電力系統(tǒng)防雷第1頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1輸電線路的防雷保護

雷害事故在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的跳閘停電事故中占有很大的比重。特別是伴隨著開關技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)內部過電壓的降低及其導致的事故的減少，雷擊引起的跳閘事故占據(jù)日益主要的地位。

架空輸電線路長度大，分布面廣，且往往翻山越嶺，遭受雷擊的機會很多。一條100km長的架空輸電線路在一年中往往要遭到數(shù)十次雷擊，因而線路的雷擊事故在電力系統(tǒng)總的雷電事故中占有很大的比重。據(jù)統(tǒng)計，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網(wǎng)總事故的60%以上。輸電線路防雷保護的目的就是盡可能減少線路雷害事故的次數(shù)和損失。輸電線路上出現(xiàn)的雷電過電壓主要有兩種，即為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。前者由雷擊于線路引起，后者由雷擊線路附近地面、由于電磁感應引起。第2頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.1輸電線路感應雷過電壓

一、雷擊線路附近大地時，線路上的感應過電壓當雷擊線路附近的大地時，由于電磁感應，在導線上將產(chǎn)生感應過電壓。感應過電壓的形成如圖10－1所示，設雷云帶負電荷。在主放電開始之前，雷云中的負電荷沿先導通道向地面運動，線路處于雷云和先導通道形成的電場中。由于靜電感應，導線軸向上的電場強度Ex將正電荷吸引到最靠近先導通道的一段導線上，成為束縛電荷。導線上的負電荷則受Ex的作用向導線兩端運動，經(jīng)線路的泄漏電導和系統(tǒng)的中性點而流入大地。由于先導發(fā)展的速度很慢，導致導線上束縛電荷的聚集過程也比較緩慢，因而導線上由此而形成的電流很小，可以忽略不計，在不考慮工頻電壓的情況下，導線將通過系統(tǒng)的中性點或泄漏電阻保持零電位。主放電開始后，先導通道中的負電荷被迅速中和，使導線上的束縛電荷得到釋放，沿導線向兩側運動形成過電壓。這種由于先導通道中電荷所產(chǎn)生的靜電場突然消失而引起的感應電壓稱為感應過電壓的靜電分量。同時，主放電通道中的雷電流在通道周圍空間產(chǎn)生了強大的磁場，該磁場的變化也將使導線上感應出很高的電壓。這種由于主放電通道中雷電流所產(chǎn)生的磁場變化而引起的感應電壓稱為感應過電壓的電磁分量。由于主放電通道與導線互相垂直，因此電磁分量不大，約為靜電分量的1/5。從圖10－1可以看出，感應過電壓的極性與雷電流極性相反。第3頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－1感應雷過電壓形成示意圖

第4頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)理論分析和實測結果，我國的技術規(guī)程建議，當雷擊點離導線的距離超過65m時，導線上的感應雷過電壓最大值Ug可按下式計算：（10－1）

其中，IL為雷電流幅值（kA），hd為導線高度（m），S為雷擊點離導線的距離（m）。由上式可知，感應過電壓與雷電流峰值IL成正比，與導線平均高度hd成正比，hd越大則導線對地電容越小，感應電荷產(chǎn)生的電壓就越高；感應過電壓與雷擊點到線路的距離S成反比，S增大時，感應過電壓就減小。由于雷擊地面時雷擊點的自然接地電阻較大，雷電流峰值一般不超過100kA。因此在式（10－1）中可按IL≤l00kA進行估算。實測證明，感應過電壓峰值最大可達的300

400kV。對35kV及以下鋼筋混凝土桿線路，可能造成絕緣閃絡；但對于110kV及以上線路，由于絕緣水平較高，一般不會引起閃絡。感應過電壓在三相導線中同時存在，相間不存在電位差，故只能引起對地閃絡；如果兩相或三相同時對地閃絡，則形成相間短路。

第5頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月如果導線上方掛有避雷線，其影響相當于增大了導線的對地電容，導線上的感應過電壓將會下降。避雷線的屏蔽作用可用疊加法求得。設導線和避雷線的對地平均高度分別為hd和hb，若設避雷線不接地，則由式（10－1）可以求得導線上和避雷線上的感應過電壓Ugd和Ugb分別為：和

故

但實際上避雷線是通過桿塔接地的，其電位為零。為滿足這一條件，可以設想在避雷線上還存在一個電位-Ugb。該電位將在導線上產(chǎn)生耦合電位k（-Ugb

），其中k為避雷線與導線間的耦合系數(shù)。耦合電位與導線的雷電感應過電壓相疊加后，導線上實際的感應過電壓U’gd為（10－2）

從上式可以看出，避雷線的存在使導線上的感應雷過電壓下降了（1-k）倍。耦合系數(shù)越大，感應過電壓越低。

第6頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二雷擊線路桿塔時，導線上的感應過電壓式（10－1）和（10－2）只適用于S＞65m的情況，更近的落雷事實上將因線路的引雷作用而擊中線路（避雷線或導線）或桿塔。雷擊線路桿塔時，由于主放電通道所產(chǎn)生的磁場的迅速變化，將在導線上感應出與雷電流極性相反的過電壓，其計算問題至今尚有爭論，不同方法的計算結果相差很大，也缺乏實踐數(shù)據(jù)。對一般高度（約40m以下）的無避雷線的線路，導線上感應的過電壓的最大值可按下式計算：

（10－3）

其中，a為感應過電壓系數(shù)（kV/m），其值近似等于以kA/μs計的雷電流平均波前陡度，即a≈IL/2.6。有避雷線時，導線上的感應過電壓相應為

（10－4）

其中，k為耦合系數(shù)。

第7頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2輸電線路的直擊雷過電壓和耐雷水平

我們以中性點直接接地系統(tǒng)中有避雷線的線路為例進行分析，其它線路的分析原則相同。如圖10－2所示，雷直擊于帶避雷線的線路有三種情況，即雷擊桿塔頂部，雷擊避雷線檔距中央和雷擊導線（即繞擊）。圖10－2帶避雷線線路遭受雷直擊的三種情況第8頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

雷擊線路桿塔頂部時，由于塔頂電位與導線電位相差很大，可能引起絕緣子串的閃絡，即發(fā)生反擊。運行經(jīng)驗表明，在線路落雷總次數(shù)中，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。雷擊桿塔次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)的比值稱為擊桿率。我國技術規(guī)程建議的擊桿率g如表10－1所示。一、雷擊桿塔時的反擊過電壓表10－1擊桿率g

避雷線根數(shù)

地形

012平

原1/2

1/41/6山區(qū)11/31/4第9頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月雷擊桿塔頂部瞬間，如圖10－3所示，負極性雷電流一部分沿桿塔向下傳播，還有一部分沿避雷線向兩側傳播；同時，自塔頂有一正極性雷電流沿主放電通道向上運動，其數(shù)值等于三個負雷電流數(shù)值之和。線路絕緣上的過電壓即由這幾個電流波引起。由雷電主放電通道中正電流波的運動在導線上所產(chǎn)生的感應過電壓已在前面進行了分析，這里主要分析流經(jīng)桿塔和地線中的電流所引起的過電壓。圖10－3雷擊塔頂時雷電流的分布第10頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）塔頂電位對于一般高度（約40m以下）的桿塔，工程上常采用如圖10－4所示的集中參數(shù)等值電路進行分析計算。圖中，Lgt和Lb分別為桿塔和避雷線的等值電感，Rch為桿塔的沖擊接地電阻。單根避雷線的等值電感約為0.67l

H（l為避雷線檔距長度，m），雙根避雷線約為0.42l

H。不同類型的桿塔的等值電感可由表10－2估算。表10－2桿塔的等值電感的平均值

桿塔型式桿塔電感（μH/m）無拉線水泥單桿有拉線水泥單桿無拉線水泥雙桿鐵

塔門型鐵塔0.840.420.420.500.40第11頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮到雷擊點的阻抗較小，故在計算中可忽略主放電通道波阻抗的影響。由于避雷線的分流作用，流經(jīng)桿塔的電流將小于雷電流，，其中

為桿塔的分流系數(shù)。

的值可由圖10－4所示的等值電路求出。對于不同電壓等級一般長度檔距的桿塔，

值可由表10－3查得。塔頂電位utd為

（10－5）

以代入，則塔頂電位的幅值為

（10－6）

第12頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－4雷擊塔頂?shù)牡戎惦娐?/p>

第13頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月表10－3一般長度檔距的線路桿塔分流系數(shù)β線路額定電壓（kV）避雷線根數(shù)β值110120.900.86220120.920.88330

20.88（2）導線電位與塔頂相連的避雷線具有與塔頂相等的電位utd（幅值為Utd）。由于避雷線與導線之間的耦合作用，在導線上將產(chǎn)生耦合電位kutd，此電位與雷電流同極性。此外，發(fā)生主放電時，根據(jù)式（10－4），導線上存在感應電位ahd（1﹣k），該電位與雷電流極性相反。因此，導線上總的電位的幅值Ud為（10－7）

第14頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）線路上絕緣子串兩端電壓由式（10－7）可得線路上絕緣子串兩端電壓的幅值Uj為（10－8）

將式（10－6）及代入式（10－8），得（10－9）

雷擊時，導線和地線上的電位較高，將出現(xiàn)沖擊電暈，耦合系數(shù)k應采用修正后的數(shù)值，見表8－1。需要指出的是，上述計算所得的絕緣子串兩端電壓并未考慮導線上的工作電壓。對于220kV及以下線路，工作電壓值所占比例不大，可以忽略不計；但對超高壓線路而言，則不可忽略，雷擊時導線上的工作電壓的瞬時值應作為一隨機變量加以考慮。

第15頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）耐雷水平的計算由式（10－9）可知，線路上絕緣承受的電壓與雷電流成正比關系。當Uj大于絕緣子串的U50%時，絕緣子串將發(fā)生閃絡，發(fā)生反擊。由于90%以上的雷電流為負極性，同時絕緣子串下端（導線側）為正極性時U50%較低，所以U50%應以下端為正極性時的值為標準。令式（10－9）等于U50%，即可求得雷擊桿塔時的耐雷水平I1為（10－10）

由上式可知，k越小則I1越小，較易發(fā)生反擊，因此，應選取遠離避雷線的導線作為計算對象。我國的技術規(guī)程規(guī)定，不同電壓等級的線路，雷擊桿塔時的耐雷水平不應低于表10-4所列數(shù)值。第16頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月表10－4有避雷線線路的耐雷水平額定電壓（kV）35110220330500耐雷水平（kA）20～3040～7575～110100～150125～175從式（10－10）可知，雷擊桿塔時的耐雷水平與分流系數(shù)

、桿塔等值電感Lgt、桿塔沖擊接地電阻Rch、導地線間的耦合系數(shù)k和絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%有關。在工程實際中，一般以降低沖擊接地電阻Rch和提高導地線間的耦合系數(shù)k作為提高線路耐雷水平的主要手段。對一般高度的桿塔，沖擊接地電阻上的壓降對絕緣子串兩端電壓影響最大，降低桿塔接地阻Rch能有效地提高線路的耐雷水平。增大導地線間的耦合系數(shù)k可以減少絕緣子串上的電壓，同樣也可以提高耐雷水平。第17頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二雷擊避雷線檔距中央時的過電壓

雷擊避雷線檔距中央時，雖然也會在雷擊點產(chǎn)生很高的過電壓，但由于避雷線的半徑較小，會在避雷線上產(chǎn)生強烈的電暈；又由于雷擊點離桿塔較遠，當過電壓波傳播到桿塔時，已不足以使絕緣子串擊穿，因此通常只需考慮雷擊點避雷線對導線的反擊問題。圖10－5雷擊避雷線擋距中央圖10－6彼得遜等值電路

第18頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月雷擊避雷線檔距中央如圖10－5所示，圖中Z0和Zb分別為主放電通道和避雷線的波阻抗。由于雷擊點離桿塔較遠，過電壓波到達兩側桿塔入地，再反射到達雷擊點的時間較長，因此在反射波到達前，雷擊點電壓可用彼得遜等值電路計算。

雷擊時的電流源彼得遜等值電路如圖10－6所示。由圖可得雷擊點處的電壓uA為

（10－11）

電壓波uA自雷擊點沿避雷線向兩側桿塔運動，經(jīng)（l為檔距長度，vb為避雷線中的波速）時間到達桿塔。由于桿塔接地，因此將有一負反射波沿原路返回，又經(jīng)時間后到達雷擊點。若此時雷電流尚未到達幅值，則雷擊點的電位自負反射波到達后開始下降，故雷擊點A的最高電位將出現(xiàn)在時。第19頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

若雷電流取為斜角波頭i=at，將t的值代入，則由式（10－11）可得雷擊點避雷線的最高電位UA為（10－12）

由于避雷線與導線間的耦合作用，在導線上將產(chǎn)生耦合電位kUA，故雷擊處避雷線與導線間空氣間隙S上所承受的最高電壓US為

（10－13）

由上式可知，雷擊避雷線檔距中央時，雷擊處避雷線與導線間空氣絕緣所承受的電壓與耦合系數(shù)k、檔距l(xiāng)及雷電流陡度a有關。當此電壓超過空氣間隙的放電電壓時，間隙就會發(fā)生擊穿。對于大跨越檔距，若大于雷電流波頭，則從相鄰桿塔來的負反射波到達雷擊點時，雷電流已過峰值，故雷擊點的最高電位由雷電流峰值決定。

第20頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月由式（10－13），結合空氣間隙的抗電強度，可以計算出不發(fā)生擊穿的最小空氣間隙距離S。我國規(guī)程規(guī)定，檔距中央避雷線與導線間的空氣間隙距離S宜按以下公式確定：（10－14）

其中，l為檔距長度，1m是考慮到桿塔和接地體中波過程的影響。國內外的長期運行經(jīng)驗表明，雷擊避雷線檔距中央引起避雷線與導線間空氣間隙閃絡的事例是非常少見的，這可能是由于根據(jù)空氣間隙的擊穿強度來確定間隙距離的絕緣設計方法不符合實際情況造成的。一種解釋認為，閃絡發(fā)生前，避雷線與導線間的預擊穿降低了間隙上的電位差。因此，在線路防雷工程設計中，只要避雷線和導線間的空氣距離滿足式（10－14）的要求，雷擊避雷線檔距中央引起線路的閃絡跳閘可以忽略不計。

第21頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月三繞擊時的過電壓和耐雷水平裝設避雷線的線路，仍然有雷繞過避雷線而擊于導線即發(fā)生繞擊的可能性。雖然繞擊的概率很低，但其危害較大，一旦發(fā)生繞擊，往往會引起線路絕緣子串的閃絡。（1）電氣幾何模型與繞擊率繞擊的原理可借助于20世紀60年代建立的電氣幾何模型進行分析。電氣幾何模型是以“閃擊距離”（擊距）rs的概念為基礎的，所謂擊距就是雷電先導頭部與地面目標的臨界擊穿距離。擊距的大小與先導頭部的電位有關，因而與先導通道中的電荷有關，后者又決定了雷電流的幅值。因此，擊距與rs與雷電流幅值IL有直接關系，根據(jù)理論研究和實驗，其關系如下：（10－15）

其中，k、p為常數(shù)，不同的研究者給出的數(shù)值相差較大，通常采用美國的E.R.Whitehead給出的數(shù)值（k＝6.72，p=0.8）。第22頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

關于繞擊的電氣幾何模型分析是以等擊距的假設為依據(jù)的，即假定先導對桿塔、避雷線、地面和導線的擊距均相等。

擊距rs求出后，就可以用幾何分析法來求先導對導線的繞擊情況。如圖10－7所示，分別以避雷線和導線d為中心，以擊距rsi為半徑作兩個圓弧，這兩個圓弧交于Bi點；再在離地面高度為rsi處作一水平線CiDi與以d為圓心、半徑為rsi的弧交于Ci點，由圓弧AiBi、BiCi和直線CiDi在沿線路方向組成一曲面，稱為定位曲面。雷電流幅值為ILi的先導未到定位曲面之前，其發(fā)展不受地面物體的影響，僅當它下行至定位曲面時才受地面物體的影響而定位。若ILi的先導落在AiBi弧上，則由于到避雷線的距離比到其它物體的距離為小，雷擊中避雷線；同理，若落在BiCi弧上，則擊中導線（發(fā)生繞擊）；若落在直線CiDi上，則擊中大地。因此，BiCi稱為繞擊暴露面。不同的雷電流幅值有不同的rs，所以可畫出一系列的定位曲面?？梢宰C明，AiBi弧與BiCi弧交點的軌跡為導線與避雷線的連線的垂直平分線（圖中的直線oK），BiCi弧CiDi線的交點的軌跡為一拋物線（圖中曲線HCiK）。中垂線與拋物線將整個空間分成三部分，中垂線與拋物線所包圍的區(qū)域BiCi弧段為擊中導線區(qū)（即繞擊區(qū)）。隨著雷電流的增大，BiCi弧段逐漸減??；當雷電流幅值增大到IK時，BiCi弧段縮減到零，此時已不可能發(fā)生繞擊。相當于IK的擊距稱為臨界擊距rsb。第23頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－7輸電線路繞擊的電氣幾何模型第24頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月從電氣幾何模型可以看出，當雷電流大于一定值時，就不會發(fā)生繞擊；而當雷電流較小時，則繞擊的可能性增大。電氣幾何模型是在多年運行經(jīng)驗及現(xiàn)場實測基礎上總結的一種工程化的估計方法，用它可以說明為什么在保護角不大（但仍不能滿足有效屏蔽的要求）時，線路會有繞擊事故，即在分析繞擊事故時是有用的；同時，該模型也證明了高桿塔時采用負保護角的必要性。但這一模型尚存在一些問題，首先在于擊距的確定，基本數(shù)據(jù)不太可靠，各家數(shù)據(jù)相差很大；第二，在擊穿前的最后一次下行先導逐級發(fā)展時，它不一定就恰好停歇在一個“擊距”上，而可能停歇在比一個“擊距”小的任何位置上，因此大電流也可能發(fā)生繞擊；最后，當線路電壓等級提高時，由于絕緣加強，所以能承受的雷擊電流也增大，而允許擊距也隨之增大，這樣就得出了有其保護角可以隨線路電壓等級的提高而加大的結果，但這一點是與運行經(jīng)驗恰恰相反的。因此，該模型還有待完善。在工程實際中，往往采用經(jīng)驗公式來求取繞擊概率。根據(jù)模擬試驗、現(xiàn)場實測和運行經(jīng)驗，繞擊率P

與避雷線對外側導線的保護角

、桿塔高度和線路經(jīng)過地區(qū)的地形地貌和地質條件有關，我國技術規(guī)程建議采用下列公式進行計算繞擊率P

：

第25頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月對平原地區(qū)

（10－16）

對山區(qū)

（10－17）

其中，

為保護角（

）；h為桿塔高度（m）。從上兩式可知，山區(qū)線路的繞擊率約為平原線路的3倍，或相當于保護角增大了8。（2）繞擊耐雷水平忽略避雷線和導線的耦合作用，以及桿塔接地的影響，發(fā)生繞擊時可以認為是雷電流波i/2，沿波阻抗為Z0的主放電通道傳播到A點，如圖10－8所示。圖中Zd為導線的等值波阻。設導線為無窮長，則根據(jù)彼得遜法則，得到如圖10－8（b）所示的等值電路。

第26頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－8繞擊導線的等值電路流經(jīng)雷擊點A的電流iA為

（10－18）

導線上的電壓uA為（10－19）

第27頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月其幅值UA為

（10－20）

從上式可知，繞擊時導線上的電壓隨雷電流幅值的增大而增大，若超過絕緣子串的閃絡電壓，則絕緣子串將發(fā)生閃絡，繞擊時的耐雷水平I2可根據(jù)令UA等于絕緣子串的50％閃絡電壓U50%來計算：

（10－21）

我國技術規(guī)程認為

（10－22）

根據(jù)規(guī)程法，35、110、220、330kV線路的繞擊耐雷水平分別為3.5、7、12和16kA左右，較雷擊桿塔時的耐雷水平小得多。第28頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.3輸電線路的雷擊跳閘率輸電線路遭受雷擊發(fā)生跳閘需要滿足兩個條件。首先是直擊線路的雷電流超過線路的耐雷水平，線路絕緣將發(fā)生沖擊閃絡。但是它的持續(xù)時間只有幾十微秒，線路開關還來不及跳閘，因此必須滿足第二個條件——沖擊電弧轉化為穩(wěn)定的工頻電弧，才能導致線路跳閘。一、建弧率沖擊閃絡轉化為穩(wěn)定的工頻電弧的概率，稱為建弧率。建弧率η與工頻弧道中的平均電場強度E有關，也與閃絡瞬間工頻電壓的瞬時值和去游離條件有關。根據(jù)試驗和運行經(jīng)驗，可按下式計算η：（10－23）

其中，E為絕緣子串的平均運行電壓（有效值）梯度kV/m

第29頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月對中性點有效接地系統(tǒng)

（10－24）

對中性點非有效接地系統(tǒng)，單相閃絡不會引起跳閘，只有當?shù)诙鄬Ь€閃絡后才會造成相間閃絡而跳閘，因此

（10－25）

上兩式中，ue為線路額定電壓（有效值）（kV）；l1為絕緣子串長度（m）；l2為木橫擔線路的線間距離（m），對鐵橫擔和鋼筋混凝土橫擔線路，l2=0。實踐證明，當E≤6kV/m時，則建弧率很小，可以近似地認為η＝0。

第30頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二有避雷線線路雷擊跳閘率的計算以下介紹的方法是我國用于工程近似計算線路雷擊跳閘率的方法，簡稱規(guī)程法。（1）雷擊桿塔時的跳閘率由式（9－5），每100km線路每年（40個雷電日）遭受雷擊的次數(shù)N為次/100km·年（10－26）

其中，T＝40（雷暴日），

＝0.07次/平方公里雷暴日，h為避雷線平均高度。設n1為N次雷擊中，擊中桿塔的塔頂引起跳閘的次數(shù)，則（10－27）

其中，g為擊桿率，見表10－1；P1為雷電流幅值超過雷擊桿塔耐雷水平I1的概率，I1由式（10－10）求得，P1由式（9－1）求得；η為建弧率，由式（10－23）求得。第31頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）雷繞擊導線時的跳閘率設n2為線路繞擊跳閘率，則（10－28）

其中，N的意義同前式；Pα為繞擊率，由式（10－16）、（10－17）求得；P2為雷電流幅值超過繞擊耐雷水平I2的概率，I2由式（10－21）或（10－22）求得，P2由式（9－1）求得。（3）線路跳閘率設n為線路跳閘率，根據(jù)以上分析，忽略雷擊避雷線檔距中央引起的跳閘率時，線路的總跳閘率為雷擊桿塔跳閘率n1與繞擊跳閘率n2之和，即

（10－29）

第32頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.4輸電線路的防雷措施輸電線路防雷設計的目的，是提高線路的耐雷性能，降低雷擊跳閘率。在雷害發(fā)展過程的各個環(huán)節(jié)，采取相應的措施，如圖10－10所示。以下為一些常用的線路防雷措施。

圖10－10線路雷害事故的發(fā)展過程及防護措施第33頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）架設避雷線這是高壓和超高壓輸電線路最基本的防雷措施，其主要作用是防止雷直擊導線。此外，避雷線對雷電流還有分流作用，可以減小流入桿塔的雷電流，使塔頂電位下降；與導線之間的耦合也可降低絕緣上的過電壓。我國規(guī)程規(guī)定，除了部分雷害較少的110kV線路外，110kV及以上線路一般應全線架設避雷線，保護角一般采用20

30

；500kV線路應架設雙避雷線，保護角不大于15。

在雙避雷線的超高壓線路上，正常的工作電流將在每個檔距中兩根避雷線所組成的閉合回路里感應出電流并引起功率損耗。為降低這種損耗和將避雷線作通訊線用，可將避雷線經(jīng)一個小間隙對地絕緣起來，雷擊時此間隙擊穿，避雷線接地。（2）降低桿塔接地電阻對于一般高度的桿塔，降低桿塔的接地電阻是提高線路耐雷水平防止反擊的有效措施。我國規(guī)程規(guī)定了桿塔的工頻接地電阻，一般為1030，具體數(shù)值見表9－6。

第34頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月在土壤電阻率ρ<1000Ω·m的地區(qū)，桿塔的混凝土基礎也能在某種程度上起天然接地體的作用，但在大多數(shù)情況下難以滿足要求，故需另加人工接地裝置。（3）架設耦合地線作為一種補救措施，可在某些建成投運后雷擊故障頻發(fā)的線段上，在導線的下方加裝一條耦合地線。它雖然不能像避雷線那樣攔截直擊雷，但具有一定的分流作用和增強導、地線之間的耦合系數(shù)，因而也能提高線路的耐雷水平和降低雷擊跳閘率。（4）采用不平衡絕緣方式為了節(jié)省線路走廊用地，在現(xiàn)代高壓及超高壓線路中，采用同桿架設雙回線路的情況日益增多。為了避免線路落雷時雙回路同時閃絡跳閘而造成完全停電的嚴重局面，在采用通常的防雷措施仍無法滿足要求時，可采用不平衡絕緣的方案。亦即使一回路的三相絕緣子片數(shù)少于另一回路的三相，這樣在雷擊線路時，絕緣水平較低的那—回路將先發(fā)生沖擊閃絡。閃絡后的導線相當于地線，增加了對另一回路導線的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平。

第35頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）裝設自動重合閘由于線路絕緣具有自恢復功能，大多數(shù)雷擊造成的沖擊閃絡和工頻電弧在線路跳閘后能迅速去電離，線路絕緣不會發(fā)生永久性的損壞或老化，因此裝設自動重合閘的效果很好。我國110kV及以上線路的重合閘成功率高達75%~95%，可見自動重合閘是減少線路雷擊停電事故的有效措施。（6）采用消弧線圈接地方式對雷電活動強烈，接地電阻又難以降低的地區(qū)，采用中性點經(jīng)消弧線圈接地，能使雷電過電壓所引起的相對地沖擊閃絡不轉變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧，絕大多數(shù)的單相雷擊閃絡接地故障將被消弧線圈所消除，大大減小了建弧率和斷路器的跳閘次數(shù)。而在兩相或三相遭雷擊時，雷擊引起第一相導線閃絡并不會引起跳閘，閃絡后的導線相當于地線，增加了耦合作用，使未閃絡相絕緣子串上的電壓下降，從而提高了耐雷水平。我國的消弧線圈接地方式運行效果良好，雷擊跳閘率大約可以降低1/3左右。第36頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）加強絕緣例如增加絕緣子串中的片數(shù)、改用大爬距懸式絕緣子、增大塔頭空氣間距等等。這樣做當然也能提高線路的耐雷水平、降低建弧率，但實施起來會有相當大的局限性，僅在落雷機會較多的個別大跨越高桿塔上使用。一般為了提高線路的耐雷水平，均優(yōu)先考慮采用降低桿塔接地電阻的辦法。（8）安裝線路避雷器用作線路上雷電過電壓特別大或絕緣弱點的防雷保護。它能免除線路絕緣的沖擊閃絡，并能使建弧率降為零。在現(xiàn)代輸電線路上，常把管型避雷器安裝在線路之間及高壓線路與弱電（例如通信）線路之間的交叉跨越檔、過江大跨越高桿塔、變電站的進線保護段等處。隨著氧化鋅避雷器的發(fā)展，復合外套氧化鋅避雷器由于其重量輕、安全性好，已成功用于線路上。在確定防雷方式時，應全面考慮線路的重要程度、系統(tǒng)運行方式、線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動的強弱、地形地貌特點、土壤電阻率的高低等條件，結合當?shù)卦芯€路的運行經(jīng)驗，根據(jù)技術經(jīng)濟比較的結果，采取合理的保護措施。第37頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2發(fā)電廠和變電站的防雷保護10.2.1發(fā)電廠、變電站的直擊雷保護

發(fā)電廠和變電站是電力系統(tǒng)的樞紐，一旦發(fā)生雷害事故，停電的影響面很大，且由于發(fā)電機、變壓器等主要電氣設備的內絕緣擊穿后大多沒有自恢復功能，使得停電時間比較長。因此，發(fā)電廠和變電站的防雷保護必須十分可靠。發(fā)電廠、變電站遭受的雷害可能來自兩個方面：雷直擊發(fā)電廠、變電站；雷擊線路，過電壓波沿線路侵入發(fā)電廠、變電站。由于線路落雷頻繁，因此后者是發(fā)電廠、變電站遭受雷害的主要原因。對直擊雷的防護一般采用避雷針和避雷線。我國的運行經(jīng)驗表明，凡按規(guī)程要求裝設避雷針和避雷線的發(fā)電廠和變電站，繞擊和反擊的事故率都非常低，每年每100個變電站發(fā)生繞擊或反擊的次數(shù)約為0.3次，防雷效果比較好。

第38頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月為了防止雷直擊于發(fā)電廠和變電站，應該使所有被保護物體處于避雷針或避雷線的保護范圍之內，這已在前面進行了介紹；同時還要求雷擊避雷針或避雷線時，不應對被保護物體發(fā)生反擊，這里主要對此進行討論。避雷針的裝設可分為獨立避雷針和構架避雷針兩種。如圖10－11所示，當獨立避雷針遭受雷擊時，雷電流流過避雷針和接地裝置，將會出現(xiàn)很高的電位。設避雷針在高度h處的電位為uk，接地裝置上的電位為ud，則（10－30）

（10－31）

其中，L為h長避雷針的電感；Rch為避雷針的沖擊接地電阻；iL為流經(jīng)避雷針的電流。為防止避雷針對被保護物體發(fā)生反擊，避雷針與被保護物體之間的空氣間隙Sk應有足夠的距離。若取空氣間隙的擊穿場強為Ek，則Sk應滿足第39頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－11雷擊獨立避雷針（10－32）

為防止避雷針接地裝置與被保護物體接地裝置之間發(fā)生反擊，兩者之間的地中距離Sd也應有足夠的距離。若取土壤擊穿場強為Ed，則Sd應滿足

第40頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（10－33）

取雷電流的幅值為100kA，雷電流的平均上升陡度為100/2.6＝38.5kA/

s，避雷針的電感為1.55

H/m，空氣間隙和土壤的擊穿強度分別為Ek＝500kV/m、Ed＝300kV/m，則由上兩式可得

（m）

（m）

按實際運行經(jīng)驗進行校驗后，我國標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》推薦用下面兩個公式校核獨立避雷針的空氣間距Sk和地中距離Sd。

Sk≥0.2Rch＋0.1h

（10－34）Sd≥0.3Rch

（10－35）

在一般情況下，Sk不應小于5m，Sd不應小于3m。第41頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月對于110kV及以上的配電裝置，由于其絕緣水平較高，可以將避雷針裝設在配電裝置的構架上。裝設避雷針的構架應就近裝設輔助接地裝置，該裝置與變電站接地網(wǎng)的連接點離主變壓器與接地網(wǎng)連接點的距離不應小于15m，其目的是使雷擊時在避雷針接地裝置上產(chǎn)生的高電位，在沿地網(wǎng)向變壓器接地點傳播的過程中逐漸衰減，以避免對變壓器造成反擊。由于變壓器是變電站中最重要的設備，且其絕緣較弱，因此在變壓器門型構架上不應裝設避雷針。對于35kV及以下的變電站，由于其絕緣水平較低，故不允許將避雷針裝設在配電構架上，應架設獨立避雷針，其接地電阻一般不超過10

，以免出現(xiàn)反擊事故。發(fā)電廠廠房一般不裝設避雷針，以免發(fā)生反擊事故和引起繼電保護的誤動作。關于是否采用避雷線的問題，過去因為強調避雷線斷線有造成母線短路的危險，所以在發(fā)電廠和變電站用得很少。但國外多年的運行經(jīng)驗表明，用避雷線同樣可以得到很高的防雷可靠性。我國新的技術標準也規(guī)定了可采用避雷線保護。架設避雷線時同樣要注意避免引起反擊事故。第42頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2變電站的侵入波保護由于線路落雷頻繁，所以沿線路入侵的雷電波是發(fā)電廠、變電所遭受雷害的主要原因。由線路入侵的雷電波電壓，雖受到線路絕緣的限制，但線路絕緣水平比發(fā)電廠、變電站電氣設備的絕緣水平高。若不采取防護措施，勢必造成發(fā)電廠、變電站電氣設備的損壞事故。據(jù)統(tǒng)計，我國每年每100個35kV和110

220kV變電站由入侵雷電波引起的事故率分別為0.67次和0.5次。防止侵入波危害的主要保護措施是在發(fā)電廠、變電所內裝設閥型避雷器以限制入侵雷電波的幅值，使設備上的過電壓不超過其沖擊耐壓值，在發(fā)電廠、變電站的進線上設置進線保護段以限制流經(jīng)避雷器的雷電流和限制入侵雷電波的陡度。

第43頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月一、避雷器的保護作用分析圖10－12避雷器接在變壓器端的接線和等值電路首先分析閥型避雷器直接裝設在變壓器出線端的簡單接線，如圖10－12（a）所示。為簡化分析，不計變壓器的對地入口電容，并假定避雷器的伏秒特性uf（t）和伏安特性ub=f（ib）已知。侵入波u（t）沿波阻抗為Z1的線路入侵，根據(jù)彼得遜法則，侵入波u到達避雷器后，在避雷器動作前相當于末端開路，避雷器上電壓上升為2u（t），其等值電路如圖10－12（b）所示。第44頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（10－35）

對上式包含非線性變量的方程，可用圖解法求解。如圖10－13所示，縱坐標取電壓u，橫坐標分別取時間t和電流i。在u－t坐標平面內，避雷器上的電壓2u（t）與避雷器伏秒特性相交的點對應避雷器的沖擊放電電壓Uch。在u－i坐標平面內（適用于間隙擊穿后），畫出曲線ub+ibZ1，然后自侵入波的幅值處作一水平線與曲線ub+ibZ1相交，交點的橫坐標就是流過避雷器的最大雷電流Ibm，由Ibm對應的Ub＝f（ib）曲線上的電壓Ubm就是避雷器的最大殘壓。其它時刻避雷器上的電壓ub可按此用圖解法求得。當避雷器上的電壓2u（t）與避雷器伏秒特性uf（t）相交時，間隙放電，其后的等值電路如圖10－12（c）所示，可得第45頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－13避雷器電壓Ub的圖解法第46頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月由于閥型避雷器的伏秒特性比較平坦，故其沖擊放電電壓值Uch基本上不隨侵入波的陡度而變化。避雷器的殘壓值與流過的電流大小有關，但因閥片的非線性特性，在較大的雷電流變化范圍內，其殘壓近乎不變。如前述，在具有正常防雷接線的110

220kV變電站中，流經(jīng)避雷器的雷電流一般不超過5kA（對330kV及以上系統(tǒng)為10kA），故殘壓的最大值取5kA下的數(shù)值；在一般情況下，避雷器的沖擊放電電壓與5kA下的殘壓基本相同。因此，在以后的分析中，可以將避雷器上的電壓ub近似視為一斜角平頂波，其幅值為5kA下的殘壓Ub-5，波頭時間（即避雷器放電時間）則取決于侵入波的陡度。若侵入波為斜角波u=at，則避雷器的作用相當于在避雷器放電時刻tf在裝設避雷器處產(chǎn)生一負電壓波－a（t－tf），如圖10－14所示。由于避雷器直接接在變壓器旁，故變壓器上的過電壓波形與避雷器上的電壓完全相等，只要避雷器的沖擊放電電壓和5kA下的殘壓低于變壓器的沖擊耐壓，則變壓器將得到可靠的保護。第47頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－14分析用避雷器上電壓波形二距離效應變電站中有很多電氣設備，我們不可能在每個設備旁裝設一組避雷器加以保護，一般只在變電站母線上裝設避雷器。由于變壓器是最重要的設備，因此避雷器應盡量靠近變壓器。這樣，避雷器離開變壓器和各電氣設備都有一段長度不等的距離。當雷電波入侵時，由于波的反射，被保護的電氣設備上的電壓將不同于避雷器的殘壓。第48頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

以如圖10－15（a）所示的典型接線為例。由于一般電氣設備的等值入口電容都不大，因此可以忽略其影響，被保護設備處可以認為是開路，故得到等值電路如圖10－15（b）所示?？梢詰镁W(wǎng)格法進行分析，如圖10－16所示。設侵入波為斜角波u（t）=at，分析時分別以各點出現(xiàn)電壓的時刻為各自的時間零點。圖10－15分析雷電波侵入變電站的典型接線第49頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－16計算電壓用的網(wǎng)絡圖

第50頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）避雷器上的電壓uB（t）

T點的反射波到達尚未到達B點時，T點的反射波到達B點以后至避雷器動作前，（假設避雷器的放電時間），其中v為波速。當t=tf時，uB（t）與避雷器伏秒特性相交，避雷器動作，由于避雷器非線性特性較好，此后可以認為避雷器保持不變的殘壓Ub-5（5kA下的殘壓）。這樣，可以認為在t=tf時在B點疊加了一個負的電壓波－2a（t－tf），即當t

tf時（10－36）由上式可得（10－37）第51頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－17接線上各點的電壓波形

的波形見表10－4（a）和圖10－17（a），其中（2）進線刀閘上的電壓和變壓器上的電壓同理，利用由10－15（b）可以求得uL（t）和uT（t），見表10－5（b）、（c）和圖10－17（b）、（c）。從圖表中可以看出，進線刀閘處電壓的最大值UL為第52頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（10－38）變壓器上電壓的最大值UT為（10－39）因此，不論被保護設備位于避雷器前或避雷器后，只要設備離避雷器有一段距離l，則設備上所受沖擊電壓的最大值必然高于避雷器的殘壓，其差值為（10－40）變壓器上電壓具有振蕩性質，其振蕩軸為Ub-5，這是由于避雷器動作后產(chǎn)生的負電壓波在B點與T點之間多次反射引起的。以上分析是從最簡單、最嚴重的情況出發(fā)的。實際上，由于變電站接線比較復雜，出線可能不止一路，設備本身又存在對地電容，這些都將對變電站的波過程產(chǎn)生影響。一般可將式（10－40）修改為，其中K為考慮設備電容而引入的修正系數(shù)。第53頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月實際的過電壓波形如圖10－18所示，其振蕩軸為避雷器的殘壓。這種波形和沖擊全波相差很大，它對變壓器絕緣的作用與截波相近，所以通常拿它的最大值與變壓器的多次截波耐壓值（約等于三次截波耐壓值的1/1.15）。表10－6列出了不同電壓等級變壓器多次截波耐壓值與避雷器的殘壓。圖10－18雷電波侵入變電站時，變壓器上典型的實際電壓波形第54頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月表10－6變壓器多次截波耐壓值與避雷器殘壓的比較額定電壓（kV）變壓器三次截波耐壓Uj-5（kV）變壓器多次截波耐壓Uj（kV）FZ避雷器5kA殘壓Ub-5（kV）FCZ避雷器5kA殘壓Ub-5（kV）變壓器多次截波耐壓與避雷器殘壓的比FZFCZ35110220330225550109013001964789491130134332664－1082605158201.461.441.43－1.811.831.851.38三最大電氣距離從前面的分析可以看出，當侵入波陡度一定時，避雷器與被保護設備之間的電氣距離越大，設備上電壓高出避雷器的殘壓也就越多。因此，要使避雷器起到良好的保護作用，它與被保護設備之間的電氣距離就不能超過一定的值，即存在一個最大電氣距離。超過最大電氣距離后，設備上所受的沖擊電壓Us將超過其沖擊耐壓（多次截波耐壓值）Uj，保護失效。在變電站設計時，應使所有設備到避雷器的電氣距離都在保護范圍內，即滿足

第55頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（10－41）

對于一定陡度的侵入波，最大允許電氣距離lmax為

（10－42）

圖10－19（a）和（b）分別表示一路進線與兩路進線的變電站避雷器與主變壓器、電壓互感器間的最大電氣距離與侵入波陡度的關系，橫坐標為波的空間梯度。變電站內其它設備的沖擊耐壓值較變壓器高，它們與避雷器間的電氣距離可相應增大35%。圖中35

220kV級系按普通閥型避雷器計算，330kV級系按磁吹閥型避雷器計算。不難理解，采用保護性能比普通閥型避雷器更好的磁吹避雷器或氧化鋅避雷器，就能增大保護距離。表10－7（a）和（b）分別列出了我國標準推薦的采用普通閥型避雷器和氧化鋅避雷器后的最大電氣距離。第56頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－19避雷器與變壓器間的最大電氣距離與侵入波陡度的關系對一般變電站的雷電侵入波保護設計主要在于選擇避雷器的安裝位置，其原則是在任何可能的運行方式下，變壓器和各設備到避雷器的電氣距離均應小于其最大電氣距離。避雷器一般裝設在母線上，如一組避雷器不能滿足要求，則應考慮增設。對于接線復雜和特殊的變電站，需要通過模擬試驗和計算來確定閥型避雷器的安裝數(shù)量和位置。第57頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月表10－7（a）普通閥型避雷器至主變壓器之間的最大電氣距離（m）額定電壓（kV）進線段長度（km）進線路數(shù)123≥43511.5225405040557550659055751056611.524560806585105801051309011514511011.524570100709513580115160901301802202105165195220注：1.全線有避雷線時按進線段長度為2km選取，進線段長度在1km～2km之間時按補插法確定，表10－7（b）也同此。

2.35kV也適用于有串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器的情況。第58頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月表10－7（b）金屬氧化物避雷器至主變壓器之間的最大電氣距離（m）額定電壓（kV）進線段長度（km）進線路數(shù)123411011.525590125851201701051452051151652302202125（90）195（140）235（170）265（190）注：1.本表也適用于電站碳化硅磁吹避雷器（FM）的情況。2.本表括號內所對應的雷電沖擊全波耐受電壓為850kV。第59頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3變電站的進線段保護當雷電波侵入變電站時，要使變電站的電氣設備得到可靠的保護，必須限制侵入波的陡度，并限制流過避雷器的雷電流以降低殘壓。運行經(jīng)驗表明，變電站的雷電侵入波事故約有50%是由雷擊離變電站1km以內的線路引起的，約有71%是由雷擊3km以內的線路引起的。這就要求變電站的線路進線段應有更好的保護，它是對雷電侵入波防護的一個重要的輔助手段。進線段保護是指在臨近變電站1

2km的一段線路上加強防雷保護措施。對35

110kV全線無避雷線的線路，進線段須架設避雷線，保護角取20

；同時，對上述線路以及110km以上已沿全線架設避雷線的線路，在進線段內應使保護角減小，并使線路有較高的耐雷水平（表10－4中線路耐雷水平較高的數(shù)值），以減小進線段內由于繞擊或反擊所形成的侵入波的概率。這樣，可以認為侵入變電站的雷電波主要來自進線保護段之外，在進入變電站以前必須經(jīng)過進線段這一段距離。

第60頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月變電站內設備距避雷器的最大電氣距離lmax就是根據(jù)進線段以外落雷的條件求得的，這樣就可以保證進線段以外落雷時變電站不會發(fā)生事故。35kV及以上變電站的進線段保護典型接線如圖10－20所示。圖10－2035kV及以上變電站的進線段保護接線第61頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－21進線段限制避雷器電流的原理接線（a）及等值電路（b）一、進線段保護的作用進線段主要起兩方面的作用：1.進入變電所的雷電過電壓波將來自進線段以外的線路，它們在流過進線段時將因沖擊電暈而發(fā)生衰減和變形，降低了波前陡度和幅值；2.利用進線段來限制流過避雷器的沖擊電流幅值。第62頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）進線段首端落雷，流經(jīng)避雷器的電流首端（圖10－20中A點）落雷是最嚴重的情況。受線路絕緣放電電壓的限制，雷電侵入波的最大幅值為線路絕緣的50%沖擊閃絡電壓U50%。雷電波在1

2km的進線段內往返一次所需要的時間為t=2l/v=6.7~13.3

s，而侵入波的波頭很短，故避雷器動作后產(chǎn)生的負電壓波折回雷擊點在雷擊點產(chǎn)生的反射波到達避雷器前，流經(jīng)避雷器的雷電流已過峰值。因此可以不計再次反射及以后過程的影響，只按原侵入波進行分析，可用圖10－21所示的等值電路列出方程：（10－43）

其中，IbL為流經(jīng)避雷器的最大雷電流；Z為進線段導線波阻；Ubm為避雷器的最大殘壓。由于避雷器閥片的良好的非線性特性，可以假定殘壓不隨IbL的變化而為常數(shù)，則上式的解為第63頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）進入變電站的雷電波的陡度在分析進線段對進入的雷電波陡度的影響時，可以從最嚴重的情況出發(fā)，即出現(xiàn)在進線段首端的入侵雷電波的最大幅值為線路的U50%且具有直角波頭。由于U50%已大大超過導線的臨界電暈半徑，因此在侵入波的作用下，線路上將出現(xiàn)沖擊電暈，導致波形變形、波頭變長。由式（8－77），可以求得進入變電站的雷電波的陡度為

為kV/

s

（10－45）

或

（10－46）

其中，U為來波幅值（kV）；為導線平均高度（m）；l為進線段長度（km）。第64頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月表10－9列出了用上兩式計算得到的不同電壓等級的變電站侵入波的計算陡度a’值。由該表按已知的進線段長度求出a’值后，就可根據(jù)圖10－19求得變壓器或其它設備到避雷器的最大電氣距離lmax。表10－9變電站侵入波計算陡度額定電壓（kV）計算用進波陡度a’

（kV/m）進線段長1km進線段長2km或全線有避雷線351102203305001.01.5－－－0.50.751.52.22.5第65頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－20所示的35kV及以上變電站的進線段保護典型接線中，另外安裝了三組避雷器。安裝在進線段首端的GB1為管型避雷器用以限制入侵雷電波的幅值。在雷雨季節(jié)，進線的斷路器或隔離開關可能經(jīng)常處于開路狀態(tài)，而此時線路側又經(jīng)常帶工頻電壓（開關處于熱備用狀態(tài)），當沿線有U50%幅值的雷電波入侵時，在此斷開點將發(fā)生全反射，電壓加倍，有可能使斷路器或隔離開關對地閃絡。此時由于線路側帶電，將進一步導致工頻短路，有可能將斷路器或隔離開關的絕緣部件燒毀。因此，必須在靠近隔離開關或斷路器處裝設一組管型避雷器GB2，在斷路器閉合運行時該避雷器不能動作，也即此時GB2應在變電站閥型避雷器的保護范圍內。如GB2在斷路器閉合運行時由于侵入波而發(fā)生放電，則將造成截波，可能危及縱絕緣與相間絕緣。若選不到適當參數(shù)的避雷器，則GB2可用閥型避雷器或保護間隙代替。第66頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、35kV小容量變電站的簡化進線保護對35kV的小容量變電站，可根據(jù)變電站的重要性和雷電活動強度等情況采取簡化的進線保護。由于35kV小容量變電站尺寸小，避雷器與變壓器的電氣距離一般在10m以內，故侵入波陡度允許增加，進線段長度可以縮短到500

600m。為限制流入避雷器的電流，在進線首端可裝設一組管型避雷器或保護間隙，如圖10－22所示。容量更小的變電站，保護接線還可以進一步簡化。

35110kV變電站，如進線段裝設避雷線有困難或進線段桿塔接地電阻難以下降，不能達到規(guī)程要求的耐雷水平時，可在進線的終端桿上裝設一組1mH左右的電抗器來代替進線段，如圖10－23所示，以限制流過避雷器的雷電流幅值和陡度。

第67頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－22（3150～5000）kVA35kV變電站的簡化接線圖10－23用電抗器代替進行線段的保護接線第68頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.4變電站防雷的幾個具體問題（1）三繞組變壓器的保護當三繞組變壓器的高壓側或中壓側有雷電過電壓波襲來時，通過繞組間的靜電耦合和電磁耦合，在低壓繞組上也會出現(xiàn)一定的過電壓。最不利的情況是低壓繞組處于開路狀態(tài)，對地電容很小，這時靜電感應分量可能很大而危及絕緣。考慮到靜電分量將使低壓繞組的三相導線電位同時升高，所以只要在任一相低壓繞組出線端加裝一只該電壓等級的閥型避雷器，就能保護好三相低壓繞組。中壓繞組雖也有開路運行的可能，但因其絕緣水平較高，一般不需加裝避雷器來保護。（2）自耦變壓器的保護自耦變壓器除了有高、中壓繞組外，還有三角形接線的非自耦繞組，以減小零序阻抗和改善電壓波形。在此非自耦低壓繞組上，根據(jù)上節(jié)所述，應加裝一臺避雷器，以限制靜電感應過電壓。第69頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月在運行中，有可能出現(xiàn)高、低壓繞組運行、中壓繞組開路及中、低壓繞組運行、高壓繞組開路的情況。由于高、中壓繞組的中性點均直接接地，因而在雷電波（幅值為U0）侵入高壓側時，自耦繞組各點的電壓初始分布、穩(wěn)態(tài)分布和各點最大電壓的包絡線均與中性點接地的單繞組相同。因此，在開路的中壓側端子A’上可能出現(xiàn)的最大電壓約為高壓側電壓U0的2/k（k為變壓器變比），如圖10－24（a）所示。這可能使處于開路狀態(tài)的中壓端的套管閃絡，故在中壓套管與斷路器之間應裝設一組避雷器保護。當幅值為U’0的雷電波從中壓側侵入而高壓側開路時，繞組中的初始和穩(wěn)態(tài)電位分布分別如圖10－24（b）中的曲線1、2所示，曲線3為最大電位包絡線。從圖中可以看出，A’－0段和A’－A段的穩(wěn)態(tài)電位分布是不同的，前者與末端接地的變壓器繞組相同，后者取決于電磁感應。因此，高壓端A的穩(wěn)態(tài)電位上升到kU0’，且振蕩電壓的最大值約為kU0’，這將危及處于開路狀態(tài)的高壓端，因此在高壓端和斷路器之間也應裝設一組避雷器。第70頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－24雷電波侵入自耦變壓器時的過電壓第71頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月自耦變壓器的防雷接線如圖10－25所示。此外，需要注意下述情況：當中壓側接有出線時（相當于A’點經(jīng)線路波阻抗接地），如高壓側有過電壓波入侵，A’點的電位接近于零，大部分過電壓將作用在A－A’段繞組上，這顯然是危險的；同樣地，高壓側接有出線時，中壓側進波也會造成類似的后果。顯然，A－A’繞組越短（即變比越?。?，危險性越大。一般在k＜1.25時，還應在A－A’之間再跨接一組避雷器（圖10-25中的FZ3）。圖10－25（b）是采用“自耦”避雷器的保護接線，與（a）相比，可以節(jié)省避雷器元件，但引線較麻煩。（3）變壓器中性點的保護由前述波過程理論已經(jīng)得到，當三相來波時，變壓器中性點的電位，會達到繞組首端電壓的兩倍，因此需要考慮變壓器中性點的保護問題。第72頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－25自耦變壓器的防雷保護接線對于35kV及以下中性點非有效接地的系統(tǒng)，變壓器是全絕緣的，其中性點的絕緣水平與相線端相同。由于三相來波的概率較小，來波大多源自遠處從而使波頭較緩，進線多起了分流作用等因素，我國規(guī)程規(guī)定，一般不用接避雷器保護。第73頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月對于110kV及以上的中性點有效接地系統(tǒng)，由于繼電保護的需要，可能有一部分變壓器的中性點不接地運行。而在這些系統(tǒng)中的變壓器往往是分級絕緣的，即變壓器中性點絕緣水平較相線端低得多（如我國110kV和220kV變壓器中性點的絕緣分別為35kV級和110kV級絕緣），故需在中性點上加裝閥型避雷器或間隙。避雷器的滅弧電壓應大于該電網(wǎng)一相接地而引起的中性點電位升高的有效值，以免爆炸。在中性點直接接地的電網(wǎng)中，一相接地時中性點電位升高的穩(wěn)態(tài)值最大可達到最高運行線電壓的35%，所以中性點保護用避雷器的滅弧電壓可選用系統(tǒng)最高運行線電壓的0.4倍。（4）配電變壓器的保護配電變壓器的保護接線如圖10－26所示。應盡量在靠近高壓側線上裝設氧化鋅或閥型避雷器，其接地線應與變壓器的金屬外殼以及低壓側中性點（變壓器中性點絕緣時則為中性點的擊穿保險管的接地端）連在一起共同接地，并應盡量減小接地線的長度，以減小其上的壓降。這樣，當避雷器動作時，作用在變壓器主絕緣上的就主要是避雷器殘壓，不包括接地電阻上的壓降。這種共同接地的缺點是避雷器動作時引起的地電位升高，可能危害低壓用戶安全。第74頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10－26配電變壓器的保護接線第75頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月運行經(jīng)驗表明，如果只在高壓側裝設避雷器，還不能免除變壓器遭受“正、反變換過電壓”的危害。所謂“正、反變換過電壓”是指高壓側線路受到直擊或感應雷擊使避雷器動作時，沖擊大電流在接地電阻上產(chǎn)生較大的沖擊電壓，該電壓將同時作用在低電壓側線路的中性點上；低壓線路可視為經(jīng)波阻抗接地，因此中性點電壓的大部分降落在低壓繞組上，這部分電壓經(jīng)過電磁耦合，按變比關系在高壓繞組上感應出過電壓。由于高壓繞組的出線端的電壓受避雷器限制，故在高壓繞組上感應出的過電壓將沿高壓繞組分布，在中性點處達到最大值，可能危及中性點附近的絕緣，也會危及繞組的相間絕緣。為了防止這種過電壓，應該在配電變壓器的低壓側加裝氧化鋅避雷器。（5）GIS防雷保護的特點全封閉SF6氣體絕緣變電站（GIS）因具有一系列優(yōu)點而日益獲得廣泛采用。它的防雷保護除了與常規(guī)變電所具有共同的原則外，也有自己的一些特點：第76頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（A）由于內部電場為均勻場或稍不均勻場，GIS絕緣的伏秒特性很平坦，其沖擊系數(shù)接近于1（約為1.2

1.3），且負極性擊穿電壓較正極性低，因此其絕緣水平主要取決于雷電沖擊水平，因而對所用避雷器的伏秒特性、放電穩(wěn)定性等技術指標都提出了特別高的要求，最好采用保護性能優(yōu)異的氧化鋅避雷器；（B）GIS結構緊湊，設備之間的電氣距離大大縮減，被保護設備與避雷器相距較近，比常規(guī)變電站有利；（C）GIS的同軸母線的波阻抗一般只有60100

，約為架空線的1/5。從架空線入侵的過電壓波經(jīng)過折射，其幅值和陡度都顯著變小，這對變電站的侵入波防護也是有利的；（D）GIS內的絕緣，大多為稍不均勻電場結構，一旦出現(xiàn)電暈，電子崩很容易發(fā)展成擊穿，而且不能恢復原有的電氣強度