特高压电网的防雷保护

特高压电网的防雷保护41P1雷电及其主要参数42P1雷电放电是雷云对大地或雷云之间或雷云内部的放电现象。在地球上，平均每天约发生800万次雷击。对电力系统而言，雷击输电线路仍然是导致其跳闸的主要原因之一。雷电放电通道的形状主要是线状的，有时在云层中能见到片状雷电，个别极为罕见的情况下会出现球状雷电。雷云与地之间的线状雷电可能从雷云向下开始，叫下行雷，下行雷又可分为正下行雷与负下行雷；最常见的（约90%）是带负电的雷云向下放电即负下行雷的线状雷电，球雷则极为罕见。雷云中电荷密集处的电场强度达到2500～3000kV/km时，将首先出现向下发展的放电，这种放电称为先导放电。先导每极发展的速度约为107m/s，延续时间约为1μs，总的平均速度为（1～

8）×105m/s。雷电及其主要参数43P1当先导接近地面时，地面较突出的部分会开始迎着它发出向上的放

电，这称放电称为迎面先导。迎面先导可以是一个，也可以有几个。当迎面先导的一个与下行先导的一支相遇时，就会产生强裂的中和

效应，出现极大的电流（数十到数百kA），并伴随着雷鸣和闪光，

这就是雷云放电的主放电阶段。主放电存在时间极短，约为50～100μs。主放电电流的波头时间约0.5～10μs，平均时间为约2.6μs。雷云中可能存在着几个电荷中心，在第一个电荷中心完成上述放电过程之后，可引起第两个、第三个中心向第一个中心放电，因此雷云放电通常是多重性的，每次放电相隔离时间约0.6ms到0.8s（平均为65ms），放电的数目平均为2～3个，最多记录到42个。雷电及其主要参数雷云电荷分布图a）负下行雷的光学照片描绘图；b）放电过程中雷电流的变化情况负雷云下行雷的过程44P1雷电及其主要参数45P1主放电通道波阻雷电流波形雷电流幅值概率分布雷电流陡度概率分布雷电流极性重复放电次数及对地输送的电荷量雷电及其主要参数46P1主放电通道波阻主放电通道波阻与主放电通道雷电流有关，雷电流愈大，其值愈小。一般Z=300～3000Ω。主放电即是沿着波阻抗为Z的先导通道传播的。雷电流波形雷电流波形世界各国测得的对地放电雷电流波形基本一致，多数是单极性重复脉冲波，少数为较小的负过冲，一次放电过程常常包含多次先导至主放电的过程（分别第一次放电和随后放电）和后续电流。典型的雷电流波形通常用双指数来描述。武汉 压研究所雷电及其主要参数雷电流幅值概率分布不同地区的雷电流幅值的概率分布不同，这主要与地区的纬度、地形、地貌、气象和雷暴强度有关。我国电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，雷暴日超过20的地区雷电流幅值的概率分布推荐为式中

P—雷电流幅值超过I的概率；I—雷电流幅值，kA。对20雷暴日及以下地区，概率分布将减小，推荐为：47P1雷电及其主要参数雷电流极性实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负极性比较不同，负荷性所占比例在75%～90%之间。：重复放电次数在一个雷云单体中，常常有多个电荷密集中心，一次雷云放电也常常包含多次放电脉冲，称多重放电。根据6000次实测统计，平均重复放电2～3次，最多42次。放电之间的间歇时间通常为30～50ms，最短为15ms，最长达700ms。48P1压研

所SEAR

HP1雷电过电压直击雷过电压感应雷过电压雷电直击线路导线a）先导阶段；b）主放电阶段感应雷过电压的形成49特高压架空线路的雷电反击与保护410P1特高压架空输电线路采用的绝缘子片数多（48片）和空气间隙距离大，雷电冲击放电电压很高，采用双避雷线保护，当雷击塔顶或其附近避雷线反击时的雷电流(耐雷水平)幅值大、出现概率小，一般无需采取其他措施加以防护。特高压架空输电线路杆塔较高，雷电流流经杆塔时在悬挂绝缘子串的杆塔横担处形成的杆塔感应电压降分量较大，导线上感应过电压的分量也高。特高压架空输电线路杆塔较高，雷电波由塔顶传播到塔脚再负反射到塔顶的时间变长，杆塔接地电阻对雷击时塔顶电位的降低作用减弱。杆塔高度增加是影响反击耐雷水平降低的因素，但电压等级越高，冲击放电电压越高，反击耐雷水平亦高。特高压架空线路的雷电反击与保护针对220kV、500kV、750kV、1000kV架空线路典型杆塔进行了反击耐雷性能计算。各电压等级线路绝缘雷电冲击50%放电电压（kV）3500411P1特高压架空线路的雷电反击与保护220kV酒杯型铁塔412P1特高压架空线路的雷电反击与保护413P1特高压架空线路的雷电反击与保护500kV酒杯型铁塔414P1特高压架空线路的雷电反击与保护415P1特高压架空线路的雷电反击与保护750kV酒杯型铁塔416P1特高压架空线路的雷电反击与保护417P1特高压架空线路的雷电反击与保护1000kV酒杯型铁塔418P1特高压架空线路的雷电反击与保护419P1特高压架空线路的雷电反击与保护420P1特高压架空线路的雷电反击与保护421P1特高压架空线路的雷电绕击与保护422P1特高压输电线路杆塔高度很高、导线上工作电压幅值很大比较容易由导线上产生向上先导，这些因素会使避雷线屏蔽性能变差。前苏联的1150kV特高压架空输电线路在累计6年的运行期间，发生雷击跳闸21次，跳闸率高达0.7/100

km.a。比我国500kV输电线路的运行统计值0.14/100km.a高得多。跳闸的基本原因是在耐张转角塔处雷电绕击导线。前苏联研究人员认为提高特高压输电线路耐雷性能的主要措施是采用更小的避雷线对导线的保护角。日本1000kV特高压架空输电线路东西线所在地区年雷暴日数为25，在降压至500kV运行期间，雷击跳闸率高达0.9/100

km.a。尽管其避雷线采用了负保护角，但据分析认为是线路杆塔很高遭到线路侧面雷击导线引起了绝缘子闪络。设计特高压输电线路时,应充分关注雷电绕击保护的重要性，特别是对耐张塔和转角塔也要专门研究、精心设计，务必使其具有较少的保护角。对于山区，因地形影响(山坡、峡谷)，避雷线宜采用负保护角，或者架设耦合地线、装设线路避雷器等。利用电气几何模型，对220kV、500kV、750kV、1000kV架空线路典型杆塔进行了绕击耐雷性能计算。电气几何模型法用于分析平原地区架空线路的绕击耐雷性能是合适的，对于山区和地形复杂的区域，需要探讨更符合实际情况的分析方法。423P1WUHAN

H特高压架空线路的雷电绕击与保护雷电绕击线路电气几何模型绕击线路等值电路424

P1特高压架空线路的雷电绕击与保护雷电绕击导线的概率随雷电流幅值增大而降低425P1特高压架空线路的雷电绕击与保护雷电绕击导线的概率随避雷线保护角减小而降低426P1特高压架空线路的雷电绕击与保护427P1特高压架空线路的雷电绕击与保护428P1特高压架空线路的雷电绕击与保护429P1特高压架空线路的雷电绕击与保护430P1特高压架空线路的雷电绕击与保护431P1特高压架空线路的防雷保护432P1实际运行情况表明，110kV及以上电网中雷击引起的线路跳闸次数占线路跳闸总次数的70%以上。随着电压等级的升高，雷电绕击引起的跳闸率逐渐增大，500kV电网如此，1000kV电网将更加突出，要特别关注山区和地形复杂区域特高压线路的防绕击保护。特高压变电所的防雷保护433P1特高压配电装置的直击雷保护根据我国110-500kV大量变电所多年来的运行经验，对特高压变电所采用敝开式高压配电装置(AIS)时，可直接在变电所构架上安装避雷针或避雷线作为直击雷保护装置。对特高压变电所采用半封闭组合电器(HGIS)或全封闭组合电器(GIS)，则其GIS部分的引入、引出套管尚需有直击雷保护装置保护。GIS本身仅将其外壳接至变电所接地网即可。特高压变电所的防雷保护434P1特高压变电所的侵入波保护 主要靠两种途径：一是设置进线保护段，以减少危险雷电侵入波；二是在变电站内安装避雷器，以限制雷电过电压的幅值。研究变电站的雷电侵入波保护，主要是如何加强进线段的防雷性能和优化选择避雷器的安装位置及数量。研究方法集中于两点：雷电波过程的模拟，变电站耐雷可靠性的评估。特高压变电所的防雷保护435P1特高压变电所的侵入波保护与高压、超高压变电所一样，特高压变电所电气设备也需考虑由特高压架空输电线路传入的雷电侵入波过电压的保护。而对雷电侵入波过电压保护的根本措施在于在变电所内适当位置安装金属氧化物避雷器(MOA)。由于限制线路上操作过电压的要求，在变电所线路断路器的线路侧必然安装有MOA。变压器回路也要求安装MOA。至于变电所母线上是否要安装金属氧化物避雷器以及各避雷器距被保护设备的距离则需要通过数字仿真计算予以确定。特高压变电所的防雷保护436P1变电所雷电侵入波保护研究方法危险波曲线方法将变电所和输电线路的雷电波过程分别研究。20世纪50年代至70年代初，用防雷分析仪研究变电所的雷电波过程。区间组合概率方法将变电所和输电线路的雷电波过程合一研究。70年代初至今，用计算机对雷电波过程进行仿真计算。危险波曲线方法变电所雷电侵入波仿真模拟（计算）437P1危险波曲线方法438P1危险波曲线方法439P1τ=τo+（0.5+0.008u/hd）L危险波曲线方法440P1根据前面两图的曲线和公式，可求出变电所危险临界距离Lm=

τm/(0.5+0.008um/hd)假定在进线段上所有落入Lm范围内的反击和绕击侵入波都是危险的。变电所由雷电侵入波引起的危险概率用如下公式计算：B=nLmk(gpi+pr)n---变电所的出线回路数Lm---必要的进线段长度K---每年每百公里线路遭受的雷击次数Pi---超过反击耐雷水平的雷电流概率g---击杆率Pi---雷电绕击概率区间组合概率方法输电线路与变电所合一的雷电波过程仿真计算441P1区间组合概率方法442P1区间组合概率方法443P1假定雷电流幅值I和雷击位置L为两维独立的随机变量，将它们分成不同的区间，通过排列组合组成一系列的雷击事件，针对每一事件进行变电站的侵入波计算。将引起变电所设备危险的事件的概率累积起来，求得变电所由雷电侵入波引起的危险概率。试验示范工程变电所的雷电侵入波保护444P1➢➢➢

针对试验示范工程的两个变电所和一个开关站，中国电科院和武汉高压研究所分别进行了雷电侵入波保护研究。1000kV变电站进线保护段的档距，第一基至门型架的线路取100m，其它档距按400m考虑，2km进线保护段内有六基杆塔。雷电流波形采用2.6/50μs的波形。反击时雷电通道波阻抗采用300Ω，绕击时雷电通道波阻抗采用800Ω。杆塔波阻取150Ω；杆塔的冲击接地电阻按10考虑。门型架冲击接地电阻采用5Ω。击杆率取1/6。进线段杆塔采用M型水平杆塔，反击时中相易闪络，故计算中反击采用中相。绕击计算时采用边相。对于中相的建弧率(中相导线对横担)取1，边相建弧率为0.9。试验示范工程变电所的雷电侵入波保护445P1大地每km2每年的雷击次数为Ng＝0.023

T

1.3，年平均雷电日Td

d为40日。则Ng为2.7823次/km2年。➢➢

避雷线平均高度为52.325m，两避雷线间距为37.02m，则100km线路每年雷击次数Ns＝94.01次/100km·a。反击情况按lgP＝-I/88求出反击危险雷电流的概率Pfi。绕击计算先求出使站内造成危害的最小雷电流，再考虑线路能绕击的最大雷电

流。于是可通过电气几何方法求出绕击造成变电站危险的概率。对于近区雷击，即进线保护段范围内遭受雷击时，因发生绕击和反击，会