雷电感应过电压的计算
输电线路防雷保护
三、输电线路的防雷措施 1、3~10kV线路防雷保护 不架设避雷线，可利用水泥杆的自然接地，为提高供电可 靠性可投入自动重合闸。在雷电特别强烈地区可因地制宜 采用高一电压等级的绝缘子，或顶相用针式两边改用两片 悬式绝缘子，也用采用瓷横担，以提高线路的绝缘水平。 对特殊用户应用用环形供电或不同杆双回路供电，必要时 改为电缆供电。
二、不对称短路引起的工频电压升高 对于中性点不接地系统，当单相接地时， 对于中性点不接地系统，当单相接地时，健全相的 工频电压升高约为线电压的1.1 1.1倍 因此， 工频电压升高约为线电压的1.1倍，因此，在选择避 雷器时，灭弧电压取110%的线电压，称为110% 110%的线电压 110%避雷 雷器时，灭弧电压取110%的线电压，称为110%避雷 器 对中性点经消弧线圈接地系统在过补偿时， 对中性点经消弧线圈接地系统在过补偿时，单相接 地时健全相上电压接近线电压， 地时健全相上电压接近线电压，因此在选择避雷器 灭弧电压时， 100%的线电压 称为100% 的线电压， 100%避雷器 灭弧电压时，取100%的线电压，称为100%避雷器 对中性点直接接地系统单相故障接地时， 对中性点直接接地系统单相故障接地时，健全相电 压约为0.8倍线电压， 0.8倍线电压 压约为0.8倍线电压，对于该系统避雷器的最大灭弧 电压取为最大线电压的80% 称为80% 80%， 80%避雷器 电压取为最大线电压的80%，称为80%避雷器
3、变压器中性点保护 三相同时进波时，中性点不接地的变压器中性点电位可 能达到绕组端电压的2倍，所以中性点需保护。 110kV及上变压器中性点加装Y1W或Y1.5W系列的氧化 锌避雷器保护中性点绝缘。 4、配变变压器的防雷保护 三点共同接地：避雷器的接地引下线、配变外壳、低 压绕组的中性点连接在一起。 逆变换，解决方法：低压侧某一相装设一只避雷器
雷击中杆塔塔顶引起的雷过电压例题
雷击中杆塔塔顶引起的雷过电压例题【主题】雷击中杆塔塔顶引起的雷过电压例题【引言】雷电对电力系统运行安全和电器设备的正常工作造成了巨大的威胁。
在电力系统中，高耸的杆塔是雷击的主要目标之一。
当雷电击中杆塔塔顶时，会产生雷过电压，进而对电力设备和系统造成严重的影响。
本文将以给出的雷击中杆塔塔顶引起的雷过电压例题为基础，深入探讨雷过电压的形成机理和防护措施。
【正文】1、雷过电压的形成机理雷电击中杆塔塔顶后，会产生一股巨大的电流。
根据法拉第电磁感应定律，通过这一电流在杆塔附近的地面和线路上都会产生一定的电压。
这种电压被称为雷过电压，是由于雷电击中和通过电流引起的感应电压。
雷过电压的大小与雷电的能量、触击位置以及杆塔结构等因素有关。
2、雷击中杆塔塔顶引起的雷过电压例题以一个具体的例子来说明，一座高压输电线路的杆塔被雷电击中，雷电电流为10kA，击中位置距地面高度为60米。
根据经验公式，此时雷过电压可以计算如下：U雷= K × I × d其中，U雷为雷过电压，K为干扰距离系数，I为雷电电流，d为击中地点距离杆塔塔顶的垂直距离。
根据实测数据，K的典型取值范围为0.2-0.4。
在此例题中，取K=0.3进行计算。
则雷过电压为：U雷= 0.3 × 10 × 60 = 180kV在这个例子中，雷电击中杆塔塔顶后产生的雷过电压高达180kV，远远超过了正常运行电压的数倍，给电力设备带来了严重的威胁。
3、雷过电压的防护措施为了保护电力设备的安全运行，减轻雷电对电力系统的影响，科学合理的防护措施不可或缺。
（1）杆塔避雷器：安装杆塔避雷器是防止雷电击中杆塔塔顶的有效措施。
杆塔避雷器通过引导雷电电荷分布和抑制雷电电势，能将雷电引向大地，有效减轻雷过电压的产生。
（2）全线避雷器：全线避雷器是指将特制的避雷器安装在输电线路上每个杆塔上。
这样一来，就可以在雷击时使得电流分布到每个杆塔上，减小每个杆塔所承受的雷电电流，从而减小雷过电压的产生。
10 kV配电线路防雷分析计算
10 kV配电线路防雷分析计算作者：刘波崔朋来源：《硅谷》2014年第22期摘要本文针对以裸导线为主的10 kV配电线路进行实际运行情况研究，分析了雷电对配电线路的危害。
对常规的避雷器、降低接地电阻等防雷措施进行分析，由分析结果提出防雷措施的适用场合。
关键词 10 kV配电线路;防雷;分析中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0106-0110 kV配电线路能够可靠运行且安全供电，对人员安全和企业正常用电均具有重要意义[1]。
因此，为了降低雷电导致的跳闸，需要不断提高10 kV配电线路的防雷水平。
配电线路的安全可靠性、稳定运行、跳闸率的降低均与雷击损坏率密切相关[2]。
为了增强配电线路的防雷水平，应充分考虑线路的运行方式和重要程度，以及所在区域雷电环境、地形地貌的接地电阻等条件，结合以往的当地防雷操作经验积累，进行技术、经济、可操作性等多方面的比较，经充分比较分析后，确定合理有效、现有条件便于操作的保护措施[3]。
1 配电线路防雷水平性能指标用来表征配电线路的防雷能力的两个重要指标时防雷水平和跳闸率。
当雷击配电线路时，线路的防雷水平是此时绝缘子不发生闪络的最大电流值，当雷击线路产生的电流低于最大电流值时，不会产生闪络，否则必然会导致闪络。
雷击的跳闸率是指折算到40个雷雨天气下每100 km的配电线路在一年内由雷击导致的跳闸次数，跳闸率是表征防雷能力的综合指标。
因此，高的防雷水平和低的雷击跳闸率表征配电线路具有良好的防雷能力。
在考虑提高线路的防雷能力措施时，雷击的跳闸率是否能够得到降低是衡量防雷措施设计工作的重要指标。
2 雷击跳闸的条件当雷击配电线路时，线路上的雷击电流值超过最大电流值将导致闪络现象的发生。
闪络具有瞬态特性，持续冲击的时间很短，如果仅仅是闪络的出现一般不会导致跳闸事故的发生。
能引起配电线路跳闸的原因是由于雷击过电压产生的电弧引起的。
一般来说，10 kV配电线路不具备很高的绝缘条件，雷击会不可避免的引起线路对地的闪络，因此配电线路在雷击情况下跳闸必须要满足一下两个条件：第一个是雷击时引起冲击闪络，但是电压超过绝缘子产生的闪络是瞬态的，是微秒级的冲击，在这么短的时间段内，不会引起配电线路的跳闸事故;第二个是闪络转换为工频短路电流电弧，由于电弧持续时间较长，并且相较于闪络冲击更稳定，是导致配电线路跳闸的主要原因。
220kv输电线路防雷研究
220KV输电线路防雷研究1绪论雷电在自然生活中常有发生，不管是下雨天还是晴朗的天空，都会发生雷击现象，这是一种很简单的自然现象。
雷击放电电压一般会非常巨大，达到数百万伏特的电压以及数十万安培的电流，因此，虽然雷击放电的时间非常非常短暂，仅约0.01秒，但雷电放电时它所放出的能量是相当惊人的。
雷电的危害主要有以下几方面：1、电流雷电放电时产生的冲击电压非常巨大，达到几万甚至几十万伏特，当这么大的瞬态雷击电压冲击电气设备时，会造成电气设备绝缘损坏甚至电气设备内部线路短路等现象，甚至由此引起电气设备发生爆炸。
2、电流产生的大量的热能，其发生热效应时放出的电流达几十甚至上千安培的电流，该热导致金属熔化，并造成危害事故。
3、雷电流机械效应[造成的危害很大，如果物体被雷击到会发色很难过分裂、坍塌、扭曲甚至爆炸等现象，从而造成大量的财产损失和人员伤亡。
4、雷电流会产生静电感应现象，会引起相邻导体产生与雷电流性质相反的电荷，当这些导体感应出电荷并当其来不及消散事，会产生高压放电现象，从而引起火灾。
5、雷击时将会产生电磁感应，在雷击点感应出超强的交变磁场，由交变磁场感生出的电流会导致某些电气设备过热从而损坏电气设备，并影响供电的稳定以及安全性。
1.1 输电线路防雷设计的重要意义传输线路在电力系统中占据着最重要的作用，它的最大也最突出的作用就是把发电厂发出的电能输送到各个地方，全国各地每个地方都需要用电，它把各个地区的变电站及各个地方所有用电用户联系起来。
输电线路的安全运行在电网中有着不可替代的重要作用，它能否安全运行直接影响着用电用户能否获得电能质量较高的用电以及电网能否稳定的运行。
如果要实现“强电强网”的需要，尽最大可能的满足社会生产和广大人民生活的需要，这是就要保证电力系统输电线路的稳定性及安全运行。
1.2 输电线路防雷设计方法的研究现状目前，输电线路雷电主要从以下几个方面的设计：1、架设避雷线;避雷线的架设在电力系统输电线路中最为常用，它是输电防雷的最主要手段，避雷线的架设最主要的作用就是为防止当发生雷击现象时输电线路遭受绕击影响，其他最用也有很多，如：（1）耦合作用（2）屏蔽作用（3）分流作用，2、降低杆塔接地电阻；1）降低杆塔的接地电阻有助于提高线路的耐雷水平，当输电线路遭到雷击时，随着接地电阻的较少，杆塔的电位也会随之减少，从而使得绝缘子两端的电压减少。
输电线路感应雷防护
2、电磁分量：雷电流在周围空间建立的强大磁场 的变化使导线上感应出的电压。
3、感应过电压的计算： （1）无避雷线时： 当雷击点离开线路的距离S>65m时，导线上感应 雷过电压最大值可按下式近似计算： U 25Ih S
g d
由于雷击点的自然接地电阻较大，最大雷电流幅值 一般不会超过100kA。 实测表明：感应雷过电压一般约为300～400kV， 不超过500kV。 这可能会对35kV 及以下水泥杆线路造成一定的闪 络事故，对110kV及以上的线路，由于绝缘的水平 较高，一般不会引起闪络事故。 （2）有避雷线时： 由于BLX的电磁屏蔽作用，会使导线上感应过电 压降低。
二、雷过电压类型及输电线路防雷原则 1、过电压类型：
（1）感应过电压：
雷击线路附近大地时，由于雷电通道周围空间 电磁场的急剧变化，在线路上产生的过电压。 它包括静电分量和电磁分量。
（2）直击过电压： 直击导线；雷击杆顶；雷击BLX档距中央
2、输电线路防雷原则：
(1) 防直击雷；(2) 防绝缘子串闪络； (3) 防止建立稳定的工频电弧； (4) 用重合闸防止供电中断。
单元二
输电线路防雷保护
项目一 输电线路的感应雷过电压
一、对输电线路进行防雷保护的原因
1、输电线路较长且地处野外，遭受雷击多。雷击 时很大的雷电流在导线上产生很高的冲击电压， 使导线对地发生闪络，而后工频电压沿闪络通道放 电，进而发展为工频电弧接地，引起保护跳闸，影 响供电。
2、雷过电压波沿线路传播侵入变电所，会危害变 电所设备的安全。
将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压
雷击杆塔时，感应过电压幅值按右式计算：Ug＝ahc 有BLX时，由于它的屏蔽作用，导线上感应Ug
500kV某变电站雷电侵入波过电压计算
第22卷第3期2021年3月电气技术Electrical EngineeringV ol.22 No.3Mar. 2021500kV某变电站雷电侵入波过电压计算周艳青谌阳（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663）摘要本文以某500kV变电站的电气主接线、设备参数、线路及构架模型等为计算输入，利用电磁暂态程序，对某500kV变电站的雷电侵入波过电压进行了仿真计算，给出了该变电站在工程本期典型运行方式下，变电站设备上雷电过电压的最大值。
根据雷电过电压计算结果，针对主变的最大雷电过电压值高于相应的雷电冲击耐受电压允许值，提出了改进措施，使得主变以及其他设备上的最大雷电过电压值均低于相应的雷电冲击耐受电压允许值，满足雷电防护要求。
关键词：500kV变电站；雷电侵入波；过电压；防雷保护Research on the lightning intruding surge protection for 500kV substationZHOU Yanqing CHEN Yang(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd, Guangzhou 510663)Abstract This paper takes the main electrical wiring, equipment parameters, transmission tower and gantry model of the 500kV substation as the calculation input, and uses the electromagnetic transient program to simulate the lightning intrusion wave overvoltage. The maximum lightning overvoltage on the substation equipment under the typical operation mode are calculated. Afterimprovement measures are proposed. The maximum lightning overvoltage value on the transformer and other equipment is lower than the allowable value, meets the requirements of lightning protection.Keywords：500kV substation; lightning intruding surge; overvoltage; lightning protection0引言500kV某变电站位于昌都县卡诺镇瓦约村，该站海拔高度为3 200m，年平均雷电日为51.3天。
500KV输变电工程设计中雷电过电压问题
国家电力公司武汉高压研究所武汉 430074 0 前言我国在500 kV输变电工程设计方面做了大量的研究工作，取得了很大的成绩，但也有不足。
本文着重就500 kV输变电工程设计中的雷电过电压方面的问题提出一些看法。
1 500 kV变电所雷电侵入波保护 1.1 雷击点我国规程规定只计算离变电所2 km以外的远区雷击［1］，不考虑2 km以内的近区雷击。
而实际上对变电所内设备造成威胁的主要是近区雷击。
2 km以外的雷击，雷电波在较长距离传送过程中的衰减和波头变缓，在站内设备上形成的侵入波过电压较低，以它为考察的主要对象不合适。
这可能是沿袭中压系统和高压系统作法，认为进线段有避雷线或加强绝缘，不会因反击或绕击而进波。
实际上，进线段和非进线段并无本质差异，完全可能受雷击而形成入侵波。
在美国、西欧和日本以及CIGRE工作组，均以近区雷击作入变电所侵入波的重点考察对象。
我们所进行大量500 kV变电所侵入波的研究，也均是以近区雷击为主要研究对象，同时也考虑远区雷击。
大量研究表明，近区雷击的侵入波过电压一般均高于远区雷击的侵入波过电压。
有人认为雷击#1塔会在变电所形成最严重的侵入波过电压，以此为近区雷击。
这种想法在某些情况下可能是正确的，但在我国，大多数情况下不合适。
大量研究表明，#１塔和变电所的终端门型构架(也称#0塔)距离一般较近，雷击#1塔塔顶时，经地线由#0塔返回的负反射波很快返回#1塔，降低了#1塔顶电位，使侵入波过电压减小。
而#2、#3塔离#0塔较远，受负反射波的影响较小，过电压较高。
所以仅计算雷击#1塔侵入波过电压不全面。
进线段各塔的塔型、高度、绝缘子串放电电压、杆塔接地电阻不同，也造成雷击进线段各塔时的侵入波过电压的差异。
根据经验，一般为雷击#2或#3塔时的过电压较高。
建议我国现有规程对原以考虑2 km 以外的雷击改为主要考虑2 km 以内雷击，或者兼顾近区和远区雷击，以近区雷击为主。
1.2 雷电侵入波计算方法过去受条件限制，主要依靠防雷分析仪来确定侵入波过电压。
雷电感应过电压的计算
雷电引起的感应过电压的计算1、雷击附近地面时引起地电位升高的计算当建筑物附近遭受直击雷，建筑物的接地体地电位会有所抬高，地电位升高 不仅可能对通信设备造成损害，而且可能造成人身伤亡，因此有必要确定地电位 升高并且采取一定的措施加以预防。
当需要确定雷击接地装置附近接地体地电位(5-5 )式中，UX 为所需计算点电压，正弦反函数以弧度计算，Ig 为经接地装置流 入地中的短路电流，P 为土壤电阻率，r e 为接地装置的计算半径，X 为接地装置 的边缘至计算点的距离土壤电阻率P =30Q • m 取接地电阻为 5Q,由P /2 n r=R ,计算等效半球接地电极的计算半径为:取Ig=30kA ，x=0，当雷击点距离建筑物顶接闪器时、则建筑物的地电位升高为:1 g p. 1 「c 30 X 30 U x = sin 一 = sin2 n c r c +x 3c c2 nnP2T R30 2 n 5=3 0.3183n升高时，可根据距离接地装置的远近分别按公式（5-5）计算。
如图5-2所示:接地极1 空=235.5kV 雷电犬线图5-2建筑物附近发生雷击1）、当雷击点距离建筑物10米时、建筑物接地体的地电位升高为:,,I g P . i r c 30 X30 . U x = sin — = sin 2n c 匚+x 2 冗-n i 0.31830.3183+10= 4.6256kV2当雷击点距离建筑物20米时、建筑物接地体的地电位升高为:1 g P . 1 匚30 X30U x = sin — = sin2 n c r c +x 3c c 2 nn0.31830.3183+20= 2.3488kV真空磁导率国际单位制（SI）中引入的一个有量纲的常量。
常用符号卩0表示，由公式定义，此式是真空中两根通过电流相等的无限长平行细导线之间相互作用力的公式，式中I是导线中的电流强度，a是平行导线的间距，F是长度为I的导线所受到的力，而称卩o为真空磁导率，其值为卩0 = 4 n x 10-7牛顿/安培；=4 n X 10-7韦伯/（安培•米）；=4 n X 10-7亨利/米；卩0中的4 n是为了使常用的电磁学公式的计算得到简化（所以SI制的电磁学部分叫做MKSA有理制），其中的则是为了使电流强度的单位安培（基本单位）接近于实际使用的大小。
输电线路的防雷设计计算
于 2 小时动作；当过载电流为 1.3Ir 时，1 小时内脱扣；当大于 2Ir 时，按
照上面的过载长延时特性数学表达式实时脱扣；当过载电流大于或等
于 15Ir 时会被短延时特性所覆盖，即短延时优先动作，15Ir 为过载长延
时保护范围的下限。
6 结束语
随着电力系统对继电保护的要求越来越高，断路器也向着计算机 化，网络化，智能化及数据通信一体化方向发展 。 关于智能断路器问题 的研究，取得了很多成果，但仍然存在一些不足，需要进一步完善和发 展。 科
对平原线路：1gpa=a 姨 h /86-3.9 对山区线路：1gpa=a 姨 h /86-3.35 发生绕击后线路上的过电压及耐雷水平可按无避雷线时雷击导 线时进行计算。 雷击塔顶时，雷电流大部分经过被击杆塔入地 ，小部分 电流则经过避雷线由相邻杆塔入地。 流经被击杆塔入 地 的 电 流 Igt 和 总电流 I 的关系可以用下式表示为 Ig t =βI，其中 β 杆塔的分流系数，它 小于 1。
图 1 雷电流波形图
但是，当雷电流超过线路的耐雷水平时，虽然会导致一次雷电闪 络，却并不一定意味着一次故障。 这时候，雷电流沿击穿通道入地，但 时间只有几十微秒，线路开关来不及动作。 只要在雷电过程迅速消逝 后，在闪络点不随之建立工频.电弧，就仍然可以照常供电。 只有当沿 击穿通道流过的工频短路电流的电弧持续燃烧，引起相间短路线路才 会跳闸停电。 雷电闪络后是否会使工频电流乘虚而入，这是一个机会 问题，通常用建弧率来表示。 它是一个随机变量，与单位长度的绝缘上 所实际作用的工频电压有关， 也就是同绝缘的工作电位梯度有关，这 个电位梯度越大，建弧的机会也越大。 因此，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， 因为如果工频电弧建立不了， 线路则不会跳闸。 由运行经验与试验数据得出，冲击闪络转化为稳定 工 频 电 弧 的 概 率 （建 弧 率 ）的 计 算 公 式 为 η=（4.5E0.75-14）%，其 中 η 为 建弧率；E 为绝缘子串的平均工作电压梯度，kVr.m.s/m。
配电线路感应雷过电压计算与防护的研究
配电线路感应雷过电压计算与防护的研究【摘要】经过研究发现，感应雷过电压是导致配电网10kV架空线路产生线路故障和绝缘子闪路的主要原因，故障率可以占到90%。
为了使配电线路的可靠性得到提升并使线路防雷设计有清晰的参考依据，本文对配电线路感应雷过电压计算和防护的研究很有必要。
【关键词】配电线路；感应雷过电压；防护措施1.雷电放电过程及雷电流1.1雷电流的物理过程在运动比较强烈的对流云中，当云体处在零摄氏度一下时，会出现冰晶和过冷水滴共存的现象，冰晶之中存在着大量的自由离子，有的带正电，有的带负电。
在温度升高之后，正负离子的浓度会不断加大，如果在冰晶的两端温差稳定，那么随着温度的升高，较冷的一端会出现多余的正电荷，较热的一端则会出现多余负电荷。
当冰晶发生破裂时，会造成一部分冰晶带正电，一部分带负电。
目前，广大的专家和学者认为温差起电机理是形成雷雨云起电的最主要因素。
当雷云聚集区形成的电场强度达到放电的临界点时，就会出现雷电放电现象，放电的种类分为雷云内部、雷云与大地、雷云和雷云以及雷云与空气。
一般情况下，雷电放电发生在云体的内部，不会威胁到电力系统。
但是当雷云对大地放电时，会引起电磁场机理的变化，进而对电力系统产生严重影响。
雷云和大地之间产生的雷电主要分为向下负雷电、向上正雷电、向下正雷电和向上负雷电四种。
1.2雷电流的数学模型1.2.1 Heidler模型i（0，t）=I0/η[kns/（1+kns）]exp（-t/τ2）式中I0为峰值电流，η为峰值，，ks=t/τ是电流陡度因子，一般情况下取n=10。
这是基于霍德勒模型（Heidlermodel）和传输线模型（TLmodel）提出的，适用于首次雷击（10/350μs）和后续雷击（0.25/100μs）。
这里Heidler函数的上升沿由kns/（1+kns）项决定，而指数项exp（-t/τ2）决定了其衰减部分。
1.2.2脉冲函数模型i（0，t）=I0/η[1-exp（-t/τ1）]nexp（-t/τ2），t≥0脉冲函数第一项为击穿电流，第二项是电晕电流。
线路直击雷过电压及耐雷水平资料
中央导、地线间的空气间距S，一般不会发生避雷 线 对导线的反击故障。
3、直击或绕击：
装设避雷线的线路，仍有雷绕过避雷线击于导线的 可能
发生绕击的概率称为绕击率Ka Ka与避雷线保护角α、杆塔高度h及线路通过地区 的地形地貌有关。 山区线路因地面附近电场受山坡地形影响，绕击率 约为平原线路的3倍。 虽然绕击率很小，但一旦发生绕击，产生的雷过电 压很高，即使是绝缘水平很高的超高压线路也往往 难免闪络。 (1) 雷击点电压幅值： 研究表明，雷电流通道具有分布参数特征，其波阻 抗用Z0表示。
令 U Lj U 50% ，即可求得 雷击塔顶反击时的耐雷水 平I1，即 影响I1的因素：
I1
U 50% Lt hc (1 k ) Ri T T 1 1
杆塔分流系数β，杆塔等值电感Lt，杆塔冲击接 地电阻Ri，耦合系数k和绝缘子串的U50%冲击放 电电压。
此即国标中用来估算绕击时过电压的近似公式
(2) 绕击时的耐雷水平： 令 U A U 50% ，可得绕击时的耐雷水平I2：I 2
U 50%
100
例如：采用13片XP-70型绝缘子的220kV线路绝缘子 串的U50%≈1200kV，可求得其I2＝12 kA ，大于I2的 雷电流出现概率P1≈73.1%。同理110、500kV线路 绕击时耐雷水平分别只有7、27.4kA，雷电流幅值超 过7、27.4kA的概率分别为83.3%、48.8%！
反击：本来是地（低）电位的物体，由于某种原因 导致其电位（绝对值）突然升高，当其与周围导体 的电压超过了该间隙的击穿电压或表面放电电压时 ，发生的击穿或闪络现象。
绝缘子串上 电压幅值为： (3) 耐雷水平：
U j
架空线路雷电感应电压的宏模型及跳闸率计算
架空线路雷电感应电压的宏模型及跳闸率计算刘欣;范紫微【摘要】架空配电线路绝缘水平低,极易遭受雷击产生雷电过电压,从而造成供电中断影响广大人民的生产和生活;对于10 kV架空配电线路,由雷击引起线路闪络或故障的主要因素是感应雷过电压,因此,对架空配电线路感应雷过电压的研究具有十分重要的意义.为了提高配电线路的安全可靠性并对线路防雷设计提供有价值的参考依据,基于Agrawal场线耦合模型建立了一种计算感应雷过电压峰值的宏模型,并与时域有限元方法进行了对比验证;结合电气几何模型及蒙德卡罗法对华北地区10 kV架空输电线路进行感应雷跳闸率计算.【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2019(046)002【总页数】7页(P69-75)【关键词】Agrawal场线耦合模型;蒙德卡罗法;感应雷跳闸率;电气几何模型【作者】刘欣;范紫微【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003【正文语种】中文【中图分类】TM7260 引言雷电造成架空配电线路故障是影响配电网安全可靠供电的主要原因之一。
架空配电线路架设高度低，绝缘相对薄弱，与雷电相关的故障多是由雷击附近大地或建筑物产生的感应雷过电压造成的，占雷击故障概率的90%以上[1,2]。
因此提出一种简单准确的感应雷过电压计算方法，对完善架空配电线路雷电防护和提高配电网的耐雷水平具有重要意义。
目前，计算雷电感应过电压的方法主要分为公式法和数值计算法两种[3]。
公式法是根据实际运行数据或理论分析得到的公式计算雷电感应过电压峰值，主要有规程法[4]和Rusck公式[5]，虽然过程简单，但计算结果不够准确以及适用范围有限；数值计算方法主要有时域有限元方法(FETD)[6，7]和时域有限差分法(FDTD)[8，9]等，但是这两种方法需要将线路分段处理，求解过程较复杂。
耐雷性能评估最简单的为规程法，随着计算机技术的发展，逐渐出现了一些更为全面、准确的方法，如电磁暂态程序法(EMTP)、蒙特卡罗法等[10，11]。
10kV配电线路的雷电感应过电压特性分析
10kV配电线路的雷电感应过电压特性分析摘要：10kV架空配电线路雷电防护系统的主要研究课题是雷电感应过电压现象，在10kV配电线路的架设过程中架设地线能够有效防护配电线路雷电感应过电压现象，已经成为电力领域广泛关注的话题。
相关电力研究结果显示，将地线架设在到线上方，在满足底线和导线之间距离科学要求的情况下，使底线和导线距离缩短，电杆会实现自然接地。
伴随大地电阻率增大和绝缘子闪络电压的降低，线路的雷电感应过电压闪络率将逐步提高，所以架设地线能够有效的降低线路雷电感应过电压闪络率。
关键词：10kV线路；雷电；感应过电压概率分布前言10kV配电线路雷电故障频发的原因是架空线路的绝缘水平普遍较低。
其中绝大部分的隐患来自于雷电击中线路附近的大地或者高大建筑物时，在导线上产生的感应超过电压承受能力引发的。
早在20世纪初期，相关学者已经提出通过在架空配电线路中架设地线的方法有效防护雷迪纳感应过电压现象。
因此作者针对“10kV配电线路的雷电感应过电压特性”这一课题的研究具有现实意义。
1 雷电感应过电压当10kV架空配电线路周围聚集高达的建筑物时，由于建筑物的高度普遍高于导线的高速度，通过建筑物的遮挡屏蔽，使导线的弧度大为减小，在雷电直接击中导线的概率相对于空旷地带的导线击中率减小。
因为高大的建筑物能够直接减弱雷电先导产生的电场，从而使局部被束缚的电荷总量降低，当雷击大地时，可以有效降低导线上产生的雷过电击。
2 雷电感应过电压的计算方式雷电感应过电压数值的计算方式：首先，依据主放电雷电流模式计算出离雷电通道不同距离位置的电场分布；然后依据线路和电磁场的关系计算不同雷电电场在配电线路上产生的感应过电压。
随着科学的进步，FDTD（finite difference tima domain）计算模式产生并被广泛应用，FDTD计算模式能够同时对大地有限电导率和绝缘子闪络对雷电过电压的影响进行同时考虑。
相比与传统雷电过电压计算方式，可以得出准确的时域响应结果，具有创新意义[1]。
7-3 输电线路感应雷的计算
因为避雷线的耦合作用，感应电压减小了。
s ，是计算用波形陡度。
上面分析表明，避雷线可使导线上感应过电压由
U gd 下降到 U gd (1 k ) 。
耦合系数k越大，则导线上的感过电压越低。
输电线路的直击雷落雷部位
无避雷线线路直击雷的两种情况 有避雷线线路直击雷的三种情况
｛
｛
①雷击杆塔塔顶； ③雷电击于导线； ①雷击杆塔塔顶； ②雷击避雷线档距中央； ③雷绕过避雷线击于导线；
hb hd
2
实际上，避雷线是通过每基杆塔接地的，为了保证避雷线 的零电位，则在避雷线上出现一个 - U gb 的强制电压分量。由 于避雷线和导线间的耦合作用，这时将在导线上产生一个耦
合电压
- kUgb ，k为避雷线与导线的耦合系数。在有避雷
U g .d (1 k ) Leabharlann 线的情况下，导线上的电压为：
6
小结：当雷击点在离线路垂直下方的距离S＞65m时，导 线上出现感应雷过电压。
感应雷过电压计算，分有避雷线线路和无避雷线线路 两种情况：
1.无避雷线线路
I L hd U g 25 kV S
2. 有避雷线时的感应过电压
.d U g .d kU g .b Ug hb U g .d 1 k hd U g .d (1 k )
a I L 2.6
有避雷线时，感应过电压的最大值为：
U ' g .d ahd (1 K )
因为避雷线的耦合作用，感应电压减小了。
4
1. 2
是雷电波的陡度，我们常接触的雷电波有两种，一个是
s ，陡度是， I Ld 50 1.2 是试验用波形；另一个
感应雷过电压
架空线路上的感应雷过电压当雷击线路附近的地面时，在架空线路的导线上会因感应而出现过电压。
这种感应过电压的形成过程如下。
在雷电放电的先导阶段，在先导通道中允满了负电何，它会对导线产生静电感应，使负先导通道附近的导线上积累起异号的正束缚电荷，面导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。
因为先导的发展速度较慢，所以在先导过程中流过导线的电流不人，可以忽略不计。
如果不计工频电压，则此时导线将通过系统的中性点或泄漏电阻而保持为零电位。
由此可见，如果先导通道电场使导线各点获得的电位为-U(x)，则导线上的束缚电荷电场必定使导线获得+Uo(x)的电位，二者在数值上相等，而符号相反，也即导线各点上均有±U。
(x)叠加，使导线在先导阶段时处电位为零。
雷击线路附近地面后主放电开始，先导通道中的电荷自下向上被迅速中和。
如果先导通道中的电荷是全部瞬时被中和(这当然是不可能的)，导线上的束缚电荷也将全部瞬时变为自由电荷，此时导线的电位将仅由这些刚释放的束缚电荷决定，它显然等于+U。
(x),这是静电感应过电压的极限。
实际上，主放电的速度有限，所以导线上束缚电荷的释放是逐步的，因而静电感应过电压将比+U(x)小。
由于对称关系，被释放的束缚电荷将对称地向导线两侧流动[图12-6(b)]，电荷流动形成的电流i乘以导线的波阻Z即为向两侧流动的静电感应过电压流动波u=iz。
此外，如果先导通道电荷(单位长度的电荷量为)全部被瞬时中和，主放电速度v将为无穷大，则瞬间有=→∞(这当然是不可能的)，可产生极强的时变磁场，后者将使导线产生极大的电磁感应过电压。
实际上由于主放电的速度v比光速小得多[v=(0.05~0.5)*c]，所以电磁感应过电压不会有那样大。
再加主放电通道是和导线互相垂直的，两者间的互感不大，故电磁感应不大。
也就是说，感应过电压的电磁分量要比静电分量小得多，约为静电分量的1/5。
又由于两种分量出现最大值的时刻不同，所以总的感应雷过电压幅值是以静电分量为主的。
电气化铁路接触网雷电感应过电压计算及其闪络概率研究
Ａｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ ： Ｔｈｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎｇ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｒ ａ ｉ ｌ ｗａ ｙ ｉ ｓ ２ ７． ５ ｋ Ｖ ， ｗｈ ｏｓ ｅ ｉ ｎ ｓ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｓ ｅ ｑｕ ｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎｔ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ３５ ｋ Ｖ
ｉｅ ｆ ｌ ｄ— ｔ ｏ — ｌ ｉ ｎ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐｌ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ｈ ｅ ａ ｄ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｃ ａ ｔ ｅ ｎ ａ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｒ ａ ｉ ｌ ａ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗｅ ｄ ａ ｓ ａ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ． ｃ ｏ ｎ ｄｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ｗｈ ｏ ｓ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕ ｔ ｅ ｄ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐｕ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ． ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ． Ａｔ ｌ ａ ｓ ｔ ，ｔ ｈｅ ｌａ ｆ ｓ ｈ ｏ ｖ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｂ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｔ ｅ ｎ ａ ｒ ｙ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｃ ａ ｌ ｃ ａ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｍｂ ｉ ｎｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ
上 ，基 于 Ａ ｇ ｒ ａ ｗ ａ ｌ 场 线 耦 合 模 型 对 接 触 网 线路 的 雷 电 感应 过 电 压 进 行 了仿 真研 究 ， 并 结 合 电 气 几何 模 型 对 接 触 网 感 应 雷 击 闪络 概 率进 行 了计 算 。
架空线路雷电感应过电压的计算方法
4 .结论
（ 1） 规程法是一种过于简单的计算方法， 它 忽略了雷电流的波形形状，雷电回击速度等因素 对它的影响，是一种简单的计算方法； （2）Chowdhuri-Gross 模型中假定了大地为 良导体，忽略了土壤电阻率等因素对雷电感应过 电压的影响； （ 3） H¢ idalen 模型解决了上述两种方法中明
30
20
U ( x, t )
x c x 0
x B y ( , y,0, t ) d c
10
g 0 (s)
0 s r 0 s
0
-10
其中 g 0 (t ) 、g 0 ( s) 分别为时域和 s 域时包含有 大地参数的地面损耗函数； 0 为真空的介电常 数； r 为土壤的介电常数； 为土壤的电导率。 架空线路末端匹配相应的波阻抗时，架空线 路上的雷电感应过电压为：
图1
由图１可写出计算导线上感应过电压的微 分方程：
2V ( z , t ) x 2 1 2V ( z , t ) c2 t 2 1 2Vi ( x, t ) c2 t 2
（2）
（1）
其中：I 为雷电流幅值 （一般不超过 100 kA） ；hc 为导线悬挂的平均高度，m。 式（1）只是粗略地考虑了雷电流幅值、线路 高度等因素对雷电感应过电压的影响。
（3）
其中： I 0 为雷电流幅值，A； v c ； v 为主放 电回击速度系数； hc 为雷云高度，m； r 为计算 点与落雷点的距离， m；t 0 x 2 y 0 2 c 为导线上 计算点最早出现感应电压的时间。 对任意波形的雷电流在导线上所产生的感应 电压，可由阶跃响应采用丢阿莫尔定理 （Duhamel’ s theorem）积分求出
雷电放电和雷电过电压
的电容量。主放电通道波阻抗与主放电通道雷电流 有关，雷电流愈大，波阻抗愈大。
4.雷电流极性 当雷云电荷为负时，所发生的雷云放电为负极 性放电，雷电流极性为负；反之，雷电流极性为正。
实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负
极性比例不同，负极性所占比例在75%~90%之间，因
此，防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。
雷云的形成过程是综合性的。 强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴带 正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带走， 于是云的各部分带带有不同的电荷，这是水滴破 裂效应。 水在结冰时，冰粒会带正电，没有结结冰的被 风吹走小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。
最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电 的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或
5.雷电流幅值
按DL/T 620—1997标准，一般我国雷暴日超过 20的地区雷电流的概率分布为
I log P 88
或
P 10
I 88
（8-3）
6.雷电流等值波形 雷电流的幅值随各国自然条件的不同而差别
较大，而测得的雷电流波形却基本一致。一次
负放电电流波形的波头较长，在峰值附近有明显
图8-5 感应雷过电压的形成 (a)先导放电阶段 （b）主放电阶段
小结
雷云的形成主要是含水汽的空气的热对流效应。雷电源于大 气的运动。 雷电的放电过程： 先导放电阶段 主放电阶段 余辉放电阶段 主要的雷电参数有： 雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、 雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。 雷电过电压的形成 •直击雷过电压 •感应雷过电压
本节内容： 8.1.1 雷云的形成
8.1.2 雷电放电过程
8.1.3 有关的雷电参数
输电线路的感应雷过电压
3.2.1 导线上方无避雷线
3.2.2 导线上方有避雷线
3.2.3 雷击杆塔时的感应雷过电压
返回
3.2.1 导线上方无避雷线
当雷击点离开线路的距离大于65米时，导线上 的感应雷过电压最大值按下式计算：
I L hd U g 25 S
S:雷击点与线路的垂直距离，m
导线上电位为
U
' g dຫໍສະໝຸດ U g d kU g b
hb U g d (1 k ) U g d (1 k ) hd
k为避雷线与导线间的耦合系数，线间距离愈近， 耦合系数k就愈大。 由于避雷线的屏蔽作用，可使导线上的感应电压降 低。
感应电压一般不超过500kV，对35kV及 其以下的水泥杆线路可能会引起闪络事 故，对110kV及其以上线路，由于线路 绝缘水平较高，所以一般不会引起闪络 事故。
I L:雷电流幅值，kA
hd:导线悬挂的平均高度，m
U g:感应过电压最大值，kV
3.2.2 导线上方挂有避雷线
避雷线上和导线上的感应雷过电压分别为
U g b
则
I L hb 25 S
U g d
I L hd 25 S
U g b U g d
hb hd
避雷线上实际是接地的，可假想在避雷线上 有 U gb 电位，在导线上产生耦合电压 kU g b
3.2.3 雷击杆塔时，导线上的感应雷过电压
无避雷线： U g d hd 有避雷线： U
' g d
hb hd (1 k ) hd (1 k ) hd
:感应过电压系数
IL 2.6
返回
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雷电引起的感应过电压的计算
1、雷击附近地面时引起地电位升高的计算
当建筑物附近遭受直击雷，建筑物的接地体地电位会有所抬高，地电位升高不仅可能对通信设备造成损害，而且可能造成人身伤亡，因此有必要确定地电位升高并且采取一定的措施加以预防。
当需要确定雷击接地装置附近接地体地电位升高时，可根据距离接地装置的远近分别按公式（5-5）计算。
如图5-2所示：
图5-2 建筑物附近发生雷击
x
r r r I U c c
c
g x +=
1
sin
π2ρ （5-5） 式中，Ux 为所需计算点电压，正弦反函数以弧度计算，Ig 为经接地装置流入地中的短路电流，ρ为土壤电阻率，r c 为接地装置的计算半径，x 为接地装置的边缘至计算点的距离。
土壤电阻率ρ=30Ω·m ，取接地电阻为5Ω，由ρ/2πr=R ，计算等效半球接地电极的计算半径为：
m
取Ig=30kA ，x=0，当雷击点距离建筑物顶接闪器时、则建筑物的地电位升高为：
kV r r
x r r r I U c
c c c c
g x 5.235sin π
3π23030sin
π2ρ11
=×=+=
3183
.0π
35π230π2ρ====R r c
1）、当雷击点距离建筑物10米时、建筑物接地体的地电位升高为：
kV x r r r I U c c c
g x 6256.410
3183.03183
.0sin π
3π23030sin
π2ρ11
=+×=+=
2当雷击点距离建筑物20米时、建筑物接地体的地电位升高为：
kV x r r r I U c c c
g x 3488.2203183.03183
.0sin π
3π23030sin
π2ρ11
=+×=+=
真空磁导率
国际单位制（SI）中引入的一个有量纲的常量。
常用符号μ0表示，由公式定义，此式是真空中两根通过电流相等的无限长平行细导线之间相互作用力的公式，式中I是导线中的电流强度，a是平行导线的间距，F是长度为l的导线所受到的力，而称μo为真空磁导率，其值为μ0＝4π×10-7牛顿／安培；
＝4π×10-7韦伯／（安培·米）；
＝4π×10-7亨利／米；
μ0中的 4π是为了使常用的电磁学公式的计算得到简化（所以SI制的电磁学部分叫做MKSA有理制），其中的则是为了使电流强度的单位安培（基本单位）接近于实际使用的大小。
μ0的量纲为［LMT-2I-2］
非铁磁性物质的μ近似等于μ0。
而铁磁性物质的磁导率很高，μ>>μ0。
铁磁性材料的相对磁导率μr=μ/μ0如铸铁为200～400；硅钢片为7000～10000；镍锌铁氧体为10～1000；镍铁合金为2000；锰锌铁氧体为300～5000；坡莫合金为20000～200000。
空气的相对磁导率为1.00000004；铂为1.00026；汞、银、铜、碳(金刚石)、铅等均为抗磁性物质，其相对磁导率都小于1，分别为0.999971、0.999974、0.99990、0.999979、0.999982。