高电压技术 第九章 第十章 输电线路及变电所的防雷保护

高电压技术 第九章 第十章 输电线路及变电所的防雷保护

一、输电线路耐雷性能的若干指标 二、输电线路的感应雷过电压 三、输电线路直击雷过电压 Ø输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施效果在工程上用耐雷水 平和雷击跳闸率来衡量 每100km线路的年落雷次数N [次/(100km.年)] γ为地面落雷密度； b 为两根避雷线之间的距离； h 为避雷线的平均对地高度； Td 为雷暴日数 一、输电线路耐雷性能的若干指标 （1）耐雷水平 耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的 最大雷电流幅值，单位为kA。 我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值见下表： （2）雷击跳闸率 雷击跳闸率是指折算为统一条件（规定每年40个雷电日 和100km的线路长度）下，因雷击而引起的线路跳闸的 次数。单位为“次/(100km·40雷暴日)”。 由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率(η ),它 与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压梯度有关。可由 下式求得 线路雷害事故发展过程及防护措施 只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现， 就可避免雷击引起长时间停电事故。 Ø输电线路防雷措施 v防止雷直击导线 v防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘闪络 v防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧 v防止线路中断供电 雷击输电线路过电压分类： 感应雷过电压、直击雷过电压 （1） 感应雷过电压的产生（静电感应和电磁感应） 二、输电线路的感应雷过电压 （2） 无避雷线时的感应雷过电压 Ø规程建议：当雷击点与电力线路之间的水平距离d>65m 时，导线上的感应雷过电压的最大值为 v雷击点接地电阻较大，最大雷电流幅值可采用I<100kA 进行估算 v感应雷过电压极性与雷云的极性相反 v相邻导线同时产生相同极性的感应雷过电压，因此相间 不存在电位差，只存在对地闪络的可能，但如果两相或 三相同时对地闪络，就会转化为相间闪络事故 Ø在d<50m以内雷将被线路吸引而击中线路本身 d hIu c i  75 Ø当雷直击于导线以外的任何位置而不产生反击时，由于 空中电磁场的变化，将会在导线上产生很高的感应雷过 电压。研究指出：它与导线的平均高度成正比 Ø当无避雷线时，对一般高度的线路可用下式计算感应雷 过电压最大值： a为感应过电压系数（kV/m），数值上等于雷电流的 时间陡度平均值，即a＝I/2.6（kV/μs） cci hau )( （3） 有避雷线时的感应雷过电压 Ø 当导线上方挂有接地的避雷线时，由于先导电荷产生 的电力线有一部分被避雷线截住，即避雷线的屏蔽作 用，因而导线上的感应束缚电荷减少，相应的感应电 压也减少。 Ø 导线上的实际感应雷过电压为 )1( 0)()(0)( ' )( c g cigicici h h kuukuu  三、输电线路直击雷过电压 击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。 Ø无避雷线时，雷击线路的部位有两个，雷击导线和 雷击塔顶。 Ø有避雷线时，雷击线路的部位有三个，雷绕击导线， 雷击塔顶，雷击档距中央的避雷线（不引起跳闸）。 （1） 雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平-反击 • 绝缘子串上受到的雷电过电压包括了四个分量： 1) 杆塔电流it在横担以下的塔身电感La和杆塔冲击接 地电阻Ri上造成压降，使横担具有一定的对地电位 ua。 2) 塔顶电压utop沿着避雷线传播而在导线上感应出来 的电压u1。 3) 雷击塔顶而在导线上产生的感应雷过电压。 4) 线路本身的工频工作电压u2。 Ø 塔顶电位幅值 Ø 导线电位幅值 Ø 线路绝缘子串上两端电压 ) 6.2 ( t itop LRIu   )1( c g ctopc h h khauku  )1)( 6.26.2 ( khLRIu ct iLi   感应雷过电压 避雷线在导线上 感应电压 耐雷水平:当作用在绝缘子串上的电压Uj等于线路绝缘子串的50%冲击闪络电 压U50%时，绝缘子发生闪络，与这一临界条件相对应的雷电流幅值I显然就 是这条线路的耐雷水平I1，可见 有避雷线 无避雷线 v 工程实用中往往以降低Ri和提高k值作为提高输电线路耐雷水平 的主要途径 ] 6.2 ) 6.2 ()[1( %50 1 ct i hLRk uI    6.26.2 %50' 1 ct i hLR uI   2. 雷击避雷线档距中央时的过电压 流入雷击点的雷电流波为 雷击点的电压 取雷电流为斜角波头：iL=at 雷击处避雷线与导线间的空气间隙上所承受的最大电压 0 2/1 Z Z ii b L Z   b b L b ZA ZZ ZZiZiu   0 0 22 )1( 2 )1( 0 0 k ZZ ZZ v lakUU b b b AS    雷击避雷线档距中央时的过电压及其空气间隙： 电力系统的运行经验表明：档距中央和避雷线之间的 空气距离满足下式时，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。所以计算雷击跳闸率时不计这 种情况。 1012.0  ls 3. 雷绕过避雷线击于导线时的过电压-绕击 尽管线路全线安装了避雷线，并使三相导线都处于它的 保护范围之内，仍然存在雷闪绕过避雷线而直接击中导 线的可能，发生这种绕击的概率称为绕击率Pα 。 流经雷击点的雷电流波为 导线上电压为 幅值 绕击时耐雷水平 0 2/1 Z Z ii d L Z   d d L d Zd ZZ ZZiZiu   0 0 22 d d Ld ZZ ZZIU   0 0 2 d d ZZ ZZUI 0 0 %502 2   雷闪绕过避雷线直接击中导线的概率，称为绕击 率Pα。 Pα之值与避雷线对边相导线的保护角α、 杆塔高度ht及线路通过地区的地形、地貌等因素 有关。 平原线路 山区线路 有避雷线线路雷击跳闸率的计算 （1）雷击杆塔时的跳闸率（反击率） （2）绕击跳闸率（绕击率） （3）线路的雷击跳闸率 1 11 )4(28.0 ;6.0 Pghb Pghn b b     2 22 )4(28.0 ;6.0 PPhb PPhn b b       )()4(28.0 );(6.0 21 2121 PPPghb PPPghnnn b b       P1雷电流超过反击耐压水平的概率 P2雷电流超过绕击耐压水平的概率 1. 架设避雷线 2. 降低杆塔接地电阻 3. 架设耦合地线 4. 采用不平衡绝缘的方式 5. 自动重合闸 6. 采用消弧线圈接地方式 7. 架设线路避雷器 8. 加强绝缘 线路的雷害事故往往只导致电网工况的短时恶化；变电 所的雷害事故就要严重得多，往往导致大面积停电。变 电设备的内绝缘水平往往低于线路绝缘，而且不具有自 恢复功能，一旦发生击穿，后果十分严重。变电所的防 雷保护与输电线路相比，要求更严格、措施更严密、可 靠。 变电所中出现的雷电过电压的两个来源： Ø 雷电直击变电所； Ø 沿输电线入侵的雷电过电压波。 一、 发电厂、变电所的直击雷保护 二、 发电厂、变电所的雷电侵入波保护 一、 发电厂、变电所的直击雷保护 发电厂、变电所必须装设避 雷针或避雷线对直击雷进行 保护。按安装方式的不同， 避雷针分为独立避雷针和构 架避雷针两类。注意对绝缘 水平不高的35kV以下的配电 装置，构架避雷针容易导致 绝缘闪络(反击)。 变电所的直击雷防护设计内容主要是 选择避雷针的支数、高度、装设位置、 验算它们的保护范围、应有的接地电 阻、防雷接地装置设计等。对于独立 避雷针，则还有一个验算它对相邻配 电装置构架及其接地装置的空气间距 及地下距离的问题。 为了防止避雷针对构架发生反击， 其空气间距S1应满足下式要求： 为了防止避雷针接地装置与 变电所接地网之间因土壤击 穿而连在一起，地下距离S2 亦应满足下式要求 独立避雷针应有的空气间隙 E1、E2为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤 平均冲击击穿场强。 用下面两个公式校核独立避雷针的空气间距和 地中距离： 二、 发电厂、变电所的雷电侵入波保护 装设避雷器是变电所对入侵雷电过电压波进行防护的主要措施， 它的保护作用主要是限制过电压波的幅值。但是还需要有“进 线段保护”与之配合。 避雷器的保护作用基于三个前提： Ø它的伏秒特性与被保护绝缘的伏秒特性有良好的配合 Ø它的伏安特性应保证其残压低于被保护绝缘的冲击电气强度 Ø被保护绝缘必须处于该避雷器的保护距离之内。 （1）避雷器与被保护设备连接一点 )( bb ifU  bb iZUU 12  （2）避雷器与被保护设备不在一点 1( )u t T at  但是在变电所中不可能也没有 必要在每个设备旁都装一组避雷器， 一般只在变电所母线上安装避雷器， 它除保护变压器外，还要对其他设 备提供保护。 这样，避雷器与各个电气设备 之间就不可避免地要有一定距离的 电气引线。在这种情况下，当阀式 避雷器动作时，由于波的折射与反 射，会使作用于被保护设备上的电 压高于避雷器的冲击放电电压或残 压，影响了避雷器的保护效果。 被保护绝缘与避雷器间的电气距离越大、进波陡 度a越大，电压差值 也就越大。U 2 2( ) ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 2 U u t T u tb b a t T T a t Tb b laT a v            绝缘冲击耐压水平应满足： 阀式避雷器的保护距离： 避雷器具体安装点选择原则：“确保重点、兼 顾一般”。在诸多的变电设备中，需要确保的 重点无疑是主变压器，应尽可能把阀式避雷器 装得离主变压器近一些。 （3）变电所的进线段保护 保证在靠近变电所的一段不长(一般为l～2km)的线 路上不出现绕击或反击。对于那些未沿全线架设避 雷线的35kV及以下的线路来说，首先在靠近变电所 (l ～ 2km)的线段上加装避雷线，使之成为进线段； 对于全线有避雷线的110kV及以上的线路，将靠近变 电所的一段长2km的线路划为进线段。在进线段上, 加强防雷措施、提高耐雷水平。 进线段的作用： Ø 雷电过电压波在流过进线段时因冲击电晕而发生衰减和变 形，降低了波前陡度和幅值； Ø 限制流过避雷器的冲击电流幅值