电力系统雷电过电压防护综述1

雷电过电压研究及防护

摘要：雷电过电压对电力系统破坏是非常严重的，雷电放电的危害形式主要有直接雷击、感应雷击、雷电过电压侵入、反击。对于输电线路的防护我们通过安装避雷器、避雷线、降低接地电阻、架设耦合地线的方法降低雷击概率；对于变电站我们可以通过采取进线段保护和侵入波保护的方法减小雷击对电站带来的危害；目前一般采用电磁仿真软件ATP-EMTP和PSCAD/EMTDC对输电线路和变电站进行防雷性能的分析，并给出合理的建议。

关键词：雷电过电压；雷电保护；电磁仿真软件

0引言

雷电是大气中集声、光、电、热极为壮观的自然现象，它对人们的生活、生产有着重大影响作用。但是，在现代生活中，雷电也给人类各行各业带来巨大的危害。据美国的保守估计，主要由于雷电冲击导致计算机网络系统失效或损坏，平均每年约占全部故障的。据我国一些省市统计，因雷害作用，电子设备的直接损失约占雷电灾害总损失

的80%。输电线路的电压等级越高，遭受自

然雷害的几率也随着增加。

雷云放电一般经过三个过程先导放电阶段、主放电阶段、余光放电阶段。主放电阶段存在时间极短，电流极大，可达数十乃至数百千安，这个时间造成的危害是巨大的。雷电的危害一般分为直击雷和雷电感应。直击雷击中人体、建筑物、设备时，会产生巨大的光和热，强大的雷电流转变为热能。雷电流在闪击中直接进入金属管道或导线时，它们沿着金属管道或导线可以传送到很远的地方。除了沿管道或导线产生的电或热效应，破坏其机械和电气连接之外，当它侵入与此相连的金属设施或用电设备时，还会对金属设施或用电设备的机械结构产生破坏作用，并危及有关操作和使用人员的安全。直击雷或感应雷都可能使导线或金属管道产生过电压。这种过电压沿着导线或金属管道从远处雷区或防雷保护区域之外传来，侵入建筑物内部或设备内部，而使建筑物结构、设备部件损坏或人员的伤亡。同时，当雷电击中到建筑物时，雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也会使接地引下线和接地装置的电位骤升到上百千伏，有可能会将工作接地引入反击电流，造成人身和设备雷击事故。

因此，如何切实有效地制定及改善输电线路和变电站的防雷措施，已经成为确保电力系统安全、可靠、稳定运行的重要工作之一。本文分别从输电线路防雷和变电站防雷的方法进行了简单的介绍，希望对输电线路和变电站防雷设计提供参考。

1 输电线路的防雷措施

目前在防雷工作方面，人们主要是通过架设避雷器、架设避雷线、降低杆塔接地电阻，提高绝缘水平、安装一系列的其他保护装置以及选择适合中线点的接地运行方式等。

1.1 安装避雷器

输电线路是通过采用架设避雷器的办法，可以在当雷电击中线路时将一部分雷电电流通过雷电杆塔将其引入大地，从而达到对输电线路保护的效果。而且如果线路中有较大的雷电电流流过时，通过采用架设避雷器的办法，还可以达到对雷电电流进行分流的效果，大量的雷电电流被引入到地下。考虑经济因素的影响，在确保一定耐雷水平的前提下，往往没有必要在所有相都安装避雷器，

对于文献[1]中根据220KV同塔双回路的建模

分析得出，考虑单相、两相、三相和四相的耐雷水平，两相安装时均应选取在中层安装这种形式。

1.2 降低接地电阻

对于不同的电压等级，输电线路杆塔的接地电阻大小都有严格规定。在高电阻率地区，我们还需要通过接地电阻降阻剂、爆破接地技术、多支外引式接地装置、伸长水平接地体的方法来降低接地电阻；通过降低接地电阻可以提高线路耐雷水平、降低雷击跳

闸率。目前的大部分文章都忽略土壤电参数随频率变化的规律，假定土壤电阻率和相对

介电常数保持不变。在文献[2]中计及土壤电

导率和相对介电常数的真实变化，会使计算

得到的冲击接地电阻值降低到10%到30%。

1.3 架设避雷线

架空送电线着雷时，可能打在导线上，也可能打在杆塔上。雷击导线时，在导线上将产生远高于线路额定电压的所谓“过电压”，有时达几百万伏。它超过线路绝缘子串的抗电强度时，绝缘子将会出现闪络，这时往往会引起线路的跳闸，甚至造成停电事故，避雷线可以遮住导线，使雷尽置落在避雷线本身上，并通过杆塔上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电电流流入大地。雷击杆塔或避雷线时，在杆塔和导线间的电压超过绝缘子串的抗电强度时，绝缘子串也将闪络，而造成雷击事故。

1.4 架设耦合地线

配电线路防雷主要针对感应雷过电压，而架设耦合地线不仅能适当分流直击线路时的雷电流，还能耦合感应雷电流，明显降低线路上的感应雷过电压，提高配电网的防雷能力。对于配电线路中常见的单回三角排列线路，架设单耦合地线可降低线路上的感

应雷过电压20%～30%，架设双耦合地线时可降低线路上的感应雷过电压30%～40%。对于220KV同塔双回输电线路耦合地线的

最佳架设位置为下层横担与塔身交点处。

1.5 加强线路绝缘

输电线路中个别大跨越的高杆塔地段（如跨越大江）落雷机会增多；塔高等值电感大，塔顶电位高；感应过电压高和绕击率高等因素增大了线路雷击跳闸率。为了降低跳闸率，可采用在特高杆塔上增加绝缘子片

数（塔高超过40 m)、增大跨越档导线与地

线间的距离和改用大爬距悬式绝缘子等措施加强线路绝缘。1.6 采用不平衡绝缘方式

不平衡绝缘方式主要用于现代高压和超高压线路中日益增多的双回线路，此类线路如果采用通常的防雷措施不能满足要求，则可以采用不平衡绝缘方式来降低双回路雷击同时跳闸率。原则就是使两个回路的绝缘子片数有差异，当有雷击时，绝缘子片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平使之不发生闪络，以保证另一回路继续供电。但是当雷电流很大时，该方法仍不能完全保证两回路不同时跳闸，不能消除两回路同时跳闸造成停电的故障。

2 变电站防雷

变电站遭受的雷击主要有两个方面：一是雷直击在变电站的电气设备上；二是架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。变电站按照绝

缘方式分为三种：敞开式（AIS）、SF6绝缘式（GIS）和混合绝缘式（HGIS）。GIS变电站具有占地面积小、运行可靠性高、不收环境干扰等优点，500KV的变电站一般广泛采用GIS绝缘方式，三者的保护方法基本一

致。

2.1 变电站的直击雷防护

对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。避雷针（线）比被保护物高，能将雷电从被保护物上方吸引到自身并安全泄入

大地，从而保护设备；35KV及以下配电装

置的绝缘较弱，所以其构架或房顶上不宜装设避雷针，需要架设独立避雷针，并满足不反击的要求。及以上配电装置，由于电气设备的绝缘水平较高，在土壤电阻率不高的地区不易发生反击，因此一般允许将避雷针装设在配电装置的构架上；为了防止当雷击避雷针或避雷线时，对被保护

设备的反击。对于110～500 k V变电站，