架空线路的防雷保护

第三部分

架空输电线路的防雷保护第一节概述1.1线路防雷工作的重要性1.2输电线路上出现的雷电过电压的种类1.3衡量线路耐雷性能的主要指标1.4线路防雷设计的选定原则1.1线路防雷工作的重要性（1）架空线路长度大，暴露在旷野，易受雷击。（2）雷击线路使绝缘子闪络，导致跳闸，使供电中断。（3）雷击线路形成的过电压沿线路传播并侵入变电所和发电厂，造成变电站雷害事故。1.2雷电过电压的种类（1）感应雷过电压——雷击线路附近地面，由于电磁感应引起的。（2）直击雷过电压——雷直接击于线路

1）雷击塔顶

2）雷击避雷线档距中央

3）雷绕击导线1.3衡量线路耐雷性能的主要指标（1）耐雷水平定义：雷击时线路绝缘不发生冲击闪络的最大雷电流幅值，kA。表1各级电压送电线路的耐雷水平

额定电压

(kV)3566110

220

330500

耐雷水平

(kA)20~3030~6040~7575~110100~150125~1751.3衡量线路耐雷性能的主要指标（续）（2）雷击跳闸率定义：雷电活动强度都折算为40个雷日、线路长度折算至100km条件下，每年雷击引起的线路跳闸次数，次(/100km·年)。跳闸率越高，耐雷性能越差。1.4线路防雷设计的选定原则（1）提高耐雷水平，降低雷击跳闸率，既避免线路因雷击而频繁跳闸，又不使线路防雷投资过于增加。（2）线路具体的防雷措施应根据电压等级、负荷性质、系统运行方式、雷电活动强弱、地形地貌和土壤电阻率等条件，结合运行经验，通过技术经济比较后合理选定。第二节感应雷过电压2.1感应过电压的产生2.2雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压2.3雷击杆塔塔顶时导线上的感应雷过电压2.1感应过电压的产生在雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电场急剧变化，并在邻近的导线上产生感应过电压，它包含静电感应和电磁感应两个分量。2.1感应过电压的产生（续）图1(a)中，在有负电荷雷云的先导放电阶段，由于静电感应，在导线表面电场强度E的切向分量Ex的驱动下，与雷云异号的正电荷被吸引到靠近先导通道的一段导线上排列成束缚电荷，而导线中负电荷则被排斥到导线两侧远方或经线路的泄漏电导和系统的中性点逸入大地。2.1感应过电电压的产产生（续续）图1(b)中，主放放电开始始以后，，先导通通道中的的负电荷荷自下而上上被迅速速中和，，由雷击击所造成成的静电电场突然然消失，于于是输电电线路上上的束缚缚电荷就就变成了了自由电电荷，所形形成的电电压波迅迅速向线线路两侧侧传播。。由此形形成的电流流i乘以线路路波阻Z，即为向向两侧运运动的静静电感应过电电压的流流动波u=iZ。2.1感应过电电压的产产生（续续）感应过电电压的两两个分量量（1）静电分分量：因因先导通通道中电电荷突然然中和而而引起的的感应过过电压，，如图1(b)所示。（2）电磁分分量：当当发生主主放电时时，伴随随着雷电电流冲击击波，在在放电通通道周围围空间产产生强大大的电磁磁脉冲场场，它的的磁通若若有与导导线铰链链的情况况，就会会在导线线中感应应出一定定的电压压，称为为感应雷雷过电压压的电磁磁分量。。2.1感应过电电压的产产生（续续）由于主放放电通道道与导线线基本上上是互相相垂直，，互感不不大。再再者，主主放电速速度为光光速的（（1/20~1/2)，因此电电磁感应应分量不不会很大大。总的的说，电电磁感应应分量要要比静电电感应分分量小很很多，约约为后者者的1/5。考虑到到这两种种分量出出现最大大值的时时刻不同同，故在在感应雷雷过电压压幅值的的构成上上，静电电感应分分量将起起主要作作用。2.2雷击线路路附近大大地时导导线上的的感应雷雷过电压压（1）无避雷雷线当S>65m时，（（1）式中，为为感应电电压幅值值，kV;为雷电流流幅值，kA；为为导线线悬挂平平均高度度，m；为为直接雷击点点距线路路的距离离，m。2.2雷击线路路附近大大地时导导线上的的感应雷雷过电压压（续））由（1）式可知知，感应应过电压压与雷电电流幅值值成正比，，与导线线对地平平均高度度成成正正比，越越高则导线线对地电电容越小小，感应应电荷产产生的电电压就越高；感感应过电电压与雷雷击点的的至线路路间的水水平距离成成反反比，越越大大，感应应过电压压越小。。2.2雷击线路路附近大大地时导导线上的的感应雷雷过电压压（续））感应雷过过电压一一般不超超过500kV，对110kV及以上的的线路，，由于绝绝缘水平平较高，，一般不不会引起起闪络事事故。所所以，感感应雷在在110kV及以下的的线路中中应重点点防治，，对于高高压线路路，防雷雷工作主主要以防防止直击击雷为主主。2.2雷击线路路附近大大地时导导线上的的感应雷雷过电压压（续））（2）有避雷雷线当雷击线线路附近近大地时时，需考考虑避雷雷线的电电磁屏蔽蔽作用。。应用叠叠加原理理，假设设避雷线线不接地地，导线线和避雷雷线上感感应过电电压分别别为（2）（近似地地取））2.2雷击线路路附近大大地时导导线上的的感应雷雷过电压压（续））式中，、、分分别为为导线和和避雷线线上感应应过电压的的幅值，，kV；、、分分别为导导线荷避避雷线对地平平均高度度，m。实际上避避雷线是是接地，，电位为为零。为为此，设设想在不接接地的避避雷线上上叠加一一个的的电电压，于是此电电压将在在导线上上产生耦耦合电压压，，k是雷线与与导线间间的耦合合系数。。2.2雷击线路路附近大大地时导导线上的的感应雷雷过电压压（续））故有避雷雷线后，，作用在在绝缘子子串两端端的感应雷过电电压下降降为（3）2.2雷击线路路附近大大地时导导线上的的感应雷雷过电压压（续））无避雷线有避雷线2.2雷击线路附近近大地时导线线上的感应雷雷过电压（续续）——避雷线的作用用之一：耦合作用耦合系数越大大，则导线上上的感应过电电压越低。当计及及电晕后的耦耦合系数如表表2所示。表2耦合系数的电电晕校正系数数电压等级(kV)20~3566~110154~330500双避雷线1.11.21.251.28单避雷线1.151.251.3～2.3雷击杆塔塔顶顶时导线上的的感应雷过电电压在的的范围内内的雷将被线线路吸引而击击中线路本身。雷击线路路杆塔时，由由于雷电通道道所产生的电电磁场的迅速变化，将将会在导线上上产生很高的的感应过电压压。（1）无避雷线时时（4）式中，为为感应应过电压系数数，kV/m，其数值等于于以计的雷电流平平均陡度，即即。。2.3雷击杆塔塔顶顶时导线上的的感应雷过电电压（续）（2）有避雷线时时，由于屏蔽蔽作用（5）式中，k为耦合系数。。第三节直直击雷过电压压3.1雷击塔顶时直直击雷过电压压3.2雷击避雷线档档距中央时直直击雷过电压压3.3雷绕击导线时时直击雷过电电压3.1雷击塔顶时直直击雷过电压压（1）无避雷线如图2(a)所示，雷击塔塔顶T点，雷电流通通过杆塔经冲击接地电电阻防Rch散入大地，取杆杆塔电感为Lgt，等值电路如如图2(b)所示。3.1雷击塔顶时直直击雷过电压压（续）由此可得塔顶顶电位为（6）其幅值为（7）而雷击塔顶时时产生的感应应雷过电压由由（4）式计算，即3.1雷击塔顶时直直击雷过电压压（续）故作用在绝缘缘子串上的过过电压为（8）注：1.通常雷云电荷荷为负极性，，故导线上感感应电压为为正极性，塔塔顶电位为为负极性，绝绝缘子串承受受正极性冲击击电压值值。2.当时时，，绝缘子串闪闪络，即杆塔塔电位对某相相导线反击，，使该相导线线接地。3.1雷击塔顶时直直击雷过电压压（续）单相线路在此此电压下遭反反击后，此相相导线相当于于一根避雷线线，此时它具具有塔顶电位位，，在其他他两相导线上上出现耦合电电压，，其其他两相导线线上的感应雷雷过电压下降降至（（为为雷电流陡度度）。未闪络络两相绝缘子子链承受的过过电压为（9）3.1雷击塔顶时直直击雷过电压压（续）当时时，，在两相中耦耦合系数k较小的一相被被反击，此时的的耐雷水平I为：（10）由此可知，增增加线路绝缘缘强度、增大大导线间的耦耦合系数、减小小杆塔接地电电阻、减小杆杆塔电感等措措施均可提高线线路的耐雷水水平。3.1雷击塔顶时直直击雷过电压压（续）（2）有有避避雷雷线线塔顶顶电电位位为为（11）（12）为分分流流系系数数，，表表示示避避雷雷线线的的分分流作作用用，，。。3.1雷击击塔塔顶顶时时直直击击雷雷过过电电压压（（续续））当塔塔顶顶电电位位为为时时，，与与塔塔顶顶相相连连的的避避雷雷线线上上也也有有相同同的的电电位位，，导导线线上上将将产产生生耦耦合合电电压压，，此此电电压压与雷雷电电流流同同极极性性。。此此外外，，由由于于雷雷电电通通道道电电磁磁场场的的作用用，，在在导导线线上上尚尚有有感感应应过过电电压压，，此此电电压压与雷雷电电流流反反极极性性，，所所以以导导线线电电位位的的幅幅值值为为（13）3.1雷击击塔塔顶顶时时直直击击雷雷过过电电压压（（续续））绝缘缘子子串串两两端端电电压压为为塔塔顶顶荷荷导导线线电电位位之之差差（14）当雷雷电电流流较较大大，，冲冲击击接接地地电电阻阻较较大大时时，，时，，绝绝缘缘子子串串闪闪络络，，耐耐雷雷水水平平为为（15）3.2雷击击避避雷雷线线档档距距中中央央时时3.2雷击击避避雷雷线线档档距距中中央央时时（（续续））雷击击避避雷雷线线档档距距中中央央时时，，只只要要档档距距中中央央的的导、、地地线线间间空空气气距距离离满满足足下下述述经经验验公公式式，，则则一一般不不会会出出现现击击穿穿事事故故。。（16）式中中，，S为避避雷雷线线与与导导线线的的空空气气间间隙隙，，m；l为档距距，，m。3.3雷击击导导线线时时的的直直击击雷雷过过电电压压（1）无无避避雷雷线线3.3雷击击导导线线时时的的直直击击雷雷过过电电压压（（续续））认为为在在雷雷击击点点没没有有波波的的折折、、反反射射，，根根据据图图5(b)等值值电电路路，，可可以以求求得得雷雷击击点点的的直直击击雷雷过过电电压压的的幅幅值为为(17)若考考虑虑电电晕晕影影响响，，取取220kV及以以下下线线路路波波阻阻抗抗Z为400欧，，则则雷雷击击点点电电位位为为(18)3.3雷击击导导线线时时的的直直击击雷雷过过电电压压（（续续））如果果，，线线路路绝绝缘缘就就发发生生闪闪络络，，此此时时耐耐雷水水平平为为（19）注：：我我国国60kV及以以下下架架空空线线路路一一般般无无避避雷雷线线，，雷雷击击导导线线时时的的耐耐雷雷水水平平是是很很低低的的。。3.3雷击击导导线线时时的的直直击击雷雷过过电电压压（（续续））（2）有有避避雷雷线线雷绕绕击击导导线线时时产产生生的的过过电电压压与与无无避避雷雷线线的的情情况况相同同，，可可用用式式(19)计算算，，相相应应的的耐耐雷雷水水平平为为（20）3.3雷击击导导线线时时的的直直击击雷雷过过电电压压（（续续））装设设避避雷雷线线后后，，雷雷绕绕击击于于导导线线的的概概率率用用绕绕击击率率表表示。。对平平原原地地区区线线路路（21）对山山区区线线路路（22）式中中，，为为一一次次雷雷击击线线路路中中出出现现绕绕击击的的比比例例；；为为杆杆塔上上避避雷雷线线对对外外侧侧导导线线的的保保护护角角；；h为杆杆塔塔高高度度。。第四四节节输输电电线线路路的的雷雷击击跳跳闸闸率率4.1雷击击跳跳闸闸率率定定义义4.2所需需具具备备的的条条件件4.3雷击击跳跳闸闸率率的的计计算算4.1雷击击跳跳闸闸率率定定义义雷击击跳跳闸闸率率是是指指雷雷电电活活动动强强度度都都折折算算为为每每年年40个雷雷日日、、线线路路长长度度折折算算至至100km的条条件件下下，，每每年雷雷击击引引起起线线路路跳跳闸闸的的次次数数，，即即次次/(100km·年).工程程设设计计中中，，它它是是衡衡量量耐耐雷雷性性能能的的综综合合指指标标。。4.2所具具备备的的条条件件首先先雷雷击击电电流流必必须须超超过过线线路路耐耐雷雷水水平平，，引起起线线路路绝绝缘缘发发生生冲冲击击闪闪络络；；接着着在在冲冲击击闪闪络络通通道道上上建建立立起起工工频频电电弧，从从而才才会使使继电电保护护装置置动作作，断断路器跳闸闸。4.3雷击跳跳闸率率的计计算雷击次次数设N为每100km线路每每年（（40个雷电电日））遭受受雷击击的次数数（23）式中，，为为地面面落雷雷密度度，取取0.015次/(km2·雷日)；A为线路路等值值受雷雷宽度度，m，一般般取，，为避雷雷线的的平均均高度度，m。在无无避雷雷线时时，为为最上层层导线线的平平均高高度。。4.3雷击跳跳闸率率的计计算（（续））建弧率率在线路路冲击击闪络络的总总数中中，可可能转转化为为稳定工工频电电弧的的比例例。按按下式式计算算（24）式中，，E为绝缘缘子串串的平平均运运行电电压梯梯度，，kV/m。若，，则，，线线路不不会雷雷击跳跳闸。。4.3雷击跳跳闸率率的计计算（（续））有效接接地系系统（25）对中性性点绝绝缘、、消弧弧线圈圈接地地系统统（26）式中，，为为系统统额定定电压压，kV；绝绝缘子子串长长度，m；木木横担担线路路的线线间距距离，，m。4.3雷击跳跳闸率率的计计算（（续））雷击跳跳闸率率架空线线路的的雷击击跳闸闸率应应该是是雷击击杆塔塔跳闸率和和绕绕击跳跳闸率率之之和和。（27）式中，，g为击杆杆率；；为为绕击击率；；为为大于于或等等于雷雷击塔塔顶耐雷雷水平平的概率率；为为大于于或等等于绕绕击导导线耐耐雷水平的的概概率。。第五节节绕绕击击的电电气几几何模模型5.1电气几几何模模型考考虑的的前提提条件件5.2电气几几何模模型的的具体体分析析5.1电气几几何模模型考考虑的的前提提条件件（1）由雷雷云向向地面面发展展的先先导放放电通通道头头部到到达被被击物物体的的临界界击穿穿距离离——闪击距距离之之前，，受击击点是是不确确定的的。先先到哪哪个物物体的的闪击击距离离以内内，即即向该该物体体放电电。5.1电气几几何模模型考考虑的的前提提条件件（续续）（2）闪击击距离离的大大小和和先导导头部部的电电位有有关，，因而而与先先导通通道的的电荷荷密度度有关关。后后者又又决定定了随随后出出现的的雷电电流幅幅值。。所以以认为为闪击击距离离是雷雷电流流幅值值的函函数。。击距与与预测电电流的的关系系可表表达为为（28）5.1电气几几何模模型考考虑的的前提提条件件（续续）（3）不考考虑雷雷击目目的物物体的的形状状和邻邻近效效应等等其他他因素素对闪闪击距距离的的影响响，假假定先先导对对杆塔塔、避避雷线线、导导线的的闪击击距离离相等等。（4）假定定先导导接近近地面面时的的入射射角必必服从从某一一给定定的概概率分分布函函数，，垂直直落雷雷密度度最大大，水水平落落雷密密度下下降到到零。。此外，，还应应考虑虑地面面倾角角的影影响。。分析析时取取档距距内导导线、、地线线对地地的平平均高高度。。有时时还要要计及及风速速的影影响等等。5.2电气几几何模模型的的具体体分析析（1）临界界击距距（29）式中，，、、为为避雷雷线和和输电电线路路的高高度，，m；为避雷雷线的的保护护角。。5.2电气几几何模模型的的具体体分析析（续续）通常有有，，故可可以简简化为为（30）再可求求出相相应于于的的雷电电流，，是是可可能发发生绕击的的最大大雷电电流，，即只只有雷雷电流流小于于时时才会会有绕击击。5.2电气几几何模模型的的具体体分析析（续续）（2）允许击距距并非所有绕绕击都会引引起线路绝绝缘闪络，，只有当雷电流大于于雷击导线线的耐雷水水平时时才会会引起绝缘闪络，，可得相应应于的的击距距，，即（31）称为为允允许击距。。5.2电气几何模模型的具体体分析（续续）若人为地改改变避雷线线的保护角角，，使，，则时时不发生绕绕击，时时，有绕绕击而不发生闪络，，这种情况况称为有效效屏蔽。若，，则有发生生绕击闪络络的可能，，称为部分屏蔽。令，，可得有有效屏蔽时时的避雷线线所需保护护角。5.2电气几何模模型的具体体分析（续续）（3）绕击率在部分屏蔽蔽情况下，，将发生一定定的绕击概概率和跳闸次数数。雷电流幅值值为的的雷击下导线着着雷的绕击击率（32）5.2电气几何模模型的具体体分析（续续）（4）绕击跳闸闸率应根据允许许击距将将绕击击区分为绕绕击闪络区Ⅰ和绕击非闪闪络区Ⅱ两部分。。每一雷日日每单位长度线路路绕击闪络络次数为为（33）5.2电气几何模模型的具体体分析（续续）在中中能能建立工频频电弧的次次数（即绕绕击跳闸次数数）为为（34）式中，为为建弧弧率。根据，，可换算至至每百公里里•年的绕击跳跳闸率。。第六节输输电线线路的防雷雷措施6.1防雷措施的的介绍6.2四道纺线的的意义6.1防雷措施架设避雷线线其主要作用用是防止雷雷直击导线线。同时还还有以下作用用：——在雷击塔顶顶时起分流流作用，从从而减小塔塔顶电位；；——对导线有耦耦合作用，，从而降低低绝缘子串串上的电压压；——对导线有屏屏蔽作用，，从而降低低导线上的的感应过电电压。6.1防雷措施（（续）输电线路愈愈高，采用用避雷线的的效