电力系统防雷保护
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ua di ( Ri i La ) dt
线路杆塔分流系数 2、塔顶电压utop沿着避雷线传播而在导线上感应出来 的电压u1。与上一分量ua相似，杆塔电流it造成的塔顶 电位
utop ( Ri i Lt di ) dt
u1 kutop
3、雷击塔顶而在导线上产生的感应雷击过电压
•
架设耦合地线是防雷直击杆塔闪络的措施之一，对绕 击并没有什么作用。
• 定义：耦合地线是加挂在导线下面，主要是针对于土壤电 阻率较高，接地电阻降不下来的线路。 • 架设耦合地线的作用原理是： 一是增大避雷线与导线之间的耦合系数,从而减少绝 缘子串两端电压的反击电压和感应电压的分量; • 二是增大雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。 现从运行经验来观察其防雷效果，架耦合线后,跳闸 率降低46％。
• （6）采用长闪络避雷器（LFA） • 对于中性点非直接接地的配电系统，当线路 的工作电压与闪络路径长度的比值（即电场强度 E，E=Uph/L）减小时，由雷电闪络发展为工频 续流的可能性将大为减小。利用上述的思想，俄 罗斯学者提出了采用长闪络避雷器，解决配电线 路绝缘导线的雷击断线问题。 • （7）加局部绝缘层的厚度 • 从许多绝缘导线遭雷击后断线的事故调研， 发现了一个十分明显的规律：断线的部位，几乎 全部都处于离开绝缘子（100-300）mm范围之内， 如果在这局部范围内增加绝缘厚度，也可以防止 击穿。但是，这个方法在实际工作中，不易实现。
(三)雷击杆塔 击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。
注入线路的总电流即为雷电流 i it ig
ig 为流经避雷线的分流。 it 为流经杆塔的电流，
线路绝缘子串上所受到的雷电过电压包括四个分量： 1、杆塔电流it在横担以下的塔身电感La和杆塔冲击接 地电阻Ri上造成压降，使横担具有一定的对地电位
•
来自百度文库
• (五)消弧线圈
• 能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳 定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。
•
(六)管式避雷器
• 仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防 雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧 率降为零。 • (七)不平衡绝缘 • 一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。 • (八)自动重合闸 • 线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。
• 3.2 国内外防止绝缘导线雷击断线和雷击跳闸的防治措施 • （1）架设架空避雷线 • 利用架空避雷线的屏蔽作用来保护输电线路，是一种传统 的有效方法。该方法的效果较好，而且可以免除维护； • 缺点：a）投资成本较高；b）防止绕击的效果较差，易 使线遭受反击。 • （2）安装氧化锌避雷器 • 采用氧化锌避雷器，可以有效地截断工频续流，限制雷过 电压和配电线路的感应过电压。 • 缺点：a）保护范围小；b）全线装设的投资成本较大 （但人行道，大门口等地域根据有关规定不允许全线装 设）；c）必须剥开绝缘层，导致线芯浸水，有可能使导 线内部的线芯受腐蚀；d）避雷器阀片长期承受工频电压， 容易老化。 • （3）安装线路过电压保护器 • 相当于带有外间隙的氧化锌避雷器。安装时，绝缘层不需 剥开，在运行中，平时是不承受运行电压的，因而使用寿 命较长，也可免维护。缺点：它仅能防护雷电过电压。
三、线路耐雷性能的分析计算
(一)绕击导线 雷闪绕过避雷线直接击中导 线的概率，称为绕击率Pα 。 Pα之值与避雷线对边相导 线的保护角α、杆塔高度ht 及线路通过地区的地形地貌 等因素有关。 平原线路 山区线路
lg P
lg P
ht
86
ht
86
3.9
3.35
绕击跳闸次数
电力系统防雷保护
电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等 各个环节。
第一节 架空输电线路防雷保护
输电线路耐雷性能的若干指标 线路雷害事故发展过程及防护措施
线路耐雷性能的分析计算
一、输电线路耐雷性能的若干指标
一条100km长的架空输电线路在一年中遭到数十次雷击。 线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的 比重。 每100km线路的年落雷次数N
u
' i (c)
ui ( c ) (1
hg hc
k0 )
ui ( c ) - 无避雷线时的感应雷击过电压 k0 - 导、地线间的几何耦合系数
4、线路本身的工频电压u2 作用在绝缘子串上的合成电压 uli ua u1 ui' (c) u2
• 采用裸导线时，当受到雷击后（包括直接雷和 感应雷），会引起线路闪络。此时，工频续流引起 的电弧由于受到电磁力的作用，使电弧向导线落雷 点的两侧迅速流动，雷电流经过开关、变压器等设 备处的避雷器迅速流入大地，或在工频电流烧断导 线之前，引起跳闸，因而很少发生断线事故。 • 当绝缘导线遭受雷击时，情况就完全不同，雷 电过电压引起绝缘子闪络，并击穿导线的绝缘层。 • 击穿点附近的绝缘物，阻碍了电弧沿着导线表 面向两侧移动。因而，电弧只能在击穿点燃烧。高 达数千安培的工频电弧电流集中在绝缘击穿点上， 并在断路器跳闸之前很快就把导线熔断。
小 结
通常采用耐雷水平和雷击跳闸率来表示一条线路的耐 雷性能和所采用防雷措施的效果。 输电线路常采用避雷线、降低杆塔接地电阻、加强线 路绝缘等措施来进行防雷。
可按雷击点的不同把线路的落雷分为三种情况：绕击 导线、雷击档距中央的避雷线和雷击杆塔。
n2 N P （次/年） P 2
N – 年落雷总数 P – 绕击率
P2 – 超过绕击耐压水平 I 2的雷电流 – 建弧率
(二)雷击档距中央的避雷线 雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时。 真正击中档距中央避雷线的概率只有10%左右。
U A Z g l a / 4v 雷击点电压最大值 可见UA仅仅取决于它的波前陡度a，而与雷电流无关。
（二）降低杆塔接地电阻 提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆 塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。（具体值见p179表
8-2）
（三）加强线路绝缘
增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、 增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。 优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐 雷水平。 （四）耦合地线 作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导 地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和 降低雷击跳闸率。
二、 线路雷害事故发展过程及防护措施
• 架空输电线路雷害事故的发展过程及相应的防护 措施
避雷线
提高耐雷 水平措施
降低建弧 率的措施
自动重合闸
雷电 放电
雷电 过电压
线路绝缘 冲击闪络
工频 电弧
断路器 跳闸
供电 中断
图8-1 线路雷害事故的发展过程及相应的防护措施
(一)避雷线（架空地线） 输电线路上采用的各种防雷保护措施： 110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设 避雷线； 作用：避免雷电直接击中导线而产生极高的雷电过 电压；提高线路的耐雷水平。 保护角：110-220KV 200-300；500KV以上≤150 35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重 合闸来进行防雷保护。
雷电流超过了线路耐雷水平，只会引起冲击闪络，只 有在冲击闪络之后还建立工频电弧，才会引起线路跳 闸。 由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率 ( ),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压 梯度有关。可由下式求得
(4.5E 0.75 14) 102
E-绝缘子串的平均工作电压梯度
•（4）使用钳位绝缘子 • 在绝缘导线固定处剥开绝缘层，架装引弧放电间隙与 特别设计的金属线夹。当雷击闪络时，引发的工频续流在该 金属线夹与绝缘子下金属脚间燃弧，直至被线路开关跳闸切 断，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。该方法的效果较 好，成本也不太高。 •缺点：当雷击闪络时，工频电弧要把电瓷伞裙烧蚀损坏， 需及时更换绝缘子；安装时要剥开绝缘层，易使线芯进水， 容易受腐蚀；要定制钳位金属线夹配套安装在各厂各规格的 支柱绝缘子上，采购及施工较麻烦。 •（5）使用穿刺式防弧金具 • 其原理为：将该金具安装在线路绝缘子附近负荷一侧 （背离电源侧）的绝缘导线上，当雷电过电压超过一定数值 时，在防弧金具的穿刺电极和接地电极之间引起闪絡，形成 短路通道，接续的工频电弧便在防弧金具上燃烧，以保护导 线免于烧伤。 •在单向供电的老线路上采用此产品效果较好，安装方便， 造价相对低一些，而环网供电的线路则需二侧安装造成工程 及费用增加和线路不简洁，鸟类较多地区易受侵袭接地。
b 4h N Td 10
[次/(100km.年)]
为地面落雷密度 b为两根避雷线之间的距离；h为避雷线的平均对地高度 Td为雷暴日数
1、耐雷水平（ I ） 耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络 的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅 值，单位为kA。 我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值 见表8-1
线路杆塔分流系数 2、塔顶电压utop沿着避雷线传播而在导线上感应出来 的电压u1。与上一分量ua相似，杆塔电流it造成的塔顶 电位
utop ( Ri i Lt di ) dt
u1 kutop
3、雷击塔顶而在导线上产生的感应雷击过电压
•
架设耦合地线是防雷直击杆塔闪络的措施之一，对绕 击并没有什么作用。
• 定义：耦合地线是加挂在导线下面，主要是针对于土壤电 阻率较高，接地电阻降不下来的线路。 • 架设耦合地线的作用原理是： 一是增大避雷线与导线之间的耦合系数,从而减少绝 缘子串两端电压的反击电压和感应电压的分量; • 二是增大雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。 现从运行经验来观察其防雷效果，架耦合线后,跳闸 率降低46％。
• （6）采用长闪络避雷器（LFA） • 对于中性点非直接接地的配电系统，当线路 的工作电压与闪络路径长度的比值（即电场强度 E，E=Uph/L）减小时，由雷电闪络发展为工频 续流的可能性将大为减小。利用上述的思想，俄 罗斯学者提出了采用长闪络避雷器，解决配电线 路绝缘导线的雷击断线问题。 • （7）加局部绝缘层的厚度 • 从许多绝缘导线遭雷击后断线的事故调研， 发现了一个十分明显的规律：断线的部位，几乎 全部都处于离开绝缘子（100-300）mm范围之内， 如果在这局部范围内增加绝缘厚度，也可以防止 击穿。但是，这个方法在实际工作中，不易实现。
(三)雷击杆塔 击杆率：雷击杆塔次数与落雷总数的比值。
注入线路的总电流即为雷电流 i it ig
ig 为流经避雷线的分流。 it 为流经杆塔的电流，
线路绝缘子串上所受到的雷电过电压包括四个分量： 1、杆塔电流it在横担以下的塔身电感La和杆塔冲击接 地电阻Ri上造成压降，使横担具有一定的对地电位
•
来自百度文库
• (五)消弧线圈
• 能使雷电过电压所引起来的一相对地冲击闪络不转变成稳 定的工频电弧，即大大减小建弧率和断路器的跳闸次数。
•
(六)管式避雷器
• 仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防 雷保护。它能免除线路绝缘的冲击闪络，并使建弧 率降为零。 • (七)不平衡绝缘 • 一回路的三相绝缘子片数少于另一路的三相。 • (八)自动重合闸 • 线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化。
• 3.2 国内外防止绝缘导线雷击断线和雷击跳闸的防治措施 • （1）架设架空避雷线 • 利用架空避雷线的屏蔽作用来保护输电线路，是一种传统 的有效方法。该方法的效果较好，而且可以免除维护； • 缺点：a）投资成本较高；b）防止绕击的效果较差，易 使线遭受反击。 • （2）安装氧化锌避雷器 • 采用氧化锌避雷器，可以有效地截断工频续流，限制雷过 电压和配电线路的感应过电压。 • 缺点：a）保护范围小；b）全线装设的投资成本较大 （但人行道，大门口等地域根据有关规定不允许全线装 设）；c）必须剥开绝缘层，导致线芯浸水，有可能使导 线内部的线芯受腐蚀；d）避雷器阀片长期承受工频电压， 容易老化。 • （3）安装线路过电压保护器 • 相当于带有外间隙的氧化锌避雷器。安装时，绝缘层不需 剥开，在运行中，平时是不承受运行电压的，因而使用寿 命较长，也可免维护。缺点：它仅能防护雷电过电压。
三、线路耐雷性能的分析计算
(一)绕击导线 雷闪绕过避雷线直接击中导 线的概率，称为绕击率Pα 。 Pα之值与避雷线对边相导 线的保护角α、杆塔高度ht 及线路通过地区的地形地貌 等因素有关。 平原线路 山区线路
lg P
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86
3.9
3.35
绕击跳闸次数
电力系统防雷保护
电力系统的防雷保护包括了线路、变电所、发电厂等 各个环节。
第一节 架空输电线路防雷保护
输电线路耐雷性能的若干指标 线路雷害事故发展过程及防护措施
线路耐雷性能的分析计算
一、输电线路耐雷性能的若干指标
一条100km长的架空输电线路在一年中遭到数十次雷击。 线路的雷击事故在电力系统总的雷害事故中占有很大的 比重。 每100km线路的年落雷次数N
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ui ( c ) - 无避雷线时的感应雷击过电压 k0 - 导、地线间的几何耦合系数
4、线路本身的工频电压u2 作用在绝缘子串上的合成电压 uli ua u1 ui' (c) u2
• 采用裸导线时，当受到雷击后（包括直接雷和 感应雷），会引起线路闪络。此时，工频续流引起 的电弧由于受到电磁力的作用，使电弧向导线落雷 点的两侧迅速流动，雷电流经过开关、变压器等设 备处的避雷器迅速流入大地，或在工频电流烧断导 线之前，引起跳闸，因而很少发生断线事故。 • 当绝缘导线遭受雷击时，情况就完全不同，雷 电过电压引起绝缘子闪络，并击穿导线的绝缘层。 • 击穿点附近的绝缘物，阻碍了电弧沿着导线表 面向两侧移动。因而，电弧只能在击穿点燃烧。高 达数千安培的工频电弧电流集中在绝缘击穿点上， 并在断路器跳闸之前很快就把导线熔断。
小 结
通常采用耐雷水平和雷击跳闸率来表示一条线路的耐 雷性能和所采用防雷措施的效果。 输电线路常采用避雷线、降低杆塔接地电阻、加强线 路绝缘等措施来进行防雷。
可按雷击点的不同把线路的落雷分为三种情况：绕击 导线、雷击档距中央的避雷线和雷击杆塔。
n2 N P （次/年） P 2
N – 年落雷总数 P – 绕击率
P2 – 超过绕击耐压水平 I 2的雷电流 – 建弧率
(二)雷击档距中央的避雷线 雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时。 真正击中档距中央避雷线的概率只有10%左右。
U A Z g l a / 4v 雷击点电压最大值 可见UA仅仅取决于它的波前陡度a，而与雷电流无关。
（二）降低杆塔接地电阻 提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆 塔的工频接地电阻一般为10～30Ω。（具体值见p179表
8-2）
（三）加强线路绝缘
增加绝缘子串中的片数、改用大爬距悬式绝缘子、 增大塔头空气间距等等，但有相当大的局限性。 优先采用降低杆塔接地电阻的办法来提高线路耐 雷水平。 （四）耦合地线 作为一种补救措施，具有一定的分流作用和增大导 地线之间的耦合系数，因而能提高线路的耐雷水平和 降低雷击跳闸率。
二、 线路雷害事故发展过程及防护措施
• 架空输电线路雷害事故的发展过程及相应的防护 措施
避雷线
提高耐雷 水平措施
降低建弧 率的措施
自动重合闸
雷电 放电
雷电 过电压
线路绝缘 冲击闪络
工频 电弧
断路器 跳闸
供电 中断
图8-1 线路雷害事故的发展过程及相应的防护措施
(一)避雷线（架空地线） 输电线路上采用的各种防雷保护措施： 110kV及以上架空输电线路防雷措施是沿全线架设 避雷线； 作用：避免雷电直接击中导线而产生极高的雷电过 电压；提高线路的耐雷水平。 保护角：110-220KV 200-300；500KV以上≤150 35kV及以下的线路主要依靠架设消弧线圈和自动重 合闸来进行防雷保护。
雷电流超过了线路耐雷水平，只会引起冲击闪络，只 有在冲击闪络之后还建立工频电弧，才会引起线路跳 闸。 由冲击闪络转变成稳定工频电弧的概率为建弧率 ( ),它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运动电压 梯度有关。可由下式求得
(4.5E 0.75 14) 102
E-绝缘子串的平均工作电压梯度
•（4）使用钳位绝缘子 • 在绝缘导线固定处剥开绝缘层，架装引弧放电间隙与 特别设计的金属线夹。当雷击闪络时，引发的工频续流在该 金属线夹与绝缘子下金属脚间燃弧，直至被线路开关跳闸切 断，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。该方法的效果较 好，成本也不太高。 •缺点：当雷击闪络时，工频电弧要把电瓷伞裙烧蚀损坏， 需及时更换绝缘子；安装时要剥开绝缘层，易使线芯进水， 容易受腐蚀；要定制钳位金属线夹配套安装在各厂各规格的 支柱绝缘子上，采购及施工较麻烦。 •（5）使用穿刺式防弧金具 • 其原理为：将该金具安装在线路绝缘子附近负荷一侧 （背离电源侧）的绝缘导线上，当雷电过电压超过一定数值 时，在防弧金具的穿刺电极和接地电极之间引起闪絡，形成 短路通道，接续的工频电弧便在防弧金具上燃烧，以保护导 线免于烧伤。 •在单向供电的老线路上采用此产品效果较好，安装方便， 造价相对低一些，而环网供电的线路则需二侧安装造成工程 及费用增加和线路不简洁，鸟类较多地区易受侵袭接地。
b 4h N Td 10
[次/(100km.年)]
为地面落雷密度 b为两根避雷线之间的距离；h为避雷线的平均对地高度 Td为雷暴日数
1、耐雷水平（ I ） 耐雷水平是指雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络 的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅 值，单位为kA。 我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值 见表8-1