电力系统防雷保护

1、8.3 电力系统防雷保护 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。本节内容：8.3.1 输电线路的防雷保护8.3.2 发电厂和变电所的防雷保护8.3.1 输电线路的防雷保护一、概述1.线路防雷的重要性（1）雷击是线路跳闸的主要原因（2）雷电波进入变电所，会给电力设备带来危害2.防雷性能 耐雷水平（单位：KA）：雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值。（耐雷水平防雷性能，闪络发生的机会小） 雷击跳闸率（单位：次/ l00km40雷电日） ：折算为统一的条件下，因雷击而引起的线路跳闸的次数（每年40个雷暴日、100km线路长度）。考虑线路通过地区的雷电活动强度，该线路的重要性

2、，以及防雷投资，与提高线路耐雷性能所得到的经济效益等因素，通过技术经济比较，采取合理措施，以使输电线路达到规程规定的耐雷水平值的要求，尽可能降低雷击跳闸率。3.输电线路防雷的任务： 采用技术上与经济上的合理措施，使系统雷害降低到运行部门能够接受的程度，保证系统安全可靠运行。 4.雷击过电压的分类雷击线路附近地面 雷击塔顶 雷击档距中央的避雷线 雷击导线 感应雷过电压直击雷过电压绕击反击按雷击线路部位的不同,直击雷过电压分为:雷击线路杆塔或避雷线时,雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位大大升高,当雷击点与导线间的电位差超过线路绝缘的冲击放电电压时,就会对导线发生闪络,使导线出现过电压.因为这时杆塔

3、或避雷线的电位反而高于导线,称为反击.雷电直接击中导线(无避雷线时)或绕过避雷线击中导线(屏蔽失效),直接在导线上引起过电压,称为绕击.雷击线路造成的危害:使线路发生短路接地故障.雷电作用时间很短,但导线对地发生闪络后,工频电压将沿此闪络通道放电,发展成工频电弧接地.导致继电装置动作,影响线路正常送电.形成沿输电线路侵入变电站的雷电波,使电力设备承受很高的过电压,以致设备绝缘破坏,造成停电事故.二、输电线路的感应雷过电压先导放电阶段 主放电阶段复习：感应雷过电压的产生，大小和特点感应过电压的特点感应雷过电压的极性与雷云的极性相反；相邻线路产生相同极性的感应雷过电压，相间不存在电位差，只会发生对

4、地闪络，但也会转化为相间闪络事故；感应过电压幅值一般不超过300400kV，35kV及以下水泥杆塔出现闪络事故，110kV及以上线路一般不会出现威胁。线路感应雷过电压静电场突然消失静电分量主放电产生脉冲磁场静电分量（1）地面雷击点距离导线的距离S65m时 可用I100kA进行估算。一般认为Ui300400kV。（2）S65m时（2）S50m有避雷线时的感应雷过电压：我国110KV及以上线路一般全线都装设避雷线。以中性点直接接地系统为例雷击杆塔顶端（反击）雷击避雷线挡距中间雷绕过避雷线击于导线（绕击）1三. 输电线路的耐雷水平（直击雷过电压）有避雷线时的直击雷过电压1.雷击杆塔塔顶时的过电压和耐

5、雷水平 雷击杆塔的次数与避雷线的根数和经过地区的地形有关，雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率g，DL/T 6201997标准，击杆率g可采用表8-5所列数据。表8-5 杆率g避雷线根数12平原1/41/6山丘1/31/4雷击塔顶前，雷电通道的负电荷在杆塔及架空地线上产生感应正电荷；当雷击塔顶时，雷通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流。图8-22 （a）雷击塔顶时雷电流的分布(b)雷击塔顶时等值电路对于一般高度(40m以下)的杆塔，不考虑雷电通道的波阻抗雷电流雷电流经避雷线分流的雷电流经避雷线分流的雷电流流经杆塔的电流流经杆塔的电流杆塔的等效电感被击杆塔的冲击

6、等效接地电阻杆塔两侧相邻避雷线的电感并联值（H）单避雷线0.67L双避雷线0.42LL为档距长度大部分雷电流经被击杆塔及其接地电阻流入大地小部分雷电流经过避雷线由两相邻杆塔入地 该种方式产生的雷电过电压最高，对于引起绝缘子闪络而言是最严重的。 由于避雷线的分流作用，流经杆塔入地的电流it：=0.860.92（杆塔分流系数）（1）塔顶电位的计算utop 当有避雷线时：当无避雷线时： 由上面的分析可知，由于避雷线的分流作用，降低了雷击塔顶时塔顶的电位。 与塔顶相连的避雷线的电位也是utop。以kA/s为单位的雷电流平均陡度值，即 = I / 2.6（2）导线电位的计算Uc 导线的电位分为两部分（忽

7、略导线上的随机工作电压），分别是避雷线与导线的耦合电压（与雷电流同极性）和导线上的感应电压（与雷电流反极性）。注：k=k0k1为耦合系数（3）绝缘子串两端电压的计算uli 绝缘子串两端电压为塔顶电压和导线电位电压之差对于以上公式的说明：各电压分量的幅值均在同一时刻出现；没有计入系统工作电压；绝缘子上端电压用杆塔顶端电位代替，忽略塔顶和横担间的电位差；将utop电压波沿避雷线传播而在导线上产生的耦合电压波的耦合作用系数与避雷线对电压波的屏蔽作用而在导线上产生的感应过电压的耦合作用系数视为同一个k值处理。 当uli大于绝缘子串50%冲击放电电压U50%时，绝缘子串将发生闪络（反击），与其相对应的雷

8、电流幅值I为此线路雷击杆塔时的耐雷水平（反击耐雷水平）I1。由分析可知，有避雷线的线路耐雷水平得到提高。当无避雷线时：（4）提高线路反击耐雷水平的措施增大耦合系数K 将单避雷线改为双避雷线，加强架空地线，可减小绝缘子串上的电压和感应雷击过电压。降低Ri（降低Ri便可以减小塔顶电位。）加强线路绝缘（提高U50%。）降低杆塔分流系数 常用措施是将单避雷线改为双避雷线或在导线下方加装耦合地线。 主要采用措施1和措施2。有避雷线线路耐雷水平（2）雷击避雷线档距中央雷击于避雷线最严重的情况。 雷击避雷线档距中央时，雷击点会出现较大的过电压，如图8-23所示，根据彼德逊法则，由教材中公式（8-15），雷击

9、点A的电压为： 式中 避雷线的波阻抗 图8-23 雷击避雷线档距中央1避雷线 2导线若雷电流取斜角波头则i=t雷击点的最高电位出现在 雷击点电压的最大值为： A点与导线空气间隙绝缘上所承受的最大电压为：我国规定的一般挡距的线路，在挡距中央导线、地线的最小空气距离为： 只要s满足上述要求，便可保证雷击于此位置时，线路不会跳闸。 雷击点电压的最大值为： A点与导线空气间隙绝缘上所承受的最大电压为：近似计算（3）雷电绕击于导线时的耐雷水平 装设避雷线的线路仍然有雷绕过避雷线而击于导线的可能性，虽然绕击的概率很小，但一旦出现此情况，则往往会引起线路绝缘子的闪络。雷电绕击线路的电气几何模型如图8-24所

10、示。 图8-24 雷电绕击线路的电气几何模型（a）绕击率P的计算（b）雷击过电压的计算雷击点电压为：Z=400Z0200平原线路：山区线路：（c）线路的绕击耐雷水平为： 雷绕击的耐雷水平较雷击杆塔的小很多。避雷线对边导线的保护角杆塔高度=2i0例:对于500kV线路,一般悬挂28片电瓷绝缘子,绝缘子串长4.4m,负极性U50 2750kV,则耐雷水平I耐 U50/100=27.5kA.计算雷电流幅值超过I的概率P 由我国电力行业标准推荐,我国一般地区雷电流幅值超过I的概率P的计算公式: P=10-I/88 48.7% 可见发生雷击的概率很高,耐雷水平太低.电压等级低一些的线路耐雷水平将更低.如

11、110kV和220kV输电线路的耐雷水平分别只有7kA和12kA,因此发生雷击的概率更高.因此,对于110kV及以上线路,一般要求全线架设避雷线,以防止线路频繁跳闸.当雷闪放电造成线路产生雷电过电压时,若雷电流超过对应的耐雷水平,则导致线路绝缘发生闪络.但是雷电过电压的持续时间很短(几十微秒),高压开关还来不及跳闸.只有当冲击闪络后的闪络通道发展成稳定的工频电弧时,才会导致线路跳闸.这些过程具有随机性,工程上采用雷击跳闸率作为综合指标,来衡量线路防雷性能的优劣.四. 输电线路的雷击跳闸率 引起输电线路雷击跳闸需要满足以下两个条件：雷电流超过线路耐雷水平，引起线路绝缘冲击闪络；短暂雷电波过去后，

12、冲击闪络转变为稳定工频电弧，导线上将产生工频短路电流，造成线路跳闸停电。 若不转变为工频电弧将不会跳闸。雷击跳闸率的计算建弧率：闪络转化成稳定的工频电弧的概率，与沿绝缘子串和空气间隙的平均运行电压梯度有关。可用下式表示：式中：E绝缘子串的平均运行电压梯度，kV(有效值)/m。 雷击次数：地面落雷密度为 0.07，如果取每年40个雷暴日作为标准值，每年l00km输电线路受到的雷击次数（次/ (100km40雷电日)）为： h是上导线的平均高度，b为避雷线之间的宽度 反击跳闸率n1（次/ 100km40雷电日 ）雷击次数击杆率建弧率雷电流幅值大于雷击塔顶的耐雷水平 I1 的概率 绕击跳闸率n2（次

13、/ 100km40雷电日 ）雷击次数绕击率建弧率雷电流幅值大于雷绕击的耐雷水平 I2 的概率电压等级（kV）500330220110雷击杆塔时耐雷水平（kA）125 175100 15075 11040 75平原跳闸率（次/百公里年）0.0810.1210.2520.833山区跳闸率（次/百公里年）0.17 0.420.27 0.600.43 0.951.18 2.01架空输电线路典型杆塔的耐雷水平及雷击跳闸率线路雷击跳闸率 线路雷击跳闸率为反击跳闸率和绕击跳闸率之和。例：平原地区220kV双避雷线，绝缘子串的正极性冲击放电电压U50%为150kV，杆塔冲击接地电阻为7欧姆，避雷线与输电线路的

14、平均高度分别为24.5m和15.4米，耦合系数为0.286，杆塔的等值电感为0.5uH/m，分流系数为0.88，击杆率为1/6，绕击率为0.144%，建弧率为0.8.要求计算线路的耐雷水平及跳闸率。解：（1）计算反击耐雷水平杆塔高度为ht=3.5+2.2+23.4=29.1m杆塔电感Lt=0.529.1=14.5uH由我国雷电流概率曲线查得P1=8.4%（2）计算绕击耐雷水平由我国雷电流概率曲线查得P2=71.7%（3）线路的雷击跳闸率为 n=2.8hg(gP1+PaP2) =2.824.5(1/68.4%0.144%71.7%)0.8 =0.82次/（100km40雷暴日）线路的耐雷水平：例

15、10-1 某 220kV 线路，假定杆塔冲击接地电阻 Rch = 7，绝缘串由 13 片 X-7组成。其正极性冲击放电电压 U50% 为 1410kV，负极性冲击放电电压 U50% 为 1560kV。架设双避雷线，避雷线弧垂为 7m ，导线弧垂为 12m ，避雷线半径为 5.5mm 。求该线路的耐雷水平及雷电跳闸率。解：1计算几何参数（l）避雷线与导线的平均高度 （2）避雷线对外侧导线的耦合系数 （3）杆塔电感 Lgt2雷击塔顶时分流系数查表 3雷击塔顶时的耐雷水平 I15计算绕击耐雷水平I2 4雷电流超过 I1 的概率6雷电流超过 I2 的概率7击杆率 g，绕击率 pa ，建弧率 8线路的雷

16、电跳闸率 n次/ (100km40雷电日) 五 输电线路防雷的措施（“四道防线”）： 防止雷直击导线 沿线架设避雷线，有时还要装避雷针与其配合(2) 防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 降低杆塔的接地电阻，增大耦合系数，适当加强线路绝缘，在个别杆塔上采用避雷器等(3) 防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 适当增加绝缘子片数，减少绝缘子串上工频电场强度，电网中采用不接地或经消弧线圈接地方式(4) 防止线路中断供电 采用自动重合闸，或双回路、环网供电等措施（1）架设避雷线 （2）降低杆塔接地电阻 （3）架设耦合地线 （4）采用不平衡绝缘方式 （5）采用中性点非有效接地方式 （6）装设避雷器 （7）

17、加强绝缘 （8）装设自动重合闸 主要保护措施：1.架设避雷线 避雷线是高压和超高压输电线路最基本的防雷措施，我国规定：330kV及以上应全线架设双避雷线；220kV宜全线架设双避雷线；110kV一般全线架设避雷线，但在少雷区或者雷电活动轻微地区可不全线架设避雷线；35kV及以下线路一般不沿全线架设避雷线；现代超高压、特高压或高杆塔，皆采用双避雷线；杆塔上两根避雷线间的距离不应超过导线与避雷线间垂直距离的5倍；避雷线可采用小间隙对地绝缘，以降低正常工作时避雷线中电流引起的附加损耗，同时可以将避雷线兼作通信用。2.降低杆塔接地电阻 降低杆塔接地电阻，可降低杆塔顶端电压，以降低反击的发生概率。3.架

18、设耦合地线 在降低杆塔接地电阻有困难时，可在导线的下方架设地线，其作用为增加导线与避雷线间的耦合作用；增加对雷电流的分流作用。4.采用不平衡绝缘方式 对于双回路线路的防雷措施不能满足要求时，可采用不平衡绝缘方式降低双回路雷击同时跳闸率，以保证不同时中断供电。两回路的绝缘子串片数有一定差异，差异宜为相电压峰值的 倍。5.采用消弧线圈接地方式 对于35kV及以下的线路，一般不采用全线架设避雷线的方式，而采用中性点不接地或经消弧线圈接地运行方式。6.装设自动重合闸 雷击造成的闪络大多能在跳闸后自动恢复绝缘性能，因此重合闸的成功率较高。我国110kV及以上高压线路成功率为75%90%；35kV及以下线路约为50%80%。7.装设排气式避雷器 一般在线路交叉处和高杆塔上装设排气式避雷器以限制过电压。8.加强绝缘