4. 空载线路跳闸过电压
切除空载线路是电力系统常见的操作之一，产生过电压的原因是断路器跳闸的过程中发生电弧的重燃。断路器切断的是较小的容性电流，通常为几十安到几百安，比短路电流小的多，但能够切除巨大短路电流的开关却不一定能够不重燃地切断空载线路。这是因为在跳闸初期，由于断路器，特别是油断路器，触头间恢复电压的上升速度有可能超过介质恢复强度的上升速度，造成电弧的重燃，从而引起电磁振荡，出现过电压。运行经验表明,断路器的灭弧能力越差，电弧重燃的几率就越大，过电压的幅值也就越高 。
忽略电阻分量，用下面等值电路图来分析切除空载线路产生过电压的过程 。
图12 空载线路集中参数等效电路
设电源电势e(t) =Emsin（?t+?0）；
为分析的方便,暂不考虑空载线路的工频电压升高，认为断路器跳闸之前线路的电压uc(t) 就等于电源的电势e(t)。设断路器动作以后，触头开始分离，当断路器的工频电流过零值（t=t1）时，电弧熄灭，此时电容上的电压
为电源电压的最大值即uc(t)=Em ， 如果不考虑线路上残余电荷的泄漏，则线 路维持残压Em，于是断路器触头间恢复电压u(t?) 为：
（38）
如果断路器触头间去游离能力很强，抗电强度恢复增长的很快，则电弧从此熄灭，线路被断开，不会产生过电压。若开关灭弧性能不良，则在恢复电压的作用下，触头间的电弧可能发生重燃,产生过电压 。最严重的情况考虑，设在
?1t2=t1+时刻，电弧发生重燃，这时相当于电源电压突然加在电感Ls+L0l和
?3具有初始值Em的电容C0l组成的振荡回路上，由于回路固有振荡角频率
?=01C0l(Ls?1l)3L0，比工频大得多，此过渡过程为高频振荡形式，可
11
以认为在高频振荡的过渡过程中电源电势保持—Em不变。若忽略回路损耗引起的电压的衰减，过渡过程中电容上电压达到的最大值可由过渡过程后电压的稳态值Us 和初始值Ui ，进行估算：
（39）
由上式可知，电弧重燃产生的过电压幅值
uma???(?Em?Em)?3Em，与此同时，回路中的电容电流又过零点，xEm电弧再次熄灭，线路上就保持了一3Em的残压。此后在t3=t2+
?时刻，断口间?的电压达到4Em，电弧再次重燃，则线路过电压可达5Em。依次类推，每隔半个工频周期电弧就重燃和熄灭一次，线路过电压将按7Em，9Em等逐次增加，直到触头间已有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止。跳闸操作产生的线路过电压的发展过程可由下图表示：
图13 切除空载线路过电压的发展过程
值得说明的是,由于受到一系列复杂因素的影响，切除空载线路的过电压不可能无限的增大。当过电压较高时，线路上就会产生强烈的电晕现象，电晕损耗将消耗过电压波的能量，引起过电压波的衰减，限制了过电压的升高。当母线上有多回出线时，相当于母线电容增大，可以降低线路上初始电压的绝对值并吸收部分振荡能量，而其有功负荷又能增强阻尼效应，使重燃时的过电压相应的降低。
随着断路器制造水平、灭弧能力的提高，切除空载线路时的电弧重燃得到了有效的抑制，而且，在特高压电网中，随着线路接入并联电抗器及氧化锌避雷器等限压措施的介入，跳闸过电压得到了有效的抑制。相对而言，合闸(重合闸)空载线路产生的过电压则成为特高压电网绝缘水平的决定性因素。
12
二、外部过电压
雷击是造成输电线路跳闸停电事故的主要原因，在电力系统非计划停运中，雷电事故一般占30%以上，有的地区甚至达到80％以上，对电力安全传送的影响及危害非常大。输电线路雷害事故引起的跳闸，不但影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上落雷，雷电输电线路的雷害事故引起的跳闸，不断影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上的落雷引起的雷电波可能会沿着线路侵入变电所，造成不可估量的财产损失和人员伤亡。
由此可见，输电线路的防雷是减少电力系统雷害事故及其所引起电量损失的关键。本文主要介绍雷击过电压有三种基本形式即：直击雷过电压、雷电感应过电压和雷电侵入波，并重点分析了输电线路的雷电过电压计算方法。
1、 直击雷过电压
直击雷过电压是指由雷电直接击中线路或杆塔引起的过电压。强大的雷电流通过这些物体导入大地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，造成设备损坏，建筑物破坏。直击雷放电过程如图如右下所示： （1）雷电流的幅值Im
雷电流幅值是指脉冲电流所达到的最高值。雷电流的幅值大小与许多因素有关，主要的因素有气象、地质条件和地理位置。其中气象情况有很大的随机性，因此只有通过大量的实际测量才能正确估算雷电流峰值的概率分布。按行业标准，我国目前使用的雷电流幅值超过Im的概率，可用如下经验公式可得:
P=10?Im88 (40)
图14 直击雷放电过程 上式中:Im为雷电流的幅值，单位为kA；P为雷电流幅值超过Im的概率。 在平均雷电日数只有20或更小的部分地区，雷电流幅值也较小，可用下式表示:
P=10雷电流幅值Im一般不超过 100kA。
13
?Im44 (41)
（2）雷电流的波形
雷电流的幅值随各国的自然条件的不同而差别很大，但是各国测得的雷电流波形却基本相同。大量统计表明，雷电流的波头长度大多出现在 1 us -- 5 us 的范围内，平均在2 us -- 2.5 us，我国在防雷设计中建议取 2.6 us；雷电流的波长时间一般在20 us -- 100 us，平均约为50 us。雷电流由零增大到幅值的这段时间的波形称为波头
图15雷电流波形图 ?wh 。雷电流从幅值衰减到幅值
的一半的这段波形称为波尾（3）雷电流的陡度?
?wt 。
di 。雷电流dt的幅值和波头决定了雷电流的上升陡度，即雷电流随时间的变化率。雷电流的陡度对过电压有直接的影响，对电气设备的绝缘来说，雷电流的波陡度越大，则产
di生的过电压U=L越高，对绝缘的破坏越严重。因此，应当设法降低波陡度，
dt保持设备的绝缘性能。雷电流陡度的直接测量非常困难，经常是根据一定的幅值和波头去推算。我国采用固定的波头时间 2.6us，即认为雷电流的平均陡度?和雷电流幅值Im线性相关。
雷电波的陡度?用雷电流波头部分的增长速度来表示，即??Imα= (42)
2.6上式中: ?为雷电流的陡度，Im是雷电流的幅值。 (4)雷电波阻抗Z0
雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷电波阻抗,用Z0表示。根据理论研究和实测分析，我国有关规程建议Z0取300Ω左右。
输电线路直击雷过电压计算
在电力系统中，输电线路的防雷击重点在于直击雷的防护，也可分为无避雷线时的直击雷过电压和有避雷线时的直击雷过电压的两种情况。 （1）无避雷线时的直击雷过电压
输电线路未架设避雷线的情况下，雷击线路的部位只有两个，一个是雷击导
14
线，另一个是雷击塔顶。
当雷击中线路上的某一点时，雷电波将沿着线路向两侧传播，当雷击点电位超过绝缘子串50%冲击放电电压时，会引起绝缘子串闪络，这时线路的耐雷水平为：
I?U50%/100 (43)
式中: U50% -- 取绝缘子串的负极性50%放电电压，单位kV。
此式是我国用来估算雷击导线过电压及耐雷水平的近似计算公式。 当雷击塔顶时，雷电流I将流经铁塔及其接地电阻而流入大地。假设杆塔的电感为L，铁塔的冲击电阻为R，导线悬挂点高度为h，雷电流为斜角平顶波，且工程计算取波头为2.6us，此时作用在绝缘子串上的电压（单位为kV）是：
U?I(R?Lh?) (44) 2.62.6由此可知，加在线路绝缘子串上的雷电过电压与雷电流的大小、陡度，导线与铁塔的高度及铁塔的接地电阻有关。如果此值等于或大于绝缘子串的50%雷电冲击放电电压时，塔顶将对导线产生反击。在中性点直接接地的电网中，有可能使线路跳闸，此时线路的耐雷水平为：
I?U50%/(R?L/2.6?h/2.6) (45)
60kV及以下电网采用中性点非直接接地方式，雷击塔顶时若雷电流超过耐雷水平，会发生塔顶对一相导线放电。由于工频电流很小，不能形成稳定的工频电弧，故不会引起线路跳闸，仍能安全送电。只有当第一相闪络后，再向第二相反击，导致两相导线绝缘子串闪络，形成相间短路时，才会出现大的短路电流，引起线路跳闸。此时，线路的耐雷水平为：
I?U50%/[(1?k)(R?L/2.6?h/2.6)] (46)
式中：k指两相导线之间的耦合系数。 （2）有避雷线时直击雷过电压
有避雷线时直击雷击线路的部位有三种:一是雷绕过避雷线而直击于导线，二是雷直击塔顶，三是雷击避雷线档距中央。
当雷绕过避雷线击于导线时，要求直击雷过电压及耐雷水平必须先得出绕击率P? 。所谓绕击率就是指雷电绕过避雷线而击中导线的概率，它随着保护角的减小而迅速下降。根据模拟试验和多年现场运行经验表明，绕击率与避雷线对外侧导线的保护角?，铁塔高度h和地形条件等有关，我国规程规定绕击率常用下
15