第九章 输电线路的防雷保护

第九章输电线路的防雷保护

本章要求：

输电线路的感应过电压：雷击大地和雷击杆塔时导线上感应过电压的计算

输电线路上的直击雷过电压和耐雷水平

建弧率及雷击跳闸率的计算。

输电线路防雷措施及作用分析

由于输电线路长度大,分布面广，地处旷野,易受到雷击。输电线路上出现的大气过电压有两种:一种是雷击于输电线路引起的,称为直击雷过电压;

(1)雷直击导线,无避雷线的线路最易发生，但即使有避雷线,雷电仍可能绕过避雷线的保护范围而击于导线（绕击)。

(2）雷击杆塔或避雷线强大的雷电流通过杆塔及接地电阻，使杆塔和避雷线的电位突然升高，杆塔与导线的电位差超过线路绝缘子闪络电压时绝缘子发生闪络,导线上出现很高的电压。这种杆塔电位升高，反过来对导线放电,称为反击。

另一种是雷击线路附近地面而引起的，由于电磁感应所引起的,称为感应雷过电压。（3）雷击输电线路附近大地雷击导线水平距离65m以外的大地时，由于空间电磁场的急剧变化，在导线上感应出的过电压,称为感应雷过电压。

感应雷过电压的危害:

（3-1)引起线路跳闸，影响正常供电

由于过电压引起绝缘子闪络,导线对地短路,雷电过电压持续时间短（几十μs),继电保护装置来不及动作,但工频续流沿放电通道继续放电，在形成稳定燃烧的电弧后,则继电保护装置将使断路器跳闸，影响正常送电

（3-2）雷电波侵入变电站

导线上形成的雷电过电压波，最终将侵入变电站，经复杂的折反射后,在电气设备上出现很高的过电压,危及设备绝缘，造成事故。

输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。

耐雷水平：雷击线路时线路绝缘不发生冲击闪络的最大雷电流的幅值，单位为ＫA。线路的耐雷水平越高,线路绝缘发生冲击闪络的机会就越小。

雷击跳闸率：每100km线路每年有雷击所引起的跳闸次数。是衡量线路防雷性能的综合指标。

线路防雷问题是一个综合的技术经济问题，在确定线路的具体防雷措施时,应根据线路的电压等级、负荷性质、系统运行方式、雷电活动的强弱、地形地貌的特点和土壤电阻率的高低等条件,特别要结合当地原有线路的运行经验通过技术经济比较来确定。

第一节 输电线路的感应雷过电压

一、雷击线路附近大地，线路上的感应过电压?感应过电压的来源：?静电分量：束缚电荷瞬

间释放形成感应雷过电压。

电磁分量：主放电电流产生磁场变化形成感应过电压。

当Ｓ > ６5m 时,单导线上的感应过电压为:

l I －雷电流幅值KA ；d h -导线悬挂的平均高度ｍ;S-雷击点距离导线的距离。

感应过电压特点：

(１）由于雷击大地,大地自然接地电阻较大,雷电流幅值一般<100kA,感应过电压幅值一般为

3００-400k Ｖ,最大为500ｋＶ,故可能引起35kV 及以下线路闪络事故，对于11０kV 及以上

线路,由于绝缘水平较高,所以一般不会引起闪络事故。

（2)感应过电压的极性与雷电流极性相反。．

(3）三相导线上同时出现，相间不存在电位差,故只能引起对地闪络事故,如果两相或三相同

时对地进行闪络，即形成相间闪络事故。

(4）波形较平缓,波头几-几十μs,波长几百μｓ

当导线上方挂有避雷线时：由于其屏蔽效应,导线上的感应电荷就会减少,导线上的感应

过电压就会降低。避雷线的屏蔽作用可用下法求得，设导线和避雷线的对地平均高度分别为

b d h h ,，若避雷线不接地，则可求得避雷线和导线上的感应过电压分别可以表示为

S h I U b L b g ?=?25 S

h I U d L d g ?=?25 所以 d b d

g b g h h U U ??= 但是避雷线实际上是通过每基杆塔接地的,因此可以设想在避雷线上有一个)(b g U ?-电

位,以此来保持避雷线为零电位,由于避雷线与导线的耦合作用，此)(b g U ?-将在导线上产生

耦合电压)(0b g U k ?-,其中K 为避雷线和导线的耦合系数。

这样,导线上的电位将为d g

U ?' )1(0k U U d g d g

-='?? l d

g I h U 25S

?=

上式可以表明，接地避雷线的存在,可使得导线上的感应过电压d g U ?下降到d g

U ?'。耦合系数Ｋ越大,则导线上的感应过电压越低。

二、雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压

上式比较适合当Ｓ>6５m 的情况，更近的雷电将因线路的引雷作用而击于线路。

雷击线路杆塔时,由于雷电通道所产生的电磁场的迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压。

① 无避雷线时

d d g ah U =?

② 有避雷线时

)1(0k ah U d d g -=?

a －感应过电压系数(m kV /）,

等于雷电流平均陡度（6

.2L I ）

第二节 输电线路的直击雷过电压和耐雷水平

我们以中性点直接接地系统中有避雷线的线路为例进行分析,其他线路的分析原则相同。雷击避雷线路的情况可以分为3种,即雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中央、雷绕过避雷线绕击与导线（绕击）。

一、雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平

雷击杆塔塔顶时,雷电通道中的负电荷与杆塔及避雷线上的正电荷迅速中和形成雷电流。雷击瞬间自雷击点（即塔顶)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从塔顶沿两侧避雷线相邻杆塔运动，于此同时自塔顶有一正雷电流波沿雷电通道向上运动,此正雷电流波的数值与3个负电流波数值之和相等。线路绝缘上的过电压即由这几个电流所引起的。

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在上节阐述过了，这里主要分析流经杆塔和地线中的雷电流所引起的的过电压。

1、塔顶电位/避雷线电位

对于高度4０米以下的杆塔，在工程中,常将杆塔和避雷线以集中参数电感b t g L L ,?来代替，不同杆塔的等值电感t g L ?可由９－２－2查得。单根避雷线的等值电感b L 约为

l d

g I h U 25S

?=

)(67.0H l μ(l 为档距的长度，ｍ)，双根避雷线约为)(42.0H l μ。ch R 为杆塔冲击接地电阻。

考虑到雷击点的阻抗较低，故在计算中可省略去雷电通道波阻抗的影响。由于避雷线的分流作用,流经杆塔的电流t g i ?将小于雷电流L i 。

L t g i i β=? β:杆塔分流系数 可由９-２-３查得

塔顶横担对地电位可表示为

dt di L i R dt di L i R u L a L ch gt a

gt ch a ββ+=+= 把下列两式代入上面方程：

则横担对地电位的幅值a U 为

)6

.2(a ch L a L R I U +=β 式中L I 为雷电流的幅值;a L 以横担以下塔身的电感，可表示为gt a gt

a h h L L =。带入上式可以得到，塔顶横担对地电位：

)6.2(gt a gt

ch L a h h L R I U ?+=β 式中：gt L 为杆塔的总电感;gt h 为杆塔的高度； a h 为杆塔横担的高度。 塔顶端电位可表示为：dt di L i R dt di L i R u L gt

L ch gt gt gt ch td ββ+=+= 塔顶电位幅值可表示为：dt L I I R U gt

L

L ch td ββ+=

2、导线电位与线路绝缘承担的电压

平行导线上电位： (１)耦合波分量td kU 雷电极性相同 （k 耦合系数）

(2)雷击杆塔在导线上的感应过电压)1(0k h h ah d

b d -,与雷电极性相反(0k 几何耦合系数) 故导线的电位可表示为)1(0k h h ah ku u d b d td d -

-= 绝缘子两端电位差：是表示的是横担电位与导线电位之差,故线路绝缘上的电压幅值可

L L

di I dt 2.6=

表示为：

)1(0k h h ah kU U U U U d

b d td a d a j -+-=-= )6.2(gt a gt ch L a h h L R I U ?

+=β dt

L I I R U gt L

L ch td ββ+= 将以上的三个式子联列可得 ]6

.2)1(6.2)()1[(0d d b gt gt a ch L j h k h h L k h h R k I U -+-+-=ββ 为简化计算,以上计算中,假定各电压分量的幅值均在同一时刻出现，且未考虑极性不确定的工作电压分量。对于22０k Ｖ及以下的线路，其工作电压所占比重不大，一般可以省略；但对超、特高压线路,则不可不计,且雷击时导线上工作电压的瞬时值及其极性应作为一随机变量来考虑,为从严要求,在计算中应取与横担电位a U 异极性的情况。

3、 耐雷水平

当电压j U 未超过线路的绝缘水平,即%50U U j <时,导线与杆塔之间不会闪络。由此可得出雷击杆塔时线路的耐雷水平l I 为

6.2)1(6.2)()1(0%

50d

d b gt gt a ch l h k h h L k h h R k U I -+-+-=ββ

要注意的是%50U 应取绝缘子串中的正极性50％冲击放电电压,因为流入杆塔电流大多是负极性的,此时导线相对于杆塔处于正电位，而且绝缘子串的%50U 在导线为正极性时较低。如果雷击杆塔时雷电流幅值超过了线路的耐雷水平l I ,就会引起线路的闪络,此闪络称为“反击”。“反击”这个概念很重要,因为原来被认为是接地的杆塔此时是带上了高电位，反过来对输电线路放电，把雷电过电压施加到线路上，并进而侵入变电所。为了减少反击我们必须提高耐雷水平。

分析可知提高耐雷水平的主要措施有:

(1）降低杆塔接地电阻ch R 一般高度杆塔，ch R 的压降是塔顶电位主要分量。

（2）增大耦合系数k 可以减少绝缘子串上的电压和感应过电压 采用双避雷线,加装耦合地线。

（3)减小分流系数β

(４)加强线路绝缘 增加绝缘子片数,采用更好的绝缘材料

二、雷击避雷线档距中央时的过电压

雷击避雷线档距中央示意图如上图所示;从雷击引起导、地线间气隙击穿的角度来看,雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时,因为这时从杆塔接地点反射回来的异号电压波抵达雷击点的时间最长,雷击点上的过电压幅值最大。

雷击点A 的最高电压为：

b

b L A Z Z Z Z i u +=002 此电压波A u 自雷击点沿两侧避雷线向相邻杆塔运动，由于杆塔的接地电阻要比杆塔和避雷线的波阻抗小得多,可以近似认为等于零用0Z 表示，这样接地点将发生负的电压全反射。电压波A u 从Ａ点出发，到达杆塔接地点发生反射后回到Ａ点,所经过的时间可表示为:

b gt v h l

t /)2

(21+=(u ｓ) l 为档距的长度m,gt h 为杆塔的高度m ，b v 为波速ｍ/u ｓ计及电晕的影响为0.75倍的真空光速。

若雷电流为平顶斜角波，其波前的表达式为at i L =（a 为雷电流波前陡度us kA a /30=）,则可得到雷击点电压A u 的表示式

???

????≥+=<+=1100100,2)(,2)(t t at Z Z Z Z t u t t at Z Z Z Z t u b b A b b A 上式中请注意1,t t 的关系，以及)(t u A 关于它们的表示;

由上式可见,在1t t =时,雷击电电压达到最大值为

)2()

2(00gt b b A h l Z Z Z aZ U ++=

由于避雷线与导线的耦合作用,在导线上将耦合A KU 的电压，所以避雷线与导线之间空气间隙Ｓ上所承受的最高电压S U 为:

)1)(2()

2()1(00k h l Z Z Z aZ k U U gt b b A S -++=-= 由上式可以看出，雷击避雷线档距的中央时，雷击处避雷线与导线间的空气隙Ｓ上的电压与耦合系数k 、雷电流陡度ａ、杆塔高度、以及档距有关；当此电压超过空气间隙的发电电压时，间隙将被击穿造成短路事故。

根据理论分析和运行经验，规程规定在档距中央,导线和避雷线之间的空气距离S,在C 15无风时满足

1012.0+≥l S (m ）

式中的l 表示的是档距长度,ｍ。

当档距长度较长时（如大跨越档)，若按上式计算出的S 大于下表中所规定的值时,可按照下表值中规定确定,但大跨越档导线与避雷线间空气距离不得小于下表中规定的值。

防止反击要求的大跨越档线路与避雷线间的距离

只要满足上述距离要求，多年运行经验表明,雷击避雷线档距中央时,导线与避雷线间一般不会发生闪络。所以，在下面计算雷击跳闸率时,就不计及这种情况。

三、绕击时的过电压和耐雷水平

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a p ,一旦出现这种情况，往往会引起线路绝缘子串的闪络。绕击率和保护角a ,杆塔的高度h ，及线路通过地区的地形地貌等因素有关，可用以下公式求得:

对平原地区 9.386

lg -=h a p a 对山区 35.386lg -=

h a p a 保护角α-－指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角。保护角越小,避雷线对导线的屏蔽保护作用越好；h 为杆塔的高度。

绕击导线时导线上的电压为d u

d

d L

d Z Z Z Z i u +=002 其幅值可表示为 d

d L d Z Z Z Z I U +=002

从上式可知，绕击时导线上的电压幅值d U 随电流幅值L I 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2I 可令d U 等于绝缘子串5０%闪络电压%50U 来计算。因规程认为20d Z Z =，故

100/%502U I ≈

根据规程计算的方法。35、1１0、２20、33０kV 线路的绕击耐压水平分别为3.５,7，12和16ｋＡ左右,其值较雷击杆塔时的耐雷水平小得多！

第三节 输电线路的雷击跳闸率

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，但由于冲击闪络持续时间只有几十μs ，继电保护和断路器根本来不及动作，雷电流过后,工频电压所产生的工频电流(工频续流）以电弧的形式流过闪络通道,若电弧稳定燃烧才会使继电保护动作，断路器跳闸。

所以研究线路雷击跳闸率,必须考虑上述各种因素！

一、建弧率

当线路着雷后，由于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。

)%145.4(75.0-=E η

式中，Ｅ为绝缘子串的平均运行电压梯度[ｋV(有效值）/m ］。

对中性点直接接地系统 3j e

l u E =

中性点不接地系统 j

e l u E 2= 对于中性点直接接地系统且未铁横担时,e u 为线路额定电压[（kV ）有效值]；j l 为绝缘子闪络距离(m ）。

对于中性点不接地系统,单相闪络不会引起跳闸,只有当第二相导线再闪络后才会造成相间闪络而跳闸因此e u 应是线电压，j l 是相间绝缘长度。

实践证明，当m kV E /6≤（有效值)时，可以近似认为0=η。

二、雷击杆塔时的跳闸率

击杆率：雷击杆塔的次数与雷击线路的次数之比叫击杆率，一般用字母g 表示，它与地形特点和避雷线的根数有关。

跳闸率用n 来表示，其含义是指：假定在每年40个雷电日的情况下，每１00公里线路因受雷击而可能跳闸的次数。它可以来衡量不同线路设计方案的相对优劣，并不代表线路实

际运行过程中的遮断情况。

11)4(28.0P h b n b η+=

1P ——表示雷电流幅值超过1I 的概率,η——表示为建弧率，

三、绕击跳闸率

设绕击率为a P

a b P P h b n 12)4(28.0η+=

四、线路雷击跳闸率

以上各式中的击杆率ｇ见下表 避雷线根数 地 形 0

1 2 平 原

1/２ 1/4 1／

６ 山 区 - 1/3 1/4

第四节 输电线路的防雷措施

一、线路雷害事故发展过程及防护措施

输电线路雷害事故的发展过程及相应的防护措施用上图说明:

这里先扼要介绍一下现代输电线路上所采用的各种防雷保护措施;

一 避雷线 （架空地线)

作用：1．减少雷直击导线2．分流作用降低塔顶电位３.屏蔽作用降低感应过电压

沿全线装设避雷线直到目前为止仍然是11０KV 及以上架空输电线路最重要和最有效的防雷措施，它除了能避免雷电直接击中导线而产生极高的雷电过电压以外,而且还是提高线路耐雷水平的有效措施之一。

规程规定：

a.2２0k Ｖ及以上全线双避雷线(保护角度

20=a ）

b.110kV 除少雷区外全线架设避雷线(保护角度 30~20=a ）

二、降低杆塔接地电阻

为了防止反击,应降低杆塔接地电阻，以提高耐雷水平,对一般高度杆塔很有效。

三、架设耦合地线

降低接地电阻困难时采用，有屏蔽和分流作用以降低导线上的感应过电压。 12b 12n n n 0.28(b 4h )(gP P P )

αη=+=++

四、采用不平衡绝缘方式

同杆双回线路采用

五、装设自动重合闸

为了防止雷击闪络后建立工频电弧,装设自动重合闸装置。

六、采用消弧线圈接地运行方式

形成感性电流和雷电所引起的单相接地（弧光放电)的容性电流，相抵消;使系统恢复正常。

七、线路薄弱处装设管型避雷器

八、加强绝缘

高杆塔增加绝缘子片数

九、加装线路型避雷器