输电线路的雷电保护

1、Chapter 3 输电线路的防雷保护,西安交通大学高压教研室,-2-,Ch.3 输电线路的防雷保护,1. 输电线路防雷的原则和措施 2. 线路感应雷过电压 3. 输电线路的直击雷过电压 4. 输电线路雷击跳闸率的计算,-3-,1. 输电线路防雷的原则和措施,输电线路防雷的意义 输电线路遭受雷击的机会较多 输电线路是电力系统的大动脉，它将巨大的电能输送到四面八方。漫长的输电线路穿过平原、山区，跨越江河湖泊，遇到的地理条件和气象条件各不相同，所以遭受雷击的机会较多。 输电线路遭受雷击的危害 输电线路遭受雷击造成跳闸，影响电力系统的正常供电，增加线路及开关设备的维修工作量。我国由于雷击造成的跳闸大

2、约占4070。 由于输电线路上落雷，雷电波还会沿线路侵入变电所。而在电力系统中，线路的绝缘最强，变电所次之，发电机最弱，往往会引起设备绝缘损坏，影响安全供电。,做好输电线路的防雷工作，不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性，而且还可以使变电所安全运行。,-4-,1. 输电线路防雷的原则和措施,架空线路遭受雷击的可能性 雷击线路附近地面 雷击塔顶及塔顶附近避雷线 雷击档距中央的避雷线 雷击导线,输电线路防雷的任务是： 采用技术上与经济上的合理措施，使系统雷害降低到运行部门能够接受的程度，保证系统安全可靠运行。,感应雷过电压,直击雷过电压,-5-,1. 输电线路防雷的原则和措施,输电线路防雷的四道防

3、线 防止雷直击导线 沿线架设避雷线，有时还要装设避雷针与其配合；在某些情况下改用电缆线路，使输电线路免受直接雷击。 防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 雷击塔顶或避雷线时，使塔顶电位升高，这样，原来被认为是接地的杆塔，现在却具有高电位，因而有可能对导线放电，使过电压加到导线上，这种现象称为反击或逆闪络。 雷击线路不致引起绝缘闪络的最大雷电流幅值(kA)，称为线路的耐雷水平。,-6-,1. 输电线路防雷的原则和措施,输电线路防雷的四道防线 防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 耐雷水平 雷击线路不致引起绝缘闪络的最大雷电流幅值(kA)，称为线路的耐雷水平。 提高线路耐雷水平的措施 降低杆塔的接地电

4、阻，增大耦合系数，适当加强线路绝缘，在个别杆塔上采用线路避雷器等。 线路避雷器 连接于横担和导线之间(亦即与线路绝缘子并联)的避雷器，当雷击塔顶或塔顶附近的避雷线时，塔顶电位升高，避雷器动作，其残压低于绝缘子串的放电电压，故避免了绝缘子串冲击闪络和随之而来的工频电弧。,-7-,输电线路防雷的四道防线 防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 建弧率 输电线路在遭受雷击引起冲击闪络后，闪络转化为稳定工频电弧的概率。 由冲击闪络转化为稳定工频电弧的概率虽与电源容量及去游离条件等因素有关，但主要的影响因素是作用于电弧路径的平均电位梯度。,1. 输电线路防雷的原则和措施,-8-,输电线路防雷的四道防线 防止

5、雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 建弧率,E：绝缘子串的平均工作电压梯度(r.m.s)，kV/m。,对中性点有效接地的电网,对中性点非有效接地的电网,式中Ue：额定电压；lj：绝缘子串长度；lm：线路的线间距离（对铁横担和钢筋混凝土横担线路，lm = 0）,1. 输电线路防雷的原则和措施,-9-,输电线路防雷的四道防线 防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 减小建弧率的措施： 适当增加绝缘子片数，减小绝缘子串上的工频电场强度； 电网中采用不接地或者经消弧线圈接地方式，防止建立稳定的工频电弧 防止线路中断供电 可采用自动重合闸，或双回路、环网供电等措施，即使线路跳闸，也能不中断供电。,输电线路防雷的

6、四道防线在应用时应根据具体情况实施，例如线路的电压等级、重要程度、当地雷电活动强弱、已有线路的运行经验等，再由技术与经济比较的结果，作出因地制宜的保护措施。,1. 输电线路防雷的原则和措施,-10-,衡量输电线路防雷性能的指标： 耐雷水平 雷击跳闸率 雷击跳闸率是指折算为统一的条件下，因雷击而引起的线路跳闸的次数。此统一条件规定为每年 40 个雷电日和 l00km 的线路长度，因此雷击跳闸率的单位是：次/ (l00km40雷电日)。,1. 输电线路防雷的原则和措施,-11-,1. 输电线路防雷的原则和措施,小结 架设避雷线 降低杆塔接地电阻 架设耦合地线 采用消弧线圈接地方式 加强绝缘 采用不

7、平衡绝缘方式 装设自动重合闸 安装线路避雷器,-12-,Ch.3 输电线路的防雷保护,1. 输电线路防雷的原则和措施 2. 线路感应雷过电压 3. 输电线路的直击雷过电压 4. 输电线路雷击跳闸率的计算,-13-,2. 线路感应雷过电压,感应雷过电压 静电感应(主要部分) 束缚电荷的形成：当雷云接近输电线路上空时，根据静电感应的原理，将在线路上感应出一个与雷云电荷相等但极性相反的电荷，这就是束缚电荷，而与雷云同号的电荷则通过线路的接地中性点逸入大地，对中性点绝缘的线路，此同号电荷将由线路泄漏而逸入大地 束缚电荷的释放：如雷云对地（输电线路附近地面）放电，或雷击塔顶但未发生反击（它们之间的差别仅

8、在于后者以杆塔代替部分雷电通道），由于放电速度很快，雷云中的电荷便很快消失，输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷，沿线路向左右传播。 磁感应 雷电流产生的磁场可在导线中产生电磁感应过电压，不过电磁感应过电压部分比较小。,-14-,2. 线路感应雷过电压,感应雷过电压,束缚电荷的形成和分布,被释放电荷的移动,-15-,2. 线路感应雷过电压,感应雷过电压,a）先导阶段； b）主放电阶段 感应雷过电压的形成,感应雷过电压的计算,-16-,无避雷线时的感应雷过电压 根据理论分析和实测结果，有关规程建议，当雷击点距输电线路的距离s大于65m时，导线上产生的感应过电压最大值可按下式计算： 静电感应,式中

9、I ：雷电流幅值，kA； hd：导线悬挂平均高度，m； s：雷击点至线路的距离，m。,2. 线路感应雷过电压,推导,先导通道中电荷密度大,主放电速度高,雷电流 幅值I大,静电感应分量大,高度 hd大,线路对地电容小，释放相同数量的束缚电荷造成的电压高,距离 s小,束缚电荷多,-17-,2. 线路感应雷过电压,无避雷线时的感应雷过电压 电磁感应 I大，s小均将使导线与大地构成的回路中各部位的磁通密度加大； hd大，该回路面积愈大，这些都会使感应过电压的电磁分量增高。 感应过电压的极性与雷电流极性相反，峰值一般最大可达300-400 kV。 幅值比较小，故感应过电压一般只对35 kV线路有害，对1

10、10 kV及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故。,-18-,【例】雷电流I=88 kA，线路悬挂平均高度hd=12 m，雷击点至线路的距离s=65 m，则导线上产生的感应过电压约为：,更近的雷击，则因线路的吸引，而击于线路本身。当雷直击于杆塔或线路附近的避雷线（针）时，周围迅速变化的电磁场将在导线上感应出相反符号的过电压。在无避雷线时，对一般高度的线路，这一感应过电压的最大值可由下式计算：,式中: 感应过电压系数，kV/m，其值等于以kA/s为单位的雷电流平均陡度值，即 = I / 2.6 。,【例】雷电流I=88 kA，线路悬挂平均高度hd=12 m。,2. 线路感应雷过电压

11、,-19-,有避雷线时的感应雷过电压 如果线路架设有接地的避雷线，则导线受它的屏蔽作用，感应过电压将会降低。 假定避雷线不接地，则导线和避雷线上将分别感应出过电压 事实上避雷线接地，相当于避雷线上再叠加了一个电压-Ub,该电压使得避雷线电压为0，并在导线上耦合出 故有接地避雷线的情况下，感应过电压变为：,2. 线路感应雷过电压,-20-,有避雷线时的感应雷过电压 如果线路架设有接地的避雷线，则导线受它的屏蔽作用，感应过电压将会降低。,由于接地避雷线的屏蔽作用，导线上的感应过电压变为原来的(1-k)倍，因此，耦合系数对有避雷线时的感应过电压有较大的影响。,2. 线路感应雷过电压,-21-,Ch.

12、3 输电线路的防雷保护,1. 输电线路防雷的原则和措施 2. 线路感应雷过电压 3. 输电线路的直击雷过电压 4. 输电线路雷击跳闸率的计算,-22-,3. 输电线路的直击雷过电压,耐雷水平,各级电压线路应有的耐雷水平,有什么规律？为什么？,？,-23-,3. 输电线路的直击雷过电压,无避雷线时直击雷过电压 雷击导线 雷击塔顶 雷击导线的过电压及耐雷水平,-24-,欲使雷击时，线路绝缘子不发生闪络，必须：,故线路的耐雷水平为：,3. 输电线路的直击雷过电压,无避雷线时直击雷过电压 雷击导线的过电压及耐雷水平,各电压等级线路绝缘雷电冲击50%放电电压（kV）,-25-,【例】110 kV线路，水

13、泥杆，铁横担，每串绝缘子为7个X-4.5，其正冲击50%放电电压为U50%=100+84.5m，其中m为每串绝缘子个数。求线路的直击雷耐雷水平。,直击雷的耐雷水平很低，故采用避雷线来大大减少雷直击于导线的情况是很重要的措施。,耐雷水平,3. 输电线路的直击雷过电压,无避雷线时直击雷过电压 雷击导线的过电压及耐雷水平,-26-,3. 输电线路的直击雷过电压,闪络判据,1绝缘子串两端电压曲线 2绝缘子串伏秒特性曲线 Uf闪络时绝缘子的电压 U50%绝缘子串的50%放电电压,-27-,式中Rch：杆塔的冲击电阻，； Lgt：极塔的等值电感，H。,3. 输电线路的直击雷过电压,无避雷线时直击雷过电压

14、雷击塔顶的过电压及耐雷水平 当雷击线路杆塔顶端时，雷电流I将流经杆塔及其接地电阻Rch流入大地。设杆塔的电感为Lgt ，雷电流为斜角平顶波，且工程计算取波头为2.6s，则 = I / 2.6。根据右图的等值电路可求出塔顶电位为：,-28-,无避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶的过电压及耐雷水平 当雷击塔顶(如绝缘子未闪络，则情况与前述感应雷过电压一样)时，导线上的感应过电压为： 感应过电压的极性与塔顶电位的极性相反(假定为负极性雷，则塔顶电位为负，感应过电压为正)，因此，作用于绝缘子串上的电压为：,3. 输电线路的直击雷过电压,-29-,无避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶的过电压及耐雷水平,线路的耐

15、雷水平：,因在负极性雷电的情况下，塔顶电位为负，绝缘子串挂导线端电位为正，故上述公式中的50%冲击电压应为绝缘子串正极性放电电压，它要比U50% 绝缘子串负极性放电电压低一些。,3. 输电线路的直击雷过电压,-30-,3. 输电线路的直击雷过电压,杆塔模型 集中电感（杆塔高度小于30米） 单波阻抗（杆塔高度大于30米，小于60米） 多波阻抗（杆塔高度大于60米）,-31-,中性点直接接地系统,中性点非直接接地系统,3. 输电线路的直击雷过电压,无避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶的过电压及耐雷水平 雷击塔顶造成绝缘子闪络,工频电流很小,-32-,无避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶的过电压及耐雷水平

16、雷击塔顶造成绝缘子闪络的两种情况,第一相对第二相反击的情况,雷击塔顶，第一相绝缘闪络后，可以认为该相导线具有塔顶的电位。由于第一相导线与第二相导线的耦合作用，使两相导线电压差为：,式中Kc 为两相导线间的耦合系数。当大于或等于绝缘子串U50% 冲击放电电压时，第二相导线也发生反击，形成两相短路，有可能引起跳闸，由此得出线路耐雷水平为：,3. 输电线路的直击雷过电压,-33-,220kV酒杯型铁塔,3. 输电线路的直击雷过电压,-34-,3. 输电线路的直击雷过电压,-35-,500kV酒杯型铁塔,3. 输电线路的直击雷过电压,-36-,3. 输电线路的直击雷过电压,平原地区500kV线路不同接

17、地电阻和工作电压下的反击跳闸率,-37-,750kV酒杯型铁塔,3. 输电线路的直击雷过电压,-38-,3. 输电线路的直击雷过电压,平原地区750kV线路不同接地电阻和工作电压下的反击跳闸率,-39-,1000kV酒杯型铁塔,3. 输电线路的直击雷过电压,-40-,3. 输电线路的直击雷过电压,平原地区1000kV线路不同接地电阻和工作电压下的反击跳闸率,-41-,3. 输电线路的直击雷过电压,-42-,3. 输电线路的直击雷过电压,-43-,3. 输电线路的直击雷过电压,有避雷线时直击雷过电压 绕击 雷击塔顶 雷击档距中央 雷绕过避雷线击于导线的过电压及耐雷水平 绕击率 雷绕过避雷线击于导

18、线的次数与雷击线路总次数之比称为绕击率pa 假设一条输电线路长度为 l00 km，穿过 40 个雷电日地区，它所受到的雷击次数为N，那么雷绕击于线路的次数N1为：,-44-,有避雷线时直击雷过电压 雷绕过避雷线击于导线的过电压及耐雷水平 影响绕击率的因素 避雷器外侧导线的保护角 杆塔高度h 地形条件 耐雷水平,对平原线路,对山区线路,3. 输电线路的直击雷过电压,故线路的耐雷水平为：,绕击时的过电压为：,-45-,3. 输电线路的直击雷过电压,平原地区500kV线路不同保护角和工作电压下的绕击跳闸率,-46-,3. 输电线路的直击雷过电压,平原地区750kV线路不同保护角和工作电压下的绕击跳闸

19、率,-47-,3. 输电线路的直击雷过电压,平原地区1000kV线路不同保护角和工作电压下的绕击跳闸率,-48-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型EGM-电气几何模型 击距的概念 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。先达到哪个物体的击距以内，即向该物体放电 击距的大小与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，所以认为击距是雷电流的函数。,k , p是两个常数，不同的研究者给出的数值差别较大。通常使用 k = 6.72 , p = 0.8,-49-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型EGM-电气几何模型 入射角 假定

20、先导接近地面时的入射角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。具体分布函数根据现场经验确定。 地面倾角 分析时取档距内导线、地线的对地平均高度 风速,-50-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型EGM,hs,ha,s,a,rg1,rs1,ra1,rg2,rg3,rs2,rs3,ra2,ra3,-51-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型EGM,雷电绕击导线的概率随雷电流幅值增大而降低,-52-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型EGM,雷电绕击导线的概率随避雷线保护角减小而降低,-53-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型EGM,雷电绕击线路电气几何

21、模型,绕击线路等值电路,-54-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法） 小雷电流雷击放电物理过程与放电路径的观测研究表明模拟试验中的长空气间隙放电与小雷电流雷击放电的最后阶段具有相似性 两者击穿均由先导流注系完成,击中点的确定与迎面放电(迎面先导流注系或迎面流注)的发展密切相关,长空气间隙放电中迎面放电的相对尺寸与小雷电流雷击最后阶段的迎面放电相对尺寸接近,两者在地面附近的放电物理过程与放电形态相似。 绕击可以通过下行先导和上行先导之间的相对位置以及竞争关系来确定雷击点的位置,-55-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法） 下行先导:三个阶段-触发先导、自由

22、先导和约束先导 触发先导阶段 先导距离雷云较近而离地很远,先导的发展主要受雷云电场和先导头部空间电场的影响； 自由先导阶段 随着先导的向下发展,离雷云和地面均较远,其发展由头部空间电荷决定,具有相当的任意性; 约束先导 当先导向地面逼近,地面目的物的迎面放电与下行雷先导间形成贯穿型流注后,下行先导的发展才开始受到约束。,-56-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法） 下行先导:三个阶段-触发先导、自由先导和约束先导 从目的物发生迎面放电起,自由先导便或多或少受到地面物体和迎面先导的影响,这时自由先导沿最大场强方向发展,逐渐受到约束而开始具有方向性。 开始产生上行迎面放电时下行

23、先导的位置为下行先导的第一定位点,当上下行先导前方流注贯穿剩余间隙而达到最后跃变阶段时,称下行先导达到跃变点。 下行先导到达第一定位点时,选择击中点的过程才开始。 雷击击中点的确定取决于下行先导和上行先导的相对传播和最后跃变过程,最先与下行先导达到最后跃变条件的上行先导将成为击中点。成为击中点的物体也可能不产生上行先导,只要下行先导与该物体间的平均场强超过临界击穿值, 就会雷击该物体。,-57-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法）,-58-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法）,-59-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法） 迎面先导起始

24、判据 F. A. M. Rizk通过实验于1989年提出一个关于棒板间隙和线板间隙的先导起始判据，对于导线其先导起始电位可由下式决定：,其中Uic为下行先导作用下导线上的感应电压( kV)，h为导线高度(m)，r为导线半径(m)。由于实验中采用临界波头时间的操作波，实验所用线形物曲率半径均小于临界电晕半径，因此Rizk判据成立的隐含条件为线形物曲率半径要小于临界电晕半径。,-60-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法） 迎面先导起始判据 现有的得到广泛应用的导线电晕起始条件主要有Peek判据：,其中：m为导线表面粗糙系数取1.0；r为子导线半径(m)；为相对空气密度取1.0。

25、,-61-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法）,-62-,3. 输电线路的直击雷过电压,绕击模型CSM（先导法）,-63-,杆塔的分流系数,3. 输电线路的直击雷过电压,有避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平 雷击塔顶时，雷电流大部分经过被击杆塔入地(杆塔阻抗较小)，小部分电流则经过避雷线由相邻杆塔入地。,-64-,有避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平 杆塔的分流系数 塔顶电位,3. 输电线路的直击雷过电压,-65-,g与雷电流陡度无关，而随时间变化。为了便于计算，工程上t值取 0 2.6 s的平均值，因此有：,3. 输电线路的直击雷过电压,有

26、避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平 杆塔的分流系数计算,-66-,有避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平 杆塔的分流系数计算 绝缘子串上的电压,分流系数g,如不计耦合系数,计及耦合系数,3. 输电线路的直击雷过电压,-67-,有避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平 雷击塔顶时的耐雷水平 影响因素 杆塔冲击接地电阻 杆塔分流系数 导线与避雷线耦合系数Kc 杆塔等值电感 绝缘子串冲击放电电压U50%,3. 输电线路的直击雷过电压,-68-,3. 输电线路的直击雷过电压,有避雷线时直击雷过电压 雷击塔顶时的过电压及耐雷水平 提高耐雷水平的方法： 降低接地电

27、阻Rch： 对于一般高度的杆塔，冲击接地电阻Rch上的电压降是塔顶电位的主要成分。 提高耦合系数Kc：常规的做法是，将单根避雷线改为双避雷线，甚至在导线下方增设耦合地线，其作用是增强导线、地线间的耦合作用。,-69-,有避雷线时直击雷过电压 雷击避雷线档距中央时的过电压 由于雷击点距杆塔有一段距离，由两侧接地杆塔处发生的负反射需要一段时间才能回到雷击点而使该点电位降低。在此期间，雷击点地线上会出现较高的电位。,3. 输电线路的直击雷过电压,-70-,有避雷线时直击雷过电压 雷击避雷线档距中央时的过电压 可用近似的集中参数的等值电路来分析。设档距避雷线电感为2Ls ，雷电流取斜角波，即 I =t

28、，则雷击点电位： 雷击点与导线空气间隙绝缘上所承受的电压Us为 耐雷水平,3. 输电线路的直击雷过电压,-71-,式中 s：导线与避雷线之间的距离，m； l： 档距，m。,只要满足上式要求，雷击档距中央避雷线时，导线与避雷线间一般不会发生闪络。所以，在计算雷击跳闸率时，不计及这种情况。,3. 输电线路的直击雷过电压,有避雷线时直击雷过电压 雷击避雷线档距中央时的过电压 事实上，我国规程规定，在档距中央，导线和避雷线之间的空气距离s按下式求得,-72-,3. 输电线路的直击雷过电压,小结 感应雷过电压： 无避雷线 有避雷线时 直击雷过电压： 无避雷线 雷击导线 雷击塔顶 有避雷线时 绕击 雷击塔顶 雷击避雷线档距中央,-73-,Ch.3 输电线路的防雷保护,1. 输电线路防雷的原则和措施 2. 线路感应雷过电压 3. 输电线路的直击雷过电压 4. 输电线路雷击跳闸率的计算,-74-,4. 输电线路雷击跳闸率的计算,线路可能受雷击的次数 线路受雷害面积 根据模拟试验和运行经验，一般将避雷线或导线对地面的遮蔽宽度取4hd+b，这样 l00 km 长的输电线路对地面的遮蔽面积，或受雷害面积为： 落雷次数 地面落雷密度为 0