1、19 9 电力系统防雷保护电力系统防雷保护耐雷水平：耐雷水平：雷击线路但不至引起绝缘闪络的最大雷电流雷击线路但不至引起绝缘闪络的最大雷电流峰值峰值( (kAkA) )。10.1 输电线路的防雷保护输电线路的防雷保护 占占电网总事故的电网总事故的60%以上。以上。 雷击跳闸事故过程：雷击跳闸事故过程：（1）线路）线路绝缘绝缘闪络；闪络；（2）形成工频电弧，跳闸；）形成工频电弧，跳闸；（3）跳闸）跳闸后线路绝缘不能恢复，则发生停电后线路绝缘不能恢复，则发生停电。2表表1 19841995年十年间俄罗斯年十年间俄罗斯500kV1150kV线路线路按照跳闸率原因分类运行数据（节选）按照跳闸率原因分类运
2、行数据（节选）跳闸原因跳闸原因500kV线路线路750kV线路线路1150kV稳定稳定跳闸数跳闸数合计合计稳定稳定跳闸数跳闸数合计合计稳定稳定跳闸数跳闸数合计合计雷电引起雷电引起的跳闸的跳闸17 (12.23%)67(17.49%)1 (5.26%)9 (23.07%)6(75.0%)16(84.21%)其它原因其它原因引起的引起的跳闸跳闸122 (87.77%)316 (82.51%)18 (94.74%)30 (76.93%)2(25.0%)3(15.79%)合计合计139 (100%)383 (100%)19 (100%)39 (100%)8 (100%)19 (100%)3感应雷击中杆
3、塔雷绕过避雷线击中导线雷击中避雷线LR反击引起的闪络直击雷和感应雷4雷 云+雷云发出的下行先导，其中有大量负电荷下行先导负电荷在导线上感应出束缚电荷，极性为正9 9.1.1 .1.1 输电线路感应雷过电压输电线路感应雷过电压一一 、雷击线路附近大地时、雷击线路附近大地时5雷 云+导线上束缚电荷失去束缚开始向两侧自由流动，其电流在导线波阻抗上形成过电压主放电发生后下行先导中负电荷全部被中和 静电分量：与极性相反静电分量：与极性相反 电磁电磁分量：相互垂直，较小分量：相互垂直，较小25(65)LdgIhUkVSmS 6（2 2）实际避雷线电位为）实际避雷线电位为0 0，可看成避雷线上存在，可看成避
4、雷线上存在U Ugbgb的电压，的电压，导线感应电位为导线感应电位为k k0 0U Ugbgb的，总感应的对地电压的，总感应的对地电压ShIUdLgd 25ShIUbLgb 25gddbgbUhhU000(1)(1)bgdgdgbgdgddhUUk UUkUkh 避雷线的影响（1）若）若避雷线不避雷线不接地接地7u电磁分量增大，计算方法尚有争论。电磁分量增大，计算方法尚有争论。行业标准建议，（行业标准建议，（1 1）无避雷线时，最大值）无避雷线时，最大值 a感应过电压系数(kV/m)， aIL/2.6 （2）有避雷线时有避雷线时(40 )gdddUahhm0(1)gddUahk 雷击杆塔时的感
5、应过电压雷击杆塔时的感应过电压一般不超过一般不超过500kV，仅，仅对对35kV及以下线路的绝缘有一定及以下线路的绝缘有一定威胁威胁（雷电（雷电耐受水平为耐受水平为350kV）。）。89 9.1.2 .1.2 输电线路的直击雷过电压和耐雷水平输电线路的直击雷过电压和耐雷水平9避雷线根数避雷线根数12平平 原原山山 区区1/41/31/61/4一、雷击杆塔时的反击过电压一、雷击杆塔时的反击过电压塔顶（横担）电位与导线电位差引起绝缘子串闪络反击。10chRchRgtLgtigtibL2bL22bi2biLiLibLbigtL Lgtii()gttdchgtgtLch LgtdiuRiLdtdiR
6、iLdt 2.6LLdiIadt()tdchLgtUR IaL hdhdchLhdchLgtgthUR IaLR IaLh11导线总电位幅值：0(1)bdtdddhUkUahkh 避雷线与塔顶电位避雷线与塔顶电位utd相等相等 避雷线与导线间的耦合，导线感应电位（同极性）避雷线与导线间的耦合，导线感应电位（同极性）k0utd 雷击杆塔时，导线上产生反极性的感应电位雷击杆塔时，导线上产生反极性的感应电位ahd(1-k0)12（三）（三）工程中工程中对于对于220kV及以下线路，工作电压值所占比例不大，可以忽及以下线路，工作电压值所占比例不大，可以忽略略不计。但不计。但对超高压线路而言，则不可对超
7、高压线路而言，则不可忽略。忽略。 6 . 2LIa ddbgtgthdLchdhdjahhhkaLkhhIRkUUU01)1 (6 . 216 . 2)1 (0ddbgtgthdchLjhhhkLkhhRkIU13 当当Uj大于绝缘子串的大于绝缘子串的U50%时，绝缘子串将发生闪络；时，绝缘子串将发生闪络； U50%以下端为正极性时（负极性雷）的值较低。以下端为正极性时（负极性雷）的值较低。 雷击杆塔耐雷水平：雷击杆塔耐雷水平：远离远离避雷线的避雷线的导线最具危险性。导线最具危险性。6 . 216 . 2)1 (0%501ddbgtgthdchhhhkLkhhRkUI14二、雷击避雷线挡距中央
8、时的过电压二、雷击避雷线挡距中央时的过电压避雷线的半径较小，产生强烈的避雷线的半径较小，产生强烈的电晕电晕；衰减很快，当；衰减很快，当过电压波传播到杆塔时，已不足以使绝缘子串击穿，过电压波传播到杆塔时，已不足以使绝缘子串击穿，因此因此通常只需考虑雷击点避雷线对导线的反击问题。通常只需考虑雷击点避雷线对导线的反击问题。 bZl2ASbZ0ZiL15u在反射波到达之前，可用彼得逊等值电路计算。在反射波到达之前，可用彼得逊等值电路计算。0ZiAAu2bZ00L00222bbAbbZZZ ZuiiZZZZ 最高电位时间点bbvlvlt22取斜角波头i=at ，避雷线最高电位bbbAZZZZvlaU00
9、2)1 (200kZZZZlaUbbbS间隙电压绕绕击跳闸是超、特高压线路雷击故障的主要原因。击跳闸是超、特高压线路雷击故障的主要原因。16三、绕击时的过电压和耐雷水平三、绕击时的过电压和耐雷水平psLrkI击距击距:雷电雷电先导头部与地面目先导头部与地面目标的临界击穿标的临界击穿距离距离。电气电气几何模型（几何模型（EGM） 小电流才发生绕击。小电流才发生绕击。17我国规程我国规程建议建议绕绕击概率击概率：（一）绕（一）绕击概率击概率9 . 386lggthP35. 386lggthP18（二）绕（二）绕击耐雷水平击耐雷水平200dAZZZiidddAAZZZZiZiu0022ddLAZZZ
10、ZIU002ddZZZZUI00%5022我国技术我国技术规程建议规程建议Zd2Z01004%50%502UZUId19 线路电压等级/kV35110220330500反击（击杆）耐雷水平/kA20-3040-75875-110110-150 125-175绕击耐雷水平/kA3.571216.4521.38u50%/kV350700120016452138209 9.1.3 .1.3 输电线路的雷击跳闸率输电线路的雷击跳闸率线路雷击跳闸的两个条件：线路雷击跳闸的两个条件：1雷电流超过耐雷水平雷电流超过耐雷水平2冲击电弧转换为稳定的工频电弧冲击电弧转换为稳定的工频电弧一、建弧率一、建弧率 冲击闪
11、络转化成稳定的工频电弧概率冲击闪络转化成稳定的工频电弧概率与工频弧道中的电场强度和去游离条件电场强度和去游离条件有关0.754.514%E E为绝缘子串的平均运行电压(有效值)梯度，kV/mN1U3El 对于中性点有效接地的系统：对于中性点非有效接地的系统：N12U2Ell 21二、有避雷线线路的雷击跳闸率二、有避雷线线路的雷击跳闸率1 雷击杆塔时的跳闸率雷击杆塔时的跳闸率 每100km线路每年的遭受雷击的次数为：bLb(4)1000.28(4)1000bhNTbh 次/100km年 击中杆塔引起的跳闸次数：1L1nN gP 2 雷绕击导线时的跳闸率雷绕击导线时的跳闸率2L2nN P P g为
12、击杆率，P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的概率P为绕击率，P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率，3 线路总跳闸率线路总跳闸率)(2121PPgPNnnNL22标称电压标称电压 kV500330220110杆塔型式杆塔型式保护角保护角142016.525避雷线数量避雷线数量双双双单单杆塔绝缘杆塔绝缘绝 缘 子 个数25XP216019XP110013X707X70U50%（正极性）kV213816451200700档距长度档距长度 m400400400300冲击冲击接地电阻接地电阻（ ）715715715715雷击雷击杆塔耐杆塔耐雷雷水平水平kA177125155105110766
13、341建弧率建弧率100%100%91.8%85%平原线平原线路路绕击率0.112%0.238%0.144%0.238%击杆率1/61/61/61/4跳闸率0.0810.120.250.83山区线山区线路路绕击率0.40%0.84%0.5%0.82%击杆率1/41/41/41/3跳闸率跳闸率0.170.420.270.60 0.430.95 1.182.023例题：例题：平原地区一平原地区一条条220220kVkV线路，绝缘子串线路，绝缘子串1313片，正极性片，正极性50%50%放电电压为放电电压为14101410kVkV；杆塔冲击接地电阻为杆塔冲击接地电阻为7 7 ，避雷线半径为，避雷线半
14、径为5.55.5mmmm，弧垂弧垂7m7m，导线弧垂导线弧垂12m12m。求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。解：（1） 求耦合系数避雷线的平均高度mfhbb5 .247321 .29321 .29导线的平均高度mfhdd4 .1512324 .23324 .23避雷线1、2对导线3的几何耦合系数为：229. 0ln602ln60ln60ln60121223231313121123130dDrhdDdDZZZZkbb24例题：例题：经冲击电晕修正后：286. 025. 10kk（2） 查表，求等值电感和分流系数HLgt5 .141 .295 . 088. 0(3)
15、耐雷水平雷击塔顶的反击耐雷水平：绕击引起的过电压：（4） 雷电流超过耐雷水平的概率88lgIPI1P15.6；I2P273.11120025.614.524.515.4(1 0.296) 0.88 70.2960.881 0.23729.12.615.42.6110.2kAI 2120012kA100I 25例题：例题：(5) 落雷次数、绕击率、击杆率和建弧率保护角1.7arctan16.65.7平原地区 山区%144. 0P%5 . 0P击杆率：平原g=1/6，山区g=1/4建弧率80%(6) 线路雷击跳闸率平原地区：10.28 (11.64 24.5) 80%5.6%0.144% 73.1
16、%0.25/100km6N 年山区：10.28 (11.64 24.5) 80%5.6%0.5% 73.1%0.43/100km4N 年269 9.1.4 .1.4 输电线路的防雷措施输电线路的防雷措施雷害事故的发展过程及防护措施雷害事故的发展过程及防护措施（1 1） 架设避雷线：架设避雷线：最基本防雷措施u防止雷直击导线。u分流作用，减小流入杆塔电流，使塔顶电位降低；u与导线之间的耦合也可降低绝缘子串上的过电压。27 规程：110kV及以上线路一般应全线架设避雷线；500kV线路设双避雷线。 光纤复合架空地线（OPGW）：避雷线经一个小间隙对地绝缘；通信用。28（2）降低杆塔接地电阻u提高线
17、路击杆的耐雷水平、防止反击的有效措施。u一般需另加人工接地装置。（3）架设耦合避雷线u具有一定的分流作用u提高导线与避雷线之间的耦合系数29（4）不平衡绝缘u同塔双回或以上线路。u使一回路的绝缘子片数少于另一回路的三相，闪络后相当于避雷线，降低了其他回路导线电位。（5）自动重合闸u由于线路绝缘具有自恢复功能。u我国110kV及以上线路重合闸成功率高达75%95%。30（6）消弧线圈接地u用于中性点不直接接地的线路，减小故障接地点的单相接地电流，促进接地电弧熄灭。雷击跳闸率大约可以降低1/3左右。（7）加强绝缘u增加绝缘子片数，用于重要线路段，如大跨越高杆塔上使用。31（8）安装线路避雷器u能免
18、除线路绝缘的冲击闪络，并能使建弧率降为零。u一般用复合外套氧化锌避雷器。输电线路的防雷措施输电线路的防雷措施（小结小结）32339 9.2 .2 发电厂和变电站的防雷保护发电厂和变电站的防雷保护u雷直击变电站雷电冲击波沿线路入侵349.2.1 发电厂、变电站的直击雷保护发电厂、变电站的直击雷保护措施：避雷针和避雷线措施：避雷针和避雷线35 为为防反击，避雷针与被保护物体应有足够的间隙距离防反击，避雷针与被保护物体应有足够的间隙距离S Sk k。 为防止接地装置间反击，地为防止接地装置间反击，地中距离中距离S Sd d也也应足够大。应足够大。 电气主接线电气主接线s sk ks sd d避雷针避
19、雷针支座支座变电站构架变电站构架chLLkRidtdiLukkkEuS 369 9.2.2 .2.2 变电站的侵入波保护变电站的侵入波保护一、避雷器的保护作用一、避雷器的保护作用 装设避雷器装设避雷器 进进线段设置线段设置保护保护斜角入射波避雷器动作电压3712bbuui Z图解法图解法38保护要求：避雷器电压保护要求：避雷器电压 变压器冲击耐受电压变压器冲击耐受电压避雷器伏秒特性平坦避雷器伏秒特性平坦，残压，残压几乎几乎不变不变。一般流经避雷器不一般流经避雷器不超过超过5 5kAkA，残压，残压的最大值取的最大值取5 5kAkA对应对应的值的值。避雷器电压近似避雷器电压近似为一斜角平顶为一斜
20、角平顶波，波，幅值为幅值为U Ub-5b-5。39避雷器离被保护设备有一段距离。避雷器离被保护设备有一段距离。雷电波侵入变电站的典型接线雷电波侵入变电站的典型接线 等效接线等效接线 二、距离效应二、距离效应atLBTatLBT1l2l)(a)(b40L LB BT T( ( 开路开路) )atat2(2)a t 122a t2attf 122 2 ()fa tt2 ()fa tt 225( )2 ()2 ()2 ()Bffbuta ta tta tU522bfUtaat22 ()a t 522 ()bfUa t tbuft22 避雷器上的电压避雷器上的电压41变压器上的电压变压器上的电压42变
21、压器上的电压波形变压器上的电压波形43进线刀闸上的电压进线刀闸上的电压44进线刀闸处的波形进线刀闸处的波形45进线刀闸处：进线刀闸处：变压器变压器处处：vlaUUbL152vlaUUbT252vlaU2不论不论被保护设备位于避雷器前面还是被保护设备位于避雷器前面还是后面后面46 考虑实际情况后的修正：考虑实际情况后的修正：KvlaU2变压器上典型的实际电压波形变压器上典型的实际电压波形 这种这种波形和冲击全波相差很大，它对变压器波形和冲击全波相差很大，它对变压器绝缘的绝缘的作用与截波作用与截波相近相近。47 2lUaKvjsUU jbUKvlaU2KvaUUlbj2max最大电气距离三、最大电
22、气距离三、最大电气距离超过超过最大电气距离后，设备上的承受的冲击电压最大电气距离后，设备上的承受的冲击电压Us将超过冲击耐压值（多次截波耐压值）将超过冲击耐压值（多次截波耐压值）Uj。48普通阀型避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额定电压（kV）进 线 段长 度 （km）进线路数12343511.5225405040557550659055751056611.524560806585105801051309011514511011.52457010070951358011516090130180220210516519522049金属氧化物避雷器至主变之间的最大电气距离(m)额 定电 压（
23、k V）进线段长度（km）进线路数123411011.525590125851201701051452051151652302202125（90）195（140）235（170）265（190）50u变电站对于雷电波的侵入波保护设计主要是采变电站对于雷电波的侵入波保护设计主要是采用避雷器，重点在于用避雷器，重点在于。u原则：原则：在任何运行方式下，均不能超过最大电在任何运行方式下，均不能超过最大电气距离。气距离。u避雷器一般装设在母线上，一组或者多组。避雷器一般装设在母线上，一组或者多组。51 图. 葛洲坝换流站直流侧避雷器的布置及主设备绝缘水平（kV）（斜线“/”左侧为雷电冲击水平BIL，右
24、侧为操作冲击水平BSL）阀避雷器 换流器避雷器 与平波电抗器并联避雷器 直流滤波器避雷器 直流线路避雷器 中性母线避雷器 直接保护阀组，与其它类型避雷器串并联保护换流变阀侧绕组 雷电过电压传播到阀区时，可限制过电压 平波电抗器的雷电和操作波保护 保护直流滤波器元件 直流开关场的雷电和操作波保护 吸收进入中性母线的快波前过电压和大的放电能量 529 9.2.3 .2.3 变电站的进线段保护变电站的进线段保护电气设备的有效保护（减小过电压）：电气设备的有效保护（减小过电压）： 降低避雷器残压（减小电流）；降低避雷器残压（减小电流）； 降低来波陡度。降低来波陡度。雷电侵入波的主要来源：雷电侵入波的主
25、要来源： 变电站附近落雷（变电站附近落雷（3km以内），幅值和陡度比较大以内），幅值和陡度比较大进线段保护：保证雷电来自于进线段外进线段保护：保证雷电来自于进线段外 减小绕击概率（减小绕击概率（避雷线，减小保护角）避雷线，减小保护角） 提高反击耐雷水平提高反击耐雷水平53例：例：3535kV110kVkV110kV变电站进线段保护典型接线变电站进线段保护典型接线 进线段架设进线段架设避雷线，且保护角取不大于避雷线，且保护角取不大于20 。 在在靠近隔离开关或断路器处靠近隔离开关或断路器处装设排气式避雷器。装设排气式避雷器。54进线段保护的作用进线段保护的作用 降低波的幅值与陡度。降低波的幅值与
26、陡度。 限制流过避雷器的冲击电流幅值。限制流过避雷器的冲击电流幅值。（一）流过避雷器的电流（一）流过避雷器的电流可以不考虑在进线段上的多次反射。可以不考虑在进线段上的多次反射。雷电波在12km内往返一次的时间：svlt3 .137 . 6300/ )21 (*2/255回路方程：bmbLUZIU%502避雷器伏安特性：)(ifub%50U)(a%502UbmUbLI)(bZZZUUIbbm%50256例：例：220kV线路的冲击绝缘强度线路的冲击绝缘强度U50%=1200kV，线线路路波阻波阻400 ，变电站，变电站中氧化锌中氧化锌避雷器的残压避雷器的残压520kVkAIbm7 . 44005
27、2012002避雷器避雷器中的雷电流不超过中的雷电流不超过5 5kAkA ，这也是避雷器残这也是避雷器残压按照压按照5 5kAkA考虑的原因。考虑的原因。57( (二二) ) 侵入变电站雷电波的陡度侵入变电站雷电波的陡度 从最严重情况出发，设侵入波为直角波，幅值为U50%。lhud)008. 05 . 0(波的延迟时间（波的延迟时间（7-78）：）：雷电波陡度：雷电波陡度：lhUUUad)008. 05 . 0(kV/s 需要的进线段长度需要的进线段长度 额定电压（kV）计算用进波陡度a（kV/s）进线段长1km进线段长2km或全线有避雷线351102203305003004501502254
28、5066075058max0.080.5dUlUahkm59例：例：3535kVkV小容量变电站的简化进线保护小容量变电站的简化进线保护电气距离一般在电气距离一般在10m以内，允许侵入波陡度增大，以内，允许侵入波陡度增大，进线段缩短到进线段缩短到500600m。60简化接线：用电抗器代替进线段保护简化接线：用电抗器代替进线段保护 在进线段装设避雷器有困难，或者进线段杆塔接地电阻难以降到耐雷水平的要求时，可用一组1mH左右的电抗器代替进线段保护，以限制流过避雷器的雷电流幅值和陡度6110.2.4 10.2.4 变电站防雷的几个具体问题变电站防雷的几个具体问题方法：在有可能出现过电压的地方加装避雷
29、器方法：在有可能出现过电压的地方加装避雷器A AOA AOul123)(aul1233)(bA AO1高压侧中压侧0U0kUkU00U例例1 1：自耦变压器的保护：自耦变压器的保护62例例2 2：配电变压器的保护：配电变压器的保护 在高压侧避雷器动作时，引起地电位升高，威胁低压侧。在高压侧避雷器动作时，引起地电位升高，威胁低压侧。 低压侧绕组电压在高压侧感应出过电压，反变换过电压。低压侧绕组电压在高压侧感应出过电压，反变换过电压。kVkV103V220/380104外壳共同接地共同接地63例例3 3：GISGIS防雷保护防雷保护入口侧加装避雷器入口侧加装避雷器649 9.3 .3 旋转电机的防雷保护旋转电机的防雷保护 在同一电压等级电气设备中，旋转电机的冲击绝缘强在同一电压等级电气设备中，旋转电机的冲击绝缘强度最低度最低 。 避雷器残压与冲击耐压值接近，裕度小，仅靠避雷器避雷器残压与冲击耐压值接近，裕度小，仅靠避雷器不够。不够。 匝间绝缘要求侵入波陡度受到严格限制。匝间绝缘要求侵入波陡度受到严格限制。 valuZZ65电机与变压器冲击耐压值、避雷器特性的比较 66直配电机的防雷保护直配电机的防雷保护
