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输电线路防雷技术

输电线路防雷技术. 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100 km 线路每年因雷击引起的跳闸次数. 输电线路的雷击事故. 在我国跳闸率比较高的地区的高压线路由雷击引起的次数约占40～70％，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击事故率更高

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输电线路防雷技术

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  1. 输电线路防雷技术

  2. 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

  3. 输电线路的雷击事故 • 在我国跳闸率比较高的地区的高压线路由雷击引起的次数约占40～70％，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击事故率更高 • 在日本50％以上电力系统事故是由于雷击输电线路引起的，雷击经常引起双回同时停电，20－30％的输电线路故障发生在双回输电线路 • 美国、前苏联等十二个国家的电压为275－500kV总长为32700km输电线路连续三年的运行资料中指出，雷害事故占总事故的60％

  4. 一、输电线路的感应过电压1、雷击线路附近大地时一、输电线路的感应过电压1、雷击线路附近大地时 • 静电感应 • 电磁感应

  5. 感应过电压-静电感应分量 • 在雷电放电的先导阶段（假设为负先导），线路处于雷云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应，最靠近先导通道的一段导线上感应形成束缚电荷 • 主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速中和。相应电场迅速减弱，使导线上的正束缚电荷迅速释放，形成电压波向两侧传播 • 由于主放电的平均速度很快，导线上的束缚电荷的释放过程也很快，所以形成的电压波u＝iZ幅值可能很高。这种过电压就是感应过电压的静电分量

  6. 感应过电压-电磁感应分量 在主放电过程中，伴随着雷电流冲击波，在放电通道周围空间出现甚强的脉冲磁场，其中一部分磁力线穿过导线－大地回路，产生感应电势，这种过电压为感应过电压的电磁分量

  7. 感应过电压计算 • 无避雷线时感应过电压为 导线越高，感应过电压越高。 一般Ug « 500kV，在110kV线路上不引起闪络。

  8. 避雷线对感应过电压的屏蔽作用 1）避雷线不接地时： 2）避雷线接地时： • 实际上，避雷线与大地连接保持地电位，电位为0，可以假设为避雷线上再叠加了-Ugb的感应电压 • -Ugb在导线上耦合电压为-KUgb • 导线上的实际感应电压 即避雷线的屏蔽效应使导线上的感应电荷减少，感应电压降低了（1－K）倍

  9. 2、雷击塔顶时的感应过电压（S<65m） • 雷击塔顶时迅速向上发展的主放电引起周围空间电磁场的突然变化，会在导线上感应出与雷电流极性相反的电压，以静电感应分量为主 • 无避雷线时: • 有避雷线时，导线上的感应过电压 由于屏蔽效应，感应电压降低了（1－K）倍

  10. 反击 二、输电线路直击雷过电压和耐雷水平1、雷击杆塔塔顶： 雷击塔顶时雷电流可通过下列途径的分流： • 避雷线 • 杆 塔 • 闪络后相导线也可分流

  11. 雷击塔顶的过电压分析 • 波头部分 • 塔顶电位 • 最高塔顶电位

  12. 杆塔的分流 • 110kV: 0.9(1S), 0.86(2S) • 220kV: 0.92(1S), 0.88(2S) • 500kV: 0.88(2S)

  13. 2、雷击杆塔时导线的电位 • 避雷线耦合到导线上的电位：u1=kutd (避雷线与塔顶电位相同) • 雷击塔顶时雷电先导在导线上的的感应电位： U2=-αhd(1-k) U2为负的理由：雷电先导在导线上产生感应过电压的极性（感应出正电荷）与流入杆塔中的电流极性相反 • 导线电位

  14. 3、绝缘子串上作用的过电压 • 绝缘子串的作用电压: Uj=塔顶电位Utd– 导线电位Ud = 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)

  15. 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:

  16. 反击耐雷水平与导线－地线间的耦合系数k，杆塔分流系数β，杆塔冲击接地电阻Rch，杆塔等值电感Lgt以及绝缘子串的50％放电电压Uj50％等因素有关反击耐雷水平与导线－地线间的耦合系数k，杆塔分流系数β，杆塔冲击接地电阻Rch，杆塔等值电感Lgt以及绝缘子串的50％放电电压Uj50％等因素有关 还必须考虑工频电压的作用以及触发相位 距离远，耦合系数小，一般以外侧或下方导线计算 通常以降低Rch，提高k为提高反击耐雷水平的主要手段 提高耦合系数K的方法: 1)将单避雷线改成双避雷线 2)在导线下放增设架空地线(耦合地线),也起到分流作用

  17. 反击耐雷水平 • 35kV: 20-30kA • 110kV: 40-75kA • 220kV: 75-110kA • 330kV: 100-150kA • 500kV: 125-175kA

  18. A Z0 Zb/2 ig 彼得逊法则 二、雷击避雷线档距中央 避雷线雷击点A的电压：

  19. 1、当雷电波头长度大于档距时 避雷线雷击点A的电压： Zb/2 雷击点最高点电位出现在从杆塔反射回来的负电压波到达时刻: 此时雷电流 iL=αt =αL/Vb 间隙S承受的最大电压: A Z0 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。

  20. 我国规程

  21. 2、当雷电波头长度小于档距时 • 负反射波尚未返回雷击点时，雷电流已过峰值，A点最高电位由雷电流峰值确定 • 一般罕见雷击档距中央

  22. 三、雷击导线－绕击时的过电压 • 绕击过电压： • 幅值为： • 设Z0≈Zd/2, 取Zd=400, 则UA≈100IL A Z0 Zd/2 id 彼得逊法则

  23. 绕击耐雷水平 • 绕击耐雷水平 • 绕击线路的耐雷水平很低 • 500kV线路27.4kA，220kV-12kA，110kV-7kA • 110kV以上线路要求全线架避雷线 • 绕击率：平原线路： • 山区线路：

  24. 四、输电线路的雷击跳闸率 • 建弧率： 当雷电流超过线路耐雷水平时,线路绝缘发生闪络,雷电流经闪络通道入地,时间在几十微秒,线路开关来不及动作.只有当沿闪络通道流过的工频短路电流的电弧持续燃烧时,线路才会跳闸停电. 建弧率 ̶ 冲击闪络转为工频电弧的概率: 与弧道中的平均电场强度有关,与闪络瞬间工频电压的瞬时值和游离条件有关 绝缘子串的电压梯度:

  25. 100km年的雷击次数（40个雷电日）： • N次中击中塔顶引起线路跳闸次数 • g为击杆率, P1为雷电流幅值超过雷击杆塔的耐雷水平的概率 • 绕击导线的跳闸率 Pa为绕击率, P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平的概率 • 线路跳闸率：

  26. 五、输电线路的防雷保护措施 1、架设避雷线（屏蔽作用）：引导雷电向避雷线放电，通过 杆塔和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。 • 防止直接雷击导线 • 分流减少经杆塔入地电流，降低塔顶电位 • 降低感应过电压 • 110kV以上应全线架设避雷线 • 保护角：避雷线和外侧导线的连线与垂线之间的夹角，保护角越小，对绕击雷的保护效果越好，110kV: 保护角20～30º，500kV负保护角。受杆塔结构的限制。

  27. 2、降低杆塔接地电阻（疏淤） • 土壤电阻率低的地区，应充分利用铁塔、钢筋混凝土杆的自然接地电阻 • 土壤电阻率高的地区，可采用多根放射形接地体或连续伸长接地体以及垂直接地电极等措施 3、加强绝缘（加高堤坝） 对大跨越、高杆塔，落雷机会多等情况，可增加绝缘子片数 4、双回输电线路采用不平衡绝缘（放水） 一回普通绝缘，一回加强绝缘，当雷击时普通绝缘先闪络，闪络后相当于地线，增加了对加强绝缘线路的耦合作用，提高了耐雷水平，保证正常供电。

  28. 5、架设耦合地线：在降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条接地线。它具有分流作用，又加强了避雷线对导线的耦合。运行经验表明，该措施可降低雷击跳闸率50％左右5、架设耦合地线：在降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条接地线。它具有分流作用，又加强了避雷线对导线的耦合。运行经验表明，该措施可降低雷击跳闸率50％左右 6、采用消弧线圈接地方式：适用110kV及以下电压等级电网，可使大多数雷击单相闪络接地故障被消弧线圈消除，不至发展为持续工频电弧。我国的运行经验表明，该措施可使雷击跳闸率降低1/3左右 7、装设自动重合闸装置：我国110kV及以上线路重合闸成功率达75～95％ 8、安装线路避雷器（水涨船高）：并联连接在绝缘子串上，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，避免了绝缘子串的闪络

  29. 安装线路避雷器的基本要求： • 良好的伏秒特性，实现合理的绝缘配合 • 良好的绝缘强度自恢复能力，利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行 • 硅橡胶护套氧化锌线路避雷器已取得良好应用效果 日本总结77kV各种防雷措施效果的统计结果： 增加绝缘、架设耦合地线、减少杆塔接地电阻，可使雷击跳闸次数分别降至62%、56%、45%，安装氧化锌线路避雷器后可消除雷击跳闸事故

  30. 线路避雷器的应用 • 线路避雷器的投资较大，难以普遍采用 • 建议优先安装在下列条件杆塔： • 山区线路易击段、易击点的杆塔 • 山区线路接地电阻超过100 Ω且发生过闪络的杆塔 • 水电站升压站出口线路接地电阻大的杆塔大跨越高杆塔 • 多雷区双回线路易击段、易击点的一回线路上

  31. 线路避雷器保护绝缘子原理

  32. 线路避雷器的发展 • 美国：美国AEP和GE公司1980年开始研制线路防雷用合成绝缘ZnO避雷器，1982年10月有75只在138kV线路上投入试运行。运行表明在装有避雷器的被保护线段没有出现绝缘子串的闪络。 • 法国：1998年开始在63kV和90kV线路安装避雷器 • 日本：1981－1983年研制出无间隙的77kV合成绝缘避雷器。1986年5月开始在雷电活动特别严重地区的输电线路上安装。线路没有出现任何事故，而没有安装避雷器的线路则仍有故障出现。

  33. 线路避雷器的发展 • 日本：1988年275kV合成绝缘线路避雷器研制成功，1988年12月开始在投入运行。 500kV线路避雷器1990年开发出来，1990年在双回线路的一回线路上投入运行。到1999年1月已有不同电压等级的47000多只线路避雷器在运行中，其中99%是带串联外间隙的，在各种电压等级的线路上都有成功动作的记录。 • 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

  34. 线路避雷器应用

  35. 线路避雷器应用

  36. 中国线路避雷器的应用

  37. 悬挂式避雷器应用于变电站

  38. 线路避雷器应用于室内变电站入口处

  39. 35kV无间隙线路避雷器

  40. 220kV线路避雷器

  41. 220kV线路避雷器

  42. 110kV带分离间隙的线路避雷器

  43. 谢谢！

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