（电力系统及其自动化专业论文）输电线路的防雷设计.pdf

a b s t r a c t l i g h t n i n gi san a t u r a lp h e n o m e n o n t h eh a r mo fl i g h t n i n go np o w e re q u i p m e n t ， e s p e c i a l l yo nat r a n s m i s s i o nl i n e ，i sa n a l y z e di nt h i st h e s i s b yt h el i g h t n i n g - s h i e l d i n g d e s i g no fat r a n s m i s s i o nl i n e ，s o m ei s s u e s a r e i n v e s t i g a t e d i nd e t a i l t h e s ei s s u e s i n c l u d eh o wt oi m p r o v et h el i g h t n i n g - s h i e l d i n gl e v e lo fat r a n s m i s s i o nl i n e ，h o wt o l o w e re f f e c t i v e l yt h el i g h t n i n gt r i p - o u tr a t eo fat r a n s m i s s i o nl i n e ，a n dh o wt od e c r e a s e t h ei m p a c to f l i g h t n i n go n t h es a f eo p e r a t i o no fa p o w e rg r i d t h e p r i n c i p l eo f l i g h t n i n gd i s c h a r g e t oat r a n s m i s s i o nl i n ei sd e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h e f o r m i n ga n dd e v e l o p i n gp r o c e s s e so fl i g h t n i n ga r ei n t r o d u c e d ，a l s oi n t r o d u c e da r e t h ef o r m i n ga n d d e v e l o p i n gp r o c e s s e s o f l i g h t n i n gv o l t a g ea n dl i g h t n i n gc u r r e n t a sw e l l a st h ed i s c h a r g ep r i n t i p l eu n d e rt h eb r e a k d o w no fa ni n s u l a t o r t h em a i nc a l c u l a t i o n m e t h o d so ft h el i g h t n i n gp a r a m e t e r s ，t h el i g h t n i n g - r e s i s t a n c el e v e l ，t h el i g h t n i n gt r i p o u t r a t e ，t h ei n d u c i n gl i g h t h i n ga n dt h ed i r e c ts t r i k i n gl i g h t n i n ga r ep u tf o r w a r d s e v e r a lp r a c t i c a lw a y so fl i g h t n i n g - s h i e l d i n gd e s i g no fat r a n s m i s s i o nl i n ei no u r c o u n t r ya r ea n a l y z e d t h e s ew a y si n c l u d et h er e a s o n a b l ec h o i c eo fr i g h t - o f - w a yo f a t r a n s m i s s i o nl i n e ，t h er a t i o n a ld e s i g no f l i g h t n i n gc o n d u c t o r s ，t h el o w e r i n go ft o w e r s g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，t h ei n s t a l l a t i o no fl i g h t n i n ga t t e s t e r s ，t h ei n s t a l l a t i o no fc o u p l i n g l i g h t n i n gc o n d u c t o r s ，a n dt h ei m p r o v i n go f l i n ei n s u l a t i o nl e v e l ，a n ds of o r t h s o m eo f t h e ma r ea n a l y z e di nd e t a i la n ds t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y a s p e c i a ll i g h t n i n g s h i e l d i n g d e s i g nm e t h o d f o rs p e c i a lr i g h t - o f - w a yi sa l s og i v e ni nt h i st h e s i s i ti sp o i n t e do u tt h a t t h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ym a yb ei m p r o v e db yn e u t r a lp o i n t sn o n s o l i d - g r o u n d i n g ， s t a n d b yp o w e rs u p p l ya u t o m a t i cs w i t c h i n g , r e c l o s ee q u i p m e n t a n d s of o n l l u s i n gt h e c o m m o na n dp r a c t i c a lm e t h o d sf o r l i g h t n i n g s h i e l d i n gd e s i g n o fa t r a n s m i s s i o nl i n e ，t h el i g h t n i n gs h i e l d i n go fll0 k v s h i h u a ( s h i t a n s u b s t a t i o nt oh u a s h i s u b s t a t i o n ) l i n e i s a n a l y z e di n d e t a i la n dt h e nd e s i g n e d t h ea c t u a l i t yo ft h el o c a l e l e c t r i c 鲥d i st a k e ni n t oc o n s i d e r e di nt h ed e s i g n a l s oc o n s i d e r e da r et h el o c a lc l i m a t e ， t o p o g r a p h y , e n v i r o n m e n t ，a n d o t h e rf a c t o r s t h eb e s tl i g h t n i n g - s h i e l d i n gs c h e m ef o rt h e t r a n s m i s s i o nl i n ei s p r o p o s e d t h e s i t u a t i o n so fc o n s t r u c t i o n ，o p e r a t i o na n d l i g h t n i n g s h i e l d i n go f t h e11 0 k vs h i h u at r a n s m i s s i o nl i n ea r ei n t r o d u c e d t h ei s s u eo f i m p r o v i n gl i g h t n i n g s h i e l d i n g l e v e lo fat r a n s m i s s i o nl i n ei s i n v e s t i g a t e d f r o mt h e o p e r a t i o np o i n to f v i e w k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o n l i n e ；l i g h t n i n g s h i e l d i n gd e s i g n ；l i g h t n i n gd i s c h a r g e ； l i g h t n i n gv o l t a g e ；l i g h t n i n gc u r r e n t ；d i s r u p t i v ed i s c h a r g e i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：肆捆逸日期：扣蚌年玉月i f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复锘u - y - 段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：详棚喝 导师签名：彰遣参 日期：3 斜年 月f f 日 日期：p 哔年r 月l f 日 第l 章概述 电闪雷鸣是一种自然现象i i “。我国雷电的分布特点是：夏季多于春秋季，陆 地多于海洋，山区多于平原，南方多于北方。雷电电压高达数百万伏，瞬间电流 可高达数十万安培。因此，一次雷电的放电时间虽然只有o 0 1 秒左右，但其释放 出的能量却大得惊人。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，如果碰到易燃物品，就有造成火灾的危险。 雷电流还会引起显著的机械性破坏如各种砖的烟囱、高塔、钟楼、房屋、树木 及其它建筑物遭到直接雷击时，往往会引起严重的倒坍和劈裂等现象，每年全国 各地都有这种情况发生，造成很大的损失。 雷电的主要危害有以下几种： 1 、电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的电 压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾 害。 2 、电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流，并产生大量热能，在雷击 点的热量会很高，可导致金属熔化，引发火灾和爆炸。 3 、雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现 象导致财产损失和人员伤亡。 4 、雷电流静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电荷，当雷 电消失来不及流散时，即会产生很高电压发生放电现象从而导致火灾。 5 、雷电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场，其感生出的电流 可引起变电器局部过热而导致火灾。 6 、电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置 或电气线路断路面燃烧导致火灾。 7 、雷电流能破坏电力系统的各个元件，有可能造成发电机、电力变压器、断 路器和其它电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘予也会因雷击而发生闪络或碎裂、 导线烧断和木质电秆被雷劈裂等事故。 1 1 输电线路防雷设计的重要意义 输电线路是电力系统的大动脉，它将巨大的电能输送到四面八方，是连接各 个变电站、各重要用户的纽带。输电线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定 和向用户的可靠供电。因此，输电线路的安全运行在电网中占据举足轻重的地位， 1 一 是实现“强电强网”的需要，也是向工农业生产、广大人民生活提供不间断电力 的需要。 由于我国地处温带( 部分地区属于亚热带气候) ，所以雷电活动比较强烈。漫 长的输电线路穿过平原、山区、跨越江河湖泊，遇到的地理条件和气象条件各不 相同，所以遭受雷击的机会较多。据统计，我国电力系统各类事故、障碍统计中， 输、配电线路的雷害事故占有很大的比例。由于输电线路对于保“网”的重要地 位，如何减少输电线路的雷害事故成为电力系统安全稳定运行的一项重要课题。 输电线路霄害事故引起的跳闸，不但影响电力系统的的正常供电，增加输电 线路及开关设备的维修工作曩，而且由于输电线路上落雷，雷电波还会沿线路侵 入变电所。而在电力系统中，线路的绝缘最强，变电所次之，发电机最弱，若发 电厂、变电所的设备保护不完善，往往会引起其设备绝缘损坏，影响安全供电。 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。 做好输电线路的防雷设计工作，不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性，而且 可以使变电所、发电厂安全运行得到保障。 1 2 输电线路防雷设计方法的研究现状 目前，我国输电线路防雷设计主要从以下几个方面着手进行： 1 、合理选择线路路径： 2 、架设避雷线： 3 、降低杆塔接地电阻： 4 、在部分地段装设避雷器； 5 、提高线路整体绝缘水平。 这几种方法在目前的输电线路防雷设计中运用得非常多，在线路路径受地形 和投资限制，选择范围不大的情况下，架设避雷线、降低杆塔接地电阻、装设避 雷器、提高线路绝缘水平成为防雷设计的主要方法。避雷线、杆塔接地电阻、避 雷器、线路绝缘的设计标准在各类规程和技术规范都有较为详细的阐述。 在选择设计输电线路的防雷设施时，应按照当地的雷电活动情况、系统的中 性点接地方式、输电线路的绝缘情况、有无自动重合闸或备用自投装置、负荷的 重要程度等各项条件来综合考虑，并按照技术经济比较的结果来作出决定采用最 佳保护方案。 在输电线路防雷设计中，必须紧密结合当前电力生产和建设中的课题，不断 收集和积累各种数据和资料，经常总结防雷保护工作中的经验教训，提出新的更 加有效的保护技术措施，制造相应的保护装置，以满足不断发展的电网的需要。 输电线路防雷保护工作必须一切从实际出发，要充分听取各种意见，科研、 设计、施工和运行部门应紧密结合，通力协作，根据当地雷电活动情况和电力网 2 同等学力硕士学位论文 的具体特点等，进行充分的技术经济论证，保证防雷保护的设计方案技术先进、 方案合理。 1 3 本文的主要工作 本文首先阐述了输电线路雷击放电的原理，介绍了雷电放电的发展过程，雷电 压和雷电流形成过程，瓷瓶击穿放电的原理，并提出了雷电参数、耐雷水平、雷 击跳闸率、感应雷和直击雷的主要计算方法。 本文还论述了目前我国输电线路防雷设计中常用的几种方法，并对几种方法 分别进行了深入阐述、定量分析。文章还提出了输电线路特殊地段的防雷设计方 法；并通过运用备用自投装置、重合闸装置等来提高线路跳闸情况下的供电可靠 性。 本文作了1 1 0 k v 石花线( 石潭变一花石变) 的防雷设计，主要采用的是常用的 防雷设计方法。设计中针对当地气候、地形、环境等实际情况，在湖南省电力公 司批复的初设范围内进行了切合实际的设计变更。本文还介绍了1 l o k v 石花线线 路建设的实施情况，以及建设完毕后的线路运行情况，并从运行角度对如何提高 输电线路的防雷水平作了有益的探索。 第2 章输电线路雷击放电的原理 2 1 雷电放电的发展过程 雷云就是积聚了大量电荷的云层1 3 - 1 0 。迄今为止，雷云形成的机理，通常认为 是：在含有饱和水蒸气的大气中，当有强烈的上升气流时，就会使空气中的水滴 带电，这些带电的水滴被气流所驱动，逐渐在云层的某些部位集中起来，这就是 我们平时所说的带电雷云。测量数据表明，一般云块的上部带正电荷，下部带负 电荷，而在中间处出现正负电荷的混合区域。雷云平均电场强度为1 5 k v c m ，实 测到在雷云雷击前韵最大电场强度为3 4 k v c m ，而在稳定下雨时，大约只有 4 0 v c m 。 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 导放电与主放电两个阶段。在雷云带有电荷后，其电荷集中在几个带电中心，它 们间的电荷数也不完全相等。当某一点的电荷较多。且在它附近的电场达到足以 使空气绝缘破坏的强度( 约2 5 3 0 k v c m ) 时，空气便开始游离，使这一部分由原来 的绝缘状态变为导电性的通道。这个导电性通道的形成，称为先导放电。先导放 电是不连续的，雷云对地放电的第一先导是分级发展的，每一级先导发展的速度 相当高，但每发展到一定长度( 平均约5 0 m 1 就有一个1 0 1 0 0 u s 的间隔。因此，它 的平均速度较慢，约为光速的1 1 0 0 0 左右。先导放电的不连续性，称为分级先导， 历时约o 0 0 5 珈0 l s 。分级先导的原因一般解释为：由于先导通道内游离还不是很 强烈，它的导电性就不是很好，由于雷云下移的电荷需要一段时间，待通道头部 的电荷增多，电场超过空气游离场强时，先导将又继续发展。 在先导通道形成的初阶段，其发展方向仍受一些偶然因素的影响，并不固定。 但当它距地面一定高度时，地面的高耸物体上出现感应电荷，使局部电场增强， 先导通道的发展将沿其头部到感应电荷集中点之间发展。也可以说，放电通道的 发展具有定向性，或者说雷击有选择性，上述使先导通道具有定向性的高度，称 之谓定向高度。 当先导通道的头部与带异号电荷的集中点间距离很小时，先导通道端约为雷 云对地的电位( 可高达1 0 m v ) ，而另一端为地电位，故剩余的空气间隙中的电场强 度极高，使空气间隙迅速游离。游离后产生的正、负电荷将分别向上、向下运动， 中和先导通道与被击物的电荷，这时便开始了放电的第二阶段，即主放电阶段。 主放电阶段的时间极短，约5 0 1 0 0 u s ，移动速度为光速的1 1 2 0 1 1 2 ；主放电时电 流可达数千安，最大可达2 0 0 - 3 0 0 k a 。主放电到达云端时，意味着主放电阶段结 束。此时，雷云中剩下的电荷，将继续沿主放电通道下移，此时称为余辉放电阶 同等学力硕士学位论文 段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0 0 3 - - - 0 1 5 s 。由于雷云中可能存在 多个电荷中心，因此，雷云放电往往是多重的，且沿原来的放电通道，此时先导 不是分级的，而是连续发展的。 2 2 雷电压和雷电流的形成 雷电现象虽然十分复杂但从分析其后果的角度看，又可简单将其看成是一个 电流行波沿空中通道注入雷击点，在击中导线后即分为左右两路继续前进。伴随 着电流行波一同前进的还有电压行波，它们构成了以接近光速传播着的电磁波。 当雷击杆塔顶部时，由于塔脚按地电阻r 很小，于是出现反射现象。如果r - - 0 ， 则无论如何塔顶都不会出现对地电压。这时随同电流波一同侵入的电压行波，就 只好改变其极性后再由原通道反射回去，才能正负抵消，保证塔顶的零电位状态。 但伴随这个向回反射的电压行波还有一个电流行波返回去，入侵一个正值电流， 又返回一个负值电流，其结果相当于二倍的电流迭加在一起。故从被击物看来， 电压消失了，电流增加了一倍。当然，实际上r 不会真的为零，故这种转化不会 十分完善：而且这时r 上的压降，还要使避雷线对地获得一个电位，从而于其上 出现电压行波，并伴随一个电流行波。但由于r 通常只有l 2 0q ，因此这个避雷 线上产生的电流行波是可以忽略的。因此，我们一般在塔顶或避雷针上用磁钢棒 所测得的雷电流，已经包括了这种理论上的反射在内，所以我们一般所测的雷电 流，。，即目前常用的雷电流。 2 3 瓷瓶击穿放电的原理 输电线路受雷击后，会产生冲击波沿输电线路传输，在输电线路周围产生瞬 变高电场。瓷瓶的雷电击穿原理可以简单这样认为：类似于气体电介质，由于电 场的作用使电介质中的某些带电质点积聚的数量和移动的速度达到一定程度时， 使电介质( 瓷瓶) 失去了绝缘的性能，形成导电通道。 瓷瓶所遭受的雷电击穿又可分为直接击穿和间接击穿。直接击穿是指瓷瓶在 受到雷电流作用后，形成导电通道，完全失去绝缘的性能；间接击穿是指在受到 雷电流作用后，电介质中的某些质点的排列结构受到一定的破坏，但终究还没有 形成导电通道。直接击穿和间接击穿的危害都是相当大的：直接击穿会令到输电 线路短路跳闸或单相接地：间接击穿会令到瓷瓶受到一定的伤害，但不是立即令 到瓷瓶完全击穿、使线路跳闸，而是留下事故隐患，降低了设备绝缘电阻，容易 引发热闪络或水闪络等事故。这种间接击穿事故的重视更应受到重视。 2 4 雷电参数 2 4 a 雷暴日与雷暴小时 在进行防雷设计和采取防雷措施时，必须考虑到该地区的雷电活动情况。某 地区的雷电活动频度，可用该地区的雷暴日或雷暴小时来表示。雷暴日是一年 中有雷电的日数。雷暴小时是一年中有雷电的小时数。一天或- d , 时内只要听到 雷声( 不管听到几次) ，就记为一个雷暴日或雷暴小时。由于各年的雷暴日( 或雷 暴小时) 变化较大，所以应采用多年的平均值。 表2 i 我国雷暴日与雷暴小时的比值 年平均雷暴日数雷暴小数，雷暴日数 2 0 2 52 2 3 3 0 4 02 5 3 5 5 0 03 4 7 0 - - 8 0 及以上3 3 4 3 从表2 1 可以看出，雷暴小时数与雷暴日数之比随雷暴日数增加而增大。大致 看来，二者的比值在3 左右。一般把年平均雷暴日不超过1 5 目的地区叫少雷区， 超过4 0 日的叫多霄区，超过9 0 日的叫强雷区，在防雷设计上要因地制宜区别对 待。 2 4 2 地面落雷密度 雷暴日或雷暴小时虽反映出该地区雷电活动的频度，但它未能反映出是云间 放电或是云对地放电。测试表明，云间放电远多于云对地放电。我们最关心的是 云对地的放电，也就是地面落雷。地面落雷密度y ( 次平方公里雷暴日) 表示。它 表示每一雷暴日、每平方公里地面落雷次数。我国一般取y = o 0 1 5 。 2 4 3 雷电流的幅值 雷电流的幅值，。与气象及自然条件有关，是一个随机变量，只有通过大量实 测才能正确估算其概率分布的规律。根据我国实测数据，雷电流幅值的概率计算 可用下式： l g p = 一，1 0 8 ( 2 1 ) 式中，。雷电流幅值，k a ： p 超过雷电流幅值，的概率。 测试还表明，雷电流幅值与海拔高度及土壤电阻率的大小关系不大。 旦箜兰垄曼主兰垡鎏塞 2 5 输电线路防雷计算 2 5 1 输电线路耐霄水平的计算 输电线路防霄性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。其中雷击跳 闸率通常是假定在每年4 0 个雷电日的情况下，每百公里线路每年因雷害而可能跳 闸的次数，它可用来衡量不同设计方案的相对优劣，并不能代表线路实际运行中 真实遮断情况。 由于平等导线之间存在着互感和线间电容，因此一旦在避雷线上出现电压行 波时，在相导线上就要耦合出一个相应的电压。真正作用在绝缘子的电压是它们 二者之差，即u ，一u = 【，( 1 一k ) ，耦合系数k 通常约在0 2 左右。耦合作用使绝缘 所受到的电压低于塔顶电位u ，。耦合系数在不考虑电晕的情况下，可根据导线的 几何尺寸算出，又可称为几何耦合系数。 雷电流可以根据0 = ( j 。1 2 ) ( 1 一c o s ( o ) 计算( 见图2 ，1 ) ，从而可算出塔顶电 位u ，= f xr ，其中r 为杆塔的接地电阻值。u ，再乘上一个考虑耦合的系数( 1 - k ) ， 就是实际作用于导线绝缘上的电压。如果它超过绝缘子的5 0 闪络电压，就可以 认为要造成闪络，雷电对线路放电引起绝缘闲络时的雷电流临界值，称作线路的 耐雷水平。线路的耐雷水平愈高，线路绝缘发生闪络的机会就愈小。 囤2 1 雷电流波形图 但是，当雷电流超过线路的耐雷水平时，虽然会导致一次雷电闪络，却并不 一定意味着一次故障。这时候，雷电流沿击穿通道入地，但时间只有几十微秒， 线路开关来不及动作。只要在雷电过程迅速消逝后，在闪络点不随之建立工频电 弧，就仍然可以照常供电。只有当沿击穿通道流过的工频短路电流的电弧持续燃 烧，引起相间短路线路才会跳闸停电。雷电闪络后是否会使工频电流乘虚而入， 这是一个机会问题，通常用建弧率来表示。它是一个随机变量，与单位长度的绝 缘上所实际作用的工频电压有关，也就是同绝缘的工作电位梯度有关，这个电位 梯度越大。建弧的机会也越大。因此，当绝缘子串发生闪络后，应尽量使它不转 化为稳定的工频电弧，因为如果工频电弧建立不了，线路则不会跳闸。 由运行经 验与试验数据得出，冲击闪络转化为稳定工频电弧的概率( 建弧率) 的计算公式 蔓皇墼堕堕堕曼堡笪 如下： r = ( 4 5 e “”一1 4 ) ( 2 2 ) 其中盯建弧率； 卜绝缘子串的平均工作电压梯度；( 单位：k v m ) 对中性点有效接地电网 e = u 。 4 3 ( l ，+ o 5 l 。) 】 ( 2 3 ) 对中性点非有效接地的电网 e = u 。( 2 l j + k ) ( 2 4 ) 式中u 额定电压，k v ： ，绝缘子串长度，m ； 。线路的线间距离，m ( 对铁横担和钢筋混凝土横担线路，l 。= 0 ) 显然。降低建弧率可采取的措施是：适当增加绝缘子片数，减少绝缘子串上工 频电场强度，电网中采用不接地或经消弧线圈接地方式，防止建立稳定的工频电 弧。 2 5 2 线路感应雷过电压和直击雷过电压的计算 通常将雷电引起的电力系统过电压，称为大气过电压。雷云放电在电力设备 产生的过电压，是由于雷云影响产生的，所以也叫做雷电过电压，它可分为感应 雷过电压及直击雷过电压感应雷过电压是由于电磁场的剧烈变化，电磁耦合而 产生的：而直击雷过电压是由于流经被击物很大的雷电流所造成的。 1 、感应雷过电压 当雷云接近输电线路上空时，根据静电感应的原理，将在线路上感应出一个 与雷云电荷相等但极性相反的电荷，这就是束缚电荷，而与雷云同号的电荷，则 通过线路的接地中性点逸入大地，对中性点绝缘的线路，此同号电荷将由线路泄 漏而逸入大地。 此时如雷云对地( 输电线路附近地面) 放电，或者雷击塔顶但未发生反击( 它 们之间的差别仅在于后者以杆塔代替部分雷电通道) ，由于放电速度很快，雷云中 的电荷便很快消失，于是输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷，分别向线路 左右传播。 设感应电压为u ，当发生雷电主放电以后，由雷云所造成的静电场突然消失， 从而产生行波。根据波动方程初始条件。可知，波将一分为二，向左右传播。感 应过电压是由雷云的静电感应两产生的。雷电先导中的电荷q 形成的静电场及主 放电时雷电流i 所产生的磁感应，是感应过电压的两个主要组成部分。 ( 1 ) 无避雷线时的感应雷过电压 根据理论分析和实测结果，有关规程建议，当雷击点距输电线路的距离s 大于 8 基翌竺杰曼圭主丝堕苎 6 5 m 时，导线上产生的感应过电压最大值可按下式计算： u = 2 5 1 x h a s ( k v ) ( 2 5 ) 式中卜一雷电流幅值，k a 亿导线悬挂平均高度，m s 雷击点至线路的距离im 感应过电压的幅值与雷电流幅值i 及导线平均高度成正比；与雷击点到线路的 距离s 成反比。感应过电压的极性与雷电流极性相反。由于雷击点的自然接地电阻 较大，所以最大电流值可采用i s1 0 0 k a 进行估算。实测表明，感应过电压峰值一 般最大可达3 0 0 , - - 4 0 0 k v 。这对3 5 k v 及以下的水泥杆线路将可能引起闪络事故：对 11 0 k v 及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故，且感应过电压 同时存在于三相导线上，故相间不存大电位差，只能引起对地闪络，如果两相或 三相同时对地闪络，才可能形成相间闪络事故。 更多的雷击，则因线路的吸引，而击于线路本身。当雷直击于杆塔或线路附 近的避雷线时，周围迅速变化的电磁场将在导线上感应出相反符号的过电压。在 无避雷线时，对一般高度的线路，这一感应过电压的最大值可由下式计算 u = 口x h d ( k v ) ( 2 6 ) 式中口一感应过电压系数，k v m ，其值等于以k m , u s 为单位的雷电流平均陡 度值，其由给定的雷电流幅值，和波头时间决定，取a = i 2 6 。 ( 2 ) 有避雷线时的感应雷过电压 如果线路上挂有避雷线，则由于其屏蔽作用，导线上的感应过电压将会下降。 假定避雷线不接地，在避雷线和导线上产生的感应过电压可用公式( 2 5 ) 来进行计 算，当二者悬挂高度相差不大时，可近似认为两者相等。但实际上避雷线是接地 的，其电位为零，这相当于在其上叠加了一个极性相反，幅值相等的电压( 一材) ， 这个电压由于耦合作用在导线上产生的电压为七。( 一“) = t “。因此，导线上的 感应过电压幅值为两者叠加，极性与雷电流相反，即： u = “一j t ”= ( 1 一七，) “( 2 7 ) 式中，女，避雷线与导线之间的耦合系数。其值只决定于导线间的相互位 置与几何尺寸。线问距离越近，则耦合系数以愈大，导线上感应过电压愈低。 2 、直击雷过电压 电力系统的防雷的重点是直击雷防护，它也可分为无避雷线和有避雷线两种 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，一是雷击导线， 二是雷击塔顶。 当雷直击导线后，雷电流便沿着导线向两侧流动，假定z 为雷电通道的波阻 9 兰皇垡曼墼堕曼墼生 抗7 _ 2 为雷击点两边导线的并联波阻抗( 若计及冲击电晕的影响，可取z = 4 0 0 q ) 。 则雷击点过电压u = ( ， x= ，z = 。雷击导线的过电压与雷电流o2 ) ( z 2 ) 41 0 0 i 的大小成正比。如果此电压超过线路绝缘的耐受电压。则将发生冲击闪络。由此 可得线路的耐雷水平为 i = u s 0 1 0 0o 叭)( 2 8 ) 当雷击线路塔顶时，雷电流i 将流经杆塔及其接地电阻流入大地。假设杆塔的 电感为三。，杆塔的冲击电阻为最。，导线悬挂点高度为。，雷电流为斜角平顶波， 且工程计算取波头为2 6 u s ，则作用在绝缘子串上的电压为 u ，= 1 ( r 。 + 三p 2 6 + h d 2 6 ) ( k v ) ( 2 9 ) 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 与秆塔的高度及杆塔的接地电阻有关。如果既傻等于或大于绝缘子率的5 0 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 = u w ，( k + 工口1 2 6 + 封d 2 6 ) ( k a ) ( 2 1 0 ) 6 0 k v 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 = u 5 。，【( 1 七。) ( r 曲+ l 一2 6 + 月0 2 6 ) 】( k a ) ( 2 1 1 ) 其中七，两相导线间的耦合系数。 ( 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击于导线，二 是雷击塔顶，三是雷击档距中央的避雷线。 雷绕过避雷线击予导线的过电压及耐雷水平必须先得出绕击率。所谓绕击 率就是指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，绕击率和避雷线对外侧导线的保护角a ，杆塔 高度h 和地形条件等有关，建议用下式计算： 对平原线路：l g e = 口| l lo 8 63 9 对山区线路：l g 只= a d h 8 6 3 3 5 发生绕击后线路上的过电压及耐雷水平可按无避雷线时雷击导线时进行计 算。雷击塔顶时，雷电流大部分经过被击杆塔入地，小部分电流则经过避雷线由 相邻杆塔入她。流经被击杆塔入地的电流，。帮总电流j 的关系可以用下式表示： ，口= 彤 ( 2 1 2 ) 式中b 杆塔的分流系数，它小于1 。 对于一般长度的档距，b 可由表2 2 查出。 表2 2 分流系数b 额定电压k v1 1 02 2 03 3 0 5 0 0 单避雷线0 90 9 2 双避雷线0 8 6 0 8 80 8 8o 8 6 5 o 8 2 2 因此，雷击有避雷线线路杆塔顶时的耐雷水平，为： i = u 5 慨 0 t ) 【( r d + l 。2 6 ) + h a 2 ，6 1 ( k a ) ( 2 1 3 ) 雷击输电线路档距中央避雷线时，由于雷击点距杆塔有一段距离，由两侧接 地杆塔处发生的负反射需要一段时间才能回到雷击点而使该点电位降低。在此期 间，雷击点地线上会出现较高的电位。这可用近似的集中参数的等值电路来分析， 求得雷击点的过电压。设档距避雷线电感为2 l ，雷电流取斜角波，即i = qt ，则 u 。= l 2 x l x 口 a 点与导线空气间隙绝缘上所承受的电压u 为： u = 叱( 1 一疋) = 1 2 l x a x ( 1 一k ) ( k v ) ( 2 1 4 ) 其中k ，为导线与避雷线问的耦合系数。 2 5 3 输电线路雷击跳闸率的计算 雷击输电线路的跳闸次数与线路可能受雷击的次数有密切的关系。而线路可 能受雷击的次数与线路的等值受雷击宽度，每个雷暴日每平方公里地面的平均落 雷次数，线路长度及线路所经过地区的雷电活动程度有关。根据模拟试验和运行 经验一般将避雷线或导线对地面的遮蔽宽度取1 0 h 。，也就是说一侧宽度为5 量匕。 这样1 0 0 k i n 长的输电线路对地面的遮蔽面积，或受雷害面积为： a = 1 0 h dx 0 0 0 1 1 0 0 = h a ( k i n 2 ) 通常地面落雷密度y = 0 0 1 5 ，如果取每年4 0 个雷暴日作为标准值，此时，每 年1 0 0 k m 输电线路受到的雷击次数为：n = 4 0 x o 叭5 h 。= 0 6 xh d 次( 1 0 0 k m 4 0 雷电日) 。 雷击塔顶及杆塔附近避雷线的次数由运行经验可以得出，雷击杆塔次数与雷 击线路总数的比例称为击杆率6 ，见表2 3 表2 3 击杆率 避雷线根数 o12 平原1 ，21 4l ，6 山区 - 1 31 1 4 线路因雷击而跳闸，有可能是由反击引起的，也可能是由绕击造成的，这两 输电馒i 翳的防霄设计 部分之和即是线路总的雷击跳闸率。 ( 1 ) 反击跳闸率r 由雷击点部位来看，反击包括两部分，一部分是雷击塔顶及杆塔附近的避雷 线，雷电流经杆塔入地，造成塔顶较高电位，使绝缘子闪络，另一部分是雷击避 雷线档距中央。只要空气间隙符合规程要求，雷击避雷线档距中央一般不会发生 闪络，当然不会引起反击跳闸。因此，可以认为反击跳闸主要是由第种情况决 定的。 由表2 3 可查出击杆率，即每百公里线路在4 0 个雷电日下，雷击杆塔的次数 为n 。= 0 6 x h 。，雷电流幅值大于雷击塔顶的耐霄水平，。的概率为p 。，建弧率为 玎( 两者均由公式求得) 。那么，每百公里线路，4 0 个雷电e l ，每年因雷击塔顶造成 的跳闸次数为： r l = 0 6 h dx 巧i 。p l ( 次1 0 0 l ( i n 4 0 雷电日) ( 2 1 5 ) ( 2 ) 绕击跳闸率玎 线路绕击率为只，每百公里每年绕击次数为= 0 6 吼只，霄电流超过 耐雷水平l 的概率只，建弧率为，7 ，则每百公里线路因绕击跳闸次数可，为： 吁2 = 0 6 h d 只，7 。p 2 ( 次1 0 0 k m 4 0 雷电日) ( 2 1 6 ) 综上所述，对于中性点直接接地，有避雷线的线路跳闸率叮为 r = r i + r 2 = 0 6 x h d 1 x ( 6 置+ 只最) ( 次1 0 0 k i n 4 0 雷电臼) ( 2 1 7 ) 顺便指出，在中性点非直接按地的电网中，无避雷线( 金属或钢筋混凝土杆 塔线路) 的线路雷击跳闸率可用下式计算： r = 0 6 也r 只( 次1 0 0 k m 4 0 雷电日) ( 2 1 8 ) 式中皿，上导线平均高度，m 玎建弧率； 只雷击使线路一相导线与杆塔间闪络后，再向第二相导线反击时 耐雷水平的雷电流概率。 第3 章输电线路设计与运行中的防雷措施 在确定输电线路的防雷方式时，应全面考虑线路的重要程度、系统运行方式、 线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特征、土壤电阻率的高低等条件，并结 合当地已有线路的运行经验，进行全面的技术经济比较，从而确定出合理的保护 措施。 现有的输电线路防雷保护措施一般有以下各项。 3 i 合理选择输电线路路径 大量运行经验表明，线路遭受雷击往往集中于线路的某些地段【1 3 l 。我们称 之为选择性雷击区，或称为易击区。线路若能避开易击区，或对易击区线段加强 保护，则是防止雷窖的根本措施。实践表明，下列地段易遭受雷击： l 、雷暴走廊，如山区风口以及顺风的河谷和峡谷等处： 2 、四周是山丘的潮湿盆地，如杆塔周围有鱼塘、水库、湖泊、沼泽地、森林 或灌木、附近又有婉蜒起伏的山丘等处： 3 、土壤电阻率有突变的地带，如地质断层地带，岩石与土壤、山坡与稻田的 交界区，岩石山脚下有小河的山谷等地，雷易击于低土壤电阻率处； 4 、地下有导电性矿的地面和地下水位较高处； 5 、当土壤电阻率差别不大时，例如有良好的土层和植被的山丘，雷易击于突 出的山顶、山的向阳坡等。 3 2 架设避雷线 3 2 1 架设避雷线 架设避雷线是输电线路防雷保护的最基本和最有效的措施【1 4 】。避雷线的主要 作用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用： 1 、分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位； 2 、通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的电压； 3 、对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。 通常来说，线路电压愈高，采用避雷线的效果愈好，而且避雷线在线路造价 中所占的比重也愈低( 一般不超过线路的总造价的1 0 ) 。因此规程规定，2 2 0 k v 及以上电压等级的输电线路应全线架设避雷线，l l o k v 线路一般也应全线架设避霄 线。 为了提高避雷线对导线的屏蔽效果，保证雷电不致绕过避雷线而直接命中导 ，1 3 曼皇望竖墼堕曼堡盐 线，应当减小绕击率。避雷线对边导线的保护角应做得小一些，一般采用2 0 。3 0 。 2 2 0 k v 及3 3 0 k v 双避雷线线路应做到2 0 。左右，5 0 0 k v 及以上的超高压、特高压线 路都架设双避雷线，保护角在1 5 。及以下。 为了起到保护作用，避雷线应在每基杆塔处接地。在双避雷线的超高压输电 线路上，正常的工作电流将在每个档距中两根避雷线所组成的闭合回路里感应出 电流并引起功率损耗。为了减小这一损耗，同时为了把避雷线兼作通讯及继电保 护的通道，可将避雷线经过一个小间隙对地( 杆塔) 绝缘起来。雷击时，间隙被击穿， 使避雷线接地。 随着线路电压等级的下降，线路的绝缘水平也随之逐级下降，避雷线的防护 效果也就逐步降低，以致在很低电压( 例如2 0 k v 以下) 时失去实用意义。因此， 避雷线一般只用于输电线路中。 表3 1 有避雷线线路的耐雷水平 大跨越档中央和发电厂、 额定电压( k v )一般线路( k a ) 变电所进线保护段( k a ) 3 52 0 3 03 0 6 03 口巧06 0 1 1 04 0 7 57 5 1 5 49 09 0 2 2 08 0 1 2 01 2 0 3 3 01 0 0 1 4 01 4 0 5 0 01 2 0 1 6 01 6 0 3 2 2 采用绝缘避雷线防雷 送电线路的避雷线除用作防雷外，还有多方面的综合作用，如实现载波通信； 降低不对称短路时的工频过电压、减小潜供电流；作为屏蔽线以降低电力线对通 信线的干扰等。按照用途之不同，避雷线悬挂方式有两种，一种是直接悬挂于杆 塔上，另一种是经过绝缘子与杆塔相连，即使避雷线对地绝缘。 由于避雷线至各相导线的距离一般是不相等的，它们之间的互感就有些差别， 因此，尽管在正常情况下三相导线上的负荷电流是平衡的，但在避雷线上仍然要 感应出一个纵电动势。如果避雷线逐杆接地，这个电动势就要产生电流，其结果 就增加了线路的电能损失。这个附加的电能损失是同负荷电流的平方和线路长度 成比例。对于2 2 0 k v 长2 0 0 - - 3 0 0 k m 的送电线路，这个附加电能损失每年约可达几 十万度，而对于5 0 0 k v 长3 0 0 - - 4 0 0 k m 的线路，每年可损失数百万度。因此，目前 我国新设计的超高压线路，一般采用绝缘避雷线以减少能耗。避雷线虽然绝缘， 1 4 同辱学力硕士学位论文 但在雷击时，避雷线的绝缘在雷电先驱放电阶段即被击穿丽使避雷线呈接