第八章电力系统防雷保护

第八章电力系统雷电防护本章分析输电线路、发电厂和变电所以及旋转电机的防雷保护原理及措施。

§8-1 输电线路的防雷保护输电线路分布面积广,易受雷击,所以雷击是引起线路跳闸的主要起因。

同时,雷击以后雷电波将沿输电线侵入变电所,给电力设备带来危害, 因此对线路防雷保护应予以充分重视和研究。

根据过电压的形成过程,一般将线路发生的雷击过电压分为两种,一种是雷击线路附近地面, 由于电磁感应所引起的,称为感应雷过电压。

另一种是雷击于线路引起的称为直击雷过电压。

运行经验表明,直击雷过电压对高压电力系统的危害更为严重。

输电线路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果在工程计算中用耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。

耐雷水平是指雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值。

线路的耐雷水平较高,就是防雷性能较好。

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个雷暴日和100km的线路长度。

应该指出,由于雷电放电的复杂性,通过工程分析得到的计算结果可以作为衡量线路防雷性能的相对指标,而运行经验的积累和实施对策的分析则应是十分重视的。

输电线路防雷一般采取下列措施 :1 .防止雷直击导线沿线架设避雷线,有时还要装避雷针与其配合。

在某些情况下可改用电缆线路,使输电线路免受直接雷击。

2 .防止雷击塔顶或避雷线后绝缘闪络输电线路的闪络是指雷击塔顶或避雷线时,使塔顶电位升高。

为此,降低杆塔的接地电阻,增大耦合系数,适当加强线路绝缘,在个别杆塔上采用线路型避雷器等,是提高线路耐雷水平,减少绝缘闪络的有效措施。

3 .防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧当绝缘子串发生闪络后,应尽量使它不转化为稳定的工频电弧,不建立这一电弧,则线路就不会跳闸。

适当增加绝缘子片数,减少绝缘子串上工频电场强度,电网中采用不接地或经消弧线圈接地方式,防止建立稳定的工频电弧。

4 .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。

上述四条原则,也称为线路防雷的四道防线,应用时必须根据具体情况实施。

例如线路的电压等级,供电的重要程度,当地的雷电活动强弱, 已有的线路运行经验等,进行技术与经济比较,最后做出因地制宜的保护措施。

下面将介绍输电线路可能出现的过电压,并对输电线路进行耐雷性能分析计算。

一、输电线路的感应雷过电压当雷击线路附近大地或击于塔顶但未发生反击时,由于电磁感应,输电线路上会产生感应雷过电压。

以下将分析感应雷过电压的产生以及避雷线对感应雷过电压的屏蔽作用。

1 .感应雷过电压的产生在雷云接近输电线路上空时,线路正处于雷击与先导通道和地面构成的电场中。

由于静电感应,在导线表面电场强度E的切向分量Ex的驱动下,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排列成束缚电荷,而导线中负电荷则被排斥到导线两侧远方或结中性点逸入大地,或经中性点绝缘的线路泄漏而逸入大地,如图8-1(a)所示。

由于先导放电的发展速度远小于主放电的速度,上述电荷在导线中的移动较慢,由此引起的电流较小,相应的电压波可忽略不计,可见先导放电阶段,导线仍保持着原有电位。

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,由雷击所造成的静电场突然消失,于是输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷,所形成的电压波迅速向线路两侧传播。

这种因先导通道中电荷突然中和而引起的感应过电压称为感应雷击过电压的静电分量,如图8-1(b)所示。

图 8-1 感应雷过电压形成示意图a 先导放电阶段b 主放电阶段当发生主放电时,伴随着雷电流冲击波,在放电通道周围空间产生强大的脉冲磁场,它的磁通若有与导线相交链的情况,就会在导线中感应出一定的电压, 称为感应雷击过电压的电磁分量。

由于主放电通道与导线基本上是互相垂直的,所以电磁分量较小,通常只要考虑其静电分量。

2 .无避雷线时的感应雷过电压根据理论分析与实测结果,有关规程建议,当雷击点与电力线路之间的水平距d>65 m时,导线上的感应雷过电压的最大值为I100kA≤ (8-1)式中,I为雷电流幅值(kA);hc为导线对地的平均高度(m);d为雷击点与线路之间的水平距离(m) 。

在用式(8-1)时,注意到雷击地面被击点的自接地电阻较大这一特点,所以最大雷电流幅≤进行估算。

实测表明:感应雷过电压幅值一般不超过300～400kV,这可值可采用I100kA能使35 k V 及以下水泥杆线路出现闪络事故。

而对110kV 及以上绝缘水平较高的线路,一般不会构成威胁。

感应雷过电压的极性与雷云的极性相反,而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,只存在引起对地闪络的可能,而如果两相或三相同时对地闪络,就会转化为相间闪络事故。

在d<50m 以内的雷将被线路吸引而击中线路本身。

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,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。

()c i c U ah = （8-2）式中,a 为感应过电压系数,单位kV/m,在数值上等于雷电流的时间陡度平均值,即a ≈I/2.6 (时间陡度单位为kV/μs) 。

3 .有避雷线时的感应雷过电压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, 因而导线上感应的束缚电荷减少,相应的感应电压也减少。

若设避雷线与导线一样未接地,其感应雷击过电压分别为()i g U , ()i c U ,但实际上避雷线是通过每杆塔接地的,其电位为零。

这可以设想为在避雷线上又叠加了一个“()i g U -”的感应电,它将在导线上产生一个耦合电压“()0i g k U -”,这时导线上的实际感应雷过电压应为()()()()001g i c i c i g i c c h U U k U U k h ⎛⎫'=-=- ⎪⎝⎭ （8-3） 式中, k 0为避雷线与导线间的几何耦合系数。

可以看出,由于避雷线的屏蔽作用,导线上的感应雷击电压有所降低,降低的数值与k 0值有关,线间距离越近,k 0值愈大,感应过电压值愈低。

当计及电晕影响后,k 0应按k=k 0k 1修正。

耦合系数的电晕校正系数 k 1 线路电压等级/kV20～35 66～110 154～330 500 双避雷线单避雷线1.1 1.2 1.25 1.28 1.15 1.25 1.3 ～二、输电线路直击雷过电压现讨论输电线路的直击雷过电压,以中性点直接接地系统中有避雷线的线路为例进行分析,介绍避雷线对线路防直击雷的作用。

其它线路的分析原则与上相同。

雷直击于有避雷线线路的情况可分为三种,即雷击杆塔塔顶,雷击避雷线挡距中间和雷绕过避雷线击于导线—称为“绕击”,如图8-2 所示。

图 8 -2 雷击有避雷线线路的几种情况1 .雷击杆塔塔顶时的过电压和耐雷水平当雷击杆塔塔顶时,雷电流大部分流经被击杆塔及其接地电阻流入大地,小部分电流则经过避雷线由两相邻杆塔入地。

从雷击线路接地部分(避雷线、杆塔等)而引起绝缘子串闪络的角度来看,这是最严重的情况,产生的雷电过电压最高。

雷击杆塔示意图及等值电路如图8 -3所示。

(a) (b)图8-3 雷击杆塔示意图和等效电路由于一般杆塔不高,其接地电阻R i 较小,因而从接地点反射回来的电流波立即到达塔而 使入射电流加倍,因而注入线路的总电流即为雷电流i,而不是沿雷电通道波阻抗传播的入射电流2i 。

因为避雷线有分流作用,所以流经杆塔的电流i t 将小于雷电流i,有t i i β= (8-4)式中,β称为杆塔分流系数,β值在0.86～0.92 的范围内,各种不同情况下的β值可由表8-1 查得 。

表 8-1 一般长度挡距的线路杆塔分流系数β值线路额定电压/kV 避雷线根数β 110 220 330 500121222 0.90 0.86 0.92 0.88 0.88 0.88 在工程计算中设雷电流为斜角平顶波,取波前时间T 1 =2.6μs ,则a =I/2.6,将杆塔总电感和避雷线以集中参数电感L t 和 L g 来代替, R i 为杆塔冲击接地电阻,塔顶电位u top 可由下式计算t top i t ti t di di u R i L R L dt dt β⎛⎫=+=+ ⎪⎝⎭ (8-5) 以 di dt 2.6I I T == 代入式(8-5),则塔顶电位幅值top U 为 ()2.6t top i L U I R β=+ (8-6) 无避雷线时, 1,()2.6t top i L U I R β==+ (8-7) 比较式(8-6 )与式(8-7)可知,由于避雷线的分流作用,降低了雷击塔顶时塔顶的电位。

当塔顶电位为top u 时,则与塔顶相连的避雷线上也将有相同的电位top u 。

由于避雷线与导线间的耦合作用,导线上将产生耦合电压k top u （k 为考虑电晕影响的耦合系数）。

此外, 由于雷电流通道电磁场的作用,在导线上尚有感应过电压(1)g c c h ah kh -。

前者与雷电流同极性,后者与雷电流反极性,所以导线电位的幅值C U 为 (1)(1)g C top c top c c h U kU ah kkU ah k h =--≈-- （8-8）式中, g c h h ≈。

因此,线路绝缘子串上两端电压1i u 为塔顶电位和导线电位之差,1i u 可写为1(1)()(1)i top c top top c top c u u u u ku ah k u ah k =-=-+-=+-以式(8-6)及 2.6I a =代入得1()(1)2.6 2.6t c i i L h U I R k ββ=++- （8-9） 几点说明:在计算线路绝缘子串两端电压1i u 时,为简化计,假定各电压分量的幅值均在同一时刻出现;没有计入系统工作电压;绝缘上端电压用塔顶电位代表,忽略塔顶与横担间的电位差异;将top u 电压波沿避雷线传播而在导线上产生的耦合电压波的耦合作用系数与避雷线对top u 电压波的屏蔽作用而在导线上产生的感应雷过电压波的耦合作用系数视为同一k 值处理。

当1i u 大于绝缘子串50 %冲击放电电压U50 % 时,绝缘子串将发生闪络,与这一临界条件相对应的雷电流幅值I 显然就是这条线路雷击杆塔时的耐雷水平i I ,即50%(1)()2.6 2.6i i c i U I L h k R β=⎡⎤-++⎢⎥⎣⎦ ( 8-10 )无避雷线时的耐雷水平i I '为50%2.6 2.6i i c i U I L h R '=++ ( 8 -1 1 ) 比较式(8-10)与式(8-11)可知,有避雷线的线路耐雷水平有所提高。