（电气工程专业论文）云广±800kv特高压直流输电线路耐雷性能研究.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 to n gt e r mo p e i 嘶o l ls t a t i s t i c a lr e s a l l t ss h o w e dt h a t 脚a c c i d e n td u et ol i g h m i n g s t r i l 【i n gf o r mab i gs h , 1 t r co fa l l 缸雹瑚商s s i l i n ea c c i d e n t s s o , r e s e a r c ho fl i g h t n i n g p l o t 硎o l lp e r f o r m a c 宅o fu h v 缸a n 岛n 确o nl i n ei so n eo fe , 鹤e n t i a ls u b j e c t se s p e c i a l l y f o rt h e m i n gc o n s t n l c t i o no fu h vl l a n s m i s s i o nl i n e si nc h i n a t h e r e f o r e ，i th a s i m p o r t a n ts e i e n t i t i es i g n i 丘e a n e ea n de n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u et oc a r r yo u tl i 曲i n i n g p l o t 枷o nc a l c u l a t i o na b o u tt h eu h vl l a n s m i s s i o nl i n e t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h eb a c k s l r i k e p r o t e c l j o l l1 , e r f o m l a 雠a n dt i g l a m i gs h i e l d i n gl 七- r f o r m a e eo ft h e 士$ o o k v y u n - c m a n gu h v 血a n 嗣n i s s i l i n es y s t e m a t i c a l l y 1 1 地l e a d e rp r o g r e s s i o nt a s h o v c rm o d e lo fi n s u l a t o r sa n dm u l t i - w a v ei m p e d a n c e m o d e lo ft o w e r s 躺b u i l tb a s e do n i n v e s t i g a t i o nr e s u l t so fd i s e l l a r g em e e l m i e so f i n s u l a t o r sa n df i g l a m i n gi m p u l f l l e r e s p o n q e t e s t sr e s u l t so ft o w e r ss e p a r a t e l y 1 1 a t p - e m t ps i m d a l i o nm o d e lu s e df o ri n v e s t i g a t i n gb a c ks l z i k et a s h o v e l t o fu i - i v t r a n s m i s s i o nl i n ei sb l | i l lw h i e l ac o n s i d e r st h el l o n l i o e a rc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d r e s i s t a n c ew h i l cf i g h m i n gi m p u l s ec l a p t t h r o u g hi t a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h el i g h u l i n gd i s c h a r g ea n dt h el a r g eg a p d i s c h a r g e s 砒t h el a s ts t a g e an e wl i g f f m i n gs h i e l d i n gm o d e lb a s e d0 1 1 t h el e a d e r p r o g r e s s i o n i sb u i l t t h er a n d o m i e i t yo fp r o g r e s sp a 曲o fd e s e e a i n gl i g l a m i n gl e a d e ri s a p p l i e di n t h em o d e lt or e s c a r c l at h el i g h m i n g s h i e l d i n gp 盯f 0 卿衄皿c eo fu t t v l r a m m i s s i o nl i n e a sw e l la se o m i d e r st h ee f f e c to f t i l eo p a d l j o nv o l t a g ea n dt h eg r o u n d g r a d i e n to nt h ec r e a t i o n , d e v e l o p m e n ta n dt i r o lj u m po f t l a e 嬲n d i n gl e a d e r c o m p a r e d t h ee l e c t r i cg e o m c l r ym o d e l 删) ，t h ec o m p u t a t i o nr e s u l t so f t h em o d e li nt h i sp a p e ri s h i g h e r , b u ti ti sm o l ea t , c l a s so p c l a t i o nr e s u l t so f l r a n s m i s s i o nl i n e 1 1 尬m o d e li nt l a i sp a p e r r e p r e s e n t st h ep h y s i c a lp r o c e s so f l i g h t i n gd i s c h a r g e 1 1 砖b a c ks l l i k ep r o t e c l i o np c r f o r m a 溉a n dl i g h 恤i gs h i e l d i n gp c r f o r m 雠o ft l a e m m 如瑚g 士- 8 0 0 k vu t t vi r a l 3 s l n i s 蠡o nl i n e 勰d i s c u s s e d t h er e s e t si n d i c a t et h a tt h e b a c ks l r i k ep l o t l 。c i j o np e f f b l m a 嘶i ss o 肼d 鳅t h a tl h ep r o b a b i l i t yo fb a c kt l a s h o v e r a c c i d e n ti sl o w , w i t ht l a cd e c r e a s eo f g r o u n dl e s i s t l t n c t ：, t h ed e c r e a s eo f t o w e l sh e i g h ta n d t h er e i l f f 删o f i m u l a t i o nl e v e l t h eb a c ks l l i k cp r o t l w t i o np e r f o m m e ei se n h a n c e d m i n t l u c n e eo f t o w e rh e i g h lo nt h eb a c k 触p r o l 硎o np e r f o m m i so b v i o u s l y , t h e p r o b a b i l i t yo fb a c kt t l s l l o v e ra c c i d e n ti sq u i t eh i g h w h i l ci j a e 蚴o f t o w e ru pt o $ o m 1 1 坞l i g h t n i n gs h i d c l i n g p e r f o r m a 础i sr e d u c e w i t l a t l a e a , k t t n g o f s h i e l d i n g a n g l e t h e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 s t c c - p e n m go fg r o u n dg r a d i e n t , a n dt h ei n c r e a s eo ft o w e r sh e i g h t n e g a t i v es h i e l d i n g a n g e ls h o u l db ea d o p t e do nt h e m 如l a n g 士8 0 0 k vu h vt r a n s m i s s i o nf i n e t h e s h i e l d i n ga n g e ls h o u l db e - 5 。w h e nt h et o w e r sh e i g 衄d o e sn o te x c o e d6 0 ma n dg r o u n d g r a d i e n ti sl e s st h a n3 0 0 t h es h i e l d i n ga n g e ls h o u l db e - 1 0 。，w h e nt h et o w e r sh e i g h t 取c e e d s6 0 ma n dg r o u n dg r a d i e n ti sm o r et h a n3 0 。 k e yw o r d s ：u h vi x a n s m i s s i o nl i n e ；l i g l m d n gp r o t e c t i o n ；b a c ks t r i k e ；l i g l m d n gs h i e l d i n g ； l e a d e rp r o g r e s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特另| j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重宏太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夕够磊签字日期：卯夕年歹月，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：夕豸态 签字日期：1 7 年歹月2e t 导师签名习3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 超特高压输电线路对于传输电力能量，维护整个电网的安全稳定运行具有十分 重要的意义。到2 0 0 5 年底，我国发电总装机容量已突破5 0 0 g w ，预计到2 0 1 0 年约 为8 0 0 g w ，到2 0 2 0 年我国电力装机容量将达到1 0 0 0 g w ，年用电量接近4 6 0 0 t w h ”。 我国现今的状况是：电网面临将大规模电力从发电厂安全可靠地输送到终端用户的 艰巨任务；能源分布和负荷中心分布极不平衡，水能、煤炭主要分布在西部和北部， 而能源和电力需求却主要集中在东部和南部经济发达地区，如南方电网所辖五省区 中1 2 1 ，东部广东省占五省区g d p 6 5 ，但能源含量仅占3 5 ，电力电量不足已严重 影响社会经济的发展，而经济相对不发达的云南、贵州却拥有 9 0 的五省区能源储 量，其中云南省可开发的水电装机容量达9 5 7 0g w 。目前，我国电网骨干网架以 5 0 0 k v 交流和：t ：5 0 0 k v 直流系统为主，难以满足大容量、长距离及大区域联网的要 求p l ，较大幅度增加电力输送能力和规模受到严重制约，为实现“西电东送，南北 互供，全国联网”的战略目标，亟需加快建设电压等级更高、网架结构更强、资源 配置规模更大的以1 0 0 0 k v 级交流和+ 8 0 0 k v 级直流系统为核心的特高压骨干电网， 这对于适应国民经济发展对电力工业的要求，促进电力产业技术升级和可持续发展， 提高输电走廊利用率，解决电网短路电流水平等具有决定性意义嗍。 表1 1 前苏联5 0 0 k v 、1 1 5 0 k v 两种输电线路1 9 8 5 - , 1 9 9 4 运行统计结果 t a b l e1 1n i m 岫o f u i p - o u tf a i l m e sc l a s s i f i e db y i l s 嚣a b o u t 5 0 0 k v 线路1 1 5 0 k v 线路 跳闸数 稳定跳闸数跳闸数稳定跳闸数 跳闸总数 3 8 31 3 91 98 雷害 6 7 ( 1 7 4 钟钠1 7 ( 1 2 2 3 蚴1 6 ( s 4 2 1 、6 ( 7 5 o o 1 总跳闸率( 次, 1 0 0 k i n - a )0 5 2 0 0 1 8 9o 1 5 70 0 6 6 雷击跳闸率( 衫c , 1 0 0 k m - a ) o 0 9 l0 0 2 30 1 3 20 0 4 9 国内外统计表明，雷击是造成输电线路故障的主要原因。美国、前苏联等1 2 国对2 7 5 5 0 0 k v 总长3 2 7 x 1 0 4 k m 输电线路三年运行统计资料表明，6 0 的线路故 障由雷击造成；前苏联5 0 0 k v 、1 1 5 0 k v 两种输电线路从1 9 8 5 - 1 9 9 4 十年间运行统计 结果m 如表1 1 所示。可以看出，随着线路额定电压的增加，雷击跳闸占跳闸总数 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的比例上升，从5 0 0 k v 的1 7 5 增加到l l s 0 k v 的8 4 2 ，雷电事故稳定跳闸占事 故稳定跳闸总数的比例也从5 0 0 k v 的1 2 2 3 增加到l l s 0 k v 的7 5 ；但是线路每百 公里的平均跳闸率却随着线路额定电压的增加而减少，1 1 5 0 k v 的每百公里的平均跳 闸率仅为5 0 0 k v 的三分之一左右；在我国，电网运行情况表明线路的雷害事故也比 较严重，5 0 0 k v 及其以下的输电线路雷害事故占总事故的5 0 0 d e 右嘲。因此特高压 输电线路由雷击引起的事故不容忽视。 对于不同电压等级输电线路的防雷性能，国内外对此都进行了广泛研究。但是 对于特高压等级、高杆塔线路其防雷又具有新的特点，不能完全照搬以往的研究成 果。本文以南方电网公司的云广士8 0 0 k v 特高压直流输电工程为依托，展开特高压 直流输电线路的耐雷性能研究，为我国特高压输电线路的防雷设计与运行提供参考。 1 2 国内外研究现状 通常把雷击线路跳闸分为两部分：雷击杆塔引起的绝缘子串闪络的反击跳闸及 雷电绕过避雷线保护范围击中相导线的绕击跳闸。c i g r e - - n o 3 3 小组在2 0 世纪 7 0 年代曾对特高压输电线路的反击、绕击耐雷性能进行了一系列的基础研究 9 1 ，对 特高压线路的反击和绕击机理进行了阐释，并利用击距法、蒙特卡洛法和参数限制 法对特高压输电线路的反击跳闸率和绕击跳闸率进行了计算。 1 3 输电线路反击性能研究现状 我国规程法i l o j 在计算线路的反击耐雷水平时，在雷电流通过电路耦合到导线的 基础上又在导线上引入了雷电流电磁场的感应电压，计算中采用电感模型0 0 - 1 3 1 ，如 图1 1 所示。图中，磊为导线波阻抗；k 为避雷线与导线问的耦合系数；i 、水分 别为雷电流函数、杆塔中流过的雷电流函数、避雷线中流过的雷电流函数；工卜厶分 别为杆塔和地线的等值电感；尼为冲击接地电阻；n 为塔顶感应电压；为雷电 流电磁场的感应电压，_ | 玢为导线耦合感应电压。由于采用雷击导线附近大地时推 导出的感应过电压计算公式，计算所得雷击杆塔时的耐雷水平与实际很不相符。 文献【1 4 】通过对雷电流电磁场的组成成分进行分析，指出感应电压是由雷电流 中的电流和电荷共同激励产生的，架空线上的激励电压源也由此可分为静电感应电 压源和电磁感应电压源，雷击感应过电压也分为静电感应过电压和电磁感应过电压。 并对规程法中雷击杆塔时的电感计算模型进行了修改，使得计算结果同实际情况更 加接近。 c i g r en o 3 3 工作组利用规程法对交流1 2 5 0 k v 线路的反击耐雷性能进行了计 算即，由于1 2 5 0 k v 线路的线路绝缘水平较高，其反击耐雷水平通常在2 0 0 k a 以上， 而实际出现这种雷电流的概率很低，因而特高压线路的反击跳闸率很低。但同时， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 该工作组还指出，杆塔的冲击接地电阻、杆塔的波阻抗以及绝缘水平对特高压线路 的反击耐雷性能有很大的影响。在设计特高压线路时应尽量减小杆塔的冲击接地电 阻和波阻抗以及提高绝缘子和空气间隙的绝缘水平，以提高特高压线路的反击耐雷 水平。 盛留手 图1 1 雷击杆塔时雷电流与导线回路耦合等值电路 f 螗1 1e q u i v a l e n t c 沁试o f 口k u p l h 培a m o n g t h e l i g h t n i n g c u 吣 l e w e f a n dt h ep h a s e 州l i l 咖w h e nl i l 啦岫j 1 萼s t o k e sl h e 幻po f t o w e r 特高压线路杆塔较高( 一般在5 0 m 以上) ，波沿杆塔传播时，沿塔身的单位长度 电感和单位长度电容是变化的，沿杆塔分布的波阻抗也应该是变化的。因此，用简 单的集中参数模型【州计算杆塔的波阻抗，并用来计算特高压输电线路的耐雷性能将 带来较大的误差。所以，计算和测量特高压线路杆塔的波阻抗，建立合适的杆塔模 型对研究特高压线路的反击耐雷性能有重要的意义 c a ) 传输线杆塔电感等效模型( b ) 传输线杆塔波阻抗等效模型 图1 2 常用的杆塔模型 飚1 2c t o w e r m o d e lw e di nl j g 憾s 岫l 【cc a k e l a t m 目前，在传输线路防雷计算中，杆塔的模拟通常有图1 2 所示两种模型0 3 1 5 , 1 日： 等值电感模型；单一波阻抗模型。图中，垦为杆塔冲击接地电阻；所为杆塔等 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 效电感；厶为避雷线等效电感；为杆塔横担电压；【k 为绝缘子两端电压；【 为杆塔顶部电压；c b 为相导线3 上的电压；五为相导线中通过的电流；磊为导线波 阻抗；历为杆塔波阻抗；z 为杆塔横担波阻抗；磊为避雷线波阻抗 早期输电线路杆塔高度一般低于3 0 m ，在输电线路防雷计算中常忽略杆塔上的 波过程，用集中电感模拟杆塔。我国规程【l o j 给出的不同结构杆塔单位长度电感厶 值如表1 2 。该模型较简单、方便，并能用数学公式直接计算出输电线路反击耐雷水 平，我国规程中的防雷计算就采用此模型。但将杆塔视为一等值电感，杆塔上任意 点的电位相同，不能反映雷击塔顶时雷电流在杆塔上的传播过程及反射波对杆塔各 节点电位的影响与绝缘子串上电压随时间变化的过程，是一种简化计算方法。 表1 2 杆塔等值电感参考值 钢筋混凝土 木杆 门型 杆塔型式单杆双杆铁塔门型a h 铁塔 无拉线有拉线无拉线2 引线4 引线 “h h ，m ) 0 8 4o 4 20 4 20 5 00 4 2o 8 40 劢 在超高压输电线路防雷计算中，考虑到雷电流从塔顶传播到塔基的波过程，采 用单一波阻抗模拟杆塔( 垂直导体) ，将它视为均匀参数，据其结构确定取值。但实 际上，波沿杆塔传播时，杆塔不同高度处的单位长度电感厶和单位长度电容c o 是 不同的，就使得沿秆塔分布的波阻抗是变化的，也就是说在杆塔不同的位置，波阻 抗是不同的 图1 - 交流传输线路杆塔多波阻抗模型 f i 9 1 3 m u l e - w a v e j n 叩酣柚m o d e l o f a c 臼锄蜘血咖忉w 呵 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 日本学者y a m a d at ，h a r at ，西班牙学者m a r 血e z , j a 等对杆塔进行了冲击试验 研列1 。n ，测量了杆塔不同部位的阻抗值，并在试验基础建立了多波阻抗模型来模 拟输电线路的杆塔，如图1 3 所示。模型既计及了杆塔参数随高度的变化，又包含 了波在杆塔上的传播特性，因此其计算准确度有很大提高。图中，2 k 为杆塔横担波 阻抗；磊为不同高度处杆塔主体波阻抗；z l 为不同高度处杆塔支架的波阻抗。 现有的特高压线路反击耐雷水平的计算方法主要是沿用高压及超高压线路反击 耐雷水平的计算方法，这些方法主要有瞄- 2 s ：规程法；行波法；蒙特卡洛法；帅( 或 a t f - e m t p ) 、e m t d c 仿真计算。这些方法有各自的优点及缺点，规程法是在输电 线路多年的运行经验中总结出的一种简化方法，工程上应用起来比较方便，但在对 输电线路反击耐雷水平进行分析时将杆塔视为一等值电感，杆塔上任意点的电位相 同，不能反映雷击塔顶时雷电流在杆塔上的传播过程以及反射波对杆塔各节点电位 的影响也不能反映绝缘子串上电压随时间的变化过程，与实际的雷击过程有一定的 差异。行波法将杆塔的各段视为线路段，并视为分布参数，把分布参数的线路段化 成集中参数模型，然后再用集中参数电路的节点分析方法求出杆塔各节点电压，得 出绝缘子串的电位差随时间的变化过程，并与其伏秒特性进行比较，判断绝缘子串 是否闪络，其计算过程反映了雷电波在杆塔上的传播过程以及反射波对杆塔各节点 电位的影响。m o n t ec a r l o 法计算雷击跳闸率时，计算中的很多参数的变化是随机的， 用m o n t ec a r l o 法可以产生随机数来模拟实际雷电流、雷击部位、线电压等，但是 雷击中部位的判据难以确定，雷击中部位的闪络判据也无统一的方法。 e m t p ( a t p - e m t f ) 、e m t d c 利用软件自带的模块对杆塔、线路、绝缘子串等进行 模拟，仿真雷击时线路上的过电压值，避免了繁琐的编程环节，在防雷i 4 - ) g 中得到 了广泛的应用。上述中的各种方法在进行绝缘闪络判据时，多采用5 0 放电电压或 相交法，这与绝缘子串闪络的物理过程存在差异。同时，对于杆塔接地电阻的模拟， 大多利用固定阻值的冲击电阻模拟，没有考虑到有冲击电流流过时接地电阻的非线 性特性。 1 3 1 输电线路绕击性能研究现状 输电线路绕击性能的计算方法主要有：规程法；电气几何模型法g m ) ；改进 电气几何模型法；先导模型法；绕击概率模型法。 目前我国输电线路的雷电绕击性能估算及系统设计，以我国电力行业标准交 流电气装置的过电压保护和绝缘配合i l o 】为依据。标准认为：雷电绕过避雷线直击 导线的概率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及线路经过的地形、地貌、地 质条件有关，平原和山区线路的绕击率与保护角和杆塔高度的关系如下式所示： 平原线路：l g 只= a 4 h 8 6 3 9 ( 1 1 ) 山区线路：l g 只= a 4 h 8 6 - 3 3 5( 1 2 ) 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 式中：争- 避雷线对边导线的保护角( o ) ；b 杆塔高度( m ) ；匕线路雷电 绕击率。 规程法中的线路绕击率计算公式是根据多年的运行经验和小电流下的模型试验 结果而提出的，带有综合的平均性质。该方法工程上应用起来比较方便，能够满足 一般线路的雷电屏蔽设计要求，但它存在明显的缺点。从式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可知，同等 条件下山区的绕击率是平原的3 倍，或者相当于保护角增大8 0 ，对于山区不同坡度 的情况无法区别开来。同时对于杆塔较高的超特高压线路，可能来自侧面的雷击， 规程法的结果与实际运行情况差别较大。所以，按现行规程计算出的线路雷击跳闸 率明显与运行经验不符1 2 6 - 2 7 1 。 1 9 7 3 年g i l m a n 和w h i t e h e a d 根据早期的输电线路绕击研究结果脚铡将雷电的 放电特性与线路的结构尺寸联系起来而建立了一种几何分析计算模型即电气几何模 型岬1 l ( e l e c t r o g e o m e t r i cm o d e ，e g m ) ，模型如图1 4 所示。 1 - ， f 监 图1 4 雷击输电线路的电气几何模型 f i g1 4e g m f o rn g 她时妇l r a n s m i s s i o nl i n e e g m 在高压超高压输电线路绕击性能计算中应用广泛，并得到不断改进，国内 一些学者在计算中还考虑了风速的影响1 3 2 - 3 3 1 ，但是它没有考虑放电的分散性、其它 因素对击距的影响以及雷击大地、避雷线、导线时的差别，是根据杆塔高度不高( 6 0 米以下) 、保护角在1 0 0 3 0 0 ，以及接地良好的线路的运行数据和模拟试验得出的 模型，因此有限定的适用范围。 e r i k s s o n 考虑了结构物高度对输电线路雷电绕击的影响，并引入吸引距离这一 基本概念提出了改进的e g m 模型 3 4 - 3 5 。改进模型认为：当下行雷电先导进入结构 物的吸引半径之内，结构物上产生的上行先导将对下行雷电先导进行拦截：吸引半 径同雷电流幅值和结构物高度直接相关；下行雷电先导可从不同的角度靠近结构物， 但是一旦超出结构物的吸引半径，雷电先导将直接击向地面。改进模型中输电线路 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的两种屏蔽情况如图1 5 所示。 图中，墨、风分别为避雷线和导线的吸引半径。吸引半径可表示为： 盂= 0 6 7 h 0 6 1 0 7 ( 1 3 ) 其中，日为结构物高度，为雷电流幅值 a ) 。 此时线路的绕击闪络率为： e 2 f 焘，( d 础 ( l 4 ) 其中五为引起绝缘子串绕击闪络的最小雷电流吣；f a ) 为雷电流幅值概率密度 ( 1 k a ) j m 为发生绕击的最大雷电流值雌) ；l i ，- 2 分别为屏蔽弧和绕击弧。 图1 5 输电线路雷电屏蔽分析 f i g1 5l i g h u t i n gs h i e l d i n ga n a l y s i so f w , m s m i s s i o nl i n e e r i k s s o n 的改进电气几何模型是在更深的物理背景上对于经典电气几何模型的 一个重大发展，同经典电气几何模型相比，其所得到的临界屏蔽角与地面目的物间 高度的关系更紧密，使分析更接近实际。但模型同样没有考虑雷击放电过程中的分 散性，也忽略了可能出现的多条上行先导之间的竞争过程。同时，理论认为“下行 雷电先导可从不同角度靠近结构物”，因此完全认为雷电先导是垂直向下发展并不准 确，对于如图1 5 中的假设某雷电发展方向或回头雷击情况，此方法的绕击弧仅 画到导线所在水平面是不够的。 d e l l e r a 和q 曲a 印缸基于自然雷电放电过程和长空气间隙放电过程的相似性 1 3 6 - 3 9 1 ，利用长间隙放电来模拟自然雷电放电，提出了输电线路雷电屏蔽的先导发展 模型l 帆j ，引入了侧面距离和屏蔽失效宽度两个基本参数，且分段对线路和杆塔处 的雷电屏蔽情况分别分析计算，使得该模型具有较大的适应性，但计算较为繁杂， 限制了其在工程上的广泛应用。侧面距离( l a t e r a ld i s t a n c e ，l d ) 为下行自由雷电 先导能够击中地面结构物的最大水平侧向距离；屏蔽失效宽度( s h i e l d i n gf a i l u r e w i d t h ，s f w ) 为雷电先导能够避开结构物的保护设备而击向结构物的空问范围的 宽度；它们是雷电流幅值和结构物高度的函数。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 r i t _ 蕾 4 2 4 4 1 在实验研究的基础上，提出了输电线路雷电屏蔽的先导发展模型，该 模型认为：雷击是由下行雷电先导和产生于结构物上的上行先导相遇而发生的，并 引入吸引半径和侧面吸引距离两个参数，这两个参数都是雷电流幅值和结构物高度 的函数。当雷电流幅值为5 3 1 k a ，高度在1 0 5 0 m 左右时，侧面吸引半径为： d o ( z ，j i ) = 1 5 7 i 0 8 h 5 ( 1 5 ) 该模型的计算示意图如图1 6 所示。其中w a 为屏蔽失效宽度 图1 6 r i z k 模型计算图 f i g1 6t h ec a l c u l a t i o ns i m p l i f i e ds c h e m a t i co f r i z k $ m o d e l r i z k 的先导发展模型比较系统地研究了上下行先导的发展相遇过程，并对该过 程进行了初步定量描述。但该模型没有考虑到当雷电先导已经下降到低于输电线路 高度时发生雷击线路现象，也未考虑雷电放电过程中的分散性。因此，它不适合用 于高杆塔线路的雷电屏蔽性能的估算。 国内一些学者在对下行雷闪物理过程及输电线路绕击分散性的研究基础上，建 立了考虑放电分散性的输电线路雷电屏蔽性能的绕击概率雷击仿真模型 4 s - 5 0 l 。模拟 试验根据雷电放电同长空气间隙放电物理过程的相似性，采用棒一板间隙结构模拟 雷击过程的最后阶段，利用长棒上电极模拟接近最后跃变的雷电下行先导。从模拟 试验结果m 】可知，定位于输电线路旁同一位置的下行雷电先导，将随机击中避雷线、 导线和大地；绕击概率与下行先导在空间的定位位置有关，可分别用绕击概率空间 分布曲线表示。每一绕击概率空间分布曲线可以分为两段，当上电极定位于曲线的 上段时，放电主要对避雷线或导线两者之一发生，而当上电极定位于曲线的下段时， 放电主要对导线或大地两者之一发生。分别对这两段曲线进行回归分析，可得： 局= 0 9 2 + 0 1 6 p + 0 0 0 l r ( 1 6 ) k 2 = 1 2 5 - 0 5 p ( 1 7 ) 式中，局为曲线上段的定位点到避雷线和导线的几何击距之比；觞为曲线下段 的定位点到大地和导线的几何击距之比；尸为导线的绕击概率；z 为定位点距离线 路的侧面距离( m ) 。式( 1 6 ) 、( 1 7 ) 可作为自然情况下，输电线路绕击概率空间分布曲 8 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 线上段或下段绕击概率与击距比值的关系。应用上述雷电绕击概率模型可以计算任 意结构参数的输电线路旁定位空间的绕击概率分布情况，较好说明了经典电气几何 模型难以解释的现场事故原因。 但是，雷击与长间隙放电的物理过程还是存在不同之处：光现象的不同，雷 击的发展不可控，受观察前的手段限制，难于记录先导前的流注现象；表征双方 的参数在量上的不同，这是由空间尺度不同引起的。实验室内长间隙放电中先导发 展不充分，故存在一个比例尺寸的问题。因此，用长间隙放电来模拟雷击放电，缺 乏明确的统一比仞，而且流注转变为先导具有统计性，如何划分其界限还有待深入 研究。目前，国内的绕击概率雷击仿真模型是建立在实验室模拟试验与程序计算基 础上的，同线路现场运行情况差别较大，同时对影响雷电绕击率的多个因素缺少整 体性研究 y m l i a n gh e 等基于空间电场理论建立了输电线路绕击计算的二维数值仿真模型 聊铡，建立了雷电下行先导模型，模型认为一旦目的物产生上行先导就视为雷击中 该目的物，且模型没有考虑下行先导在空间的发展，而是采用网格法人为的将下行 先导布置在某一网格内计算出发生绕击导线的雷电流范围，如图1 7 所示 图1 7 绕击计算模型 f j g1 7c a l c i l l 面帆m o d e lo f s h i e l d i n gf a i h e e 重庆大学结合e g m 建立了输电线路雷电屏蔽模型f 5 3 】，并利用模型研究了击距 系数 5 4 1 ，对e g m 的击距系数进行了修正，对大跨越、高杆塔线路的雷电屏蔽性能 进行了评估刚，同时进行了雷击杆塔的试验研究，计算结果同实际线路运行结果比 较接近，可为高杆塔大跨越输电线路的防雷屏蔽设计提供参考。 综上所述，国内外对输电线路的防雷进行了广泛研究，取得了不少创造性成果， 形成了很多成熟的理论和方法。但是无论是反击还是绕击( 雷电屏蔽) 性能的计算都 存在一些问题，主要体现在； 9 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 ( 1 ) 反击耐雷性能的计算中，绝缘子串闪络多采用其5 0 放电电压判断 1 q 或利 用其伏秒特性采用相交法判断，这些判据不能反映绝缘子串放电的物理过程，不适 合非标准波形下绝缘子串的闪络判断。同时，杆塔的冲击接地电阻多采用固定阻值 的线性电阻模拟，忽略了有冲击大电流流过时接地电阻的非线性特性 ( 2 ) 先导发展模型中雷电先导通道的电荷采用均匀的电荷分布，发展路径假设 垂直向下发展，而实际上发生雷击时，雷击通道电荷分布并不均匀，发展方向受到 地面物体产生的多条上行先导的场强影响具有一定的统计特性嘲。 特高压输电线路同高压、超高压输电线路相比，具有其独特的特点，如线路杆 塔较高，线路绝缘子串较长且直流线路绝缘子串长远大于相等额定电压的交流线路 削等。因此杆塔波阻抗的计算、特高压线路的雷电暂态响应特性、反击及绕击耐雷 性能计算方法都与超高压线路不同，防雷计算中应考虑工作电压的影响，同时当绝 缘子串长增加时，其正、负极性5 0 的冲击击穿特性是否会发生变化及其在冲击作 用下的伏秒特性等需要进一步研究。在高压超高压输电线路的防雷计算中常常需要 考虑雷击时感应过电压的影响，实测表明f 1 2 j ，雷击时感应过电压的幅值一般约为 3 0 0 4 0 0 k v ，特高压输电线路绝缘水平很高，在感应过电压作用下不会发生绝缘闪 络，因此，在特高压输电线路的耐雷计算中可忽略感应过电压的影响。只有根据特 高压直流输电线路防雷的具体特点建立合理的杆塔模型，符合绝缘子放电的物理过 程的闪络模型，考虑到有冲击电流流过时接地电阻的非线性特性，从而建立起合理 的反击耐雷性能分析模型；基于长空气间隙的放电机理，并考虑大气环境、地形地 貌对雷云放电过程的影响，建立精确的输电线路雷电屏蔽分析模型，才能更好地分 析特高压直流输电线路的耐雷性能，正确地选择防雷保护的措施，从而保证特高压 系统可靠地运行，这也是本论文研究的主要方向。 1 4 本文的研究内容 1 结合特高压输电线路特点建立特高压直流输电线路杆塔多波阻抗模型、绝 缘子串的先导发展闪络模型；考虑雷电冲击下接地电阻的非线性特性，建立基于a t p e m r p 仿真软件的特高压直流输电线路反击耐雷性能仿真模型 2 对云广8 0 0 k v 特高压直流输电线路的反击耐雷性能及影响因素进行研究。 3 基于长空气间隙放电和雷云放电过程的相似性，在现有长空气间隙放电研 究成果基础上，利用模拟电荷法建立基于先导发展的输电线路雷电屏蔽的电场计算 模型。建立雷击先导发展随机过程数学模型，通过理论分析研究雷电下行先导发展 路径的空间概率分布，并将此数学随机过程模型同雷击发展的物理模型结合，模拟 上下行先导各自发展的路径；同时在雷电屏蔽模型中考虑导线工作电压，不同地面 状况对导线、避雷线迎面上行先导的产生、发展及最后跃变的影响。 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 利用所建立的屏蔽模型分析8 0 0 l r v 云广特高压直流输电线路的雷电屏蔽 性能以及线路保护角、地面坡度、杆塔高度、海拔高度等因素对特高压直流输电线 路雷电屏蔽性能的影响。 重庆大学硕士学位论文 2 雷云放电基本理论及本文选用的雷电参数 2 雷云放电基本理论及本文选用的雷电参数 2 1 雷云放电与长间隙放电 2 1 1 雷云放电 随着电力系统的发展，雷电及其防护问题的研究日趋完善。高速摄影仪、记录 示波器、雷电定向定位仪等现代测量技术在雷电观测中的应用，使人们对雷电的物 理本质认识更加丰富。 雷云放电是由带电荷的雷云引起的。大多数雷云放电发生在云层之间，它对地 面没有什么直接影响。雷云对大地的放电虽然只占少数，但是一旦发生就可能带来 严重的危险，因此雷云对大地的放电是地面防雷工作主要关心的问题。雷云对地放 电的基本过程可用图2 1 表示 l ，l ，匕，睑 ( a ) ( c )( d ) l 先导放电通道；2 强游离区； 主放电通道 图2 1 雷云放电的基本过程 f j g 2 1i j 曲h l i 嗥d i s d 垭铲p r o c e s s 当雷云下部负电荷中心与其底部的正电荷中心附近局部地区的大气场强达到 l o * v c m 左右时，出现云雾大气的初始击穿，负电荷向下中和正电荷，此时雷云下 半部分全部为负电荷区。随着大气电场进一步增强，进入云雾大气初始击穿后期， 电子与空气分子碰撞产生轻度的电离，形成负电荷向下发展的流光( 流注) 。 流光逐渐发展成为一条暗淡的光柱呈梯级状逐渐伸向地面，此过程称为梯式先 导。梯式先导在电荷随机分布的大气中婉蜒曲折地向下发展，并产生许多向下发展 的分支。梯式先导向下发展的过程是一电离过程，在电离过程中生成成对的正、负 重庆大学硕士学位论文2 雷云放电基本理论及本文选用的雷电参数 离子，其正离子被由云中向下输送的负电荷不断中和，从而形成以负电荷为主的闪 电通道，也称为先导通道。先导通道向下发展的同时在附近地面上感应出正电荷， 且地面上的感应正电荷也逐渐增多，如图2 k a ) 所示。 先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，在地面突起处出现 正电荷的先导向天空发展，称为迎面先导。当先导通道到达地面或者与迎面先导相 遇以后，就在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上 迅速传播，形成一条高导电率的等离子体通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与 大地的正电荷迅速中和，这就是主放电过程，如图2 1 ( c ) 、( d ) 所示。 与先导放电和主放电对应的电流变化如图2 1 所示。先导放电发展的平均速度 较低，约为1 5 x1 0 5 m s ，表现出电流不大，约为数百安。由于主放电的发展速度很 快，约为( 2 x1 0 7 1 53 l o s ) m s ，所以出现甚强的脉冲电流，可达几十至二三百千 安。 总之，雷云放电是一种超长间隙的放电，放电过程也由流注、先导组成，从雷 云中心某处以梯级先导放电的形式向地面发展，方向由放电通道顶端周围的局部电 场分布所确定，总体上各个梯级的方向呈曲折形状当下行先导发展至离地面较低的 空间时，与地面或者与地面上接地物体产生的迎面先导相遇形成最后跃变。 雷电过程也是高压静电场理论中的介质击穿过程【5 1 。雷电是带电云块在运动过 程中的放电现象，其放电位置不是固定的，而是随电场中介质的厚度、绝缘系数、 气体温度和地表导电系数的影响而变化。多雷区应具备上述诸因素中的几种特征， 带电云块在运动过程中放电，形成雷电，在带电云块的作用下，放电地点与地面条 件有关，相对高度越高越易遭雷击，如高建筑物、高山及地表突出处，但并不绝对， 因为在电场中介质参数不仅与介质厚度有关，还取决于绝缘系数即环境的温度和气 体的温度。有时候雷击点不在山顶而在平川，因为那里的潮湿空气和气温使电场介 质的绝缘低于高山而遭雷击。地表的导电也有影响，良好的导电地质比难以导电的 地质所产生的雷电场就大得多，所以易导电的地质易于引雷。 2 1 2 长间隙放电 众多长间隙放电试验1 3 6 - 3 9 表明，长间隙放电大致可分为四个阶段：初始电晕、 暗放电期、先导放电和最后跃变。 初始电晕【硼：当高压电极上的场强达到临界数值时，出现放电的时刻为起始时 间l 此刻电极周围开始出现发光的细丝，且伴随着电荷流脉冲，电荷流会削弱棒 极电场强度，光电图象转换器的记录表明，电晕猝发是在棒极的不同部位出现的， 连续电晕猝发之间的时延和起始位置的变化取决于电场增强和削弱这两个相反的作 用，上述空问电荷流削弱电场，而外加在高压电极上的冲击波头电压则增强电场 发光细丝以大于1 0 8 m s 的速度在间隙中伸展，流注理论可以解释这一现象，当高 重庆大学硕士学位论文2 雷云放电基本理论及本文选用的雷电参数 压电极附近的电场强度达到i f 缶界值( 2 6 0 0 k v m ) 时，空气的电离系数苁于吸附系数 玎，空气中的中性分子产生游离，形成电子崩，电子崩头部的电子数由下式计算： 睡叫 亿，) 其中，x l ，勉分别为电子崩的起点终点坐标。 当电子崩头部的电子数达到1 0 s 个临界值时，电子崩在尾部留下正极性的空 间电荷能形成流注，从而产生二次电子崩，并加速流注的发展，在外加场强和空问 电荷场强的共同作用下，新的电子崩到达正极性的空间电荷区，中和部