架空输电线路防雷设计Word下载.docx

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0.015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：

次/100公里·

年

若T=40天，

N=0.6h次/100公里·

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）·

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。

2输电线路防雷

输电线路上出现的大气过电压有两种：

直击雷过电压：

雷电直击线路；

感应雷过电压：

雷击线路附近地面，由于电磁感应，线路上出现过电压。

输电线路防雷水平衡量指标：

耐雷水平：

雷击线路时，绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值，KA；

雷击跳闸率：

每100km线路每年由雷击引起的跳闸次数。

2.1感应雷过电压

1）雷击附近大地，线路上的感应过电压

在雷云放电的起始阶段，存在着向大地发展的先导放电过程；

线路处于雷云与先导通道的电场中，由于静电感应，沿线路方向的电场强度分量Ex将正电荷吸引到靠近先导通道的一段线路上成为束缚电荷，（雷云电荷为负电荷），导线上的负电荷经泄漏电导及中性点流入大地。

此时，由于先导通道发展速度不大，导线上的电荷运动速度缓慢，在导线中引起的电流很小，同时由于导线对地泄漏电导的存在，靠近先导通道的导线其电位与远离先导通道的导线电位相同。

当雷云对地面放电时，先导通道中的负电荷被迅速中和，其产生的电场迅速降低，使导线上的束缚正电荷得到释放，沿导线向两侧运动，形成感应雷过电压；

称为感应雷过电压的静电分量。

同时，雷电通道中的雷电流在通道周围建立了强大的磁场，磁场的变化也将在导线中感应很高的电压，称为感应雷过电压的电磁分量。

当雷击点离开线路的距离S>

65m时，导线上感应雷过电压的最大值Ug：

kV

雷电流幅值，kA；

hd：

导线平均高度，m；

S：

雷击点与线路的距离，m；

由于雷击地面时，雷击点的自然接地电阻较大，雷电流的幅值I一般不超过100kA，感应过电压一般不超过500kV。

对10kV、35kV线路会引起一定的闪络事故；

对110kV及以上线路，由于线路绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故。

有避雷线线路，由于其屏蔽效应，导线上的感应电荷就会减少，导线上的感应过电压就会降低。

导线对地平均高度，m；

hb：

地线对地平均高度，m；

Ugd：

导线上的感应过电压，kV；

Ugb：

地线上的感应过电压，kV；

由于避雷线实际上是接地的，可以设想在避雷线上尚有一电压–Ugb，以保持避雷线电位为零。

由于导线与避雷线之间存在耦合作用，–Ugb将在导线上产生耦合电压–k·

Ugb；

导线上的电位为：

由于避雷线的存在，导线上的感应电压将降低；

耦合系数愈大，导线上的感应电压愈低。

2）雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压：

线路的受雷宽度约为10·

hd，线路具有引雷作用。

雷击塔顶时，由雷电通道所产生的电磁场的迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压。

一般高度（<

40m），无避雷线时：

a:

感应过电压系数，kV/m；

其数值等于雷电流平均陡度，a=I/2.6；

一般高度，有避雷线时：

k：

耦合系数；

2.2输电线路的直击雷过电压及耐雷水平

雷直击有避雷线的线路有三种情况：

1）雷击塔顶；

2）雷击避雷线档距中间；

3）绕击导线。

2.2.1雷击塔顶：

击杆率g：

雷击杆塔的次数与雷击线路总次数的比值。

击杆率g：

地形避雷线根数

1

2

平丘

1/2

1/4

1/6

山区

1/3

雷击塔顶时,雷电通道中的负电荷与杆塔及地线上的感应的正电荷迅速中和，形成雷电流；

雷击瞬间，有一负雷电流波沿铁塔向地运动，另有两负雷电流波沿杆塔两侧避雷线向相邻杆塔运动；

与此同时，自塔顶有一正雷电流波沿雷电通道向上运动。

正雷电流波与三个负雷电流波之和相等。

1）塔顶电位：

杆塔集中参数电感Lgt，避雷线集中参数电感Lb；

杆塔的电感和波阻抗：

杆塔型式

杆塔电感μH/m

杆塔波阻Ω

铁塔

0.50

150

单根避雷线等值电感Lbe=0.67L（μH）；

双根避雷线等值电感Lbe=0.42L（μH）；

L：

为档距长度。

由于雷击点的阻抗较低，在计算中可略去雷电通道波阻的影响。

由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流将小于雷电流：

为地线的分流系数。

一般长度档距的分流系数β：

线路额度电压

避雷线根数

β值

110kV

0.90/0.86

220kV

0.92/0.88

330kV

0.88

塔顶电位Utd：

则：

雷电流幅值。

2）导线电位和线路绝缘上的电压：

当塔顶电位为Utd时,与其相连的避雷线电位也为Utd,由于避雷线与导线之间的耦合作用,导线上将产生耦合电压kUtd,此电压与雷电流同极性。

由于雷电通道的电磁场变化，在导线上感应过电压a·

hd（1-k），此电压与雷电流异极性。

导线电位的幅值Ud：

绝缘子串两端的电压为塔顶电位与导线电位之差：

a=I/2.6

雷击时，导地线上将出现冲击电晕，k值采用电晕修正后的值。

耦合系数的电晕修正系数k1：

线路额定电压（kV）

20-35

60-110

154-330

二根避雷线

1.1

1.2

1.25

单根避雷线

1.15

1.3

注：

220kV及以下线路，工频电压所占比重不大，一般可以略去。

但对超高压线路，工频电压的瞬时值应作为一随机变量来考虑。

3）耐雷水平：

绝缘子串上的电压幅值Uj随着雷电流I的增大而增大，当Uj大于绝缘子串雷电冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络（反击）。

耐雷水平I1：

U50%：

绝缘子串的50%雷电冲击闪络电压，KV；

规程规定，雷击塔顶时的耐雷水平不低于下表所列数值：

额定电压（kV）

35

66

110

154

220

330

耐雷水平（kA）

20-30

30-60

40-75

90

80-120

100-140

4）提高耐雷水平的措施：

（1）降低杆塔冲击接地电阻Rch；

（2）增加耦合系数k，必要时可架设耦合地线。

2.2.2雷击避雷线档距中央：

规程规定，对一般档距的线路，如果档距中央导地线之间的距离S满足：

S>

0.012L+1m，则一般不会出现击穿事故。

雷击避雷线档距中央，雷击点的阻抗为Zb/2，流经雷击点的雷电流iz，

雷击点的电压：

uA=iz·

Zb/2=

雷电流i=at，在t=L/vb时刻，雷击点有最高点位：

（Vb为避雷线中的波速）

由于避雷线与导线的耦合作用，将在导线上产生耦合电压k·

UA，雷击点避雷线与导线之间的空气间隙S承受的电压Us

Us=（1-k）·

UA

2.2.3绕击：

装有避雷线的线路，仍绕过避雷线雷击导线的可能。

一旦出现这种情况，往往会引起线路绝缘子串闪络。

绕击率Pα：

与保护角α（︒）、杆塔高度h（m）及地形地貌有关。

平原地区：

山区：

绕击时的过电压和耐雷水平：

绕击时，雷击点的阻抗为Zd/2，（Zd为导线波阻抗），

流经雷击点的电流：

导线上的电压Ud：

其幅值为：

耐雷水平I2：

规程规定，Z0=Zd/2，Zd≈400Ω；

2.2.4输电线路的雷击跳闸率

雷电流超过线路的耐雷水平,引起线路绝缘闪络,这时,雷电流沿闪络通道流入大地，但由于时间只有几十微秒，断路器来不及动作；

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。

1）建弧率：

冲击闪络转化为稳定工频电弧的概率，η；

E：

绝缘子串的平均运行电压梯度，kV/m（有效值）

中性点直接接地系统：

中性点非直接接地系统：

Ue：

线路额定电压，kV（有效值）

Lj：

绝缘子串闪络距离，m。

当E<

6kV/m时，建弧率很小，可近似地认为η=0。

2）有避雷线的线路雷击跳闸率η的计算：

（1）雷击塔顶的跳闸率：

每100km线路每年的落雷次数（雷暴日=40天）N=0.6·

hb；

（hb为避雷线对地的平均高度，m）击杆率g，耐雷水平I1，雷电流超过I1的概率为P1，则100km线路每年的雷击塔顶的跳闸次数n1：

（2）绕击跳闸率：

每100km的线路绕击次数为N·

Pα=0.6·

hb·

Pα，绕击时的耐雷水平为I2，雷电流幅值超过I2的概率为P2，则100km线路每年绕击的跳闸次数n2：

线路雷击跳闸率：

n=n1+n2。

2.2.5输电线路防雷措施：

1）架设避雷线，110kV线路保护角一般取20~30︒，220kV线路保护角一般取20︒左右。

2）降低接地电阻，每基杆塔的工频接地电阻不大于下表所列数值：

土壤电阻率，Ω·

m

<

100

100~500

500~1000

1000~2000

>

2000

接地电阻，Ω

10

15

20

25

30

3）架设耦合地线；

4）采用不平衡绝缘；

5）自动重合闸；

6）采用消弧线圈接地；

7）装设避雷器：

在高杆塔上装设避雷器，限制过电压；

8）加强绝缘：

规程规定，全高超过40的有避雷线的杆塔，高度每增加10m，增加一片绝缘子。

平原地区220kV线路，13片X-7绝缘子，绝缘子串U50%=1410kV，杆塔冲击接地电阻Rch=7Ω，计算该线路的耐雷水平及雷击跳闸率。

避雷线最大弧垂7m，导线最大弧垂12m。

避雷线半径5.5mm

杆塔上,导线对地高度23.4m;

绝缘子串长2.2m,地线顶架高3.5m,两避雷线间距11.6m,避雷线与外侧导线水平距离1.6m;

hb=（23.4+2.2+3.5）-（2/3）×

7=24.5m

hd=23.4-（2/3）×

12=15.4m

双避雷线对外侧导线的耦合系数k0:

电晕修正系数k1=1.25，修正后的耦合系数k=k1·

k0=0.296

杆塔等值电感Lgt=29.1×

0.5=14.5μH

分流系数β=0.88

雷击杆塔时的耐雷水平I1：

=118kA

绕击时的耐雷水平I2：

kA

雷电流超过I1的概率：

8%；

雷电流超过I2的概率：

75%；

绕击率Pα=0.144%，击杆率g=1/6，建弧率η=0.80，计算线路雷击跳闸率n：

=0.17次/100km·

3接地装置

3．1接地的概念：

接地就是指将地面上的金属物体或电气回路的某一点通过导体与大地相连，使其与大地保持等电位。

接地电阻：

把接地点的电位与接地电流的比值定义为接地电阻，R=U/I，接地电阻是大地电阻效应的综合。

3.2工作接地、保护接地及防雷接地：

1）工作接地：

如中性点接地，可以稳定导线对地电位，以降低电气设备的绝缘水平，有利于电网的继电保护，接地电阻0.5~5Ω。

2）保护接地：

将电气设备的金属外壳接地，保证金属外壳经常为固定地电位；

一旦发生故障时，金属外壳不至于有危险的电位升高，保证人员安全。

3）防雷接地：

为防雷保护需要，目的是减小雷电流通过时的地电位升高。

火花效应：

1）雷电流幅值很大，2）雷电流等值频率高；

雷电流幅值大，会使地中电流密度增大，因而提高了电场强度，此电场强度超过图壤击穿场强时，会发生局部火花放电，使图壤导电率增大。

冲击系数：

3.3工程实用接地装置：

1）垂直接地体：

当采用角钢时，d=0.84b

N根垂直接地体时，

利用系数η=0.65~0.8；

3）水平接地体：

A:

接地电阻增加系数

接地体形式

A

0.38

0.48

0.87

1.69

2.14

5.27

垂直接地体的冲击系数：

土壤电阻率Ω·

200

400

600

800

I=20KA

L=2m

0.6

0.4

0.35

0.3

L=3m

0.8

0.5

I=40KA

0.25

水平接地体的冲击系数：

L=5m

0.55

0.45

L=10m

0.7

L=20m

0.9

0.65

L=40m

0.85

接地网的冲击系数：

（D为接地网直径）

D=4m

D=8m

D=12m

0.75

附:

耦合系数计算:

两根避雷线的输电线路,雷击塔顶时,导线与避雷线间的耦合系数:

i1=i2，u1=u2；

i3=i4=i5=0；

u1=Z11·

i1+Z12·

i2

u2=Z21·

i1+Z22·

u3=Z31·

i1+Z32·

u4=Z41·

i1+Z42·

u5=Z51·

i1+Z52·

导线3与地线1、2之间的耦合系数K3-12：

无电晕存在，两导线之间的耦合系数K：

两电线之间的电位差：