电力系统大气过电压及保护

第二篇

电力系统过电压及其防护第五章电力系统大气过电压及保护主要内容5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护5.1雷电放电过程及雷电参数5.1雷电放电过程及雷电参数雷电是自然中最宏伟壮观的现象也是最普遍的现象之一，它对人类的生活环境、工作条件等都造成了很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。早在18世纪初，富兰克林等物理学家已经揭示了闪电就是电的本质。例如著名的风筝实验，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种大气火花放电现象的秘密。随着物理学的进一步发展，人们对雷电这一自然现象有了更深刻的认识。雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方是：雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。

本节主要内容：5.1.1、雷电放电的过程5.1.2、雷电参数

5.1.3、雷击时计算雷电流的等值电路5.1.1雷电放电的过程水滴分裂起电理论：大水滴分裂成水珠和细微的水沫，出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电，细微水沫被上升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。雷云的底部大多是带负电荷，在地面上感应出大量的正电荷。带有大量不同极性的雷云之间、雷云对地之间就形成了强大的电场。雷云中的电荷分布当空间电场强度超过大气电离的放电的临界电场强度时，就会发生云间或对大地的火花放电。放电通道的电流可达几十或几百千安。雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电雷电放电的基本过程1－先导放电通道；2－强电离区；3－主放电通道l－先导；r－主放电；v－发展方向雷电放电类型流经物体的电流波与被击物体的波阻抗有关当Zj=0时，流经被击物体的电流定义为雷电流2流经被击物体的电流：彼德逊法则研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0

雷电流波：雷电流通道的波阻抗Z0的数值通常取为300欧5.1.2雷击时计算雷电流的等值电路雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放；从电源性质来看，这相当于一个电流源的作用过程；雷电放电的物理过程虽然很复杂，但从地面感受到的实际效果和防雷保护实际工程角度，可以把它看成是一个沿者固定波阻抗的雷电通道向地面传播电磁波的过程。可依据此建立计算模型。在雷电放电的过程中，人们能够测知的电量，是雷击地面时流过被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推雷电波的电流。注意理解：若：Z＜＜Z0时，iZ≈iL国际上都习惯把雷击于低接地阻抗（Z≈0或≤30欧姆）物体时，流过该物体的电流称为雷电流。应特别注意：定义中的雷电流iZ恰好等于沿雷电通道传播而来的雷电流波的两倍。因此，在防雷保护计算的彼德逊等值电路中，等值电流源通常直接用电流源来表示，如图5.3。研究表明：雷电放电的先导通道具有分布参数的特性，可认为它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导电通道，称为雷电通道，其波阻抗为Z0雷电流波：2彼德逊法则雷击大地时的电流：为评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷暴小时来估计的在一天内或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日Td或一个雷电小时Th由于不同年份的雷电日数变化很大，所以均采用多年平均值——年平均雷电日1、雷暴日及雷暴小时5.1.3雷电参数雷暴日与该地区所在纬度、当地气象条件、地形地貌有关少雷区：Td<15多雷区：Td>40强雷区：Td>90单位：次/100公里•年我国规程规定，对Td=40的地区，取次/平方公里.雷电日地面落雷密度γ：指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数（单位：次/平方公里•雷电日）2、地面落雷密度和输电线路落雷次数若一般高度的线路的等值受雷面的宽度为10h(h为线路平均高度(m))，则输电线路年平均遭受雷击的次数：主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷电通道传播到雷击点的波过程。雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷电通道波阻抗。我国有关规程建议取Z0≈300Ω3、雷电通道的波阻抗4、雷电的极性

雷电的极性由雷云电荷的极性决定，负极性雷击均占75～90%，对设备绝缘危害较大，防雷计算中一般均按负极性考虑。5、雷电流的幅值通常定义雷电流为雷IL击于低阻接地电阻(≤30Ω)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即一般地区，雷电流幅值超过I的概率可按下式计算6、雷电流的波前时间、陡度及波长

雷电流的波前时间T1处于1～4µs的范围内，平均为2.6µs。波长T2处于20～100µs的范围内，多数为50µs左右。我国防雷设计采用2.6/50µs的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50µs(Td≥20)雷电流波前的平均陡度为(kA/µs)7、雷电流的计算波形在防雷计算中，按不同要求采用不同的计算波形1、双指数波2、斜角波3、斜角平顶波4、半余弦波5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护5.2防雷保护装置5.2.1避雷针和避雷线5.2.2避雷器5.2.3防雷接地现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。避雷针保护原理：当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地从而使被保护物体免遭雷击5.2.1、避雷针和避雷线避雷针保护范围h≤30m，P＝130m<h≤120m，h–避雷针高度P–高度修正系数hx-被保护物的高度rx-保护范围避雷针保护范围单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的近似锥体的空间。保护范围：由模拟试验确定。保护范围是按保护概率99.9%确定的。它只有相对的意义，不能认为在保护范围内的物体就完全不受雷直击，在保护范围外的物体就完全不受保护。避雷针保护第一要对直击雷屏蔽，第二要防止反击。避雷线作用原理同避雷针，主要用于输电线路的保护，也可用于保护发电厂和变电所保护范围的长度与线路等长，而且两端还有其保护的半个圆锥体空间在架空输电线路上多采用保护角α来表示避雷线的保护程度保护角：避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角，α越小，雷击导线的概率越小，对导线的屏蔽保护越可靠避雷线保护范围因此单根避雷线的保护半径要比单根避雷针的保护半径小。避雷线保护范围对避雷器的基本技术要求过电压作用时，避雷器先于被保护电力设备放电，这需要由两者的伏秒特性的配合来保护。避雷器应具有一定的熄弧能力，以便可靠地切断在某次过零时的工频续流，使系统恢复正常。避雷器避雷器的作用是限制过电压。它的保护原理与避雷针不同。它实质上是一个放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，从而限制过电压的发展，从而保护了其它电气设备免遭击穿损坏。避雷器的类型主要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器。1.保护间隙与管型避雷器保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。缺点：

伏秒特性很陡；保护间隙没有专门的灭弧装置产生大幅值的截波

应用范围：仅用于不重要和单相接地不会导致严重后果的场合。应用范围：仅安装在输电线路上绝缘比较薄弱的地方和用于变电所、发电厂的进线段保护中。管型避雷器实质上是一只具有较强灭弧能力的保护间隙，其基本元件为装在消弧管内的火花间隙，在安装时再串接一只外火花间隙。缺点：

工频续流太小时不能灭弧，太大时产气过多，使管子爆裂；伏秒特性和产生截波方面与保护间隙相似，维护较麻烦；

变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器，它在电力系统过电压保护和绝缘配合中都起着重要的作用，它的保护特性是选择高电压电力设备绝缘水平的基础。结构：主要由火花间隙1及与之串联的工作电阻2(阀片)两大部分组成。2.阀型避雷器火花间隙：结构特点；电压分布(并联电阻并联在火花间隙上，起均压作用)作用隔离工作电压，避免电阻阀片长期流过电流；伏秒特性平坦，易与被保护设备伏秒特性配合；工频续流电弧被分割成许多短弧，使电弧容易熄灭。电阻阀片：阀片电阻的伏安特性u=Ciα

；(α

：非线性系数)作用避免出现对绝缘不利的截波；限制工频续流以利于熄弧；限制作用于被保护设备上的冲击电压。基本元件特点：对工作电阻(阀片)的首位要求是它应具有良好的非线性伏安特性，即在冲击大电流下，阻值应很小，让冲击电流顺利泄入地下，且残压不高；在工频电流下，阻值要变大，限制工频续流，以利于电弧熄灭。避雷器的相关参数和术语额定电压：指正常工作时加在避雷器上的工频工作电压灭弧电压：指保证避雷器能够在工频续流第一次经过零值时灭弧条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压。残压：雷电流流过避雷器时在阀片电阻上产生的电压降。我国规定流过避雷器的雷电流大小为5kA(330kV及以上为10kA)的残压作为设计依据。工频续流：过电压消失后，由工作电压产生的工频电弧电流；通流容量：避雷器耐受通过电流的能力；氧化锌(ZnO)，具有极其优异的非线性特性。3.金属氧化物避雷器小电流区域非线性区域饱和区域特点：取消了火花间隙，结构非常简单；伏安特性平坦，保护性能好；(α

：0.01～0.04)无续流，作动作负载轻，重复动作能力强；通流容量大；耐污性能好1.接地电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点，通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地经常保持等电位。电力系统的接地分为三类：工作接地：根据系统正常运行要求设置。如三相系统的中性点接地，其作用是稳定电网的对地电位，以降低电气设备的绝缘水平。（0.5-10Ω）保护接地：为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用（1-10Ω）防雷接地：用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压（1-30Ω）5.2.3防雷接地2.接地电阻接地电阻Re等于从接地体到地下远处零位面之间的电压Ue与流过的工频或直流电流Ie之比。

冲击接地电阻，工频或直流下的接地电阻，二者之比称为冲击系数。当雷电流流过接地装置时，接地体和土壤所呈现的响应不同于工频响应，即冲击接地电阻一般不等于工频接地电阻火花效应和电感效应αi的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。接触电压(U1)：站立点与接地设备之间的电压（1.8m高，0.8m水平距离）；跨步电压(U2)：人的两脚之间的电位差（0.8m水平距离）。流过人体电流危险值（10mA）大地并不是理想导体，具有一定的电阻率。因此，在外界的作用下若内部一旦有电流，大地也就不再保持等电位。当地面上被强制流进的电流从一点注入时，进入大地的电流将以电流场的形式向周围远处扩散。3、接地装置：

埋于地下的一组人工接地导体，其功用是减小接地电阻，以降低雷电流通过避雷针（线）或避雷器时的过电压。垂直接地体水平接地体接地网输电线路的防雷接地：在每一基杆塔下一般都有接地装置，并通过引线与避雷线相连，其目的是使击中避雷线的雷电流流过较低的接地电阻而进入大地；发电厂和变电站的防雷接地：根据安全和工作接地要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷接地的要求。小结电力系统中广泛采用避雷针和避雷线作为直接雷击防护装置。保护间隙与被保护绝缘并联，它的击穿电压比后者低，使过电压波被限制到保护间隙F的击穿电压Ub。变电所的防雷保护主要依靠阀式避雷器。ZnO具有一系列优点，是避雷器发展的主要方向，正在逐步取代普通阀式避雷器和磁吹避雷器。防雷接地装置可以是单独的，也可以与变电所、发电厂的总接地网连成一体。防雷接地所泄放的电流是冲击大电流。主要内容5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护5.3输电线路的防雷保护5.3.1输电线路耐雷性能的若干指标

5.3.2输电线路的感应雷过电压5.3.3输电线路直击雷过电压输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施效果在工程上用耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。

每100km线路的年落雷次数N

[次/(100km.年)]

γ为地面落雷密度；

b为两根避雷线之间的距离；

h为避雷线的平均对地高度；

Td为雷暴日数

5.3.1输电线路耐雷性能的若干指标耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。

我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见下表：

耐雷水平雷击跳闸率是指折算为统一条件（规定每年40个雷电日和100km的线路长度）下，因雷击而引起的线路跳闸的次数。单位为“次/(100km·40雷暴日)”。雷击跳闸的过程：雷电流超过了线路的耐雷水平，就会引起冲击闪络，只有冲击闪络之后并转化为稳定的工频电弧，才会引起线路跳闸。由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率(η),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压梯度有关。可由下式求得雷击跳闸率线路雷害事故发展过程及防护措施

只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电事故。输电线路防雷措施防止雷直击导线防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧防止线路中断供电雷击输电线路过电压分类：

感应雷过电压、直击雷过电压雷击线路附近大地时，由于电磁感应在导线上产生的过电压。雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压感应雷直击雷（1）

感应雷过电压的产生(静电感应和电磁感应)5.3.2输电线路的感应雷过电压先导阶段：束缚电荷，与雷云电荷异号，运动速度缓慢主放电：束缚电荷迅速释放，形成电压波向两侧传播，且幅值高－感应过电压的静电分量感应过电压的电磁分量：在主放电的过程中伴随着雷电流的冲击波，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。将产生感应电势使导线对地电位升高－感应过电压的电磁分量；由于主放电通道与导线几乎互相垂直，互感不大，电磁感应较弱，因此，电磁感应分量比静电感应分量小得多。感应过电压幅值中，静电分量起主要作用。（2）

雷击线路附近时感应雷过电压的计算－无避雷线规程建议：当雷击点与电力线路之间的水平距离S>65m时(在S<50m以内雷将被线路吸引而击中线路本身)，导线上的感应雷过电压的最大值为：IL为雷电流幅值(kA)，hd为导线平均高度(m)，S为雷击点离导线水平距离。感应雷过电压极性与雷云的极性相反。相邻导线同时产生相同极性的感应雷过电压，因此相间不存在电位差，只存在对地闪络的可能，但如果两相或三相同时对地闪络，就会转化为相间闪络事故。特点：（3）雷击线路附近时感应雷过电压计算－有避雷线当导线上方挂有接地的避雷线时，由于先导电荷产生的电力线有一部分被避雷线截住，即避雷线的屏蔽作用，因而导线上的感应束缚电荷减少，相应的感应电压也减少。导线上的实际感应雷过电压为k为导线和避雷线之间得耦合系数雷击线路杆塔，当无避雷线时，对一般高度的线路可用下式计算感应雷过电压最大值：

a为感应过电压系数（kV/m），数值上等于雷电流的时间陡度平均值，即a＝I/2.6（kV/μs）当有避雷线时，由于其屏蔽效应，则：

k为耦合系数(4)雷击线路杆塔时的感应过电压5.3.3输电线路直击雷过电压（1）

雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平-反击感应雷过电压避雷线在导线上耦合电压塔顶电位幅值导线电位幅值线路绝缘子串上两端电压UcUtop有避雷线

无避雷线工程实用中往往以降低Ri和提高k值作为提高输电线路耐雷水平的主要途径耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。击杆率g：雷击杆塔次数与雷击线路总数的比值。012平原1/21/41/6山区11/31/4避雷线根数地形(2)雷击避雷线档距中央时的过电压流入雷击点的雷电流波为雷击点的电压取雷电流为斜角波头：iL=at雷击处避雷线与导线间的空气间隙上所承受的最大电压(3)雷绕过避雷线击于导线时的过电压-绕击流经雷击点的雷电流波为导线上电压为幅值绕击时耐雷水平雷绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击率Pα。

Pα之值与避雷线对边相导线的保护角α、杆塔高度ht及线路通过地区的地形、地貌等因素有关。平原线路山区线路

（1）雷击杆塔时的跳闸率(反击率)（2）绕击跳闸率(绕击率)（3）线路的雷击跳闸率

P1雷电流超过反击耐压水平的雷电流P2雷电流超过绕击耐压水平的雷电流雷击跳闸率的计算5.3.4输电线路的防雷措施(一)避雷线（架空地线）110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设避雷线；35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。(二)降低杆塔接地电阻提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。(三)加强线路绝缘增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。一般优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐雷水平。(四)耦合地线作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。(五)消弧线圈能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。(六)线路型避雷器仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧率降为零。(七)不平衡绝缘一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。(八)自动重合闸线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。主要内容5.1雷电放电过程及雷电参数5.2防雷保护装置5.3输电线路的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护5.5变压器的防雷保护5.6直配电机的防雷保护5.4发电厂和变电所的防雷保护线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电所的雷害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变电设备的内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防雷保护与输电线路相比，要求更严格、措施更严密、可靠。变电所中出现的雷电过电压的两个来源：

雷电直击变电所；沿输电线入侵的雷电过电压波。

5.4.1发电厂、变电所的直击雷保护5.4.2发电厂、变电所的雷电侵入波保护5.4.1发电厂、变电所的直击雷保护发电厂、变电所必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。按安装方式的不同，避雷针分为独立避雷针和构架避雷针两类。注意对绝缘水平不高的35kV以下的配电装置，构架避雷针容易导致绝缘闪络(反击)。

变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。对于独立避雷针，则还有一个验算它对相邻配电装置构架及其接地装置的空气间距及地下距离的问题。为了防止避雷针对构架发生反击，其空气间距S1应满足下式要求：为了防止避