高电压技术_第6章_电力系统防雷保护35

1、第六章第六章 电力系统防雷保护电力系统防雷保护高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术2/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护本章主要内容本章主要内容高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术3/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护输电线路耐雷性能指标输电线路耐雷性能指标u 分析线路的耐雷性能时，首先要估计线路一年中究竟会遭受分析线路的耐雷性能时，首先要估计线路一年中究竟会遭受多少次雷击。多少次雷击。u 每每100km线路的年落雷次数线路的年落雷次数Nd4100km10bhNT 次次/ /( (年年地面落雷

2、密度地面落雷密度b为两根避雷线之间的距离为两根避雷线之间的距离h为避雷线的平均对地高度为避雷线的平均对地高度 高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术4/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护耐雷水平（耐雷水平（I）u 耐雷水平耐雷水平指雷击线路时，其绝缘指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值大雷电流幅值或能或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值引起绝缘闪络的最小雷电流幅值，单位为，单位为kAkA我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见表8-1高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术5/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保

3、护雷击跳闸率（雷击跳闸率（ n ）u 导致线路跳闸需要具备双重条件：导致线路跳闸需要具备双重条件：p 首先雷击电流必须超过线路耐雷水平首先雷击电流必须超过线路耐雷水平，引起线路绝缘，引起线路绝缘发生绝缘闪络。它的持续时间只有几十微秒，线路开发生绝缘闪络。它的持续时间只有几十微秒，线路开关还来不及跳闸关还来不及跳闸p 冲击闪络继而转化为稳定的工频电弧冲击闪络继而转化为稳定的工频电弧，才会导致线路，才会导致线路跳闸跳闸u 注意：注意：这些过程都有随机性，工程设计中采用这些过程都有随机性，工程设计中采用雷击跳闸率雷击跳闸率作作为一个综合指标，来衡量输电线路防雷性能的优劣。为一个综合指标，来衡量输电线

4、路防雷性能的优劣。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术6/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护u 跳闸率跳闸率n指在雷暴日指在雷暴日Td=40的情况下、的情况下、100km的线路每年的线路每年因雷击而引起的跳闸次数，其单位为因雷击而引起的跳闸次数，其单位为次次/(100km40雷暴日雷暴日”u 建弧率建弧率 冲击闪络转变为稳定的工频续流的概率冲击闪络转变为稳定的工频续流的概率0.752(4.514)10E p 式中：式中：E绝缘子串平均运行电压梯度绝缘子串平均运行电压梯度 (kV/m)12123(0.5 )2nnUEllUEll 中中性性点点有有效效接接地地系系统统:

5、 :中中性性点点非非有有效效接接地地系系统统: :p 式中：式中： Un系统额定电压；系统额定电压； l1绝缘子串长度（绝缘子串长度（m）；）； l2木横担线路的线间距离（木横担线路的线间距离（m）。对铁横担，）。对铁横担， l2 =0高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术7/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护线路耐雷性能的分析计算线路耐雷性能的分析计算u 按雷击点的不同，雷击有避雷线线路的三种情况按雷击点的不同，雷击有避雷线线路的三种情况高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术8/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护绕击导线绕击导线u 当避雷线

6、的屏蔽作用失效，可能发生雷绕过避雷线击中当避雷线的屏蔽作用失效，可能发生雷绕过避雷线击中导线的情况，通常称为绕击。导线的情况，通常称为绕击。 绕击及其危害绕击及其危害高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术9/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 绕击率绕击率Pau 绕击率绕击率Pa雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率lg3.986thP p 平原线路平原线路lg3.3586thP p 山区线路山区线路式中：式中： 保护角（保护角（）；）； ht杆塔高度（杆塔高度（m）。）。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术10/90式中：式中：I实测的

7、雷电流幅值实测的雷电流幅值第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 绕击过电压绕击过电压0U0ZZZA0ZZ02UAOZAI0AA022Z ZZUIIZZ 0000A00022222UI ZIZIZZZZZZu 假设假设Z0Z/2，取，取Z=400，则有，则有A100UI 高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术11/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 绕击耐雷水平绕击耐雷水平I2u 绕击耐雷水平：绕击耐雷水平：绕击时，线路所能承受的雷电流幅值，由线绕击时，线路所能承受的雷电流幅值，由线路绝缘子冲击放电电压决定。路绝缘子冲击放电电压决定。u 令令UA=U5

8、0%（线路绝缘子串的（线路绝缘子串的50%冲击放电电压）冲击放电电压）A100UI 由由50%2100UI u 注意：注意：虽然绕击的概率很低，发生绕击时雷电流的幅值较小虽然绕击的概率很低，发生绕击时雷电流的幅值较小，但是一旦绕击形成很高的冲击过电压，就有可能使线路绝，但是一旦绕击形成很高的冲击过电压，就有可能使线路绝缘子闪络，或侵入变电站危及电气设备的安全。缘子闪络，或侵入变电站危及电气设备的安全。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术12/90式中式中 N落雷总次数；落雷总次数； Pa 绕击率；绕击率； P2 雷电流幅值超过绕击耐雷水平雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率的概率 建弧率建

9、弧率第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 雷绕击导线时的跳闸率雷绕击导线时的跳闸率n22a2nNPP （）次次/ /年年22lg88IP 高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术13/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护雷击挡距中央的避雷线雷击挡距中央的避雷线u 雷击避雷线最严重的情况雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时是雷击点处于档距中央时。雷击避雷线档距中央只雷击避雷线档距中央只有有10%的概率的概率u 一般不考虑跳闸问题。因一般不考虑跳闸问题。因为雷击避雷线档距中央时为雷击避雷线档距中央时在雷击点产生很高的过电在雷击点产生很高的过电压，但由

10、于避雷线半径较压，但由于避雷线半径较小，雷击点离杆塔较远，小，雷击点离杆塔较远，强烈的电晕衰减作用，使强烈的电晕衰减作用，使过电压波传播到杆塔时，过电压波传播到杆塔时，已不足于使绝缘子闪络。已不足于使绝缘子闪络。u 只要导线和避雷线线间的空只要导线和避雷线线间的空气距离气距离S满足下式的要求，雷满足下式的要求，雷击避雷线档距中央引起的线击避雷线档距中央引起的线路闪络跳闸率可以忽略不计路闪络跳闸率可以忽略不计0.0121 (m)Sl高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术14/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护雷击杆塔雷击杆塔u 从雷击线路接地部分而引起达绝缘子串闪络的角

11、度来看从雷击线路接地部分而引起达绝缘子串闪络的角度来看，最严重的条件应为，最严重的条件应为雷击杆塔的塔顶，雷击杆塔的塔顶，因为这时大部分因为这时大部分雷电流将从该杆塔入地，产生的雷电过电压最大雷电流将从该杆塔入地，产生的雷电过电压最大 击杆率击杆率gu 击杆率击杆率雷击杆塔次数占雷击线路总数的比值；雷击杆塔次数占雷击线路总数的比值；p 与避雷线根数和地形有关与避雷线根数和地形有关 避雷线根数避雷线根数012平原平原1/21/41/6山区山区1/31/4地形地形高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术15/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 雷击塔顶产生的反击雷击塔顶产生

12、的反击u 在雷击塔顶的先导放电阶段在雷击塔顶的先导放电阶段如图所示，导线、避雷线和如图所示，导线、避雷线和杆塔上虽然都会感应出异号杆塔上虽然都会感应出异号的束缚电荷，但是由于先导的束缚电荷，但是由于先导放电的发展速度较慢，如果放电的发展速度较慢，如果不计工频工作电压，导线上不计工频工作电压，导线上的电位仍为零，避雷线和杆的电位仍为零，避雷线和杆塔的电位也为零，因此线路塔的电位也为零，因此线路绝缘上不会电位差。绝缘上不会电位差。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术16/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护u 在雷击塔顶的主放电阶段：在雷击塔顶的主放电阶段：u 先导通道中

13、的负电荷与杆塔、避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雷线以及大地中的正电荷迅速中和，形成雷电冲击电流。如图和，形成雷电冲击电流。如图bp 一方面负极性的的雷电冲击波沿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；传播，使塔顶电位不断升高；p 另一方面由塔顶向雷云迅速发展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，又使导线上出现场的迅速变化，又使导线上出现正极性的感应雷电波。正极性的感应雷电波。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术17/90第一节第一节

14、架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护u产生反击产生反击p作用在线路绝缘子串上的作用在线路绝缘子串上的电压为塔顶电位与导线电电压为塔顶电位与导线电位之差。这一电压一旦超位之差。这一电压一旦超过绝缘子串的过绝缘子串的50%冲击闪冲击闪络电压络电压U50%，绝缘子串就，绝缘子串就发生闪络发生闪络p此时杆塔电位（绝对值）此时杆塔电位（绝对值）比导线电位高，所以称为比导线电位高，所以称为反击反击。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术18/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 雷击塔顶时的过电压雷击塔顶时的过电压li0(1)12.62.6gatcitchhLhUIkRkkhh

15、 I雷电流幅值，雷电流幅值，kAk考虑冲击电晕影响的耦合系数考虑冲击电晕影响的耦合系数k0 导线和避雷线间的几何耦合系数导线和避雷线间的几何耦合系数杆塔分流系数（流经杆塔的电流与雷电流的比值）杆塔分流系数（流经杆塔的电流与雷电流的比值）Ri冲击接地电阻，冲击接地电阻，Lt 杆塔的总电感杆塔的总电感ha横担高度，横担高度，mht 杆塔的高度，杆塔的高度，mhg 避雷线平均对地高度，避雷线平均对地高度，mhc导线平均对地高度，导线平均对地高度，mu 当作用在绝缘子串上当作用在绝缘子串上的电压的电压Uli等于线路绝等于线路绝缘子串的缘子串的50%冲击闪冲击闪络电压络电压U50%时，绝缘时，绝缘子发生

16、闪络子发生闪络高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术19/90式中式中 N年落雷总次数年落雷总次数 Pa 绕击率绕击率 P1 雷电流幅值超过耐雷水平雷电流幅值超过耐雷水平I1的概率的概率 建弧率建弧率 g击杆率击杆率第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 雷击塔顶时的耐雷水平雷击塔顶时的耐雷水平I150%10(1)12.62.6gatcitcUIhhLhkRkkhh 雷绕击塔顶时的跳闸率雷绕击塔顶时的跳闸率n1 11111(1)aPnNP g PnN g P 次次年年11lg88IP 高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术20/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电

17、线路防雷保护线路的年雷击跳闸总次数线路的年雷击跳闸总次数1212()nnnNgPP P u 若若N为每为每100公里线路上在公里线路上在40个雷暴日的条件下：个雷暴日的条件下：p N=0.28(b+4h)代入上式代入上式120.28(b+4h) ()100km 40ngPP P 次次 （雷雷暴暴日日）高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术21/90u 中间任何一个部分防范住，则不会造成停电事故中间任何一个部分防范住，则不会造成停电事故第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护线路雷害事故防护措施线路雷害事故防护措施雷电放雷电放电电雷电过雷电过电压电压线路绝线路绝缘冲击缘冲击闪络闪

18、络工频工频电弧电弧断路器断路器跳闸跳闸供电供电中断中断雷害事故发展过程雷害事故发展过程高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术22/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护防护措施防护措施“四道防线四道防线”u 措施：措施：架设避雷线架设避雷线p 110kV级以上全线架有避雷线级以上全线架有避雷线p 35kV级以下部分线路架有避雷线级以下部分线路架有避雷线 防直击防直击高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术23/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护u 措施措施p 降低杆塔的冲击电阻降低杆塔的冲击电阻p 架设避雷线架设避雷线p 防止雷直击导线防止雷直击导

19、线p 分流作用：减少杆塔入地电流，降低塔顶电位分流作用：减少杆塔入地电流，降低塔顶电位p 对导线有耦合作用：降低感应过电压对导线有耦合作用：降低感应过电压p 装设耦合底线装设耦合底线p 降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条接地线。具有分流作用、加强避雷线对导线的耦合接地线。具有分流作用、加强避雷线对导线的耦合 防闪络防闪络高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术24/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护p 装设管型避雷器装设管型避雷器p 一般安于线路上雷电过电压特别大的场合或绝一般安于线路上雷电过电压特别大的场合或绝缘薄

20、弱点缘薄弱点p 加强绝缘加强绝缘p 对个别大跨越、高杆塔，落雷机会多等情况，对个别大跨越、高杆塔，落雷机会多等情况，可增加绝缘子片数可增加绝缘子片数高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术25/90第一节第一节 架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 防建弧防建弧u 措施措施p 加强绝缘加强绝缘p 采用消弧线圈接地方式采用消弧线圈接地方式p 适用适用110kV及以下电压等级电网及以下电压等级电网p 大多数雷击单相闪络接地故障可被消弧线圈消大多数雷击单相闪络接地故障可被消弧线圈消除，不至发展为持续工频电弧除，不至发展为持续工频电弧高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术26/90第一节第一节

21、架空输电线路防雷保护架空输电线路防雷保护 防停电防停电u 措施措施p 自动重合闸自动重合闸p 雷击造成的冲击闪络和工频电弧使线路跳闸后雷击造成的冲击闪络和工频电弧使线路跳闸后会迅速消失，不会造成线路绝缘的永久性损坏会迅速消失，不会造成线路绝缘的永久性损坏，而线路绝缘具有自恢复功能，可装设自动重，而线路绝缘具有自恢复功能，可装设自动重合闸装置防止停电事故合闸装置防止停电事故p 双回路或环网供电双回路或环网供电高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术27/90第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护u 变电所雷电过电压来源及危害变电所雷电过电压来源及危害u 雷电直击发电厂和变电所雷电直击发电

22、厂和变电所u 雷击线路产生的雷电过电压沿线路侵入变电所雷击线路产生的雷电过电压沿线路侵入变电所p 220kV线路的线路的50%放电电压为放电电压为1200kV，而相应的变压，而相应的变压器全波冲击试验电压器全波冲击试验电压850kV, 全波多次冲击耐压只有全波多次冲击耐压只有773kVu 造成大面积停电，发电机、变压器等主要电器设备的内造成大面积停电，发电机、变压器等主要电器设备的内绝缘大都没有自恢复的能力绝缘大都没有自恢复的能力p 高压输电线路允许每几年跳闸一次高压输电线路允许每几年跳闸一次高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术28/90第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护变电所

23、的直击雷保护变电所的直击雷保护措施措施u 装设避雷针：装设避雷针：独立避雷针、构架避雷针独立避雷针、构架避雷针p 使所有设备都处在避雷针保护范围内使所有设备都处在避雷针保护范围内p 防止雷击避雷针时的反击事故防止雷击避雷针时的反击事故 反击反击由于接地部分电位升高而向附近其它设由于接地部分电位升高而向附近其它设备放电的现象备放电的现象高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术29/90第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护独立避雷针的防独立避雷针的防“反击反击”u独立避雷针受雷击时，避雷针各部独立避雷针受雷击时，避雷针各部分都将产生很高的电位，若避雷针分都将产生很高的电位，若避雷针与附近

24、设施的距离较近，它们之间与附近设施的距离较近，它们之间便会产生放电现象，这种情况称为便会产生放电现象，这种情况称为“反击反击”。u为防止为防止“反击反击”，必须使避雷针和，必须使避雷针和附近金属导体间有一定的距离，使附近金属导体间有一定的距离，使绝缘介质的闪络电压大于反击电压绝缘介质的闪络电压大于反击电压u 独立避雷针的空气间隙独立避雷针的空气间隙sk和地中距离和地中距离sdp 在一般情况下：在一般情况下：sk5m， sd3m。ksh0.20.1sRhRsh独立避雷针的冲独立避雷针的冲击接地电阻击接地电阻()；h相邻配电装置构相邻配电装置构架的高度架的高度(m)。dsh0.3sR高电压技术高电

25、压技术高电压技术高电压技术30/90第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护变电所的雷电侵入波保护变电所的雷电侵入波保护措施措施u “避雷器避雷器”结合结合“进线段保护进线段保护”阀式避雷器保护作用的分析阀式避雷器保护作用的分析u 阀式避雷器的保护作用阀式避雷器的保护作用主要是限制过电压波的幅值主要是限制过电压波的幅值 选择合适阀式避雷器的前提选择合适阀式避雷器的前提u 避雷器的伏秒特性与被保护绝缘的避雷器的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好配合伏秒特性有良好配合u 避雷器的避雷器的伏安特性伏安特性保证其残压低于被保护绝缘的冲击电保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度气强度 u 被保护

26、绝缘必须处于被保护绝缘必须处于该避雷器的保护范围之内该避雷器的保护范围之内。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术31/90U50%1t Tuatv1T12lFVC1Z2Z设设备备避避雷雷器器u 实际变电所中，由于接在母实际变电所中，由于接在母线上的阀式避雷器离变电设线上的阀式避雷器离变电设备有近有远，则在保护绝缘备有近有远，则在保护绝缘与避雷器之间就会与避雷器之间就会出现一个出现一个电压差电压差U(波的多次折反射波的多次折反射)p a进波的时间陡度进波的时间陡度(kV/us) a进波的空间陡度进波的空间陡度(kV/m) 二者换算关系二者换算关系第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护

27、 阀式避雷器的保护范围阀式避雷器的保护范围22(kV)lUaa lv (kV/m)300aaav 高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术32/90第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护u 则为使设备绝缘不被击穿，要满足则为使设备绝缘不被击穿，要满足p Uw(i)绝缘的雷电冲击耐压值绝缘的雷电冲击耐压值p Uis阀形避雷器的冲击放电电压阀形避雷器的冲击放电电压( )22w iisisislUUUUaUa lv u 若变电所出线数为若变电所出线数为1，有，有p 一定空间进波陡度下，设备绝缘与避雷器之间最大允许距离一定空间进波陡度下，设备绝缘与避雷器之间最大允许距离p 一定距离下，最大允许

28、空间进波陡度一定距离下，最大允许空间进波陡度( )max2w iisUUla ( )max2w iisUUal 高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术33/90第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护u 若变电所出线数若变电所出线数2，有，有p 一定空间进波陡度下，设备绝缘与避雷器之间最大允许距离一定空间进波陡度下，设备绝缘与避雷器之间最大允许距离p 一定距离下，最大允许空间进波陡度一定距离下，最大允许空间进波陡度 K变电所出线修正系数变电所出线修正系数( )max2w iisUUlKa ( )max2w iisUUaKl u 避雷器具体安装点选择原则：避雷器具体安装点选择原则：“确保

29、重点、兼顾一般确保重点、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。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。器，应尽可能把阀式避雷器装得离主变压器近一些。高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术34/90第二节第二节 变电所的防雷保护变电所的防雷保护变电所的进线段保护变电所的进线段保护p对于全线无避雷线的对于全线无避雷线的35kV35kV变电所进线，当雷击于附近变电所进线，当雷击于附近的架空线时，冲击波的陡度和流过避雷器的电流必然的架空线时，冲击波的陡度和流过避雷器的电流必然会超过变电所电气设备绝缘所能允许的程度，这是不会超过变电所电气设备绝缘所能允许的程度，这是不能允许的。所以，这种线路靠近变电所的一段进线上能允许的。所以，这种线路靠近变电所的一段进线上必须装设避雷装置必须装设避雷装置p雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减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，和变形，降低了波前陡度和幅值；降低了波前陡度和幅值；p利用进线段本身阻抗利用进线段本身阻抗限制流过避雷器的冲击电流幅值限制流过避雷器的冲击电流幅值 进线段保护的原因进线段保护的原因 进线段保护的作用进线段保护的作用高电压技术高电压技术高电压技