输电线路防雷设计与运行措施
学校：甘肃农业大学 学院：工学院 指导老师：杨婉霞
成员：张丽娇 金豆豆 宋展鹏 卢耀文 于璠瑶 班级：12级电气工程及其自动化 日期：2014年11月19日
输电线路防雷设计与运行措施
（甘肃农业大学 工学院）
摘要:掌握雷电活动的规律和雷电的参数，可以更好地与自然灾害作斗争；做好输电线路的防雷工作，提高输
电线路防雷水平，可以使变电所、发电厂安全运行得到保障，并能减少雷击对电力设备的损坏，降低雷击跳闸率，对保证电力系统的稳定、可靠供电具有重大意义。因此，本文从输电线路的设计和安装，特别是设计这一环节提出了输电线路的防雷措施，重点讨论了避雷线对带电导线的防雷方法，对提高防雷水平有很大的帮助。
关键词：输电线路 防雷措施 雷击
1引言
雷电是一种极为壮观的自然现象。对雷电物理现象本质的研究始于1744年美国富兰克林进行的著名风筝引雷试验，试验证明了雷电是大气中的火花放电现象，并据此发明了避雷针。
一次雷电的放电时间虽然只有0.01秒左右，但其释放出的能量却大的惊人。雷电如果击到人或动物身上，由于雷电电流很大，电压很高，能使人或动物的心脏和大脑发生麻痹而造成伤亡。由于雷电流很大会产生大量的热能，雷电具有热的破坏效应，如雷害可以引发森林大火，可以使石油库或炸药库等易燃易爆设施起火，也可以使建筑物及其内部的各种现代设施（主要是各种弱电和微电子设备）受到损坏。雷云放电还可以使电力系统的供电线路以及发电厂、变电站的电气设备上出现远高于其正常工作电压的电压升高，这种电压升高叫做雷电过电压，也称大气过电压或外部过电压。它不仅会危害供电线路以及发电厂、变电站的电气设备，还会导致大面积停电，引起用电部门的重大经济损失。因此本文提出了以下几点防雷措施，重点讨论了防雷保护措施以及双避雷线对带电导线防雷保护范围的计算和设计。
2 输电线路雷击原理
作用于输电线路的大气过电压是由雷云对地放电所引起的。雷云指带电的云块，雷云的形成和结构极为复杂，至今尚未形成统一的理论解释，雷云的带电过程可能是综合性的。雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，而每次放电又可分为先导放电、主放电和余辉放电三个主要阶段。雷云下部大部分带负电荷，故绝大多数的雷击是负极性
的。由于云中同时可能存在几个带电中心，所以雷电放电往往是重复的。图1中画出了用底片迅速转动的照相设备拍到的负雷云下行雷的放电过程以及与之相对应的雷电流曲线。
图1
3
3 输电线路设计与运行中的防雷措施
3.1防雷保护措施
为了提高避雷线的耐雷性能、降低雷击跳闸率、保证安全供电, 在经过技术经济比较的基础上, 应当因地制宜的采用合理的综合防雷措施。 3.1.1 架设避雷线
架设避雷线是高压、超高压线路最基本的防雷措施, 其主要作用是防止雷直击导线。线路电压越高, 采用避雷线的效果越好, 而且避雷线在线路造价中的比重也越小。我国110kV线路一般全线架设避雷线,220kV及以上线路则是全线架设避雷线。35kV及以下的线路, 因绝缘相对很弱, 装设避雷线效果不大, 一般不全线架设避雷线。
为了提高避雷线对导线的屏蔽效果, 减少绕击率, 避雷线对外侧导线的保护角应小一些, 通常采用20°～30°。通常, 避雷线应在每基杆塔处接地。 3.1.2 降低杆塔接地电阻
对一般输电线路, 降低杆塔冲击接地电阻是提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率的最经济有效的措施。在土壤电阻率低的地区, 应充分利用杆塔基础和拉线的自然接地电阻。
在高土壤电阻率地区降低接地电阻比较困难时, 可采用多根放射性接地体, 或连续伸长接地体, 或配合使用降阻剂降低接地电阻。 3.1.3 架设耦合地线
在高土壤电阻率地区, 若雷击跳闸频繁, 又难以降低接地电阻, 可在导线下方4m～5m处架设接地的耦合导线, 其作用是连同避雷线一起来增大他们与导线间的耦合系数, 增大杆塔向两侧的分流作用, 从而在雷击塔顶时是线路绝缘承受的过电压显著减小。运行经验表明, 耦合地线可使线路雷击跳闸率下降50%左右。 3.1.4采用中性点非有效接地方式
我国35kV及以下电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。这样可使雷击引起的大多数接地故障自动消除, 不至于造成雷击跳闸。运行经验表明,电网中性点经消弧线圈接地, 线路雷击跳闸会明显下降, 约可降低1/3左右。 3.1.5 加强线路绝缘
为了降低跳闸率, 可在高杆塔上增加绝缘子的片数, 同时增大跨越档导线与避雷线间的距离, 以加强线路绝缘。对35kV及以下线路, 可采用瓷横担等冲击闪络电压较高的绝缘子来降低雷击跳闸率。 3.1.6 采用不平衡绝缘方式
现代高压及超高压线路, 同杆架设双回线路的趋势有所增加, 为了降低雷击时双回路同时跳闸的机率, 采用通常的防雷措施无法满足要求时, 可考虑采用不平衡绝缘方式, 也就是使双回路的绝缘子片数有差异。
3.2双避雷线对带电导线防雷保护范围的设计 3.2.1安装双避雷线
现行输电线路双(等高)避雷线对中相导线的保护范围按连接双(等高)避雷线及保护范围上部边缘最低点的圆弧(如图2中的虚线所示)确定，该最低点圆弧的弓高为f，m，圆弧最低点的高度为h0，m，h0及f分别按下列公式计算：
f= D/4P （1） ho= hb-D/4P （2）
式中h0为双(等高)避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度。即双(等高)避雷线对中相导线的最大保护高度,m。P为高度影响系数，hb ≤30m，P=l；30m120m时，取其等于120m。同理，双(等高)避雷线保护范围上部边缘最低点的圆弧亦应能保护带电导线的等效绝缘截面。即：h0≥hd+r 。
图2 避雷线对带电导线的等效绝缘截面的保护角
图中, α、β分别为避雷线对边相、中相带电导线等效绝缘截面的防雷保护角；D为避雷线的线间的距离，m，hb,hd分别为避雷线及带电导线的对地高度，m。结合图2,设d为避雷线至边相带电导线的水平距离，m，可得：
α= arctan[d/(hb-hd)]+arcsin {r/[(hb-hd)2+d2]0.5 } （3） β=arctan{d/[2(hb-hd-r)]} （4） 在电压等级不同的情况下，由r、d、hb、hd的数据可得h0、α、β。即
根据（2）式，又由hb≤30m，P=1;30m
同理可得在220kV和500kV时的圆弧最低点的高度h0。如表1所示。 根据（3）、（4）式可得α、β，然后与α*、β*相比较。 例如：220kV时，α+1.702 ]1/2 }=35.2°。
β= arctan{1.70/[2*(29.10-23.40-1.90)]}=12.6°。
=arctan[1.70/(29.10-23.40)]+ arcsin{1.90/[(29.10-23.40)
2
同理可得在110kV和500kV时避雷线对边相、中相带电导线等效绝缘截面的防雷保护角α、β，如表1所示。
表1 110-500kv典型塔的α、h0计算结果
注：表1中α*、β*分别为避雷线对边相、中相导线(不考虑电气绝缘截面)的防雷保护角。 3.2.2 讨论
①比较表1中α、α*可见。100～ 500kV典型杆塔的a*均小于250 ，满足现行防雷规程的要求，但α均大于25°，其中110 kV的α大了32.18％ ，220kV的α大了52.84％，500kV的α大了58.72％。这说明由于没有考虑带电导线的等效绝缘截面的影响，现有线路的边相带电导线存在危害的可能要高于不带电导线遭受绕击雷害的隐患。其中1lO～220kV线路的绕击雷害隐患较大，这与110～220kV线路边相带电导线的绕击雷害相对较高的实际运行经验相符。
②表1中的h0大于hd+r, 满足现行防雷规程的要求，β*大于250这说明扩大了双避雷线的保护范围，而β小于25°，减小了等高避雷线的保护范围，减小了存在的安全隐患。实际运行经验表明，线路的中相带电导线仍然存在着遭受绕击雷害的情况，只是相对于边相带电导
线的要少些而已。
③由式(3)～(4)可见，在r一定的情况下，α、β受d、hb、hd影响，减小d或降低hd或增高hb可减小α、β。故对于新设计的线路，应考虑带电导线的电气绝缘截面的影响，按式(3)及式(4)设计避雷线对带电导线的防雷保护角(可多采用三角形或倒三角形排列)。而对于现有运
行中的线路，由于避雷线与带电导线之间在档距中央的距离通常要比杆塔处的大得多，即档距中央的α、α*、β、β*要较杆塔处的小得多，使杆塔处导线存在着遭受绕击雷害的可能性，则可在杆塔处加强对绕击雷害的防范，以弥补α、α*、β、β*偏大的缺陷。
④对绕击雷(雷电先导由侧面入射)的情况，可设避雷线与带电导线的引雷角均为α。取雷电击距半径为hr，则根据图2可得图3，由图3可见，受带电导线的等效绝缘截面的影响，带电导线的雷电击距半径增大为h+r，带电导线的引雷范围也水平增大了r 。这说明带电导线遭受绕击雷害的可能性要高于不带电导线。
4 结论
(1)带电导线对地存在着一个(最小)击穿空气间隙距离，带电导线的电压等级愈高，其击穿空气间隙距离愈大。不带电导线不存在击穿空气间隙距离。
(2)带电导线的(最小)击穿空气间隙距离可用以带电导线为圆心，带电导线在雷电过电压时的最小对地空气间隙距离为半径r所构成的空气间隙绝缘截面等效，雷电与带电导线之间的空气间隙击穿距离应是指与该等效绝缘截面之间的距离。因此在避雷线对带电导线的防雷保护角设计中应考虑该等效绝缘截面的影响，设计该等效绝缘截面得到有效的保护。 (3)受该等效绝缘截面的影响。带电导线遭受绕击雷害的可能性要高于不带电导线。
通过对输电线路防雷的研究，体会到只要重视输电线路的防雷，加大对输电线路防雷的投入，提高输电线路防雷的科技含量，加强对雷电的检测和预防，加强输电线路的运行维护工作，输电线路防雷是 “可控”的，降低雷电破坏及跳闸率是可行的。 参考文献
【1】 张红 高电压技术． 北京：中国电力出版社 2009
【2】 陈慈萱 电气工程基础（第二版）下册.中国电力出版社 2012.12 【3】 甘德辉 架空输电线路的防雷． 农村电气化，2000，（2）：20 【4】 简克良 高电压技术． 中国铁道出版社，1989,4-9
【5】 董振亚. 电力系统的过电压保护.北京：中国电力出版社，1997,108-150 【6】 邱毓昌.高电压工程. 西安：西安交通大学出版社，1995,130—157 【7】 甘德辉.降低接地电阻的几种方法.农村电气化，2002，（6）：28
【8】 杜澍春.高压输电线路防雷保护的若干问题.电力设备，2001，（1）：40-44
输电线路防雷设计与运行措施
学校：甘肃农业大学 学院：工学院 指导老师：杨婉霞
成员：张丽娇 金豆豆 宋展鹏 卢耀文 于璠瑶 班级：12级电气工程及其自动化 日期：2014年11月19日
输电线路防雷设计与运行措施
（甘肃农业大学 工学院）
摘要:掌握雷电活动的规律和雷电的参数，可以更好地与自然灾害作斗争；做好输电线路的防雷工作，提高输
电线路防雷水平，可以使变电所、发电厂安全运行得到保障，并能减少雷击对电力设备的损坏，降低雷击跳闸率，对保证电力系统的稳定、可靠供电具有重大意义。因此，本文从输电线路的设计和安装，特别是设计这一环节提出了输电线路的防雷措施，重点讨论了避雷线对带电导线的防雷方法，对提高防雷水平有很大的帮助。
关键词：输电线路 防雷措施 雷击
1引言
雷电是一种极为壮观的自然现象。对雷电物理现象本质的研究始于1744年美国富兰克林进行的著名风筝引雷试验，试验证明了雷电是大气中的火花放电现象，并据此发明了避雷针。
一次雷电的放电时间虽然只有0.01秒左右，但其释放出的能量却大的惊人。雷电如果击到人或动物身上，由于雷电电流很大，电压很高，能使人或动物的心脏和大脑发生麻痹而造成伤亡。由于雷电流很大会产生大量的热能，雷电具有热的破坏效应，如雷害可以引发森林大火，可以使石油库或炸药库等易燃易爆设施起火，也可以使建筑物及其内部的各种现代设施（主要是各种弱电和微电子设备）受到损坏。雷云放电还可以使电力系统的供电线路以及发电厂、变电站的电气设备上出现远高于其正常工作电压的电压升高，这种电压升高叫做雷电过电压，也称大气过电压或外部过电压。它不仅会危害供电线路以及发电厂、变电站的电气设备，还会导致大面积停电，引起用电部门的重大经济损失。因此本文提出了以下几点防雷措施，重点讨论了防雷保护措施以及双避雷线对带电导线防雷保护范围的计算和设计。
2 输电线路雷击原理
作用于输电线路的大气过电压是由雷云对地放电所引起的。雷云指带电的云块，雷云的形成和结构极为复杂，至今尚未形成统一的理论解释，雷云的带电过程可能是综合性的。雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，而每次放电又可分为先导放电、主放电和余辉放电三个主要阶段。雷云下部大部分带负电荷，故绝大多数的雷击是负极性
的。由于云中同时可能存在几个带电中心，所以雷电放电往往是重复的。图1中画出了用底片迅速转动的照相设备拍到的负雷云下行雷的放电过程以及与之相对应的雷电流曲线。
图1
3
3 输电线路设计与运行中的防雷措施
3.1防雷保护措施
为了提高避雷线的耐雷性能、降低雷击跳闸率、保证安全供电, 在经过技术经济比较的基础上, 应当因地制宜的采用合理的综合防雷措施。 3.1.1 架设避雷线
架设避雷线是高压、超高压线路最基本的防雷措施, 其主要作用是防止雷直击导线。线路电压越高, 采用避雷线的效果越好, 而且避雷线在线路造价中的比重也越小。我国110kV线路一般全线架设避雷线,220kV及以上线路则是全线架设避雷线。35kV及以下的线路, 因绝缘相对很弱, 装设避雷线效果不大, 一般不全线架设避雷线。
为了提高避雷线对导线的屏蔽效果, 减少绕击率, 避雷线对外侧导线的保护角应小一些, 通常采用20°～30°。通常, 避雷线应在每基杆塔处接地。 3.1.2 降低杆塔接地电阻
对一般输电线路, 降低杆塔冲击接地电阻是提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率的最经济有效的措施。在土壤电阻率低的地区, 应充分利用杆塔基础和拉线的自然接地电阻。
在高土壤电阻率地区降低接地电阻比较困难时, 可采用多根放射性接地体, 或连续伸长接地体, 或配合使用降阻剂降低接地电阻。 3.1.3 架设耦合地线
在高土壤电阻率地区, 若雷击跳闸频繁, 又难以降低接地电阻, 可在导线下方4m～5m处架设接地的耦合导线, 其作用是连同避雷线一起来增大他们与导线间的耦合系数, 增大杆塔向两侧的分流作用, 从而在雷击塔顶时是线路绝缘承受的过电压显著减小。运行经验表明, 耦合地线可使线路雷击跳闸率下降50%左右。 3.1.4采用中性点非有效接地方式
我国35kV及以下电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。这样可使雷击引起的大多数接地故障自动消除, 不至于造成雷击跳闸。运行经验表明,电网中性点经消弧线圈接地, 线路雷击跳闸会明显下降, 约可降低1/3左右。 3.1.5 加强线路绝缘
为了降低跳闸率, 可在高杆塔上增加绝缘子的片数, 同时增大跨越档导线与避雷线间的距离, 以加强线路绝缘。对35kV及以下线路, 可采用瓷横担等冲击闪络电压较高的绝缘子来降低雷击跳闸率。 3.1.6 采用不平衡绝缘方式
现代高压及超高压线路, 同杆架设双回线路的趋势有所增加, 为了降低雷击时双回路同时跳闸的机率, 采用通常的防雷措施无法满足要求时, 可考虑采用不平衡绝缘方式, 也就是使双回路的绝缘子片数有差异。
3.2双避雷线对带电导线防雷保护范围的设计 3.2.1安装双避雷线
现行输电线路双(等高)避雷线对中相导线的保护范围按连接双(等高)避雷线及保护范围上部边缘最低点的圆弧(如图2中的虚线所示)确定，该最低点圆弧的弓高为f，m，圆弧最低点的高度为h0，m，h0及f分别按下列公式计算：
f= D/4P （1） ho= hb-D/4P （2）
式中h0为双(等高)避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度。即双(等高)避雷线对中相导线的最大保护高度,m。P为高度影响系数，hb ≤30m，P=l；30m120m时，取其等于120m。同理，双(等高)避雷线保护范围上部边缘最低点的圆弧亦应能保护带电导线的等效绝缘截面。即：h0≥hd+r 。
图2 避雷线对带电导线的等效绝缘截面的保护角
图中, α、β分别为避雷线对边相、中相带电导线等效绝缘截面的防雷保护角；D为避雷线的线间的距离，m，hb,hd分别为避雷线及带电导线的对地高度，m。结合图2,设d为避雷线至边相带电导线的水平距离，m，可得：
α= arctan[d/(hb-hd)]+arcsin {r/[(hb-hd)2+d2]0.5 } （3） β=arctan{d/[2(hb-hd-r)]} （4） 在电压等级不同的情况下，由r、d、hb、hd的数据可得h0、α、β。即
根据（2）式，又由hb≤30m，P=1;30m
同理可得在220kV和500kV时的圆弧最低点的高度h0。如表1所示。 根据（3）、（4）式可得α、β，然后与α*、β*相比较。 例如：220kV时，α+1.702 ]1/2 }=35.2°。
β= arctan{1.70/[2*(29.10-23.40-1.90)]}=12.6°。
=arctan[1.70/(29.10-23.40)]+ arcsin{1.90/[(29.10-23.40)
2
同理可得在110kV和500kV时避雷线对边相、中相带电导线等效绝缘截面的防雷保护角α、β，如表1所示。
表1 110-500kv典型塔的α、h0计算结果
注：表1中α*、β*分别为避雷线对边相、中相导线(不考虑电气绝缘截面)的防雷保护角。 3.2.2 讨论
①比较表1中α、α*可见。100～ 500kV典型杆塔的a*均小于250 ，满足现行防雷规程的要求，但α均大于25°，其中110 kV的α大了32.18％ ，220kV的α大了52.84％，500kV的α大了58.72％。这说明由于没有考虑带电导线的等效绝缘截面的影响，现有线路的边相带电导线存在危害的可能要高于不带电导线遭受绕击雷害的隐患。其中1lO～220kV线路的绕击雷害隐患较大，这与110～220kV线路边相带电导线的绕击雷害相对较高的实际运行经验相符。
②表1中的h0大于hd+r, 满足现行防雷规程的要求，β*大于250这说明扩大了双避雷线的保护范围，而β小于25°，减小了等高避雷线的保护范围，减小了存在的安全隐患。实际运行经验表明，线路的中相带电导线仍然存在着遭受绕击雷害的情况，只是相对于边相带电导
线的要少些而已。
③由式(3)～(4)可见，在r一定的情况下，α、β受d、hb、hd影响，减小d或降低hd或增高hb可减小α、β。故对于新设计的线路，应考虑带电导线的电气绝缘截面的影响，按式(3)及式(4)设计避雷线对带电导线的防雷保护角(可多采用三角形或倒三角形排列)。而对于现有运
行中的线路，由于避雷线与带电导线之间在档距中央的距离通常要比杆塔处的大得多，即档距中央的α、α*、β、β*要较杆塔处的小得多，使杆塔处导线存在着遭受绕击雷害的可能性，则可在杆塔处加强对绕击雷害的防范，以弥补α、α*、β、β*偏大的缺陷。
④对绕击雷(雷电先导由侧面入射)的情况，可设避雷线与带电导线的引雷角均为α。取雷电击距半径为hr，则根据图2可得图3，由图3可见，受带电导线的等效绝缘截面的影响，带电导线的雷电击距半径增大为h+r，带电导线的引雷范围也水平增大了r 。这说明带电导线遭受绕击雷害的可能性要高于不带电导线。
4 结论
(1)带电导线对地存在着一个(最小)击穿空气间隙距离，带电导线的电压等级愈高，其击穿空气间隙距离愈大。不带电导线不存在击穿空气间隙距离。
(2)带电导线的(最小)击穿空气间隙距离可用以带电导线为圆心，带电导线在雷电过电压时的最小对地空气间隙距离为半径r所构成的空气间隙绝缘截面等效，雷电与带电导线之间的空气间隙击穿距离应是指与该等效绝缘截面之间的距离。因此在避雷线对带电导线的防雷保护角设计中应考虑该等效绝缘截面的影响，设计该等效绝缘截面得到有效的保护。 (3)受该等效绝缘截面的影响。带电导线遭受绕击雷害的可能性要高于不带电导线。
通过对输电线路防雷的研究，体会到只要重视输电线路的防雷，加大对输电线路防雷的投入，提高输电线路防雷的科技含量，加强对雷电的检测和预防，加强输电线路的运行维护工作，输电线路防雷是 “可控”的，降低雷电破坏及跳闸率是可行的。 参考文献
【1】 张红 高电压技术． 北京：中国电力出版社 2009
【2】 陈慈萱 电气工程基础（第二版）下册.中国电力出版社 2012.12 【3】 甘德辉 架空输电线路的防雷． 农村电气化，2000，（2）：20 【4】 简克良 高电压技术． 中国铁道出版社，1989,4-9
【5】 董振亚. 电力系统的过电压保护.北京：中国电力出版社，1997,108-150 【6】 邱毓昌.高电压工程. 西安：西安交通大学出版社，1995,130—157 【7】 甘德辉.降低接地电阻的几种方法.农村电气化，2002，（6）：28
【8】 杜澍春.高压输电线路防雷保护的若干问题.电力设备，2001，（1）：40-44