§6-2 架空输电线路防雷保护

要求：理解输电线路上的感应雷过电压的产生以及计算，直击雷过电压的产生及计算，掌握输电线路的防雷措施

输电线路上出现的大气过电压有两种：一种是雷击线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的，称为感应雷过电压。运行经验表明，直击雷过电压对电力系统危害最大，感应雷过电压只对35kV以下的线路有威胁。

输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。

§6-2-1输电线路的感应雷过电压

（1）感应雷过电压的产生

当雷电不直接击中导线，而击中导线附近的地面时，雷电放电会经历三个阶段：先导、主放电以及余光放电。这三个阶段对感应雷过电压有什么影响呢？

1）先导阶段

形成的先导是负先导，故在线路上感应出正的束缚电荷集中在靠近先导通道的一段导线上，而导线上的负电荷则被排斥而向两侧运动，经由线路泄漏电导和系统中性点流入大地。此阶段中，雷电流较小，故感应电压较小，导线上的电压波可以忽略。

2）主放电阶段

此阶段中，负先导中的负电荷由于主放电的发展而被中和，则导线上的正电荷由于电场的减弱而迅速释放，形成电压波向导线两侧传播。此阶段中，雷电流大，发展速度快，故导线上形成的电压波也较大。而这种过电压即是感应雷过电压的静电分量。

另外，在主放电过程中，雷电流在周围空间建立起了强大的磁场，也会使得导线上出现感应雷过电压，这种由磁场感应的电压称为感应雷过电压的电磁分量。

在讨论输电线路的感应雷过电压中，主要讨论感应雷过电压的静电分量。

（2）感应雷过电压的计算

1）导线上方无避雷线

若雷击点离线路的水平距离时，则导线上的感应雷过电压最大值按下式计算：

其中，I_L为雷电流的幅值，h_d为导线悬挂的高度，S为雷击点离线路的水平距离。

注意点：

l  感应雷过电压的极性与雷电流的极性相反。

l  感应雷过电压同时存在于三相导线中，相间不存在电位差，故只能引起对地闪络；如果三相或者两相对地闪络即形成相间闪络。

2）导线上方悬挂有避雷线

避雷线的作用是使得感应雷过电压减小。

l  避雷线不接地

设导线和避雷线的平均高度分别为h_d和h_b，若避雷线不接地，则求得避雷线与导线上的感应过电压分别为：

由此可以得到：

l  避雷线接地

实际中，避雷线是接地的，它的电位始终为零电位，这相当于在避雷线上又叠加了一个的感应过电压，从而保持避雷线的电位为零。而这值为的感应电压降在导线上产生耦合电压，K₀称为避雷线与导线之间的耦合系数。

因此，导线上的实际感应雷过电压为：

因此，增大接地避雷线与导线之间的耦合系数K₀，可降低线路上的感应雷过电压。

3）雷击杆塔时，导线上的感应雷过电压

前面的感应雷过电压的计算公式只适用于的情况，更近的落雷事实上将因线路的引雷作用而击于线路。

雷击线路杆塔的时候，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压，其计算尚有争论。建议对一般高度（约40m以下）的线路中，感应雷过电压的计算如下：

l  无避雷线的线路

其雷击杆塔时的最大感应雷过电压计算式子为：

其中a为感应雷过电压系数（kV/m）。其数值等于以kA/μs计的雷电流平均陡度，即是：

l  有避雷线的线路

其最大感应雷过电压计算式子为：

其中，K₀为耦合系数，a为感应雷过电压系数。

§6-2-2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一般有三种情况：雷击杆塔塔顶，雷击避雷线档距中央，雷绕过避雷线击于导线（称为绕击）。

（1）雷击杆塔塔顶

雷击杆塔塔顶的时候，在雷电通道中流过自塔顶向上的正电流波，有一负雷电流波沿杆塔向下运动，有两个相同的负电流波分别自塔顶沿两侧避雷线向相邻杆塔运动，如图9.1（a）所示。正电流波的数值等于三个负电流波数值之和。

由正电流波的运动在导线上所产生的感应电压已经讲过（即是雷击杆塔塔顶时的感应雷过电压），在此主要分析流经杆塔和地线中的雷电流所引起的过电压。

1）塔顶的电位

针对杆塔高度小于40m的情况。

l  等值电路

以集中参数电感L_gt代表杆塔，L_b代表避雷线，雷电流为i_L，则其等值电路如图9.1（b）所示。

 

 

 

 

 

 

     

	图9.1 雷击杆塔塔顶示意图

 

 

 

 

 

l  由于避雷线的分流作用，有

l  塔顶电位：，一般有，则有：

，如果将雷电流幅值代入，则可以得到杆塔塔顶的最高电位为：

2）导线电位

由等值电路可知，当塔顶电位为u_td时，避雷线上也有同样的电位，且为负极性（与雷电流同极性）。由于避雷线和导线之间的耦合作用，导线上将产生耦合电压K₀u_td，此电压极性与先前由于正电流波产生的感应电压极性相反，所以导线电位的幅值为：

3）横担上的电位

横担比杆塔离地面的距离要低一些，此时用L_a代表横担的等值电感，则在横担上的电位为：

将代入上式，则有：

假设杆塔是均匀的，则通过杆塔的高度及其等值电感，可求得杆塔单位长度的等值电感，因此在结合横担的高度，则可以得到横担上的等值电感与杆塔等值电感的关系：

进一步得到横担上的电压：

4）线路绝缘上的电压

线路绝缘子串上两端的电压为横担电位和导线电位之差，故有：

若，则有：

5）耐雷水平

l  耐雷水平

雷击线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值称为“耐雷水平”，以kA为单位。

l  决定耐雷水平的因素

雷击杆塔时的耐雷水平是通过使绝缘子串不发生闪络的最大电压值来决定的。即是雷击杆塔时的耐雷水平I₁可由u_j等于线路绝缘子串的50%冲击闪络电压U_50%时求得：

由此可以得到耐雷水平：

雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数β，杆塔等值电感L_gt，R_ch，K，U_50%有关。

l  反击

线路绝缘上电压的幅值u_j随着电流的增大而增大，当u_j大于绝缘子串冲击闪络电压的时候，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔电位较导线电位高，故此类闪络称为“反击”。

（2）雷击避雷线档距中央

雷击避雷线档距中央的时候，雷电波会沿着避雷线两端运动。由于冲击电晕的作用，雷电波从避雷线到杆塔时，会衰减变形，所以雷电波传到杆塔时，杆塔的电位是不足以引起绝缘子闪络的。此时，影响线路绝缘水平的仅仅是避雷线与导线之间电位差引起其档距中央间隙S

（雷击点处）的气隙发生击穿。下面即将讨论间隙S所承担的电压。

1）雷击避雷线档距中央的等值电路

根据前面所讲雷电放电的计算模型可以知道，雷击避雷线档距中央的时候，相当于雷电流通过两段波阻抗为Z_b的线路并联传播。如果避雷线两侧传播的雷电流波在杆塔处的反射波还没到达A点（雷击点），则可以得到雷击避雷线档距中央的等值电路如图9.2（b）所示。（采用电流源模型）

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图9.2 雷击避雷线档距中央

由图可知，雷击点A点处的雷电流波为：

此时A点的电压为：

这是未计及雷电流沿避雷线传播的时到达杆塔的反射波而得到的雷击点的电位。

2）雷击点的最高电位

l  当反射波未到达A点的时候，A点电位为：

l  当入射雷电流波到达杆塔时，由于杆塔的接地作用，避雷线末端相当于接地（短路），故i_Z的反射波为一全反射波，返回到线路上只会使得线路的实际电位下降，所以说，当反射波到达A点的时候，A点的电位将降低。

l  如果反射波达到A点时，雷电流i_Z还未到达其峰值，则A点电位最大值为：

，

其中，L为档距长度，v_b为i_Z的波速。

若雷电流为斜角波前，即是，则。

l  如果反射波到达时，雷电流峰值已过，则A点电位最大值为其雷电流峰值所对应的电位：

3）导线上的电压

由于避雷线与导线之间的耦合作用，将在导线上产生耦合电压Ku_A，则导线上耦合电压最大值为雷击点A点的最大值的K倍，即是有：

4）档距中央空气间隙S上承担的最高电压

将u_A代入上式，则有：

而后，根据空气间隙的耐电强度，可以计算出不发生击穿的最小空气距离S，即是：

（3）绕击时的过电压及耐雷水平

绕击的可能性较小，但一旦出现这种情况，将会引起线路绝缘子串闪络。

1）绕击率

l  平原线路

对于平原线路而言，绕击率为P_a，且有：

l  山区线路

以上式子中，P_a为绕击率，α为保护角，h为杆塔高度。

2）绕击时的等值电路

l  假设雷绕击导线中央，则其等值电路如图9.3所示：

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图9.3 雷绕击导线示意图及等值电路

其中Z_d为导线的波阻抗，A点为雷击点。

l  A点的电位

因此，雷击点电位最大值在时出现，即是：

3）耐雷水平

导线上电压幅值为u_A，则绝缘子串上承担的电压也为u_A（杆塔电位为零）。当u_A=U_50%（U_50%为绝缘子串的闪络电压）时，绝缘子串发生闪络，即是耐雷水平I₂所对应的电压为U_50%。即是有：

进而得到：

如果，则有：

§6-2-3输电线路的雷击跳闸率

（1）概念

指的是每100km线路每年由雷击引起的跳闸次数，它是衡量线路防雷性能的综合指标。

（2）建弧率

雷击线路导致跳闸，需要具备两个条件：

一是：雷电流超过线路的耐雷水平，引起线路绝缘发生冲击闪络；这种情况下，雷电流发展过程很快，线路开关来不及动作，所以有第二个条件。

二是：线路能将冲击电弧转化为稳定的工频短路电弧，维持一段时间，线路才会跳闸。

但是，并不是每次闪络都会将冲击电弧转化为稳定的工频电弧，它具有一定的统计性，所以必须研究其建弧的概率，即冲击电弧变成工频电弧的概率，也就是建弧率。

建弧率：线路发生冲击闪络的总次数中，可能转化为稳定工频电弧的比例，称为建弧率，用η来表示。且有：

上式中，E为绝缘子串的平均运行电压梯度，其取值如下：

l  对中性点直接接地系统：（u_e为线路额定电压，L_j为绝缘子串闪络距离）

l  对中性点非直接接地系统：

l  对于中性点不接地系统而言，单相闪络不会引起跳闸，只有当第二相导线再闪络后才会造成相间闪络而跳闸。

（3）有避雷线路雷击跳闸率的计算

在输电线路的雷击事件中，感应雷过电压及雷击避雷线档距中央时，一般绝缘子不会发生闪络，因此只考虑雷击杆塔和雷绕击于导线两种情况下的跳闸率并求其总和。

1）雷击杆塔时的跳闸率

用n₁来表示，且有：

上式中，b为两避雷线之间的距离；h_b为避雷线平均对地高度；g为击杆率（雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值）；η为建弧率；p₁为超过耐雷水平I₁的概率。

2）绕击跳闸率

用n₂来表示，且有：

上式中，p_α为绕击率，p₂为超过耐雷水平I₂的概率。

3）线路雷击跳闸率

用n来表示，且有：

4、输电线路上的防雷措施

（1）架设避雷线

其作用如下：

1）雷击杆塔的时候，有分流作用，以减小流入杆塔的入地电流，从而降低塔顶电位，从而减小避雷线的电位。

2）雷击杆塔时，通过对导线的耦合作用，提高耐雷水平，减小绝缘被击穿的危险。

3）感应过电压时，可减小导线上的感应过电压。

（2）降低杆塔接地电阻

当雷击杆塔塔顶的时候，耐雷水平I₁的计算公式如下：

由此可以看出，降低杆塔接地电阻R_ch，可以提高耐雷水平I₁。

（3）架设耦合地线

其作用是增加避雷线与导线之间的耦合作用，从而降低绝缘子串上的电压，提高耐雷水平；另外还可增加对雷电流的分流作用，降低塔顶电位。

（4）采用不平衡绝缘方式（双回路）

其原则是使得两回路的绝缘子串片数有差异。雷击时，绝缘子串片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于地线，增加了另一回路导线的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平，使之不发生闪络。

（5）装设自动重合闸

（6）采用消弧线圈接地方式

能消除单相着雷闪络接地故障。

（7）装设管型避雷器

在线路交叉处和在高杆塔上装设管型避雷器以限制过电压。

（8）加强绝缘

用木横担来提高耐雷水平和降低建弧率。

对于高杆塔，则采用增加绝缘子片数的办法来提高其防雷性能。