现代防雷技术PPT课件第四章送电线路防雷保护.ppt

第四章、送电线路防雷保护第四章、送电线路防雷保护n 雷击是影响电网安全稳定运行的重要因素之一。长期以来雷击引起的输电线路跳闸事件频繁发生，对电网安全稳定运行构成了极大的威胁。据电网故障分类统计表明，在我国跳闸率较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中，由雷击引起的次数占4070，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输电线路引起的事故率更高；每一次雷击闪络，不仅使系统出现一次强的扰动，还可能造成设备损坏、线路停运，甚至出现电网大面积停电事故，对社会造成巨大的经济损失。近年来我国雷电活动加剧，电网新增速度加快，线路随电压等级不断增高，由于雷击造成的电网事故及损失也逐年呈上升趋势。加强输电线路的雷电防护，对于维护电网的安全稳定运行有着重要的意义。n 长的架空输电线路在一年中往往要遭到数十次雷击，因而线路的雷击事故在电力系统总的雷电事故中占有很大的比重。据统计，因雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的60%以上。输电线路防雷保护的目的就是尽可能减少线路雷害事故的次数和损失。n 输电线路上出现的雷电过电压主要有两种，即为直击雷过电压和感应雷过电压。前者由雷击于线路引起，后者由雷击线路附近地面、由于静电感应和电磁感应引起。n 线路雷害事故的形成通常要经历下述阶段：在雷电过电压作用下，线路绝缘发生闪络，然后从冲击闪络转化为稳定的工频电弧，引起线路跳闸，如果在跳闸后线路不能迅速恢复绝缘，则发生停电事故。因此，提高输电线路的防雷性能，首要措施是防止线路闪络。雷击线路但不致引起绝缘闪络的最大雷电流峰值（kA）称为线路的耐雷水平。从直击雷和感应雷过电压的形成机理看，它们所对应的耐雷水平是不相同的。n 造成输电线路雷击故障的原因是：雷击时在输电线路上形成的雷电过电压超过线路绝缘的耐受水平，使线路绝缘遭到破坏并发生闪络，从而导致系统跳闸或设备损坏。根据过电压形成的物理过程，雷电过电压可以分为直击雷过电压（雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压）和感应雷过电压（雷击线路附近大地由于电磁感应在导线上产生的过电压）。运行经验表明，直击雷过电压是造成110kV及以上电压等级输电线路雷击跳闸的主要原因，而感应过电压仅对35kV及以下的线路有威胁。直击雷过电压又分为反击和绕击两种。反击是雷击线路杆塔或避雷线时造成塔顶电位升高，对导线发生闪络，使导线出现过电压；绕击是雷电直接击中导线，在导线上引起的过电压。n实际运行经验表明，不同电压等级输电线路雷击跳闸的主要原因不同。110kV线路主要是反击；220kV和330kV线路，绕击和反击都是主要原因；500kV及以上超、特高压线路，绕击占绝大多数。n第一节第一节 输电线路的感应雷过电压输电线路的感应雷过电压 雷击线路附近大地时，线路上的感应过电压n当雷击线路附近的大地时，由于电磁感应，在导线上将产生感应过电压。感应过电压的形成如图41所示，设雷云带负电荷。在主放电开始之前，雷云中的负电荷沿先导通道向地面运动，线路处于雷云和先导通道形成的电场中。由于静电感应，导线轴向上的电场强度Ex将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。导线上的负电荷则受Ex的作用向导线两端运动，经线路的泄漏电导和系统的中性点而流入大地。由于先导发展的速度很慢，导致导线上束缚电荷的聚集过程也比较缓慢，因而导线上由此而形成的电流很小，可以忽略不计，在不考虑工频电压的情况下，导线将通过系统的中性点或泄漏电阻保持零电位。主放电开始后，先导通道中的负电荷被迅速中和，使导线上的束缚电荷得到释放，沿导线向两侧运动形成过电压。这种由于先导通道中电荷所产生的静电场突然消失而引起的感应电压称为感应过电压的静电分量。n同时，主放电通道中的雷电流在通道周围空间产生了强大的磁场，该磁场的变化也将使导线上感应出很高的电压。这种由于主放电通道中雷电流所产生的磁场变化而引起的感应电压称为感应过电压的电磁分量。由于主放电通道与导线互相垂直，因此电磁分量不大，约为静电分量的1/5。从图41可以看出，感应过电压的极性与雷电流极性相反。n图41 感应雷过电压形成示意图n根据理论分析和实测结果，我国的技术规程建议，当雷击点离导线的距离超过65m时，导线上的感应雷过电压最大值Ug可按下式计算n（41）n其中，IL为雷电流幅值（kA），hd为导线高度（m），S为雷击点离导线的距离（m）。n由上式可知，感应过电压与雷电流峰值IL成正比，与导线平均高度hd成正比，hd越大则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就越高；感应过电压与雷击点到线路的距离S成反比，S增大时，感应过电压就减小。n由于雷击地面时雷击点的自然接地电阻较大，雷电流峰值一般不超过100kA。因此在式（41）中可按ILl00 kA进行估算。实测证明，感应过电压峰值最大可达的300400kV。对35 kV及以下钢筋混凝土杆线路，可能造成绝缘闪络；但对于110 kV及以上线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络。感应过电压在三相导线中同时存在，相间不存在电位差，故只能引起对地闪络；如果两相或三相同时对地闪络，则形成相间短路。n如果导线上方挂有避雷线，其影响相当于增大了导线的对地电容，导线上的感应过电压将会下降。避雷线的屏蔽作用可用叠加法求得。设导线和避雷线的对地平均高度分别为hd和hb，若设避雷线不接地，则由式（41）可以求得导线上和避雷线上的感应过电压Ugd和Ugb分别为n和 n故 n但实际上避雷线是通过杆塔接地的，其电位为零。为满足这一条件，可以设想在避雷线上还存在一个电位-Ugb。该电位将在导线上产生耦合电位k（-Ugb），其中k为避雷线与导线间的耦合系数。耦合电位与导线的雷电感应过电压相叠加后，导线上实际的感应过电压Ugd为n（42）n从上式可以看出，避雷线的存在使导线上的感应雷过电压下降了（1-k）倍。耦合系数越大，感应过电压越低。n雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压n式（41）和（42）只适用于S65m的情况，更近的落雷事实上将因线路的引雷作用而击中线路（避雷线或导线）或杆塔。雷击线路杆塔时，由于主放电通道所产生的磁场的迅速变化，将在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压，其计算问题至今尚有争论，不同方法的计算结果相差很大，也缺乏实践数据。对一般高度（约40m以下）的无避雷线的线路，导线上感应的过电压的最大值可按下式计算：n（43）n其中，a为感应过电压系数（kV/m），其值近似等于以kA/s计的雷电流平均波前陡度，即aIL/2.6。n有避雷线时，导线上的感应过电压相应为n（44）n其中，k为耦合系数。n第二节第二节 输电线路的直击雷过电压输电线路的直击雷过电压n我们以中性点直接接地系统中有避雷线的线路为例进行分析，其它线路的分析原则n相同。如图42所示，雷直击于带避雷线的线路有三种情况，即雷击杆塔顶部，雷击避雷线档距中央和雷击导线（即绕击）。n图42 带避雷线线路遭受雷直击的三种情况n反击过电压n雷击线路杆塔顶部时，由于塔顶电位与导线电位相差很大，可能引起绝缘子串的闪络，即发生反击。运行经验表明，在线路落雷总次数中，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。我国技术规程建议的击杆率g如表41所示。n表41 击 杆 率 g 避雷线根数地形012平 原山 区1/211/41/31/61/4n雷击杆塔顶部瞬间，如图43所示，负极性雷电流一部分沿杆塔向下传播，还有一部分沿避雷线向两侧传播；同时，自塔顶有一正极性雷电流沿主放电通道向上运动，其数值等于三个负雷电流数值之和。线路绝缘上的过电压即由这几个电流波引起。由雷电主放电通道中正电流波的运动在导线上所产生的感应过电压已在前面进行了分析，这里主要分析流经杆塔和地线中的电流所引起的过电压。n（1）塔顶电位n对于一般高度（约40m以下）的杆塔，工程上常采用如图44所示的集中参数等值电路进行分析计算。图中，Lgt和Lb分别为杆塔和避雷线的等值电感，Rch为杆塔的冲击接地电阻。单根避雷线的等值电感约为0.67lH（为避雷线档距长度，m），双根避雷线约为0.42lH。不同类型的杆塔的等值电感可由表42估算。n图43 雷击塔顶时雷电流的分布n图44 雷击塔顶的等值电路n表42 杆塔的等值电感的平均值杆塔型式杆塔电感（H/m）无拉线水泥单杆有拉线水泥单杆无拉线水泥双杆铁 塔门型铁塔0.840.420.420.500.40n考虑到雷击点的阻抗较小，故在计算中可忽略主放电通道波阻抗的影响。由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流 将小于雷电流 ，其中为杆塔的分流系数。的值可由图44所示的等值电路求出。对于不同电压等级一般长度档距的杆塔，值可由表43查得。表43 一般长度档距的线路杆塔分流系数线路额定电压（kV）避雷线根数值110120.900.86220120.920.8833020.88n塔顶电位utd为（45）n以代入，则塔顶电位的幅值为（46）n（2）导线电位n与塔顶相连的避雷线具有与塔顶相等的电位utd（幅值为Utd）。由于避雷线与导线之间的耦合作用，在导线上将产生耦合电位kutd，此电位与雷电流同极性。此外，发生主放电时，根据式（44），导线上存在感应电位ahd（1k），该电位与雷电流极性相反。因此，导线上总的电位的幅值Ud为（47）n（3）线路上绝缘子串两端电压n由式（47）可得线路上绝缘子串两端电压的幅值Uj为n（48）n将式（46）及 代入式（48），得n（49）n雷击时，导线和地线上的电位较高，将出现冲击电晕，耦合系数k应采用修正后的数值。n需要指出的是，上述计算所得的绝缘子串两端电压并未考虑导线上的工作电压。对于220kV及以下线路，工作电压值所占比例不大，可以忽略不计；但对超高压线路而言，则不可忽略，雷击时导线上的工作电压的瞬时值应作为一随机变量加以考虑。n（2）雷击避雷线档距中央时的过电压n雷击避雷线档距中央时，虽然也会在雷击点产生很高的过电压，但由于避雷线的半径较小，会在避雷线上产生强烈的电晕；又由于雷击点离杆塔较远，当过电压波传播到杆塔时，已不足以使绝缘子串击穿，因此通常只需考虑雷击点避雷线对导线的反击问题。图45 雷击避雷线挡距中央 图46 彼得逊等值电路n雷击避雷线档距中央如图45所示，图中Z0和Zb分别为主放电通道和避雷线的波阻抗。由于雷击点离杆塔较远，过电压波到达两侧杆塔入地，再反射到达雷击点的时间较长，因此在反射波到达前，雷击点电压可用彼得逊等值电路计算。n雷击时的电流源彼得逊等值电路如图46所示。由图可得雷击点处的电压uA为n（411）n电压波uA自雷击点沿避雷线向两侧杆塔运动，经 （l为档距长度，vb为避雷线中的波速）时间到达杆塔。由于杆塔接地，因此将有一负反射波沿原路返回，又经 时间后到达雷击点。若此时雷电流尚未到达幅值，则雷击点的电位自负反射波到达后开始下降，故雷击点A的最高电位将出现在 时。n若雷电流取为斜角波头i=at，将t的值代入，则由式（411）可得雷击点避雷线的最高电位UA为n（412）n由于避雷线与导线间的耦合作用，在导线上将产生耦合电位kUA，故雷击处避雷线与导线间空气间隙S上所承受的最高电压US为 （413）n由上式可知，雷击避雷线档距中央时，雷击处避雷线与导线间空气绝缘所承受的电压与耦合系数k、档距l及雷电流陡度a有关。当此电压超过空气间隙的放电电压时，间隙就会发生击穿。n对于大跨越档距，若 大于雷电流波头，则从相邻杆塔来的负反射波到达雷击点时，雷电流已过峰值，故雷击点的最高电位由雷电流峰值决定。n由式（413），结合空气间隙的抗电强度，可以计算出不发生击穿的最小空气间隙距离S。我国规程规定，档距中央避雷线与导线间的空气间隙距离S宜按以下公式确定：（414）n其中，l为档距长度，1m是考虑到杆塔和接地体中波过程的影响。n国内外的长期运行经验表明，雷击避雷线档距中央引起避雷线与导线间空气间隙闪络的事例是非常少见的，这可能是由于根据空气间隙的击穿强度来确定间隙距离的绝缘设计方法不符合实际情况造成的。一种解释认为，闪络发生前，避雷线与导线间的预击穿降低了间隙上的电位差。n因此，在线路防雷工程设计中，只要避雷线和导线间的空气距离满足式（414）的要求，雷击避雷线档距中央引起线路的闪络跳闸可以忽略不计。n绕击过电压n装设避雷线的线路，仍然有雷绕过避雷线而击于导线即发生绕击的可能性。虽然绕击的概率很低，但其危害较大，一旦发生绕击，往往会引起线路绝缘子串的闪络。n绕击的原理可借助于20世纪60年代建立的电气几何模型进行分析。电气几何模型是以“闪击距离”（击距）rs的概念为基础的，所谓击距就是雷电先导头部与地面目标的临界击穿距离。击距的大小与先导头部的电位有关，因而与先导通道中的电荷有关，后者又决定了雷电流的幅值。因此，击距与rs与雷电流幅值IL有直接关系，根据理论研究和实验，其关系如下：（415）n其中，k、p为常数，不同的研究者给出的数值相差较大，通常采用美国的E.R.Whitehead给出的数值（k6.72，p=0.8）。n关于绕击的电气几何模型分析是以等击距的假设为依据的，即假定先导对杆塔、避雷线、地面和导线的击距均相等。n图47 输电线路绕击的电气几何模型 击距rs求出后，就可以用几何分析法来求先导对导线的绕击情况。如图47所示，分别以避雷线和导线d为中心，以击距rsi为半径作两个圆弧，这两个圆弧交于Bi点；再在离地面高度为rsi处作一水平线CiDi与以d为圆心、半径为rsi的弧交于Ci点，由圆弧AiBi、BiCi和直线CiDi在沿线路方向组成一曲面，称为定位曲面。雷电流幅值为ILi的先导未到定位曲面之前，其发展不受地面物体的影响，n仅当它下行至定位曲面时才受地面物体的影响而定位。若ILi的先导落在AiBi弧上，则由于到避雷线的距离比到其它物体的距离为小，雷击中避雷线；同理，若落在BiCi弧上，则击中导线（发生绕击）；若落在直线CiDi上，则击中大地。因此，BiCi称为绕击暴露面。不同的雷电流幅值有不同的rs，所以可画出一系列的定位曲面。可以证明，AiBi弧与BiCi弧交点的轨迹为导线与避雷线的连线的垂直平分线（图中的直线oK），BiCi弧CiDi线的交点的轨迹为一抛物线（图中曲线HCiK）。中垂线与抛物线将整个空间分成三部分，中垂线与抛物线所包围的区域BiCi弧段为击中导线区（即绕击区）。随着雷电流的增大，BiCi弧段逐渐减小；当雷电流幅值增大到IK时，BiCi弧段缩减到零，此时已不可能发生绕击。相当于IK的击距称为临界击距rsb。n图47 输电线路绕击的电气几何模型n从电气几何模型可以看出，当雷电流大于一定值时，就不会发生绕击；而当雷电流较小时，则绕击的可能性增大。n电气几何模型是在多年运行经验及现场实测基础上总结的一种工程化的估计方法，用它可以说明为什么在保护角不大（但仍不能满足有效屏蔽的要求）时，线路会有绕击事故，即在分析绕击事故时是有用的；同时，该模型也证明了高杆塔时采用负保护角的必要性。但这一模型尚存在一些问题，首先在于击距的确定，基本数据不太可靠，各家数据相差很大；第二，在击穿前的最后一次下行先导逐级发展时，它不一定就恰好停歇在一个“击距”上，而可能停歇在比一个“击距”小的任何位置上，因此大电流也可能发生绕击；最后，当线路电压等级提高时，由于绝缘加强，所以能承受的雷击电流也增大，而允许击距也随之增大，这样就得出了有其保护角可以随线路电压等级的提高而加大的结果，但这一点是与运行经验恰恰相反的。因此，该模型还有待完善。第三节 输电线路的耐雷水平及雷击跳闸率 n4.3.1 雷击杆塔时的耐雷水平n由式（49）可知，线路上绝缘承受的电压与雷电流成正比关系。当Uj大于绝缘子串的U50%时，绝缘子串将发生闪络，发生反击。由于90%以上的雷电流为负极性，同时绝缘子串下端（导线侧）为正极性时U50%较低，所以U50%应以下端为正极性时的值为标准。令式（49）等于U50%，即可求得雷击杆塔时的耐雷水平I1为n（416）n由上式可知，k越小则I1越小，较易发生反击，因此，应选取远离避雷线的导线作为计算对象。n我国的技术规程规定，不同电压等级的线路，雷击杆塔时的耐雷水平不应低于表4-4所列数值。表44 有避雷线线路的耐雷水平额定电压（kV）35110220330500耐雷水平（kA）2030407575110100150125175n从式（410）可知，雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数、杆塔等值电感Lgt、杆塔冲击接地电阻Rch、导地线间的耦合系数k和绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%有关。在工程实际中，一般以降低冲击接地电阻Rch和提高导地线间的耦合系数k作为提高线路耐雷水平的主要手段。对一般高度的杆塔，冲击接地电阻上的压降对绝缘子串两端电压影响最大，降低杆塔接地阻Rch能有效地提高线路的耐雷水平。增大导地线间的耦合系数k可以减少绝缘子串上的电压，同样也可以提高耐雷水平。n4.3.2 绕击时的耐雷水平n在工程实际中，往往采用经验公式来求取绕击概率。根据模拟试验、现场实测和运行经验，绕击率P与避雷线对外侧导线的保护角、杆塔高度和线路经过地区的地形地貌和地质条件有关，我国技术规程建议采用下列公式进行计算绕击率P：n对平原地区 n（416）n对山区 （417）n其中，为保护角（）；h为杆塔高度（m）。n从上两式可知，山区线路的绕击率约为平原线路的3倍，或相当于保护角增大了8。n（2）绕击耐雷水平n忽略避雷线和导线的耦合作用，以及杆塔接地的影响，发生绕击时可以认为是雷电流波i/2，沿波阻抗为Z0的主放电通道传播到A点，如图48所示。图中Zd为导线的等值波阻。设导线为无穷长，则根据彼得逊法则，得到如图48（b）所示的等值电路。图48 绕击导线的等值电路n流经雷击点A的电流iA为 （418）n导线上的电压uA为n（419）n其幅值UA为n（420）n从上式可知，绕击时导线上的电压随雷电流幅值的增大而增大，若超过绝缘子串的闪络电压，则绝缘子串将发生闪络，绕击时的耐雷水平I2可根据令UA等于绝缘子串的50闪络电压U50%来计算：n（421）我国技术规程认为，则 （422）n根据规程法，35、110、220、330kV线路的绕击耐雷水平分别为3.5、7、12和16kA左右，较雷击杆塔时的耐雷水平小得多。n4.3.3 输电线路的雷击跳闸率n输电线路遭受雷击发生跳闸需要满足两个条件。首先是直击线路的雷电流超过线路的耐雷水平，线路绝缘将发生冲击闪络。但是它的持续时间只有几十微秒，线路开关还来不及跳闸，因此必须满足第二个条件冲击电弧转化为稳定的工频电弧，才能导致线路跳闸。n1）建弧率n冲击闪络转化为稳定的工频电弧的概率，称为建弧率。建弧率与工频弧道中的平均电场强度E有关，也与闪络瞬间工频电压的瞬时值和去游离条件有关。根据试验和运行经验，可按下式计算：（）（423）n其中，E为绝缘子串的平均运行电压（有效值）梯度kV/m。n对中性点有效接地系统n（424）n对中性点非有效接地系统，单相闪络不会引起跳闸，只有当第二相导线闪络后才会造成相间闪络而跳闸，因此n（425）n上两式中，ue为线路额定电压（有效值）（kV）；l1为绝缘子串长度（m）；l2为木横担线路的线间距离（m），对铁横担和钢筋混凝土横担线路，l2=0。n实践证明，当E6kV/m时，则建弧率很小，可以近似地认为0。n2）有避雷线线路雷击跳闸率的计算n以下介绍的方法是我国用于工程近似计算线路雷击跳闸率的方法，简称规程法。n（1）雷击杆塔时的跳闸率n每100km线路每年（40个雷电日）遭受雷击的次数N为n次/100km年 （426）n其中，T40（雷暴日），0.07次/平方公里雷暴日，h为避雷线平均高度。n设n1为N次雷击中，击中杆塔的塔顶引起跳闸的次数，则n（427）n其中，g为击杆率，见表45；P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的概率，I1由式（410）求得，P1可查询；为建弧率，由式（423）求得。表45 击杆率g 避雷线根数地形012平原1/21/41/6山区1/31/4n（2）雷绕击导线时的跳闸率n设n2为线路绕击跳闸率，则n（428）n其中，N的意义同前式；P为绕击率，由式（416）、（417）求得；P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率，I2由式（421）或（422）求得，P2可查询求得。n（3）线路跳闸率n设n为线路跳闸率，根据以上分析，忽略雷击避雷线档距中央引起的跳闸率时，线路的总跳闸率为雷击杆塔跳闸率n1与绕击跳闸率n2之和，即n（429）n第四节第四节 输电线路雷害事故调查与分析输电线路雷害事故调查与分析n池州电网输电线路雷害事故调查与分析n池州供电公司所属的220千伏输电线路长度为201.973千米，线路7条；110千伏输电线路长度为634.227千米，线路25条。线路大部分电力线路要经过山区，丘岭和河流地带，而在这些地带雷电活动较为频繁，对电网的影响较大。从110KV到220KV输电线路都曾多次发生雷击跳闸事故，针对该地区的高雷击跳闸率，我们对曾多次发生雷击事故的池潘429线、查泥439线、潘查438线和池杏442线等4条线路进行了现场调研，主要测试了杆塔导通电阻、接地电阻及杆塔所处地的土壤电阻率，并对线路的走向、线路所经过地的地形地貌及杆塔所在地的地形地貌、接地情况、土壤的土质情况、线路的绝缘配置情况进行了现场调研，收集了第一手资料，为雷击事故分析及防雷措施的提出提供了依据。n（一）线路基本情况n据统计，至2007年9月，池州正在运行的110kV输电线路约为634千米（28条），调研时发现池州供电公司的所有单回路110kV输电线路都采用单避雷线，保护角为20.5528.55。而我国对110KV线路避雷线的保护角建议采用0，尤其是雷击高发的山区线路建议采用负保护角，以增大避雷线的屏蔽范围。部分线路段加装了耦合地线，悬挂位置为：直线塔的耦合地线挂在导线下横担下4.5米，耐张转角塔的耦合地线挂在导线下横担下3.5米，耦合地线统一安装在杆塔左侧面。（二）线路故障情况1997年2005年池州110kV输电线路故障统计情况见表4-6。表表4-6 线路故障情况线路故障情况序号故障类型1997年2004年05年06年故障次数百分比（）故障次数百分比（）故障次数百分比（）1雷击7267.9964.328802外力破坏1514.2214.338.63自然灾害54.7321.425.74其他1413.225.75合计1061001410035100n从表4-6可以看出，雷击故障占线路故障的绝大多数，近十年来总体比例为70。n（三）线路雷击跳闸情况n池州110kV输电线路雷击跳闸情况见表4-7。（雷击跳闸率按池州平均雷电日50日计算）n表表4-7 池州电网池州电网110kV线路雷击跳闸情况线路雷击跳闸情况年份线路长度/km雷击跳闸/次雷击跳闸率/次（100km40雷日）1997634 km70.881998243.03199960.762000131.64200181.01200291.142003162.012004263.282005151.892006354.42n从表4-7的数据看，110kV输电线路历年的雷击跳闸率除1998、2004、2006年较高外，其余均在我国典型杆塔线路的范围内(山区线路为1.182.01次/100km40雷日）。从上述情况看，虽然110kV输电线路总体雷击跳闸率不高，但部分位于山区的输电线路雷击跳闸率却很高，见表4-8。表表4-84-8池州部分山区池州部分山区110kV110kV输电线输电线路雷路雷击击跳跳闸闸情况情况线路名称线路长度（km）雷击跳闸率/次（100km40雷日）1997199819992000200120022003200420052006平均值潘查43869.873.4512.643.454.603.453.452.304.606.706.705.13查泥43947.123.406.7910.195.1013.583.4010.1911.881.7010.197.64n从表4-8的数据看，单条输电线路的雷击跳闸率是比较高的，如：查桥至泥溪110kV输电线路历年的平均雷击跳闸率为7.64次/100km40雷日，最高雷击跳闸率达到13.58次/100km40雷日。高出规程推荐的典型值(山区线路为1.182.01次/100km40雷日)的6.7611.5倍。n（四）雷害事故原因分析n针对该地区的高雷击跳闸率，我们对曾多次发生雷击事故的池潘429线、查泥439线、潘查438线和池杏442线等4条线路进行了现场调研，主要测试了杆塔导通电阻、接地电阻及杆塔所处地的土壤电阻率，并对线路的走向、线路所经过地的地形地貌及杆塔所在地的地形地貌、接地情况、土壤的土质情况、线路的绝缘配置情况进行了现场调研，收集了第一手资料，为雷击事故分析及防雷措施的提出提供了依据。n1)输电线路的反击事故n反击过电压主要是由雷击杆塔引起，雷击杆塔与地形、接地电阻密切相关。从调研的四条110KV线路的情况看，雷击杆塔大多发生在以下这些地方。na,山区输电线路由于地形复杂、土壤电阻率高、施工难度大，杆塔的接地电阻大都偏高。如该山区110KV池潘438线的157#杆塔与156#杆塔在2006年和2007年都曾遭受雷击引起线路跳闸，我们到现场测试其接地电阻，157#Rg=120，156#Rg=75，杆塔所在地的土壤电阻率也高达4000 m。nb,在山区由于地形的原因，往往在线路中有一些大跨越，大档距存在，如要跨越山谷、湖泊河流的大跨越，这些跨越地区的雷电活动就很频繁。如池潘438线的157#杆塔与156#杆塔之间跨越了一座高山，两塔之间的档距为538米，由于该线路段特殊的地形和气候条件，雷电活动频繁，从156#塔连续两基杆塔接地电阻偏高，两边又是大跨越，架空避雷线的感抗较大，不能起到有效的分流作用。n雷击塔顶时雷电流的流动如图5.2所示，冲击接地电阻 。Ls为杆塔两侧避雷线并联的等值电感，is为流过避雷线的电流，该雷电流具有三角形波形，幅值为I，波头为t，波头陡度为a。在波头部部分雷电流为I=at，大部分雷电流通过被击杆塔入地，小部分流经避雷线等支路入地，则杆塔电流n(4-30)n式中为杆塔分流系数，即杆塔电流与雷电流之比，此时塔顶电位n(4-31)n图4-9 雷击157#杆塔塔顶示意图n杆塔分流系数可由图4-10的等值电路求出。(4-32)(4-33)n图4-10 雷击塔顶的等值电路在 时，(4-34)n即杆塔的分流系数除了与杆塔电感Lt，杆塔冲击接地电阻Rch有关外，还与相邻两档避雷线的电感Ls有关，Ls越大则杆塔的分流系数就愈大，流往杆塔的电流就越大，也就是说雷电流通过避雷线支路入地的电流越小，此时被击杆塔的塔顶电位就愈高(ic为杆塔两侧每侧导线的分流,Zc为每侧导线的波阻抗)。n当塔顶电位为Up时，与之相连的避雷线也有相同的电位Up，由于避雷线与导线的电磁耦合作用，在导线上将出现耦合电位KUp，K为耦合系数，耦合电位的极性与雷电流相同。此外由于雷击时，空间电磁场的突然变化，在导线上还会出现幅值为 的感应过电压，当雷电流达到幅值时，感应雷电压也达到最大，即n(4-35)n此时，导线电位等于其耦合电位与感应雷电压之和 (4-36)n式中，K0为导线对避雷线的几何耦合系数；hs为避雷线平均高度，m；hc为导线对地平均高度，m；a为感应过电压系数，KV/m；t时间，s；f，雷电流波头时间，s。此时作用在绝缘子串电压Um为杆塔塔顶电位Up与导线电位Uc之差，即(4-37)n式中，ha为导线高度，m；ht为杆塔高度，m。n当Um随着雷电流的增大而增大，当Um超过绝缘子的50%冲击放电电压时，绝绝缘子将发生击穿放电，即反击。反击事故除了直接与雷电流的大小有关外，还与杆塔电感、杆塔接地电阻、相邻杆塔接地电阻及相邻档距的大小直接相关，根据大量的现场雷害事故调查可知，反击事故一般容易在连续若干基杆塔接地电阻偏高，而相邻又是大跨越，大档距的地段发生。n2)输电线路的绕击事故n对110KV及以上线路一般都全线架有避雷线保护，这确实起到了很好的直击雷防护作用。但是，在山区由于一些随机因素避雷线的屏蔽有时会失效，特别是在一些地形复杂的特殊地段，绕击事故仍时有发生。绕击事故尽管其概率较小，但由于是雷电直接击向导线，造成的破坏作用是非常大的，因而必须引起我们充分的重视。根据我们对一些绕击事故的调研，发现容易发生绕击事故的杆塔或线路段，往往具有以下一些地理和气象特征：na,位于山顶或半山腰的杆塔或线路，或位于高山的山坡或半坡向阳的山脊上及迎风的风口地带。由于杆塔或线路所处的位置高，雷云有时可能与线路或杆塔平行，有时雷击甚至在杆塔或线路的下方。nb,位于峡谷谷口的杆塔。在季风的影响下雷云经常从固定的方向穿越线路或杆塔流动。nc,位于单避雷线的线路。该山区几乎所有110KV单回路线路目前都是单避雷线。我们调查的雷击跳闸率高的池潘429线有多级塔都是因为单避雷线的屏蔽范围不够造成的。nd,位于双回路线路杆塔中的鼓型塔。ne,由于杆塔处电场畸变，所以杆塔处的场强较档距中央大，因此，杆塔要比档距中央更容易发生绕击。n山区的绕击又存在有频发区和一般地区，也就是说存在着容易发生绕击的线路段和杆塔，即有规律可循。绕击过电压的极性及波形与雷电流完全相似，其幅值为(4-38)n式中：UA绕击时导线上电压幅值，V；Z0，雷电放电通道波阻抗，；Zc，导线的等值波阻抗，；I，雷电流，A。取Z0=Zc/2，Zc=400，则上式可简化为n UA100I n绕击过电压的幅值往往很高，造成的破坏也大，特别容易造成绝缘子爆炸，或发生导线落地或断线事故。n3)线路耐雷水平分析n 从调查统计的数据分析来看，雷击事故及雷击跳闸率高的110kV输电线路主要在山区，受地理位置、环境、等因素的影响，造成输电线路电气绝缘水平下降和接地电阻偏高等，分析如下。n4)杆塔的接地电阻值与耐雷水平的关系n山区输电线路由于地形、地势复杂，施工难度大，土壤电阻率高，杆塔接地电阻大多偏高。线路杆塔接地电阻越大，耐雷水平越低，反之耐雷水平越高。下面以池州电网110kV输电线路杆塔的设计标准为例，计算雷击杆塔时线路的耐雷水平I。（4-39）n式中 U50%-50%冲击放电电压（取700kV）；k-避雷线与导线间的耦合系数（取0.143）；hd-导线的平均高度（取8.66m）；-杆塔分流系数（取0.90）；Lgt-杆塔电感（取16.40）；Rch-杆塔冲击接地电阻，。n根据（4-39）式可以计算出在不同接地电阻值下的耐雷水平(冲击接地系数取0.75)，计算结果如表4-9所示。从表4-9的数据可以看出，输电线路杆塔接地电阻值越大，其线路耐雷水平越低。表表4-9 110kV4-9 110kV输电线输电线路在不同接地路在不同接地电电阻阻值值下的耐雷水平下的耐雷水平工频接地电阻值/相应的冲击接地电阻值/雷击杆塔时耐雷水平/kA8656.811511.2542.762216.5034.30282129.313526.2525.054634.5020.416750.2515.07886611.95120909.08从表4-9的数据可以看出，输电线路杆塔接地电阻值越大，线路的耐雷水平越低。n5)线路单、双避雷线保护与耐雷水平的关系n调研发现，架设双避雷线的110kV输电线路比架设单避雷线的110kV输电线路雷击跳闸率低。下面以池州电网110kV线路采用的杆塔塔型（如图4-11，图4-12）为例，图4-11 110kV单杆单避雷线 图4-12 110kV单杆双避雷线 n分别计算出两种塔型在冲击接地电阻为7和15时的耐雷水平和雷击跳闸率，n列于表4-10。表4-10中耐雷水平的计算式为（4-39），雷击跳闸率的计算式为：(4-40)n式中 n雷击跳闸率/次（100km40雷日）；n hb避雷线的平均高度，m；n 建弧率，取85%；n g击杆率，取1/3；n PI1雷击杆塔顶部时雷电流大于耐雷水平的概率，%；n PI2雷绕击于导线时雷电流大于耐雷水平的概率；n Pa 绕击率，%。表表4-10 110kV输电线路在不同保护方式下的耐雷水平和跳闸率输电线路在不同保护方式下的耐雷水平和跳闸率 7 157 15线路保护方式杆塔图形保护角（）耐雷水平/kA雷击跳闸率/次（100km40雷日）单避雷线图12553362.02.8双避雷线图22368401.21.9n从表4-10的数据可以看出，当杆塔接地电阻值为7时，双避雷线与单避雷线相比较，其耐雷水平提高28.3%,而雷击跳闸率则降低40%。同时也发现，当杆塔接地电阻值为15时，双避雷线与单避雷线相比较，其耐雷水平则只提高了11.1%,雷击跳闸率也只降低了32.2%。这就说明不同保护方式下的输电线路在相同的接地电阻值下，其防雷效果是不同的，双避雷线的防雷效果明显比单避雷线要好。另外，线路的防雷效果与杆塔接地电阻值的大小有关，随着杆塔接地电阻值的增大，单避雷线或双避雷线的耐雷水平都会降低，而且单避雷线和双避雷线的耐雷水平会趋向同一等级的耐雷水平。也就是说随着杆塔接地电阻的增大，避雷线所起的防雷效果就会越来越不明显。因此，对于山区输电线路，降低杆塔接地电阻是提高输电线路耐雷水平的有效措施之一。6)耦合地线对线路耐雷水平的影响n耦合地线的作用有：a,它具有分流作用和增大导、地线之间的耦合系数，减少了等值波阻抗，使得导线上的雷电波波头得到有效控制，使得绝缘子上的电压减小，使线路不易发生闪络，从而提高耐雷水平。b,对雷击杆塔雷电流的分流作用增加,使塔顶电位降低(华东电力试验研究院实测耦合地线能分流(175)%)。c,能提高杆线处的“地”电位面,使杆塔有效高度相应减小(因导线所处大气电场等电位面相应降低),从而在雷击塔顶时导线上感应电压分量减小,相当于杆塔本身电感量减少,利于提高耐雷水平,降低跳闸率。n典型110kV线路杆型图见图4-13，防雷参数按能源部东北电力设计院电力工程高压送电线路设计手册取用，计算如下：n原始数据：hT=21.2，hn=14.1，fT=3.4，fn=5.8，hb=18.93，hd=10.23，d12=9.2，d12=29.3，k13=0.126，k=0.1575，Lgt=9.03，=24.6 o。图4-13 典型110kV线路杆型图 表表4-11 110kV线路杆型的分流系数、耐雷水平和雷击跳闸率表线路杆型的分流系数、耐雷水平和雷击跳闸率表无耦合地线Rch71525500.9170.8760.8290.731I153362615n（平原）0.4940.7460.941.179n(山区)0.6941.0311.2891.608有耦合地线0.8740.8150.7520.63I171524025n（平原）0.3350.5580.7430.984n(山区)0.4830.781.0271.348n典型110kV线路杆型的分流系数、耐雷水平和雷击跳闸率见表4-11，从上面分析可见架设耦合地线后，耐雷水平提高1.3倍，跳闸率下降1.4倍，有较好的防雷效果。n为获得分析雷害事故的第一手资料，收集了近年来池州电网查泥439线、潘查438线、池潘429线、观查431线四条线路易击段杆塔的基本资料，并进行了实地测量和调查，以便客观真实地反映雷害事故。表4-12为这4条线路易击段杆塔基本情况调查与测量表。表412 110kV线路易击段杆塔情况调查与测量表查泥439线#32高山细沙泥土单避雷线25.83成功FC70/1468片无25.51483.5#49山坡、页岩单避雷线22.16成功FC70/1468片有76.53697.3#51山峰、页岩单避雷线22.16成功FC70/1468片无60.53697.3#77山坡、页岩单避雷线25.83不成功FC70/1468片有37.51080.2#148山坡、沙土单避雷线19.85成功FC70/1468片无36.5447.5潘查438线#13高山、页岩单避雷线28.85成功FC70/1468片无15.6931.2#8山峰、页岩单避雷线28.85成功FC70/1468片无25.02025.0#53高山、灰岩单避雷线28.85成功8FC70/1468片有16.0164.9#9