电压U g d 下降到 U g d 。 耦合系数 K 越大，则导线上的感应过电压越低。二、雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压U g25 Il hdS上式比较适合当 S>65m 的情况， 更近的雷电将因线路的引雷作用而击于线路。雷击线路杆塔时， 由于雷电通道所产生的电磁场的迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相

7、反的过电压。无避雷线时U g dahd有避雷线时U g dahd (1 k0 )a 感应过电压系数（kV / m ），等于雷电流平均陡度（I L ）2.6第二节输电线路的直击雷过电压和耐雷水平我们以中性点直接接地系统中有避雷线的线路为例进行分析，其他线路的分析原则相同。雷击避雷线路的情况可以分为 3 种， 即雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中央、雷绕过避雷线绕击与导线（绕击） 。一、雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平雷击杆塔塔顶时，雷电通道中的负电荷与杆塔及避雷线上的正电荷迅速中和形成雷电流。 雷击瞬间自雷击点（即塔顶）有一只雷电流波沿杆塔向下运动；另有两个相同的负电流波分别从塔顶沿两侧避雷线相邻杆

8、塔运动，于此同时自塔顶有一正雷电流波沿雷电通道向上运动，此正雷电流波的数值与 3 个负电流波数值之和相等。 线路绝缘上的过电压即由这几个电流所引起的。由雷电通道中正电流波的运动在导线上所产生的感应过电压已在上节阐述过了，主要分析流经杆塔和地线中的雷电流所引起的的过电压。1、塔顶电位 /避雷线电位对于高度 40 米以下的杆塔， 在工程中， 常将杆塔和避雷线以集中参数电感Lg t这里, Lb 来代替，不同杆塔的等值电感Lg t可由9-2-2查得。单根避雷线的等值电感Lb 约为 0.67l (H ) ( l为档距的长度， m)，双根避雷线约为 0.42l (H ) 。 Rch 为杆塔冲击接地电阻。考

9、虑到雷击点的阻抗较低，故在计算中可省略去雷电通道波阻抗的影响。由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流i g t将小于雷电流 i L 。i g tiL: 杆塔分流系数可由 9-2-3查得塔顶横担对地电位可表示为uaRchi gtdi gtRchiLdi LLaLadtdt把下列两式代入上面方程：di LI Ldt2.6则横担对地电位的幅值U a 为U aI L (RchLa )2.6式中 I L 为雷电流的幅值；La 以横担以下塔身的电感，可表示为LaLgtha。带入上式可hgt以得到， 塔顶横担对地电位：U aI L( RchLgtha)2.6hgt式中： Lgt 为杆塔的总电感； hgt 为杆

10、塔的高度 ;ha为杆塔横担的高度。塔顶端电位可表示为：utdRchi gtLgtdi gtRchiLLgtdi Ldtdt塔顶电位幅值可表示为：U tdRch I LI LLgtdt2、导线电位与线路绝缘承担的电压平行导线上电位：（ 1）耦合波分量 kUtd雷电极性相同（ k 耦合系数）（ 2）雷击杆塔在导线上的感应过电压ahd (1hb k0 ) ，与雷电极性相反（k0 几何耦合系hd数）故导线的电位可表示为udkutdahd (1hbk0 )hd绝缘子两端电位差：是表示的是横担电位与导线电位之差，故线路绝缘上的电压幅值可表示为：U jU a U dU akU tdahd (1hb k0 )

11、hdU aI L ( RchLgtha )2.6hgtU tdRch I LI LLgtdt将以上的三个式子联列可得U jI L (1 k )Rch(haLgt(1hbk0 )hdhgtk )hd2.62.6为简化计算， 以上计算中， 假定各电压分量的幅值均在同一时刻出现，且未考虑极性不确定的工作电压分量。对于 220kV 及以下的线路，其工作电压所占比重不大，一般可以省略；但对超、特高压线路，则不可不计，且雷击时导线上工作电压的瞬时值及其极性应作为一随机变量来考虑 ，为从严要求，在计算中应取与横担电位U a 异极性 的情况。3、 耐雷水平当电压 U j 未超过线路的绝缘水平，即U jU 50

12、% 时，导线与杆塔之间不会闪络。由此可得出雷击杆塔时线路的耐雷水平I l为I lU 50%Lgthahbhd(1 k)Rch(k )(1hgt2.6hdk0 )2.6要注意的是 U 50% 应取绝缘子串中的正极性50% 冲击放电电压，因为流入杆塔电流大多是负极性的，此时导线相对于杆塔处于正电位，而且绝缘子串的U 50% 在导线为正极性时较低。 如果雷击杆塔时雷电流幅值超过了线路的耐雷水平I l，就会引起线路的闪络，此闪络称为“反击”。“反击” 这个概念很重要， 因为原来被认为是接地的杆塔此时是带上了高电位，反过来对输电线路放电， 把雷电过电压施加到线路上， 并进而侵入变电所。 为了减少反击我们

13、必须提高耐雷水平。分析可知提高耐雷水平的主要措施有：（1）降低杆塔接地电阻 Rch一般高度杆塔， Rch 的压降是塔顶电位主要分量。（ 2）增大耦合系数k 可以减少绝缘子串上的电压和感应过电压采用双避雷线 ,加装耦合地线。（3）减小分流系数（ 4）加强线路绝缘 增加绝缘子片数 ,采用更好的绝缘材料二、雷击避雷线档距中央时的过电压雷击避雷线档距中央示意图如上图所示；从雷击引起导、地线间气隙击穿的角度来看，雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时 ，因为这时从杆塔接地点反射回来的异号电压波抵达雷击点的时间最长， 雷击点上的过电压幅值最大 。雷击点 A 的最高电压为：Z0ZbuAiL 2Z0 Z

14、b此电压波 uA 自雷击点沿两侧避雷线向相邻杆塔运动，由于杆塔的接地电阻要比杆塔和避雷线的波阻抗小得多，可以近似认为等于零用Z0 表示，这样接地点将发生负的电压全反射。电压波 uA 从 A 点出发， 到达杆塔接地点发生反射后回到A 点，所经过的时间可表示为：t12( lhgt ) / vb （ us）2l 为档距的长度 m， hgt 为杆塔的高度m， vb 为波速 m/us 计及电晕的影响为 0.75 倍的真空光速。若 雷 电 流 为 平 顶 斜 角 波 ， 其 波 前 的 表 达 式 为 iLat （ a 为 雷 电 流 波 前 陡 度a 30kA / us ），则可得到雷击点电压uA 的表

15、示式uA(t )Z0 Zbat,tt12Z0ZbuA(t )Z0 Zbat1,tt12Z0Zb上式中请注意t,t1 的关系，以及uA (t ) 关于它们的表示；由上式可见，在tt1 时，雷击电电压达到最大值为aZ0 Zb(l 2hgt )U AZb )(2Z0由于避雷线与导线的耦合作用，在导线上将耦合KU A 的电压，所以避雷线与导线之间空气间隙 S 上所承受的最高电压US为：U SaZ0 Zb(l 2hgt )(1 k )U A (1 k )Zb )(2Z0由上式可以看出，雷击避雷线档距的中央时，雷击处避雷线与导线间的空气隙S 上的电压与耦合系数 k、雷电流陡度a、杆塔高度、以及档距有关；当

16、此电压超过空气间隙的发电电压时，间隙将被击穿造成短路事故。根据理论分析和运行经验，规程规定在档距中央，导线和避雷线之间的空气距离S,在15 C 无风时满足S0.012l1 （ m）式中的 l 表示的是档距长度，m。当档距长度较长时（如大跨越档），若按上式计算出的S 大于下表中所规定的值时，可按照下表值中规定确定，但大跨越档导线与避雷线间空气距离不得小于下表中规定的值。防止反击要求的大跨越档线路与避雷线间的距离系统电压 kV3566110220330500距离 m367.5111517.5只要满足上述距离要求，多年运行经验表明，雷击避雷线档距中央时，导线与避雷线间一般不会发生闪络。所以，在下面计

17、算雷击跳闸率时，就不计及这种情况。三、绕击时的过电压和耐雷水平装设避雷线的线路，使三相导线都处于它的保护范围之内，仍然存在雷绕过避雷线而直接击中导线的可能性，发生这种绕击的概率称为绕击率pa ，一旦出现这种情况，往往会引起线路绝缘子串的闪络。绕击率和保护角 a ，杆塔的高度 h ，及线路通过地区的地形地貌等因素有关，可用以下公式求得：ah3.9对平原地区lg pa86ah3.35对山区lg pa86保护角 指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角。保护角越小，避雷线对导线的屏蔽保护作用越好；h 为杆塔的高度 。绕击导线时导线上的电压为udZ0 Zdudi L 2Z0 Zd其幅值可

18、表示为Z0Z dU dI L2Z0Zd从上式可知，绕击时导线上的电压幅值U d 随电流幅值 I L 的增加而增加，若超过线路绝缘子串的冲击闪络电压， 则绝缘子串将发生闪络，绕击时的耐雷水平I 2 可令 U d 等于绝缘子串 50%闪络电压 U 50% 来计算。因规程认为Z0Zd2，故I 2 U 50% /100根据规程计算的方法。 35、 110、 220、 330kV线路的绕击耐压水平分别为3.5,7,12 和16kA 左右，其值较雷击杆塔时的耐雷水平小得多！第三节输电线路的雷击跳闸率当输电线路着雷时， 若雷电流超过线路耐雷水平， 则线路绝缘发生冲击闪络， 雷电流经闪络通道入地， 但由于冲击

19、闪络持续时间只有几十 s，继电保护和断路器根本来不及动作，雷电流过后，工频电压所产生的工频电流 （工频续流）以电弧的形式流过闪络通道，若电弧稳定燃烧才会使继电保护动作，断路器跳闸。所以研究线路雷击跳闸率，必须考虑上述各种因素！一、建弧率当线路着雷后， 由于冲击闪络转为工频电弧的概率与弧道中的平均电场强度有关，也与闪络瞬间工频电压的瞬时值和去游离条件有关。 根据实验和运行经验， 冲击闪络转为稳定工频电弧的概率称为建弧率。(4.5E0.7514)%式中， E 为绝缘子串的平均运行电压梯度对中性点直接接地系统中性点不接地系统kV （有效值） /m 。Euel j3E ue 2l j对于中性点直接接地

20、系统且未铁横担时，ue 为线路额定电压(kV) 有效值 ；l j 为绝缘子闪络距离（ m）。对于中性点不接地系统，单相闪络不会引起跳闸，只有当第二相导线再闪络后才会造成相间闪络而跳闸因此ue 应是线电压， l j 是相间绝缘长度。实践证明，当 E6kV / m （有效值）时，可以近似认为0 。二、雷击杆塔时的跳闸率击杆率：雷击杆塔的次数与雷击线路的次数之比叫击杆率，一般用字母g 表示，它与地形特点和避雷线的根数有关。跳闸率用 n 来表示，其含义是指：假定在每年40 个雷电日的情况下，每100 公里线路因受雷击而可能跳闸的次数。它可以来衡量不同线路设计方案的相对优劣，并不代表线路实际运行过程中的遮断情况。n10.28(b4hb ) P