[工学]架空输电线路的防雷保护

第三部分 架空输电线路的防雷保护,第一节 概述,1.1 线路防雷工作的重要性1.2 输电线路上出现的雷电过电压的种类1.3 衡量线路耐雷性能的主要指标1.4 线路防雷设计的选定原则,1.1 线路防雷工作的重要性,（1）架空线路长度大，暴露在旷野，易 受雷击。（2）雷击线路使绝缘子闪络，导致跳 闸，使供电中断。（3）雷击线路形成的过电压沿线路传播 并侵入变电所和发电厂，造成变电站 雷害事故。,1.2 雷电过电压的种类,（1）感应雷过电压雷击线路附近地面，由于电磁 感应引起的。（2）直击雷过电压雷直接击于线路 1）雷击塔顶 2）雷击避雷线档距中央 3）雷绕击导线,1.3 衡量线路耐雷性能的主要指标,（1）耐雷水平 定义： 雷击时线路绝缘不发生冲击闪络的最大雷电流幅值，kA。表1 各级电压送电线路的耐雷水平,1.3 衡量线路耐雷性能的主要指标（续）,（2）雷击跳闸率 定义：雷电活动强度都折算为40个雷日、线路长度折算至100km条件下，每年雷击引起的线路跳闸次数，次(/100km年) 。 跳闸率越高，耐雷性能越差。,1.4 线路防雷设计的选定原则,（1）提高耐雷水平，降低雷击跳闸率，既避免线路因雷击而频繁跳闸，又不使线路防雷投资过于增加。（2）线路具体的防雷措施应根据电压等级、负荷性质、系统运行方式、雷电活动强弱、地形地貌和土壤电阻率等条件，结合运行经验，通过技术经济比较后合理选定。,第二节 感应雷过电压,2.1 感应过电压的产生2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压2.3 雷击杆塔塔顶时导线上的感应雷过电压,2.1 感应过电压的产生,在雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电场急剧变化，并在邻近的导线上产生感应 过电压，它包含静电感应和电磁感应两个分量。,2.1 感应过电压的产生（续）,图1(a)中，在有负电荷雷云的先导放电阶段，由于静电感应，在导线表面电场强度E的切向分量Ex的驱动下，与雷云异号的正电荷被吸引到靠近先导通道的一段导线上排列成束缚电荷，而导线中负电荷则被排斥到导线两侧远方或经线路的泄漏电导和系统的中性点逸入大地。,2.1 感应过电压的产生（续）,图1(b)中，主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速中和，由雷击所造成的静电场突然消失，于是输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷，所形成的电压波迅速向线路两侧传播。由此形成的电流i乘以线路波阻Z，即为向两侧运动的静电感应过电压的流动波u=iZ。,2.1 感应过电压的产生（续）,感应过电压的两个分量（1）静电分量：因先导通道中电荷突然中和而引起的感应过电压，如图1(b)所示。 （2）电磁分量：当发生主放电时，伴随着雷电流冲击波，在放电通道周围空间产生强大的电磁脉冲场，它的磁通若有与导线铰链的情况，就会在导线中感应出一定的电压，称为感应雷过电压的电磁分量 。,2.1 感应过电压的产生（续）,由于主放电通道与导线基本上是互相垂直，互感不大。再者，主放电速度为光速的（1/201/2)，因此电磁感应分量不会很大。总的说，电磁感应分量要比静电感应分量小很多，约为后者的1/5。考虑到这两种分量出现最大值的时刻不同，故在感应雷过电压幅值的构成上，静电感应分量将起主要作用。,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压,（1）无避雷线 当S65m时， （1）式中， 为感应电压幅值，kV; 为雷电流幅值，kA； 为导线悬挂平均高度，m； 为直接雷击点距线路的距离，m。,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压（续）,由（1）式可知，感应过电压与雷电流幅值成正比，与导线对地平均高度 成正比， 越高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的至线路间的水平距离 成反比， 越大，感应过电压越小。,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压（续）,感应雷过电压一般不超过500kV，对110kV及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故。所以，感应雷在110kV及以下的线路中应重点防治，对于高压线路，防雷工作主要以防止直击雷为主。,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压（续）,（2）有避雷线 当雷击线路附近大地时，需考虑避雷线的电磁屏蔽作用。应用叠加原理，假设避雷线不接地，导线和避雷线上感应过电压分别为 （2） （近似地取 ）,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压（续）,式中， 、 分别为导线和避雷线上感应过电压的幅值，kV； 、 分别为导线荷避雷线对地平均高度，m。 实际上避雷线是接地，电位为零。为此，设想在不接地的避雷线上叠加一个 的电压，于是此电压将在导线上产生耦合电压 ，k是雷线与导线间的耦合系数。,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压（续）,故有避雷线后，作用在绝缘子串两端的感应雷过电压下降为 （3）,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压（续）,无避雷线,有避雷线,2.2 雷击线路附近大地时导线上的感应雷过电压（续）,避雷线的作用之一：耦合作用 耦合系数越大，则导线上的感应过电压越低。当计及电晕后的耦合系数如表2所示。表2 耦合系数的电晕校正系数,2.3 雷击杆塔塔顶时导线上的感应雷过电压,在 的范围内的雷将被线路吸引而击中线路本身。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，将会在导线上产生很高的感应过电压。 （1）无避雷线时 （4） 式中， 为感应过电压系数，kV/m，其数值等于以 计的雷电流平均陡度，即 。,2.3 雷击杆塔塔顶时导线上的感应雷过电压（续）,（2）有避雷线时，由于屏蔽作用 （5）式中，k为耦合系数。,第三节 直击雷过电压,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压3.2 雷击避雷线档距中央时直击雷过电压3.3 雷绕击导线时直击雷过电压,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压,（1）无避雷线 如图2(a)所示，雷击塔顶T点，雷电流通过杆塔经冲击接地电阻防Rch散入大地，取杆塔电感为Lgt，等值电路如图2(b)所示。,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压（续）,由此可得塔顶电位为 （6） 其幅值为 （7） 而雷击塔顶时产生的感应雷过电压 由（4）式计算，即,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压（续）,故作用在绝缘子串上的过电压为 （8）注：1. 通常雷云电荷为负极性，故导线上感应电压 为正极性，塔顶电位 为负极性，绝缘子串承受正极性冲击电压 值。 2. 当 时，绝缘子串闪络，即杆塔电位对某相导线反击，使该相导线 接地。,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压（续）,单相线路在此电压下遭反击后，此相导线相当于一根避雷线，此时它具有塔顶电位 ，在其他两相导线上出现耦合电压 ，其他两相导线上的感应雷过电压下降至 （ 为雷电流陡度）。未闪络两相绝缘子链承受的过电压为 （9）,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压（续）,当 时，在两相中耦合系数k较小的一相被反击，此时的耐雷水平I为： （10） 由此可知，增加线路绝缘强度、增大导线间的耦合系数、减小杆塔接地电阻、减小杆塔电感等措施均可提高线路的耐雷水平。,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压（续）,（2）有避雷线 塔顶电位为 （11） （12） 为分流系数，表示避雷线的分流作用， 。,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压（续）,当塔顶电位为 时，与塔顶相连的避雷线上也有相同的电位，导线上将产生耦合电压 ，此电压与雷电流同极性。此外，由于雷电通道电磁场的作用，在导线上尚有感应过电压 ，此电压与雷电流反极性，所以导线电位的幅值为 （13）,3.1 雷击塔顶时直击雷过电压（续）,绝缘子串两端电压为塔顶荷导线电位之差 （14）当雷电流较大，冲击接地电阻较大时， 时，绝缘子串闪络，耐雷水平为 （15）,3.2 雷击避雷线档距中央时,3.2 雷击避雷线档距中央时（续）,雷击避雷线档距中央时，只要档距中央的导、地线间空气距离满足下述经验公式，则一般不会出现击穿事故 。 （16）式中，S为避雷线与导线的空气间隙，m；l为档距，m。,3.3 雷击导线时的直击雷过电压,（1）无避雷线,3.3 雷击导线时的直击雷过电压（续）,认为在雷击点没有波的折、反射，根据图5(b)等值电路，可以求得雷击点的直击雷过电压的幅值为 (17) 若考虑电晕影响，取220kV及以下线路波阻抗Z为400欧，则雷击点电位为 (18),3.3 雷击导线时的直击雷过电压（续）,如果 ，线路绝缘就发生闪络，此时耐雷水平为 （19）注：我国60kV及以下架空线路一般无避雷线，雷击导线时的耐雷水平是很低的。,3.3 雷击导线时的直击雷过电压（续）,（2）有避雷线 雷绕击导线时产生的过电压与无避雷线的情况相同，可用式(19)计算，相应的耐雷水平为 （20）,3.3 雷击导线时的直击雷过电压（续）,装设避雷线后，雷绕击于导线的概率用绕击率 表示。 对平原地区线路 （21） 对山区线路 （22）式中， 为一次雷击线路中出现绕击的比例； 为杆塔上避雷线对外侧导线的保护角；h为杆塔高度。,第四节 输电线路的雷击跳闸率,4.1 雷击跳闸率定义4.2 所需具备的条件4.3 雷击跳闸率的计算,4.1 雷击跳闸率定义,雷击跳闸率 是指雷电活动强度都折算为每年40个雷日、线路长度折算至100km的条件下，每年雷击引起线路跳闸的次数，即次/(100km年 ) . 工程设计中，它是衡量耐雷性能的综合指标。,4.2 所具备的条件,首先雷击电流必须超过线路耐雷水平，引起线路绝缘发生冲击闪络； 接着在冲击闪络通道上建立起工频电弧，从而才会使继电保护装置动作，断路器跳闸。,4.3 雷击跳闸率的计算,雷击次数 设N为每100km线路每年（40个雷电日）遭受雷击的次数 （23）式中， 为地面落雷密度，取0.015次/(km2雷日 )；A为线路等值受雷宽度，m，一般取 ， 为避雷线的平均高度，m。在无避雷线时， 为最上层导线的平均高度。,4.3 雷击跳闸率的计算（续）,建弧率 在线路冲击闪络的总数中，可能转化为稳定工频电弧的比例。按下式计算 （24）式中，E为绝缘子串的平均运行电压梯度，kV/m。若 ，则 ，线路不会雷击跳闸。,4.3 雷击跳闸率的计算（续）,有效接地系统 （25） 对中性点绝缘、消弧线圈接地系统 （26）式中， 为系统额定电压，kV； 绝缘子串长度，m； 木横担线路的线间距离，m。,4.3 雷击跳闸率的计算（续）,雷击跳闸率 架空线路的雷击跳闸率 应该是雷击杆塔跳闸率 和绕击跳闸率 之和。 （27）式中，g为击杆率； 为绕击率； 为大于或等于雷击塔顶耐雷水平 的概率； 为大于或等于绕击导线耐雷水平 的概率。,第五节 绕击的电气几何模型,5.1 电气几何模型考虑的前提条件5.2 电气几何模型的具体分析,5.1 电气几何模型考虑的前提条件,（1）由雷云向地面发展的先导放电通道头部到达被击物体的临界击穿距离闪击距离之前，受击点是不确定的。先到哪个物体的闪击距离以内，即向该物体放电。,5.1 电气几何模型考虑的前提条件（续）,（2）闪击距离的大小和先导头部的电位有关，因而与先导通道的电荷密度有关。后者又决定了随后出现的雷电流幅值。所以认为闪击距离是雷电流幅值的函数。 击距与 预测电流的关系可表达为 （28）,5.1 电气几何模型考虑的前提条件（续）,（3）不考虑雷击目的物体的形状和邻近效应等其他因素对闪击距离的影响，假定先导对杆塔、避雷线、导线的闪击距离相等。 （4）假定先导接近地面时的入射角必服从某一给定的概率分布函数，垂直落雷密度最大，水平落雷密度下降到零。 此外，还应考虑地面倾角的影响。分析时取档距内导线、地线对地的平均高度。有时还要计及风速的影响等。,5.2 电气几何模型的具体分析,（1）临界击距 （29）式中， 、 为避雷线和输电线路的高度，m； 为避雷线的保护角。,5.2 电气几何模型的具体分析（续）,通常有 ，故可以简化为 （30）再可求出相应于 的雷电流 ， 是可能发生绕击的最大雷电流，即只有雷电流小于 时才会有绕击。,5.2 电气几何模型的具体分析（续）,（2）允许击距并非所有绕击都会引起线路绝缘闪络，只有当雷电流大于雷击导线的耐雷水平 时才会引起绝缘闪络，可得相应于 的击距 ，即 （31）称 为允许击距。,5.2 电气几何模型的具体分析（续）,若人为地改变避雷线的保护角 ，使 ，则 时不发生绕击， 时，有绕击而不发生闪络，这种情况称为有效屏蔽。若 ，则有发生绕击闪络的可能，称为部分屏蔽。令 ，可得有效屏蔽时的避雷线所需保护角。,5.2 电气几何模型的具体分析（续）,（3）绕击率 在部分屏蔽情况下，将发生一定的绕击概率和跳闸次数。 雷电流幅值为 的雷击下导线着雷的绕击率 （32）,5.2 电气几何模型的具体分析（续）,（4）绕击跳闸率 应根据允许击距 将绕击区分为绕击闪络区和绕击非闪络区两部分 。每一雷日每单位长度线路绕击闪络次数 为 （33）,5.2 电气几何模型的具体分析（续）,在 中能建立工频电弧的次数（即绕击跳闸次数） 为 （34）式中， 为建弧率。根据 ，可换算至每百公里年的绕击跳闸率 。,第六节 输电线路的防雷措施,6.1 防雷措施的介绍 6.2 四道纺线的意义,6.1 防雷措施,架设避雷线 其主要作用是防止雷直击导线。同时还有以下作用：在雷击塔顶时起分流作用，从而减小塔顶电位；对导线有耦合作用，从而降低绝缘子串上的电压；对导线有屏蔽作用，从而降低导线上的感应过电压。,6.1 防雷措施（续）,输电线路愈高，采用避雷线的效果愈好。我国110kV线路一般全线架设避雷线，220kV及以上线路则是全线架设避雷线。35kV及以下的线路，一般不在全线架设避雷线。 为了提高避雷线对导线的屏蔽作用，减小绕击率，避雷线的保护角较小，通常采用2030 ，甚至负保护角。,6.1 防雷措施（续）,通常，避雷线应在每基杆塔处接地