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輸電線路的防雷保護

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第八章 電力系統(tǒng)防雷保護

第一節(jié) 架空線路的防雷保護

衡量輸電線路防雷性能的指標(biāo)
耐雷水平(I) ：
線路遭受雷擊時，其絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值（kA）
雷擊跳閘率(n) ：每100km線路每年（40雷電日）因雷擊引起的跳閘次數(shù)（次/100km·年）
教學(xué)目標(biāo)
1.了解線路的直擊雷過電壓及其耐雷水平計算方法、掌握其特點
2.掌握耐雷水平與雷擊跳閘率影響因素
3.掌握線路防雷基本措施

架空線地處曠野、縱橫交錯，極易遭受雷擊
引起跳閘可能的過壓

直擊——繞擊（1）
擊桿頂——反擊（2）
擊避雷線檔距中央——（3）
感應(yīng)過壓——（4）

輸電線路的雷電過電壓分類
直擊雷過電壓
  雷直擊輸電線路桿塔，避雷線，導(dǎo)線，產(chǎn)生的過電壓稱為直擊雷過電壓
感應(yīng)雷過電壓
  雷擊導(dǎo)線水平距離65m以外的大地時，由于空間電磁場的急劇變化，在導(dǎo)線上感應(yīng)出的過電壓，稱為感應(yīng)雷過電壓

直擊雷
（1）雷擊輸電線路
無避雷線的線路最易發(fā)生，但即使有避雷線，雷電仍可能繞過避雷線的保護范圍而擊于導(dǎo)線（繞擊）
（2）雷擊桿塔或避雷線
桿塔電位升高，造成絕緣子閃絡(luò)，形成反擊
（3）雷擊輸電線路附近大地
S>65m 感應(yīng)雷過電壓
S<65m 直擊雷過電壓
感應(yīng)雷過電壓
    直擊雷和感應(yīng)雷過電壓產(chǎn)生的危害
（1）引起線路跳閘，影響正常供電
引起絕緣子閃絡(luò)，導(dǎo)線對地短路，工頻續(xù)流沿放電通道放電，在形成穩(wěn)定燃燒的電弧后，則繼電保護裝置將使斷路器跳閘，影響正常送電
（2）雷電波侵入變電站
侵入變電站，經(jīng)復(fù)雜的折反射后，造成電氣設(shè)備過電壓，危及設(shè)備絕緣，造成事故

送電線路防雷防線

1.  首先要保護導(dǎo)線不受雷擊．為此可以采用避雷器、避雷針或改用電纜。
　2．其次是如果避雷線受雷擊后最好不要使線路的絕緣發(fā)生閃絡(luò)。為此，需要改善避雷線的接地，適當(dāng)加強線路的絕緣，個別桿塔可以使用避雷器。
　3．第三道防線是即使線路絕緣因雷擊發(fā)生閃絡(luò)也不要轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧，即線路上不要發(fā)生短路故障，所以不會跳閘。為此應(yīng)該減少絕緣上的工頻電場強度或電網(wǎng)中性點采用不直接接地的方式。
　4．最后一道防線是即使跳閘也不要中斷電力的供應(yīng)。為此，可以采用自動重合閘裝置，或用雙回路或環(huán)網(wǎng)供電。
感應(yīng)雷過電壓
感應(yīng)雷過電壓= 靜電分量＋電磁分量
感應(yīng)雷過電壓大小

避雷線對感應(yīng)雷過電壓有屏蔽作用，可使導(dǎo)線感應(yīng)過壓↓（1-K）倍

無避雷線時：

有避雷線時：

感應(yīng)雷過電壓特點
幅值≤500KV（僅對35 KV及以下系統(tǒng)有威脅） 
極性與雷電流極性相反
三相導(dǎo)線上同時出現(xiàn)
上升速度較慢，波頭幾～幾十μs
雷擊桿塔時導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓
桿塔有引雷作用，故S<65m的雷擊會被吸引到桿塔
α為感應(yīng)系數(shù)（kV/m)取值為雷電流陡度（ α =I/2.6μs）
 k為避雷線和導(dǎo)線的耦合系數(shù)
     無避雷線

有避雷線

二、輸電線路直擊雷過電壓和耐雷水平
雷擊導(dǎo)線： a. 無避雷線，35kV及以下系統(tǒng)
           b. 有避雷線，繞擊

1.繞擊率Pα ：雷繞過避雷線擊于導(dǎo)線的概率

平原

山區(qū)

2.雷擊導(dǎo)線時的過電壓

規(guī)程規(guī)定：
Z0≈Z/2  （閃絡(luò)路徑波阻抗）
UA=IZ/4   取Z=400Ω（導(dǎo)線波阻抗），
則UA=100I
耐雷水平
UA 與 U50% 比較，是否閃絡(luò)?
則雷擊導(dǎo)線時的耐雷水平為：
  I= U50% /100（kA） 
U50%為絕緣子串沖擊放電電壓

例題
雷電流超過7kA的概率為86.5％

110kV線路每串6－7片絕緣子，U50%=700kV

故耐雷水平  I=
  
  雷電流概率
7kA
各級線路應(yīng)有的耐雷水平
雷直擊相應(yīng)電壓等級導(dǎo)線時	35kV	220kV
	330kV	500kV
耐雷水平	3.5 kA	 12 kA	16 kA	27.4 kA
超過耐雷水平雷電流概率	91.2%	73.1%	65.8%	48.8%
雷直擊導(dǎo)線會引起幾乎所有電壓等級的線路絕緣子閃絡(luò)，我國110kV及以上線路需全線架設(shè)避雷線

導(dǎo)線電位
（1）負(fù)極性雷電流沿桿塔向下和避雷線兩側(cè)傳播，使塔頂電位升高，并通過電磁耦合使導(dǎo)線電位升高
（2）雷擊桿塔，在導(dǎo)線上產(chǎn)生與負(fù)極性雷電流極性相反的正極性感應(yīng)過電壓

雷擊桿塔塔頂時的過電壓和耐雷水平
雷電流 iL=ib+igt      igt=βiL       β為分流系數(shù)
塔頂和避雷線電位最大值uA=βI（Rch+Lgt/2.6 ）
平行導(dǎo)線上電位：
                （1）耦合波分量 kuA→與雷電流極性相同 
                （2）雷擊桿塔在導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓
                           αh（1－k）  →與雷電流極性相反
                     ∴uc=kuA- αh（1－k） 
絕緣子串電壓  ui=uA-uc
               最高值
ui      u50％
u50%為正極性沖擊放電電壓
雷擊塔頂反擊時的耐雷水平：
提高耐雷水平的主要措施：
（1）降低桿塔接地電阻Rch
（2）增大耦合系數(shù)k
（3）減小分流系數(shù)β
（4）加強線路絕緣
一般高度桿塔其壓降是塔頂電位主要分量
采用雙避雷線架裝耦合地線
增加絕緣子片數(shù)采用更好的絕緣材料     u50%
三、雷擊避雷線檔距中央時的過電壓
需校核避雷線與導(dǎo)線間的空氣間隙S能否被擊穿
規(guī)程規(guī)定：S=0.012l+1（m）
三、 輸電線路的雷擊跳閘率
引起
感應(yīng)雷直擊雷
過電壓的雷電流>耐雷水平
絕緣沖擊閃絡(luò)
是否跳閘？
沖擊閃絡(luò)持續(xù)時間只有幾十μs，繼電保護和斷路器根本來不及動作，雷電流過后，工頻電壓所產(chǎn)生的工頻電流（工頻續(xù)流）以電弧的形式流過閃絡(luò)通道，若電弧穩(wěn)定燃燒才會使繼電保護動作，斷路器跳閘                 
沖擊閃絡(luò)
穩(wěn)定工頻電弧
必要條件
充分條件
雷擊跳閘
a.弧道中的平均電場強度b.閃絡(luò)瞬間工頻電壓值（相位）c.去游離條件（氣溫、風(fēng)速等）              具有隨機性
工程上用建弧率η表示沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定工頻電弧的概率
式中：E為弧道中平均電場強度（kV/m）
中性點直接接地系統(tǒng)，單相短路電流大易建立起穩(wěn)定電弧
中性點非直接接地系統(tǒng)，單相短路電流小，不會建立穩(wěn)定的電弧，只有相間短路時短路電流很大極易建立穩(wěn)定燃燒的電弧
l1為絕緣子串長度  l2為木或瓷橫擔(dān)長度  金屬橫擔(dān)l2＝0
一般：E≤6 kV/m（有效值）可認(rèn)為η＝0
雷擊跳閘率n的計算
                   1.雷擊桿塔跳閘率n1
每100km線路每年（40雷電日）落雷次數(shù)
                                                            N＝0.28（b+4hb)
擊桿率g
      避雷線根數(shù)

地    形	0	1	2
平           原	1/2	1/4	1/6
山           區(qū)	－	1/3	1/4
雷擊桿塔時的耐雷水平為I1，雷電流幅值超過I1的概率為P1         
           故：   n1=0.28（b＋4hb）gηP1   （ η為建弧率）

2.繞擊導(dǎo)線的跳閘率n2

繞擊率為Pα，繞擊時耐雷水平為I2，雷電流超過耐雷水平I2的概率為P2
      故：n2=0.28（b+4hb）ηPαP2
所以線路雷擊跳閘率n為
n =n1+n2=0.28(b+hb)η(gP1+PαP2)   （次/100km.年）
輸電線路的防雷措施
一、架設(shè)避雷線
作用：a.減少雷直擊導(dǎo)線b.分流作用降低塔頂電位c.屏蔽
      作用降低感應(yīng)過電壓
規(guī)程規(guī)定：
  a.220kV及以上全線雙避雷線（α＝200）
  b.110kV除少雷區(qū)外全線架設(shè)避雷線（α＝200－300）
二、降低桿塔接地電阻
    一般高度桿塔特別有效
三、架設(shè)耦合地線
    降低接地電阻困難時采用，有屏蔽和分流作用

四、采用不平衡絕緣方式：       同桿雙回線路采用
五、裝設(shè)自動重合閘
六、采用消弧線圈接地運行方式
七、線路薄弱處裝設(shè)管型避雷器
八、加強絕緣
       高桿塔增加絕緣子片數(shù)
九、加裝線路型避雷器
第十章 發(fā)電廠和變電站的防雷保護
發(fā)電廠是產(chǎn)生電能的中心，變電站是分配電能的樞紐
重要：
    （1）遭雷擊受到破壞將造成大面積停電事故
    （2）發(fā)電機、變壓器是系統(tǒng)中最重要最昂貴的設(shè)備，
             且絕緣水平也較低，一旦損壞難于修復(fù)
    （3）值班運行人員的安全
所以比輸電線路防雷更加重要           需采取防雷措施
雷害來源：
（1）雷直擊發(fā)電廠和變電站的避雷針后，強大的雷電流
         在設(shè)備上a.產(chǎn)生感應(yīng)過電壓b.避雷針電位升高對設(shè)備
         反擊c.產(chǎn)生跨步電壓和接觸電壓
（2）雷擊線路后導(dǎo)線上形成雷電波侵入發(fā)電廠和變電站
防雷措施：
（1）選址時盡可能選擇少雷區(qū)
（2）采用避雷針和避雷線作為直擊雷防護
（3）采用避雷器和進(jìn)線段保護作為侵入波防護
§10－1 發(fā)電廠和變電站的直擊雷保護
避雷針和避雷線的接地
都為獨立接地體
注意校核：
（1）空氣間隙Sk
（2）土壤間隙Sd
以免反擊
另：
避雷針能否架設(shè)在構(gòu)架上問題？
線路終端桿塔避雷線能否進(jìn)變電站問題?
電壓等級
土壤電阻率
§10－2 變電站的侵入波保護
沿導(dǎo)線傳播的侵入波幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變電站內(nèi)設(shè)備絕緣水平
如：110kV線路一般7片絕緣子，閃絡(luò)電壓為700kV，而
變壓器沖擊絕緣水平為480kV，多次全波試驗保險電壓為
478kV，F(xiàn)Z-110J    U沖擊＝310kV，Ur,5=332kV
故需采用避雷器作為變電站內(nèi)侵入波的保護
一、避雷器的保護動作過程

避雷器直接并在設(shè)備旁
避雷器動作前：   ub=u(t)
動作后：
避雷器電壓
二、避雷器與變壓器間的距離對過電壓的影響
避雷器和被保護設(shè)備并在一起時，被保護設(shè)備上的過電壓
就是避雷器上的電壓，但實際工程中不可能在每臺被保護
設(shè)備上并一臺避雷器，也就是說避雷器與被保護設(shè)備存在
一定距離               距離對過電壓有影響
設(shè)備上過電壓為：
可見為了保證設(shè)備的安全，需采取如下措施：
1）限制通過避雷器的雷電流，≯5kA或10kA，降低殘壓
2）限制雷電流陡度a
3）盡量縮短避雷器與被保護設(shè)備間的電氣距離l
三、變壓器與避雷器之間的最大允許距離
由于避雷器動作以后的波的多次折反射，變壓器上的電壓為振蕩的，這種波形與全波相差較大、而與截波相似，實際中就是以變壓器承受多次截波的能力（多次截波耐壓值uj）表示承受雷電波的能力
∴變壓器上的最大沖擊電壓umax應(yīng)小于多次截波耐壓值uj

避雷器與變壓器之間的最大允許距離lmax
a’為空間陡度
結(jié)論：
（1）避雷器具有一定的保護范圍，最大允許距離lmax與
          變壓器uj和避雷器ur差值有關(guān)  uj－ur         lmax
（2）lmax與侵入波陡度a有關(guān)   a     lmax        所以要  a
（3）其它設(shè)備lmax要大35%
（4）變電站多回出線比單回出線lmax高
所以實際工程中，在變電站雷電侵入波保護設(shè)計時就是選擇避雷器的布置位置，原則是在任何可能的運行方式下，變電站內(nèi)變壓器和其它設(shè)備距避雷器的電氣距離應(yīng)小于最大允許電氣距離
四、變電站的保護接線
220kV及以下變電站保證每段可能單獨運行的母線都有一
組避雷器
500kV國內(nèi)敞開式變電站主要是雙母線帶旁路或一個半開
關(guān)的電氣主接線，由于電氣距離遠(yuǎn)，每臺避雷器只能保護
與它靠近的電氣設(shè)備
       每條單獨運行的母線需裝一組電站型避雷器
       每回出線出口的線路側(cè)需裝一組線路型避雷器
       每臺變壓器旁需裝一組電站型避雷器       
       線路入口的高壓并聯(lián)電抗器根據(jù)具體情況決定是否裝
       線路型避雷器
§10－3 變電站的進(jìn)線段保護
變電站電氣設(shè)備在雷電侵入時出現(xiàn)的過電壓為：

需限制i雷電      ur    及 需    a        u 
進(jìn)線段保護
進(jìn)線段：輸電線靠近變電站1－2km的線段
統(tǒng)計表明：變電站侵入波事故50%是1km線路落雷造成的，71％是3km線路落雷造成的
進(jìn)線段保護：加強進(jìn)線段防雷保護措施（無避雷線的架設(shè)避雷線，有避雷線減小保護角，增加絕緣子片數(shù)，加強檢查巡視）使進(jìn)線段耐雷水平高于線路其它部分，減小進(jìn)線段發(fā)生繞擊和反擊形成侵入波的概率，這樣侵入變電站的雷電波主要來自進(jìn)線段之外
侵入波經(jīng)過在進(jìn)線段上傳播時，由于沖擊電暈陡度會降
低，進(jìn)線段的波阻抗也起著限制流過避雷器的雷電流的
作用
進(jìn)線段作用：（1）限制雷電流（2）降低侵入波陡度
一、避雷器雷電流計算
進(jìn)線段以外落雷，侵入波幅值被限制在進(jìn)線段絕緣子串
的u50%，進(jìn)線段1－2km的傳播時間
 
                                                         
       故不考慮負(fù)的反射波
220kV線路絕緣子u50%=1200kV 、架空線z=400Ω 
FZ-220J避雷器ur,5=664kV
∴IBL=4.34kA<5kA      出線越多雷電流越小
330kV和500kV線路為分裂導(dǎo)線其波阻抗小些，故避雷器
雷電流取10kA
二、侵入波陡度的衰減計算
由于u50%超過了導(dǎo)線上起始沖擊電暈電壓，侵入波傳播時
會因沖擊電暈產(chǎn)生衰減和變形（陡度降低）
時間陡度

空間陡度
例：110kV終端變電站僅一回出線，進(jìn)線段導(dǎo)線平均高度
8.5m，站中變壓器距避雷器的電氣距離l=45m，進(jìn)線段
長度l0為1km，變壓器uj=478kV，F(xiàn)Z-110J的ur,5=332kV
試校核變壓器是否受到可靠保護
解：
可見變壓器能得到可靠保護
三、典型接線                                                           1、35kV及以上變電站
F3裝設(shè)原則：沖擊絕緣水平特別高的線路，如瓷（木）橫
擔(dān)或降壓運行的線路，限制侵入波幅值用
F2裝設(shè)原則：雷雨季節(jié)常有斷路器斷開、而線路帶電運行
方式，防止來波在開路的線路末端全反射造成閃絡(luò)，工頻
短路電流燒壞斷路器或隔離開關(guān)，但正常運行時，F(xiàn)2應(yīng)在
F1的保護范圍內(nèi)
2、35kV小容量變電站簡化接線
變電站面積小，避雷器與變壓器距離在10m以內(nèi)
§10－6 旋轉(zhuǎn)電機的防雷保護
一、旋轉(zhuǎn)電機防雷特點：
1）重要、昂貴、修復(fù)困難
2）絕緣易老化（固體絕緣介質(zhì)氣隙多、易損傷，且運行
              條件惡劣，受潮、振動、電動力作用）
3）沖擊耐壓低（僅為同電壓等級變壓器的1/2.5-1/4）
4）保護用的避雷器保護裕度低（a.FZ型避雷器不能保護
            b.FCD避雷器可以c.只能3kA雷電流的殘壓
            d.沖擊電壓耐壓值比殘壓僅高8－10％）
5）為降低縱絕緣壓降需將來波陡度限制在a≤5kV/μs
∴不僅要把避雷器雷電流限制在3kA以下而且需將侵入波
陡度限制在5kV/μs以下
保護措施：
1）母線上FCD型磁吹避雷器或金屬氧化物避雷器，限制
電機上的過電壓水平
2）母線上裝并聯(lián)電容器   感應(yīng)過電壓ug  侵入波陡度a
3）直配線的進(jìn)線處加裝電纜和管型避雷器
                分流  避雷器電流≯3kA
4）發(fā)電機中性點有引出線時，中性點加裝一只避雷器，
否則需加大母線并聯(lián)電容以   a
典型接線

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