输电线路的防雷保护

1输电线路的防雷保护2§9-1架空输电线路的感应雷过电压§9-2架空输电线路的直击雷过电压§9-3架空输电线路的雷击跳闸率§9-4雷击架空输电线路的电气几何模型§9-5架空输电线路的防雷措施§9-6电缆线路的防雷措施第9章输电线路的防雷保护Contents9-1-1感应雷过电压的形成天空中带异号电荷两雷云之间，或雷云的两个异号电荷中心之间发生放电时，都可能引起地面上有感应电压。但对电力系统有危害的是雷云对地放电时，在线路导线上产生的感应雷过电压。图9-1-1感应雷过电压静电分量的形成(a)先导阶段；(b)主放电阶段在雷电放电的先导阶段，线路处于雷云及先导通道与大地构成的电场中。由于先导是逐级向地面发展的，其推进速度相对于电磁波传播速度是缓慢的，可认为先导所形成的电场是静电场。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，成为束缚电荷。导线中的负电荷则被排斥到导线两侧的远方。图9-1-1感应雷过电压静电分量的形成(a)先导阶段；当先导到达大地，雷云放电进入主放电阶段，先导通道中的电荷由下而上被迅速中和，导线上外施电场消失，原为束缚电荷立即转化为自由电荷，向导线两侧运动，电荷运动形成电流ig。ig通过导线波阻Z形成的电压波

，即为感应雷过电压的静电分量，其极性与雷云极性相反。图9-1-1感应雷过电压静电分量的形成(b)主放电阶段；在主放电过程中，伴随着雷电流的形成，在先导通道周围会出现极强脉冲磁场，其中一部分磁力线匝链导线—大地回路，会使导线对地产生电位升高，这是感应雷过电压的电磁分量。由于先导通道差不多与导线是垂直的，互感很小，电磁感应很弱，感应雷电磁分量较小，再加上两种分量最大值出现时刻不同，在静电分量和电磁分量叠加成总的感应雷过电压时，决定过电压幅值的是静电分量。因而线路感应雷过电压通常只考虑静电分量。9-1-2架空输电线的感应雷过电压计算计算假设先导通道的电荷是均匀分布的，其线密度为λ，空间电场由先导电荷形成。先导通道的电荷在主放电过程中瞬时被中和。主放电通道是垂直向上的，并不考虑分支。A点场强垂直分量EAy图9-1-2线路感应雷静电分量计算无避雷线的线路感应雷过电压计算雷击线路附近地面，导线上的感应雷过电压Ug为式中，I为主放电电流(kA)；hd为导线悬挂的平均高度(m)；S为雷击点至线路的距离(m)；根据理论分析与实测结果，当满足S>65m时,系数k拟定为25。在满足时，Ug可按下式计算：无避雷线的线路感应雷过电压计算雷击线路杆塔，导线上的感应雷过电压Ug为式中,

h为塔高ht加迎面先导长度之和，后者可估算为2.4I0.75。在满足h2≫hd2，且hd不大的杆塔，取h=65m，于是有：式中

，仅在数值上与雷电流平均陡度相同，物理含义不同。≫10有避雷线的线路感应雷过电压计算

由于避雷线是接地的，计及避雷线要考虑接地体的屏蔽效应，减小导线上的感应电荷。k0为导线与避雷线间的几何耦合系数,hb、

hd分别为避雷线、导线的平均对地高度输电线路有接地避雷线时，导线上的感应雷过电压Ug’为同理，雷击杆塔时，导线上的感应雷过电压Ug’为由此可见，导线与避雷线间的耦合系数愈大，其电磁屏蔽作用愈大，感应雷过电压降低越明显。11上述Ug’的计算式是经简化和近似后得出的，对220kV及以下输电线路尚可应用，对超特高压输电线路的感应雷计算误差太大。式中,kβ为主放电速度与光速c的比值；hct为导线在杆塔处的悬挂高度；dR为雷击杆塔时迎面先导长度。GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》列出，计算架空输电线路导线感应雷过电压Ug公式如下：另有研究者提出近似计算公式如下：9-1-3感应雷过电压的特性特性感应雷过电压是由雷云先导电荷和主放电过程的静电感应和电磁感应而形成的。其极性与雷云电荷极性相反，与直击雷过电压的极性相反。感应雷过电压的波形较平缓,波前时间为几微秒至几十微秒，波长可达数百微秒。三相导线对地高度的差值，相对于导线对地高度是不大的。可认为各相导线的感应雷过电压基本相等。因此，感应雷过电压不会引起相间闪络，只能发生相对地闪络。13§9-1架空输电线路的感应雷过电压§9-2架空输电线路的直击雷过电压§9-3架空输电线路的雷击跳闸率§9-4雷击架空输电线路的电气几何模型§9-5架空输电线路的防雷措施§9-6电缆线路的防雷措施第9章输电线路的防雷保护Contents14分析计算输电线直击雷过电压时，线路有、无避雷线是有差别的。但理解了有避雷线线路的直击雷过电压计算后，无避雷线线路的直击雷过电压也能分析计算了。现只分析计算有避雷线的架空输电线路的直击雷过电压。159-2-1雷击线路杆塔雷击塔顶时，注入雷电流分布如左图所示。由于一般杆塔不高、接地电阻较小。从接地点反射回的电流立即到达塔顶，使入射电流加倍，故注入线路的总电流即为雷电流i，而不是沿雷电通道波阻传播的入射电流i/2。图9-2-1雷击线路杆塔顶(a)注入雷电流分布；(b)等值电路16避雷线分流作用，流经杆塔的雷电流it小于雷电流i，称β为杆塔分流系数，通常为0.86~0.92。雷击塔顶时，线路上有4个电压分量：塔顶电位：取2.6μs波前平均陡度，I为雷电流幅值，于是有：17雷击塔顶时，导线上的感应雷过电压：式中，k1为电晕修正系数，k0为几何耦合系数。ut沿避雷线传播，在导线上耦合的电压utd：导线上的工频运行电压uph

18作用在绝缘子串上的电压等于绝缘子串50%冲击放电电压时，绝缘子串闪络，与之对应的雷电流幅值I就是该线路雷击杆塔发生反击时的耐雷水平I。若不计运行电压的影响，则有：考虑上述4个电压分量的幅值在同时刻出现。Uj是塔项电位与导线电位之差，于是：19在中、高压架空输电线路耐雷水平计算时：导地线间距离远，耦合系数小，一般选择外侧或下方导线计算导线绝缘承受的冲击电压大小，还与塔身电位相关，不一定离避雷线最远的导线绝缘先遭反击线路耐雷水平越高，耐雷性能越好。我国要求各电压等级线路的耐雷水平，不低于表9-2-3所列数值。表9-2-3各电压等级线路（单回线）应具有的耐雷水平20雷击线路档距l中央的避雷线B点，如右图所示。B点电位：空气间隙S上承受的直击雷过电压：冲击电压下气隙的平均击穿场强约为750kV/m，故临界击穿条件为：9-2-2雷击线路档距中央图9-2-2雷击线路档距中央避雷线21取耦合系数k=0.25，避雷线波阻抗Zb=350Ω，电晕影响下的波速v=0.75c，雷电流波前陡度a=30kA/μs，代入上式得到：电压范围最小空气间隙S值（m）范围Ⅰ1kV≤Um≤252kVS≥0.012l+1范围Ⅱ252kV＜UmS≥0.015l+1范围Ⅲ特高压S≥0.015l+2+Uphm/500根据多年运行经验，我国相关设计规程规定档距中央最小S值：临界击穿条件：22雷绕击线路导线，雷电流沿导线两侧分流，如左图所示。设雷电通道波阻抗为Z0，导线波阻抗为Zc，工频电压瞬时值为uph，绕击点A的电压为：9-2-3雷绕击线路导线图9-2-3雷绕击导线(a)示意图；(b)等值电路23设线路绝缘子串上的50%冲击放电电压为U50%，则绕击导线时的耐雷水平I2为属于范围I中的线路，通常不计运行工频电压uph经计算可知，同条输电线路的I2要比I1低很多，说明绕击导线很容易引起绝缘子串冲击闪络，因此必须设法减小绕击的概率。电压范围范围Ⅰ1kV≤Um≤252kV范围Ⅱ252kV＜Um范围Ⅲ特高压24§9-1架空输电线路的感应雷过电压§9-2架空输电线路的直击雷过电压§9-3架空输电线路的雷击跳闸率§9-4雷击架空输电线路的电气几何模型§9-5架空输电线路的防雷措施§9-6电缆线路的防雷措施第9章输电线路的防雷保护Contents输电线路雷击跳闸率是衡量线路耐雷性能的综合指标。输电线路雷击引起跳闸，需有4个过程:

线路遭受雷击;

雷电流大于线路耐雷水平,引起绝缘子串冲击闪络;

在冲击闪络通道上,建立起稳定的工频电弧;

线路继电保护装置动作,断路器跳闸。NL为100km线路,年雷暴日为40日情况下,每年遭受雷击的次数Ng为每年、每平方公里地面平均落雷次数；D为线路等值受雷宽度。雷击杆塔次数N1为：g为击杆率,PI1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平的概率NL包括雷击杆塔、避雷线档距中央、绕击导线三种情况，计算线路跳闸率时只需考虑雷击杆塔及绕击导线。计算线路雷击次数N1计算雷绕击导线次数N2：雷电流大于线路耐雷水平的概率PI

我国相关规程中建议在一般地区用：Pα为绕击率,PI2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平的概率绕击率Pα：发生冲击闪络的次数：冲击闪络后能否建立工频电弧，与冲击闪络处的工频短路电流大小及冲击弧道的去游离条件有关，主要影响因素是作用于电弧路径的平均工频电位梯度E。能建立工频电弧的次数和冲击闪络次数之比：建弧率η雷击杆塔能建立工频电弧的次数n1为：雷绕击导线能建立工频电弧的次数n2为：计算能建立工频电弧的次数：建弧率η可按下式计算：据上分析，有避雷线架空输电线路雷击跳闸率应是雷击跳闸率n是雷击杆塔跳闸率n1与绕击导线跳闸率n2之和。计算雷击杆塔跳闸率：我国平原地区110~750kV单回架空输电线路雷击跳闸率参考值表9-3-2我国平原地区110~750kV单回架空输电线路雷击跳闸率计算思路避雷线、导线的平均对地高度避雷线对外侧导线的几何耦合系数杆塔等值电感及分流系数雷击杆塔时的耐雷水平导线波阻及雷电通道波阻确定绕击导线的耐雷水平超过耐雷水平的概率击杆率、绕击率及建弧率计算线路总雷击跳闸率算例：某220kV线路处于平原地区，杆塔为酒杯型铁塔，几何尺寸如下图所示。绝缘子串由13片X-7型绝缘子组成，长度2.2m，其正、负极性50％冲击放电电压分别为1410、1650kV。避雷线半径rb=5.5mm，保护角α=16.5°，避雷线弧垂fb=7m，导线弧垂fd=12m，杆塔冲击接地电阻Rch=7Ω。求线路耐雷水平和雷击跳闸率。图9-3-1220kV线路酒杯型铁塔（单位：m）31§9-1架空输电线路的感应雷过电压§9-2架空输电线路的直击雷过电压§9-3架空输电线路的雷击跳闸率§9-4雷击架空输电线路的电气几何模型§9-5架空输电线路的防雷措施§9-6电缆线路的防雷措施第9章输电线路的防雷保护Contents电气几何模型（EGM）是指将雷电放电特性与线路结构尺寸相关联，而建立的几何分析计算模型。分析线路遭受雷击时，直击避雷线及绕击导线的概率，从而完善线路绕击跳闸率的计算。计算假设：由雷云向大地发展的先导放电通道端部、到达被击物体的临界击穿距离（称为击距）以前，被击点是不确定的。哪个物体先进入击距内，即向该物体放电。击距是雷电流幅值的函数。假定下行先导接近地面时的入射角Ψ服从某一概率分布函数。垂直落雷(Ψ=0)的概率最大，水平落雷(Ψ=90°)概率为零。不考虑被雷击物体形状和邻近效应等因素对击距的影响。当线路杆塔不高（﹤40m）时，接地的杆塔对附近地面雷电场强分布的畸变作用尚不大，影响雷电先导发展方向不明显，故下行先导等击距放电的假定是可以接受的。IEEE标准和我国家标准GB/T50064-2014推荐采用的击距rs与雷电流幅值I的关系式：式中rs为击距，m；I为雷电流幅值，kA。9-4-1等击距电气几何模型确定了击距与雷电流的关系后，作EGM图以避雷线、导线为圆心，取不同雷电流值的击距为半径，分别作圆弧。以对应于I1的rs1做圆弧，圆弧A1B1和B1C1相交于B1点离地面高度为rs1的点作水平线,圆弧B1C1和直线C1D1相交与C1点圆弧A1B1和B1C1和直线C1D1连成一空间曲线，曲线沿线路方向移动，形成定位面。先导落在A1B1上，雷击避雷线保护弧先导落在B1C1上，雷绕击导线暴露弧先导落在C1D1上，雷击大地大地捕雷面图9-4-1等击距电气几何模型确定了击距与雷电流的关系后，作EGM图图9-4-1等击距电气几何模型随着雷电流Ii增大，击距rs也增大，而暴露弧BC会逐渐减小。当雷电流增大到一定值后，暴露弧BC已缩减为零，此时就不可能发生绕击导线。故称此时的雷电流为最大绕击电流Ik，相应的击距为绕击最大击距，或称绕击临界击距。可见，雷电流愈小，暴露面而愈大，绕击的概率愈大。确定临界击距rsk与最大绕击雷电流Ik利用模型几何关系求得临界击距。hb和hd为避雷线和导线对地平均高度，α为避雷线保护角，θ为地平面倾斜角度，设θ

=0。由图中几何关系可列出等式：若有地面倾斜角不为0

，同理可推出：确定临界击距rsk后，根据下式可求得最大绕击雷电流Ik图9-4-2利用几何模型计算临界击距rsk线路绕击率与绕击跳闸率设雷电流幅值概率密度为p(I)，将雷电流幅值范围内等分为许多电流区间ΔI，则幅值为Ii雷电流出现的概率P(Ii)为百公里长线路每年的总绕击次数N2为：式中，NL为百公里线路每年平均落雷次数，Pαi为绕击率在N2中会发生绕击闪络次数N2’为：在N2’中能建立工频电弧的次数，即是百公里线路年绕击跳闸次数n2，已知建弧率为η，则有：当线路杆塔突出地面很高时，杆塔周围空间场强增大要比平坦地面上方场强增大快得多，杆塔会产生上行先导，而地面不会，因而雷电下行先导对杆塔和地面的击距不等。设对避雷线的击距为rb,对导线击距为rd

,对大地击距为rg

,并设击距系数我国家标准GB/T50064-2014推荐采用9-4-2不等击距电气几何模型先导对避雷线击距：先导对大地击距：对无工频电压导线，近似认为rd=rb，得到导线临界放电距离rd与负极性雷电先导端部电位V0考虑导线工频电压后，雷电先导对导线的击距rdh为：式中，I为雷电流幅值，kA；uph为工频电压瞬时值，kV。由上式可知：线路电压等级愈高，工频运行电压对击距影响愈大；雷电流幅值愈大，相对uph影响愈小。在计及高杆塔对空间场强的畸变作用和导线工频运行电压的影响后，雷电先导对避雷线、导线和大地的击距均不相等。但绘制线路电气几何模型的规则不变，应用几何模型中的相对几何关系，分析计算线路雷击次数、绕击次数及绕击跳闸率的方法不变，只是图形的变化。此模型仍存在问题，主要是基本数据不可靠。例如击距的计算可相差3~4倍；下行先导是逐级发展的，最后一次发展，不一定恰好是一个击距落在定位面上，等等。目前，国内外学者在研究采用先导传播模型（LeaderProgressionModel，LPM）分析计算绕击跳闸率。LPM基于长间隙放电和雷电放电的相似性，利用长间隙放电试验和雷电观察的结果，提出放电过程中的一些判据和计算公式。但各方分歧仍较大，尚不能用于工程设计，还处于研究中。41§9-1架空输电线路的感应雷过电压§9-2架空输电线路的直击雷过电压§9-3架空输电线路的雷击跳闸率§9-4雷击架空输电线路的电气几何模型§9-5架空输电线路的防雷措施§9-6电缆线路的防雷措施第9章输电线路的防雷保护Contents输电线路的防雷措施是为了提高线路的耐雷性能，降低线路雷击跳闸率。在选用防雷措施时,应综合考虑系统运行方式、线路电压等级、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌、土壤电阻率的高低等条件。线路防雷可采取下列措施:防止直击导线，可架设避雷线，避雷针，改用电缆等。

防止反击，可降低杆塔接地电阻，增加耦合和分流，增强绝缘，采用不平衡绝缘,采用线路避雷器。防止建立工频电弧，采用绝缘横担，电网中性点经消弧线圈接地。防止供电中断，安装重合闸，环网供电等。全线装没避雷线，是110kV及以上架空输电线路最基本和最有效的防雷措施。其作用除了防止雷直击导线之外，对雷击塔顶有分流作用，从而减低塔顶电位，并对导线的耦合作用，使绝缘子串承受电压下降，还有其屏蔽作用，降低导线上的感应雷过电压。对500kV及以上线路：应全线装设双避雷线，避雷线对边导线的保护角ɑ不宜大于10°。对1000kV线路：在平原和丘陵地区，避雷线的保护角α＜5°；在山区应采用负保护角，避雷线的保护角α＜-5°，且杆塔上两根避雷线间距离不应超过导线与避雷线垂直距离的4倍。对330kV及以下线路：采用双避雷线，避雷线的保护角α＜15°；单避雷线，避雷线的保护角α＜25°。对110kV线路：一般全线装设避雷线，在少雷区可不沿全线架设避雷线，但应装自动重合闸装置。防止雷电直击导线。可架设避雷线、避雷针，改用电缆等。通常，避雷线在每基杆塔处均需直接接地，但在超特高压输电线路上，为了降低正常运行时，避雷线感应电流引起的附加损耗，将避雷线经一短间隙与杆塔相连（接地）。也就是，当线路正常运行时，避雷线对地绝缘，可称绝缘地线；当线路上空出现强雷云，雷电先导接近线路时，短间隙被击穿，辟雷线自动转换成接地状态。对于一些特殊场所，可用避雷针保护线路。例如，山区线路易击段和易击杆；杆塔接地电阻过大，改善接地电阻困难，也不经济之处；小容量直配发电机架空进线段的防护等。降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷性能较经济的方法。对减小反击概率有明显效果，通常要求杆塔工接地在10~30Ω范围内。具体数值视土壤电阻率ρ而定。在雷击跳闸频繁，又难以降低接地电阻地区，可在导线下方4、5m处架设接地耦合导线，其作用是联合避雷线增大与导线间的耦合系数，增大杆塔向两侧的分流，从而使雷击塔顶时，线路绝缘承受的过电压显著降低，运行经验表明，耦合地线可使雷击跳闸率下降50％左右。输电线路中，个别大跨越高杆塔，落雷机会多，雷击塔顶时过电压高，易反击。同时，绕击率也较高。可采用加强线路绝缘的方法:增加绝缘子串的片数，改用大爬距悬式绝缘子，增大塔头空气间距。防止雷击后产生反击，可降低杆塔接地电阻，增加耦合和分流（双避雷线、耦合地线），增强绝缘，采用不平绝缘，采用线路避雷器。对高压线路与弱电线路的交叉跨越档，过江大跨越高杆塔，易击塔等线路防雷弱点，可装设线路避雷器，免除绝缘子串的冲击闪络。现代的110kV和220kV线路，可考虑不平衡绝缘方式。即在正常绝缘的一回线路上适当增加绝缘，形成两回线路的绝缘子串片数有差异。雷击时，片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于耦合地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，不使闪络，保证继续供电。注意，不可使绝缘差异过大，以免同杆线路总跳闸率增大。我国35kV及以下电网，一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地。这样，可使雷击引起的大多数单相接地故障自动消除，不会造成雷击跳闸。因遭雷击先闪络的一相导线相当于一根避雷线，增加了分流和对未闪络相导线的耦合作用，使未闪络相绝缘承受电压降低。提高了耐雷水平。为了更好发挥这种作用，线路钢筋混凝土杆宜接地，在多雷区接地电阻不宜大于30Ω。防止反击后建立工频电弧。可采用绝缘横担或电网中性点经消弧线圈接地。由于线路绝缘子串具有绝缘自恢复功能，雷击引起的冲击闪络和工频电弧，在线路跳闸后能迅速去电离，其绝缘性能就恢复正常状态。因此，线路上装设自动重合闸装置，在雷击跳闸后，立即自动重合，其成功率较大。据统计，我国110kV及以上线路重合闸成功率达75％~95％，35kV及以下线路为50％~80％。可见，装设重合闸是防止雷击造成供电中断的有效措施，也是线路防雷的最后一项措施。防止建立工频电弧后造成供电中断。可安装重合闸及环网供电等。架空线防雷措施装设避雷线、避雷针降低杆塔接地电阻架设耦合地线增大避雷线与导线间的耦合系数加强线路绝缘增加绝缘子串片数采用大爬距悬式绝缘子增大塔头空气间距装设线路避雷器不平衡绝缘中性点不接地或经消弧线圈接地35kV及以下电网自动重合闸装置架空线防雷措施35kV及以下线路绝缘较弱，易反击不全线架设避雷线110kV及以上线路全线架设避雷线少雷区可不沿全线架设，但应装自动重合闸装置。110kV~330kV线路双避雷线：保护角ɑ＜15°单避雷线：保护角ɑ＜25°500kV及以上线路全线架设双避雷线避雷线对边导线保护角α小于＜10°1000kV线路平原、丘陵地区避雷线的保护角ɑ应小于5°山区地区负保护角，ɑ应小