第六章输电线路的防雷保护

故
I2
U50%
4 Zd
U50% 100
根据规程的计算方法，35，110，220，330KV线路的绕击 耐雷水平分别为3,5,7,12和16KA左右，其值较雷击杆塔时 的耐雷水平小得多
6.3输电线路的雷击跳闸率
研究线路雷击跳闸率须考虑的重要因素
当输电线路着雷时，若雷电流超过线路耐雷水平，则 线路绝缘发生冲击闪络，雷电流经闪络通道入地，但由 于时间只有几十微秒，线路开关来不及动作，只有当沿 闪络通道流过的工频短路电流的电弧持续燃烧时，线路 才会跳闸停电。
（2）导线电位和线路绝缘上的电压 当塔顶电位为Utd 时，则与塔顶相连的避雷线上也将有相
同的电位 Utd。由于避雷线与导线间的耦合作用，导线上将 产生耦合电压 KU t，d 此电压与雷电流同极性。此外，由于雷 电通道电磁场的作用，导线上尚有感应过电压hd (1 K )，此 电压与雷电流异极性，所以导线电位的幅值为：
l
若雷电流取为斜角波头，即iL at ，可得雷击点的最高电 位：
uA
iZ
Zb 2
iL
Z0Zb 2Z0 Zb
iL at
UA

a
l v

Z0Zb 2Z0 Zb
l
由于避雷线与导线间的耦合作用，在导线上将产生耦合 电压 KU A ，故雷击处避雷线与导线间的空气间隙S上所承受 的最大电压 U s 为：
离 s 0.012l 1m ，则雷击避雷线档距中央一般不会发生击 穿事故，其跳闸率可视为零。
因此，线路雷击跳闸率n为：
n n1 n2 0.6hb(gp1 pa p2 )次/100公里 年
6.4输电线路的防雷措施
架设避雷线 降低杆塔接地电阻 架设耦合地线 采用不平衡绝缘方式 装设自动重合闸 采用消弧线圈接地方式 装设管型避雷器 加强绝缘
主放电后
当雷云对线路附近的地面放电时，先导通道中 的负电荷被迅速中和，先导通道所产生的电场迅 速消失，使导线上的束缚电荷得到释放，沿导线 向两侧运动形成感应雷过电压。
根据理论分析与实测结果，当雷击点离开线路的 距离 S 65m 时，导线上的感应雷过电压最大值U g 可 按下式计算。
Hale Waihona Puke Baidu雷电流幅值
在线路落雷总次数中雷击杆塔的次数与避雷线的根数 和经过地区的地形有关。
击杆率：雷击杆 塔次数与雷击线路总次数的 比值，称为击杆率g
避雷线根数
0
1
2
地形
平原
1/2 1/4 1/6
山区
1
1/3 1/4
雷击杆塔塔顶时，雷电流通道中的负 电荷与杆塔及避雷线上的正感应电荷迅 速中和形成雷电流，雷击瞬间自雷击点 （塔顶）有一只雷电流波沿杆塔向下运 动；另有两个相同的负电流波分别自塔 顶沿两侧避雷线向相邻杆塔运动；与此 同时自塔顶有一正雷电流波沿雷电流通 道向上运动，此正雷电流波的数值与3个 负电流波数值之总和相等。线路绝缘上 的过电压即由这几个电流波所引起。
6.4.1架设避雷线
避雷线的作用
避雷线是高压和超高压输电线路最基本的防雷 措施，
①其主要目的是防止雷直击导线，
②此外，避雷线对雷电流有分流作用，可以减小流 入杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；
第六章 输电线路的防雷保护
输电线路上出现的大气过电压有两种： 感应过电压：雷击线路附近地面，由于电磁感应所 引起的。 直击雷过电压：雷直击于线路引起的。
6.1输电线路的感应雷过电压
感应过电压 当雷击线路附近大地时，由于电磁感应，在线路上
的导线会产生感应过电压。
6.1.1雷击线路附近大地时，线路上的感应过电压
Us
U A (1
K)

a
l v

Z0Zb 2Z0 Zb
(1
K)
可见，雷击避雷线档距中央时，雷击处避雷线与导线间的
空气间隙S上的电压与耦合系数、雷电流陡度以及档距长度有 关，当此电压超过空气间隙S的放电电压时，间隙将被击穿造 成短路事故。
经过我国多年运行经验的修正，规定按下式确定应有的S 值:
导线悬挂的平均 高度
Ug

25 IL
hd S
kV
雷击点离线路的 距离
感应雷过电压与雷电流成正比，与导线悬挂平均高度成正比 （高度高，则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就愈 高）；感应雷过电压与雷击点到线路的距离成反比。
如果导线上方挂有避雷线，则由于其屏蔽的效应，导线上 的感应电荷会减少，导线上的感应过电压就会降低。
U gd ahd
感应过电压系数
有避雷线时，由于其屏蔽效应，则： U gd ahd (1 K )
6.2输电线路的直击雷过电压和耐雷水平 雷直击于有避雷线线路的情况可分为三种： 雷击杆塔塔顶 雷击避雷线档距中央 雷绕过避雷线击于导线（绕击）
雷击杆塔
雷击避雷线
绕击导线
6.2.1雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平
主放电前
在雷云放电的起始阶段，存在着向大地发展的先导放电 过程，线路正处于雷云与先导通道的电场中，由于静电感 应，沿导线方向的电场强度分量Ex 将导线两端与雷云异号 的正电荷吸引到靠近先导通道的一段导线上来成为束缚电 荷，导线上的负电荷则由于 Ex 的排斥作用而使其向两端运 动，经线路的泄露电导和系统的中性点而流入大地。因为 先导通道发展速度不大，所以导线上电荷的运动也很缓慢， 由此而引起的导线中的电流很小，同时由于导线对地泄漏 电导的存在，导线电位将与远离雷云处的导线电位相同。
Ud KUtd hd (1 K )
线路绝缘子串上两端电压为塔顶电位与导线电位之差， 故线路绝缘上的电压幅值为：
U j Utd U d Utd KUtd hd (1 K ) (Utd hd )(1 K )
雷击时导、地线上电压较高，将出现冲击电晕，K值应采 用电晕修正后的数值。
U g d
U gd
KU gb
U gd (1 K
hb hd
) U gd (1 K )
接地避雷线的存在，可使导线上的 感应过电压下降。耦合系统K越大， 则导线上的感应过电压越低。
6.1.2雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压
雷击线路杆塔时，由于雷电通道所产生的电磁场迅速 变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压， 其计算问题至今尚有争论，不同方法计算的结果差别很 大，也缺乏实践数据。目前，《规程》建议对一般高度 （约40M以下）无避雷线的线路，此感应过电压最大值 可用下式计算
igt
Z0 ib / 2 2Lb
Zb
Lgt
iL
Lgt igt
Rch
Lb ib
Rch
塔顶电位可由下式计算：
U td
Rch igt
Lgt
digt dt
RchiL
Lgt
diL dt
为分流系数。
由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流 igt 将小于雷
电流iL 。
igt iL
iZ
1
iL Zb
/2
Z0
故雷击点的电压为：
uA
iZ
Zb 2
iL
Z0Zb 2Z0 Zb
l
电压波 uA自雷击点沿两侧避雷线向相邻杆塔运动，经 l / 2vb 时间（ l 为档距长度， vb为避雷线中的波速）到达杆塔，由 于杆塔的接地作用，在杆塔处将有一负反射波返回雷击点， 又经 l / 2vb时间，此负反射波到达雷击点，若此时雷电流尚未 到达幅值，即2 (l / 2vb )小于雷电流波头，则雷击点的电位自 负反射波到达时开始下降。故雷击点A的最高电位将出现在 l / vb 时刻
U gb

25
IL
hb S
U gd
25 IL hd S
U gb
U gd
hb hd
避雷线是通过基杆塔接地的，可以设想在避雷线上有一 U gb
电位，以此来保持避雷线为零电位，由于避雷线与导线耦合 作用，此U gb将在导线上产生耦合电压K (U gb )，K 为避雷线与 导线的耦合系数。因此，导线上的电位将为：
K )

U 50% (Rch
Lgt ) 2.6

hd 2.6

雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数，杆塔等值电感，杆 塔冲击接地电阻，导地线间的耦合系数和绝缘子串的50％ 冲击闪络电压有关。
对一般高度杆塔，冲击接地电阻上的电压降是 塔顶电位的主要成分，因此降低接地电阻可以有 效地减小塔顶电位和提高耐雷水平。增加耦合系 数K可以减少绝缘子串上电压和减小感应过电压， 同样也可以提高耐雷水平。
常用措施是将单避雷线改为双避雷线，或在 导线下方增设架空地线称为耦合地线，其作用主 要是增强导、地线间的耦合作用，同时也增加了 地线的分流作用。
I1

(1
K
)

U 50% (Rch
Lgt ) 2.6

hd 2.6

6.2.2雷击避雷线档距中央时的过电压
l
雷击避雷线档距中央，雷击点阻抗为 Zb / 2 （ Zb为避雷线 波阻抗），流入雷击点的雷电流波 iZ 为：
对平原
lg
pa

h
86
3.9
对山区
h
lg pa 86 3.35
a
iZ
Zd
Zd
绕击时雷击点阻抗为 Zd / 2（ Zd 为导线波阻抗），流经雷击 点的雷电流波为：
导线上电压为： 其幅值为：
iZ
1
iL Zd
/2
Z0
ud
iz
Zd 2

iL
Z0Zd 2Z0 Zd
Ud

IL
6.3.2有避雷线线路雷击跳闸率的计算
（1）雷击杆塔时的跳闸率 每100km有避雷线的线路每年（40个雷电日）落雷次数
为 N 0.6hb 次，若击杆率为 g ，则每100km线路每年雷击 杆塔的次数为Ng 0.6hb g 次，若雷击杆塔时的耐雷水平 为 I1 ，雷电流幅值超过 I1 的概率为 p1 ，建弧率为 ，则 100km线路每年雷击杆塔的跳闸次数 n1 为：
（3）耐雷水平的计算
线路绝缘上电压的幅值 U j 随雷电流增大而增大，当 U j 大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，由 于此时杆塔电位较导线电位为高，故此类闪络称为“反 击”。雷击杆塔的耐雷水平 I1 可由 U j 等于线路绝缘子串 的50％冲击闪络电压U50% 时求得：
I1

(1
n1 0.6hb gp1
（2）绕击跳闸率 设绕击率为 pa ，100km线路每年绕击次数N pa 0.6hb pa ，
绕击时的耐雷水平为 I2 ，雷电流幅值超过 I2 的概率为 ， 建弧p2 率为 ，则每 100km线路每年的绕击跳闸次数为 ：
n2 0.6hbpa p2
（3）线路雷击跳闸率 若避雷线与导线在档距中央处的空气间隙距
绕击率 pa
装设避雷线的线路，使三相导线都处于 它的保护范围之内，仍然存在雷绕过避雷 线而直接击中导线的可能性，发生这种绕 击的概率称为绕击率 pa 。
一旦出现这种情况，则往往会引起线路 绝缘子串的闪络。模拟试验、运行经验和 h 现场实测均证明： pa 之值与避雷线对边相 导线的保护角 ，杆塔高度 h 及线路通 过地区的地形地貌等因素有关：
由雷电通道中正电流波的运动在导 线上所产生的感应过电压已如上节所述， 这里主要分析流经杆塔和地线中的雷电 流所引起的过电压。
Z0
+
-
-
Zb -
Zb
Z gt
（1）塔顶电位 对于一般高度（40m以下）的杆塔，在工程近似计算中，
常将杆塔和避雷线以集中参数电感Lgt 和 Lb 来代替。
Rch
iL 2Lbib / 2
Z0Zd 2Z0 Zd
绕击时导线上电压幅值Ud 随雷电流幅值的增加而增加， 若超过线路绝缘子串的冲击闪络电压，则绝缘子串将发生
闪络，绕击时的耐雷水平 I2 可令Ud 等于绝缘子串50%的闪 络电压 U 50%来计算。
I2
U50%
2Z0 Zd Z0 Zd
“规程”认为Z0 Zd / 2
研究线路雷击跳闸率时，必须考虑上述诸因素。
6.3.1建弧率
当线路着雷后，由冲击闪络转为工频电弧的概率与弧道 中的平均电场强度有关，也与闪络瞬间工频电压的瞬时值 和去游离条件有关。根据实验和运行经验，冲击闪络转为 稳定工频电弧的概率，称为建弧率：
(4.5E0.75 14)%
E — 绝缘子串的平均运行电压梯度，［kV（有效值）/m］
S 0.012l 1m
当发生雷击避雷线档距中央时，一般不会出现击穿事故。
对于大跨越档距，若 l / vb 大于雷电流波头，则相邻杆塔来 的负反射波到达雷击点A时，雷电流已过峰值，故雷击点的最 高电位由雷电流峰值所决定。导\地线间的距离S将由雷击点 的最高电位和间隙平均击穿强度所决定。
6.2.3绕击时的过电压和耐雷水平