现代防雷技术PPT课件第四章 送电线路防雷保护

线路雷害事故的形成通常要经历下述阶段：在雷电过电压作用下，线 路绝缘发生闪络，然后从冲击闪络转化为稳定的工频电弧，引起线路跳 闸，如果在跳闸后线路不能迅速恢复绝缘，则发生停电事故。因此，提 高输电线路的防雷性能，首要措施是防止线路闪络。雷击线路但不致引 起绝缘闪络的最大雷电流峰值（kA）称为线路的耐雷水平。从直击雷和 感应雷过电压的形成机理看，它们所对应的耐雷水平是不相同的。
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雷击杆塔顶部瞬间，如图4－3所示，负极性雷电流一部分沿杆塔向下传播， 还有一部分沿避雷线向两侧传播；同时，自塔顶有一正极性雷电流沿主放电 通道向上运动，其数值等于三个负雷电流数值之和。线路绝缘上的过电压即 由这几个电流波引起。由雷电主放电通道中正电流波的运动在导线上所产生 的感应过电压已在前面进行了分析，这里主要分析流经杆塔和地线中的电流 所引起的过电压。
表4－3 一般长度档距的线路杆塔分流系数β
线路额定电压（kV） 110
避雷线根数
1 2
β值
0.90 0.86
220
1
0.92
2
0.88
330
2
0.88
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塔顶电位utd为
u t d R ch ig t L gd td gi tt (R cih L L gd td L)it
以代入，
铁塔 门型铁塔
杆塔电感（μH/m）
0.84 0.42 0.42 0.50 0.40
考虑到雷击点的阻抗较小，故在计算中可忽略主放电通道波阻抗的影响。由 于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流 i gt 将小于雷电流 i L ， igt iL ，其 中为杆塔的分流系数。的值可由图4－4所示的等值电路求出。对于不同电 压等级一般长度档距的杆塔，值可由表4－3查得。
如果导线上方挂有避雷线，其影响相当于增大了导线的对地电容，导线上的
感应过电压将会下降。避雷线的屏蔽作用可用叠加法求得。设导线和避雷线
的对地平均高度分别为hd和hb，若设避雷线不接地，则由式（4－1）可以求
得20导21/6线/10上和避雷线上的感应过电压Ugd和Ugb分别为
5
Ugd
25IL hd S
20的21/6无/10避雷线的线路，导线上感应的过电压的最大值可按下式计算： 6
Ugd ahd
（4－3）
其中，a为感应过电压系数（kV/m），其值近似等于以kA/μs计的雷电流平
均波前陡度，即a≈IL/2.6。
有避雷线时，导线上的感应过电压相应为
Ug' dahd(1k)
（4－4）
其中，k为耦合系数。 第二节 输电线路的直击雷过电压
当雷击线路附近的大地时，由于电磁感应，在导线上将产生感应过电压。感 应过电压的形成如图4－1所示，设雷云带负电荷。在主放电开始之前，雷云 中的负电荷沿先导通道向地面运动，线路处于雷云和先导通道形成的电场中。
由于静电感应，导线轴向上的电场强度Ex将正电荷吸引到最靠近先导通道的 一段导线上，成为束缚电荷。导线上的负电荷则受Ex的作用向导线两端运动， 经线路的泄漏电导和系统的中性点而流入大地。由于先导发展的速度很慢，
和
故 Ugb
25IL
hb S
U gb
hb hd
U gd
但实际上避雷线是通过杆塔接地的，其电位为零。为满足这一条件，可 以设想在避雷线上还存在一个电位-Ugb。该电位将在导线上产生耦合电 位k（-Ugb ），其中k为避雷线与导线间的耦合系数。耦合电位与导线 的雷电感应过电压相叠加后，导线上实际的感应过电压U’gd为
第四章、送电线路防雷保护
雷击是影响电网安全稳定运行的重要因素之一。长期以来雷击引起的输电 线路跳闸事件频繁发生，对电网安全稳定运行构成了极大的威胁。据电网故障 分类统计表明，在我国跳闸率较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中，由 雷击引起的次数占40％～70％，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地 区，雷击输电线路引起的事故率更高；每一次雷击闪络，不仅使系统出现一次 强的扰动，还可能造成设备损坏、线路停运，甚至出现电网大面积停电事故， 对社会造成巨大的经济损失。近年来我国雷电活动加剧，电网新增速度加快， 线路随电压等级不断增高，由于雷击造成的电网事故及损失也逐年呈上升趋势。 加强输电线路的雷电防护，对于维护电网的安全稳定运行有着重要的意义。
U 'g dU g dkg U bU g(d 1 kh h d b) U g(d 1 k)
（4－2）
从上式可以看出，避雷线的存在使导线上的感应雷过电压下降了（1-k）
倍。耦合系数越大，感应过电压越低。
4.1.2雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压
式（4－1）和（4－2）只适用于S＞65m的情况，更近的落雷事实上 将因线路的引雷作用而击中线路（避雷线或导线）或杆塔。雷击线路 杆塔时，由于主放电通道所产生的磁场的迅速变化，将在导线上感应 出与雷电流极性相反的过电压，其计算问题至今尚有争论，不同方法 的计算结果相差很大，也缺乏实践数据。对一般高度（约40m以下）
di L I L
dt
2.6
则塔顶电位的幅值为
（4－5）
Utd IL(Rch2 L.g 6t)
（4－6）
（2）导线电位
与塔顶相连的避雷线具有与塔顶相等的电位utd（幅值为Utd）。由于避雷
线与导线之间的耦合作用，在导线上将产生耦合电位kutd，此电位与雷电
流同极性。此外，发生主放电时，根据式（4－4），导线上存在感应电位
ahd（1﹣k），该电位与雷电流极性相反。因此，导线上总的电位的幅值
Ud为
U dktU dad(h 1k)
（4－7）
（3）线路上绝缘子串两端电压
由式（4－7）可得线路上绝缘子串两端电压的幅值Uj为
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U j U t d U d ( 1 k ) U t d a d ( 1 h k ) ( 1 k ) U t( d a d )h （4－8）
将式（4－6）及
a
IL 2 .6
代入式（4－8），得
U j IL ( 1 k )( R ch
L g t h d) 2 .6 2 .6
（4－9）
雷击时，导线和地线上的电位较高，将出现冲击电晕，耦合系数k应采用修正 后的数值。
需要指出的是，上述计算所得的绝缘子串两端电压并未考虑导线上的工作电 压。对于220kV及以下线路，工作电压值所占比例不大，可以忽略不计；但对 超高压线路而言，则不可忽略，雷击时导线上的工作电压的瞬时值应作为一 随机变量加以考虑。
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z0
zb
zb
z gt
图4－3 雷击塔顶时雷电流的分布
2Lb
iL
ib 2 ch
ib Lb
iL
L gt
i gt
R ch
图4－4 雷击塔顶的等值电路
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表4－2 杆塔的等值电感的平均值
杆塔型式
无拉线水泥单杆 有拉线水泥单杆 无拉线水泥双杆
（2）雷击避雷线档距中央时的过电压
雷击避雷线档距中央时，虽然也会在雷击点产生很高的过电压，但由于避雷
线的半径较小，会在避雷线上产生强烈的电晕；又由于雷击点离杆塔较远，
当过电压波传播到杆塔时，已不足以使绝缘子串击穿，因此通常只需考虑雷
击点避雷线对导线的反击问题。
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i
Zb
2 A
2静021电/6/1分0 量。
3
同时，主放电通道中的雷电流在通道周围空间产生了强大的磁场，该磁场的 变化也将使导线上感应出很高的电压。这种由于主放电通道中雷电流所产生
的磁场变化而引起的感应电压称为感应过电压的电磁分量。由于主放电通道
与导线互相垂直，因此电磁分量不大，约为静电分量的1/5。从图4－1可以看 出，感应过电压的极性与雷电流极性相反。
我们以中性点直接接地系统中有避雷线的线路为例进行分析，其它线路的分 析原则
相同。如图4－2所示，雷直击于带避雷线的线路有三种情况，即雷击杆塔顶 部，雷击避雷线档距中央和雷击导线（即绕击）。
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雷击避雷线 雷击杆塔
绕击导线
图4－2 带避雷线线路遭受雷直击的三种情况
4.2.1反击过电压 雷击线路杆塔顶部时，由于塔顶电位与导线电位相差很大，可能引起绝缘子
导致导线上束缚电荷的聚集过程也比较缓慢，因而导线上由此而形成的电流
很小，可以忽略不计，在不考虑工频电压的情况下，导线将通过系统的中性
点或泄漏电阻保持零电位。主放电开始后，先导通道中的负电荷被迅速中和，
使导线上的束缚电荷得到释放，沿导线向两侧运动形成过电压。这种由于先
导通道中电荷所产生的静电场突然消失而引起的感应电压称为感应过电压的
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Ug
25IL hd S
(kV )
（4－1）
其中，IL为雷电流幅值（kA），hd为导线高度（m），S为雷击点离导线的距
离（m）。
由上式可知，感应过电压与雷电流峰值IL成正比，与导线平均高度hd成正比， hd越大则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就越高；感应过电压与雷 击点到线路的距离S成反比，S增大时，感应过电压就减小。
202有1/6威/10 胁。直击雷过电压又分为反击和绕击两种。反击是雷击线路杆塔或2
实际运行经验表明，不同电压等级输电线路雷击跳闸的主要原因不同。 110kV线路主要是反击；220kV和330kV线路，绕击和反击都是主要原因； 500kV及以上超、特高压线路，绕击占绝大多数。
第一节 输电线路的感应雷过电压 4.1.1雷击线路附近大地时，线路上的感应过电压
（1）塔顶电位
对于一般高度（约40m以下）的杆塔，工程上常采用如图4－4所示的集中参 数等值电路进行分析计算。图中，Lgt和Lb分别为杆塔和避雷线的等值电感， Rch为杆塔的冲击接地电阻。单根避雷线的等值电感约为0.67lH（为避雷线 档距长度，m），双根避雷线约为0.42lH。不同类型的杆塔的等值电感可由 表4－2估算。
雷云
雷云
E
导线 hd
Ex
x
S
(a) 主 放 电 前 hd 导线高度 S
导线 hd
x
S
(b) 主放电后
雷击点与导线间的距离
图4－1 感应雷过电压形成示意图
根据理论分析和实测结果，我国的技术规程建议，当雷击点离导线的距离
超过65m时，导线上的感应雷过电压最大值Ug可按下式计算
长的架空输电线路在一年中往往要遭到数十次雷击，因而线路的雷击事故 在电力系统总的雷电事故中占有很大的比重。据统计，因雷击线路造成的跳闸 事故占电网总事故的60%以上。输电线路防雷保护的目的就是尽可能减少线路 雷害事故的次数和损失。
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输电线路上出现的雷电过电压主要有两种，即为直击雷过电压和感应 雷过电压。前者由雷击于线路引起，后者由雷击线路附近地面、由于静 电感应和电磁感应引起。
Z0
Zb
S
A uA
i
Z0
Zb 2
l
图4－5 雷击避雷线挡距中央
图4－6 彼得逊等值电路
雷击避雷线档距中央如图4－5所示，图中Z0和Zb分别为主放电通道和避雷 线的波阻抗。由于雷击点离杆塔较远，过电压波到达两侧杆塔入地，再反射 到达雷击点的时间较长，因此在反射波到达前，雷击点电压可用彼得逊等值 电路计算。
串的闪络，即发生反击。运行经验表明，在线路落雷总次数中，雷击杆塔的 次数与避雷线的根数和经过地区的地形有关。雷击杆塔次数与雷击线路总次 数的比值称为击杆率。我国技术规程建议的击杆率g如表4－1所示。
表4－1 击 杆 率 g
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避雷线根数 地形
平
原
山
区
0
1
2
1/2
1/4
1/6
1
1/3
由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大，雷电流峰值一般不超过100kA。 因此在式（4－1）中可按IL≤l00 kA进行估算。实测证明，感应过电压峰值最 大可达的300400kV。对35 kV及以下钢筋混凝土杆线路，可能造成绝缘闪络； 但对于110 kV及以上线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络。感应过 电压在三相导线中同时存在，相间不存在电位差，故只能引起对地闪络；如 果两相或三相同时对地闪络，则形成相间短路。
造成输电线路雷击故障的原因是：雷击时在输电线路上形成的雷电过 电压超过线路绝缘的耐受水平，使线路绝缘遭到破坏并发生闪络，从而 导致系统跳闸或设备损坏。根据过电压形成的物理过程，雷电过电压可 以分为直击雷过电压（雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过 电压）和感应雷过电压（雷击线路附近大地由于电磁感应在导线上产生 的过电压）。运行经验表明，直击雷过电压是造成110kV及以上电压等 级输电线路雷击跳闸的主要原因，而感应过电压仅对35kV及以下的线路