第19讲电力系统防雷保护二

避雷器电压Ub的图解法
16
由于阀型避雷器的伏秒特性比较平坦，因此冲击放电电压Uch基 本不随入侵波的陡度变化而变化。
避雷器的残压值与流过的电流大小有关。但在一个很大范围内， 残压几乎不变。
一般情况下，流经避雷器的雷电流一般不超过5kA。因此，残压 的最大值取5kA以下对应的值。
Uch一般与5kA下的残压值相同。
uB
(t
)
2a(t
l2 v
)
2a(t
t
f
) 2a(t f
l2 v
)
U b5
tf
U b5 2a
l2 v
20
避雷器上的电压波形
21
进线刀闸上的电压
1) 在波到达L时为时间起点。开始阶段，雷电波在L点 的电压为ub(t)=at ，直到T点的反射波到达L点
2) 在T点反射波到达L点至避雷器动作产生的负电压波 到达L点以前，L点的电压为
直击雷: 分成三种：雷击杆塔
雷击避雷线档距中央 雷绕击导线
2
直击雷过电压计算
1） 雷击塔顶时的反击过电压
耐雷水平
I1
(1
U 50%
k)(Rch
Lgt 2.6
hd ) 2.6
2） 雷击避雷线档距中央
由于电晕的衰减作用，可不考虑绝缘子串处的闪络。
对于避雷线对导线的反击，按照 S 0.012l 1 确定距离。
23.4
2 12 15.4m 3
避雷线1、2对导线3的几何耦合系数为：
60 ln D13 60 ln D23
k0
Z13 Z11
Z 23 Z12
d13
60 ln 2hb
d 23 60 ln D12
0.229
rb
d12
6
例题：
经冲击电晕修正后： k 1.25k0 0.286 （2） 查表，求等值电感和分流系数
变压器上的电压最大值为：
UT
U b5
2a l2 v
因此，不论被保护设备位于避雷器前面还是后
面，只要它和避雷器间有一段距离，则上面的
电压必然大于避雷器残压，其差值为：
U 2a l v
26
实际上，考虑了设备对地电容、出线可能多于
一路等情况，被保护设备与避雷器间电压差值
修正为：
U 2a l K
uT
Sd ud Ed
经过实际经验校正后的公式为：
Sk 0.2Rch 0.1h Sd 0.3Rch
13
对于110kV以下的配电装置，绝缘水平高，可 用构架避雷针，并就近装设辅助接地装置。
对于变压器，由于最重要，因此不能装设构架 避雷针
对于35kV以下的变电站，由于绝缘水平低，故 只能装设独立避雷针，接地电阻不能超过10
110kV及以上线路全线架设避雷线，保护角一般采用20-30 ， 500kV应架设双避雷线，保护角不大于15
2 降低杆塔接地电阻
工频接地电阻一般为10-30
3 架设耦合地线
在某些雷击故障频繁的线路上，在导线下方架设一条耦合地线。 可起到分流、增加耦合的作用。
4 采用不平衡绝缘方式
在同塔双回线的情况下，采用不平衡绝缘，可避免双回线同时跳
E为绝缘子串的平均运行电压(有效值)梯度，kV/m
对于中性点有效接地的系统： E ue 3l1
对于中性点非有效接地的系统：
E
ue
2l1 l2
4
二、有避雷线线路的雷击跳闸率
1 雷击杆塔时的跳闸率 每100km线路每年的遭受雷击的次数为：
N (b 4h) 100T 0.28(b 4h)
1000
3l1
（6） 线路雷击跳闸率
n n1 n2 NgP1 NP P2 0.222
8
10.1.4 输电线路的防雷措施
避雷线
提高耐雷 水平措施
降低建弧率 的措施
雷电 放电
雷电 过电压
线路绝缘 冲击闪络
工频 电弧
自动 重合闸
断路器 跳闸
供电 中断
雷害事故的发展过程及防护措施
9
常用措施（一）：
1 架设避雷线
高电压技术
第10章 电力系统防雷保护
线路上的雷过电压分为：直击雷和感应雷。两者的耐
雷水平不同。
感应雷：
雷击大地时的感应过电压
U 'gd
U gd (1 k)
25
IL
* hd S
(1 k)
S>65m
由于雷击点的自然接地电阻较大，因此雷电流峰值小。实测 ：感应过电压峰值最大可达300－400kV。对于35kV以上线路 ，可能造成危害，但对110kV以上线路，由于绝缘水平较高， 一般不会引起闪络
电压为1410V；杆塔冲击接地电阻为7，避雷线半径为5.5mm，
弧垂fd＝7m，导线弧垂fd＝12m。求该线路的耐雷水平和雷击跳闸 率。
2
1
解：（1） 求耦合系数
3.5 2.2
11.6 1.7 3
避雷线的平均高度
hb
29.1
2 3
fb
29.1
27 3
24.5m
导线的平均高度
hd
23.4
2 3
fd
发电厂厂房一般不能装设避雷针。 现在国标也推荐采用避雷线。
14
10.2.2 变电站的侵入波保护
侵入波危害大
防止侵入波的主要保护措施：
1 在发电厂、变电所内装设阀型避雷器
2 在发电厂、变电所进线段设置保护以限制流过阀型避 雷器的雷电流幅值和陡度。
一、避雷器的保护作用分析
u z1
2
ub 1
z1
ub
计算电压用的网格图
19
避雷器上的电压
1) 在波第一次到达B点时为时间起点。开始阶段，雷电 波达在B点B点的电压为ub(t)=at ，直到T点反射的反射波到
2) 在反射波到达B点至避雷器动作以前，B点的电压为 前行波与反行波的叠加，
来自百度文库uB
(t)
at
a(t
2l2 v
)
2a(t
l2 v
)
3) 在避雷器动作后，即t=tf时，保持残压Ub-5（5kA下的 残压）。也可看成在B点叠加了一个负电压波-2a(t-tf)
8 安装线路避雷器
用作线路上雷过电压特别大的或者绝缘弱点的保护。
11
10.2 发电厂和变电站的防雷保护
绝缘损坏不可恢复，因此可靠性要求高。
来源：1 直击雷 2 线路落雷侵入－主要原因
10.2.1 发电厂、变电站的直击雷保护
一般采用避雷针和避雷线，效果很好。我国每年每100个变 电站发生的绕击或反击的次数约为0.3次。
at a[t 2(l1 l2 )] 2a(t l1 l2 )
v
v
3) 在避雷器动作时产生的负电压波到达L点以后
2a(t
l1
l2 v
) 2a[t
(t f
2l1 )] v
2a(t f
l1 l2 ) v
Ub5
2a l1 v
22
进线刀闸处的波形
23
变压器上的电压
1) 在T点首次感受到电压时为时间起点，此时即发生正的全反射，
因此，电压为2at
2)
在避雷器动作瞬间，B点电压为： 2at f
Ub5
2a
l2 v
3) 在避雷器动作产生的负波第一次到达B点瞬间，
2at 4a(t
tf
)
2a(t f
2l2 v
)
4a[t
f
2l2 v
tf
]
2a(t f
2l2 ) v
Ub5
2a l2 v
4) 在避雷器的负波在B点发生正全反射，此反射波到达A点后被吸收，
v
变压器上电压
U b5
t
变压器上典型的实际电压波形
这种波形和冲击全波相差很大 ，它对变压器绝缘的作用与截 波相近，所以通常拿它的最大 值与变压器的多次截波耐压值 （约等于三次截波耐压值的 1/1.15）相比较，来判断绝缘是 否损坏。
27
变压器多次截波耐压值与避雷器残压的比较
28
等于又叠加了一个负波，此负波在一段时间后到达B点，发生正全反射
2at 4a(t t f
) 4a(t t f
2l2 ) v
2a(t f
2l2 ) 4a v
2l2 v
2a(t f
2l2 v
)
Ub5
2a
l2 v
24
变压器上的电压波形
25
进线刀闸处的电压最大值：
UL
U b5
2a l1 v
次/100km·年
击中杆塔引起的跳闸次数n1为：n1 NgP1
g为击杆率，P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的概率，
η为建弧率，
2 雷绕击导线时的跳闸率
n2 NP P2
Pα为绕击率，P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率，
3 线路总跳闸率 n n1 n2
5
例题：
一条220kV线路架设在平原地区，绝缘子串13片，正极性50%放电
at ub
tf a(t t f )
可将避雷器上的电压ub近似 为一斜角平顶波。波头上升
部分斜率为侵入波的陡度，
幅值为Ub-5
只要避雷器上电压<变压器冲
击电压，则可保护
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二、距离效应
由于避雷器离被保护设备有一段距离，在波的折反射过程中，被 保护设备的电压将不同于避雷器上的电压。
at L
B
T
at L
闸而完全停电。
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常用措施（二）：
5 装设自动重合闸
我国110kV以上线路自动重合闸成功率在75%-95％以上
6 消弧线圈接地方式
对接地电阻难以降低的地区，采用中性点经消弧线圈接地，可 大大减小建弧率。该措施主要用于35kV以下线路，可减低跳闸 率1/3
7 加强绝缘
增加绝缘子片数、大爬距绝缘子等。
I2－>P2＝75％
7
例题：
(5) 落雷次数、绕击率、击杆率和建弧率 每100km线路上，每年的落雷次数为（按40个雷暴日计算）： N 0.28(b 4h) 30.688
lg P
hg
86
3.9 0.138%
取＝16.6
查表，得击杆率g＝1/6 4.5E 0.7514 4.5( Ue )0.75 14 0.8
BT
l1
l2
(a)
雷电波侵入变电站的典型接线
(b)
等值电路
18
L
B
T
at
2(l1
v
l2
)
a(t 2l2 ) v
tf
2a(t t f )
2a(t t f )
2at (t f
2l1 v
)
2at
tf 4a(t t f )
2at (t f
2l2 v
)
4a(t t f
2l2 ) v
架设避雷针或者避雷线时，要求不能发生反击。
分为独立避雷针和构架避雷针两种。
12
避雷针的反击问题
iL Sk
当独立避雷针受雷击时，接地装置上的电位为：
uk
L diL dt
iL Rch
2 1
L
h
因此避雷针与被保护物体 之间的空气间隙Sk
Sk uk Ek
Sd
Rc h
1－变压 器
2－母 线
因此避雷针与被保护物 体之间的地中间隙Sd
z1
ub
2u
2u
ib
(a)
(b)
(c)
避雷器动作前的等值电路如图(b)所示，
15
避雷器放电后的等值电路如图(c)所示。
避雷器的保护作用分析
放电后， 2u ub ib Z1
u
2u Uch U bm
ub
ub ib Z1 ub f (ib )
uf
t
I bm
ib Z1
i
u－来波 uf－避雷器伏秒特性 ub－避雷器上的电压 ub＝f（ib）－避雷器的伏安特性
Lgt 0.5 29.1 14.5H
0.88
(3) 耐雷水平
雷击塔顶的反击过电压：
I1
(1
U 50%
k)(Rch
Lgt 2.6
hd ) 2.6
116kA
绕击引起的过电压：
I2
U50% 100
14.1kA
（4） 雷电流超过耐雷水平的概率
lg P I
I1－>P1＝4.8％；
88
长期运行经验表明，这种事故非常少见
3） 绕击导线
I2
U 50%
4 Zd
U 50% 100
3
10.1.3 输电线路的雷击跳闸率
输电线路遭受雷击发生跳闸需要同时满足两个条件： 1 雷电流超过耐雷水平 2 冲击电弧转换为稳定的工频电弧
一、建弧率
与工频弧道中的平均电场强度有关，也与去游离条件有关
4.5E 0.75 14