9-电力系统防雷保护教学课件

9电力系统防雷保护聪明出于勤奋，天才在于积累9电力系统防雷保护9电力系统防雷保护聪明出于勤奋，天才在于积累高电压技术高电压工程系林福昌李化39电力系统防雷保护雷害事故在系统跳闸停电事故中占很大比重。电力系统防雷包含线路、变电站、发电厂等环节。耐雷水平：雷击线路但不至引起绝缘闪络的最大雷电流峰值(kA)。10.1输电线路的防雷保护占电网总事故的60%以上。雷击跳闸事故过程：（1）线路绝缘闪络；（2）形成工频电弧，跳闸；（3）跳闸后线路绝缘不能恢复，则发生停电。6雷云发出的下行先导，其中有大量负电荷下行先导负电荷在导线上感应出束缚电荷，极性为正9.1.1输电线路感应雷过电压一、雷击线路附近大地时7导线上束缚电荷失去束缚开始向两侧自由流动，其电流在导线波阻抗上形成过电压主放电发生后下行先导中负电荷全部被中和静电分量：与极性相反电磁分量：相互垂直，较小8（2）实际避雷线电位为0，可看成避雷线上存在－Ugb的电压，导线感应电位为－k0Ugb的，总感应的对地电压避雷线的影响（1）若避雷线不接地9电磁分量增大，计算方法尚有争论。行业标准建议，（1）无避雷线时，最大值

a－感应过电压系数(kV/m)，a≈IL/2.6

（2）有避雷线时雷击杆塔时的感应过电压一般不超过500kV，仅对35kV及以下线路的绝缘有一定威胁（雷电耐受水平为350kV）。

109.1.2输电线路的直击雷过电压和耐雷水平11避雷线根数12平

原山

区1/41/31/61/4一、雷击杆塔时的反击过电压塔顶（横担）电位与导线电位差引起绝缘子串闪络——反击。12(1)塔顶及横担电位避雷线的分流作用:igt<iL

塔顶电位:横担电位:13导线总电位幅值：(2)导线电位避雷线与塔顶电位utd相等避雷线与导线间的耦合，导线感应电位（同极性）k0utd雷击杆塔时，导线上产生反极性的感应电位ahd(1-k0)14（三）工程中对于220kV及以下线路，工作电压值所占比例不大，可以忽略不计。但对超高压线路而言，则不可忽略。

(3)线路绝缘子串两端电压15当Uj大于绝缘子串的U50%时，绝缘子串将发生闪络；U50%以下端为正极性时（负极性雷）的值较低。雷击杆塔耐雷水平：(4)耐雷水平的计算远离避雷线的导线最具危险性。提高雷击杆塔（反击）耐雷水平降低冲击接地电阻Rch

提高导地线间的耦合系数k

16二、雷击避雷线挡距中央时的过电压避雷线的半径较小，产生强烈的电晕；衰减很快，当过电压波传播到杆塔时，已不足以使绝缘子串击穿，因此通常只需考虑雷击点避雷线对导线的反击问题。17在反射波到达之前，可用彼得逊等值电路计算。最高电位时间点取斜角波头i=at

，避雷线最高电位长期运行经验表明，雷击避雷线档距中央引起空气间隙闪络的事例非常少见。间隙电压绕击跳闸是超、特高压线路雷击故障的主要原因。18三、绕击时的过电压和耐雷水平击距:雷电先导头部与地面目标的临界击穿距离。电气—几何模型（EGM）小电流才发生绕击。19我国规程建议绕击概率：平原地区山区为保护角（）；h为杆塔高度（m）。山区线路的绕击率约为平原线路的3倍，或相当于保护角增大了8

（一）绕击概率20（二）绕击耐雷水平绕击耐雷水平我国技术规程建议Zd＝2Z0

21线路电压等级/kV35110220330500反击（击杆）耐雷水平/kA20-3040-75875-110110-150125-175绕击耐雷水平/kA3.571216.4521.38u50%/kV350700120016452138229.1.3输电线路的雷击跳闸率线路雷击跳闸的两个条件：雷电流超过耐雷水平冲击电弧转换为稳定的工频电弧一、建弧率冲击闪络转化成稳定的工频电弧概率与工频弧道中的电场强度和去游离条件有关E为绝缘子串的平均运行电压(有效值)梯度，kV/m对于中性点有效接地的系统：对于中性点非有效接地的系统：23二、有避雷线线路的雷击跳闸率1雷击杆塔时的跳闸率每100km线路每年的遭受雷击的次数为：次/100km·年

击中杆塔引起的跳闸次数：2雷绕击导线时的跳闸率g为击杆率，P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的概率Pα为绕击率，P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率，3线路总跳闸率24标称电压kV500330220110杆塔型式保护角14°20°16.5°25°避雷线数量双双双单杆塔绝缘绝缘子个数25×XP2－16019×XP1－10013×X－707×X－70U50%（正极性）kV213816451200700档距长度m400400400300冲击接地电阻（）7～157～157～157～15雷击杆塔耐雷水平kA177～125155～105110～7663～41建弧率100%100%91.8%85%平原线路绕击率0.112%0.238%0.144%0.238%击杆率1/61/61/61/4跳闸率0.0810.120.250.83山区线路绕击率0.40%0.84%0.5%0.82%击杆率1/41/41/41/3跳闸率0.17～0.420.27～0.600.43～0.951.18～2.025例题：平原地区一条220kV线路，绝缘子串13片，正极性50%放电电压为1410kV；杆塔冲击接地电阻为7，避雷线半径为5.5mm，弧垂7m，导线弧垂12m。求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。解：（1）求耦合系数避雷线的平均高度导线的平均高度避雷线1、2对导线3的几何耦合系数为：26例题：经冲击电晕修正后：（2）查表，求等值电感和分流系数(3)耐雷水平雷击塔顶的反击耐雷水平：绕击引起的过电压：（4）雷电流超过耐雷水平的概率I1－>P1＝5.6％；I2－>P2＝73.1％27例题：(5)落雷次数、绕击率、击杆率和建弧率保护角平原地区

山区击杆率：平原g=1/6，山区g=1/4建弧率η＝80%(6)线路雷击跳闸率平原地区：山区：289.1.4输电线路的防雷措施雷害事故的发展过程及防护措施线路防雷设计目标：提高线路的耐雷性能，降低雷击跳闸率。（1）架设避雷线：最基本防雷措施防止雷直击导线。分流作用，减小流入杆塔电流，使塔顶电位降低；与导线之间的耦合也可降低绝缘子串上的过电压。29规程：110kV及以上线路一般应全线架设避雷线；500kV线路设双避雷线。

光纤复合架空地线（OPGW）：避雷线经一个小间隙对地绝缘；通信用。30（2）降低杆塔接地电阻提高线路击杆的耐雷水平、防止反击的有效措施。一般需另加人工接地装置。（3）架设耦合避雷线具有一定的分流作用提高导线与避雷线之间的耦合系数31（4）不平衡绝缘同塔双回或以上线路。使一回路的绝缘子片数少于另一回路的三相，闪络后相当于避雷线，降低了其他回路导线电位。（5）自动重合闸由于线路绝缘具有自恢复功能。我国110kV及以上线路重合闸成功率高达75%~95%。32（6）消弧线圈接地用于中性点不直接接地的线路，减小故障接地点的单相接地电流，促进接地电弧熄灭。雷击跳闸率大约可以降低1/3左右。（7）加强绝缘增加绝缘子片数，用于重要线路段，如大跨越高杆塔上使用。33（8）安装线路避雷器能免除线路绝缘的冲击闪络，并能使建弧率降为零。一般用复合外套氧化锌避雷器。输电线路的防雷措施（小结）34359.2发电厂和变电站的防雷保护雷直击变电站雷电冲击波沿线路入侵369.2.1发电厂、变电站的直击雷保护措施：避雷针和避雷线37为防反击，避雷针与被保护物体应有足够的间隙距离Sk。为防止接地装置间反击，地中距离Sd也应足够大。电气主接线sksd避雷针支座变电站构架389.2.2变电站的侵入波保护一、避雷器的保护作用装设避雷器进线段设置保护39图解法40保护要求：避雷器电压<变压器冲击耐受电压避雷器伏秒特性平坦，残压几乎不变。一般流经避雷器不超过5kA，残压的最大值取5kA对应的值。避雷器电压近似为一斜角平顶波，幅值为Ub-5。41避雷器离被保护设备有一段距离。雷电波侵入变电站的典型接线等效接线二、距离效应42LBT(开路)atat2attf避雷器上的电压43变压器上的电压44变压器上的电压波形45进线刀闸上的电压46进线刀闸处的波形47进线刀闸处：变压器处：不论被保护设备位于避雷器前面还是后面48考虑实际情况后的修正：变压器上典型的实际电压波形这种波形和冲击全波相差很大，它对变压器绝缘的作用与截波相近。49

最大电气距离三、最大电气距离超过最大电气距离后，设备上的承受的冲击电压Us将超过冲击耐压值（多次截波耐压值）Uj。50普通阀型避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额定电压（kV）进线段长度（km）进线路数123≥43511.5225405040557550659055751056611.524560806585105801051309011514511011.52457010070951358011516090130180220210516519522051金属氧化物避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额定电压（kV）进线段长度（km）进线路数123411011.525590125851201701051452051151652302202125（90）195（140）235（170）265（190）52变电站对于雷电波的侵入波保护设计主要是采用避雷器，重点在于选择避雷器的安装位置。原则：在任何运行方式下，均不能超过最大电气距离。避雷器一般装设在母线上，一组或者多组。53避雷器布置和参数选择

图.葛洲坝换流站直流侧避雷器的布置及主设备绝缘水平（kV）（斜线“/”左侧为雷电冲击水平BIL，右侧为操作冲击水平BSL）阀避雷器换流器避雷器与平波电抗器并联避雷器直流滤波器避雷器直流线路避雷器中性母线避雷器直接保护阀组，与其它类型避雷器串并联保护换流变阀侧绕组雷电过电压传播到阀区时，可限制过电压平波电抗器的雷电和操作波保护保护直流滤波器元件直流开关场的雷电和操作波保护吸收进入中性母线的快波前过电压和大的放电能量549.2.3变电站的进线段保护电气设备的有效保护（减小过电压）：降低避雷器残压（减小电流）；降低来波陡度。雷电侵入波的主要来源：变电站附近落雷（3km以内），幅值和陡度比较大进线段保护：保证雷电来自于进线段外减小绕击概率（避雷线，减小保护角）提高反击耐雷水平55例：35kV~110kV变电站进线段保护典型接线进线段架设避雷线，且保护角取不大于20。在靠近隔离开关或断路器处装设排气式避雷器。56进线段保护的作用降低波的幅值与陡度。限制流过避雷器的冲击电流幅值。（一）流过避雷器的电流可以不考虑在进线段上的多次反射。雷电波在1~2km内往返一次的时间：57回路方程：避雷器伏安特性：58例：220kV线路的冲击绝缘强度U50%=1200kV，线路波阻400，变电站中氧化锌避雷器的残压520kV避雷器中的雷电流不超过5kA，这也是避雷器残压按照5kA考虑的原因。59(二)侵入变电站雷电波的陡度

从最严重情况出发，设侵入波为直角波，幅值为U50%。波的延迟时间（7-78）：雷电波陡度：kV/s

需要的进线段长度

额定电压（kV）计算用进波陡度a（kV/μs）进线段长1km进线段长2km或全线有避雷线35110220330500300450－－－15022545066075060km61例：35kV小容量变电站的简化进线保护电气距离一般在10m以内，允许侵入波陡度增大，进线段缩短到500~600m。62简化接线：用电抗