输电线路的直击雷过电压和耐雷水平

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电力系统防雷保护-高电压技术考点复习讲义和题库

考点5：电力系统防雷保护5.1 输电线路的感应雷过电压一、雷击线路附近大地时，线路上的感应雷过电压1、先导在导线轴线方向上的电场强度X E 将导线两端与雷云电荷异号的正电荷，吸引到最靠近先导通道的一段导线上，成为束缚电荷。

导线上的负电荷则被排斥而向两侧运动，经线路泄露电导和系统中性点进入大地。

导线上电流很小，忽略线路工作电压，导线电位仍保持的电位。

正束缚电荷产生的电场在导线高度处被电导中负电荷产生的电场所抵消。

2、主放电先导通道中的负电荷自下而上被迅速中和，相应的电场被迅速减弱，使导线上正束缚电荷迅速释放，形成电压波向两侧传播，形成的过电压称为感应过电压的静电分量。

与此同时，由于先导通道中雷电流所产生的磁场变化而引起的感应称为感应过电压的电磁分量。

（1）当雷击点离开线路的距离s>65m 时，)(25d L KV Sh I u g ⨯⨯≈ 其中L I ：雷电流峰值（KA）；d h ：导线平均高度（m）；S：为雷击点离线路的距离。

感应过电压峰值一般最大可达300～400KV，这会引起35KV 及以下钢筋混凝土杆线路绝缘闪络。

（2）加避雷线由于屏蔽作用，感应过电压下降，导线上的感应过电压为)k 1(U U gd ,gd -=因此，避雷线离导线越近，耦合系数k 越大，U 感应越小。

二、雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压无避雷线d ah =gd U有避雷线)1(U gd ,k ah d -=与直击雷相比，感应过电压的特点：1、极性与雷云电荷相反，一般为正极性。

2、在三相导线上同时出现，不会直接产生相间过电压。

3、波形较缓和，波前几微秒到几十微秒，波长可达数百微秒。

5.2 输电线路的直击雷过电压和耐雷水平一、雷击杆塔顶部1．塔顶电位塔顶电流i gt <雷电流L i ，即L i i β=gt 雷电流到达峰值时，塔顶电压有最大值6.2(ch L R U gt L td I +=β其中β为分流系数，设雷电流具有斜角波前，at i =，则t L R L L bib t ++=11β，t 取T/2，（T 1波前时间2.6us）2．导线电位和线路绝缘上的电位当塔顶电位为td U 时，在塔顶的避雷线也有同样的电位，导线上产生的耦合电压为td kU ，由于通道电磁场的作用，导线上有感应过电压)1(a k h d -, 此电压与塔顶电位极性相反，所以导线电位的幅值d U 为)1(a U U td k h k d d --=作用在线路绝缘上的总电压k)-)(1ah (U U U U d td j +=-=d td 对于斜角波前的雷电波6.2L 1LI I a T == )1)(6.26.2(ch L k h I d gt j L R U -++=ββ 3．耐雷水平的计算耐雷水平：]6.2)6.2[)(1(ch %501d gt h k L R U I ++-=β提高耐雷水平：↓↑↓β,,R ch k ，加强线路绝缘。

输电线路防雷技术基础知识讲解

俄罗斯：80年度中已研制出110－1150kV系列合成套避雷器，主要是用于一般超高压输电线路和紧凑型输电线路深度限制操作过电压
此时雷电流 iL=αt =αL/Vb 间隙S承受的最大电压:
Us
UA
kUA
L b
Z0Zb 2Z0 Zb
(1 K)
感应过电压与下列因素有关:
①雷电波陡度;②档距长度;③耦合系数.
S最短间隙距离从Us的50％击穿电压得到。
Zb/2
A
Z0
❖ U50% 750SkV
❖ S (1 k) Z0Zs
750vs 2Z0 Zs
输电线路防雷技术基础知识讲解
雷击输电线路的方式
大气过电压：
直击雷过电压：① 、②、 ③
感应雷过电压：④、②、①
其中④只对35KV以下线路有危害
大气过电压带来的后果：发生短路接地故障雷电波侵入变电所，破坏设备绝缘，造成停电事故衡量线路防雷性能的优劣：
耐雷水平：线路遭受雷击所能耐受不至于引起闪络的最大雷电流（kA）雷击跳闸率：每100km 线路每年因雷击引起的跳闸次数
= Utd – KUtd + αhd(1-k) =(Utd +αhd) (1-K)
=[βIL(Rch+Lgt/2.6) + IL hd /2.6](1-K) =IL[β(Rch+Lgt/2.6) + hd /2.6](1-K)
4、线路绝缘子耐雷水平
当作用在线路绝缘子上的电压Uj>绝缘子串冲击闪络电压Uj50% 绝缘子将发生闪络，由于塔顶电位高于导线电位，闪络将从杆塔向导线发展，故称为反击。耐雷水平: 雷击杆塔时绝缘子串上承受最大雷电冲击电压所对应的雷电流:

输电线路防雷保护论文

输电线路的防雷保护摘要：不同类型的雷击，在不同的线路所产生的感应雷过电压及直击雷过电压是不同的。

通过对不同输电线路的感应雷过电压及直击雷过电压分析，得出输电线路应有的耐雷水平。

关键词：电输线路，防雷，耐雷水平abstract: different types of lightning, in different line produced by the induction lightning overvoltage and sings rem overvoltage is different. through different transmission line induction lightning overvoltage and sings rem overvoltage and analysis of the transmission line should have lightning resisting level.key words: electric lose lines, prevents thunder, lightning resisting level中图分类号：f407.61 文献标识码：a 文章编号前言：据统计，电力系统雷害事故中，线路的雷害事故占很大比例。

线路雷害事故引起的跳闸，影响系统的正常供电，增加维修工作量，而且雷电波还会沿线路侵入变电站。

1输电线路的防雷措施雷击暴露在空气中的架空输电线路有4种如图1所示。

分别是：雷击线路附近地面、雷击塔顶、雷击避雷线和雷击导线。

根据过电压形成的过程来分，上述4种雷击情况可分两类：感应雷过电压和直击雷过电压。

雷击线路附近地面属感应雷过电压，另外3类属直击雷过电压。

1.1 防止雷击导线沿线架设避雷线，雷击严重段可考虑避雷线与避雷针同时架设。

1.2 防止雷击塔顶或避雷线后引起闪络输电线路的闪络是逆闪络（即受雷击后的塔顶或壁雷线，电位升高，不再是原来接地的零电位，此时处于高点位的塔顶或避雷线向导线放电，使过电压加到线路上）。

线路直击雷过电压与耐雷水平

有避雷线时线路应有的耐雷水平
额定电压(kV)
35
110
220
330
500
耐雷水平I1(kA) 雷电流超过I1的概率(%)
20～30 40～75 75～110 100～150 125～175
59～46 35～14 14～6
7～2
3.8～1
2、雷击避雷线档距中央：
根据模拟试验和实际运行经验，雷击避雷线档距中由央于的半概径率较较小小的(避10雷%线)。的强烈电晕衰减作用，使过电压波传播到杆塔时，已不足以使绝缘子串闪络标，准通规常定只，需只要要考按虑经雷验击公避式雷S线＝对0.导01线2l+的1确反定击档问距题。中央导、地线间的空气间距S，一般不会发生避雷线对导线的反击故障。
Riit
Lt
dit dt
(Rii Lt
di ) dt
Lt为杆塔等值电感，雷电流波前陡度di/dt=I/T1，塔顶电位幅值为：
U top Ri I Lti / T1 I Ri Lt / T1
注：不同类型杆塔的等值电感不同，见表7-1；不同电压等级及避雷线数目的β也不同，见表7-2
谢谢观看！ 2020
(2) 导线电位和绝缘子串上的电压：
雷击塔顶时，与塔顶相连的避雷线也有相同的电位 utop。负极性的雷电波沿杆塔及避雷线传播时，由于避雷线与导线之间的电磁耦合作用，在导线上将产生耦合电压kutop，其极性与雷电流极性相同。
另一方面，由塔顶向雷云发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使导线上出现与雷电流极性相反的正的感应过电压 U g ahc (1 k) 。
提高雷击塔顶时耐雷水平的措施：
（1）一般高度杆塔（小于40m），冲击接地电阻上压降是塔顶电位的主要成分，因此降低接地电阻可以有效地减小塔顶电位和提高耐雷水平；（2）增大耦合系数k；（3）加强线路绝缘（提高U50%）。

输电线路的雷闪过电压及其防护

用绝缘的50%冲击闪络电压U50%代替Ug，那么IL就能代表引起绝缘闪络的雷电流幅值，通常称为线路在这
情况下的耐雷水平。：IL= U50%/100
绕击率：
lg Pa a h 3.9
对平原地区：
86
对山区地区： lg Pa a h 3.35 86
山区的绕击率为平原的3倍，或保护角增大80
减少绕击率：减小保护角，降低杆塔高度
二、变电所的进线保护
如无避雷线，当雷击于变电所附近线路的导线上时，沿线路入侵流经避雷器的雷电流可能超过5kA，且陡度也可能超过允许值，因此在靠近变电所的一段进线上，必须装设避雷线，称为进线段保护。
三、三绕组变压器和自耦变压器的雷闪过电压保护
１、三绕组变压器的保护
一般在低压绕组任一相的直接出口处加装一只避雷器
输电线路的雷闪过电压及其防护
衡量指标：耐雷水平和雷击跳闸率耐雷水平：雷击线路时，线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值。
雷击跳闸率：每100km线路每年由雷击引起的线路跳闸次数。
防雷的原则及措施：防止雷击导线
防止避雷线受雷击后引绝缘闪络
防止雷击闪络后建立工频短路电弧防止线路中断供电
一、输电线路的感应雷击过电压
电机的绝缘裕度小：为了保护匝间绝缘，必须将入侵波陡度限制在5kV/μS以下；60000kW以上的发电机不允许与架空线直接要连。
作用电压类型：一是与电机相连的线路上的感应雷过电压；二是雷直接击于与电机相连的架空线而引起的过电压。
2、防雷措施
1）在每台发电机出线的母线处装设一组电站型氧化锌避雷器，以限制侵入波幅值
2、自耦变压器的防雷保护
考虑各种运行方式下：如高低绕组运行，中压开路，这时中压侧套管与断路器之间装设一组避雷器。高压侧开路时，中压侧来波，高压侧感应kU电压，这时高压侧套管与断路器之间也应加装一组避雷器。

线路直击雷过电压及耐雷水平

另一方面，由塔顶向雷云发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使导线上出现与雷电流极性相反的正的感应过电压 U g ahc (1 k) 。
于是，导线电位就等于避雷线电位产生的耦合电压与雷电流引起的感应过电压之和：
uc kutop ahc (1 k )
作用在绝缘子串上的电压就等于横担处杆塔电位与导线电位之差，近似等于塔顶电位与导线电位差。
100 I
——近似计算中假设Z0 ≈Zc/2，Zc线路波阻抗，取400Ω。
i 2
u0 Zc
A
Z0 i Zc
A
uA
Z0
Zc 2
此即国标中用来估算绕击时过电压的近似公式
(2) 绕击时的耐雷水平：令 U A U 50% ，可得绕击时的耐雷水平I2：I 2 U 50% 100
例如：采用13片XP-70型绝缘子的220kV线路绝缘子串的U50%≈1200kV，可求得其I2＝12 kA ，大于I2的雷电流出现概率P1≈73.1%。同理110、500kV线路绕击时耐雷水平分别只有7、27.4kA，雷电流幅值超过7、27.4kA的概率分别为83.3%、48.8%！
(1) 雷击点电压幅值：
研究表明，雷电流通道具有分布参数特征，其波阻抗用Z0表示。
从实际效果看，雷击线路过程可看作是一数值为雷电流之半(i/2) 的电流波沿一波阻抗为Z0的通道向被击线路传播的过程，于是可得到其彼得逊等值电路
雷击点电压幅值为：
UA

I
Z0Zc 2Z0 Zc

1 4 IZ c
U top Ri I Lti / T1 I Ri Lt / T1
注：不同类型杆塔的等值电感不同，见表7-1；不同电压等级及BLX数目的β也不同，见表7-2

线路直击雷过电压及耐雷水平课件

其正常工作。
架设耦合地线
耦合地线能够增加地线的分流作用，从而降低杆塔的电位，提高线路的耐雷水平。
架设耦合地线需要考虑杆塔的结构、地形条件等因素，并进行相应的设计和施工。
在雷电活动频繁的地区，应考虑架设耦合地线，以增强线路的防雷效果。
其他措施
其他措施包括加强线路绝缘、采用不平衡绝缘等。
加强线路绝缘可以通过增加绝缘子的片数或更换绝缘子类型来实现。
不平衡绝缘是通过在两回线路上采用不同数量的绝缘子来实现，以提高线路的耐雷水平。
05
线路直击雷过电压的案例分析
国内案例
案例一
某500kV输电线路在雷击后出现绝缘子闪络，导致线路跳闸。经调查发现，该线路的防雷设计存在缺陷，接地电阻过高，导致雷电流无法有效泄入大地。
人员安全威胁
过高的电压可能对巡线人员构成安全威胁，需要采取相应的防护措施。
国内外研究现状及发展趋势
国内外研究现状
目前国内外对于线路直击雷过电压的研究主要集中在过电压产生的机理、影响因素和防护措施等方面。
发展趋势
随着科技的不断进步，未来对于线路直击雷过电压的研究将更加深入，可能会涉及到更多新型的防护技术和智能化监测手段。
此外，我们还针对雷电活动规律、雷电流幅值和雷电流波形等进行了深入研究，为雷电防护技术的发展提供了有力支持。
展望
未来，我们将继续深入研究线路直击雷过电压及耐雷水平的机理和特性，探索
更加有效的防雷保护措施。
我们将加强与国际同行的交流与合作，引进先进的雷电防护技术和理念，提高
我国在雷电防护领域的整体水平。
原理
通过建立三维电磁场模型，模拟雷电放电过程中电磁场的分布和变化，计算过电压的大小和波形。

线路直击雷过电压及耐雷水平讲义

输电线路的直击雷过电压以及防护一、直击雷过电压
分类：雷击杆顶、雷击避雷线档距中央、直击或绕击导线
1、雷击杆顶：
大部分雷电流经杆塔入地，小部分经避雷线入地。
(1) 塔顶电位：设雷电流i为斜角波头，波头T1，幅值I，陡度a，流过杆塔的电流为 it i at （β为分流系数）则塔顶电位为
(2) 导线电位和绝缘子串上的电压：雷击塔顶时，与塔顶相连的避雷线也有相同的电位 utop。负极性的雷电波沿杆塔及避雷线传播时，由于避雷线与导线之间的电磁耦合作用，在导线上将产生耦合电压kutop，其极性与雷电流极性相同。另一方面，由塔顶向雷云发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使导线上出现与雷电 ahc (1 k ) 。流极性相反的正的感应过电压 U g 于是，导线电位就等于避雷线电位产生的耦合电压与雷电流引起的感应过电压之和： uc kutop ahc (1 k )
u top dit di Ri it Lt ( Ri i Lt ) dt dt
Lt为杆塔等值电感，雷电流波前陡度di/dt=I/T1，塔顶电位幅值为：
U top Ri I Lt i / T1 I Ri Lt / T1
注：不同类型杆塔的等值电感不同，见表7-1；不同电压等级及避雷线数目的β也不同，见表7-2
提高雷击塔顶时耐雷水平的措施：（1）一般高度杆塔（小于40m），冲击接地电阻上压降是塔顶电位的主要成分，因此降低接地电阻可以有效地减小塔顶电位和提高耐雷水平；（2）增大耦合系数k；（3）加强线路绝缘（提高U50%）。为了减少反击，必须提高线路的耐雷水平。标准中规定，雷击塔顶时应有的耐雷水平I1为：
有避雷线时线路应有的耐雷水平

线路直击雷过电压及耐雷水平资料

中央导、地线间的空气间距S，一般不会发生避雷线对导线的反击故障。
3、直击或绕击：
装设避雷线的线路，仍有雷绕过避雷线击于导线的可能
发生绕击的概率称为绕击率Ka Ka与避雷线保护角α、杆塔高度h及线路通过地区的地形地貌有关。山区线路因地面附近电场受山坡地形影响，绕击率约为平原线路的3倍。虽然绕击率很小，但一旦发生绕击，产生的雷过电压很高，即使是绝缘水平很高的超高压线路也往往难免闪络。 (1) 雷击点电压幅值：研究表明，雷电流通道具有分布参数特征，其波阻抗用Z0表示。
令 U Lj U 50% ，即可求得雷击塔顶反击时的耐雷水平I1，即影响I1的因素：
I1
U 50% Lt hc (1 k ) Ri T T 1 1
杆塔分流系数β，杆塔等值电感Lt，杆塔冲击接地电阻Ri，耦合系数k和绝缘子串的U50%冲击放电电压。
此即国标中用来估算绕击时过电压的近似公式
(2) 绕击时的耐雷水平：令 U A U 50% ，可得绕击时的耐雷水平I2：I 2
U 50%
100
例如：采用13片XP-70型绝缘子的220kV线路绝缘子串的U50%≈1200kV，可求得其I2＝12 kA ，大于I2的雷电流出现概率P1≈73.1%。同理110、500kV线路绕击时耐雷水平分别只有7、27.4kA，雷电流幅值超过7、27.4kA的概率分别为83.3%、48.8%！
反击：本来是地（低）电位的物体，由于某种原因导致其电位（绝对值）突然升高，当其与周围导体的电压超过了该间隙的击穿电压或表面放电电压时，发生的击穿或闪络现象。
绝缘子串上电压幅值为： (3) 耐雷水平：
U j

线路防雷

架空输电线路防雷设计1、雷电1.1 雷电参数雷电先导通常带有与雷电云极性相同的电荷（多数为负极性），自雷云向大地发展。

在雷云及先导的电场作用下，大地感应出与雷云极性相反的电荷。

当先导通道发展到离大地一定距离时，先导头部与大地之间的空气间隙被击穿，雷电通道中的主放电过程开始，主放电自雷击点沿通道向上发展。

设先导通道中电荷密度为σ，主放电速度为L，（L约为0.1~0.5 倍光速），雷击图壤电阻率为零的大地时，流经通道的电流为：σL雷电通道具有分布参数特征，其波阻抗为Z0。

当雷击输电线路塔顶或导地线时，负极性的电流波z 自雷击点沿杆塔或导地线流动，而相同数量的正极性电流自雷击点沿通道向上发展。

流经杆塔（或导、地线）的电流波z：σZj为被击物体的波阻抗。

雷电通道波阻抗为Z0 Z0=300~400 Ω中国使用的雷电流幅值概率分布：P：雷电流幅值超过I的概率；I：雷电流幅值，kA。

例：雷电流超过50kA的概率为33%；雷电流超过75kA的概率为20%；雷电流超过108kA的概率为10%；雷电流超过130kA的概率为6%；雷电流超过150kA的概率为4%；西北地区及内蒙西部，年平均雷暴日为20，雷电流幅值减半。

1.2雷电流波形：规程建议计算用雷电流波头取2.6μS，雷电流平均上升陡度：(kA/μS)1.3 雷暴日与雷暴小时：雷暴日：一年中有雷电的日数；雷暴小时：一年中有雷电的小时数。

1.4地面落雷密度及输电线路落雷次数：地面落雷密度：每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。

γ0.015 次/平方公里·雷暴日对输电线路来说，由于高出地面，有引雷作用，一般高度的线路等值受雷宽度为10h，（h为线路平均高度，m）；若线路经过地区年平均雷暴日为T，每年每100公里一般高度的线路落雷次数为N：γ次/100公里·年若T=40天，γ0.015 次/平方公里·雷暴日N=0.6h次/100公里·年1.5避雷线的保护范围：单根避雷线的保护范围：当hx≥h/2时，rx=0.47（h-hx）·P当hx<h/2时，rx=(h-1.53hx）·P当h≤30m时，P=1， 30<h<120m时，P=5.5/两根避雷线的保护范围：避雷线外侧的保护范围同一根避雷线，内侧为通过两避雷线及低点o的圆弧所确定：D：为两避雷线的距离，m。

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Z0 Zb U S U A (1 k ) I L (1 k ) 2Z 0 Z b
不会出现击穿的经验公式
S 0.012 l 1
3.3.3 雷电绕击于导线时的耐雷水平
绕击率：
雷电绕过避雷线直接击中导线的概率
平原地区
lg P
lg P
h
86
3.9
3.35
3.3 输电线路的直击雷过电压和耐雷水平
我国 110kV 及以上线路
一般全线都装设避雷线，而
35kV及以下线路一般不装设
避雷线，中性点直接接地系统有避雷线的线路遭受直击雷一般有三种情况：雷击杆塔塔顶；
雷击避雷线档距中央；
雷电绕过避雷线击于导线
有避雷线线路直击雷的三种情况
3.3.1 雷击杆塔塔项时的耐雷水平
3.3.2 雷击避雷线档距中央
3.3.3 雷电绕击于导线
返回
3.3.1 雷击杆塔塔顶时的耐雷水平
运行经验表明，雷击杆塔的次数与避雷线的根数和经过地区的地形有关，雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率 g ， DL/T 620—1997 标准，击杆率g可采用下表所列数据。
击杆率g
Zb / 2 Z0 Zb U A iL Z 0 at Z0 Zb / 2 2Z 0 Z b
分析雷击避雷线档距中央时， UA 自雷击点向两侧杆
塔移动,并于L/(2*V)的时间到达杆塔；
由于杆塔的接地作用，将出现一个负的反射波，并经L/(2*V)的时间到达雷击点；
若此时雷电流尚未到达幅值，雷击点的电位自负反射波到达之时开始下降，最大电位出现在 L/V时刻；
避雷线根数平原山丘
1 1/4 1/3
2 1/6 1/4
雷击塔顶前，雷电通道的负电荷在杆塔及架空地线上产生感应正电荷；当雷击塔顶时，雷通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流。
对于一般高度 (40m 以下 ) 的杆塔，在工程近似计算中采用集中参数等值电路进行分析计算，考虑到雷击点的阻抗较低，故略去雷电通道波阻的影响。
（a）雷击塔顶时雷电流的分布 (b)雷击塔顶时等值电路
流经杆塔的电流：
igt il
分流系数β的取值线路电压（kV）单避雷线双避雷线 110 0.90 0.86 220 0.92 0.88 0.88 0.88 330 500
塔顶电位
U td Rchigt Lgt
digt
dil Rchil Lgt dt dt
U j U td U d Lgt hd I L Rch (1 k ) 2.6 2.6
雷击杆顶的耐雷水平：
I
U 50% hd .6 Lgt
3.3.2 雷击避雷线档距中央
A点电位为：
UA
l
Z0 Z g
2Z 0 Z g
雷击处避雷线与导线间的空气隙S上承受最大电压
U S U A (1 k )
l
Z0Z g
2Z 0 Z g
(1 k )
若此时雷电流已过峰值，最大电位为 Z0 Zb U A IL 2Z 0 Z b 雷击处避雷线与导线间的空气隙S上承受最大电压
山区
h
86
雷击点的电压
Z0 Zd U d iL 2Z 0 Z d
粗略计算时,可取Z0=Zd/2,且Zd约等于400欧,则
U d 100 iL
耐雷水平
U 50% I2 100
返回
用IL/2.6代替di/dt,则塔顶电位的幅值可写成
U td I L ( Rch
Lgt 2.6
)
导线电位的幅值
避雷线与塔顶有同电位Utd，导线上产生耦合电压kUtd,与雷电流同极性; 雷直击时,感应雷过电压与雷电流反极性;
U d kUtd hd 1 k
线路绝缘上的电压幅值