10kV架空线路防雷研究毕业论文

1、10kV架空线路防雷研究 第一章雷电的基础知识 第一节雷电的形成 、雷云的形成 ，云团内产生分层电荷，形成产生雷电的 当雷云在天空移动时，在其下方的地面上会静 由于大气的剧烈运动，引起静电摩擦和其他电离作用，使云团内部产生了量的带正、 负电荷的带电离子，又因空间电场力的作用，这些带电离子定向垂直移动，使云团上部积 累正电荷，下部积累负电荷（情况也可以相反） 雷云。雷云的成因主要来自于大气的运动， 电感应出一个带相反电荷的地面阴影。如图： -3度 + 1逸 課；乂 = Z 二、尖端放电与雷击 如果有一个带尖锋的金属球，让它带上负电，由于电荷同性相斥的作用，球体尖 锋部分的电子受到同性电荷排斥力最

2、强，最容易被排斥而离开金属球，这就是“尖端放 电”。 地面上相对较高的建筑物，有时是避雷针，就好比金属球上的尖锋。雷击最容易在 这些地方发生。如下图： -1 - 三、雷云放电 1、著名的雷云放电理论是“长间隙放电”理论，该理论认为雷云对地放电的过程可 以 分为四个阶段：即云中放电、对地先导、定向闪击和回闪四个阶段。 2、具体过程是这样的：雷云形成前，首先是云内放电和云间放电频繁，云中放电造 成云中电荷的重新分布和电场畸变，当云中电荷密集处的电场强度达到25-30KV/cm 的，就会由云团向地开始先导放电。 3、先导放电是步进的，发展的平均速度为 105-106m/s，各脉冲间隔约30-90卩s

3、,每 阶段推进约50m跳跃着逐步向下延伸，当先驱放电距地50m左右，可诱发迎面先导， 通常迎面先导来自地面上最突出的部分（尖端放电最易发生处），当对地先导和地面 的迎面先导会合时，就形成了从云团到地面的强烈电离通道。步进放电转为定向闪 击。 4、定向闪击是沿最短路径进行的，紧接着回闪，这时出现极大的电流，开始雷电的 主放电阶段，即雷击，在主放电中雷云与 5、地之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷 中和，放出能量，引发强烈的闪光和雷鸣。主放电的时间极短，约 50-100氏，主放 电过程是逆着先导通道发展的，速度约为光速的1/20-1/2，主放电电流可达数十KA 是

4、全部雷电流的主要部分。 6、主放电到达云端时就结束。然后残余电荷经过主放电通道流过来，产生短暂的余 光。由于云中电阻较大，余光阶段的电流只有数百安培。持续时间0.03-0.15秒之 间 7、通常一次雷电过程包括3-4次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发生的。 四、雷云放电如下: 芾亠. 第二节雷电的波形及参数 1、雷电波形及参数是防雷工程设计中的重要依据，根据这些数据才可能正确估算电 子系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定避雷措施。 2、可以这样描述一个雷电波，幅值为Im，波头为T1，波长为T2的电流波， 记为 T1/T2As。 3、与标准雷电流波形图不同之处为,图中A点在0.

5、3倍Vm处，且T1 =1.67T也 可以这样描述一个雷电波，幅值为 Vm 波头为T1，波长为T2的电压波， 记为 T1/T2AS。 图二 -18 - 第三节雷电的危害 1、雷电热效应的破坏作用 闪电表面上看只闪一次，实际上是一系列闪光，在闪光发生的瞬间，雷电流在 极短的时间内，以连续的、尖峰脉冲形式通过强大电流。尤其是直击雷，它的放电 电流平均达2.5万到4.5万安培间，大雷暴时最高达20万安培。 与雷电通道直接接触 600010000C，甚至更 如果雷电击在树木或建筑物件上，被雷击的物体瞬间将产生大量热能，由于雷 电流很大，通过的时间又极短（501004s），根本来不及散发，以致物体内部的水

6、份 大量变成蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏。 的金属因高温而熔化的可能性很大，因为通道的温度可高大 高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质，会引起火灾。 3、雷电流电动力的破坏作用 都等于100KA两导线的间 如果雷击的瞬间两根平行架设的导线的电流11和12 距为50cm计算结果表明，这两根导线每米要受到408kg的电动力。408kg/m的力 完全有可能将导线折断。 折成锐角的导体间也受电动力作用。 4、雷电的静电感应作用 当空间有带电的雷云时，雷云下的架空导线等处会由于静电感应的作用而带上 相反的电荷。当闪电发生后，由于架空导线与大地间的电阻较大，导线上积累的大 量电何不能与大地的

7、异种电何迅速中和，这就形成了局部地区的感应咼电压。这类 高电压在高压架空线上可达 300400KV 般低压架空线路可达100KV电信线路可 达4060KV建筑物也会产生相当高的危险高压。 这种过电压对接地不良的电气系统有很大的破坏作用，它可以在其路径上的任 何金属间隙中产生电弧打火，如果电弧打火发生于易燃场所中（如汽油库、瓦斯厂、 火药库等场所），会引起火灾和爆炸，如果电弧打火发生在电路板上，则电路板将被 破坏。 雷电的静电感应作用 Ha 申.A 5、雷电的电磁感应作用 由于雷电流有极大的峰值和陡度，可能在附近空间形成强大的瞬变电磁场，一个 5mK 5m的开口金属管，在雷电流峰值为 100KA

8、时，距离雷击点200m也可以感应到 1000V左右的高压。零点几毫米的气体间隙就可能被击破， 发生有害火花，损坏电气 系统中的电气元件。 第二章10KV架空线防雷的基本知识 、雷击分类 雷击分直击雷、雷电波侵入和雷电感应三种。 与直击雷相比，其最大的特点悄然发生，但范围可达10公里以上。 有以下几点： 雷直击于10KV架空线或设备上。 沿线路传来的雷电波。 1) 2) 3) 二、架空线路的防雷保护 避雷线 避雷器 自动重合闸 避雷线是防止线路遭受直击雷 避雷器是防止雷电入侵波 自动重合闸是提高线路遭雷击后能够避免瞬时性故障。 三、避雷针 作用及分类：引雷、泄流、限幅及均压。 防直击雷一一避雷针

9、、避雷线。 避雷针、避雷线运行中注意的问题： 由于所引下的是幅值极大、上升陡度很高的雷电流，处理不当会对被保护设 备形成危害。 反击问题：当雷电流通过引下线和接地装置入地时，会在接地引下线和接地 电阻上形成很高的电位升高，当避雷针和被保护物间的空气间隙Sa不够大 时，避雷针上的高电位可击穿空气间隙而将高电位传递到被保护物上称为反 击，同样当避雷针的接地装置和被保护物接地装置间的距离Se不够大时，高 电位可击穿土壤反击到被保护物的接地装置上。一般：Sa不应小于5m; Se不应小于3m 关于接触电压和跨步电压的问题 当雷击避雷针或杆塔时，如果有人站在地面上而手去接触塔什塔身或引下线 时，作用在人的

10、手和脚间的电压（称为接触电压） 又由于雷电流在地中扩散时会在地面沿半径各点形成不同的电位，当人在附 近行走时，人的两脚间将会有电压作用（称为跨步电压）根据计算：r=7.7m 内都有可能有跨步电压危及的可能。一般规定“避雷针及其接地装置与道路 或出入口的距离不宜小于 3m,即使如此，这一要求仍不满足要求。 关于高电位引入的问题 如果在避雷针的杆塔上有低压线或通信线，则将沿这些线路传入相应的低压 设备或通信设施，造成雷击。 关于感应的问题 当雷击避雷针而使针体电位抬高时，在针体附近有限长的孤立导体上将出现 静电感应过电压。 四、避雷器 避雷器的主要作用是将入侵雷电波降低至绝缘强度容许范围之内，目前

11、主要采用 的是金属氧化锌避雷器（MO）有时还会装设空气间隙，作为 MOA失效的后备保护 措施。 五、衡量线路耐雷性能的主要指标 耐雷水平 kA。 定义：雷击时线路绝缘不发生冲击闪络的最大雷电流幅值, 表1各级电压送电线路的耐雷水平 额定电压（kV） 35 66 110 220 耐雷水平（kA） 20-30 30-60 40-75 75-110 雷击跳闸率 定义：雷电活动强度都折算为 40个雷日、线路长度折算至100km条件下，每 年雷击引起的线路跳闸次数，次（/100km 年）。跳闸率越高，耐雷性能越差。 六、线路防雷设计的选定原则 提高耐雷水平，降低雷击跳闸率，既避免线路因雷击而频繁跳闸，又

12、不使线路防 雷投资过于增加。 线路具体的防雷措施应根据电压等级、 负荷性质、系统运行方式、雷电活动强弱、 地形地貌和土壤电阻率等条件，结合运行经验，通过技术经济比较后合理选定。 七、10KV架空线雷击跳闸原因 高压送电线路遭受雷击的事故主要与四个因素有关：线路绝缘子的50%放电电压; 有无架空地线；雷电流强度；杆塔的接地电阻。高压送电线路各种防雷措施都有其针对 性，因此，在进行高压送电线路设计时，我们选择防雷方式首先要明确高压送电线路遭 雷击跳闸原因 雷击杆、塔顶部或避雷线时，雷电电流流过塔体和接地体，使杆塔电位升高，同时 在相导线上产生感应过电压。如果升高塔体电位和相导线感应过电压合成的电位

13、差超过 高压送电线路绝缘闪络电压值，即 Uj U50%时，导线与杆塔之间就会发生闪络，这种 闪络就是反击闪络。序号 对照项目 反击 绕击1雷电流测量 电流较大（结合电流路 径）电流较小（结合电流路径）2接地电阻 大小3闪络基数及相数 一基多相或多基 多相单基单相或相临两基同相 4塔身高度较高较低5地形特点一般，不易绕击 山坡及山顶易绕击处6闪络相别 耐雷水平低相（如下相）易绕击的相（如上相） 第三章10KV架空线防雷保护措施 架设避雷线是电力线路防雷措施之一，避雷线在防雷方面有以下功能: 1) 、全线架设避雷线 防止雷电直击导线，雷电直击导线时绝缘子上的承受电压是架设避雷线时的7-8 倍。 2

14、) 3) 4) 累计塔顶时对雷电电流有分流作用，减少流杆塔的雷电流，使杆塔电位降低。 对导线有耦合作用，降低雷击杆塔时塔头绝缘(绝缘子串和空气间隙)上的电 压。 对导线有屏蔽作用，降低导线上的感应电压，根据 对各级电压线路架设避雷线要求如下： 10KV及以下线路一般不沿全线架设避雷线， 规程规定，10KV有避雷线线路有赖雷 水平为20-30KA,架设上导线高度HD=8m档距L=80m雷电强度按30KA计算，根 据VV架空线路设计技术规程 推导出如下公式： 避雷线与档距中央导线的最小安全距离S=0.012L+1.0,贝U S=0.012 X 80+1.0=1.96m,规程对于满足S的避雷线，雷击

15、档距中央避雷线时，一般不会发 生档中闪络，若雷击末档距中央，一般会被杆塔吸引，雷击杆塔时过电压及赖雷 水平： 接地电阻RCH=10 分流系数 B=1/1+LGT/LB+RCX T(/LB X 2)=0.76 线路绝缘上承受电压的最大值： UJ=I(B RCH+BLGT/2.6+HD/2.6)(1-K)=8.9I 若雷电强度I=30A,贝U UJ=267KV，此时赖雷水平I1=U50% - (B RCH+LGT/2.6+HD/2.6)(1-K)=11.2KA,赖雷水平 I1 3，零序电阻与正序 电抗的比值大于1，R0/X1 1. 由于在中性点非有效接地系统中，发生短路故障时，系统电流回路无法构成

16、，故障 电流很小，因此，本系统也可称为小接地电流系统（有时也称中性点非直接接地系统） 由于在中性点非直接接地系统中发生单相接地时，故障电流很小，而且三相之间的 线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响。因此，在一般情况下，允许系统继续运 行1-2个小时。保证了供电的可靠性、设备和人身的安全。 在我国35kV及以下电力系统中采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。这 样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动消除，不致引起相间短路和跳闸。而 在二相或三相落雷时，由于先对地闪络的一相相当于一条避雷线，增加了分流和对未闪 络相的耦合作用，使未闪络相绝缘上的电压下降，从而提高了线路的耐雷水平。因此，

17、 对35kV线路的钢筋混凝土杆和铁塔，必须做好接地措施。 五、加强线路绝缘 由于输电线路个别地段需采用大跨越高杆塔（如：跨河杆塔），这就增加了杆塔落雷 的机会。高塔落雷时塔顶电位高，感应过电压大，而且受绕击的概率也较大。为降低线 路跳闸率，可在高杆塔上增加绝缘子串片数，加大大跨越档导线与地线之间的距离，以 加强线路绝缘。在35kV及以下的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。 六、采用不平衡绝缘方式 在现代高压及超高压线路上，同杆架设的双回路线路日益增多，对此类线路在采用 通常的防雷措施尚不能满足要求时， 可考虑采用不平衡绝缘方式来降低双回路雷击同时 跳闸率，以保障线路

18、的连续供电。不平衡绝缘的原则是使双回路的绝缘子串片数有差异， 这样，雷击时绝缘子串片数少的回路先闪络，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，提高了线路的耐雷水平使之不发生闪络，保障了另一回路的连续 供电。 七、装设自动重合闸装置 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%因此，各级电压等级的线路均应尽量安装自动重合闸装置。 八、防止雷击断线与跳闸事故的思路

19、1提高线路绝缘水平或避免产生雷电过电压。 女口：局部加强绝缘、架空避雷线 2使电弧燃烧熔断导线的时间延长到超过断路器跳闸的时间，通过断路器跳闸来灭 弧。 如：放电绝缘子、保护间隙、防雷金具等 3使电弧在熔断导线前瞬间熄灭。 如：避雷器、线路过电压保护器等 九、过电压保护措施 1局部加强绝缘提高线路绝缘水平 将配电线路中的瓷绝缘子更换成为硅橡胶绝缘横担，全线提高线路绝缘水平，雷电 引发的工频续流因爬距大而无法建弧。为了降低线路造价，可采用架空绝缘导线加强局 部绝缘的方式，即在绝缘导线固定处加厚绝缘也是一种尝试的办法。 优点：有效提高线路绝缘水平，免维护。 缺点：更换绝缘子的投资成本较大，而且只能

20、减少断线机率，防止绝缘导线雷击断 线效果不明显。 2架空避雷线 作用： 在空旷地区同杆架设架空避雷线对配电架空绝缘线路进行屏蔽保护，架空绝缘线上 的感应电压将降低（1-k）倍，k为避雷线与导线之间的耦合系数乘以冲击系数。 缺点： 投资成本大。 雷击架空避雷线后容易造成反击闪络/定位高度较低的雷电先导容易产生绕击 闪络：仍然可能引发工频续流熔断绝缘导线。 3保护间隙 作用： 保护间隙将电弧拉长，使电网电压不能维持电弧燃烧，是一种最简单的灭弧装置。 缺点： 间隙不能切断雷电流之后的工频短路电流，必须借助于自动重合闸配合来切断 电弧。 间隙电压扰动将影响电能质量。 间隙放电可能导致线圈形式的设备陡波

21、击穿。 4放电绝缘子 也称放电绝缘子或钳位绝缘子。 日本采用放电钳位绝缘子以防止绝缘导线雷击断线，即在绝缘导线固定处剥离绝缘 层，加装特殊设计的金属线夹。当雷电闪络引发工频续流时，工频续流在该金属线夹上 燃弧直至线路跳闸以熄灭工频续流，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。 5防雷金具 防雷金具在原理上与钳位绝缘子相同。 在绝缘导线固定处剥离绝缘层，加装特殊设计的金属线夹。当雷电闪络引发工频续 流时，工频续流在该金属线夹上燃弧直至线路跳闸以熄灭工频续流，从而避免烧伤绝缘 子和熔断绝缘导线。 6悬垂线夹闪络保护器 根据同一原理，芬兰Nokia公司研发的被覆线配电系统（SAX系统），采用悬垂线夹 和其

22、它装置作为闪络保护器，悬垂线夹承受工频电弧。该装置抗震性能较差，线路风吹 舞动时，常发生故障。 *放电绝缘子、防雷金具及悬垂线夹的缺点： 对供电可靠性和电能质量有所降低； 存在如何防水浸入绝缘线芯的问题，可能导致导线线芯的电化学腐蚀引起断线； 由于绝缘层的收缩作用和不同材料的热胀系数不同，剥离部分的长度很难控制 在一个固定的值，可能露出带电部分； 靠绝缘子及放电间隙硬扛雷电流、工频续电流，需要线路出线断路器配合掉闸、 重合闸，需要顾及出线断路器的性能； 影响绝缘导线的机械拉伸性能。 7增长闪络路径 通过增长闪络路径，降低工频建弧率，是防止架空绝缘线路雷击断线事故的另一思 路。俄罗斯国家电力公司

23、首先提出长闪络间隙保护方式，如图所示。在横担上安装一U 形绝缘闪络路径，使U形头部与绝缘导线之间的冲击放电电压比绝缘子放电电压低。当 雷电过电压时，该间隙先于绝缘子击穿闪络，并沿绝缘闪络路径发展。设计该绝缘路径 足够长，就可以阻止工频续流建弧，切断工频续流。 优点：投资成本较低，免维护。 缺点：如何保持间隙的问题和如何与同杆及其它线路保持间距的问题很难解决，间 隙电压扰动将影响电能质量。 8限流消弧角 该装置利用放电线夹刺穿绝缘导线的绝缘层，形成对氧化锌限流元件3的尖端放电 间隙，当线路出现雷电过电压时，尖端间隙2首先放电，雷电流经氧化锌限流元件释放， 而工频续流则被氧化锌限流元件截断，从而防

24、止架空绝缘线路雷击断线事故的发生。 9氧化锌避雷器 作用： 随着氧化锌阀片的技术性能提高，氧化锌避雷器优良的保护性能已被人们接受，近 年来广泛地应用于电气设备过电压保护。 保护范围较小：只能够保护附近的电气设备免受雷害。 长期承受运行电压：加速了电阻片的劣化而损坏。 在消弧线圈接地系统中，如果发生避雷器击穿，将会造成长接地。 架空线路过电压保护器 缺点： 10 架空线路过电压保护器是消化吸收日本、澳大利亚采用限流消弧角的工作原理，在 国内率先研制开发成功适合国情的防雷技术措施，填补了国内防止架空导线雷击断线和 跳闸新技术和新措施的空白。 它是由非线性电阻限流元件（氧化锌阀片）串联放电间隙组成，

25、安装在线路绝缘子 上。 它的保护原理是：当雷电过电压或其它故障原因引发对地闪络形成金属性电弧放电 短路时，线路保护器中特殊设计的不锈钢引流环可以将 KA级工频续流直接引向氧化锌 非线性电阻限流元件，并借助于氧化锌电阻的非线性特性将正弦波形的工频续流转变成 为尖顶波。尖顶波电流在过零前有相当长的时间内电流幅值较小，同时，限流元件的残 压削减放电电压，使电弧瞬间熄灭而达到迅速截断工频续流，达到有效防止架空导线因 工频续流高温而熔断（雷击断线）或跳闸的目的。简单的说它的灭弧原理是通过与绝缘 子串联间隙的引流环、氧化锌非线性电阻限流元件的合理配合，在雷电过电压的作用下 通流动作，释放雷电过电压能量，有

26、效限制雷电过电压。 *线路过电压保护器的优缺点： 缺点： 投资较大； 杆上设备数量增加； 需要安装接地装置。 优点： 安装方便，不需更换绝缘子，也不需更改原有线路设计； 它的灭弧原理是通过限流元件快速切断工频续流，有效限制雷电过电压，不需 断路器跳闸灭弧，不会造成供电中断或影响供电质量； 不需破开导线绝缘层，无需解决导线密封防水问题，不会影响导线机械拉伸性 能和使用寿命； 不承受工频电压，线路损耗低，使用寿命长免维护； 串联间隙的隔离效果可避免故障时形成单相死接地，也不影响线路的安全运行。 十、四道防线 防止直击导线：采用避雷线、避雷针、改用电缆等； (1) 线、 (2) (3) 防止反击：降

27、低杆塔的冲击接地电阻，增加耦合和分流（采用双避雷线、耦合地 不平衡绝缘），加强绝缘，采用管型避雷器； 防止建弧：增强绝缘（采用瓷横担、木横担），电网中性点经消弧线圈接地等; 防止供电中断：环网供电，安装重合闸等。 第四章 本地区防雷保护存在的问题 架空线防雷是一个系统的工程，在实际的防雷保护条件下总是存在被雷击现象。我 们可以从现象中得到一些结论，进而采取办法完善我们的防雷保护。 1、6-10kV线路的防雷保护存在的问题 由于6-10kV线路的可靠性不及110kV线路的可靠性高，通常不采用全线架设避雷线。 目前现场中6-10kV线路的防雷保护进线段安装避雷线，在线路的两端安装避雷器。 这样的结

28、果是在线路的中间部分无防雷保护，如果线路的中间部分遭受雷击，就可能 导致故障的发生。 解决以上问题的方案：根据实际情况对容易遭受雷击的部分杆塔加装避雷针。通过 一段时间的运行发现线路不再遭受雷击了或遭受雷击的次数减少了。 2、防雷保护不完善 目前现场中很多出问题的线路通常都是防雷保护不够完善。特别是对于架空线路一 定要安装自动重合闸。没有安装自动重合闸的肯定雷击跳闸次数要多。有的变压器的高 低压侧都要安装避雷器。现场中变压器低压侧存在没有安装避雷器的现象。 因此根据防雷保护的要求完善防雷保护很重要。对于电网来说完善的防雷保护是防 雷的基础性工作。 3、防雷保护的管理不到位 防雷保护的管理工作包括： 1）定期测试避雷器的泄露电流，测试接地网或和避雷针的接地电阻； 2）统计雷击跳闸线路和次数； 3）雷雨天气过后进行特殊巡视； 做好防雷的管理工作能够让防雷保护充分的发挥作用，及时发现设备存在的问题, 并采取有效的办法。 第五章未来防雷保护发展的方向 、加强监