1、8.3 電力系統(tǒng)防雷保護 電力系統(tǒng)的防雷保護包括了線路、變電所、發(fā)電廠等各個環(huán)節(jié)。本節(jié)內(nèi)容：8.3.1 輸電線路的防雷保護8.3.2 發(fā)電廠和變電所的防雷保護8.3.1 輸電線路的防雷保護一、概述1.線路防雷的重要性（1）雷擊是線路跳閘的主要原因（2）雷電波進入變電所，會給電力設(shè)備帶來危害2.防雷性能 耐雷水平（單位：KA）：雷擊線路時線路絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值。（耐雷水平防雷性能，閃絡(luò)發(fā)生的機會小） 雷擊跳閘率（單位：次/ l00km40雷電日） ：折算為統(tǒng)一的條件下，因雷擊而引起的線路跳閘的次數(shù)（每年40個雷暴日、100km線路長度）。考慮線路通過地區(qū)的雷電活動強度，該線路的重要性

2、，以及防雷投資，與提高線路耐雷性能所得到的經(jīng)濟效益等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，采取合理措施，以使輸電線路達到規(guī)程規(guī)定的耐雷水平值的要求，盡可能降低雷擊跳閘率。3.輸電線路防雷的任務(wù)： 采用技術(shù)上與經(jīng)濟上的合理措施，使系統(tǒng)雷害降低到運行部門能夠接受的程度，保證系統(tǒng)安全可靠運行。 4.雷擊過電壓的分類雷擊線路附近地面 雷擊塔頂 雷擊檔距中央的避雷線 雷擊導(dǎo)線 感應(yīng)雷過電壓直擊雷過電壓繞擊反擊按雷擊線路部位的不同,直擊雷過電壓分為:雷擊線路桿塔或避雷線時,雷電流通過雷擊點阻抗使該點對地電位大大升高,當雷擊點與導(dǎo)線間的電位差超過線路絕緣的沖擊放電電壓時,就會對導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò),使導(dǎo)線出現(xiàn)過電壓.因為這時桿塔

3、或避雷線的電位反而高于導(dǎo)線,稱為反擊.雷電直接擊中導(dǎo)線(無避雷線時)或繞過避雷線擊中導(dǎo)線(屏蔽失效),直接在導(dǎo)線上引起過電壓,稱為繞擊.雷擊線路造成的危害:使線路發(fā)生短路接地故障.雷電作用時間很短,但導(dǎo)線對地發(fā)生閃絡(luò)后,工頻電壓將沿此閃絡(luò)通道放電,發(fā)展成工頻電弧接地.導(dǎo)致繼電裝置動作,影響線路正常送電.形成沿輸電線路侵入變電站的雷電波,使電力設(shè)備承受很高的過電壓,以致設(shè)備絕緣破壞,造成停電事故.二、輸電線路的感應(yīng)雷過電壓先導(dǎo)放電階段 主放電階段復(fù)習(xí)：感應(yīng)雷過電壓的產(chǎn)生，大小和特點感應(yīng)過電壓的特點感應(yīng)雷過電壓的極性與雷云的極性相反；相鄰線路產(chǎn)生相同極性的感應(yīng)雷過電壓，相間不存在電位差，只會發(fā)生對

4、地閃絡(luò)，但也會轉(zhuǎn)化為相間閃絡(luò)事故；感應(yīng)過電壓幅值一般不超過300400kV，35kV及以下水泥桿塔出現(xiàn)閃絡(luò)事故，110kV及以上線路一般不會出現(xiàn)威脅。線路感應(yīng)雷過電壓靜電場突然消失靜電分量主放電產(chǎn)生脈沖磁場靜電分量（1）地面雷擊點距離導(dǎo)線的距離S65m時 可用I100kA進行估算。一般認為Ui300400kV。（2）S65m時（2）S50m有避雷線時的感應(yīng)雷過電壓：我國110KV及以上線路一般全線都裝設(shè)避雷線。以中性點直接接地系統(tǒng)為例雷擊桿塔頂端（反擊）雷擊避雷線擋距中間雷繞過避雷線擊于導(dǎo)線（繞擊）1三. 輸電線路的耐雷水平（直擊雷過電壓）有避雷線時的直擊雷過電壓1.雷擊桿塔塔頂時的過電壓和耐

5、雷水平 雷擊桿塔的次數(shù)與避雷線的根數(shù)和經(jīng)過地區(qū)的地形有關(guān)，雷擊桿塔次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)的比值稱為擊桿率g，DL/T 6201997標準，擊桿率g可采用表8-5所列數(shù)據(jù)。表8-5 桿率g避雷線根數(shù)12平原1/41/6山丘1/31/4雷擊塔頂前，雷電通道的負電荷在桿塔及架空地線上產(chǎn)生感應(yīng)正電荷；當雷擊塔頂時，雷通道中的負電荷與桿塔及架空地線上的正感應(yīng)電荷迅速中和形成雷電流。圖8-22 （a）雷擊塔頂時雷電流的分布(b)雷擊塔頂時等值電路對于一般高度(40m以下)的桿塔，不考慮雷電通道的波阻抗雷電流雷電流經(jīng)避雷線分流的雷電流經(jīng)避雷線分流的雷電流流經(jīng)桿塔的電流流經(jīng)桿塔的電流桿塔的等效電感被擊桿塔的沖擊

6、等效接地電阻桿塔兩側(cè)相鄰避雷線的電感并聯(lián)值（H）單避雷線0.67L雙避雷線0.42LL為檔距長度大部分雷電流經(jīng)被擊桿塔及其接地電阻流入大地小部分雷電流經(jīng)過避雷線由兩相鄰桿塔入地 該種方式產(chǎn)生的雷電過電壓最高，對于引起絕緣子閃絡(luò)而言是最嚴重的。 由于避雷線的分流作用，流經(jīng)桿塔入地的電流it：=0.860.92（桿塔分流系數(shù)）（1）塔頂電位的計算utop 當有避雷線時：當無避雷線時： 由上面的分析可知，由于避雷線的分流作用，降低了雷擊塔頂時塔頂?shù)碾娢弧?與塔頂相連的避雷線的電位也是utop。以kA/s為單位的雷電流平均陡度值，即 = I / 2.6（2）導(dǎo)線電位的計算Uc 導(dǎo)線的電位分為兩部分（忽

7、略導(dǎo)線上的隨機工作電壓），分別是避雷線與導(dǎo)線的耦合電壓（與雷電流同極性）和導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓（與雷電流反極性）。注：k=k0k1為耦合系數(shù)（3）絕緣子串兩端電壓的計算uli 絕緣子串兩端電壓為塔頂電壓和導(dǎo)線電位電壓之差對于以上公式的說明：各電壓分量的幅值均在同一時刻出現(xiàn)；沒有計入系統(tǒng)工作電壓；絕緣子上端電壓用桿塔頂端電位代替，忽略塔頂和橫擔間的電位差；將utop電壓波沿避雷線傳播而在導(dǎo)線上產(chǎn)生的耦合電壓波的耦合作用系數(shù)與避雷線對電壓波的屏蔽作用而在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓的耦合作用系數(shù)視為同一個k值處理。 當uli大于絕緣子串50%沖擊放電電壓U50%時，絕緣子串將發(fā)生閃絡(luò)（反擊），與其相對應(yīng)的雷

8、電流幅值I為此線路雷擊桿塔時的耐雷水平（反擊耐雷水平）I1。由分析可知，有避雷線的線路耐雷水平得到提高。當無避雷線時：（4）提高線路反擊耐雷水平的措施增大耦合系數(shù)K 將單避雷線改為雙避雷線，加強架空地線，可減小絕緣子串上的電壓和感應(yīng)雷擊過電壓。降低Ri（降低Ri便可以減小塔頂電位。）加強線路絕緣（提高U50%。）降低桿塔分流系數(shù) 常用措施是將單避雷線改為雙避雷線或在導(dǎo)線下方加裝耦合地線。 主要采用措施1和措施2。有避雷線線路耐雷水平（2）雷擊避雷線檔距中央雷擊于避雷線最嚴重的情況。 雷擊避雷線檔距中央時，雷擊點會出現(xiàn)較大的過電壓，如圖8-23所示，根據(jù)彼德遜法則，由教材中公式（8-15），雷擊

9、點A的電壓為： 式中 避雷線的波阻抗 圖8-23 雷擊避雷線檔距中央1避雷線 2導(dǎo)線若雷電流取斜角波頭則i=t雷擊點的最高電位出現(xiàn)在 雷擊點電壓的最大值為： A點與導(dǎo)線空氣間隙絕緣上所承受的最大電壓為：我國規(guī)定的一般擋距的線路，在擋距中央導(dǎo)線、地線的最小空氣距離為： 只要s滿足上述要求，便可保證雷擊于此位置時，線路不會跳閘。 雷擊點電壓的最大值為： A點與導(dǎo)線空氣間隙絕緣上所承受的最大電壓為：近似計算（3）雷電繞擊于導(dǎo)線時的耐雷水平 裝設(shè)避雷線的線路仍然有雷繞過避雷線而擊于導(dǎo)線的可能性，雖然繞擊的概率很小，但一旦出現(xiàn)此情況，則往往會引起線路絕緣子的閃絡(luò)。雷電繞擊線路的電氣幾何模型如圖8-24所

10、示。 圖8-24 雷電繞擊線路的電氣幾何模型（a）繞擊率P的計算（b）雷擊過電壓的計算雷擊點電壓為：Z=400Z0200平原線路：山區(qū)線路：（c）線路的繞擊耐雷水平為： 雷繞擊的耐雷水平較雷擊桿塔的小很多。避雷線對邊導(dǎo)線的保護角桿塔高度=2i0例:對于500kV線路,一般懸掛28片電瓷絕緣子,絕緣子串長4.4m,負極性U50 2750kV,則耐雷水平I耐 U50/100=27.5kA.計算雷電流幅值超過I的概率P 由我國電力行業(yè)標準推薦,我國一般地區(qū)雷電流幅值超過I的概率P的計算公式: P=10-I/88 48.7% 可見發(fā)生雷擊的概率很高,耐雷水平太低.電壓等級低一些的線路耐雷水平將更低.如

11、110kV和220kV輸電線路的耐雷水平分別只有7kA和12kA,因此發(fā)生雷擊的概率更高.因此,對于110kV及以上線路,一般要求全線架設(shè)避雷線,以防止線路頻繁跳閘.當雷閃放電造成線路產(chǎn)生雷電過電壓時,若雷電流超過對應(yīng)的耐雷水平,則導(dǎo)致線路絕緣發(fā)生閃絡(luò).但是雷電過電壓的持續(xù)時間很短(幾十微秒),高壓開關(guān)還來不及跳閘.只有當沖擊閃絡(luò)后的閃絡(luò)通道發(fā)展成穩(wěn)定的工頻電弧時,才會導(dǎo)致線路跳閘.這些過程具有隨機性,工程上采用雷擊跳閘率作為綜合指標,來衡量線路防雷性能的優(yōu)劣.四. 輸電線路的雷擊跳閘率 引起輸電線路雷擊跳閘需要滿足以下兩個條件：雷電流超過線路耐雷水平，引起線路絕緣沖擊閃絡(luò)；短暫雷電波過去后，

12、沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧，導(dǎo)線上將產(chǎn)生工頻短路電流，造成線路跳閘停電。 若不轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電弧將不會跳閘。雷擊跳閘率的計算建弧率：閃絡(luò)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的工頻電弧的概率，與沿絕緣子串和空氣間隙的平均運行電壓梯度有關(guān)。可用下式表示：式中：E絕緣子串的平均運行電壓梯度，kV(有效值)/m。 雷擊次數(shù)：地面落雷密度為 0.07，如果取每年40個雷暴日作為標準值，每年l00km輸電線路受到的雷擊次數(shù)（次/ (100km40雷電日)）為： h是上導(dǎo)線的平均高度，b為避雷線之間的寬度 反擊跳閘率n1（次/ 100km40雷電日 ）雷擊次數(shù)擊桿率建弧率雷電流幅值大于雷擊塔頂?shù)哪屠姿?I1 的概率 繞擊跳閘率n2（次

13、/ 100km40雷電日 ）雷擊次數(shù)繞擊率建弧率雷電流幅值大于雷繞擊的耐雷水平 I2 的概率電壓等級（kV）500330220110雷擊桿塔時耐雷水平（kA）125 175100 15075 11040 75平原跳閘率（次/百公里年）0.0810.1210.2520.833山區(qū)跳閘率（次/百公里年）0.17 0.420.27 0.600.43 0.951.18 2.01架空輸電線路典型桿塔的耐雷水平及雷擊跳閘率線路雷擊跳閘率 線路雷擊跳閘率為反擊跳閘率和繞擊跳閘率之和。例：平原地區(qū)220kV雙避雷線，絕緣子串的正極性沖擊放電電壓U50%為150kV，桿塔沖擊接地電阻為7歐姆，避雷線與輸電線路的

14、平均高度分別為24.5m和15.4米，耦合系數(shù)為0.286，桿塔的等值電感為0.5uH/m，分流系數(shù)為0.88，擊桿率為1/6，繞擊率為0.144%，建弧率為0.8.要求計算線路的耐雷水平及跳閘率。解：（1）計算反擊耐雷水平桿塔高度為ht=3.5+2.2+23.4=29.1m桿塔電感Lt=0.529.1=14.5uH由我國雷電流概率曲線查得P1=8.4%（2）計算繞擊耐雷水平由我國雷電流概率曲線查得P2=71.7%（3）線路的雷擊跳閘率為 n=2.8hg(gP1+PaP2) =2.824.5(1/68.4%0.144%71.7%)0.8 =0.82次/（100km40雷暴日）線路的耐雷水平：例

15、10-1 某 220kV 線路，假定桿塔沖擊接地電阻 Rch = 7，絕緣串由 13 片 X-7組成。其正極性沖擊放電電壓 U50% 為 1410kV，負極性沖擊放電電壓 U50% 為 1560kV。架設(shè)雙避雷線，避雷線弧垂為 7m ，導(dǎo)線弧垂為 12m ，避雷線半徑為 5.5mm 。求該線路的耐雷水平及雷電跳閘率。解：1計算幾何參數(shù)（l）避雷線與導(dǎo)線的平均高度 （2）避雷線對外側(cè)導(dǎo)線的耦合系數(shù) （3）桿塔電感 Lgt2雷擊塔頂時分流系數(shù)查表 3雷擊塔頂時的耐雷水平 I15計算繞擊耐雷水平I2 4雷電流超過 I1 的概率6雷電流超過 I2 的概率7擊桿率 g，繞擊率 pa ，建弧率 8線路的雷

16、電跳閘率 n次/ (100km40雷電日) 五 輸電線路防雷的措施（“四道防線”）： 防止雷直擊導(dǎo)線 沿線架設(shè)避雷線，有時還要裝避雷針與其配合(2) 防止雷擊塔頂或避雷線后引起絕緣閃絡(luò) 降低桿塔的接地電阻，增大耦合系數(shù)，適當加強線路絕緣，在個別桿塔上采用避雷器等(3) 防止雷擊閃絡(luò)后轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧 適當增加絕緣子片數(shù)，減少絕緣子串上工頻電場強度，電網(wǎng)中采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式(4) 防止線路中斷供電 采用自動重合閘，或雙回路、環(huán)網(wǎng)供電等措施（1）架設(shè)避雷線 （2）降低桿塔接地電阻 （3）架設(shè)耦合地線 （4）采用不平衡絕緣方式 （5）采用中性點非有效接地方式 （6）裝設(shè)避雷器 （7）

17、加強絕緣 （8）裝設(shè)自動重合閘 主要保護措施：1.架設(shè)避雷線 避雷線是高壓和超高壓輸電線路最基本的防雷措施，我國規(guī)定：330kV及以上應(yīng)全線架設(shè)雙避雷線；220kV宜全線架設(shè)雙避雷線；110kV一般全線架設(shè)避雷線，但在少雷區(qū)或者雷電活動輕微地區(qū)可不全線架設(shè)避雷線；35kV及以下線路一般不沿全線架設(shè)避雷線；現(xiàn)代超高壓、特高壓或高桿塔，皆采用雙避雷線；桿塔上兩根避雷線間的距離不應(yīng)超過導(dǎo)線與避雷線間垂直距離的5倍；避雷線可采用小間隙對地絕緣，以降低正常工作時避雷線中電流引起的附加損耗，同時可以將避雷線兼作通信用。2.降低桿塔接地電阻 降低桿塔接地電阻，可降低桿塔頂端電壓，以降低反擊的發(fā)生概率。3.架

18、設(shè)耦合地線 在降低桿塔接地電阻有困難時，可在導(dǎo)線的下方架設(shè)地線，其作用為增加導(dǎo)線與避雷線間的耦合作用；增加對雷電流的分流作用。4.采用不平衡絕緣方式 對于雙回路線路的防雷措施不能滿足要求時，可采用不平衡絕緣方式降低雙回路雷擊同時跳閘率，以保證不同時中斷供電。兩回路的絕緣子串片數(shù)有一定差異，差異宜為相電壓峰值的 倍。5.采用消弧線圈接地方式 對于35kV及以下的線路，一般不采用全線架設(shè)避雷線的方式，而采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地運行方式。6.裝設(shè)自動重合閘 雷擊造成的閃絡(luò)大多能在跳閘后自動恢復(fù)絕緣性能，因此重合閘的成功率較高。我國110kV及以上高壓線路成功率為75%90%；35kV及以下線路約為50%80%。7.裝設(shè)排氣式避雷器 一般在線路交叉處和高桿塔上裝設(shè)排氣式避雷器以限制過電壓。8.加強絕緣