《高电压技术与工程》课件 第6-8章 输电线路防雷保护、电力系统操作过电压、电力系统工频过电压与谐振过电压

高电压技术

第6章

输电线路防雷保护重要知识点清单本章知识要点雷云的产生和雷电放电过程了解雷电产生过程的一般性陈述雷对地放电过程先导放电过程的特点主放电过程的特点什么是正雷闪，什么是负雷闪雷击放电的等值电路和雷电流定义等值电路及其假设前提雷电流的定义——为什么雷电流幅值是雷击通道电流波的2倍？本章知识要点描述雷电活动的若干参数幅值分布概率表达形式雷电流实际波形和标准波形的差异雷电流波形的计算简化什么情况下用斜角平顶波/三角波，什么情况下用半余弦波雷暴日和雷暴小时落雷密度国家标准中涉及雷电活动描述的内容有哪些？本章知识要点避雷针避雷针的作用避雷针的保护范围什么是折线法什么是滚球法击距的概念，电气几何模型避雷线避雷线的作用避雷线的保护长度和保护范围避雷线保护角的概念本章知识要点避雷器避雷器的原理——为什么避雷器可以“避雷”？各种物理避雷器的结构特点及其保护原理金属氧化物避雷器描述ZnO的非线性伏安特性为什么ZnO有残压？各种避雷器的综合比较接地的基本概念高压工程中“地”的概念如何理解？接地的分类接地电阻是怎样得到的？为什么有冲击接地电阻的说法？本章知识要点接地装置按实际工程所需，接地装置接地电阻的大小有什么差别？什么是垂直接地体，什么是水平接地体？什么情况下使用伸长接地体？避雷针的接地和架空线的接地发电厂和变电站的接地有什么特殊性？国家标准中有关接地装置和接地电阻的要求有哪些？课程内容第8章雷电及防雷保护装置我国每年因雷害伤亡人数大约在10500人左右电力系统每年雷击跳闸事故造成直接经济损失约200亿元防雷是电力系统安全运行的永恒主题防雷在社会生产生活的方方面面也都有重要的实践意义8.1雷云放电及雷电过电压概念：雷云热气流上升，冷凝产生冰晶，冰晶碰撞分裂，导致带负电荷的较轻部分被风吹走，形成雷云；带正电荷的较重部分可能形成局部带正电的云区或者凝聚成水滴下降。5~10km主要为正电荷云层；1~5km主要为负电荷云层整块雷云可以有若干个电荷中心，负电荷位于雷云下部，离地大约500-1000m——从而在地面上感应出正电荷雷云电荷与地面感应电荷构成空间电场空间电场强度大于大气放电临界击穿场强，即开始云间（云闪）或云对地（地闪）的火花放电电力工程上关心的是云对地的放电（地闪）雷云对大地放电通常分为先导放电和主放电两个阶段，逐级推进。雷击先导放电特点：逐级推进向地面发展，发展速度慢，各级发展间有停歇每级长度10~200m，伸展速度107m/s，每级停歇10~100us平均速度：(1-8)x105m/s地面强电场区可以发生向上的迎面先导雷击主放电上、下行先导相遇，发生主放电，电荷中和电流方向自下而上，又称“回击”速度极快，107m/s量级大部分雷击都是负雷闪（90%），少部分是正雷闪主放电通道的电离态阻抗下，可以多次雷击，平均2~3次基于长间隙放电模拟雷电①发展中断的负极性先导；②负极性梯级先导；③流注贯穿区域；④正极性上行先导；⑤

放电击穿通道①

不连续先导；②

连续先导起始；③

最后跃变；④

放电击穿通道负极性标准操作波棒–棒间隙放电过程观测结果负极性操作波下3m板–棒间隙迎面先导发展过程8.1.2雷击时的等值电路主放电瞬间，可用开关S的闭合来模拟Z是被击物的阻抗。由于电荷运动形成电流，因此雷击点的电位发生突然变化u＝iZ雷电具有电流源的性质。当Z＝0时，i=2*i0;一般，Z0＝300-400

，Z<<Z0，因此，也可认为i=2*i0i称为雷电流8.2雷电参数及雷电活动规律在防雷设计中，最关心的是雷电流波形、幅值分布及落雷密度等8.2.1雷电流幅值和波形对于雷暴日数≥20的地区，我国现行推荐雷电流幅值概率为：对于雷暴日数<20的地区(除陕南以外的西部地区、内蒙古部分地区），我国现行推荐雷电流幅值概率为：波形和极性我国防雷规程建议值为：2.6/50

s，平均陡度为

在保护计算中，可取双指数波，为简化计算，一般可取斜角平顶波。但在特高塔的设计中，可取半余弦波头，表达式为：I为雷电流幅值；ω为角频率，ω=π/τf=1.2

106s-1，τf

­­为波头时间（2.6s）。

极性：75%-90%的雷为负极性雷，因此一般按照负极性雷进行研究。8.2.2雷暴日和雷暴小时年平均雷暴日和年平均雷暴小时是表征雷电活动频繁程度的指标。雷暴日：一年中有雷电的天数。在一天之内，只要听到雷声就算一个雷暴日。雷暴小时：一年中有雷电的小时数。在一小时之内，只要听到雷声就算一个雷暴小时。我国大部分地区的雷暴小时与雷暴日之比为3。我国规程建议采用雷暴日作为计算单位。8.2.3地面落雷密度和输电线路落雷次数地面落雷密度反映了云－地之间的放电。

地面落雷密度：每平方公里每雷暴日的对地落雷次数，用

表示。

e.g.我国标准规定：对雷暴日T＝40的地区，

=0.07次/km2·雷暴日

输电线路的存在，改变了雷云－地之间的电场分布，根据模拟试验和运行经验，输电线路每侧的引雷宽度为2he.g.对每100km的输电线路，每年遭雷击的次数为：8.3避雷针和避雷线防直击雷最常用的措施是装设避雷针（线）避雷针（线）的保护范围是按照99.9%的概率计算的折线法电气几何模型的画法击距滚球法的保护半径滚球法避雷线的保护长度与线等长，因此适用与架空线路与大型建筑群。单根避雷线的保护范围两根避雷线的保护范围保护角是指避雷线与所保护的外侧导线之间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就越好。有些国家还采用负保护角。8.4避雷器当发生绕击或者感应时，过电压波将沿线路传播入侵发电厂、变点站等。避雷器的要求：良好的伏秒特性：冲击系数：冲击放电电压与工频放电电压之比。冲击系数越小，伏秒特性越平缓，保护性能越好。绝缘自恢复能力按发展历程看：保护间隙、管型避雷器、普通阀式避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避雷器等。保护间隙保护间隙的灭弧能力很差（适用于短路电流小）；间隙间的电场为极不均匀电场，又裸露在大气环境中，受气象条件的影响很大，因此伏秒特性很陡且分散性很大，将直接影响到它的保护效果；保护间隙击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备排气式避雷器灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高将使管子炸裂；续流太小产气过少，管内气压太小不足以灭弧;熄灭续流存在上下限伏秒特性难以配合、动作后出现大幅值截波阀型避雷器变电所防雷保护的重点对象是变压器阀片的作用：通过电阻限制工频续流，使之能在第一次过零时就熄弧理想的电阻：应在大电流（冲击电流）时呈现为小电阻以保证其上的压降（残压）足够低；而在冲击电流过去之后，当加在阀片上的电压是电网的工频电压时，阀片应呈现为大电阻以限制工频续流，易于灭弧。阀片最好具有不随冲击电流变化的残压和大的通过电流的能力。阀片：碳化硅，u=Ciα

阀片的作用是：当雷电流通过时，阀片呈低阻抗，在阀片上出现的电压（称为残压）受到限制。当工频续流通过时，由于电压相对较低，阀片呈高阻值，因而限制了工频续流，有利于灭弧。

越小，说明避雷器的非线性程度越高，残压越低，保护性能越好。磁吹阀型避雷器普通阀型避雷器氧化锌（ZnO）避雷器ZnO避雷器又叫金属氧化物避雷器（MOA）。ZnO避雷器由ZnO电阻片组成，具有优异的非线性伏安特性，因此可以取消火花间隙，实现无间隙无续流，且造价低廉。（1）

ZnO晶粒，粒径为10μm左右，电阻率为1~10Ω·cm；（2）

包围着ZnO晶粒的Bi2O3晶界层，厚度为0.1μm左右，电阻率大于1010Ω·cm；（3）

零散分布于晶界层中的尖晶石

Zn7Sb2O12。ZnO电阻片的非线性特性主要取决于晶界层，在低电场下其电阻率很高；当层间电位梯度达到104~105V/cm时，其电阻率急剧下降到低阻状态

ZnO的伏安特性曲线区域Ⅰ为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性系数

约为0.1~0.2；区域Ⅱ为中电场区，晶界层电阻Rv减小，非线性系数α大为下降，约为0.01~0.04；区域Ⅲ为高场强区，ZnO本体电阻R起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。

ZnO避雷器的主要优点：无间隙结构简单、重量轻、无电压分布不均、放电电压不稳定等，保护可靠性高无续流不需吸收续流能量，动作负载轻；可承受多次重复雷击或者重复操作过电压电气设备所受过电压可减低在整个过电压阶段都有电流流过，因此降低了过电压幅值通流容量大不受串联间隙被灼伤的制约，阀片的通流能力仅与本身通流能力有关。可并联进一步提高通流能力。易于制成直流避雷器ZnO避雷器的电气性能额定电压能短期耐受的最大工频电压有效值最大持续运行电压

能长期持续运行的最大工频电压有效值起始动作电压（参考电压、转折电压）

开始进入动作状态的电压，通常为U1mA压比在8/20us的冲击电流规定值下，残压与起始动作电压之比。越小，非线性越好。荷电率

最大场强工作电压与起始动作电压之比工频耐受电压特性

对工频过电压的耐受能力保护比额定残压与最大长期工作电压峰值之比。越小，保护性能越好9.5接地技术与接地装置

接地：把地面上的电气设备的一部分经埋入地中（包含水泥和水）的接地体（如金属棒、管、带、网等）与大地作电气连接，从而使接地点对地保持尽可能低的电位。9.5.1接地和接地电阻的概念电工中“地”的定义是地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。将电气设备导电部分和非导电部分（例如电缆外皮）的某一节点通过导体与大地进行人为连接，使该设备与大地保持等电位的方法，称为接地。接地装置原理图由于大地电阻率的存在，当有电流流过时，出现电场分布，相对与无穷远处的零电位点，接地体处有电位升高。需要降低接地电阻值。接地体有人工和天然的两类：人工是指专门为接地而设置的；自然的是指用于别的目的，也可兼做接地。接地电阻组成及影响接地电阻的因素

接地电阻组成

接地装置的接地电阻，一般是由接地引线电阻，接地体本身电阻，接地体与土壤的接触电阻以及接地体周围呈现电流区域内的散流电阻四部分组成。

(接地电阻主要由接触电阻和散流电阻构成。)影响接地电阻的因素

(影响接地电阻的因素主要考虑影响接触电阻和散流电阻的因素。)①接触电阻指接地体与土壤接触时所呈现的电阻。接地体与土壤的接触电阻决定于土壤的湿度、松紧程度及接触面积的大小，土壤的湿度越高、接触越紧、接触面积越大，则接触电阻就小，反之，接触电阻就大。②散流电流是电流由接地体向土壤四周扩散时，所遇到的阻力。它和两个因素有关：一是接地体之间的疏密程度。二是和土壤本身的电阻有关。衡量土壤电阻大小的物理量是土壤电阻率。土壤电阻率的大小与以下主要因素有关：①土壤的性质不同性质的土壤，它们的土壤电阻率差别很大。一般来讲，土壤含有化学物质（包括酸、碱以及腐烂物质等）较多时，其土壤电阻率也较小；同一块土壤，大地表面部分土壤电阻率较大，距离地面越深，电阻率越小，而且又稳定的趋势。

②土壤的温度

当土壤的温度在0℃以上时，随土壤温度的升高，土壤电阻率减小，但不明显，当土壤温度上升到100℃时，由于土壤中水份的蒸发反而使土壤电阻率有所增加。但是当土壤的温度在0℃以下时，土壤中水份结冰，其土壤电阻率急剧上升，而且当温度继续下降时，土壤电阻率增加十分明显。③土壤的湿度土壤湿度增加会使土壤电阻率明显减小。

④土壤的密度土壤的密度即土壤的紧密程度。土壤受到的压力越大，其内部颗粒越紧密，电阻率就会减小。⑤土壤的化学成分土壤中含有酸、碱、盐等化学成分时，其电阻率就会明显减小。

接地分类按带电性质可分为交流接地系统和直流接地系统两大类。按用途可分为工作接地系统、保护接地系统和防雷接地系统。而防雷接地系统中又可分为设备防雷和建筑防雷。9.5.2接地的分类1）工作接地工作接地电阻一般为0.5

－10

2）保护接地

为保障人身安全而将设备外壳接地。要求接触电位差和跨步电位差尽可能小通常保护电阻约为1－10

3）防雷接地目的是减小雷电流通过接地装置时的地电位升高。

火花效应：雷电流幅值大，,使得土壤发生局部放电，接地体的等效尺寸加大，因此电阻降低。

电感影响：雷电流等值频率高，使得接地体的电感阻抗加大，阻碍电流向接地体远端流通，接地体不能得到充分利用，因此接地体的电阻增加。

冲击系数：9.5.3工程实用的接地装置一、典型接地体的接地电阻

jn为电流密度（A/m2）；

En为电场强度（V/m）；

ρ为土壤电阻率（Ω·m）；

ε为土壤的介电常数（F/m）；

C为接地体对无穷远处的电容（F）

(一）垂直接地体单根垂直接地体的电阻：N根垂直接地体并联时，总电阻为：η称为接地体的利用系数。由于屏蔽效应，η＜1。接地体间距离a与接地体长度l的比值越小，η就越小，一般η＝0.65

0.8。（二）水平接地体L为接地体的总长度（m）；h为接地体埋设深度（m）；A为形状系数

由以上公式算出的是工频接地电阻值。雷电流作用下冲击接地电阻的计算，还需要利用冲击系数

（三）伸长接地体为了减小接地电阻，用很长的接地体。通常称这种接地体为伸长接地体。由于雷电流的等值频率很高，接地体的自身电感会有很大影响，此时接地体表现出具有分布参数的传输线的阻抗特性。加上火花效应的出现，使得电流流通过程复杂。通常接地体只在40m－60m的范围内有效。超过此范围，阻抗不再发生变化二输电线路的防雷接地三发电厂和变电站的防雷接地一般是按照安全接地和工作接地的要求，敷设一个统一的接地网，再在避雷针和避雷线下面增加接地体以满足防雷的要求。接地网一般埋入地下0.6-0.8m深，其面积大致与发电厂或者变电所的面积相同。高电压技术

第6章

电力系统防雷保护重要知识点清单本章知识要点本章和第8章都提到防雷，区别是什么？第8章主要是各种防雷设备第9章是如何针对具体情况防雷侵害雷害以过电压的形式呈现，可分为两种：近处雷击引起的过电压，远处传导而来的过电压输电线路的雷击过电压概念直击雷过电压怎么产生的，感应雷过电压怎么产生的？线路直击雷过电压第1种情况：雷击杆塔顶部——“反击”是什么意思？为什么绝缘子串会发生闪络？第2种情况：雷击避雷线——此种情况为什么只考虑雷击点对导线的“反击”？本章知识要点线路直击雷过电压第3种情况：绕击——“绕击”是什么意思？“击距”是什么意思？电气几何模型是用来干嘛的？耐雷水平是指什么？通常描述它使用电流单位——安培雷击跳闸率雷击到保护跳闸要经历什么过程？什么是建弧率，什么是雷击跳闸率？输电线路的防雷措施是如何考虑的？具体有哪些措施？本章知识要点发电厂和变电站的直击雷防雷直击雷防护：避雷针和避雷线避雷针和避雷线对被保护物体产生反击是怎么回事？为避免反击，避雷针/线和被保护物体间要有适当距离发电厂和变电站的侵入波防护侵入波是怎么形成的？避雷器保护的图解法分析避雷器电压的时域等效——三角波或平顶波距离效应是怎么回事？为什么要设置最大电气距离，如何计算？本章知识要点发电厂和变电站的进线段保护进线段保护是基于什么电路原理？进线段保护有什么作用？进线段保护相关的计算问题简化的进线保护变电站防雷、旋转电机的防雷，了解即可课程内容第9章电力系统防雷保护雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占很大比重。电力系统的防雷包含了线路、变电站、发电厂等各个环节。9.1输电线路的防雷保护雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的60%以上。线路上的雷击过电压分为：直击雷和感应雷。线路雷害事故的形成过程为：雷击过电压，使线路绝缘闪络，从而使得冲击闪络转化为稳定的工频电弧，引起线路跳闸。如跳闸后线路绝缘不能恢复，则发生停电。提高防雷性能，首要是防止线路闪络。

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)直击雷与感应雷的耐雷水平不同。9.1.1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在主放电开始前，先导通道中的电荷形成的静电场使得导线中形成束缚电荷主放电过程中，先导通道中的电荷流入地中，静电场消失，导线上的束缚电荷被释放束缚电荷沿导线向两端跑，形成过电压。它为感应过电压的静电分量。雷电流形成的空间磁场变化，使得导线上感应出过电压。它称为过电压的电磁分量。电磁分量约为静电分量的1/5。我国的技术规程规定：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可按下式计算：IL为雷电流幅值（kA），hd为导线高度（m），S为雷击点离导线的距离

实际上导线上方有避雷线。由于避雷线的屏蔽作用，导线上的感应过电压会下降。若避雷线不接地，则导线与避雷线的感应过电压为：实际避雷线电位为0，因此，可看成避雷线上存在－Ugb的电压，该电位将在导线上产生耦合电位－kUgb。k为耦合系数。因此，导线的实际感应电位为：二、雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压前面的公式只适用于s>65m的情况。对于雷击杆塔（s<65m）时，由于主放电通道的磁场迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压。计算方法尚有争论。

一般高度的线路，导线上感应的过电压最大值

a－感应过电压系数

a≈IL/2.6

有避雷线时：感应过电压为：9.1.2输电线路的直击雷过电压和耐雷水平以中性点直接接地系统中带避雷线的线路为例直击雷分成三种一、雷击杆塔时的反击过电压雷击塔顶时，可能引起绝缘子串的闪络，即发生反击。负极性雷电流一部分沿杆塔向下传播，还有一部分沿避雷线向两侧传播；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。

引起绝缘子串闪络的主要原因是电流入地导致的塔顶电位升高。

（一）塔顶电位对于40m以下的杆塔，可用集中参数的电路计算。塔顶电位：以代入，则塔顶电位的幅值为横担电位的幅值（二）导线电位1）避雷线与导线间的耦合作用，使得导线上产生与雷电流同极性的电位kutd雷击杆塔时，导线上会产生与雷电流反极性的感应过电压ahd(1-k)

因此，导线上的总电压幅值合成为：（三）线路上绝缘子串两端电压雷击时，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。

横担电位与导线电位之差（四）耐雷水平的计算当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。

按照U50%的放电电压计算，根据前面的公式，得耐雷水平为：二、雷击避雷线挡距中央时的过电压雷击避雷线档距中央时，由于避雷线的半径较小，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

彼得逊等值电路在反射波到达之前，可用彼得逊等值电路计算。雷击点处的电压为：雷击点A的最高电位将出现在

若雷电流取为斜角波头i=at，雷击点避雷线的最高电位UA为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

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

三、绕击时的过电压绕击机理可借助于电气几何模型进行分析。击距：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rs与雷电流峰值IL有直接关系，电流峰值越大，击距越大。三、绕击时的过电压和耐雷水平（一）电气几何模型与绕击率k＝6.72，p=0.8以等击距的假设为依据

电气几何模型的优点：可发生绕击的原因可说明保护角减小时，绕击概率减小可说明高杆塔和山区上绕击概率异常增加的原因电气几何模型的问题：击距的确定困难。基本上数据都不太可靠；不能解释大电流发生绕击的现象。而用电气几何模型解释，有效保护角随电压等级升高可以增大，而实际情况正好相反。高杆塔还要采用负保护角。经验公式计算绕击概率我国规程建议采用以下公式计算绕击概率：对平原地区

对山区

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

（二）绕击耐雷水平流经雷击点A的电流iA为

导线上的电压uA为

绕击时的耐雷水平I2

我国技术规程认为，则线路防雷总结线路上的雷过电压分为：直击雷和感应雷。两者的耐雷水平不同。雷击大地时的感应过电压直击雷:分成三种：雷击杆塔雷击避雷线档距中央雷绕击导线感应雷：S>65m由于雷击点的自然接地电阻较大，因此雷电流峰值小。实测：感应过电压峰值最大可达300－400kV。对于35kV以下线路，可能造成危害，但对110kV以上线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络直击雷过电压计算1）雷击塔顶时的反击过电压耐雷水平2）雷击避雷线档距中央由于电晕的衰减作用，可不考虑绝缘子串处的闪络。对于避雷线对导线的反击，按照确定距离。长期运行经验表明，这种事故非常少见3）绕击导线9.1.3输电线路的雷击跳闸率输电线路遭受雷击发生跳闸需要同时满足两个条件：雷电流超过耐雷水平冲击电弧转换为稳定的工频电弧一、建弧率与工频弧道中的平均电场强度有关，也与去游离条件有关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：二、有避雷线线路的雷击跳闸率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n1为：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，η为建弧率，

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线路总跳闸率例题：一条220kV线路架设在平原地区，绝缘子串13片，正极性50%放电电压为1410V；杆塔冲击接地电阻为7，避雷线半径为5.5mm，弧垂fd＝7m，导线弧垂fd＝12m。求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。解：（1）先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：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过电压：绕击引起的过电压：（4）雷电流超过耐雷水平的概率I1－>P1＝4.8％；I2－>P2＝75％例题：(5)落雷次数、绕击率、击杆率和建弧率取＝16.6

查表，得击杆率g＝1/6（6）线路雷击跳闸率每100km线路上，每年的落雷次数为（按40个雷暴日计算）：9.1.4输电线路的防雷措施雷害事故的发展过程及防护措施常用措施（一）：架设保护避雷线110kV及以上线路全线架设避雷线，保护角一般采用20-30

，500kV应架设双避雷线，保护角不大于15

2降低杆塔接地电阻工频接地电阻一般为10-30

架设耦合避雷线

在某些雷击故障频繁的线路上，在导线下方架设一条耦合地线。可起到分流、增加耦合的作用。采用不平衡绝缘方式在同塔双回线的情况下，采用不平衡绝缘，可避免双回线同时跳闸而完全停电。常用措施（二）：装设自动重合闸我国110kV以上线路自动重合闸成功率在75%-95％以上消弧线圈接地方式对接地电阻难以降低的地区，采用中性点经消弧线圈接地，可大大减小建弧率。该措施主要用于35kV以下线路，可减低跳闸率1/3加强绝缘增加绝缘子片数、大爬距绝缘子等。8安装线路避雷器用作线路上雷过电压特别大的或者绝缘弱点的保护。9.2发电厂和变电站的防雷保护绝缘损坏不可恢复，因此可靠性要求高。来源：1直击雷2线路落雷侵入－主要原因9.2.1发电厂、变电站的直击雷保护

一般采用避雷针和避雷线，效果很好。我国每年每100个变电站发生的绕击或反击的次数约为0.3次。

架设避雷针或者避雷线时，要求不能发生反击。

分为独立避雷针和构架避雷针两种。

避雷针的反击问题当独立避雷针受雷击时，接地装置上的电位为：因此避雷针与被保护物体之间的空气间隙Sk

因此避雷针与被保护物体之间的地中间隙Sd

经过实际经验校正后的公式为：避雷针安装原则对于110kV及以上的配电装置，绝缘水平高，可用构架避雷针，并就近装设辅助接地装置。对于变压器，由于最重要，因此不能装设构架避雷针对于35kV以下的变电站，由于绝缘水平低，故只能装设独立避雷针，接地电阻不能超过10

发电厂厂房一般不能装设避雷针。现在国标也推荐采用避雷线。9.2.2变电站的侵入波保护侵入波危害大防止侵入波的主要保护措施：在发电厂、变电所内装设避雷器在发电厂、变电所进线段设置保护以限制流过避雷器的雷电流幅值和陡度。一、避雷器的保护作用分析避雷器动作前的等值电路如图(b)所示，避雷器放电后的等值电路如图(c)所示。避雷器的保护作用分析放电后，避雷器电压Ub的图解法残压由于避雷器的伏秒特性比较平坦，因此冲击放电电压Uch基本稳定，不随入侵波的陡度变化而变化。避雷器的残压值与流过的电流大小有关。但在一个很大范围内，残压几乎不变。一般情况下，流经避雷器的雷电流一般不超过5kA。因此，残压的最大值取5kA以下对应的值。Uch一般与5kA下的残压值相同。可将避雷器上的电压ub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只要避雷器上电压<变压器冲击耐压，则可保护二、距离效应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

计算电压用的网格图根据网格图，避雷器上的电压在波第一次到达B点时为时间起点。开始阶段，雷电波在B点的电压为ub(t)=at，直到T点反射的反射波到达B点2)在反射波到达B点至避雷器动作以前，B点的电压为前行波与反行波的叠加，在避雷器动作后，即t=tf时，保持残压Ub-5（5kA下的残压）。也可看成在B点叠加了一个负电压波-2a(t-tf)避雷器上的电压波形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点以后进线刀闸处的波形变压器上的电压在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B点瞬间，4)在避雷器的负波在B点发生正全反射，此反射波到达A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B点，发生正全反射变压器上的电压波形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：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。变压器多次截波耐压值与避雷器残压的比较

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。最大电气距离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≥43511.5225405040557550659055751056611.524560806585105801051309011514511011.524570100709513580115160901301802202105165195220100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）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。原则就是在任何运行方式下，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。9.2.3变电站的进线段保护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。对于35－110kV全线无避雷线的线路，进线段须架设避雷线，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。

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(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由回路方程可得：例子：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。(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

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500－600m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9.2.4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。（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。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（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，故虚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。（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。（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，其幅值和陡度都显著变小，这对变电站的侵入波防护也是有利的GIS内一旦出现电晕，很容易发展成击穿，而且不能恢复原有的电气强度，甚至导致整个GIS系统的损坏，而GIS价格昂贵，因而要求它的防雷保护措施更加可靠。例如，对于500kV级GIS，2km进线段，只要最靠近变电站的一基杆塔的工频接地电阻保持在15

以下，其余为20，就行。

9.3旋转电机的防雷保护防雷保护的特点：1）在同一电压等级的电气设备中，旋转电机的冲击绝缘强度最低。原因在于：①电机只能采用固体介质。固体介质容易受到损伤。②电机运行条件最为严酷。③电机绝缘结构的电场比较均匀、其冲击系数接近于1。2）保护旋转电机用的FCD磁吹避雷器、ZnO避雷器的残压和电机的冲击耐压值很接近，裕度很小。因此必须加装其他器件。

3）匝间绝缘要求侵入波陡度受到严格限制。

电机与变压器冲击耐压值、避雷器特性的比较

高电压技术

第7章

电力系统内部过电压重要知识点清单本章知识要点内部过电压的分类是怎样的？怎么产生的？内部过电压的特点标幺值的概念内部过电压的影响因素有哪些？工频过电压空载长线在工频过电压下的电容效应等值电路分析引申结论不对称短路引起的过电压特点工频过电压的防治措施本章知识要点谐振过电压谐振过电压如何产生的？三种谐振过电压类型铁磁谐振铁磁谐振的产生条件铁磁谐振的物理过程，特性曲线分析，什么是平衡点？要求对铁磁谐振的产生原因、条件和特点，结合图分析还有哪些常见的谐振过电压？本章知识要点操作过电压间歇性电弧接地引起的过电压产生这种过电压的原因可能的最大过电压值影响因素消弧线圈的作用补偿度和脱谐度中性点位移电压与补偿度和脱谐度的关系本章知识要点切除空载线路过电压产生这种过电压的原因影响因素限制措施合闸空载线路过电压产生这种过电压的原因（主要是正常合闸时）影响因素限制措施本章知识要点切除空载变压器产生这种过电压的原因影响因素限制措施本章重点了解各种过电压产生的原因及其限制措施课程内容第10章电力系统内部过电压在电力系统中，因为断路器的操作或系统故障，使系统的参数发生变化，导致电力系统内部能量的转化或传递的过渡过程中，在电力系统内产生的过电压系统参数变化的原因是多种多样的，因此内部过电压的幅值、振荡频率、持续时间不尽相同内部过电压分为操作过电压和暂时过电压操作过电压即电磁过渡过程中的过电压，一般持续时间在0.1s以内暂时过电压包括谐振过电压和工频电压升高，持续时间相对较长，暂时过电压产生的原因主要是空载长线路的电容效应、不对称接地故障、负荷突变以及系统中可能发生的线性或非线性谐振等内部过电压的分类分类10.1工频过电压电力系统中在正常或故障时可能出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高，统称工频电压升高，或称工频过电压

它的大小直接影响操作过电压的幅值它的数值是决定避雷器额定电压的重要依据持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安全运行在超高压系统中，为降低电气设备绝缘水平，不但要对工频电压升高的数值予以限制，对持续时间也给予规定

10.1.1空载长线路的电容效应单相输线路的集中参数等值电路

对于一给定的R、L、C串联电路，若其参数R<<1/(

C)、

L，且有1/

C>

L，当有正弦交流电流流过时，由于电感与电容上的压降UL、UC反相，且其有效值UC>UL，于是电容上的压降大于电源的电动势。这就是集中参数电路中的“电感—电容”效应，简称“电容效应”对于分布参数电路当末端空载时，一定条件下，首端的输入阻抗为容性，计及电源内阻抗的影响(感性)时，由于电容效应不仅使线路末端电压高于首端，而且使线路首、末端电压高于电源电动势。此即电力系统空载长线路的工频电压升高问题低压等级线路相对安全但在超高压系统中是一个重要的课题无损分布导线的等值电路空载无损线路上距开路的末端x处的电压一般

电容效应的特点（1)线路上的工频电压自首端起逐渐上升，沿线按余弦曲线分布，在线路末端电压最高。线路末端电压U2由于所以133电容效应的特点（2)线路末端电压升高程度与线路长度有关。线路首端电压U1所以表明线路长度越长，线路末端工频电压较首端升高得越厉害。由于线路电阻和电晕损耗的限制，在任何情况下，工频电压升高都不会超过2.9倍。电容效应的特点（3)工频电压升高受电源容量的影响。距离线路末端x处电压电源感抗XS的存在使线路首端的电压升高，相当于增加了线路长度，从而加剧了线路末端工频电压的升高。电源容量越小（XS越大），工频电压升高就越严重。当电源容量为无穷大时，工频电压升高为最小。抑制措施根本思想：削弱电容效应采用方法：并联电抗器电抗器容量（电感减小）越大，末端电压的升高越小10.1.2.不对称短路引起的工频电压升高短路电流的零序分量会使健全相出现工频电压升高，常称为不对称效应，以不对称效应系数或接地系数表示由此而产生的工频电压升高的程度系统中不对称短路故障，以单相接地故障最为常见，且引起的工频电压升高也最严重系统在发生不对称故障时，故障点各相电压和电流是不对称的，可以采用对称分量法利用复合序网方便地进行分析10.1.2.不对称短路引起的工频电压升高对于电源容量较大的系统；如再忽略阻抗中的电阻量，可改写成

10.1.2.不对称短路引起的工频电压升高系数K表示单相接地故障时非故障相的最高对地工频电压有效值与无故障时对地电压有效值之比工频电压升高的限制措施在220kV及以下电网中不需采取特殊措施限制工频电压升高330、500kV电网中要采取措施将工频电压升高限制在1.3pu（变电所）及1.4pu（线路侧）以下，措施有：装并联电抗器装静止补偿装置加强电网联系，改变电网结构（如装开关将长线分段）限制某些运行方式采用良导体地线，降低X0/X1比值快速磁通灭磁保护电压速断保护基准值工频电压升高的限制措施线路末端接入并联电抗器，由于电抗器的感性无功功率部分地补偿了线路的容性无功功率，相当于减小了线路长度，降低了末端电压升高并联电抗器的接入可同时降低线路首端及末端的工频电压升高10.2电力系统谐振过电压在系统进行操作或发生故障时，电感和电容性元件可能形成各种不同的振荡回路，在一定的能源作用下，产生谐振现象，引起谐振过电压电感元件：电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈以及线路导线等的电感电容元件：线路导线的对地电容和相间电容、补偿用的串联和并联电容器组以及各种高压设备的寄生电容谐振过电压比操作过电压的持续时间长，性质上也属于暂时过电压。谐振过电压的严重性既取决于它的幅值，也取决于它的持续时间在不同电压等级、不同结构的系统中可以产生不同类型的谐振过电压。对应三种电感参数，在一定的电容参数和其他条件的配合下，可能产生三种不同性质的谐振现象

线性谐振铁磁谐振参数谐振谐振分类线性谐振过电压在操作或故障引起的过渡过程出现谐振条件

串联线性谐振电路参数谐振过电压当同步发电机接有容性负载时（如空载线路），即使激磁电流很小，也会使发电机的端电压和电流急剧上升，最终产生很高的过电压，这种现象称为发电机的自励磁，过电压为自励磁过电压，其本质是由于电机旋转时的电感参数周期变化引起的，所以称参数谐振铁磁谐振在交流电源作用下铁心元件的电感值作周期性变化，这是产生铁磁谐振的基本原因

在铁芯电感的振荡回路中，如果满足一定条件，可能出现工频谐振谐振频率可能等于工频的整数倍（2、3、5倍等），称为高次谐波谐振谐振频率可能等于工频的分数倍（1/2、1/3、1/5、2/3、3/5倍等），称为分次谐波谐振基波铁磁谐振的物理过程基波铁磁谐振图解法串联铁磁谐振回路满足必要条件条件在I=Ij处，曲线UL(I)与UC(I)有交点K，UL＝UC

电压平衡关系回路可能有3个平衡状态，如图中a、b、c三点扰动法能判断

a、c两点是稳定工作点，而b点是不稳定的a点为电路的非谐振工作点，c点是谐振工作点

铁磁元件的饱和效应是产生铁磁谐振的根本原因，但其又限制了过电压的幅值铁磁谐振中的跃变现象当电源电势由零逐渐增加时，回路中的工作点将由0逐渐上升到m点，然后跃变到n点，再继续上升，同时回路电流将由感性突变成容性。这种回路电流相位发生180o的突然变化的现象，称为相位反倾现象。在跃变过程中，回路电流激增，电感和电容上的电压也将大幅度提高外激发现象当E<U0时，E逐渐上升，回路只能处在非谐振的工作点a。只有当回路经过强烈的“冲击扰动”，回路才能处在谐振的工作点c“冲击扰动”包括系统的突然合闸、发生故障以及故障的消除等，这些可造成铁芯电感两端的短时电压升高、大电流的振荡过程或电感中的涌流现象需要经过过渡过程建立的谐振现象称之为铁磁谐振的“外激发”一旦“激发”起来以后，谐振状态可以“自保持”，维持很长时间不会衰减铁磁谐振的基本特点对铁磁谐振电路，在相同的电源电势作用下，回路可能有不只一种稳定的工作状态，如基波的非谐振状态和谐振状态。电路稳定在什么状态要看外界冲击引起的过渡过程的情况。非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因，但铁磁元件饱和效应本身也限制了过电压的幅值。此外，回路损耗也使谐振过电压受到阻尼和限制，当回路电阻大于一定的数值时，就不会出现强烈的铁磁谐振过电压，这可以说明为什么电力系统中的铁磁谐振过电压往往发生在变压器处在空载或轻载的时候。对串联谐振电路而言，产生铁磁过电压的必要条件是：且铁磁谐振可以在很大参数范围内产生10.3间歇性电弧接地过电压66kV及以下系统多采用中性点不接地运行中性点不接地电网中，10kV电网，l1000km，Ijd30A；35kV电网，l100km，Ijd

10A，接地电弧在几秒至几十秒内自熄，继续增大，电弧不能自熄，不形成稳定电弧（几百安），此时出现时燃时灭的不稳定状态，产生间歇性电弧接地过电压10.3间歇性电弧接地过电压受产生间歇性电弧的具体情况（如电弧部位介质、外界气象条件等）的影响，实际的过电压发展过程极其复杂。电弧的熄灭与重燃时间对最大过电压起决定作用。通常认为，油中电弧可能在过渡过程中高频过零熄弧，空气中的开放电弧大多在工频电流过零时熄弧，前者称为高频熄弧理论，过电压值较高，后者称为工频熄弧理论，过电压值较低采用工频熄弧理论分析间歇性电弧接地过电压的形成过程10.3.1过电压的产生10.3.1过电压的产生10.3.1过电压的产生间歇电弧接地过电压的发展电荷重新分配短路故障前后的电压值不同引起的振荡振荡幅值=2稳态值-初始值影响因数

系统的相关参数：发生电弧部位的介质（空气、油、固体介质）、外界气象条件（风、雨、湿度、温度)电弧熄灭和重燃时刻的相位这些随机因数，直接影响过电压的发展过程，导致过电压的大小具有统计性限制措施中性点直接接地中性点采用消弧线圈10.3.3消弧线圈的应用中性点不接地的360kV电网中，在单相接地电流超过30A（3

10kV电网）或者10A（35kV及以上电网），需要在电网中性点和地之间接入消弧线圈作用：减小单相接地电流，缓减接地故障点恢复电压的上升速度，从而增大接地故障点自熄的概率，以防止发展成相间短路或烧伤导线消弧线圈是一个具有分段（即带间隙的）铁心的可调电感线圈，不易饱和，接在中性点与地之间。161适当选择电感L的数值，Ijd将减小到零物理意义：接地的电容电流分量完全被消弧线圈的电感电流补偿，接地电弧消灭，这是完全协调的情况。实际中，用补偿度k和脱谐度

来描述消弧线圈的补偿程度消弧线圈的作用补偿度K和脱谐度

补偿度k脱谐度

当k1、

0，即IL

IC时，为过补偿状态当k1、

0

，即ILIC时，为欠补偿运行状态当k=1、

=0，即IL=IC时，为全补偿运行状态中性点位移电位

为中性点不接地（无消弧线圈）电网，因三相对地电容不等而引起的电网中性点位移电位，称电网不对称电压U0的大小主要决定于KC及

，以KC=1.5%为例，无消弧线圈，Ubd=0.015EA，接消弧线圈，若

=3%，则U0=0.5EA，中性点电位移电压增大33倍。若

=0，电网处于谐振状态，但电网存在损耗电阻，所以U0不趋于无穷大消弧线圈的调谐调谐原则在正常情况下，中性点长时间位移电位不超过额定相电压的15%3~10kV和20kV及以上电网，故障点残余电流不宜超过10A和5A。对于与发电机有电气连接的3~10kV电网，若要求发电机在发生内部单相接地故障时运行，补偿后的残余电流应小于3A应