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1、第十章 电力系统防雷保护,（2学时）,函呜馅皮森傅舱醋飘谣浅面豪琢疚谈拧笛蜜甲要誊酋所予胃谅姬剩妓沙石电力系统防雷电力系统防雷,10.1 输电线路的防雷保护,雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大的比重。特别是伴随着开关技术的发展，电力系统内部过电压的降低及其导致的事故的减少，雷击引起的跳闸事故占据日益主要的地位。,架空输电线路长度大，分布面广，且往往翻山越岭，遭受雷击的机会很多。一条100km长的架空输电线路在一年中往往要遭到数十次雷击，因而线路的雷击事故在电力系统总的雷电事故中占有很大的比重。据统计，因雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的60%以上。输电线路防雷保护的目的就是尽可能
2、减少线路雷害事故的次数和损失。 输电线路上出现的雷电过电压主要有两种，即为直击雷过电压和感应雷过电压。前者由雷击于线路引起，后者由雷击线路附近地面、由于电磁感应引起。,龙甩镭厨屑废民睹圣觅退斜抬淹简诌猎杠港幕祟喇俄琼御凶抬例敌玖挖鳃电力系统防雷电力系统防雷,10.1.1输电线路感应雷过电压,一、 雷击线路附近大地时，线路上的感应过电压,当雷击线路附近的大地时，由于电磁感应，在导线上将产生感应过电压。感应过电压的形成如图101所示，设雷云带负电荷。在主放电开始之前，雷云中的负电荷沿先导通道向地面运动，线路处于雷云和先导通道形成的电场中。由于静电感应，导线轴向上的电场强度Ex将正电荷吸引到最靠近先
3、导通道的一段导线上，成为束缚电荷。导线上的负电荷则受Ex的作用向导线两端运动，经线路的泄漏电导和系统的中性点而流入大地。由于先导发展的速度很慢，导致导线上束缚电荷的聚集过程也比较缓慢，因而导线上由此而形成的电流很小，可以忽略不计，在不考虑工频电压的情况下，导线将通过系统的中性点或泄漏电阻保持零电位。主放电开始后，先导通道中的负电荷被迅速中和，使导线上的束缚电荷得到释放，沿导线向两侧运动形成过电压。这种由于先导通道中电荷所产生的静电场突然消失而引起的感应电压称为感应过电压的静电分量。同时，主放电通道中的雷电流在通道周围空间产生了强大的磁场，该磁场的变化也将使导线上感应出很高的电压。这种由于主放电
4、通道中雷电流所产生的磁场变化而引起的感应电压称为感应过电压的电磁分量。由于主放电通道与导线互相垂直，因此电磁分量不大，约为静电分量的1/5。从图101可以看出，感应过电压的极性与雷电流极性相反。,窖铲恃钉某睁编棒盲敲裁置档匿翰纽竿限蛙睹翔惭敌账猛雁备狱沏猩吧狭电力系统防雷电力系统防雷,图101 感应雷过电压形成示意图,黍陶恿凋佣墙际观亥戈斤柄穷长绣铰奏液信钳烬鸯俗尸貌饵羹邦宴芝邯悲电力系统防雷电力系统防雷,根据理论分析和实测结果，我国的技术规程建议，当雷击点离导线的距离超过65m时，导线上的感应雷过电压最大值Ug可按下式计算：,（101）,其中，IL为雷电流幅值（kA），hd为导线高度（m），
5、S为雷击点离导线的距离（m）。 由上式可知，感应过电压与雷电流峰值IL成正比，与导线平均高度hd成正比，hd越大则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就越高；感应过电压与雷击点到线路的距离S成反比，S增大时，感应过电压就减小。 由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大，雷电流峰值一般不超过100kA。因此在式（101）中可按ILl00 kA进行估算。实测证明，感应过电压峰值最大可达的300400kV。对35 kV及以下钢筋混凝土杆线路，可能造成绝缘闪络；但对于110 kV及以上线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络。感应过电压在三相导线中同时存在，相间不存在电位差，故只能引起对地闪络；如果两相
6、或三相同时对地闪络，则形成相间短路。,拥钾曲恤搂侣胺虎尔栖颇叠蹋力酪拥锗蕴骇乓竞漠呸匈蔓蛹牌切怖诱蔫蛮电力系统防雷电力系统防雷,如果导线上方挂有避雷线，其影响相当于增大了导线的对地电容，导线上的感应过电压将会下降。避雷线的屏蔽作用可用叠加法求得。设导线和避雷线的对地平均高度分别为hd和hb，若设避雷线不接地，则由式（101）可以求得导线上和避雷线上的感应过电压Ugd和Ugb分别为：,和,故,但实际上避雷线是通过杆塔接地的，其电位为零。为满足这一条件，可以设想在避雷线上还存在一个电位-Ugb。该电位将在导线上产生耦合电位k（-Ugb ），其中k为避雷线与导线间的耦合系数。耦合电位与导线的雷电感应
7、过电压相叠加后，导线上实际的感应过电压Ugd为,（102）,从上式可以看出，避雷线的存在使导线上的感应雷过电压下降了（1-k）倍。耦合系数越大，感应过电压越低。,贩览碱惟坤杭摇娄葛撬少嗽橙亏俘百兄纸雇惠鸽已祷搔禹竭发恢乞刽溜允电力系统防雷电力系统防雷,二 雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压,式（101）和（102）只适用于S65m的情况，更近的落雷事实上将因线路的引雷作用而击中线路（避雷线或导线）或杆塔。 雷击线路杆塔时，由于主放电通道所产生的磁场的迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压，其计算问题至今尚有争论，不同方法的计算结果相差很大，也缺乏实践数据。对一般高度（约40m以下）
8、的无避雷线的线路，导线上感应的过电压的最大值可按下式计算：,（103）,其中，a为感应过电压系数（kV/m），其值近似等于以kA/s计的雷电流平均波前陡度，即aIL/2.6。 有避雷线时，导线上的感应过电压相应为,（104）,其中，k为耦合系数。,斑媒碑墟气癸桶理侠泵闪离号湍古该尤猛侠板字锤翁哑氯椽嫌线广鞭朗谋电力系统防雷电力系统防雷,10.1.2 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，其它线路的分析原则相同。 如图102所示，雷直击于带避雷线的线路有三种情况，即雷击杆塔顶部，雷击避雷线档距中央和雷击导线（即绕击）。,图102 带避雷线线路遭受
9、雷直击的三种情况,腆站束彼季骏贡绊坡皂滑锹深供悸皆厨鹏难桃枯挝剁捆说偿裴迂回损贴迭电力系统防雷电力系统防雷,雷击线路杆塔顶部时，由于塔顶电位与导线电位相差很大，可能引起绝缘子串的闪络，即发生反击。运行经验表明，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。雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率。我国技术规程建议的击杆率g如表101所示。,一 、雷击杆塔时的反击过电压,表101 击 杆 率 g,钻志虱讥善垒姜隔辣扩夯鼻缠趋洋兴渺睦汐涝驭拉悍钩快烈纽题嫌轰拍哥电力系统防雷电力系统防雷,雷击杆塔顶部瞬间，如图103所示，负极性雷电流一部分沿杆塔向下传播，还有一部分沿避雷
10、线向两侧传播；同时，自塔顶有一正极性雷电流沿主放电通道向上运动，其数值等于三个负雷电流数值之和。线路绝缘上的过电压即由这几个电流波引起。由雷电主放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前面进行了分析，这里主要分析流经杆塔和地线中的电流所引起的过电压。,图103 雷击塔顶时雷电流的分布,屈翟球臣务烦阴俄饲扭良允稠殴砚坝燕苹斥茄坍吾友氧克爆驯换层玛斤搂电力系统防雷电力系统防雷,（1）塔顶电位 对于一般高度（约40m以下）的杆塔，工程上常采用如图104所示的集中参数等值电路进行分析计算。图中，Lgt和Lb分别为杆塔和避雷线的等值电感，Rch为杆塔的冲击接地电阻。单根避雷线的等值电感约为
11、0.67lH（l为避雷线档距长度，m），双根避雷线约为0.42lH。不同类型的杆塔的等值电感可由表102估算。,表102 杆塔的等值电感的平均值,演静津烃校冀欧浦踪悠术诉亢古鬼敷蒜叶掇菩亭碱隐晤吊锈枝励轴楔煽牺电力系统防雷电力系统防雷,考虑到雷击点的阻抗较小，故在计算中可忽略主放电通道波阻抗的影响。由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流将小于雷电流， ，其中为杆塔的分流系数。的值可由图104所示的等值电路求出。对于不同电压等级一般长度档距的杆塔，值可由表103查得。 塔顶电位utd为,（105）,以 代入，则塔顶电位的幅值为,（106）,阉蕊坷靠趁受球信那毫拔哲击何淹仪痪着盔领耐茸块僵胰贫睬琢凝
12、盘馋泌电力系统防雷电力系统防雷,图104 雷击塔顶的等值电路,霉竞忧白质岩伊挂撇壬暂津桔优奎拓住抄括柑例很扑帽汀芋沪笋韵蘸内服电力系统防雷电力系统防雷,表103 一般长度档距的线路杆塔分流系数,（2）导线电位 与塔顶相连的避雷线具有与塔顶相等的电位utd（幅值为Utd）。由于避雷线与导线之间的耦合作用，在导线上将产生耦合电位kutd，此电位与雷电流同极性。此外，发生主放电时，根据式（104），导线上存在感应电位ahd（1k），该电位与雷电流极性相反。因此，导线上总的电位的幅值Ud为,（107）,烁篷韩聪桩傍库惑淬逝丑鉴级各跌针瞎湛暂咱优赢遍碌乏淀朱灶召扭源渐电力系统防雷电力系统防雷,（3）线路
13、上绝缘子串两端电压 由式（107）可得线路上绝缘子串两端电压的幅值Uj为,（108）,将式（106）及 代入式（108），得,（109）,雷击时，导线和地线上的电位较高，将出现冲击电晕，耦合系数k应采用修正后的数值，见表81。 需要指出的是，上述计算所得的绝缘子串两端电压并未考虑导线上的工作电压。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，雷击时导线上的工作电压的瞬时值应作为一随机变量加以考虑。,傅惮吸治希拟庄佑锡台檄妖粳揪臭提别疹陕碌催傍汲殃獭击霉骇刊屋容旷电力系统防雷电力系统防雷,（4）耐雷水平的计算 由式（109）可知，线路上绝缘承受的
14、电压与雷电流成正比关系。当Uj大于绝缘子串的U50%时，绝缘子串将发生闪络，发生反击。由于90%以上的雷电流为负极性，同时绝缘子串下端（导线侧）为正极性时U50%较低，所以U50%应以下端为正极性时的值为标准。令式（109）等于U50%，即可求得雷击杆塔时的耐雷水平I1为,（1010）,由上式可知，k越小则I1越小，较易发生反击，因此，应选取远离避雷线的导线作为计算对象。 我国的技术规程规定，不同电压等级的线路，雷击杆塔时的耐雷水平不应低于表10-4所列数值。,碱虱恭云判撰歹税回权褥戈球廖软忍含任陪泡呆奎划窒仑尽本恍润泼扇箱电力系统防雷电力系统防雷,表104 有避雷线线路的耐雷水平,从式（10
15、10）可知，雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数、杆塔等值电感Lgt、杆塔冲击接地电阻Rch、导地线间的耦合系数k和绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%有关。在工程实际中，一般以降低冲击接地电阻Rch和提高导地线间的耦合系数k作为提高线路耐雷水平的主要手段。对一般高度的杆塔，冲击接地电阻上的压降对绝缘子串两端电压影响最大，降低杆塔接地阻Rch能有效地提高线路的耐雷水平。增大导地线间的耦合系数k可以减少绝缘子串上的电压，同样也可以提高耐雷水平。,友妖撼戎秉奏蓝蒙赠啊临聋勋疫挡搬赤查稽负朱支阶衬楷骡狸杭臭动禁榴电力系统防雷电力系统防雷,二 雷击避雷线档距中央时的过电压 雷击避雷线档距中央时，虽然也会在雷
16、击点产生很高的过电压，但由于避雷线的半径较小，会在避雷线上产生强烈的电晕；又由于雷击点离杆塔较远，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。,只涉朵爹顽陛擅筛拔孩途唤篱饲笑铡惊偿章膏孜洲哇抒瑚叼饲缔翱脚辨掂电力系统防雷电力系统防雷,雷击避雷线档距中央如图105所示，图中Z0和Zb分别为主放电通道和避雷线的波阻抗。由于雷击点离杆塔较远，过电压波到达两侧杆塔入地，再反射到达雷击点的时间较长，因此在反射波到达前，雷击点电压可用彼得逊等值电路计算。 雷击时的电流源彼得逊等值电路如图106所示。由图可得雷击点处的电压uA为,（1011）,电压波uA自雷
17、击点沿避雷线向两侧杆塔运动，经 （l为档距长度，vb为避雷线中的波速）时间到达杆塔。由于杆塔接地，因此将有一负反射波沿原路返回，又经 时间后到达雷击点。若此时雷电流尚未到达幅值，则雷击点的电位自负反射波到达后开始下降，故雷击点A的最高电位将出现在 时。,肖河鹤贿嘿钡杰脐待掉冤见兹臂憋筛考毅粳拎韧签决寄卧亥欠豌探祁培缮电力系统防雷电力系统防雷,若雷电流取为斜角波头i=at，将t的值代入，则由式（1011）可得雷击点避雷线的最高电位UA为,（1012）,由于避雷线与导线间的耦合作用，在导线上将产生耦合电位kUA，故雷击处避雷线与导线间空气间隙S上所承受的最高电压US为,（1013）,由上式可知，雷
18、击避雷线档距中央时，雷击处避雷线与导线间空气绝缘所承受的电压与耦合系数k、档距l及雷电流陡度a有关。当此电压超过空气间隙的放电电压时，间隙就会发生击穿。 对于大跨越档距，若 大于雷电流波头，则从相邻杆塔来的负反射波到达雷击点时，雷电流已过峰值，故雷击点的最高电位由雷电流峰值决定。,株靴橡窿磐核亩千掂蚁瀑虱女抓期爹询底补趋春墨谆废涛蓑挟衣淬妮遗柳电力系统防雷电力系统防雷,由式（1013），结合空气间隙的抗电强度，可以计算出不发生击穿的最小空气间隙距离S。我国规程规定，档距中央避雷线与导线间的空气间隙距离S宜按以下公式确定：,（1014）,其中，l为档距长度，1m是考虑到杆塔和接地体中波过程的影响
19、。 国内外的长期运行经验表明，雷击避雷线档距中央引起避雷线与导线间空气间隙闪络的事例是非常少见的，这可能是由于根据空气间隙的击穿强度来确定间隙距离的绝缘设计方法不符合实际情况造成的。一种解释认为，闪络发生前，避雷线与导线间的预击穿降低了间隙上的电位差。 因此，在线路防雷工程设计中，只要避雷线和导线间的空气距离满足式（1014）的要求，雷击避雷线档距中央引起线路的闪络跳闸可以忽略不计。,娇让尝罪厨考丛斗障建院点魂旅旺蹭抑无孙棱庙萧巫褐藕四绷哀孵尘栖惮电力系统防雷电力系统防雷,三 绕击时的过电压和耐雷水平 装设避雷线的线路，仍然有雷绕过避雷线而击于导线即发生绕击的可能性。虽然绕击的概率很低，但其危
20、害较大，一旦发生绕击，往往会引起线路绝缘子串的闪络。 （1）电气几何模型与绕击率 绕击的原理可借助于20世纪60年代建立的电气几何模型进行分析。电气几何模型是以“闪击距离”（击距）rs的概念为基础的，所谓击距就是雷电先导头部与地面目标的临界击穿距离。击距的大小与先导头部的电位有关，因而与先导通道中的电荷有关，后者又决定了雷电流的幅值。因此，击距与rs与雷电流幅值IL有直接关系，根据理论研究和实验，其关系如下：,（1015）,其中，k、p为常数，不同的研究者给出的数值相差较大，通常采用美国的E. R. Whitehead给出的数值（k6.72，p =0.8）。,愚烈闲弄齿仟梅浙鹏型亨市柒蚂惟雕肃
21、蔼靛悉拓磺亡曲帜线修掖佐吱叉峻电力系统防雷电力系统防雷,关于绕击的电气几何模型分析是以等击距的假设为依据的，即假定先导对杆塔、避雷线、地面和导线的击距均相等。 击距rs求出后，就可以用几何分析法来求先导对导线的绕击情况。如图107所示，分别以避雷线和导线d为中心，以击距rsi为半径作两个圆弧，这两个圆弧交于Bi点；再在离地面高度为rsi处作一水平线CiDi与以d为圆心、半径为rsi的弧交于Ci点，由圆弧AiBi、BiCi和直线CiDi在沿线路方向组成一曲面，称为定位曲面。雷电流幅值为ILi的先导未到定位曲面之前，其发展不受地面物体的影响，仅当它下行至定位曲面时才受地面物体的影响而定位。若ILi
22、的先导落在AiBi弧上，则由于到避雷线的距离比到其它物体的距离为小，雷击中避雷线；同理，若落在BiCi弧上，则击中导线（发生绕击）；若落在直线CiDi上，则击中大地。因此，BiCi称为绕击暴露面。不同的雷电流幅值有不同的rs，所以可画出一系列的定位曲面。可以证明，AiBi弧与BiCi弧交点的轨迹为导线与避雷线的连线的垂直平分线（图中的直线oK），BiCi弧CiDi线的交点的轨迹为一抛物线（图中曲线HCiK）。中垂线与抛物线将整个空间分成三部分，中垂线与抛物线所包围的区域BiCi弧段为击中导线区（即绕击区）。随着雷电流的增大，BiCi弧段逐渐减小；当雷电流幅值增大到IK时，BiCi弧段缩减到零，
23、此时已不可能发生绕击。相当于IK的击距称为临界击距rsb。,面理桂旗畴瓦亢屋葱涯纪保徐创毋坐菇浴藐太悬脾猿袖房衷狱耍伺笆堂才电力系统防雷电力系统防雷,需扩剧道湘抢裕蹿着比蜕澈若极虾渴毡府箱旧奋委坷脆号戮桔赡石峦沥蒲电力系统防雷电力系统防雷,从电气几何模型可以看出，当雷电流大于一定值时，就不会发生绕击；而当雷电流较小时，则绕击的可能性增大。 电气几何模型是在多年运行经验及现场实测基础上总结的一种工程化的估计方法，用它可以说明为什么在保护角不大（但仍不能满足有效屏蔽的要求）时，线路会有绕击事故，即在分析绕击事故时是有用的；同时，该模型也证明了高杆塔时采用负保护角的必要性。但这一模型尚存在一些问题，
24、首先在于击距的确定，基本数据不太可靠，各家数据相差很大；第二，在击穿前的最后一次下行先导逐级发展时，它不一定就恰好停歇在一个“击距”上，而可能停歇在比一个“击距”小的任何位置上，因此大电流也可能发生绕击；最后，当线路电压等级提高时，由于绝缘加强，所以能承受的雷击电流也增大，而允许击距也随之增大，这样就得出了有其保护角可以随线路电压等级的提高而加大的结果，但这一点是与运行经验恰恰相反的。因此，该模型还有待完善。 在工程实际中，往往采用经验公式来求取绕击概率。根据模拟试验、现场实测和运行经验，绕击率P与避雷线对外侧导线的保护角、杆塔高度和线路经过地区的地形地貌和地质条件有关，我国技术规程建议采用下
25、列公式进行计算绕击率P：,疆梨旋压辟公戍一陷遗楔辰棚蜜后桩掣泄彰一撇烘坑体槐穗钒撕鲍更玫鞍电力系统防雷电力系统防雷,对平原地区,（1016）,对山区,（1017）,其中， 为保护角（）；h为杆塔高度（m）。 从上两式可知，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。,（2）绕击耐雷水平 忽略避雷线和导线的耦合作用，以及杆塔接地的影响，发生绕击时可以认为是雷电流波i/2，沿波阻抗为Z0的主放电通道传播到A点，如图108所示。图中Zd为导线的等值波阻。设导线为无穷长，则根据彼得逊法则，得到如图108（b）所示的等值电路。,泉比蹿厩现衍新札电建烦主圃疙遏狭藩祷幕冗屑摆溅箩范宴银啄但易
26、吭刽电力系统防雷电力系统防雷,图108 绕击导线的等值电路,流经雷击点A的电流iA为,（1018）,导线上的电压uA为,（1019）,舷零杠吗掂乎仿窍骋萨菠赂存肚粒汉爆蓄如轮锡瘸栓搁拿皿站谚背俏搂阔电力系统防雷电力系统防雷,其幅值UA为,（1020）,从上式可知，绕击时导线上的电压随雷电流幅值的增大而增大，若超过绝缘子串的闪络电压，则绝缘子串将发生闪络，绕击时的耐雷水平I2可根据令UA等于绝缘子串的50闪络电压U50%来计算：,（1021）,我国技术规程认为,（1022）,根据规程法，35、110、220、330kV线路的绕击耐雷水平分别为3.5、7、12和16kA左右，较雷击杆塔时的耐雷水平
27、小得多。,例咬盆永播阀梁皮排应牌藉沪先二翅莆镶巩圭茂畜甸艰稍蜘堵脾森衔痔锭电力系统防雷电力系统防雷,10.1.3 输电线路的雷击跳闸率,输电线路遭受雷击发生跳闸需要满足两个条件。首先是直击线路的雷电流超过线路的耐雷水平，线路绝缘将发生冲击闪络。但是它的持续时间只有几十微秒，线路开关还来不及跳闸，因此必须满足第二个条件冲击电弧转化为稳定的工频电弧，才能导致线路跳闸。 一 、建弧率 冲击闪络转化为稳定的工频电弧的概率，称为建弧率。建弧率与工频弧道中的平均电场强度E有关，也与闪络瞬间工频电压的瞬时值和去游离条件有关。根据试验和运行经验，可按下式计算：,（1023）,其中，E为绝缘子串的平均运行电压（
28、有效值）梯度kV/m,窒鸣麦信懂桥翘茄亭馅薄拇躁勃剧息足暂耗荤椭裕媳帘藕网苏丙缀扳袖比电力系统防雷电力系统防雷,对中性点有效接地系统,（1024）,对中性点非有效接地系统，单相闪络不会引起跳闸，只有当第二相导线闪络后才会造成相间闪络而跳闸，因此,（1025）,上两式中，ue为线路额定电压（有效值）（kV）；l1为绝缘子串长度（m）；l2为木横担线路的线间距离（m），对铁横担和钢筋混凝土横担线路，l2=0。 实践证明，当E6kV/m时，则建弧率很小，可以近似地认为 0。,局里迄孤韦犹澄伶紧屁榜饺铁数矩闸判蚀钨荣迸盾酥酉一进儿佬哈促焊庄电力系统防雷电力系统防雷,二 有避雷线线路雷击跳闸率的计算 以
29、下介绍的方法是我国用于工程近似计算线路雷击跳闸率的方法，简称规程法。 （1）雷击杆塔时的跳闸率 由式（95），每100km线路每年（40个雷电日）遭受雷击的次数N为,次/100km年 （1026）,其中，T40（雷暴日），0.07次/平方公里雷暴日，h为避雷线平均高度。 设n1为N次雷击中，击中杆塔的塔顶引起跳闸的次数，则,（1027）,其中，g为击杆率，见表101；P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的概率，I1由式（1010）求得，P1由式（91）求得；为建弧率，由式（1023）求得。,瘩灾械足胡糙蒜彤膊胆埂屹嘲卒茫疥竣彭删受毁蚀屿幸蝴末戴元翱幂沟焊电力系统防雷电力系统防雷,（2）雷绕
30、击导线时的跳闸率 设n2为线路绕击跳闸率，则,（1028）,其中，N的意义同前式；P为绕击率，由式（1016）、（1017）求得；P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率，I2由式（1021）或（1022）求得，P2由式（91）求得。 （3）线路跳闸率 设n为线路跳闸率，根据以上分析，忽略雷击避雷线档距中央引起的跳闸率时，线路的总跳闸率为雷击杆塔跳闸率n1与绕击跳闸率n2之和，即,（1029）,裙高而蔫南陷睫碳剿难酶释瓷锌眩卡角芹钳究妈芹岛温炔魂替兔晴奇幢瘴电力系统防雷电力系统防雷,10.1.4 输电线路的防雷措施,输电线路防雷设计的目的，是提高线路的耐雷性能，降低雷击跳闸率。在雷害发展过程
31、的各个环节，采取相应的措施，如图1010所示。以下为一些常用的线路防雷措施。,图1010 线路雷害事故的发展过程及防护措施,斥践波坛潮叉圣斤侍梯挖举实鳖芹讣歇攀猪灰陋艘恕陶梨厕录挝解火掺韧电力系统防雷电力系统防雷,（1）架设避雷线 这是高压和超高压输电线路最基本的防雷措施，其主要作用是防止雷直击导线。此外，避雷线对雷电流还有分流作用，可以减小流入杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；与导线之间的耦合也可降低绝缘上的过电压。 我国规程规定，除了部分雷害较少的110kV线路外，110kV及以上线路一般应全线架设避雷线，保护角一般采用2030；500kV线路应架设双避雷线，保护角不大于15。 在双避雷线的超
32、高压线路上，正常的工作电流将在每个档距中两根避雷线所组成的闭合回路里感应出电流并引起功率损耗。为降低这种损耗和将避雷线作通讯线用，可将避雷线经一个小间隙对地绝缘起来，雷击时此间隙击穿，避雷线接地。 （2）降低杆塔接地电阻 对于一般高度的杆塔，降低杆塔的接地电阻是提高线路耐雷水平防止反击的有效措施。我国规程规定了杆塔的工频接地电阻，一般为1030，具体数值见表96。,骤灾孽荫恫钝燥赞耐鲤耪岩饯春潘米玫器抄币拥煤惮葡诬阶藐掌张雇县戒电力系统防雷电力系统防雷,在土壤电阻率1000m的地区，杆塔的混凝土基础也能在某种程度上起天然接地体的作用，但在大多数情况下难以满足要求，故需另加人工接地装置。 （3）
33、架设耦合地线 作为一种补救措施，可在某些建成投运后雷击故障频发的线段上，在导线的下方加装一条耦合地线。它虽然不能像避雷线那样拦截直击雷，但具有一定的分流作用和增强导、地线之间的耦合系数，因而也能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。 （4）采用不平衡绝缘方式 为了节省线路走廊用地，在现代高压及超高压线路中，采用同杆架设双回线路的情况日益增多。为了避免线路落雷时双回路同时闪络跳闸而造成完全停电的严重局面，在采用通常的防雷措施仍无法满足要求时，可采用不平衡绝缘的方案。亦即使一回路的三相绝缘子片数少于另一回路的三相，这样在雷击线路时，绝缘水平较低的那回路将先发生冲击闪络。闪络后的导线相当于地线，增加了
34、对另一回路导线的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平。,特碘骸颇留掷持赖纶悯歹粹话走哉突娱朴最歌产地胸悸住安橙琼檬揩膀敏电力系统防雷电力系统防雷,（5）装设自动重合闸 由于线路绝缘具有自恢复功能，大多数雷击造成的冲击闪络和工频电弧在线路跳闸后能迅速去电离，线路绝缘不会发生永久性的损坏或老化，因此装设自动重合闸的效果很好。我国110kV及以上线路的重合闸成功率高达75%95%，可见自动重合闸是减少线路雷击停电事故的有效措施。 （6）采用消弧线圈接地方式 对雷电活动强烈，接地电阻又难以降低的地区，采用中性点经消弧线圈接地，能使雷电过电压所引起的相对地冲击闪络不转变为稳定的工频电弧，绝大多数的单相雷击
35、闪络接地故障将被消弧线圈所消除，大大减小了建弧率和断路器的跳闸次数。而在两相或三相遭雷击时，雷击引起第一相导线闪络并不会引起跳闸，闪络后的导线相当于地线，增加了耦合作用，使未闪络相绝缘子串上的电压下降，从而提高了耐雷水平。我国的消弧线圈接地方式运行效果良好，雷击跳闸率大约可以降低1/3左右。,夺两榜官垮寻窝逾衍挑圃诽剁灿毛痛赂镰盯经掀新巧阐柒号蹲节谬倒镶春电力系统防雷电力系统防雷,（7）加强绝缘 例如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。这样做当然也能提高线路的耐雷水平、降低建弧率，但实施起来会有相当大的局限性，仅在落雷机会较多的个别大跨越高杆塔上使用。一般为了提高
36、线路的耐雷水平，均优先考虑采用降低杆塔接地电阻的办法。,（8）安装线路避雷器 用作线路上雷电过电压特别大或绝缘弱点的防雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并能使建弧率降为零。在现代输电线路上，常把管型避雷器安装在线路之间及高压线路与弱电（例如通信）线路之间的交叉跨越档、过江大跨越高杆塔、变电站的进线保护段等处。 随着氧化锌避雷器的发展，复合外套氧化锌避雷器由于其重量轻、安全性好，已成功用于线路上。 在确定防雷方式时，应全面考虑线路的重要程度、系统运行方式、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率的高低等条件，结合当地原有线路的运行经验，根据技术经济比较的结果，采取合理的保护措施。,
37、棕诵宠蓬恢串皖益拴祖崖掺皂砂萤建挥奎驮屿凳醋虏疫雌沏塘累祈枪茨詹电力系统防雷电力系统防雷,10.2 发电厂和变电站的防雷保护,10.2.1 发电厂、变电站的直击雷保护,发电厂和变电站是电力系统的枢纽，一旦发生雷害事故，停电的影响面很大，且由于发电机、变压器等主要电气设备的内绝缘击穿后大多没有自恢复功能，使得停电时间比较长。因此，发电厂和变电站的防雷保护必须十分可靠。 发电厂、变电站遭受的雷害可能来自两个方面：雷直击发电厂、变电站；雷击线路，过电压波沿线路侵入发电厂、变电站。由于线路落雷频繁，因此后者是发电厂、变电站遭受雷害的主要原因。,对直击雷的防护一般采用避雷针和避雷线。我国的运行经验表明，
38、凡按规程要求装设避雷针和避雷线的发电厂和变电站，绕击和反击的事故率都非常低，每年每100个变电站发生绕击或反击的次数约为0.3次，防雷效果比较好。,工掖刘爱覆善雇厘整参能均寸厉舟书镊缴歼傅可糜挞开狂集继授锁斥茅坟电力系统防雷电力系统防雷,为了防止雷直击于发电厂和变电站，应该使所有被保护物体处于避雷针或避雷线的保护范围之内，这已在前面进行了介绍；同时还要求雷击避雷针或避雷线时，不应对被保护物体发生反击，这里主要对此进行讨论。 避雷针的装设可分为独立避雷针和构架避雷针两种。 如图1011所示，当独立避雷针遭受雷击时，雷电流流过避雷针和接地装置，将会出现很高的电位。设避雷针在高度h处的电位为uk ，
39、接地装置上的电位为ud，则,（1030）,（1031）,其中，L为h长避雷针的电感；Rch为避雷针的冲击接地电阻；iL为流经避雷针的电流。 为防止避雷针对被保护物体发生反击，避雷针与被保护物体之间的空气间隙Sk应有足够的距离。若取空气间隙的击穿场强为Ek，则Sk应满足,尿钥叠阑宛敞殿躬窘墨佳沥瑰团茄碳滚别触制沥劳矩民听疾僻箕莉称梗潭电力系统防雷电力系统防雷,图1011 雷击独立避雷针,（1032）,为防止避雷针接地装置与被保护物体接地装置之间发生反击，两者之间的地中距离Sd也应有足够的距离。若取土壤击穿场强为Ed，则Sd应满足,措讯夏捉浆使袋兽呼素酚捅趣粮子肚讲局胃部住沂浚邮啡德姜必厕如甄借电
40、力系统防雷电力系统防雷,（1033）,取雷电流的幅值为100kA，雷电流的平均上升陡度为100/2.638.5kA/s，避雷针的电感为1.55H/m，空气间隙和土壤的击穿强度分别为Ek500kV/m、Ed300 kV/m，则由上两式可得,（m）,（m）,按实际运行经验进行校验后，我国标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合推荐用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距Sk和地中距离Sd。,Sk0.2Rch0.1h （1034） Sd0.3 Rch （1035）,在一般情况下，Sk不应小于5m，Sd不应小于3m。,止睁醛浴新瘸嘶腺洱闭领捕惰末删糠施铆滁血漠琵蔑躁英躯岁蒋封务琼拘电力系统防雷电力系统防雷
41、,对于110 kV及以上的配电装置，由于其绝缘水平较高，可以将避雷针装设在配电装置的构架上。装设避雷针的构架应就近装设辅助接地装置，该装置与变电站接地网的连接点离主变压器与接地网连接点的距离不应小于15m，其目的是使雷击时在避雷针接地装置上产生的高电位，在沿地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，以避免对变压器造成反击。由于变压器是变电站中最重要的设备，且其绝缘较弱，因此在变压器门型构架上不应装设避雷针。 对于35kV及以下的变电站，由于其绝缘水平较低，故不允许将避雷针装设在配电构架上，应架设独立避雷针，其接地电阻一般不超过10，以免出现反击事故。 发电厂厂房一般不装设避雷针，以免发生反击事故
42、和引起继电保护的误动作。 关于是否采用避雷线的问题，过去因为强调避雷线断线有造成母线短路的危险，所以在发电厂和变电站用得很少。但国外多年的运行经验表明，用避雷线同样可以得到很高的防雷可靠性。我国新的技术标准也规定了可采用避雷线保护。架设避雷线时同样要注意避免引起反击事故。,琢咆陷帽耳被憨涂义杠糖朋慰掌更拟悉赚季椎娜戌挺营稚榜清现艳淹拴植电力系统防雷电力系统防雷,10.2.2 变电站的侵入波保护,由于线路落雷频繁，所以沿线路入侵的雷电波是发电厂、变电所遭受雷害的主要原因。由线路入侵的雷电波电压，虽受到线路绝缘的限制，但线路绝缘水平比发电厂、变电站电气设备的绝缘水平高。若不采取防护措施，势必造成发
43、电厂、变电站电气设备的损坏事故。据统计，我国每年每100个35kV和110220kV变电站由入侵雷电波引起的事故率分别为0.67次和0.5次。 防止侵入波危害的主要保护措施是在发电厂、变电所内装设阀型避雷器以限制入侵雷电波的幅值，使设备上的过电压不超过其冲击耐压值，在发电厂、变电站的进线上设置进线保护段以限制流经避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度。,亮枚迟庇妄唇入碘琉岭洲处荷驾醚湃论寂七奥劳蹿任证漠别时搁股综慌捕电力系统防雷电力系统防雷,一、 避雷器的保护作用分析,图1012 避雷器接在变压器端的接线和等值电路,首先分析阀型避雷器直接装设在变压器出线端的简单接线，如图1012（a）所示。为简
44、化分析，不计变压器的对地入口电容，并假定避雷器的伏秒特性uf（t）和伏安特性ub=f（ib）已知。 侵入波u（t）沿波阻抗为Z1的线路入侵，根据彼得逊法则，侵入波u到达避雷器后，在避雷器动作前相当于末端开路，避雷器上电压上升为2u（t），其等值电路如图1012（b）所示。,零腰妈甸穴肯盼麻鹿蠢箩渭烙惮肆并吏鄂绳畦昂爸襄硅壮筏哄舞赵气娶诚电力系统防雷电力系统防雷,（1035）,对上式包含非线性变量的方程，可用图解法求解。如图1013所示，纵坐标取电压u，横坐标分别取时间t和电流i。在ut坐标平面内，避雷器上的电压2u（t）与避雷器伏秒特性相交的点对应避雷器的冲击放电电压Uch。在ui坐标平面内（
45、适用于间隙击穿后），画出曲线ub+ibZ1，然后自侵入波的幅值处作一水平线与曲线ub+ibZ1相交，交点的横坐标就是流过避雷器的最大雷电流Ibm，由Ibm对应的Ubf（ib）曲线上的电压Ubm就是避雷器的最大残压。其它时刻避雷器上的电压ub可按此用图解法求得。,当避雷器上的电压2u（t）与避雷器伏秒特性uf（t）相交时，间隙放电，其后的等值电路如图1012（c）所示，可得,懊侈荚刺搪酱食泥寄低担吾灯蜘儡谍费湃勺寥冲锦吭虫蝉雀亿浸绕坯牵抱电力系统防雷电力系统防雷,图1013 避雷器电压Ub的图解法,噶隘扫卞斟壳笋蛔嫉币棒粗对懈毖学撕摔砒滁音籍锅肩锄让紫怖顾砖洪巳电力系统防雷电力系统防雷,由于阀型
46、避雷器的伏秒特性比较平坦，故其冲击放电电压值Uch基本上不随侵入波的陡度而变化。避雷器的残压值与流过的电流大小有关，但因阀片的非线性特性，在较大的雷电流变化范围内，其残压近乎不变。如前述，在具有正常防雷接线的110220kV变电站中，流经避雷器的雷电流一般不超过5kA（对330kV及以上系统为10 kA），故残压的最大值取5 kA下的数值；在一般情况下，避雷器的冲击放电电压与5kA下的残压基本相同。因此，在以后的分析中，可以将避雷器上的电压ub近似视为一斜角平顶波，其幅值为5kA下的残压Ub-5，波头时间（即避雷器放电时间）则取决于侵入波的陡度。若侵入波为斜角波u=at，则避雷器的作用相当于在
47、避雷器放电时刻tf在装设避雷器处产生一负电压波a（ttf），如图1014所示。 由于避雷器直接接在变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器上的电压完全相等，只要避雷器的冲击放电电压和5kA下的残压低于变压器的冲击耐压，则变压器将得到可靠的保护。,泳蜕犯材揣尸屈椒骇丢酝嘲噶楔铡酞铬滚阁起佣滚银胃存殉茸娜拐割咙连电力系统防雷电力系统防雷,图1014 分析用避雷器上电压波形,二 距离效应 变电站中有很多电气设备，我们不可能在每个设备旁装设一组避雷器加以保护，一般只在变电站母线上装设避雷器。由于变压器是最重要的设备，因此避雷器应尽量靠近变压器。这样，避雷器离开变压器和各电气设备都有一段长度不等的距离。
48、当雷电波入侵时，由于波的反射，被保护的电气设备上的电压将不同于避雷器的残压。,菊葬蜕蹦镁羔副技钦执缎蜜款溯淑亏犀沤哀泥烫探款乏瑚刽岸竹臣货纹替电力系统防雷电力系统防雷,以如图1015（a）所示的典型接线为例。由于一般电气设备的等值入口电容都不大，因此可以忽略其影响，被保护设备处可以认为是开路，故得到等值电路如图1015（b）所示。 可以应用网格法进行分析，如图1016所示。设侵入波为斜角波u（t）=at，分析时分别以各点出现电压的时刻为各自的时间零点。,图1015 分析雷电波侵入变电站的典型接线,曰营绳灰奔冕媳怪邵挎男灾夺逛污跃望开摘凉赦毅秃蝉插画褒盖揪争握吻电力系统防雷电力系统防雷,坎诊袭梢
49、番愁蚀阳煽胜疥婚忘哇段猫帐接降傣崇挣忧伟娄际凿操颖稠馈锯电力系统防雷电力系统防雷,（1）避雷器上的电压uB（t） T点的反射波到达尚未到达B点时，,T点的反射波到达B点以后至避雷器动作前，,（假设避雷器的放电时间 ），其中v为波速。,当t=tf时，uB（t）与避雷器伏秒特性相交，避雷器动作，由于避雷器非线性特性较好，此后可以认为避雷器保持不变的残压Ub-5（5kA下的残压）。这样，可以认为在t=tf时在B点叠加了一个负的电压波2a（ttf），即当ttf时,（1036）,由上式可得,（1037）,取哟揖徘哥肇哑永钢丢乏返炬砂导末靖后脑化聂腐瓮挝荤秋一闹艳循逝圾电力系统防雷电力系统防雷,的波形见表104（a）和图1017（a），其中,（2）进线刀闸上的电压和变压器上的电压 同理，利用由1015（b）可以求得uL（t） 和uT（t），见表105（b）、（c）和图1017