220kv输电线路防雷设计.doc

目录 1 目录 摘要 2 ABSTRACT 3 第一章 绪论 4 1 1 输电线路防雷设计的意义 4 1 2 输电线路防雷设计的研究现状 4 1 3 本文工作及章节安排 5 第二章 输电线路的雷电防护 6 2 1 雷击输电线路的原理 6 2 1 1 雷电放电的过程 6 2 1 2 雷电参数 7 2 2 输电线路雷击过电压的计算 10 2 2 1 感应雷过电压计算 10 2 2 2 直击雷过电压计算 11 2 3 输电线路耐雷水平的计算 14 2 3 1 绕击耐雷水平计算 14 2 3 2 反击耐雷水平计算 14 2 4 输电线路雷击跳闸率的计算 15 2 4 1 雷击杆塔的跳闸率 15 2 4 2 雷击导线的跳闸率 16 第三章 输电线路的基本防雷措施 17 3 1 架设避雷线 17 3 2 提高线路绝缘水平 17 3 3 降低杆塔接地电阻 18 3 4 双回输电线路采用不平衡绝缘 19 3 5 装设线路避雷器 20 3 6 装设自动重合闸装置 20 第四章 220kV 输电线路的防雷设计 22 4 1 避雷线的设计 22 4 2 绝缘配合与防雷接地 23 4 3 设计举例 23 第五章 变电所的进线段保护 26 5 1 避雷器雷电流计算 26 5 2 侵入波陡度的衰减计算 27 结论 28 参考文献 29 致谢 30 摘要 2 摘要 架空输电线路是整个电力系统中的重要组成部分 由于架空输电线路分布 在旷野 纵横交错 且处于悬空状态故极易受到外界环境的影响和损害 其中 最主要的一个方面就是雷电影响 雷击输电线路造成的跳闸事故 在电网总事 故中占很大比例 据统计 雷击跳闸占总跳闸次数的 40 70 同时 当 雷电波侵入变电所时 还会造成变电所内电气设备的损害 因此 为了尽可能 降低输电线路因雷击而引起跳闸停电事故 避免造成重大损失 必须采取适当 的防雷措施 做好防雷设计工作 本文通过学习防雷保护的原理和各种防雷措 施 学习了各电压等级的防雷原则 专门对 220kV 电压等级的单回输电线路和 同塔双回输电线路进行了防雷设计研究 并且对变电所进线段的防雷也做了简 单的设计 关键字 架空线路 220kV 防雷设计 摘要 3 ABSTRACT 4 ABSTRACT Overhead transmission line is one of the most important part of electric power system Because the impractical transmission line distributes in wilderness spreads across therefore also is at the hanging condition extremely easy to receive the external environment the influence and the harm among a most main aspect is the thunder and lightning influence Tripping Accident by lightning strikes the transmission line Accounts for the very great proportion in the power grid total acciden According to statistics the lightning trip accounting for 40 to 70 of the trip the number of total acciden At the same time when the lightning wave invades the transformer substation but also can create in the transformer substation the electrical equipment harm Therefore in order to reduce the transmission lines trip caused by lightning strikes as far as possible and avoids causing the heavy losses Must take appropriate lightning protection measures and do a good job in mine design Through the study of lightning protection principles and a variety of lightning protection measures learn the principle of the voltage level of mine mine design studies dedicated to 220kV voltage level of the single circuit transmission lines and tower double circuit transmission lines andsimple design for substation line of lightning Keywords overhead line 220kV lightning protection design 第一章 绪论 5 第一章 绪论 1 1 输电线路防雷设计的意义 雷电是一种自然现象 我国雷电分布特点是 夏季多于春秋季 山区多 余平原 南方多余北方 雷电电压高达数百万伏 瞬间电流可高达十万安培 因此 一次雷电虽然只有 0 01 秒左右的放电时间 但其释放出的能量和造成的 破坏却是惊人的 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 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 大约占到 60 以上 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 输电线路雷害事故引起的条咋 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的恶落雷 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 输电线路防雷设计的研究现状 国内外高压 超高压线路运行经验表明 线路绝缘闪络主要是工作过电压 及雷击闪络 而雷击闪络又占 60 70 即雷害是造成线路故障的主要原因 我国输电线路防雷设计主要从以下几个方面着手进行 1 选择合理的输电线路架设路径 2 架设避雷线 3 降低杆塔接地电阻 4 在部分地段装设线路避雷器 第一章 绪论 6 5 提高线路绝缘水平 现代国内外输电线路防雷最常用的措施是架设避雷线 通常来说 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所占的比重越低 标准 规定 220kV 及以上等级的输电线路应全线架设避雷线 110kV 线路一般也应全 线架设避雷线 35kV 线路不宜全线架设避雷线 一般在变电所的进线段架设 1 2km 的避雷线 同时按照要求做好杆塔的接地 为了提高避雷线对导线的屏 蔽效果 减小绕击率 避雷线对导线的保护角尽量做的小一些 一般采用 20 30 由于线路绝缘具有自恢复性能 大多数雷击造成的闪络事故在线路跳 闸后能自动消除 据统计 我国 110kV 及以上的高压线路重合闸成功率达 75 95 因此 各个电压等级的架空线路上都安装了自动重合闸装置 由于雷电现象的复杂性和雷电活动的分散性 雷击几率受制约因数的多样 性 它的危害不可能完全消除和避免 我们只能不断努力探索和尝试 使危害 程度降到最低限度 1 雷电危害与气候 环境 地质 设备等多种因素有关 因此 防雷工作应 深入一线 掌握现场第一手资料 要有针对性地采取综合防雷措施 2 防雷技术措施的实施 要进行技术经济综合比较 合理选择 已运行线路 还可能受杆塔结构强度 高度等条件的影响 因此应从实际出发 3 任何防雷措施 设施都不能一劳永逸 要不断完善 勤于运行维护和检修 才能充分发挥其作用 4 线路设计前期 对于路径沿线气候 地形地貌 地质情况 已运行线路雷 害情况应收集细致 完整的资料 对土壤电阻率等尽可能予以实测 1 3 本文工作及章节安排 本文从电力系统特别是输电线路防雷的重要性和目前的防雷研究现状出发 首先讲述了雷击输电线路的基本原理 包括雷电放电的过程和常见常用的雷电 参数 在第二章中 对输电线路雷击过电压 输电线路的耐雷水平和雷击跳闸 率的计算作了详细的介绍 第三章介绍了输电线路防雷设计的常用的方法和各 种电压等级防雷设计的原则 第四章是本设计的主要章节 在此章中对 220kV 电压等级的输电线路防雷做了详细的研究和设计 并且做了可行性分析和设计 性能的计算 因为输电线路是连接在发电厂 变电所和用户之间传输部分 所 以变电所的进线段的防雷设计也是本文的工作之一 在第五章中设计者也做了 研究工作 最后作者对本文做了一个设计总结 对设计的心得和研究结论做了讲述 第一章 绪论 7 第二章 输电线路的雷电防护 8 第二章 输电线路的雷电防护 2 1 雷击输电线路的原理 雷电放电是一种气体放电现象 实测表明 当云中某一电荷密集中心处的 场强达到 25 30kV cm 时 就可能引发雷电放电 雷电有几种不同的形式 例 如线状雷电 片状雷电 球状雷电等 在电力系统中绝大多数雷害事故都是 云 地 之间的线状雷电所造成的 所以 在此主要介绍此种雷电 2 1 1 雷电放电的过程 在实际的经验和测验中 人们已获得 云 地 之间线状雷电的大量照片和 示波图 由此可以了解此种雷电发展的一般过程 如图 2 1 所示 一般一次雷 击分为先导阶段 主放电阶段和余辉阶段三个主要阶段 图 2 1 雷电放电的发展过程和如地电流波形 1 1 先导放电先导放电 雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展过程是分级推进的 每级 的平均长度大于为 25 50m 每两级之间约停歇 30 90 s 下行的平均速度大 约为 0 1 0 8m s 在先导放电阶段 出现的电流还不大 仅约为数十至数百 安培 2 主放电和迎面流注阶段主放电和迎面流注阶段 当先导接近地面时 因周围电场强度达到了能使空气电离的程度 在地面 或突出的接地物体上形成向上的迎面先导 也称迎面流注 当它与下行先导 相遇时 进入了第二个阶段 也就是主放电阶段 出现了强烈的电荷中和过程 伴随着雷鸣和闪光 主放电的时间极短 只有 50 100 s 放电发展速度为 50 100m s 电流幅值高达数十甚至数百千安培 第二章 输电线路的雷电防护 9 3 余辉阶段余辉阶段 主放电完成之后 云中剩余电荷沿着导电通道开始流向大地 这一阶段称 放电的余辉 或余光 阶段 电流约为数百安培 持续时间约 0 03 0 15s 云中的电荷主要是在这一阶段泄入大地 雷云放电往往是多重的 如图 2 1 所 示 即有重复雷击和箭状先导发生 由于有多个电荷中心 有某一个电荷中心开始的先导放电到达地面后 它 的电位变为零电位 其余的电荷中心与它之间有很大的电位差 利用已有的主 放电通道又发生对地放电 造成多重雷击 两次放电时间间隔约为 0 03s 由 于原放电路径已游离 所以它无分支 不分级 自上而下地连续发展 称之为 箭状先导 重复雷的持续时间 对于正确选定自动重合闸时间有着重要的意义 一般有 30 80 的雷暴至少有第二次重复雷击 第二次及以后的放电电流一般 较小 不超过 30kA 2 1 2 雷电参数 在雷电过电压计算和防雷设计中 需要各种雷电参数 参数的变化也会导 致计算结果的改变 人们就应该参考计算结果来改变防雷措施 当前采用的雷 电参数是建立在长时间雷电观测数据上的基础上的 这些参数有 一 雷暴日 一 雷暴日 T Td d 雷暴小时 雷暴小时 T Th h 和地面落雷密度和地面落雷密度 雷暴日或雷暴小时是某一地区多年统计得出的平均值 是为了评价此地区 雷电活动的强度 定义一天中或一个小时内只要听到雷声 就算一个雷暴日或 一个雷暴小时 据计测 一个雷暴日约折合三个雷暴小时 雷暴日的分布主要与地理位置有关 一般地 热而潮湿大的地区多于冷而 干燥的地区 陆地多于海洋 山区多于平原 整个地球上 赤道附近是雷电最 频繁的地区 在我国 全国年平均雷暴日约为 80 日 我国相关规程规定 雷暴 日等于或少于 15 的地区称少雷区 雷暴日多于 40 的称为多雷区 90 雷暴日以 上的为特殊强雷区 在电力系统防雷措施设计中 应充分考虑此地区的雷暴日 因地制宜 在雷暴小时或雷暴日的统计中 并没有区分雷云对地的放电与雷云之间的 放电 只有雷云对地放电的落地雷会对供电系统造成过电压的危害 所以 需 要另外一个表征参数 即地面落雷密度 它定义在每一雷暴日 每平方公里地 面所受的平均雷击地面次数 用 表示 根据我国的实测结果 规程上建议地 面落雷密度取 0 07 但不同的地理位置和条件下 的值会有所变化 在 电力系统选线选厂时 应注意尽量避开落雷密度高的区域 二 雷电流 二 雷电流 第二章 输电线路的雷电防护 10 1 1 雷电流幅值 雷电流幅值 I I 雷电流强度的指标用雷电流幅值表达 由于雷电流是产生雷击过电压的主 因 因此它是重要的雷电参数 雷击某一物体时 会产生电流 其值与其波阻 抗有关 波阻抗越小 产生的电流越大 当波阻抗为零时 所产生的电流定义 为 雷电流 但是实际上波阻抗不可能为零 因此 规程规定 雷击于接地电 阻 30 的物体时 流过雷击点的电流就是雷电流 图 2 2 我国雷电流幅值概率曲线 图 2 2 是我国目前一般地区根据常年实测整理出的雷电流幅值超过 I 的概 率曲线 用经验公式可表示为 P 2 88 I 1 式中 I为雷电流幅值的数值大小 单位为 kA P为雷电流超过幅值I的概率 部分地区的平均雷暴日只有 20 或者更少 则雷电流幅值也较小 此时公式 为 P 44 I 2 2 雷电流的波前时间 雷电流的波前时间 T T1 1 波长 波长 T T2 2 陡度 陡度 a a 据实测 雷电流的波前时间大多为 1 4 s 内 平均为 2 6 s 左右 波长为 20 100 s 内 我国规程规定防雷设计中采用 2 6 40 s 的波形 其中 波长对防 雷计算几乎没有影响 一般可当做波长为无限长 雷电流上升的陡度是由其幅值和波前时间决定的 陡度即为电流随时间的 变化率 雷电流的陡度对过电压计算有直接影响 是一个比较重要的参数 雷 电流波前的陡度平均计算公式为 a 2 6 2 I 2 式中 雷电流陡度 a 单位是 kA s 一般认为陡度为 50kA s 时是最大极限值 第二章 输电线路的雷电防护 11 3 3 雷电流极性及等值计算波形雷电流极性及等值计算波形 各种实测结果表明 75 90 的雷电流为负极性的 且冲击过电压为负 极性时波沿线路传播时衰减小 所以 在防雷设计的分析中一般按照负极性进 行研究 为了方便处理 在电力系统的防雷设计计算中 常要求用公式描述雷电流 波形 经典型化和简化以后 得到下面常用的三种计算波形 如图 2 3 所示 图 2 3 雷电流的等值波形 图 2 3 a 是由双指数公式表示的标准冲击波形 2 0 tt eeIi 3 式中 I0为某一个固定电流值 为两个常数 t 为作用时间 这种等值计 算波形表示虽然与实际雷电流波形最接近 但是比较繁琐 当被击线路的阻抗是纯电阻 R 时 R 上的电压和电流波形是相同的 冲击 绝缘强度试验电压波形也用双指数波形 它的标准波前和波长为 1 2 50 s 图 2 3 b 是斜角平顶波 它的雷电流幅值 I 和波前时间决定了其陡度 a 斜 角波是最简单的数学表达式 便于用来研究与雷电流波前相关的波过程 且发 生于 10 s 以内的各波过程用此波形分析 有很好的等值性 图 7 3 c 是等值半余弦波 雷电流波前的部分与半波余弦接近 公式表达 为 2 cos1 2 t I i 4 式中 I雷电流幅值单位为 kA 为角频率 1 T 此种波形用于分析雷电流通过电感支路引起的压降时比较方便 在设计特 高杆塔时为了使计算更加接近于实际 也采用此波形表示 三 雷道波阻抗 三 雷道波阻抗 0 Z 第二章 输电线路的雷电防护 12 雷电主放电时相当于导体的就是雷电通道 它有一个等值波阻抗 就是雷 道波阻抗 即解释为主放电过程可以看做一个电流波沿着波阻抗为的雷电 0 Z 0 Z 通道投射到雷击点 A A 的波过程 假设电流入射波为 则电压入射波对应的就 0 I 是 根据我国理论研究和实测分析 规程建议取值 300 000 Ziu 0 Z 2 2 输电线路雷击过电压的计算 输电线路在遭受雷击时产生雷击过电压 这是对线路乃至整个输配电系统 产生危害的主要原因 在防雷设计中 必须进行研究分析 雷击线路产生的过 电压可分为两种 1 感应雷过电压 2 直击雷过电压 下面从这两种情况进行分 析 2 2 1 感应雷过电压计算感应雷过电压计算 1 1 感应雷过电压的产生 感应雷过电压的产生 在雷云接近架空线路上空时 输电线路正处于地面和雷击与先导通道构成 的电场中 因为静电感应 在输电线表面场强E E的切向分量的作用下 与雷 x E 云异号的正电荷被吸引到靠近先导通道的一段导线上形成束缚电荷 而导线中 的负电荷则被排斥到导线两侧的远方或经中性点流入大地 如图 2 4 a 所示 图 2 4 感应雷过电压形成图 由于主放电的发展速度远大于先导放电的发展速度 这些电荷在导线中的 移动速度较慢 由此引起的电流也较小 相应产生的电压波可以忽略不计 由 此可见 在先导放电阶段导线上的电位基本不变 如图 2 4 b 所示 开始主放电以后 先导通道中的负电荷自下而上被快速 中和 因雷击而造成的静电场突然消失 导线上的束缚电荷此时变成了自由电 荷 形成电压波 并且向导线两侧迅速传播 此时由于先导通道中突然中和电 第二章 输电线路的雷电防护 13 荷而引起的感应过电压就是雷击感应过电压的静电分量 此外 雷击感应过电 压还有一个电磁分量 由于输电线与主放电通道基本垂直 所以 电磁分量较 小 设计和计算时 只需要考虑其静电分量就可以 2 2 无避雷线时的感应雷过电压无避雷线时的感应雷过电压 根据理论分析和实测结果 我国规程建议 当雷击点离开线路的水平距离 65m 时 导线上的感应过电压最大值可按下式计算d i U 2 d h IU c i 25 5 式中 I 雷电流幅值 kA d 雷击点与导线的水平距离 m hc 导线对地的平均高度 m 实测表明 感应雷过电压的幅值大约为 300 400kV 在 35kV 及以下的水 泥杆塔线路可能会出现闪络事故 而 110 及以上的绝缘水平较高的输电线路 则一般不会引起威胁 50m 时 产生的感应过电压与输电线的平均高度成正比 当无避雷线时 d 感应雷过电压的计算可按照公式 2 6 计算 2 ci ahU 6 式中 感应过电压系数 kV m 其数值上 2 6 aaI 3 3 有避雷线时的感应过电压有避雷线时的感应过电压 设导线和避雷线的对地平均高度分别为和 若避雷线不接地 根据式 c h b h 2 7 可求得避雷线和导线上的感应过电压分别为和 即 b U i U d h IU b b 25 2 7 b d b c i h h U d h IU 25 避雷线接地时 避雷线与大地连接保持地电位 电位为 0 可以假设为避 雷线上再叠加了 的感应电压 在导线上耦合电压为 导线上的实际感 i U b U b kU 应电压 2 8 ii d b bii UkU h h kkUUU 1 1 第二章 输电线路的雷电防护 14 2 2 2 直击雷过电压计算 架设有避雷线的输电线路遭受雷电直击可分为三种情况 即雷直击杆塔塔 顶 雷击避雷线和雷绕过避雷线直击输电线 第三种也称为 绕击 如图 2 5 所示 图 2 5 雷击有避雷线输电线路的情况 1 1 雷击杆塔塔顶时的过电压雷击杆塔塔顶时的过电压 一般地输电线路的塔顶处于架空线路的最高位置 是最容易引起雷击的地 方 雷击塔顶时 大部分的雷电流经过被击杆塔及其接地部分 接地电阻 流 入大地 另一小部分电流流经避雷线由相邻杆塔入地 图 2 6 给出了雷击杆塔 塔顶的等值电路图 第二章 输电线路的雷电防护 15 图 2 6 雷击杆塔塔顶等值电路 杆塔的接地电阻较小 从接地点反射回来的电流会立即到达塔顶 入射 i R 电流因此加倍 即注入线路的总电流就是雷电流 i 由于避雷线的分流作用 流经杆塔的电流会略小于雷电流 即 应该乘以i 一个系数 杆塔分流系数 值约为 0 86 0 92 不同电压等级和避雷线架设方法的 值不同 如表 2 1 可查找 表 2 1 一般长度档距的线路杆塔分流系数 值 线路额定电压 kV避雷线根数 值 110 220 330 500 1 2 1 2 2 2 0 90 0 86 0 92 0 88 0 88 0 88 在工程计算中 一般认为雷电流为斜角平顶波 波前时间取 2 6 s 于 1 T 是 I 2 6 用集中参数电感和代替杆塔和避雷线的电感 为杆塔接地 t L b L i R 电阻 则塔顶电位的计算公式为 2 dt di LRi dt di LiRu L tiL t ttitop 9 以 代入 2 9 式 求得塔顶电位幅值为 dt diL 6 2 I T I top U 2 top U 6 2 ti LRI 10 无避雷线时 式中 为 1 说明由于避雷线的分流作用 使得雷击杆塔塔 顶时的电位降低 2 2 雷击避雷线时的过电压雷击避雷线时的过电压 第二章 输电线路的雷电防护 16 图 2 7 雷击避雷线示意图 如图 2 7 中所示 雷击避雷线的 A 点过电压的产生为 避雷线雷击点 A 的电压 b b L b gA ZZ ZZ i Z iU 0 0 22 雷击点最高点电位出现在从杆塔反射回来的负电压波到达时刻 此时雷电流 间隙 S 承受的最大电压 b V L L aati 2 1 2 0 0 k ZZ ZZL kUUU b b b AAd 11 3 3 雷击导线 绕击时的过电压雷击导线 绕击时的过电压 线路虽然装设了避雷线 仍会出现雷电绕过避雷线直击于输电线的可能 即使这种绕击导线的概率很小 如果一旦发生 也会引起线路上发生闪络 各种实测 运行经验以及模拟实验表明 绕击概率与杆塔高度 避雷 a Ph 线对边导线的保护角 和线路所处于的地理位置有关 规程建议计算的公式 a P 为 平原线路 2 9 3 86 lg h P 12 山地线路 2 35 3 86 lg h P 13 式中 单位度 单位米 m h 当雷电流绕击输电线后 会沿着导线向两侧流动 如果雷电通道的波阻抗 第二章 输电线路的雷电防护 17 为 雷击点两侧输电线的并联波阻抗为 如图 2 8 a 所示 建立等值 0 Z2Z 电路如图 2 8 b 雷击点 A 的过电压为 2 14 422 IZZI UA 2 3 输电线路耐雷水平的计算 2 3 1 绕击耐雷水平计算 由上一节式 2 14 可知 雷击输电线的过电压与雷电流成正比 如果此时过 电压大于线路绝缘所能承受的电压 就会发生冲击闪络 由此可得出线路在绕 击时的耐雷水平 100 50 2 U I 2 15 式中 耐雷水平的单位为 KA 它在数值上等于 单位为 kV 冲放电压 2 I 50 U 的 1001 绕击线路的耐雷水平很低 经验和实测总结各电压等级的绕击耐雷水平为 500kV 线路为 27 4kA 220kV 线路为 12kA 110kV 线路为 7kA 因此规程规定 110kV 以上线路要求全线架避雷线 对于 35kV 及以下的线路一般不架设避雷线 则线路不纯在绕击问题 对于其雷直击导线的过电压和耐雷水平同样可以用上 述公式计算 2 3 2 反击耐雷水平计算 当塔顶电位为时 避雷线与塔顶相连 因此具有相同的电位 由于 top u top u 避雷线与输电线之间的耦合作用 输电线上将产生耦合电压 为考虑有 top kuk 电晕影响的耦合系数 另外 由于雷电流通道上的电磁场作用 在导线上也 会有感应过电压 前者与雷电流 极性相同 后者与雷电流极性相 1 c g c h h kah 反 于是 如果认为输电线上电位的幅值为 gc hh 2 1 21 khkUUUU ctopc 16 由此可求出线路绝缘子串两端的电压即为输电线电位与塔顶电位之差 1 kahuuuu ctopctopj 以式 2 10 及代入得 6 2 I a 1 6 26 2 k hL RIU ct Ij 2 17 当作用在线路绝缘子上的电压 绝缘子串冲击闪络电压绝缘子将 j U 50j U 第二章 输电线路的雷电防护 18 发生闪络 由于塔顶电位高于导线电位 闪络将从杆塔向导线发展 故称为反 击 反击时的耐雷水平即为雷击杆塔时绝缘子串上承受最大雷电冲击电压所对 应的雷电流 6 2 6 2 1 50 1 dt i j hL Rk U I 2 18 反击耐雷水平与导线 地线间的耦合系数 k 杆塔分流系数 杆塔冲击 接地电阻 杆塔等值电感以及绝缘子串的 50 放电电压等因素有关 i R t L 50j U 还必须考虑工频电压的作用以及触发相位 距离远 耦合系数小 一般以外侧 或下方导线计算 通常以降低 提高 k 为提高反击耐雷水平的主要手段 i R 以下为几个电压等级的反击耐雷水平 35kV 20 30kA 110kV 40 75kA 220kV 75 110kA 330kV 100 150kA 500kV 125 175kA 2 4 输电线路雷击跳闸率的计算 从输电线路雷害事故的发展过程看 雷击导线时 如果雷电流超过线路的 耐雷水平 就会引起线路绝缘发生冲击闪络 此时 雷电流沿闪络通道流入大 地 由于持续时间仅有几十微妙 线路开关还来不及动作 不会发生跳闸 但 是 若沿闪络通道流过持续燃烧的工频短路电流电弧 开关将会动作而发生跳 闸 线路因雷击而跳闸 有可能是由绕击造成的 也会可能因反击而引起 从 雷击点部位来看 如图 2 5 中 反击包括 部位 之前已经分析 在计算雷 击跳闸率时 不需要考虑 而绕击发生在 部位 因此 雷击跳闸率只需要 分析 两种情况的跳闸率 2 4 1 雷击杆塔的跳闸率 已知每 100km 架设避雷线的线路每年 40 个雷暴日 落雷次数为 次 为避雷线对地平均高度 m 若击杆率为 则每 100km 线路 g hN8 2 g hg 每年雷击杆塔的次数为次 若雷击杆塔时的耐雷水平为 雷电流ghN gg 8 2 1 I 超过的概率为 建弧率为 于是 100km 线路每年雷击杆塔的跳闸次数为 1 I 1 P 11 8 2Pghn g 2 19 第二章 输电线路的雷电防护 19 式中 击杆率为雷击杆塔次数与雷击输电线路总次数的比值 如表 2 2g 表 2 2 击杆率g 避雷线根数 地形 0 1 2 平原 山区 1 2 1 4 1 6 1 3 1 4 2 4 2 雷击导线的跳闸率雷击导线的跳闸率 设绕击率为 则 100km 线路每年绕击次数为 绕击时的 P PhNP g 8 2 耐雷水平是 雷电流幅值超过的概率为 建弧率为 则每 100km 线路 2 I 2 I 2 P 每年的绕击跳闸次数为 21 8 2PPhn g 2 20 反击跳闸率与绕击跳闸率之和即为线路雷击跳闸率 1 n 2 nn n 2 1 n 2 n 8 2 21 PPgPhg 21 以上所有雷击跳闸率单位均为 次 100km雷暴日 40 建弧率 当雷电流超过线路耐雷水平时 线路绝缘发生闪络 雷电流经闪络 通道入地 时间在几十微秒 线路开关来不及动作 只有当沿闪络通道流过的工 频短路电流的电弧持续燃烧时 线路才会跳闸停电 建弧率 冲击闪络转为工频 电弧的概率 第三章 输电线路的基本防雷措施 20 第三章 输电线路的基本防雷措施 在对输电线路的防雷进行设计时 应全面考虑该线路的重要程度 系统运 行方式 线路所处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 进行全面的技术和经济的分析和比较 从而设计出合理的保护措施 现有的输电线路防雷保护措施一般有以下各项 3 1 架设避雷线 架设避雷线是输电线路对雷击防护的最基本和最有效的措施 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 分流作用 以减小流经杆塔的雷电流 从而降低杆顶电位 通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的电压 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 线路多的电压等级越高 采用避雷线的效果越好 而且避雷线 在线路造价中所占的比重也越低 一般不超过线路总造价的 10 因此规程 规定 220kV 及以上电压等级的输电线路应全线架设避雷线 110kV 线路一般也 应全线架设避雷线 35kV 及以下不用架设避雷线 为了提高避雷线对输电线的屏蔽效果 保证雷电不致绕过避雷线而直接命 中导线 形成绕击 为了减小绕击率 避雷线对边导线的保护角应做得小一 些 有关规程建议 输电线路的避雷线一般采用 20 30 220kV 及 330kV 双避雷线线路应做到 20 左右 500kV 及以上的超高压 特高压线路都应架设 双避雷线 保护角在 15 以下 为了起到保护分流作用 避雷线应在每个杆塔处都接地 在双避雷线的超 高压输电线路上 正常的工作电流 会在每个挡距中两根避雷线所组成的闭合 回路里感应出电流 因此引起功率损耗 为了减小这一损耗 同时为了把避雷 线兼作继电保护及通讯的通道 可将避雷线经过一个较小间隙对地 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 以致在很低的电压等级时失去保护意义 因此 避雷线 一般只用于高电压等级的输电线路中 第三章 输电线路的基本防雷措施 21 3 2 提高线路绝缘水平 输电线路的绝缘与承受雷击的能力也有很大的关系 输电线路的绝缘水平 跟很多因素有关 包括绝缘子的片数 线路上各种空气间隙的极间距离 空气 间距等 其中 空气间距对线路建设费用的影响远远超过绝缘子片数对此的影 响 输电线路上的空气间隙包括 1 导线对地间隙 主要考虑地面导线对车辆和行人等的安全距离和地面 电场强度以及静电感应等问题 2 相导线之间的距离 应考虑相间过电压的作用 相邻导线在大风中因 舞动而相互靠近的问题等 导线与塔身之间的间隙也决定着相导线之间的空气 间距 3 导线与地线的间距 按照雷击于档距中央避雷线上时不至于引起导线 与地线间隙击穿这一原则来确定 线路绝缘子片数的选择因雷电过电压方面要求的影响不是很大 这是因为 线路的耐雷性能取决于各种防雷措施的综合效果 影响因素较多 在校验线路 耐雷水平和雷击跳闸率与绝缘子片数关系时 即使验算结果表明不能满足要求 一般也不会再增加绝缘子片数 而是采用其他方法解决 例如降低杆塔接地电 阻等 一般来说 不提倡采用提高线路绝缘水平的方法来进行防雷 因为这种措 施造价过高 且效果往往达不到预期效果 3 3 降低杆塔接地电阻 避雷线与塔脚电阻相配合 在输电线路遭受雷击时能够起到大幅度降压的 作用 故而对 110KV 以上的混凝土杆塔或铁塔线路 是一种最有效的防护措施 规程要求 有避雷线的线路 每基杆塔的工频接地电阻在雷季干燥时不宜超过 一定的数值 表 3 1 所示 对于 30 60kV 的铁塔或混凝土杆线路 虽然一般加挂避雷线的意义不大 但却仍然要逐塔接地 因这时若一相因雷击闪络接地后 他就实际上起到了避 雷线的作用 在一定程度上可以防止其他两相进一步闪络 其接地电阻不受限 制 但年平均雷暴日数找过 40 的地区 不易超过 30 表 3 1 有避雷线输电线路杆塔的工频接地电阻 土壤电阻率 m 100100 500500 10001000 2000 2000 工频接地电阻 1015202530 第三章 输电线路的基本防雷措施 22 目前降低杆塔接地电阻的方法 1 利用接地电阻降阻剂 在接地极周围敷设了降阻剂后 可以起到增大接地极外形尺寸 降低杆塔 接地极与周围大地介质之间的接触电阻的作用 因而能在一定程度上降低接地 极的接地电阻 降阻剂大多用于小面积的集中接地 小型接地网时的其效果较 为显著 降阻剂是由集中物质配制而成的化学降阻剂 是具有导电性能良好的强电 介质和水分这些强电介质和水分被网状胶体所包围 网状胶体的空格又被部分 水解的胶体所填充 使它不至于随地下水和雨水而流失 因而能长期保持良好 的导电作用 这是目前采用的一种较新和积极推广普及的方法 2 采用爆破接地技术 爆破接地技术是近些年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术 通过 爆破制造裂缝 再用压力机向爆破裂隙中打入低电阻率的材料 从而达到改善 大范围土壤导电性能的目的 相当于对大范围的土壤电阻率改良 3 采取伸长水平接地体 结合工程实际运用 经过分析 结果表明 当水平接地体长度增大时 电 感的影响随之增大 从而使冲击系数增大 当接地体达到一定长度后 再增加 其长度 冲击接地电阻也不再下降 4 外引接地 就是将主接地网与主接地网区域外的某一土壤电阻率较低的区域铺设的辅 助接地装置相连 从而达到使整个接地系统接地电阻降低的目的 它的缺点是 增加了经济投资 如果接地装置附近有导电良好及不冻的河流湖泊 可采用此 法 但是在设计安装时 考虑到连接接地极干线自身电阻所带来的影响 外引 式接地极长度不宜超过超过 100m 另外 还有其他几种在工程中不常用的降低杆塔接地电阻的方法 如 深 埋接地极 采取污水引入接地体 采取深井接地 更换土壤 对土壤进行化学 处理等 在确定降低高土壤电阻率地区接地电阻的具体措施时 应根据当地原有的 运行经验 气候情况 地理地形的特点和土壤电阻率的大小等情况进行全面的 综合的分析 通过技术经济比较分析来确定 因地质与地理选择合理的方法 这样 即可保障线路 设备的正常运行 又可避免接地装置工程投资过高情况 的发生 3 4 双回输电线路采用不平衡绝缘 第三章 输电线路的基本防雷措施 23 现代高压和超高压输电线路中 采用同杆并架双回路的输电线路模式日益 增多 为了降低雷击时双回路同时跳闸的几率 通常的防雷措施可能无法满足 要求 此时可以考虑采取不平衡绝缘方式 即一个回路适当增加绝缘 另一个 回路采用正常绝缘 这样 雷击时 绝缘子片数少的回路先发生闪络 闪络后 的导线相当于地线 增加了对另一回路导线的耦合作用 使其耐雷水平提高而 不再发生闪络 从而保证了输电线路的持续正常输电 3 5 装设线路避雷器 在我国跳闸率比较高的地区 高压输电线路的总跳闸次数中 由于雷击引 起的跳闸次数约占到 40 70 为了减少雷害引起的输电线路跳闸事故 提高 供电可靠性 可以在处于雷电活动强烈或土壤电阻率很高的地方的线段及线路 绝缘薄弱处装设避雷器 一般在线路交叉处和大跨越高杆塔处等装设 如图 3 1 所示 装设线路避雷器以后 当输电线路遭受雷击时 雷电流的分流将发生变化 一部分雷电流从避雷线传入相邻杆塔 一部分经塔体入地 当雷电流超过一定 值后 避雷器动作 也会产生分流作用 大部分的雷电流从避雷器流入导线 传到相邻杆塔 雷电流在流经避雷线和导线时 由于导线间的电磁感应作用 将分别在导线和避雷线上产生耦合分量 因而避雷器的分流作用远远大于避雷 线的分流作用 这种分流的耦合作用将会使导线电位升高 使导线和塔顶之间 的电位差小于绝缘子串的闪络电压 绝缘子就不会发生冲击闪络 因此 线路 避雷器具有很好的钳电位作用 这也是利用线路避雷器进行防雷的显著优点 安装的线路避雷器的几个显著特点 具良好的伏秒特性 实现了合理的绝 缘配合 良好的绝缘强度自 恢复能力 利于快速切断工 频续流 使电力系统得以继 续运行 硅橡胶护套氧化锌 线路避雷器已取得良好应用 效果 是线路避雷器的投资较大 难以普遍采用 建议优先安 装在下列条件的杆塔 山区线路易击段 易击 点的杆塔 图 3 1 线路避雷器 第三章 输电线路的基本防雷措施 24 山区线路接地电阻超过 100 且发生过闪络的杆塔 水电站升压站出口线路接地电阻大的杆塔大跨越高杆塔 多雷区双回线路易击段 易击点的一回线路上 3 6 装设自动重合闸装置 由于线路绝缘具有自恢复的能力 大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸 后能够自行消除 因此 安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有 较好的效果 据统计 我国 110kV 及以上的高压线路重合闸成功率达 75 95 35kV 及以下的线路成功率约为 50 80 规程 SDJ7 79 要求 各级电 压线路应尽量装设三相或单相自动重合闸 因此 各级电压等级的线路均应 尽量安装自动重合闸装置 加装线路自动重合闸作为线路防雷的一种有效措施 在线路正常运行中和保证供电可靠性上都发挥了积极的作用 但应对瞬时故障 加强巡视 分析和判断 并及时予以查清处理 防止给线路安全运行留下隐患 输电线路有效的防雷措施很多 除了以上叙述的常用措施外 还有许多较 好的防雷措施比如 架设耦合地线 在降低杆塔接地电阻有困难时 在导线 下方架设一条接地线 它具有分流作用 又加强了避雷线对导线的耦合 运行 经验表明 该措施可降低雷击跳闸率 50 左右 采用消弧线圈接地方式 适 用 110kV 及以下电压等级电网 可使大多数雷击单相闪络接地故障被消弧线圈 消除 不至发展为持续工频电弧 我国的运行经验表明 该措施可使雷击跳闸 率降低 1 3 左右 另外 为了避免雷击 架设输电线路要选择合理的架设路径 在架设输电 线路时应该避开易受雷击的地区 雷暴走廊 如山区风口以及顺风的河谷和峡 谷等处 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 附近又有蜿蜒起伏的山丘等处 地下有导电性矿的地面和地下水 位较高的地方 土壤电阻率有突变的地带 如地质断层地带 岩石与土壤 山 坡与稻田的交界区等 第三章 输电线路的基本防雷措施 25 第四章 220kV 输电线路的防雷设计 26 第四章 220kV 输电线路的防雷设计 运行经验表明 架空输电线路平均雷击跳闸约占到全部事故跳闸总次数的 10 20 随着线路额定电压等级的升高 雷击跳闸次数会减少 但是其重要 地位上升了 雷击跳闸占架空线路总可靠性的百分比就上升了 因此 做好高 电压等级线路的防雷设计工作非常重要 4 1 避雷线的设计避雷线的设计 a 保护范围 b 保护角 图 4 1 两根等高避雷线的保护范围和保护角 220kV 输电线路采用全线架设避雷线 避雷线对边导线的保护角采用 20 30 避雷线在每基杆处接地 架设双根避雷线 为了减小工作电流在 每档距中两根避雷线回路中的感应电流引起的损耗 同时为了使通讯及继电保 护的通道亦使用避雷线 可将避雷线经过一个小间隙与杆塔绝缘起来 当雷击 过电压过高时就可击穿间隙 起到降低电压的作用 220kV 架空线路一般架设双避雷线 两根等高避雷线的保护范围如图 4 1 a 所 示 避雷线两边外侧的保护范围用下面公式确定 Phhr xx 47 0 2 h hx 4 1 Phhr xx 53 1 2 h hx 两避雷线之间的保护范围横截面 是通过两线及保护范围上部边缘最低点 的圆弧确定 点的高度为OO 4 p D hh 4 0 2 第四章 220kV 输电线路的防雷设计 27 式中 为避雷线的高度h 为两根避雷线见的水平距离D 为高正修正系数p 为导线高度 x h 架空输电线路上 避雷线的保护程度用保护角来表示 如图 4 1 b 中所 示 保护角是避雷线的铅垂线与避雷线和边导线连线的夹角 显然 当越小 雷击导线的概率就越小 避雷线对导线的屏蔽保护也就越可靠 导线与避雷线的应力配合 导线最大使用应力按规程规定安全系数 5 2 避雷线的使用应力则按避雷线档距中央配合要求计算 在避雷线 与档距中央导线的距离在档距 小于等于 500m 时 通常Sl lS15 0 1 或者 亦可以满足下面两个条件之一S 或 6 U S 10 1 I S 式中是线路的最高运行相电压 kV 为所要求的耐雷水平 kA 这是 U 1 I 因为 是从保证建弧率接近零的角度提出的 而则是从不必利用 6 U S 10 1 I S 塔脚负反射的降压作用即足以抵抗所产生的电压角度考虑的 1 I 4 24 2 绝缘配合与防雷接地绝缘配合与防雷接地 选择合适的绝缘子 可以加强线路自身的绝缘水平 有利于防雷保护 棒 类复合绝缘子具有不可击穿型结构 较好的自清洗能力以及较大的爬距系数 在相同的环境下的积污比盘型绝缘子低 就能获得较高的污闪电压 但在 雷 击时的闪络电压略低 应该配合装设均压环 避免电弧灼伤绝缘子 综合各种 因素考虑 直线杆塔的绝缘子采用 15 片 X 7 绝缘子组成 耐张杆塔绝缘子采用 LXYI 70 钢化玻璃绝缘子 耐张杆塔引流塔头线应呈近似自然下垂 弧垂从横 担下边沿算取 1 4m 至 1 5m 施工时具体再确定 避雷线全线对敌不绝缘 采用直接接地防雷 根据输电线路杆塔所处的土 壤条件 结合土壤电阻率来确定合适的接地装置 采取合适的降低接地电阻的 方法 具体的降低接地电阻方法在本设计中的 3 3 节中已经讨论 接地极的埋 设深度根据不同的地质来确定 一般来说 耕地 0 8m 粘土 0 5m 岩石 0 3m 4 3 设计举例 图 4 1 为设计的某平原地区 220kV 电压等级输电线路防雷 绝缘子由 13 片 X 7 组成 其正极性冲击放电电压为 1410kV 负极性 50 U 第四章 220kV 输电线路的防雷设计 28 冲击放电电压为 1560kV 杆塔冲击接地电阻为 7 避雷线和导线的弧 50 U i R 垂非别为m 和m 避雷线半径为 5 5mm 避雷线间距为 11 6m 绝7 g f12 c f 缘子高度 2 2m 导线高度 23 4m 避雷线与边导线水平距离为 1 7m 避雷线与 导线垂直高度为 3 5m 这样 可以计算出线路的耐雷水平和雷击跳闸率 1 计算几何参数 a 避雷线与导线的平均高度 m 24 5m 7 3 2 1 29 3 2 gbgp fhh m 15 4m 12 3 2 4 23 3 2 cdcp fhh b 双避雷线对外侧导线的耦合系数 几何耦合系数为 229 0 ln 2