高压输电研究报告

高压输电线路防雷研究报告
一．概述
输电线路在运行过程中承受工作电压、操作过电压或大气过电压时，都可能会发生绝缘闪络事故。

在超高压输电系统中，操作过电压已被限制在较低的水平（500kV 系统不超过 2.0p.u），不再是构成线路绝缘的控制因素。

另一方面，近几年来因治理污闪事故的调爬等措施使线路的绝缘水平得到提高，线路在工作电压作用下的可靠性也明显提高。

国内、外运行经验表明，大气过电压引起的绝缘闪络已成为线路故障的主要原因。

现将美国、日本和俄罗斯等几个国家的高压和超高压输电线路的雷击跳闸率摘录如表1.1。

统计表明，雷害引起的跳闸约占线路跳闸次数的50％。

为确保送电线路的安全稳定运行，建设坚强电网，国家电网公司对雷击跳闸率指标提出了更加严格的要求。

2005年 3 月国家电网公司颁布的《110(66)kV～500kV 架空输电线路运行规范》明确提出各电压等级线路的雷击跳闸率（归算到40 个雷暴日），应达到如下指标：
造成输电线路雷击跳闸的主要原因是反击和绕击。

1.输电线路反击
杆塔以及杆塔附近避雷线上落雷后，由于杆塔或接地引下线的电感和杆塔接地电阻上的压降，塔顶的电位可能达到使线路绝缘发生闪络的数值，造成杆塔雷击反击。

杆塔的接地电阻是影响雷击跳闸率的重要因素，计算表明：杆塔的接地电阻如增加10～20Ω，雷击跳闸率将会增加50%～100%。

为此，各网、省电力公司为提高供电可靠性，投入大量的人力和财力进行杆塔接地电阻的改造，使线路杆塔的接地电阻满足防雷设计的要求，保证了雷击跳闸率满足规程的要求。

2.输电线路绕击
雷绕过避雷线的屏蔽，击于导线称为“绕击”。

由于影响发生绕击的因素比反击要复杂得多，人们对它感兴趣的程度和研究深度也较反击为多。

上一世纪的 60 年代初，美国的 E.R.Whitehead 、H.R.Armstorng 和 G .R.Brown 等人在前人完成的小模型模拟试验的基础上先后开展了绕击过程的理论研究，并取得了重要成果，完善和发展了分析输电线路屏蔽性能的电气几何模型（EGM ），被称为 Whitehead 理论。

二．高压输电线路防雷保护的基本术语
⑴ 雷电流波形
雷电流的波头和波尾皆为随机变量，其平均波尾为 40μs ；对于中等强度以上的雷电流，波头大致在 1~4μs 内，实测表明，雷电流幅值 IL 与陡度dtdiL 的线性相关系数为 0.6 左右，这说明雷电流幅值增加时雷电流陡度也随之增加，因此波头变化不大，根据实测的统计结果，“规程”建议计算用波头取 2.6μs 。

即认为雷电流的平均上升陡度
=2.6
L L L t t di di I KA s d d μ为：
雷电流的波头形状对防雷设计是有影响的，因此在防雷设计中需对波头形状作出规定，“规程”建议在一般线路防雷设计中波头形状可取为斜角坡；而在设计特殊高塔时，可取为半余弦波头，在波头范围内雷电流可表示为：
(1cos )2
L L I i t ω=-
⑵ 雷电流幅值
雷电流 L i 为一非周期冲击波，其幅值与气象、自然条件等有关，是一个随机变量，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。

⑶ 雷电日
在进行防雷设计和采取防雷措施时，必须从该地区雷电活动的具体情况出发。

某一地区的雷电活动强度可以用该地区的雷电日来表示。

雷电日是一年中有雷电的日数。

“规程”建议采用雷电日作为计算单位。

根据长期统计的结果，在我国“规程”中绘制了全国平均雷日数分布图，可作为防雷设计的依据，全年平均雷日数为 40 的地区为中等雷电活动强度地区，如长江流域和华北的某些地区；年平均雷电日不超过 15 日的地区为少雷区；年平均雷暴日数多于 15但少
于40 的地区为中雷区；年平均雷暴日数多于40 但少于90 的地区为多雷区；年平均雷暴日数多于90 的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区为强雷区。

⑷地面落雷密度和输电线路落雷次数
为了防雷设计和采取防雷措施，必须知道地面落雷密度，地面落雷密度“r”的定义为：每一雷电日每平方公里地面遭受雷击的次数，“规程”建议r 为0.07 次/平方公里²雷日。

对于线路来说，由于高出地面，有引雷的作用，根据模拟试验和运行经验，一般高度的线路的等值受雷面的宽度为（4h+b）(h 为避雷线成导线的平均高度，b 为两根避雷线间的距离)，也即等值于受雷面积为线路两侧的地带，线路愈高，则等值受雷面积愈大。

⑸保护角
通常将避雷线与外侧导线的联线和避雷线对地垂直线之间的夹角叫保护角。

⑹绕击率
当雷电绕过避雷线直接打在导线上的概率。

⑺击杆率
运行经验表明，在线路落雷总数中雷击杆塔的次数与避雷线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g，《规程》建议的击杆率如表2.1 所示。

⑻耐雷水平
雷击线路时，线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值叫耐雷水平。

我国规程规定各级电压线路的耐雷水平值见表 1.3，这是从综合技术、经济比较得到的。

表中还列出了雷电流超过该耐雷水平的概率。

可见线路防雷是相对的安全，即允许有一部分雷击引起闪络。

选择线路绝缘及防雷措施的要求是：在不显著增加线路造价的情况下，保证有足够的运行可靠性。

⑼建弧率
在雷冲击绝缘子串时，雷冲击电压过去后，弧道仍有一定程度的游离，在工频压
作用下，将有短路电流流过闪络通道，形成工频电弧。

雷电压持续时间很短（100μs 左右），绝缘子冲击闪络时间也相应很短，继电保护来不及动作，所以仅有冲击闪络并不会引起开关跳闸，只有当冲击闪络火花转变为稳定工频电弧，才会引起线路开关跳闸，因此一条线路的雷击跳闸数，不仅与耐雷水平有关而且与冲击闪络之后弧道建立工频电弧的可能性，也就是建弧率有关，建弧率可用η表示：
12L a N N η=（gP +P P ）η=建立稳定工频电弧次数总的冲击闪络次数
建弧率的大小，主要与工频电压作用下弧道平均场强的大小有关，也和冲击闪络是发生在工频电压的哪一部分以及弧道的去游离情况有关，如果恰好在 u=0 发生雷击，随后就不会产生工频电弧，根据实验及运行经验，η主要与 E 有关，可按下式计算：I
0.752η-=⨯（45E -14）10
式中，E —绝缘子串的平均运行电压梯度（千伏，有效值/米）
⑽ 雷击跳闸率
一条线路的雷击跳闸次数与线路长度、雷电日的多少，以及防雷措施的好坏有关。

为了分析比较二条线路防雷措施的好坏，引入雷击跳闸率 n 的概念：每百公里线路、40雷电日，由于雷击引起的跳闸数（重合成功也算一次），称为该线路的雷击跳闸率，简称跳闸率，跳闸率是衡量线路防雷性能好坏的综合指标，它可表示为：
12L a N N η=（gP +P P ）
式中：
N ——跳闸率（次/100km.a ）；
η——建弧率；
g ——击杆率；
P1——超过雷击杆塔的顶部时耐雷水平的雷电流概率；
P2——超过雷雷绕击导线时耐雷水平的雷电流概率；
P ——绕击率；
NL ——线路落雷次数；
三．高压输电线路的几种常见过电压
架空输电线路中常见的过电压有以下两种，第一种是：架空线路上的感应过
电压即雷击发生在架线路的附近，通过电磁感应在输电线路上产生的过电压；第二种是直击雷过电压，即雷电直接打在避雷线或是导线上时产生的过电压。

下面对这两种过电压做一个简单的介绍，在介绍中主要介绍产生的机理及结论，而省略了复杂的数学推导。

1． 架空输电线路上的感应过电压
当雷击线路附近的地面时，会在架空线路的三相导线上出现感应过电压（感应雷）。

这种感应过电压的形成过程如下。

在雷电放电的先导阶段，在先导通道中充满了电荷，它对导线产生了静电感应，在负先导通道附近的导线上积累了异号的正束缚电荷，而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很慢，所以在上一过程中导线的电流不大，可以忽略不计，而导线将通过系统的中性点或泄漏电阻而保持其零电位（如果不计工频电压的话）。

由此可见，如果先导通道电场使导线各点获得的电位为 U0（x ），则单单导线上的束缚电荷电场必定使导线获得电位为+ U0（x ），即二者在数值上相等，符号相反，也即各点上均有±U0（x ）叠加，使导线在先导阶段时处处电位为零。

雷击大地后，主放电开始，先导通道中的电荷被中和。

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），则导线上的束缚电荷也将全部瞬时变为自由电荷，此时导线出现的电位仅由这些刚解放的束缚电荷决定，它显然等于+ U0（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+ U0（x ）小。

此时由于对称的关系，被释放的束缚电荷将对称地向导线两侧流动，电荷流动形成的电流 i 乘以导线的波阻 Z 即为向两则流动的静电感应过电压流动波 u=iZ 。

此外，如果先导通道电荷全部瞬时中和，则瞬间有I u λ=→∞（这当然是不可能的），则将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 u 比光速小得多，所以电磁感应过电压不会有那样大。

由于主放电通道是和导线互相垂直的，所以互感不大，即电磁感应不大。

因此电磁分量要比静电分量小得多，后者约为前者的五倍。

又由于两种分量出现最大值的时刻也不同，所以在对总的感应过电压幅值的构成上，静电分量起主要作用。

2． 架空输电线路上的直击雷过电压
雷直击于有避雷线的输电线路分为三种情况，a 、雷击杆塔顶部；b 、雷击避雷线中央部分；c 绕过避雷线击于导线。

雷击杆、塔顶部或避雷线时，雷电电流流过塔体和接地体，使杆塔电位升高，同时在相导线上产生感应过电压。

如果升高塔体电位和相导线感应过电压合成的电位差超过高压输电线路绝缘闪络电压值，即U j＞U50%时，导线与杆塔之间就会发生闪络，这种闪络就是反击闪络。

五配电线路的防雷措施
防雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击,而引雷于本身,并顺利地泄入大地的装置。

电力系统中最基本的防雷保护装置有：避雷针、避雷线、避雷器和防雷接地等装置。

对于直击雷的防护措施通常是架设避雷针或避雷线。

避雷针（线）高于被保护的物体，其作用是吸引雷电击于自身，并将雷电迅速的泄入大地，从而使避雷针（线）附近的物体得到保护。

在先导放电自雷云向下的发展的初始阶段，先导头部离地面较高，放电的发展方向不受地面物体的影响。

因避雷针有良好的接地，在其顶端因静电感应而积累了与先导通道中电荷极性相反的电荷，使其附近的空间电场显著加强。

当先导头部发展到局里地面某高度时，该电场即开始影响
先导头部附近的电场，使其向避雷针（线）定向发展。

随着先导通道的延伸，避雷针（线）顶端的电场大大增强，有可能产生自避雷针（线）向上发展的迎面先导，更增强了避雷针（线）的引雷作用。

对于感应雷过电压及雷电入侵波我们通常采用避雷器。

避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。

避雷器的主要类型有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等几种。

保护间隙和管型避雷器主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和发、变电站进线端的保护。

阀型避雷器主要用于变电站和发电厂的保护，在220kV及以上系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。

阀型避雷器及氧化锌避雷器的保护性能对变压器或其他电气设备的绝缘水平的确定有着直接影响，因此改善他们的保护性能具有非常重要的经济意义。

5.1 避雷针设置原则
根据GB50057《建筑物防雷设计规范》中章节5“防雷装置”的要求，避雷针可以用铜、镀锡铜、铝、铝合金、热浸镀锌钢、不锈钢、外表面镀铜的钢等各种材料制成，只要满足其最小截面和厚度的要求即可。

也就是说，只要不是那么容易锈蚀，不至于因风吹雨打而轻易损坏，大多数常见的金属材料都可以用来制作接闪器。

以最常见的铁质避雷针为例，GB50057要求其最小直径不能小于8毫米即可。

从这个意义上来说，市场上绝大多数建筑钢筋，只要其直径大于8毫米，都可以用来制作避雷针，只需在安装上去以后在其表面涂刷一到两层防锈漆即可，其价格非常低廉。

从这个意义上来说，避雷针是没有品牌的，因为避雷针只是接闪器中的一个小类，而任何金属构件都可以用来做接闪器。

只强调避雷针的作用，强调著名品牌的避雷针，而忽视了其它接闪器的共同接闪作用，忽视了接闪器脱离了引下线和接地装置就不能发挥作用的客观事实，这种观念是有害的，需要加以纠正。

需要注意的是，市场上有各种各样所谓知名品牌的避雷针，大都以‘预放电’或者‘提前放电’作为其卖点，大都是从国外进口来的所谓‘特殊避雷针’，其所宣称的保护范围远远超过按照滚球法的原理所计算的保护范围，其价格非常昂贵，动辄几万元一根。

这些避雷针的所谓科学原理，在中国大陆到目前为止尚未得到认可，其防雷效果也没有得到实践的认可。

在建筑物上即使安装了这样的避雷针，在防雷验收时，还是要按照传统的滚球法的原理进行计算，花高
价购买了这样的避雷针的客户，要提防这方面的风险。

所谓滚球法，是假设以一定半径（根据建筑物防护等级的不同，100米、60米、45米、30米不等）的球体，沿建筑物的外表面滚动，当球体只触及接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，该部位就得到接闪器的保护。

通俗地说，这个球体能够接触到的地方就是雷能够打到的地方，球体接触不到的地方就处于接闪器的保护范围之内。

避雷针的保护范围的计算，在GB50057《建筑物防雷设计规范》的附录D “滚球法确定接闪器的保护范围”中列出了计算单支接闪杆（避雷针）、两支等高接闪杆、两支不等高接闪杆、成矩形布置的四支等高接闪杆、单根接闪线（接闪带、避雷带）、两根等高接闪线的保护范围和保护范围的计算方法，并绘制了相关示意图。

对于广大的雷电防护行业的技术人员，按照GB50057给出的方法，可以用手工的方式对一些简单的情况进行计算，但是在日常工作中，经常遇到远比规范上列出的案例复杂得多的现场情况，比如：多支不等高的且不以规则方式布置的接闪杆、不等高的接闪线、避雷针和避雷线的联合的保护范围，对这些复杂情况的计算，以手工方式是根本无法进行的，GB50057也没有给出具体的计算方法。

这个问题是雷电防护行业中一个经常会遇到的技术难题。

5.2 避雷针
避雷针，是用来保护建筑物避免雷击的装置。

在高大建筑物顶端安装一根金属棒，用金属线与埋在地下的一块金属板连接起来，利用金属棒的尖端放电，使云层所带的电和地上的电荷逐渐中和，从而不会引发事故。

避雷针规格必须符合GB标准，每一个级别的防雷需要的避雷针规格都不一样。

避雷针由金属制成,其保护原理是当雷云放电时使地面电场畸变,在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向,使雷电对避雷针放电,再经过接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物体免受雷击。

(1)避雷针的设计一般有以下几种类型：
①单支避雷针的保护；
②两针避雷针的保护；
③多支避雷针的保护。

(2)避雷针的工作原理：在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，所以静电感应时，导体
尖端总是聚集了最多的电荷。

这样，避雷针就聚集了大部分电荷。

避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小，也就是说它所能容纳的电荷很少。

而它又聚集了大部分电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体。

这样，带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的，避雷针就可以把云层上的电荷导入大地，使其不对高层建筑构成危险，保证了它的安全。

(3)避雷针的主要作用：常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。

防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成，即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。

以避雷针作为接闪器的防雷电原理是：避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果。

实际上，避雷针是引雷针，可将周围的雷电引来并提前放电，将雷电电流通过自身的接地导体传向地面，避免保护对象直接遭雷击。

(4)变电站直击雷保护的基本原则：一是独立避雷针(线)与被保护物之间应有一定的距离,以免雷击针(线)时造成反击。

二是独立避雷针的接地装置与被保护物之间也应保持一定的距离d S 以免击穿,在一般情况下,k S 不应小于3m 。

有时由于布置上的困难d S 无法保证,此时可将两个接地装置相联,但为了避免设备反击,该联接点到35kV 及以下设备的中接地线入地点,沿接地体的地距离应大于15m ,因为当冲击波沿埋地线流动15m 后,在m 500⋅Ω≤ρ时,幅值可衰减到原来的22%左右。

一般不会引起事故了。

5.3 避雷器
避雷器，又称：surge arrester ，能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。

避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。

当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。

避雷器是变电站防雷保护的基本措施之一，它的作用是用来限制作用于设备上的过电压，以保护电气设备的。

避雷器与被保护设备并联安装在被保护设备附近，当过电压超过一定值时，避雷器先放电，从而限制了被保护设备的电压值。

避雷器的保护性能对被保护设备绝缘水平的确定有直接的影响。

避雷器的类型主要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等几种。

⑴保护间隙：由两个电极组成，常用的角型间隙。

为使被保护设备得到可靠的保护，要求保护间隙的伏秒特性的上限低于被保护设备伏秒特性的下限，并有一个一定的裕度。

当雷电波侵入时，间隙先击穿，将工作母线接地，雷电流引入大地，避免了被保护设备的电压升高，从而保护了设备。

过电压消失后，间隙中仍有由工作电压所产生的工频电弧电流，此电流时间隙安装处的短路电流，由于间隙熄弧能力差，往往不能自动熄弧，造成断路器跳闸，这是保护间隙的主要缺点。

为此可将保护间隙配合自动重合闸使用，如果被保护设备的伏秒特性较平坦，这时保护间隙的伏秒特性与其配合就比较困难，故不宜用它来保护具有较平坦伏秒特性的电气设备，如变压器、电缆等。

⑵管型避雷器：实质上是具有较高熄弧能力的保护间隙。

它有两个相互串联的间隙，一个在大气中称为外间隙，其作用是隔离工作电压，避免产气管被流经管子的工频泄漏电流所烧坏；另一个间隙装在管内称为内间隙，其电极一为棒形电极，另一个为环形电极。

管由纤维或橡胶等气体材料制成。

雷击时内外间隙均被击穿，雷电流经间隙流入大地；过电压消失后，内外间隙的击穿状态将由导线上的工作电压所维持，此时流经间隙的工频电弧电流为工频续流，其值为管型避雷器安装出的短路电流，工频续流电弧的高温使管内气体材料分解出大量的气体，管内压力升高，气体在高压的作用下由环形电极的开口喷出，形成强烈的纵吹，从而使工频续流在第一次经过零值时就被切断。

管型避雷器的熄唬能力与工频续流大小有关，续流太大产气过多，管内气压太高造成管U逆袭炸裂；续流太小产气过少，管内气压不足以熄弧，故管型避雷器切断工频续流没有上下限的规定。

管型避雷器的熄弧能力还与管子的材料、内径还有内间隙大小有关。

使用时必须核算安装处在系统各种运行情况下短路电流的最大值，管型避雷器的熄弧能力上下限应分别大于和小于短路电流的最大值和最小值。

管型避雷器的主要缺点：
①伏秒特性较陡且放电分散性较大，而一般变压器和其他设备绝缘的冲击放电伏秒特性较平，二者不能很好地配合。

②管型避雷器动作后工作母线直接接地形成截波，对变压器纵绝缘不利（保
护间隙也有上述缺点）
因此管型避雷器目前只用在线路保护（如大跨距和交叉档距）以及发、变电所的进线保护。

⑶阀型避雷器：是由多个火花间隙与阀片电阻串联组成，火花间隙具有平坦的伏秒特性，且低于被保护设备的冲击耐性强度。

阀片电阻是非线性电阻，其电阻值与流过的电流有关，电流越大，电阻越小。

5.4 防雷接地
大地是个导电体，当其中没有电流通过时是等电位，通常认为大地具有零电位。

如果地面上的金属物体与大地牢固相接，在没有电流流通的情况下，金属物体与大地之间没有电位差，该物体也就具有了大地的电位-零电位，这就是接地。

接地就是地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地相连，使该物体或节点与大地保持等电位。

把接地点出的电位M U 与接地电流I 的比值定义为接地电阻R ，即M R U I =。

实际上，它是一个接地阻抗。

当接地电流I 为定值时，接地电阻越小，则电位越低，反之越高。

此时地面上的地物体也具有了电位M U ，因而不利电气设备的绝缘以及人身安全，这就是为什么要求降低接地电阻的原因。

埋入地中的金属体称为接地极或接地体。

最简单的接地极可以是单独的金属管，金属板或金属带，由于金属的电阻率远小于土壤电阻率，所以接地体本身的电阻在接地电阻R 中可以忽略不计。

R 的数值与接地体的形状、尺寸大小以及土壤的电阻率等因素有关。

“防雷在于接地”,这句话含义说明各种防雷保护装置都必须配以合适的接地装置。

将雷电泄入大地,才能有效地发挥其保护作用。

接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地保持等电位,电力系统的接地按其功用可分三类：
① 保护接地：
不设这种接地,电力系统也能正常运行,但为了人身安全而将电气设备的金属外壳等加以接地，这样可以保证金属外壳经常固定为地电位，在正常电位下接地点没有电流入地，金属外壳保持地点为，担当设备发生故障时有接地短路电流流入大地，接地点和与它相连的金属导体电位都会升高，可能威胁人身安全,它所要求的接地电阻阻值处于1~10Ω的范围内。

②工作接地。