输电线路雷电防护研究毕业论文.doc

摘 要本文分析了雷电这一自然现象对输电线路的危害性，通过对输电线路的防雷设计的研究，阐述了输电线路防雷设计对电力系统正常运行的重要意义,剖析了电力系统中,如何提高输电线路防雷水平，从而有效降低输电线路雷击跳闸率，减少雷电对电网安全运行影响。本文阐述了输电线路的雷击放电原理，介绍了雷电的形成与发展过程，以及雷电压和雷电流的形成过程及其分类，并给出了雷电参数、耐雷水平、感应雷和直击雷的主要计算方法。本文介绍了目前我国输电线路防雷设计中常用的几种方法，如:合理选择输电线路路径、架设避雷线、降低杆塔接地电阻、装设避雷器、架设藕合地线、提高线路绝缘水平等，并对几种防雷措施分别进行了深入阐述和定量分析。关键词:输电线路 防雷设计 雷电放电 雷电压 雷电流AbstractLightning is a natural phenomenon.The harm of lightning on transmission line，is analyzed in thisthesis. By the lightning-shielding designof a transmission line， some issues are investigated in this detail.These issues include the significance of transmission line lightning protection design for the power system normal operation ,how to improve the lightning-shielding level of a transmission line， how to lower effectively the lightning trip-out rate of a transmission line，and how to decrease the impact of lightning on the safe operation of a Power grid.The principle of lightning discharge to a transmission line s described in this thesis. The forming and developing processes of lightning are introduced. Also introduced are the forming and developing processes of lightning voltage and lightning current，The main calculation methods of the lightning parameters，the lightning-resistance level，the inducing lightning and the direct striking lightning are put forward.Several practical ways of lightning-shielding design of a transmission line in our country are analyzed. These ways include the reasonable choice of right-of-way of a transmission line，the rational design of lightning conductors，the lowering of towers grounding resistance，the installation of lightning arresters，the installation of coupling lightning conductors，and the improving of line insulation level，and so on. Some of them are analyzed in detail and studied quantltatively. Key words: transmission line; lightning-shielding design;lightning discharge; lightning voltage; lightning current 第1章 绪论电能是现如今能源的主要组成部分，它与其他能源相比较，具有易于转化，输配简单，便于调节测量、准确控制的优点。因此，保证可靠、安全、经济、高质量的供电，对工农业的生产与人民生活影响很大，因此，合理安全用电已是当务之急。电力系统由各种不同类型的发电厂、输配电网及电力用户组成，它们分别完成了电能的生产、输送、分配及使用。在目前的电力系统中，主要的发电场有火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂。除此之外利用风能、太阳能、地下热能和潮汐能发电也在不断的研究与发展中，有的具备了一定的规模。输配电网的作用是将各个发电厂通过高压（如220KV、330KV、500KV甚至750KV）线路相互连接，使所有同步发电机之间并行运行，保证变电所同时正常工作，并同时将发电厂发出的电能送到各个负荷中心。由于每条线路输送功率大小以及传输距离不同，在同一输电网络中可能需要采用几种不同等级的电压，这就要求在传输网络中采用各种不同容量的升、降压变电所。鉴于电能的特点，因此在电能的使用中，必须保证用电的安全。有数据表明，输电线路所出现的故障在整个电网事故率中占相当大的比例，而在众多输电线路所出现的故障中，雷击所导致的事故最严重，尤其是在地形条件比较差的地区，雷击所引发的输电线路不畅的故障更是频繁，所以，更好的防止输电线路遭受雷击，也就意味着输电线路的事故发生率能够尽可能的较小。 保障电力供应的稳定性、持续性、安全性是满足经济建设发展需要刚性需求及优质服务的社会价值的体现。随着全球气候异常状况的加剧，雷电活动也异常频繁。雷害作为主要影响因素之一（雷击是造成输电线路跳闸停电事故的主要原因，在电力系统非计划停运中，雷电事故一般占30%以上，有的地区甚至达到80以上），对电力安全传送的影响及危害非常大，输电线路的雷电防护也越显重要，因此解决好线路防雷的问题成为电力供应中的一项重要工作。雷电的主要危害有以下几种: 1-21. 电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的电压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘层使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾害。2. 电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流，并产生大量的热能，在雷击点的热量会很高，可以导致金属的熔化，引发火灾和爆炸。3. 雷电流机械效应主要表现为被雷击的物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象导致财产损失和人员伤亡。4. 雷电流静电感应可以使被击导体感生出与雷电性质相反的大量电荷，当雷电消失来不及流散时，即会产生很高电压，发生放电现象从而导致火灾。5. 雷电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场，其感生出的电流可引起变电器局部过热而导致火灾。6. 电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置或电气线路断路而燃烧导致火灾。7. 雷电流能破坏电力系统的各个元件，有可能造成发电机、电力变压器、断路器和其它电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘子也会因为雷击而发生闪络或碎裂、导线烧断和木质电杆被雷劈裂等事故。1.1输电线路雷电防护研究的意义随着全球气候异常状况的加剧，雷电活动也异常频繁。雷害作为主要影响因素之一（雷击是造成输电线路跳闸停电事故的主要原因，在电力系统非计划停运中，雷电事故一般占30%以上，有的地区甚至达到80以上），对电力安全传送的影响及危害非常大。输电线路雷害事故引起的跳闸，不但影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上落雷，雷电波还会沿线路侵入变电所3输电线路作为电力传输系统的大动脉，它将电能传输到四面八方，它是连接各个发电厂、变电站/变电所、用户的桥梁,是所有同步发电机并行运行的重要保证；而且，防雷设计也是电气安全的主要措施，因此输电线路的安全运行，直接影响了电网的稳定运行和向广大用户可靠供电。输电线路的安全运行在电网中具有举足轻重的地位，是实现“强电强网”的需要，也是向工农业生产、人民生活用电提供不间断供电的需要。由于我国地处温带和亚热带，所以雷电活动比较强烈。漫长的输电线路穿过平原、山区、峡谷，跨过江河湖泊，遇到的地理环境和气象条件各不相同，所以遭受雷击的概率比较大。据统计，我国电力系统各类事故、故障中，输配电线路的雷害事故占有很大的比例。由于输电线路对于保“网”的重要地位，因此，如何减少输电线路的雷害事故就成为了电力系统中的一项重要研究课题。输电线路的雷害事故引起的跳闸，不断影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上的落雷引起的雷电波可能会沿着线路侵入变电所，造成不可估量的财产损失和人员伤亡。在电力系统中线路的绝缘最强，变电所次之，发电机最弱，若发电厂、变电所的电力设备防护保护不完善，往往会引起其设备绝缘损坏，影响安全供电。由此可见，输电线路的防雷是减少电力系统雷害事故及其所引起电量损失的关键。做好输电线路的防雷设计工作，不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性，延长其使用寿命，而且还可以使变电所、发电厂安全运行得到保障。1.2输电线路防雷研究的现状经过几十年的不断摸索研究,许多的专家和学者为了尽可能的降低雷电袭击的不安全事故的发生,提高输电线路安全供电的可靠性,提出了许多有关防雷设计的措施和方案。几十年前，由于输电线路的电压等级比较低，因此考虑的主要是以防止感应雷为主，在这种情况下，采取了在相线下面，架设了地线，以此来提高导线与地线的耦合系数，减少线路上的感应过电压。后来，经过几十年的不断发展和大量的研究，并随着输电线路的电压等级的不断提高（我国电力线路电压等级有：550KV、330KV、220KV、110KV、35KV、10KV、6KV、380V和220V）,对雷电的认识也进一步加深了，并归纳了表征雷电的一些参数，至此，输电线路的防雷水平得到提高。从输电线路的发展过程来看，防雷研究经历了四个阶段29:第一阶段（1930年以前）：由于输电线路电压等级较低，所以以防止感应雷为主，因此采取的措施主要是装设地线，增加耦合系数，减小线路上的感应过电压。第二阶段(19301950年)：主要是以防止雷电直击输电线路为主，这一阶段，人们对雷电有了更深的了解，同时也系统归纳了表征雷电的参数，并开始意识到直击雷是电压等级较高的输电线路，如110kV、220kV、特高压输电线路发生跳闸的主要原因，由此，人们经过研究，也产生了如何有效防止直击雷，使导线得到更好保护的计算方法。经过若干年的发展，输电线路的电压等级越来越高，同时线路的绝缘水平也逐渐得到提高，多年的实践证明，直击雷过电压是线路发生跳闸，引发事故的主要原因，而感应过电压一般情况下则不会使绝缘子串发生闪络。因此，世界上很多国家对雷电都进行了大量的观察研究，并在此基础上提出了用行波理论来计算绝缘子串两端电压的方法。第三阶段(19501962年):由于美国OVEC-345kV线路发生了非常多的绝缘闪络，由此引发了很大的争论，并且人们对以前的防雷计算方法和得到的研究数据重新进行了评估。这样一来就使得输电线路的防雷研究有了很大的发展，从而也在线路的理论分析、现场实测以及模拟试验和运行经验等方面有了极大提高。第四阶段(1962年至今):人们将模拟试验、现场实测、概率统计方法和计算机进行了密切联系，使得现在的防雷保护在理论和实践上都有了大幅提升。目前，我国输电线路防雷设计研究主要从以下几个方面着手进行:1、合理选择线路路径;2、架设避雷线;3、降低杆塔接地电阻;4、在部分地段装设避雷器;5、提高线路整体绝缘水平。这几种方法在目前的输电线路防雷设计中运用得非常多，在线路路径受地形和投资限制，选择范围不大的情况下，架设避雷线、降低杆塔接地电阻、装设避雷器、提高线路绝缘水平成为防雷设计的主要方法。避雷线、杆塔接地电阻、避雷器、线路绝缘的设计标准在各类规程和技术规范都有较为详细的阐述。在选择设计输电线路的防雷设施时，应按照当地的雷电活动情况、系统的中性点接地方式、输电线路的绝缘情况、有无自动重合闸或备用自投装置、负荷的重要程度等各项条件来综合考虑，并按照技术经济比较的结果来作出决定采用最佳保护方案。输电线路防雷保护工作必须一切从实际出发，要充分听取各种意见，科研、设计、施工和运行部门应紧密结合，通力协作，根据当地雷电活动情况和电力网的具体特点等，进行充分的技术经济论证，保证防雷保护的设计方案技术先进、方案合理。1.3本文的主要工作本文首先介绍了输电线路防雷研究的重要意义，以及目前输电线路研究的现状，其次分析了雷电这一自然现象对输电线路的危害性，通过对输电线路的防雷设计的研究，阐述了输电线路防雷设计对电力系统正常运行的重要意义,剖析了电力系统中,如何提高输电线路防雷水平，从而有效降低输电线路雷击跳闸率，减少雷电对电网安全运行影响。在本文的第二章，阐述了输电线路雷击放电的原理，以及雷电形成和发展过程，并对输电线路雷击产生的过电压进行了分类，针对雷击过电压、雷电流的相关参数进行了的计算，并且分别进行了深入的阐述和定量分析。在本文的第三章，介绍了目前电力系统中常见的输电线路防雷装置，并且对其构造、工作原理、保护范围、工作性能都进行了深入的阐述和分析。最后提出了常见的输电线路防雷措施，并对每种措施的防护原理、工作的优缺点都进行了分析。总之，输电线路的防雷设计因地形、环境等的不同，会有很大的差别，因此在进行输电线路防雷设计的时候要因地制宜，针对不同的输电线路，提出合理的防雷方案。第2章 输电线路雷击放电原理2.1雷电放电的形成过程雷云就是积聚了大量电荷的云层4-5。迄今为止，关于雷电产生原因的学说有很多，通常认为是:在含有饱和水蒸气的大气中，当有强烈的上升气流时，就会使空气中的水滴电，这些带电的水滴被气流所驱动，逐渐在云层的某些部位集中起来，这就是我们平时所说的带电雷云。测量数据表明，一般云块的上部带正电荷，下部带负电荷，而在中间处出现正负电荷的混合区域。雷云平均电场强度为1.5kV/cm，实测到在雷云雷击前的最大电场强度为3.4kv/cm，而在稳定下雨时，大约只有40V/cm。雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，而每次放电又可分为先导放电与主放电两个阶段。在雷云带有电荷后，其电荷集中在几个带电中心，它们间的电荷数也不完全相等。当某一点的电荷较多，且在它附近的电场达到足以使空气绝缘破坏的强度(约25-30kV/cm)时，空气便开始游离，使这一部分由原来的绝缘状态变为导电性的通道。这个导电性通道的形成，称为先导放电。如图2.1（a）所示。先导放电是不连续的，雷云对地放电的第一先导是分级发展的，每一级先导发展的速度相当高，但每发展到一定长度(平均约50m)就有一个10-l00us的间隔。因此，它的平均速度较慢，约为光速的1/1000左右。先导放电的不连续性，称为分级先导，历时约0.005-0.01s。分级先导的原因一般解释为:由于先导通道内游离还不是很强烈，它的导电性就不是很好，由于雷云下移的电荷需要一段时间，待通道头部的电荷增多，电场超过空气游离场强时，先导将又继续发展。在先导通道形成的初阶段，其发展方向仍受一些偶然因素的影响，并不固定。但当它距地面一定高度时，地面的高耸物体上出现感应电荷，使局部电场增强，先导通道的发展将沿其头部到感应电荷集中点之间发展。也可以说，放电通道的发展具有定向性，或者说雷击有选择性，上述使先导通道具有定向性的高度，称之谓定向高度。当先导通道的头部与带异号电荷的集中点间距离很小时，先导通道端约为雷云对地的电位(可高达10MV)，而另一端为地电位，故剩余的空气间隙中的电场强度极高，使空气间隙迅速游离。游离后产生的正、负电荷将分别向上、向下运动，中和先导通道与被击物的电荷，这时便开始了放电的第二阶段，即主放电阶段。如图2.1（b）所示。主放电阶段的时间极短，约50-100us，移动速度为光速的1/2O-1/2；主放电时电流可达数千安，最大可达200-300KA。主放电到达云端时，意味着主放电阶段结束。此时，雷云中剩下的电荷，将继续沿主放电通道下移，此时称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.03-0.15s。由于雷云中可能存在多个电荷中心，因此，雷云放电往往是多重的，且沿原来的放电通道，此时先导不是分级的，而是连续发展的。图2.1 雷电感应过电压形成示意图(a)先导放电阶段 (b)主放电阶段2.2过电压及其分类供配电系统在正常运行时，电气设备或线路上所受电压为其相应的额定电压。但由于某些原因，使电气设备或线路上所受的电压超过了正常工作电压要求，并对其绝缘构成威胁，甚至造成击穿损坏，这一高电压称为过电压（over voltage）。过电压按产生原因，可分为外部过电压和内部过电压6。外部过电压（也称为大气过电压或雷电过电压）是供配电系统的设备或建筑物由于受到大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压；内部过电压是由于供配电系统正常操作、事故切换、发生故障或负荷聚变时引起的过电压。内部过电压分为操作过电压、弧光接地过电压和谐振过电压，内部过电压的能量来自于电力系统本身，经验证明，内部过电压一般不会超过系统正常运行时额定电压的3-4倍，对电力线路和电气设备绝缘的威胁不是很大。雷电过电压（外部过电压或大气过电压）引起的雷电冲击波的电压幅值可高达1亿伏，其电流幅值可高达几十万安，对电力系统的危害远远超过内部过电压，其可能毁坏电气设备和线路的绝缘，烧断线路，造成大面积长时间停电。因此，必须采取有效措施加以防护。2.2.1大气过电压大气过电压又称雷电过电压，是由于电力系统的设备或建（构）筑物遭受大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，因其能量来自系统外部，故又称为外部过电压。雷击过电压有三种基本形式：直击雷过电压、雷电感应过电压和雷电侵入波。(1) 直击雷过电压直击雷过电压是指由雷电直接击中线路或杆塔引起的过电压。强大的雷电流通过这些物体导入大地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，造成设备损坏，建筑物破坏。直击雷放电过程如图2.2所示。图2.2 直击雷的放电（2）雷电感应过电压雷电感应过电压也叫感应雷过电压，所谓雷电感应过电压，是指雷电击中电气设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受累积的电气设备上感应出的过电压。雷电感应过电压的形成过程如图2.3所示，在雷云放电的起始阶段，雷云及其雷电先导通道中的电荷所形成的电场对线路发生静电感应，逐渐在线路上感应出大量异号的束缚电荷Q。由于线路导线和大地之间有对地电容C存在，从而在线路上建立一个雷电感应电压U=Q/C。当雷云对地放电后，线路上的束缚电荷被释放出来形成自由电荷，向线路两端冲击流动，这就是雷电感应过电压冲击波。图2.3雷电感应过电压的形成过程高压线上的感应过电压，可高达几十万伏，低压线上的感应过电压，也可高达几万伏。如果这个雷电冲击波沿着架空线路变电所或厂房内部，对电气设备的危害很大。（3）雷电侵入波 由于直击雷或雷电感应而产生的高电压雷电波，沿架空线路或金属管道侵入变配电所或用户，称为雷电侵入波。这种雷电波侵入造成的危害占雷害总数的一半以上。2.2.2内部过电压内部过电压是由于电力系统本身的开关操作、短路等原因，是系统的相关参数发生变化时，电磁能产生振荡，积聚而引起的过电压。内部过电压按其电磁振荡的起因、性质和形成不同，可分为工频过电压、谐振过电压和操作过电压。其中工频过电压的幅值不高，一般不会超过工频电压的2倍，对220V及以下的系统的电气设备绝缘没有危害。（1）操作过电压操作过电压是由于电力系统中开关操作或故障，使电容、电感等储能元件运行状态发生突变，引起的电场、磁场能量转换的过渡过程中出现的振荡性过电压。其作用时间大约在几毫秒到数十毫秒之间，幅值不会超过4倍的工频电压。在现实中，常见的操作过电压有切、合空载长线路的过电压，切空载变压器过电压和电弧接地过电压等等。（2）谐振过电压电力系统中的电路参数（R、L、C）配合不当，可能会构成某一自振频率的振荡回路，在开关操作或故障的激发下，形成周期性或准周期性的剧烈振荡，电压幅值急剧上升，形成谐振过电压。谐振过电压的持续时间较长，甚至稳定存在，因此危害性极大。（3）限制内部过电压的措施 采用灭弧能力强的快速高压断路器，在断路器主触头上并联电阻（约2000-3000），在并联电阻上串联一个辅助触头，以减少电弧重燃的次数，控制操作过电压的倍数。 装设磁吹避雷器或氧化锌避雷器。 对于对地电容电流大的网络，中性点经消弧圈接地，限制电弧接地过电压。 增加对地电容或减少系统中电压互感器中性点接地的台数，即增加母线对地的感抗，从而减少固有的自振频率，避免因系统扰动而发生母线铁磁谐振过电压。2.3雷电流雷电流是指直接雷击时，通过被击物体，而泻入大地的冲击波电流，雷电流的幅值一般都很大、陡度都很高。（1）雷电流的幅值Im雷电流幅值是指脉冲电流所达到的最高值。雷电流的幅值大小与许多因素有关，主要的因素有气象、地质条件和地理位置。其中气象情况有很大的随机性，因此只有通过大量的实际测量才能正确估算雷电流峰值的概率分布。按行业标准，我国目前使用的雷电流幅值超过Im的概率，可用如下经验公式可得: (2-1)上式中:Im为雷电流的幅值，单位为kA；P为雷电流幅值超过Im的概率。在平均雷暴日数只有20或更小的部分地区，雷电流幅值也较小，可用下式表示: (2-2) 雷电流幅值Im一般不超过 100kA。（2）雷电流的波形雷电流的幅值随各国的自然条件的不同而差别很大，但是各国测得的雷电流波形却基本相同。大量统计表明，雷电流的波头长度大多出现在 1 us - 5 us 的范围内，平均在2 us - 2.5 us，我国在防雷设计中建议取 2.6 us；雷电流的波长时间一般在20 us - 100 us，平均约为50 us。雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头wh 。雷电流从幅值衰减到幅值的一半的这段波形称为波尾wt 。雷电流的波形图如图2.4所示。图2.4 雷电流波形（3）雷电流的陡度雷电波的陡度用雷电流波头部分的增长速度来表示，即 。雷电流的幅值和波头决定了雷电流的上升陡度，即雷电流随时间的变化率。雷电流的陡度对过电压有直接的影响，对电气设备的绝缘来说，雷电流的波陡度越大，则产生的过电压越高，对绝缘的破坏越严重。因此，应当设法降低波陡度，保持设备的绝缘性能。雷电流陡度的直接测量非常困难，经常是根据一定的幅值和波头去推算。我国采用固定的波头时间 2.6us，即认为雷电流的平均陡度和雷电流幅值Im线性相关。 (2-3)上式中: 为雷电流的陡度，Im是雷电流的幅值。(4)雷电波阻抗Z0雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷电波阻抗,用Z0表示。根据理论研究和实测分析，我国有关规程建议Z0取300左右29。2.4雷击过电压的计算方法当雷击到附近大地的时候，因为雷电通道周围空间电磁场的剧烈变化，输电线路上会发生电磁感应，进而产生感应过电压。感应过电压的幅值与雷电流的大小、雷电通道与输电线路间的距离、以及输电导线的悬挂高度等有关。当雷击输电导线附近的大地时，由于接地电阻比较大，以至于雷电流的幅值一般不超过 100KA。对 11OKV及以上的输电线路，由于其绝缘水平比较高，一般不会引起闪络，当雷击线路杆塔时，主放电所导致的周围空间电磁场的剧烈变化，使得导线上也产生了感应过电压。2.4.1输电线路雷电感应过电压计算（1）无避雷线时的雷电感应过电压由理论分析和实际测量的结果得到，当雷击附近大地时，我国规程建议，当雷击点与输电线路间的距离S大于65米时，这时导线上产生的感应过电压的最大值是: (2-4)式中: 导线上产生的感应过电压的最大值，单位kV。Im 雷电流幅值，单位为kA。 h 导线悬挂平均高度，单位为m。 S 雷击点至线路的距离，单位为m。由上式可以看出感应过电压U与雷电流幅值Im、导线悬挂的平均高度h成正比，与雷击点至线路的距离s成反比。但是，上式仅适用于雷击点至线路的距离大于65米的情况，如果距离小于65米时，线路的引雷作用会导致雷电直击在线路上。当雷直接击在杆塔上时，我国规程建议，对高度一般在40米以下时的输电线路，感应过电压的最大值的计算如下: （2-5）式中： Im 雷电流幅值，单位为kA。 h 导线悬挂平均高度，单位为m。由上式可以得到感应过电压仅与雷电流的大小、导线悬挂的平均高度成正比。（2）有避雷线时的雷电感应过电压 如果线路上挂有避雷线，则由于其屏蔽作用，导线上的感应过电压将会下降。假定避雷线不接地，在避雷线和导线上产生的感应过电压可用公式(2-4)来进行计算，当二者悬挂高度相差不大时，可近似认为两者相等。但实际上避雷线是接地的，其电位为零，这相当于在其上叠加了一个极性相反，幅值相等的电压(-U)。当雷击线路附近的地面时，导线上的感应过电压如下式所示： （2-6）式中： - 表示有避雷线时导线上的感应过电压,单位kV。 - 表示无避雷线时导线上的感应过电压, 单位kV。 - 表示导线与避雷线之间的耦合系数。 - 表示避雷线的悬挂高度,单位m。 - 表示导线悬挂的平均高度，单位m。由上式得到，避雷线与导线之间的耦合系数越大，导线上的感应过电压就越低。感应过电压只决定于导线间的相互位置与几何尺寸，导线间距离越近，则耦合系数气愈大，导线上感应过电压就愈低。2.4.2输电线路直击雷过电压计算在电力系统中，输电线路的防雷击重点在于直击雷的防护，也可分为无避雷线时的直击雷过电压和有避雷线时的直击雷过电压的两种情况。（1）无避雷线时的直击雷过电压输电线路未架设避雷线的情况下，雷击线路的部位只有两个，一个是雷击导线，另一个是雷击塔顶。当雷击中线路上的某一点时，雷电波将沿着线路向两侧传播，当雷击点电位超过绝缘子串50%冲击放电电压时，会引起绝缘子串闪络，这时线路的耐雷水平为： （2-7）式中: - 取绝缘子串的负极性50%放电电压，单位kV。此式是我国用来估算雷击导线过电压及耐雷水平的近似计算公式。当雷击塔顶时，雷电流I将流经铁塔及其接地电阻而流入大地。假设杆塔的电感为L，铁塔的冲击电阻为R，导线悬挂点高度为h，雷电流为斜角平顶波，且工程计算取波头为2.6us，此时作用在绝缘子串上的电压（单位为kV）是： （2-8）由此可知，加在线路绝缘子串上的雷电过电压与雷电流的大小、陡度，导线与铁塔的高度及铁塔的接地电阻有关。如果此值等于或大于绝缘子串的50%雷电冲击放电电压时，塔顶将对导线产生反击。在中性点直接接地的电网中，有可能使线路跳闸，此时线路的耐雷水平为： （2-9）60kV及以下电网采用中性点非直接接地方式，雷击塔顶时若雷电流超过耐雷水平，会发生塔顶对一相导线放电。由于工频电流很小，不能形成稳定的工频电弧，故不会引起线路跳闸，仍能安全送电。只有当第一相闪络后，再向第二相反击，导致两相导线绝缘子串闪络，形成相间短路时，才会出现大的短路电流，引起线路跳闸。此时，线路的耐雷水平为： （2-10）式中：指两相导线之间的耦合系数。（2）有避雷线时直击雷过电压有避雷线时直击雷击线路的部位有三种:一是雷绕过避雷线而直击于导线，二是雷直击塔顶，三是雷击避雷线档距中央7当雷绕过避雷线击于导线时，要求直击雷过电压及耐雷水平必须先得出绕击率 。所谓绕击率就是指雷电绕过避雷线而击中导线的概率，它随着保护角的减小而迅速下降。根据模拟试验和多年现场运行经验表明，绕击率与避雷线对外侧导线的保护角，铁塔高度h和地形条件等有关，我国规程规定绕击率常用下面公式计算:对于平原地区的输电线路： （2-11）对于山区地区的输电线路: （2-12）由上面两式可知如果要减少绕击率，就应尽量减小保护角，而过电压的大小，则直接体现在杆塔的高度上，所以绕击率与过电压的大小成正比。发生绕击后线路上的过电压及耐雷水平可按无避雷线时雷击导线时进行计算。当雷直击塔顶时，雷电流大部分经过被击铁塔入地，小部分电流则经过避雷线由相邻铁塔入地。流经被击杆塔入地的电流，和总电流的关系可以用下式表示: （2-13）其中指铁塔的分流系数，它始终小于1。因此，雷击有避雷线的输电线路的塔顶时的耐雷水平I 为： （2-14）当雷击输电线路档距中央避雷线时，由于雷击点距杆塔有一段距离，由两侧接地铁塔处发生的负反射需要一段时间才能回到雷击点而使该点电位降低。在此期间，雷击点地线上会出现较高的电位。这可用近似的集中参数的等值电路来分析，求得雷击点的过电压。设档距避雷线电感为2L，雷电流取斜角波，即，则 该点与导线空气间隙绝缘上所承受的电压U为: （2-15）其中为导线与避雷线之间的耦合系数。2.5输电线路雷击跳闸率雷击跳闸的本质原因是塔顶电位与导线的电位存在压降差，超过绝缘子串耐受能力而发生闪络，产生跳闸。输电线路雷害事故引起的跳闸，不但影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上落雷，雷电波还会沿线路侵入变电所，造成重大损失。雷击杆、塔顶部或避雷线时，雷电的电流流过塔体和接地体，使铁塔电位升高，同时在导线上产生感应过电压。如果升高塔体电位和导线感应过电压合成的电位差超过高压送电线路绝缘闪络电压值，即U U50%时，导线与杆塔之间就会发生闪络，形成反击闪络。 2.5.1建弧率建弧率就是将冲击闪络转化为稳定的工频电弧的概率，用表示。由实验和运行经验可得建弧率公式如下: (2-16)式中:E为绝缘子串的平均运行电压梯度，单位是 kV/m 。对于E，因中性点接地的不同而有区别。对中性点直接接地的系统: （2-17）对中性点非直接接地的系统: （2-18）式中: 为线路的额定电压；是绝缘子串的放电距离； 为木横担线路的线间距离，对铁横担和水泥横担取为零。在工程实践中，当有效值E6kV/m时，建弧率非常小，可近似认为=0。2.5.2跳闸率雷击塔顶及铁塔附近避雷线的次数由运行经验可以得出，雷击铁塔次数与雷击线路总数的比例称为击杆率g。雷电放电是一个随机现象，雷电流的幅值和概率直接影响到击杆率的大小，例如在平原地区无避雷线路的击杆率取1/2，单根避雷线的线路的击杆率取1/4。所以研究实际的线路击杆率，应考虑某些特殊条件下的修正系数。根据电力行标DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合所推荐的计算雷击跳闸率的公式： （2-19）式中：N为雷击跳闸率；NL为每100km线路每年40雷电日的雷击次数计算值；为建弧率；g为击杆率；P1为超过雷击杆塔顶部时的耐雷水平的雷电流概率；P为绕击率；P2为超过雷绕击导线时的耐雷水平的雷电流概率。第3章 输电线路雷电防护装置及措施输电线路雷害事故的防护有四个环节：接地泻流环节、绝缘隔离环节、降低塔顶电位、线路保护设备。通过研究雷电经过输电保护设备的4个阶段，现代输电线路在采取防雷保护措施时，需要科学的从这四个环节进行分析和综合治理。3.1输电线路常见装置一个完整的防雷设备由接闪器或避雷器、引下线和接地装置3部分组成。3.1.1接闪器接闪器是用来接受直接雷击的金属物体6-9。接闪器的金属杆称为避雷针，主要用于保护露天变配电设备和建筑物；接闪器的金属线称为避雷线或架空地线，主要用于保护输电线路；接闪器的金属带、金属网称为避雷带、避雷网，主要用于保护建筑物。它们都是利用其高出被保护物体的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄入大地，使被保护的线路、设备、建筑物免受雷击。（1）避雷针避雷针的功能实质就是引雷作用。由于避雷针安装高于被保护物体，因此，当雷电来袭时，避雷针就会利用其引雷特性，把雷电引向自身，再通过引下线和接地装置把雷电流泻入大地，从而发挥其防雷作用。避雷针能否对被保护物体进行保护，被保护物体是否在其保护范围内是很重要的。避雷针的保护范围，以其能防护直击雷的空间大小来表示，按照新颁国家标准采用“滚球法”来确定。“滚球法”实际就是选择一个半径为（滚球半径）的滚球 ，沿需要防护直击雷的部分滚动，如果球体只触及接闪器或接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，那么该部位就是在这个接闪器的保护范围之内。滚球半径是按照建筑物防雷类别确定的，见表3-1。表3-1 各类防雷建筑物的滚球半径和避雷网格尺寸建筑物防雷类别滚球半径（m）避雷网格尺寸（m）第一类防雷建筑物3055或64第二类防雷建筑物451010或128第三类防雷建筑物602020或2416单支避雷针的保护范围单支避雷针的保护范围如图3-1所示，并按下面方法确定。图3-1 单支避雷针的保护范围当避雷针高度时a.距离地面处作一平行于地面的平行线；b.以避雷针的针尖为圆心、为半径，作弧线交平行线与A,B两点；c.以A,B为圆心，为半径作弧线，该弧线与针尖相交，并与地面相切。由此弧线起到地面为止的整个锥形空间，就是避雷针的保护范围。避雷针在被保护物高度的平面上的保护半径按式（3-1）计算 （3-1）式中，为滚球半径，一般由表3-1确定。当避雷针高度时，在避雷针上取高度的一点代替避雷针的针尖作为圆心，余下作法与避雷针高度时相同。两支避雷针的保护范围两支等高避雷针的保护范围如图3-2所示。在避雷针高度的情况下，当每支避雷针的距离时应各按单支避雷针保护范围计算；当时应按图3-2的方法确定。图3-2 两支等高避雷针的保护范围a.每支避雷针保护范围同单支避雷针一样计算。b.两支避雷针之间C,E两点位于两针之间的垂直平分线上。在地面每侧的最小保护宽度为 （3-2）在AOB轴线上，距中心线任一距离处，在保护范围上边线上的保护高度为 （3-3）该保护范围上边线是以中心线距地面的一点为圆心，以为半径所做的圆弧AB。c.两针之间AEBC内的保护范围。ACO,BCO,BEO,AEO部分的保护范围确定方法相同，以ACO保护范围为例，在任一保护高度和点所处的垂直平面上以作为假象避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定。d.确立平面上的保护范围。以单支避雷针的保护半径为半径，以A,B为圆心作弧线与四边形AEBC相交。同样以单支避雷针的为半径，以E,C为圆心作弧线与上述弧线相接。对于比较大的保护范围，采用单支避雷针，由于保护范围并不随避雷针的高度成正比增大，所以将大大增大避雷针的高度，以至于安装困难，投资增大，在这种情况下采用两支避雷针比较经济。（2）避雷线当单根避雷线高度时,无保护范围。当避雷线的高度时，保护范围如图3-3所示，保护范围应以以下方法来确定。（a）当时（b）当时 图3-3单根避雷线的保护范围a.距地面处作一平行于地面的平行线。b.以避雷线为圆心，为半径作弧线交于平行线的A,B两点。c.以A,B为圆心，为半径作弧线，这两条弧线相交或相切，并与地面相切。这两条弧线与地面围成的空间就是避雷线的保护范围。当时，保护范围最高点按下式计算 （3-4）避雷线在高度的平面上的保护宽度按下式计算 （3-5）式中，为避雷线的高度；为保护物的高度。需要注意的是：确定架空避雷线的高度时，应该考虑弧垂。在无法确定弧垂的情况下，等高支柱间的档距小于120m时，其避雷线中点的弧垂宜选用2m；档距为120150时宜选用3m。（3）避雷带和避雷网避雷带和避雷网主要用于保护其所处的整栋高层建筑物免遭雷击。在建筑物的边缘及其凸出的部分上加装避雷带，或者在屋面上铺设避雷网是一种有效的防雷方法，既可以防止雷电的绕击，还可以降低屋内的过电压，需要注意的是，避雷带和避雷网使用时，必须要有良好的接地，并且可以与建筑物的钢筋直接相连。3.1.2避雷器避雷器是用来防止雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电所或其他建筑物内,以免危及被保护设备的绝缘。避雷器一般装在各段母线和架空线的进口处。避雷器的主要类型有阀型避雷器，排气式避雷器，金属氧化物避雷器，和保护间隙。（1）阀型避雷器常见的阀型避雷器是由火花间隙和阀片组成，装在密封的瓷套管内。火花间隙是由铜片冲制而成的，每对为一个间隙，中间用云母片隔开，其厚度仅为0.5-1mm。在正常的工作电压下，火花间隙不会被击穿从而隔断工频电流，但是在雷电过电压时，火花间隙被击穿放电。阀片是用碳化硅制成的，具有非线性特征。在正常的工作电压下，阀片电阻值较高，起到绝缘作用，而在雷电过电压下电阻值较小。当火花间隙被击穿后，阀片能使雷电流泄放到大地中去。而当雷电压消失后，阀片又会呈现出较大的电阻，使火花间隙恢复绝缘，切断工频续流，保证线路恢复正常运行。必须注意：雷电流流过阀片时会形成电压降（称为残压），加在被保护电力设备上，残压不能超过设备绝缘的耐压值，否则会使设备绝缘击穿。（2）氧化锌避雷器氧化锌避雷器是目前最先进的过电压保护设备。在结构上由基本元件和绝缘底座组成，基本元件内部由氧化锌电阻片串联而成。电阻片的形状有圆饼形状，也有环形状的。其工作原理与阀型避雷器的工作原理基本相似，由于氧化锌非线性电阻片具有极高的电阻而呈绝缘状态。在正常工作电压下，仅仅只有几百微安的电流通过，因而无需采用串联的放电间隙，使其结构先进合理。氧化锌避雷器主要有普通型（基本型）、有机外套氧化锌避雷器、整体式合成绝缘氧化锌避雷器、压敏电阻氧化锌避雷器四种类型。有机外套氧化锌避雷器有无间隙和有间隙两种，由于这种避雷器具有保护性好、通流能力强，而且体积小、重量轻、不宜破损、密封性好等特点，而被广泛使用。（3）保护间隙与被保护物绝缘并联的空气火花间隙叫保护间隙（又叫空气间隙）。按结构形式可分为棒形、球形和角形3种。目前在335kV线路上广泛应用的是角形间隙。在正常情况下，间隙对地是绝缘的，当线路遭受雷击时，就会在线路上产生一个正常绝缘所不能承受的高电压，使角形间隙被击穿，将大量的雷电流泻入大地。3.1.3消雷器消雷器是一种新型的防雷设备，它通过一直放电的形成条件或利用电晕电流中和效应，去中和掉雷云电荷中的一部分，使雷云电场达不到放电极限，从而防止雷击发生。消雷器主要有以下3个方面的作用：a.抑制和消除上行雷在高建筑及高塔上出现上行雷的概率非常的高，但是形成上行雷必须要有100A以上的先导电流，而消雷器的半导体针的电阻足以将上行先导电流抑制在几十安以下，从而有效的抑制了上行雷的形成条件，可以100%地消除上行雷。b.中和雷云电荷消雷器的结构非常特殊，在雷云电场的强大动力作用下，能够产生强大的电晕中和电流。消雷器利用点晕电流的中和效应，去中和掉雷云电荷中的一部分，使雷云电场强度达不到放电极限，而制止雷击发生。从统计的结果来看，上述两种作用可使总的雷击次数削减75%左右。c.抑制下行雷主放电电流在下行雷的情况下，当消雷器的电晕电流的中和作用仍然不能抑制雷击发生时，消雷器允许受雷。由于半导体消雷器的结构特点，雷击消雷器时，相当于在主放电通道中串联了一个非线性电阻，使雷击主放电受到限制，主放电时间由微秒级升至毫秒级，有效的减少了主放电电流，从而降低了雷电过电压的数值。消雷器的保护范围以消雷器塔高的5倍为准。对于重要的保护设施，应该适当减少消雷器的保护范围，以增加安全系数。3.2输电线路防雷措施输电线路是电力网及电力系统的重要组成部分。由于它暴露在自然之中，故极易受到外界的影响和损害，其中最主要的一个方面是雷击。架空输电线路所经之处大都为旷野或丘陵、高山，输电线路长，遭遇雷击的机率较大。大量运行经验表明，线路遭受雷击往往会集中于线路的某些地段，在这里可以称之为选择性雷击区，或称为易击区。输电线路如果能够避开易击区，或者对易击区的线路加强保护，则是防止雷击灾害的根本措施，因此合理选择输电线路，就成为输电线路防雷设计中的一项重要措施。实践表明，以下地段是典型的易击区：1. 雷暴走廊，如山区风口以及顺风的河谷和峡谷等处；2. 四周是山丘的潮湿盆地，例如杆塔周围有鱼塘、水库、湖泊、沼泽地、森林或灌木、附近又有蜿蜒起伏的山丘等处；3. 土壤电阻率有突变的地带，如地质断层地带，岩石与土壤、山坡与稻田的交界处，岩石山脚下有河流的山谷等地，雷电易击于低的土壤电阻率处；4. 地下有导电性矿的地面和地下水位较高处；5. 当土壤电阻率差别不大时，例如有良好的土壤和植被的山丘，雷电易击于突出的山丘、山的向阳坡等处。因此在选择输电线路时，应该避免或者尽量减少在以上地区架设输电线路。架空输电线路雷害事故的形成通常要经历这样四个阶段：输电线路受到雷电过电压的作用；输电线路发生闪络；输电线路从冲击闪络转变为稳定的工频电压；线路跳闸，供电中断。所以在做输电线路雷电防护的时候，要因地制宜，根据不同情况，采取相应的措施。针对雷害事故形成的四个阶段，现代输电线路在采取防雷保护措施时，要从以下四个方面做起，即：防直击，就是使输电线路不受直击雷；防闪络，就是使输电线路受雷后绝缘不发生闪络；防建弧，就是使输电线路发生闪络后不建立稳定的工频电弧；防停电，