高电压技术12、输电线路防雷技术

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避雷线 杆 塔 闪络后相导线也可分流
雷击塔顶的过电压分析
波头部分
i gt = β i L 分流系数, β − 分流系数,雷电流经避 雷线分流
塔顶电位
di L u td = R ch i gt + L gt ) = β(i L R ch + L gt dt dt = β i L ( R ch + L gt / 2.6) di gt
一、输电线路的感应过电压
1、雷击线路附近大地时 静电感应 电磁感应
感应过电压-静电感应分量
在雷电放电的先导阶段(假设为负先导),线路处于雷 在雷电放电的先导阶段(假设为负先导),线路处于雷 ), 云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应, 云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应, 最靠近先导通道的一段导线上感应形成束缚电荷 主放电开始以后, 主放电开始以后, 先导通道中的负电荷自下而上被迅速 中和。相应电场迅速减弱, 中和 。 相应电场迅速减弱, 使导线上的正束缚电荷迅速 释放, 释放,形成电压波向两侧传播 由于主放电的平均速度很快, 由于主放电的平均速度很快 , 导线上的束缚电荷的释放 过程也很快, 幅值可能很高。 过程也很快,所以形成的电压波u=iZ幅值可能很高。这 种过电压就是感应过电压的静电分量
此时雷电流 iL=αt =αL/Vb =α 间隙S承受的最大电压: 间隙S承受的最大电压:
U s = U A − kU A = α L Z0Zb (1 − K ) ν b 2Z 0 + Z b
感应过电压与下列因素有关: 感应过电压与下列因素有关: ①雷电波陡度;②档距长度;③耦合系数. 雷电波陡度; 档距长度; 耦合系数. S最短间隙距离从Us的50%击穿电压得到。 最短间隙距离从Us 50%击穿电压得到。 Us的
雷击塔顶时迅速向上发展的主放电引起周围空 间电磁场的突然变化, 间电磁场的突然变化,会在导线上感应出与雷 电流极性相反的电压, 电流极性相反的电压,以静电感应分量为主 无避雷线时: 无避雷线时
U gd = ah d
其中 α =
dI L I = L kA / µs 感应过电压系数 dt 2 .6 数值为雷电流的平均值
hd U g = 25I L S
导线越高,感应过电压越高。 导线越高,感应过电压越高。
一般Ug 500kV, 110kV线路上不引起闪络 一般Ug « 500kV,在110kV线路上不引起闪络。 线路上不引起闪络。
避雷线对感应过电压的屏蔽作用
1)避雷线不接地时: )避雷线不接地时:
U gb
hb = 25I L S
U 50% = 750SkV
(1 − k )α Z 0 Z s S≥ 750vs 2Z 0 + Z s
我国规程
S ≥ 0.012l + 1
2、当雷电波头长度小于档距时
τ f < 2 × 0.5L / v s
负反射波尚未返回雷 击点时, 击点时,雷电流已过峰 值,A点最高电位由雷 电流峰值确定 一般罕见雷击档距中央
导线电位
u d = U 1 + U 2 = ku td − αh d (1 − k )
3、绝缘子串上作用的过电压
绝缘子串的作用电压: 绝缘子串的作用电压 Uj=塔顶电位 td – 导线电位 d 塔顶电位U 导线电位U 塔顶电位 = Utd – KUtd + αhd(1-k) =(Utd +αhd) (1-K) =[βIL(Rch+Lgt/2.6) + IL hd /2.6](1-K) =IL[β(Rch+Lgt/2.6) + hd /2.6](1-K)
输电线路防雷技术
雷击输电线路的方式
大气过电压: 大气过电压: 直击雷过电压:① 、②、 ③ 直击雷过电压: 感应雷过电压:④、②、① 感应雷过电压: 其中④只对35KV以下线路有 其中④只对35KV以下线路有 危害 大气过电压带来的后果: 大气过电压带来的后果: 发生短路接地故障 雷电波侵入变电所, 雷电波侵入变电所,破坏设 备绝缘, 备绝缘,造成停电事故 衡量线路防雷性能的优劣: 衡量线路防雷性能的优劣: 耐雷水平: 耐雷水平:线路遭受雷击 所能耐受不至于引起闪络 的最大雷电流( ) 的最大雷电流(kA) 雷击跳闸率:每100km 雷击跳闸率: 线路每年因雷击引起的跳 闸次数
η = (4.5E 0.75 − 14) × 10 −2
与弧道中的平均电场强度有关, 与弧道中的平均电场强度有关,与闪络瞬间工频电压的瞬时值和 游离条件有关 绝缘子串的电压梯度: 绝缘子串的电压梯度:
E= Ue 中性点直接接地系统 3L j U e 为线路额定电压 KV , L j 为绝缘子串闪络电压 E= Ue 2L j 中性点非接地系统 当单相闪络时,线路不 会跳闸,只有第二相导 线再闪络时 当单相闪络时, 会跳闸, 造成相间闪络而跳闸, 造成相间闪络而跳闸, 此时 U e 为线电压, L j 为相间绝缘长度 为线电压,
最高塔顶电位
L R ch + gt u td = β I L τf
杆塔的分流
β=
Rch τ f 1+ + ⋅ Lb Lb 2 Lgt 1
110kV: 0.9(1S), 0.86(2S) 220kV: 0.92(1S), 0.88(2S) 500kV: 0.88(2S)
U gd ' = U gd − kU gb hb = (1 − k )U gd hd = (1 − k )U gd
即避雷线的屏蔽效应使导线上 的感应电荷减少, 的感应电荷减少,感应电压降 低了( - ) 低了(1-K)倍
2、雷击塔顶时的感应过电压(S<65m) 雷击塔顶时的感应过电压(S<65m)
100km年的雷击次数(40个雷电日 100km年的雷击次数(40个雷电日): 个雷电日): 年的雷击次数
绕击率: 绕击率: 平原线路: 平原线路:
lg Pα =
α h
86
− 3.9
山区线路: 山区线路: α h lg Pα = − 3.35 86
四、输电线路的雷击跳闸率
建弧率: 当雷电流超过线路耐雷水平时,线路绝缘发生闪络, 当雷电流超过线路耐雷水平时,线路绝缘发生闪络,雷电流经闪络 通道入地,时间在几十微秒,线路开关来不及动作. 通道入地,时间在几十微秒,线路开关来不及动作.只有当沿闪络通道流 过的工频短路电流的电弧持续燃烧时,线路才会跳闸停电. 过的工频短路电流的电弧持续燃烧时,线路才会跳闸停电. 建弧率 ̶ 冲击闪络转为工频电弧的概率: 冲击闪络转为工频电弧的概率:
感应过电压-电磁感应分量
在主放电过程中, 在主放电过程中,伴随 着雷电流冲击波, 着雷电流冲击波,在放 电通道周围空间出现甚 强的脉冲磁场, 强的脉冲磁场,其中一 部分磁力线穿过导线- 部分磁力线穿过导线- 大地回路, 大地回路,产生感应电 势,这种过电压为感应 过电压的电磁分量
感应过电压计算
无避雷线时感应过电压为
4、线路绝缘子耐雷水平
当作用在线路绝缘子上的电压U 绝缘子串冲击闪络电压U 当作用在线路绝缘子上的电压Uj>绝缘子串冲击闪络电压Uj50% 绝缘子将发生闪络,由于塔顶电位高于导线电位, 绝缘子将发生闪络,由于塔顶电位高于导线电位,闪络将从杆塔向 导线发展,故称为反击。 反击 导线发展,故称为反击。 耐雷水平: 耐雷水平: 雷击杆塔时绝缘子串上承受最大雷电冲击电压所对应的雷电流: 雷击杆塔时绝缘子串上承受最大雷电冲击电压所对应的雷电流:
有避雷线时, 有避雷线时,导线上的感应过电压
U gd ' = (1 − k )U gd = (1 − k )αh d
由于屏蔽效应,感应电压降低了( - ) 由于屏蔽效应,感应电压降低了(1-K)倍
二、输电线路直击雷过电压和耐雷水平 雷击杆塔塔顶: 1、雷击杆塔塔顶:
反击
雷击塔顶时雷电流可通过下列途径的分流: 雷击塔顶时雷电流可通过下列途径的分流:
U gd
hd hd = 25I L = U gb S hb
2)避雷线接地时: )避雷线接地时: 实际上,避雷线与大地连接保持地电位,电位为0, 实际上,避雷线与大地连接保持地电位,电位为 ,可 以假设为避雷线上再叠加了-U 以假设为避雷线上再叠加了 gb的感应电压 -Ugb在导线上耦合电压为-KUgb 导线上的实际感应电压
Zd/2
彼得逊法则
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
绕击耐雷水平
绕击耐雷水平
U 50% I2 = 100
绕击线路的耐雷水平很低
500kV线路 500kV线路27.4kA,220kV-12kA,110kV-7kA 线路27.4kA,220kV-12kA,110kV110kV以上线路要求全线架避雷线 110kV以上线路要求全线架避雷线
输电线路的雷击事故
在我国跳闸率比较高的地区的高压线路由雷击引起的次数约 40~70% 尤其是在多雷、土壤电阻率高、 占40~70%,尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地 区,雷击事故率更高 在日本50%以上电力系统事故是由于雷击输电线路引起的, 在日本50%以上电力系统事故是由于雷击输电线路引起的, 雷击经常引起双回同时停电,20-30% 雷击经常引起双回同时停电,20-30%的输电线路故障发生 在双回输电线路 美国、 前苏联等十二个国家的电压为275 - 500kV 总长为 美国 、 前苏联等十二个国家的电压为 275- 500 kV总长为 32700km输电线路连续三年的运行资料中指出 32700km输电线路连续三年的运行资料中指出,雷害事故占 输电线路连续三年的运行资料中指出, 总事故的60% 总事故的60%
U j50% I1 = L gt h (1 − k )[β( R ch + )+ d ] 2.6 2.6
U j50% I1 = L gt h (1 − k )[β( R ch + )+ d ] 2.6 2.6
反击耐雷水平与导线-地线间的耦合系数 , 反击耐雷水平与导线-地线间的耦合系数k,杆塔分流系 数β,杆塔冲击接地电阻 ,杆塔冲击接地电阻Rch,杆塔等值电感 ,杆塔等值电感Lgt以及绝缘 以及绝缘 子串的50%放电电压U % 子串的 %放电电压 j50%等因素有关 还必须考虑工频电压的作用以及触发相位 距离远,耦合系数小, 距离远,耦合系数小,一般以外侧或下方导线计算 通常以降低Rch,提高 为提高反击耐雷水平的主要手段 通常以降低 ,提高k为提高反击耐雷水平的主要手段 提高耦合系数K的方法: 提高耦合系数K的方法: 1)将单避雷线改成双避雷线 1)将单避雷线改成双避雷线 2)在导线下放增设架空地线(耦合地线),也起到分流作用 2)在导线下放增设架空地线 耦合地线),也起到分流作用 在导线下放增设架空地线(
反击耐雷水平
35kV: 20-30kA 110kV: 40-75kA 220kV: 75-110kA 330kV: 100-150kA 500kV: 125-175kA
二、雷击避雷线档距中央
A 避雷线雷击点A的电压: 避雷线雷击点A的电压: Z0
iL 2 Z0 2
ig
Zb Z0Zb UA = ig = iL 2 2Z 0 + Z b
三、雷击导线-绕击时的过电压 雷击导线-
绕击过电压: 绕击过电压:
Z0 Zd uA = iL 2Z 0 + Z d
幅值为: u A = I L 幅值为:
Z0 Zd 2Z 0 + Z d
设Z0≈Zd/2, 取Zd=400Ω, 则 UA≈100IL =400Ω ≈100I
A Z0
2 iL Z0 2
id
Zb/2
彼得逊法则
1、当雷电波头长度大于档距时 2 × 0.5l / v s < τ f
避雷线雷击点A的电压: 避雷线雷击点A的电压:
Zb Z0Zb = iL 2 2Z 0 + Z b 雷击点最高点电位出现在从杆塔反射回来 的负电压波到达时刻: 的负电压波到达时刻: UA = ig
Zb/2 A Z0
2、雷击杆塔时导线的电位
避雷线耦合到导线上的电位: 避雷线耦合到导线上的电位:u1=kutd
(避雷线与塔顶电位相同 避雷线与塔顶电位相同) 避雷线与塔顶电位相同
雷击塔顶时雷电先导在导线上的的感应电位: 雷击塔顶时雷电先导在导线上的的感应电位: U2=-αhd(1-k)
U2为负的理由:雷电先导在导线上产生感应过电压的极性(感应 为负的理由:雷电先导在导线上产生感应过电压的极性( 出正电荷) 出正电荷)与流入杆塔中的电流极性相反
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