浪涌品质甄选

  一、架空输电线路雷电过电压概述
    架空输电线路地处旷野，绵延数千千米，很容易遭受雷击.雷击是造成线路跳闸的主要原因.同时，雷击线路形成的雷电过电压波.沿线路传播侵人变电所.也是危害变电所设备运行的重要因素。
    根据过电压形成的物理过程，雷电过电压可以分为两种。一是直击雷过电压。它是雷电直接击中杆塔、避雷线或导线（见图2. 1中①、②或③）引起的线路过电压。二是感应雷过电压。它是在雷击线路附近大地，由于电磁感应在导线上产生的过电压。运行经验表明.直击雷过电压对电力系统的危害大，感应雷过电压只对35 kV及其以下的线路有威胁。  图2.1 雷击输电线路部位示意图

按照雷击线路部位的不同，直击雷过电压又分为两种情况.一种是雷击线路杆塔或避雷线时，雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位大大升高.当雷击点与导线之间的电位差超过线路绝缘的冲击放电电压时，会对导线发生闪络，使导线出现过电压。因为这时杆塔或避雷线的电位(值)反而高于导线。故通常称为反击。另一种是雷电直接击中导线(无避雷线时)或绕过避雷线(屏蔽失效)击中导线.直接在导线上引起过电压。后者通常称为绕击。
    雷击线路可能导致两种破坏性后果。一是使线路发生短路接地故障。雷电过电压的作用时间虽然很短(数十秒)，但导线对地(避雷线或杆塔)发生闪络以后，工频电压将沿此闪络通道继续放电，进而发展成为工频电弧接地。此时继电保护装置将会动作，使断路器跳闸，影响线路正常送电。二是形成沿输电线路侵人变电站的雷电波，在变电站内产生复杂的折反射过程，可能使电力设备承受很高的过电压，以致设备绝缘破坏.造成停电事故。
    输电线路防雷性能的优劣，工程上主要用耐雷水平和雷击跳闸率这两个指标来衡盆。耐雷水平是指线路遭受雷击时所能耐受的不致引起绝缘闪络的大雷电流幅值(单位为kA).耐雷水平越高，线路的防雷性能越好.雷击跳闸率是指在折算至年雷电日数为40的标准条件下.每百千米线路每年因雷击引起的线路跳闸次数.单位为:次/百千米·年。需击跳闸率是衡量线路防雷性能的综合性指标。

二、感应过电压
    在雷云对地放电过程中.放电通道周围的空间电磁场将发生急剧变化。因而当雷击输电线附近的地面时，虽未直击导线。由于雷电过程引起周围电磁场的突变，也会在导线上感应出一个高电压来.这就是感应过电压。感应过电压包含静电感应和电磁感应两个分量，一般以静电感应分量为主。
    虽然对于感应过电压形成的物理解释已经有了一个比较一致的认识，但由于难以得到雷电放电过程的原始数据等原因，感应过电压有多种不同的计算方法，而且结果还差别较大。
   由于感应过电压对各相导线来说基本相同，所以不会发生相间闪络。又由于感应过电压是因电磁感应而产生的，其极性与雷云电荷.即与雷电流的极性正相反，因而绝大部分感应过电压是正极性的，这一点与直击雷过电压不同。另外，感应过电压的波形较直击雷过电压更平缓，波头由几秒至几十秒，波尾则可达数百秒。避雷线由于对导线有屏蔽作用.因而能降低导线上的感应过电压幅值。避雷线与导线间的藕合系数越大，导线上的感应过电压就越低。

三、雷击导线过电压
    无避雷线的线路，当雷闪放电过分靠近线路时，发生的就不是雷击地面的感应过电压，而是雷电直击导线的过电压。在我国110 kV及其以上线路一般都架
有避雷线.以免导线直接遭受雷击，但由于各种偶然因素的影响.仍有可能发生避雷线屏蔽失效.雷电绕过避雷线而击中导线的情况，通常称绕击.
    绕击发生的概率虽然很低，但一旦雷电击中导线，导致线路跳闸的几率将很高。

四、雷击塔顶过电压
    雷击塔顶(包括雷击塔顶附近的避雷线)时，杆塔电感与接地电阻的存在将使塔顶电位瞬时升高，其电位位甚至大大超过导线电位，引起绝缘子串闪络，即反击，造成线路跳闸，同时在线路上形成向线路两侧传播的过电压波.过电压波侵人发电厂、变电站。
  除上述二种雷电过电压外，还有一种雷击避雷线挡距中央时的过电压.国内外大量的运行经验表明，此时引起挡距中央避需线与导线空气问隙发生闪络是非常罕见的，故对这种雷电过电压此处不再分析。
    应当指出，上面的感应过电压、雷击导线过电压、雷击塔顶过电压的计算公式都没有考虑绝缘子串的运行电压，亦即导线的运行电压.对220 kV及其以下的线路来说，运行电压所占比重不大，一般可以忽略。但在超高压线路中，随着电压等级的提高，工作电压不应再被忽略，有人建议至少应按照导线运行相电压峰值的一半来考虑，且电压极性与雷电流极性相反。因为任何时刻都至少有一相导线运行在与雷电流相反的极性下。如果按照统计法计算，则雷击时的导线工作电压瞬时值及其极性应作为一个随机变来考虑。但这些还都没有列入电力行业的相关规程中。

五、雷击跳闸率
    当雷闪放电造成线路产生雷电过电压时，若雷电流超过相应情况下的耐雷水平，则导致线路绝缘发生闪络。但雷电过电压的持续时间极短，只有几十秒、高压开关还来不及跳闸.只有当冲击闪络后的闪络通道发展成稳定的工频电弧时才会导致线路跳闸。这些过程都有随机性。因此工程中除耐雷水平外.还采用雷击跳闸率作为一个综合指标，来衡量线路防雷性能的优劣。我国电力行业标准DL/T 620 1997给出了一般上壤电阻率地区有避雷线线路的耐雷水平和雷击跳闸率数值.见表2.

表2 架空输电线路典型杆塔的耐雷水平及雷击跳闸率

  高电压引入是指雷电高电压通过金属线引导到其他地方和室内造成破坏的雷害现象。这种雷害现象占雷害的绝大部分，所以按《建筑物防雷规范》的规定，凡是有用电设备的建筑物都要考虑防高电压引入的措施。
    高电压引入的高电压源有三种:其一是直击雷直接击中金属导线，让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内;第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即由于雷云对大地放电或雷云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应.它们在各种电线中感生几千伏到几十千伏的高电位，以波的形式沿着导线传播而引入室内的;第三种是由于直击雷在房子或房子附近入地，因其通过地网入地时，在地网上会发生数十千伏至数百千伏的高电位.这种高电位通过电力系统的零线、保安接地线和通系统的地线，也是以波的形式传人室内，并沿着导线传播到远处，殃及更大的范围。
    高电压雷电脉冲的电压到底有多高?这是读者关心的问题。由直击雷直接击中电力线，线等金属导线时，虽然直接被击中点的电位与雷云的电位相等.即具有数百万伏至数千万伏甚至更高的电位。但是当雷电流沿着导线向两边传播的时候，高电压每经过一根电线杆，电杆上的瓷瓶就会对地发生闪络.这样就把雷电的高电位降落成瓷瓶的闪络电压，这电压一般只有30~40kV.一般低压架空线的波限抗为300~600欧姆。假设线路的波阻抗为500欧姆，那么它在终端入地的电流为40000/500=80A，所以只要距离雷击点有3杆以上(即I000m以上)，其终端入地电流峰值不会大于20OA，但是，如果雷击点很近.在三根电杆之内，入地峰值电流可能达到10 kA以上。由感应雷引起的高压源。理论上也可以达到100 kV，但是它的实际电压和电流值不可能大于上面所讲的直击雷高压源的数值。
    第三种高压源是指直击雷直接击中大楼或附近时所形成的高压源。这时，高压源的电压由冲击电流峰值和地网的冲击接地电阻决定。根据资料报道.按50%概率统计.直击雷的峰值电流为30 kA，如果接地网接地电阻以4欧姆计，则接地网接引线端与大地间的电压为30 kA×4=120 kV，即达到120000V。也就是说，零线与相线间的电压有120000V(以上都是以低压电网和通架空电线计)。这样高的电压对于低压电器和一般通设备都是无法承受的。   
    由于高压雷电脉冲是雷害中年损害设备多的，所以对高压雷电引人的设备必须予以足够重视，在工程上往往要根据设备的重要性和其对高电压的耐受能力采用一级或多级设防。其中级设防，往往是把高电压雷电脉冲的幅值降低，其办法有下列三种。

1. 输电网金具接地法
    如果电源输入是明线输入，应把入室前三根电杆的线码铁脚用金属线引下接地，以便降低闪击电压。并且进房屋前后一根电杆的零线(或接地系统的地线)重复接地，接地电限不应大于10欧姆(见图1)。并在相线与地之间留有2 mm的空气间隙，把从相线引来的过电压降下来，可能的悄况下，进户线应尽量采用有金属屏蔽层的电缆直接埋地或穿金属管进线。在雷电高发区，房尾前为开阔地，或房子内有精密电子设备和电子计算机的情况更应该是这样.并且埋地的电缆其长度不应小于15m。并要求从架空线转电缆的进线端，和电缆入屋的输出端，都接避雷器。避雷器的接地端、电缆的金属屏蔽层、钢管都必须接到防雷电感应的接地装置上。按供电部门要求.供电零线进人钢筋水泥大楼后，仍必须与从大楼、梁、柱内引出的一条主钢筋作电气连接，无钢筋连接的建筑物应做接地极，把零线重复接地。

图1 接零系统在架空线路上零线重复接地做法图
    当雷电波到达电缆首端(输人端)时，避雷器被击穿，电缆外皮导体与电缆芯接通。一部分雷电流经电缆首端接地电阻入地;另一部分雷电流流经电缆芯。由于雷电流高频谐波相当丰富.产生集肤效应，流经电缆芯的电流被排挤到外皮导体去。同时，流经外皮导体的电流在芯中产生感生反电势.使流经电缆芯的雷电流就被抑制到很小。

2. 相线与地线间并联电容器法
    架空电线引入的地方装设保护电容器对感应雷有良好的保护效果，但对直击雷则无能为力，原因是直击雷能量太大.电容器承受不了。装设保护电容器能对感应雷高电压引入起到良好保护作用的原因是;
    当天空出现雷云的时候，地面即感应出与它相反的电荷.显然架空电线上也感应到与地面大致密度相同的电荷.设其电量为Q。当闪击使雷云与大地之间的电荷迅速中和而使雷云与大地之间的电场，由于架空线与大地之间有较大的电阻而不能及时使它上面的电荷，这就使架空线与大地之间形成感应高电压，该电压为
                                V感=Q/C
式中:
    C-架空线对大地之间的电容，该电容很小，通常只有百分之几法;
    Q-导线与大地间存储的电荷。
    如果在架空线引入房尾端与大地之间接入一个电容器，即使只有很小.也可以使架空线路的引入高电压降低到原来的几十分之一。
    如果接人电容的容量再大些，感应电压将可以降到更低。
    在架空电线装电容器防止感应雷的优点是时间响应为零，因为电容的瞬变电流是超前于电压的;其次是使雷电压波形变钝.钝波形比尖波形危害要小.并联电容器对直击雷无能为力，但将电容器与保护间隙合并使用会得到更好的效果。因为放电间隙电流通流容量很大，从几千安到几十千安。但它有时间滞后，它们并联使用互补其短.对防止高电压引人能起到很好的作用。架空电线引入和电缆输入、输出端接口也可以用氧化锌避雷器来防止高电压引入。它的时间响应小于50ns。当采用电容器与其他器件并联避雷时，电容器的耐受电压应高于所并联器件的残压。

3.变压器隔离法
    在电源线和号传输线上装变压器可以对雷电高电压引入起很有效的限制作用.当强大的雷电波输入变压器时，由于雷电波电压比变压器正常的电压高很多倍，使得激励的磁感应强度远远大于铁芯允许通过的大磁感应强度，因而变压器铁芯饱和，变压器的磁-电变换暂时失效，雷电高电压不能传输到变压器的副边.从而保护了用电设备。所以，凡是装了变压器的电子仪器比未装变压器的电子器被雷击损坏的概率小得多。