电力系统防雷保护

高电压技术高电压工程系林福昌李化fclin@leehua@29电力系统防雷保护雷害事故在系统跳闸停电事故中占很大比重。电力系统防雷包含线路、变电站、发电厂等环节。耐雷水平：雷击线路但不至引起绝缘闪络的最大雷电流峰值(kA)。10.1输电线路的防雷保护占电网总事故的60%以上。雷击跳闸事故过程：（1）线路绝缘闪络；（2）形成工频电弧，跳闸；（3）跳闸后线路绝缘不能恢复，则发生停电。3表1

1984～1995年十年间俄罗斯500kV～1150kV线路按照跳闸率原因分类运行数据（节选）跳闸原因500kV线路750kV线路1150kV稳定跳闸数合计稳定跳闸数合计稳定跳闸数合计雷电引起的跳闸17(12.23%)67(17.49%)1(5.26%)9(23.07%)6(75.0%)16(84.21%)其它原因引起的跳闸122(87.77%)316(82.51%)18(94.74%)30(76.93%)2(25.0%)3(15.79%)合计139(100%)383(100%)19(100%)39(100%)8(100%)19(100%)4反击引起的闪络直击雷和感应雷5雷云发出的下行先导，其中有大量负电荷下行先导负电荷在导线上感应出束缚电荷，极性为正9.1.1输电线路感应雷过电压一、雷击线路附近大地时6导线上束缚电荷失去束缚开始向两侧自由流动，其电流在导线波阻抗上形成过电压主放电发生后下行先导中负电荷全部被中和静电分量：与极性相反电磁分量：相互垂直，较小7（2）实际避雷线电位为0，可看成避雷线上存在－Ugb的电压，导线感应电位为－k0Ugb的，总感应的对地电压避雷线的影响（1）若避雷线不接地8电磁分量增大，计算方法尚有争论。行业标准建议，（1）无避雷线时，最大值

a－感应过电压系数(kV/m)，a≈IL/2.6

（2）有避雷线时雷击杆塔时的感应过电压一般不超过500kV，仅对35kV及以下线路的绝缘有一定威胁（雷电耐受水平为350kV）。

99.1.2输电线路的直击雷过电压和耐雷水平10避雷线根数12平

原山

区1/41/31/61/4一、雷击杆塔时的反击过电压塔顶（横担）电位与导线电位差引起绝缘子串闪络——反击。11(1)塔顶及横担电位避雷线的分流作用:igt<iL

塔顶电位:横担电位:12导线总电位幅值：(2)导线电位避雷线与塔顶电位utd相等避雷线与导线间的耦合，导线感应电位（同极性）k0utd雷击杆塔时，导线上产生反极性的感应电位ahd(1-k0)13（三）工程中对于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。

(3)线路绝缘子串两端电压14当Uj大于绝缘子串的U50%时，绝缘子串将发生闪络；U50%以下端为正极性时（负极性雷）的值较低。雷击杆塔耐雷水平：(4)耐雷水平的计算远离避雷线的导线最具危险性。提高雷击杆塔（反击）耐雷水平降低冲击接地电阻Rch

提高导地线间的耦合系数k

15二、雷击避雷线挡距中央时的过电压避雷线的半径较小，产生强烈的电晕；衰减很快，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。16在反射波到达之前，可用彼得逊等值电路计算。最高电位时间点取斜角波头i=at

，避雷线最高电位长期运行经验表明，雷击避雷线档距中央引起空气间隙闪络的事例非常少见。间隙电压绕击跳闸是超、特高压线路雷击故障的主要原因。17三、绕击时的过电压和耐雷水平击距:雷电先导头部与地面目标的临界击穿距离。电气—几何模型（EGM）小电流才发生绕击。18我国规程建议绕击概率：平原地区山区为保护角（）；h为杆塔高度（m）。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

（一）绕击概率19（二）绕击耐雷水平绕击耐雷水平我国技术规程建议Zd＝2Z0

20线路电压等级/kV35110220330500反击（击杆）耐雷水平/kA20-3040-75875-110110-150125-175绕击耐雷水平/kA3.571216.4521.38u50%/kV350700120016452138219.1.3输电线路的雷击跳闸率线路雷击跳闸的两个条件：雷电流超过耐雷水平冲击电弧转换为稳定的工频电弧一、建弧率冲击闪络转化成稳定的工频电弧概率与工频弧道中的电场强度和去游离条件有关E为绝缘子串的平均运行电压(有效值)梯度，kV/m对于中性点有效接地的系统：对于中性点非有效接地的系统：22二、有避雷线线路的雷击跳闸率1雷击杆塔时的跳闸率每100km线路每年的遭受雷击的次数为：次/100km·年

击中杆塔引起的跳闸次数：2雷绕击导线时的跳闸率g为击杆率，P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的概率Pα为绕击率，P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率，3线路总跳闸率23标称电压kV500330220110杆塔型式保护角14°20°16.5°25°避雷线数量双双双单杆塔绝缘绝缘子个数25×XP2－16019×XP1－10013×X－707×X－70U50%（正极性）kV213816451200700档距长度m400400400300冲击接地电阻（）7～157～157～157～15雷击杆塔耐雷水平kA177～125155～105110～7663～41建弧率100%100%91.8%85%平原线路绕击率0.112%0.238%0.144%0.238%击杆率1/61/61/61/4跳闸率0.083山区线路绕击率0.40%0.84%0.5%0.82%击杆率1/41/41/41/3跳闸率0.17～0.420.27～0.600.43～0.951.18～2.024例题：平原地区一条220kV线路，绝缘子串13片，正极性50%放电电压为1410kV；杆塔冲击接地电阻为7，避雷线半径为5.5mm，弧垂7m，导线弧垂12m。求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。解：（1）求耦合系数避雷线的平均高度导线的平均高度避雷线1、2对导线3的几何耦合系数为：25例题：经冲击电晕修正后：（2）查表，求等值电感和分流系数(3)耐雷水平雷击塔顶的反击耐雷水平：绕击引起的过电压：（4）雷电流超过耐雷水平的概率I1－>P1＝5.6％；I2－>P2＝73.1％26例题：(5)落雷次数、绕击率、击杆率和建弧率保护角平原地区

山区击杆率：平原g=1/6，山区g=1/4建弧率η＝80%(6)线路雷击跳闸率平原地区：山区：279.1.4输电线路的防雷措施雷害事故的发展过程及防护措施线路防雷设计目标：提高线路的耐雷性能，降低雷击跳闸率。（1）架设避雷线：最基本防雷措施防止雷直击导线。分流作用，减小流入杆塔电流，使塔顶电位降低；与导线之间的耦合也可降低绝缘子串上的过电压。28规程：110kV及以上线路一般应全线架设避雷线；500kV线路设双避雷线。

光纤复合架空地线（OPGW）：避雷线经一个小间隙对地绝缘；通信用。29（2）降低杆塔接地电阻提高线路击杆的耐雷水平、防止反击的有效措施。一般需另加人工接地装置。（3）架设耦合避雷线具有一定的分流作用提高导线与避雷线之间的耦合系数30（4）不平衡绝缘同塔双回或以上线路。使一回路的绝缘子片数少于另一回路的三相，闪络后相当于避雷线，降低了其他回路导线电位。（5）自动重合闸由于线路绝缘具有自恢复功能。我国110kV及以上线路重合闸成功率高达75%~95%。31（6）消弧线圈接地用于中性点不直接接地的线路，减小故障接地点的单相接地电流，促进接地电弧熄灭。雷击跳闸率大约可以降低1/3左右。（7）加强绝缘增加绝缘子片数，用于重要线路段，如大跨越高杆塔上使用。32（8）安装线路避雷器能免除线路绝缘的冲击闪络，并能使建弧率降为零。一般用复合外套氧化锌避雷器。339.2发电厂和变电站的防雷保护雷直击变电站雷电冲击波沿线路入侵349.2.1发电厂、变电站的直击雷保护措施：避雷针和避雷线35为防反击，避雷针与被保护物体应有足够的间隙距离Sk。为防止接地装置间反击，地中距离Sd也应足够大。电气主接线sksd避雷针支座变电站构架369.2.2变电站的侵入波保护一、避雷器的保护作用装设避雷器进线段设置保护37图解法38保护要求：避雷器电压<变压器冲击耐受电压避雷器伏秒特性平坦，残压几乎不变。一般流经避雷器不超过5kA，残压的最大值取5kA对应的值。避雷器电压近似为一斜角平顶波。波头上升部分斜率为侵入波的陡度，幅值为Ub-5。39由于避雷器离被保护设备有一段距离，在波的折反射过程中，被保护设备的电压将不同于避雷器上的电压。雷电波侵入变电站的典型接线等值电路二、距离效应40LBT(开路)atat2attf41LBT(开路)atat2attftf42避雷器上的电压波形43进线刀闸上的电压在波到达L时为时间起点。开始阶段，雷电波在L点的电压为ub(t)=at，直到T点的反射波到达L点2)在T点反射波到达L点至避雷器动作产生的负电压波到达L点以前，L点的电压为3)在避雷器动作时产生的负电压波到达L点以后44进线刀闸处的波形45变压器上的电压在T点首次感受到电压时为时间起点，此时即发生正的全反射，因此，电压为2at2)在避雷器动作瞬间，B点电压为：3)在避雷器动作产生的负波第一次到达T点瞬间，4)在避雷器的负波在T点发生正全反射，此反射波到达B点后被吸收，等于又叠加了一个负波，此负波在一段时间后到达T点，发生正全反射46变压器上的电压波形47进线刀闸处的电压最大值：变压器上的电压最大值为：

因此，不论被保护设备位于避雷器前面还是后面，只要它和避雷器间有一段距离，则上面的电压必然大于避雷器残压，其差值为：48实际上，考虑了设备对地电容、出线可能多于一路等情况，被保护设备与避雷器间电压差值修正为：变压器上典型的实际电压波形这种波形和冲击全波相差很大，它对变压器绝缘的作用与截波相近，所以通常拿它的最大值与变压器的多次截波耐压值（约等于三次截波耐压值的1/1.15）相比较，来判断绝缘是否损坏。49变压器多次截波耐压值与避雷器残压的比较

50

最大电气距离三、最大电气距离被保护设备离避雷器越远，设备上电压高出避雷器电压就越多。规定一个最大电气距离。超过最大电气距离后，设备上的承受的冲击电压Us将超过冲击耐压值（多次截波耐压值）Uj。51最大电气距离与侵入波陡度的关系图中显示了变电站避雷器与主变压器、电压互感器之间的最大电气距离与侵入波陡度的关系。一路进线两路进线横坐标：空间梯度采用保护性能更好的氧化锌避雷器，保护距离可增大52普通阀型避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额定电压（kV）进线段长度（km）进线路数123≥43511.5225405040557550659055751056611.524560806585105801051309011514511011.52457010070951358011516090130180220210516519522053金属氧化物避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额定电压（kV）进线段长度（km）进线路数123411011.525590125851201701051452051151652302202125（90）195（140）235（170）265（190）54一般变电站对于雷电波的侵入波保护设计主要是采用避雷器，重点在于选择避雷器的安装位置。原则：在任何运行方式下，均不能超过最大电气距离。避雷器一般装设在母线上，一组或者多组。55避雷器布置和参数选择

图.葛洲坝换流站直流侧避雷器的布置及主设备绝缘水平（kV）（斜线“/”左侧为雷电冲击水平BIL，右侧为操作冲击水平BSL）阀避雷器换流器避雷器与平波电抗器并联避雷器直流滤波器避雷器直流线路避雷器中性母线避雷器直接保护阀组，与其它类型避雷器串并联保护换流变阀侧绕组雷电过电压传播到阀区时，可限制过电压平波电抗器的雷电和操作波保护保护直流滤波器元件直流开关场的雷电和操作波保护吸收进入中性母线的快波前过电压和大的放电能量569.2.3变电站的进线段保护对于35－110kV全线无避雷器的线路，进线段须架设避雷器，保护角取20；对全线架设避雷线的线路，在进线段内应使保护角减小，并使线路有比其他段更高的耐雷水平。大部分变电站发生的雷电侵入波事故都是由于雷击到变电站附近3km以内的线路引起的。进线段保护：在临近变电站1－2km以内的一段线路上加强雷电防护。认为雷电波都是从进线段以外传过来。（侵入波过电压）前面的最大电气距离就是按照进线段以外落雷求得的。5735kV及以上变电站的进线段保护典型接线图限制入侵雷电波的幅值防止在隔离开关或者断路器在热备用状态时，发生侵入波的全反射，使得隔离开关或者断路器闪络并烧毁。GB2必须在FZ的保护范围之内，否则可能发生截波，危及变压器的纵绝缘与相间绝缘。58一、进线段保护的作用1）雷电波流过进线段时，将因冲击电晕而发生衰减和变形，降低波的幅值与陡度。2）进线段可限制流过避雷器的冲击电流幅值假设最严重的情况：进线段首端落雷，线路上只接有一个避雷器，求此时流过避雷器的电流59(1)进线段首端落雷，流经避雷器的电流雷电侵入波的最大幅值为线路绝缘的冲击闪络U50%。雷电波在1－2km内往返一次的时间为：因此避雷器动作产生的负波到首端，发生反射后又回到避雷器处时，已经过了雷电波的峰值，因此可不考虑它的影响。回路方程：避雷器伏安特性：用图解法，可求出流经避雷器的最大电流60由回路方程可得：例：220kV线路的冲击绝缘强度U50%=1200kV，线路波阻=400，变电站中FZ－220J型避雷器的Ub-5＝664kV，由上式可得单进线运行时避雷器上最大电流：

可见，避雷器中的雷电流不超过5kA，这也是避雷器残压按照5kA考虑的原因。61变电站外落雷，流经单路进线的变电站避雷器雷电流幅值计算的结果62(2)进入变电站的雷电波的陡度

从最严重情况出发，设侵入波为直角波，幅值为U50%，则侵入波会发生电晕，导致波形变形与衰减。按照第八章内容，电晕对波形的衰减与变形中的内容，波形的延迟时间为：因此，进入变电站的雷电波时间陡度为：kV/s

空间陡度为：kV/m

63二、35kV小容量变电站的简化进线保护由于变电站尺寸小，电气距离一般在10m以内，所以允许侵入波陡度增加，进线段长度缩短到500－600m64简化接线：用电抗器代替进线段保护

在进线段装设避雷器有困难，或者进线段杆塔接地电阻难以降到耐雷水平的要求时，可用一组1mH左右的电抗器代替进线段保护，以限制流过避雷器的雷电流幅值和陡度6510.2.4变电站防雷的几个具体问题（一）三绕组变压器的保护

当变压器高压侧有雷电波侵入时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，会使得低压侧上出现过电压。1）双绕组变压器：在正常运行时，一般两个绕组上的断路器都是闭合的，两侧都有避雷器保护，因此可不考虑。2）三绕组变压器：在正常运行时，可能有高压、中压绕组工作而低压绕组开路的情况。由于低压绕组对地电容很小，因此它可能感应很高的过电压，危及纵绝缘。避免危险的方法：在任意一相上加装一个避雷器。中压绕组因为其绝缘水平较高，因此不需要考虑这种感应过电压。66（二）自耦变压器的保护自耦变压器有一个三角形接线的低压绕组，以减小零序阻抗和改善电压波形。此低压绕组也应加装避雷器。此外，自耦变压器由于波过程有自己的特点，因此其保护方式也与其他变压器不同。67雷电波侵入自耦变压器时的过电压侵入高压绕组时，开路的中压绕组上最高电压约为2U0/k，因此，应在中压绕组出线段加装避雷器侵入中压绕组时，开路的高压绕组上最高电压约为2kU0，因此，应在高压绕组出线段加装避雷器68自耦变压器防雷保护C）当A’有接线时，相当于A’经过线路波阻抗接地。当A有过电压时，大部分电压落在在AA’上，危险；同理，当A有接线时，A’的过电压大部分会降落在AA’上，危险。因此，在k<1.25时，在中压和高压绕组间，还要加装避雷器。自耦避雷器69（三）变压器中性点的保护当三相同时来波时，绕组波过程按照末端开路考虑，中性点电压为首端电压的2倍。对于35kV及以下中性点非有效接地系统，中性点绝缘水平与相线端相同。由于三相来波概率很小，而且波头缓，我国规程规定，一般不用避雷器保护。对于110kV及以上中性点有效接地系统，中性点绝缘110kV为35kV，220kV为110kV，故需要在中性点上加装阀型避雷器或者保护间隙。避雷器的灭弧电压要低于一相接地时引起的中性点电位升高的有效值，以免发生爆炸。在中性点直接接地的地网中，上述故障可引起中性点电位升高至线电压的35%。因此，这种避雷器的灭弧电压可选线电压的0.4倍。70（四）配电变压器的保护共同接地：高压侧避雷器接地线与变压器金属外壳、低压侧中性点连在一起接地，会在高压侧避雷器动作时，引起地线电位升高，威胁到低压用户的安全。为避免正、反变换过电压，高、低压侧都要加装避雷器。71（五）GIS防雷保护的特点全封闭SF6气体绝缘变电站(GIS)其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平，应采用保护性能优异的氧化锌避雷器GIS结构紧凑，被保护设备与避雷器相距较近，比常规变电站有利；GIS的同轴母线的波阻抗小，从架空线入侵的过电压波经过折射