10Kv架空线路防雷技术改造毕业论文

1、 配电线路感应雷防护方案设计业：高压输配电线路施工运行与维护名:学号:班级:指导教师:2013年12月刖言随着人类社会的进步，社会与电力的联系更加紧密，人们对供电的可靠性要求越来越高，突然的停电事故将给社会带来巨大的经济损失。 作为电力系统组成 部分的架空线路，它将巨大的电能输配到四面八方， 是连接各个变电站、各重要 用户的纽带。架卒线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定和用户的可靠供电。因此，架空线路的安全运行在电网中占据着举足轻重的地位。统计资料表明，雷 电是危害架空线路的重要因素。雷电是一种极为壮观的自然现象，由于其强大的威力和破坏作用，自古以来, 一直吸引着人们的注意力。自从1744年

2、富兰克林著名的风筝引雷实验以来，人 类便展开了对雷电现象的研究。随着科技的进步，尤其是光谱学、高速光谱学、 高速存储及信号处理技术在雷电研究中的应用， 人们对雷电的认识取得了显著的 成绩。目前，人们对雷电现象物理本质的认识还不充分， 但所取得的成就己足以 满足电气工群师的需要。架空线路出现的雷电过电压有两种形式： 直击需过电压和感应雷过电压。由 丁直击雷过电压对架空线路的影响比较大， 因此，长期以来对雷电过电压的研究 主要集中在直击雷过电压，对感应雷过电压的研究比较少。对于 110kV及以上 的高压架空输电线路而言，由于线路绝缘水平高，感应雷过电压对线路的影响不 大：而对于35kV及以上的高空

3、配电线路而言，由于线路绝缘水平低，感应雷过 电压已成为线路雷害跳闸增多的主要原因。目录绪论1.1研究背景和研究意义1.2国内外研究现状1.3本文的研究内容及主要工作雷电概述2.1雷电放点过程2.2感应雷过电压的定义及其形成的物理机理102.3雷电参数12计算模型与参数分析3.1计算模型的验证143.2参数分析15第4章架空配电线路感应雷过电压的计算4.1计算感应雷过电压的几点假设164.2雷电通道周围电磁场的计算164.3架空配电线路感应雷过电压的计算17第5章架空配电线路感应雷过电压的防护分析5.1波沿平行多导线系统的传播185.2加装耦合导线后架空配电线路感应雷过电压的计算195.3斟架空

4、线路中藕合导线安装位置的分析205.410kV 架空线路中感应雷屏蔽线最佳安装位置的计算28章 结论与展望6.1结论356.235摘要配电线路大都裸露在空中，极易遭受雷击产生雷电过电压，从而造成供电中 断，影响了广大用户的生产和生活。对于配电线路而言，直击雷的危害远大丁感应雷，因此，长期以来对配电线路的研究主要集中在直击雷上，对感应雷的研 究相对较少。有研究表明，10kV配电线路由雷击引起的线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应雷过电压。感应雷过电压导致的故障比例超过90%。因此本文对配电线路感应雷过电压的计算与防护进行研究具有十分重要的意义。关于配电线路感应雷过电压计算的文章很多，

5、 但是国内关于感应雷过电压计 算的大多数文献中把大地视为理想导体。 本文对大地为理想导体和非理想导体两 种情况下雷击线路附近大地时架空配电线路感应雷过电压的计算模型进行了研 究，并采用了电磁暂态仿真程序 ATPDraw对本文研究的配电线路感应雷过电压的计算模型进行了验证。验证结果表明本文研究的配电线路感应雷过电压的计算 模型适用于配电线路感应雷过电压的计算。本文还对配电线路感应雷过电压幅值和波形的影响因素进行了研究，研究结 果表明雷电流的参数、线路高度、雷击点、大地电导率等参数对配电线路感应雷 过电压的幅值和波形都有不同程度的影响。最后本文从降低配电线路感应雷过电压的角度， 研究了在配电线路上

6、安装耦合导线后配电线路感应雷过电压的计算。井分析了10kV线路中导线三角形排列10kV和垂直排列两种情况下耦合导线的安装位置，分析结果表明，耦合导线安装在配 电线路相导线之间可以更有效地降低配电线路上的感应雷过电压。同时对 线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下，对耦合导线的最佳安装位置进行 了计算。本文的分析研究对配电 线路的防雷具有指导意义。关键词:架空配电线路，感应雷过电压防护，大地电导率，感应雷屏蔽线。第一章绪论1.1研究背景和研究意义随着人类社会的进步，社会与电力的联系更加紧密，人们对供电盼可靠性要求越来越高，突然的停电事故将给社会带来巨大的经济损失。 作为电力系统组成 部分的架空

7、线路，它将巨大的电能输配到四面八方， 是连接各个变电站、各重要 用户的纽带。架卒线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定和向崩户的可靠供电。冈此，架空线路的安全运行在电网中占据着举足轻重的地位。统计资料表明, 雷电是危害架空线路的重要因素。雷电是一种极为壮观的自然现象，由于其强人的威力和破坏作用，自古以来, 一直吸引着人们的注意力。自从1744年富兰克林著名的风筝引雷实验以来，人 类便展开了对雷电现象的研究。随着科技的进步，尤其是光谱学、高速光谱学、 高速存储及信号处理技术在雷电研究中的应用， 人们对雷电的认识取得了显著的 成绩。目前，人们对雷电现象物理本质的认识还不充分， 但所取得的成就己足以

8、 满足电气工群师的需要。架空线路卜出现的雷电过电压有两种形式：直击需过电压和感应雷过电压。由丁直击雷过电压对架空线路的影响比较大， 因此，长期以来对雷电过电压的研 究主要集中在直击雷过电压，对感应雷过电压的研究比较少。对丁 110kV及以上的高压架空输电线路而言，由丁线路绝缘水甲高，感应雷过电压对线路的影响 不大：而对于35kV及以上的高空配电线路而言，由于线路绝缘水平低，感应雷 过电压已成为线路雷害跳闸增多的主要原因。Kincetrics自1989年至1992年对加拿大安大略湖配电系统的可靠性进行了长达四年的观测研究，对40000次故障作了分析后得出，平均每lOOkrn线路的 故障次数为50

9、次，其中由于雷电引起的故障达15次。Dravtion和Mills配电网 的故障跳闸率分别为55%和29%,其中有3/4是由感应雷引起的。因此，对架空配电线路感应雷过电压的研究具有十分重要的意义。本文针对雷击线路附近人地时架空配电线路感应雷过电压的计算与防护展开了一系列的研究，本文的研究 对丁架空配电线路的防雷具有重要的指导意义。2国内外研究现状2. 1关于架空配电线路感应雷过电压计算的研究雷击线路附近大地时架空配电线路感应雷过电压的计算包括两个部分：首 先，通过雷电同击的数学模型计算雷电通道周围电磁场； 然后，通过建立雷电通 道周围电磁场与线路的耦合模型计算线路感应雷过电压。 目前，国内外关于

10、架空 配电线路感应雷过电压计算的研究主要包括以下几个方面:(1)雷电回击模型由于雷电的随机性和复杂性，建立一个统一的数学模型是不可能的， 但一个 可接受的雷电数学模型至少应该描述一些与实验观测有关的数据， 如通道底部电 流、回击传播速度、一定距离的电磁场等。在工程中往往建立雷电同击的简化模型，工 %应用中人多数雷电回击的电流模型是在I-歹U条件F建立的:(a)大多数雷电回击的电流模型都是针对第一回击建立的，因为雷电第一回 击是引起雷电过电压的主要原因。(b)雷电通道都是垂直于地面的。自20世纪40年代Bruce和Golde首次提出雷电回击的电流模型以来， 出现 了各种工程模型，主要分为西人类，

11、即传输线(TL)类型和传输电流源(TCS)类型， 每类中的各雷击模型都在不断地发展。这些模型均有各自的特点，在文献4和20 中均对这些模型进行过详细的介绍和比较，目前在架空配电线路感应雷过电压的 计算中用得最多的是TL模型。模型的基本思想是将雷电同击电流看作是在放电 通道的底部注入了一个特定的基电流，该电流沿着通道向上传播，形成回击电流。雷电放电通道模型在对雷电放电通道进行建模时，虽然雷电通道并不垂直丁地面而总是表现出定的曲折，但由于雷电通道的曲折具有随机性，因此国内外文献在计算架空配电线路感麻雷过电压时都把雷电放电通道简化为垂直于地面的导线jail61121-331，按照天线理论对其进行分析

12、。(3)雷电通道周嗣电磁磁场的计算雷电通道周围电磁场的理论计算主要是根据麦克斯韦(Maxwell，S)方程组进行求解。Rubinstein在文献22采用单极子技术和偶极子技术求解了雷电电磁场的麦克斯韦方程组。Cooray在文献233运用偶极子理论求解了麦克斯韦方程组。Umain经过与实测结果对比，证实了偶极子方法具有很好的计算精度。国内关丁雷电电磁场计算的文献也很多对雷电电磁场的计算也进行过比较深入的研究。(4)雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型”。关于雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型前人作过人量的研究，综合前 人研究成果，从激励源的类型看，雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型可分 为三

13、种:(a)Taylor模型”该模型认为传输线同时受分布电流源和分布电压源激励，其中分布电流源是由与传输线回路交链的磁链引起的，分布电压源是由两导体问的 电场引起的。(b)(b)Agrawal模型。该模型根据散射理论来分析雷电通道周围电磁场与传输 线耦合的问题，传输线激励源只有沿导体日J向电场分量引起的分布电压源。(e)Rashidi模型矧，该模型认为传输线的激励源只有磁场引起的电流源。 以上三种模犁各物理量的定义不同，采用不同的模型，同一入射电磁场分量引起的感应电压或电流对总电压或总电流的贡献不同，但计算出的总电压和总电 流是相同的。此外，还有Rusek模型和Chowdhuri模型，这两种模型

14、在一定条件下与Agrawal模型是等价的，但Rusck模型和Chowdhuri模型只能适用于人地为理想 导体的场合，同时它们对电磁场的各分量考虑的不全面，而只有Agrawal模型考 虑的最全而，从而也得到了广泛的应用。(5)架空配电线路感应雷过电压计算由于选取不同的雷电回击模型和雷电通道周丽电磁场与传输线的耦合模型, 计算架空配电线路感应雷过电压的方法也不同。2. 2关于架空配电线路感应雷过电压防护的研究架空配电线路感应雷过电压的防护包括两个方面:从限制感应雷过电压的角度进行防护；从降低感应雷过电压的角度进行防护。采用的防护1。针对不国内外目前研究较多的是从限制感应雷过电压的角度进行防护, 措

15、施包括：安装避雷装置、加强线路绝缘、装设自动重合闸装置等口同的线路采取的防雷措施也不同。目前研究最多的是10kV架空绝缘导线的防雷问题，提出的解决方案土要有以下 4种:安装避雷装置;延长闪络路径;局部剥离导线;提高线路绝缘水平。国内外对从降低感廊雷过电压的角度进行防护研究的不多。文献f381提出在架空配电线路之间安装“感应雷屏蔽线”可以降低架卒配电线路的感应雷过电压，并将这一防护措施应用于实际中收到了良好的防雷效果。但对感应雷屏蔽线 安装在何处能最有效地对架空配电线路感廊雷过电压进行防护没有做过相应的 研究。1. 3本文的研究内容及主要工作本文的研究内容及主要工作包括以下几部分:研究了雷击线路

16、附近大地时架空配电线路感应雷过电压计算的数学模型，包括大地为理想导体和非理想导体两种情况。(2)结合相关文献给？的计算条件，通过电磁暂态仿真程序 ATPDraw对本文 研究的架空配电线路感应雷过电压的计算模型进行了验证： 并研究了雷电流的参数、线路高度、雷击点、大地屯导率等参数对架空配电线路感应雷过电压幅值和 波形的影响。从降低感应雷过电压的角度，研究了在架空配电线路上安装耦合导线后架空配电线路感应雷过电压的计算；并分析了10kV架空线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下耦合导线的安装位置；最后对 lOkV架空线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下耦合导线的最佳安装位置进行了计算。第二章雷

17、电概述本章对雷电的相关知识进行了概述，这部分的内容是本文进行架空配电线路 感应雷过电箍计算与防护研究的基础理论知识。1雷电放电过程雷电放电是由带电荷的雷云引起的。雷电放电可分为云云放电和云地放电，虽然大多数雷电放电发生在雷云之间， 但人们研究最多的是云地雷电。 因为，云地雷电造成的伤害对电力系统和通讯系统的影响最大，云地雷电也更易于观察研究。Bergerl978年根据雷云电荷的先导发展方向和所带电荷的极性，将雷电分为 四类：（1）向下负雷电；（2）向上负雷电：（3）向下正雷电；向上正雷电。向上雷 电大多发生在高层建筑或位于山顶的建筑物上， 又由于向下负雷电是最普遍的云 地雷电，占全球云地雷屯的

18、90%以上，因此研究最多的是向下负雷电。下面以向下负雷电为例来分析雷电放电的三个阶段：先导放电阶段雷云对人地有静电感应，在雷云电场下，大地感应出正电荷，两者形成一个 特殊的大电容器，随着雷云中电荷的逐步秘累，空间的电场强度不断增大。当雷 云中电荷密集处的电磁强度达到空气击穿场强 （2530kV / cm）时，就产生强烈 的碰撞游离，形成指向大地的一段导电通道，称为雷电先导。先导放电不是连续 向下发展的，而是一段接着一段地向前推进。主放电阶段当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。 当迎 面先导与下行先导相遇时，便产生强烈的“中和”过程，引起极大的电流，这就 是雷电的主放电

19、阶段，伴随出现闪电和雷鸣现象。主放电阶段的特点是:（1）主放电存在的时间极短，约为 50lOOus。（2）电流极大，可达数十乃至数百千安。余光放电阶段主放电到达云端就结束了，然后云中残余电荷经主放电通道流下来， 称为余光放电阶段。由于雷云中的电阻较大，余光放电阶段对应的电流不人（约数百安），持续时间则较K(0 . 030. 05s)雷云中的电荷分布是不均匀的， 往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三30kA。个甚至更多个的中心向第一个中心放电， 并沿原先的通道到达大地，因此雷电可 能是多重性的。第二：次及以后的主放电电流一般较小，不超过下图2.1所

20、示为用底片迅速转动的高度摄影装置记录的雷电放电过程及相应的雷电流曲线。1*爭放电(b)三个冲击 三次主ft电第二个冲击 笫二次主放电个冲击 次主放电JuLSI尊* I II主爺%at0,005-6.0136.O3-0J5S *50-IOOps图2.1雷电放电过程及相应的雷电流曲线2感应雷过电压的定义及其形成的物理机理2. 1感应雷过电压的定义感应雷过电压是指雷击线路附近大地或雷击杆塔时由于电磁感应在导线上 引起的过电压。本文后面对架空配电线路感应雷过电压的研究都是针对雷击线路 附近人地时线路的感应雷过电压进行研究的。2. 2. 2感应雷过电压形成的物理机理由于雷云对地放电过程中，放电通道周同空

21、间电磁场的急剧变化， 会在附近 架空线路的导线上产生感应雷过电压。 对于感应雷过电压形成的物理机理，目前 有了比较一致的认识。在雷电放电的先导阶段 (以向r负雷电为例)，线路处于雷云及先导通道与大地构成的电场之中， 由于静电感应，导线轴线方向上的电场强度E,将正电荷吸引到最靠近先导通道的一段导线上，成为束缚电荷，导线上的 负电荷则被排斥而向两侧运动，经由线路泄漏电导和系统中性点进入大地。由于先导放电发展的平均速度较低，导线束缚电荷的聚集过群也较缓慢，由 此而呈现出的导线电流很小，相应的电压波也可忽略不计。同时，忽略工作电压, 认为导线具有地电位。因此在先导放电阶段尽管导线上有了束缚电荷， 但它

22、们在导线上各点产生的电场与先导通道负电荷放电所产生的电场相平衡而被抵消，结 果使导线仍保持地电位。相应电场迅速主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速中和。减弱，使导线上的正束缚电荷迅速释放， 形成电压波向两侧传播。由于主放电的 平均发展速度很快，导线上的束缚电荷的释放过程也很快， 所以形成的电压波的幅值可能很高。这种过电压就是感应过电压的静电分量。如下图2.2所示：导线(b)mil电乐的静电分环形成示S图在主放电过程中，伴随着雷电流冲击波，在放电通道周围空间出现甚强的脉冲磁场，其中一部分磁力线穿过导线一大地回路，如下图2. 3所示，在图中沿ABCDA回路和 ABEFA回路将产生感应电

23、动势使一点对地电位升高。HHiJ橹应过电用的电底分i形成不恵3雷电参数3. 1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 一地区的雷电活动频繁度，可用该地区的雷暴日或雷暴小时数来表示。 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。 一天或一小时内只要 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)变化较人，所以应采用多年的平均值。2. 3. 2雷电流参数经过长期的系统的雷电观测，实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波。对 于脉冲波形的雷电流，需要三个主要参数来表征。这三个参数为：幅值、波头和 波长。幅

24、值是指脉冲电流所达到的最高值： 波头是指电流上升到幅值的时间； 波雷电流的波头长度f,f。大多在20lOOuSo长是指电流下降到幅值的一半的时间。雷电流幅值随各国的自然条件不同而差别 很大，但是各国测得的雷电流波形却基本一致。 实测表明, 大多在lus4us的范围内，平均在2.6US；雷电流的波长长度在线路防雷计算中，雷电流的波形可以采用2. 6/50us。2. 3. 3雷电流的等值波形都要求将雷电流波电力设备的绝缘强度试验和电力系统的防雷保护设计中，形等值为典型化的可以用解析式表达的波形。常用的等值波形有以下几种:标准冲击波标准冲击波由双指数表示：i=Io(ea-e-t)式中：Io为某一固定

25、电流值；a，b是两个常数。等值斜角波为了简化防雷计算，常将雷电流用等值斜角波来表示，其中波头陡度口由给 定雷电流幅值。和波头时间决定，其波尾部分可以是无限长，此时又称为斜角平项波；又称为三角波。斜角波的数学表达式简单，用以分析雷电流引起的波过程比较方便。等值余弦波雷电流的等值余弦波如下图2. 4所示，由下式表示：i=im/2(1-cos3t)这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用。第三章计算模型与参数分析本章的目的主要是对前面第三章中研究的架空配电线路感应雷过电压计算 的数学模型进行验证，并对影响架空配电线路感应雷过电压幅值和波形的参数进 行了分析。1计算模型的验证为了验证本文研究的架空配电线

26、路感应雷过电压计算的数学模型是否适用 于架空配电线路感应雷过电压的汁算，下面分别对大地为理想导体和非理想导体两种情况下架空配电线路感应雷过电压的计算模型进行了验证。本文采用了电磁 暂态仿真程序ATPDraw对架空配电线路的感应雷过电压进行计算。在ATPDraw 中感应雷过电压的计算模型如下图 3. 1所示。图3. 1以架空配电线路某相导线和耦合导线为结构的计算模型上图3. 1所示为以架空配电线路某相导线和耦合导线为结构的计算模型。该计算模型两端的元件表示架空配电线路匹配波阻抗，该计算模型下端的4个类 型60电源表示架空配电线路观测点处感应雷过电压。1. 1大地为理想导体线路附近地面遭受雷击时架

27、空配电线路感应雷过电压最大值已经通过实测、Agrawal模型和Rusek模型的方法得到。架空配电线路感应雷过电压的计算条件 如下：线路高度为5. 68m，雷击点距离线路的水平距离为145m，雷电回击速度8v 均为 1 X 10 m/S。架空配电线路感应雷过电压最大值的实际测量和各模型的计算结果比较如F表3. 2所示雷击序号LkA%皿fy/us实测AgrawalRusek本文930523S14550.045.448.4939637,5L754579.074.675,9769313-29.752.54022.51乩417.220,3表3.2架空配电线路感应雷过电压最大值的实际测量和各模型的计算结果

28、比较1. 2大地为非理想导体架空配电线路感应雷过电压的计算条件如下：雷电流幅值为 12kA，雷电流波头时间为0. 5us,雷电流波长时间为20us,雷电回击速度为1. 3X 109m/s,线路高度为10m，雷击点距离线路的水平距离为50m,大地电导率为o. 001s/500m。m, 土壤介电常数为10,线路长度为1000m, XA=500m, Xb=2参数分析从前面第两章关于架空配电线路感应雷过电压计算过程可以看到，影响架空配电线路观测点处感应雷过电压幅值和波形的因素很多。因此本节结合文献研究了下面一些参数对架空配电线路观测点处感应雷过电压幅值和波形的影响：雷电 流幅值、雷电流波头时间、雷电回

29、击速度、线路高度、雷击点距离线路水平距离 以及大地电导率。架空配电线路感应雷过电压的计算条件如下：雷电流幅值为60 kA，雷电流波头时间为2 us，雷电流波长时间为50US雷电回击速度为 1. 5x108n/S,线路高度为10In，雷击点距离线路水平距离为100m大地电导 率为o. 001 s/m 土壤介电常数为10,线路长度为1000m架空配电线路的计 算结构按雷击点的位置可分为两种：（1）雷击点位于架空线路的一端，X=1000mxb=0m（2）雷击点位于架空线路的中间位置，xA=500m沧=-500叶第四章 架空配电线路感应雷过电压的计算架空配电线路感应雷过电压的计算分为两个步骤， 首先，

30、通过雷电回击的数 学模型计算出雷电通道周围电磁场； 然后，建立雷电通道周围电磁场与架空线路 耦合的数学模型，计算架空配电线路感应雷过电压。1计算感应雷过电压的几点假设为了使计算基本在计算雷击线路附近大地时架空配电线路感应雷过电压时,反映感应雷过电压的值，又不过于复杂，做了如下的假没：只考虑主放电回击过程中产生的静电效应和磁效应所形成的感应电压;沿先导通道的电荷分布均匀，雷击垂直于大地;主放电速度(雷电回击速度)v恒定，与光速c成一定的比例关系;架空线路为理想导体，无损耗。2雷电通道周围电磁场的计算2. 1大地为理想导体时雷电通道周围电磁场的计算公式根据前面第一章所述，雷电回击模型采用了传输线(

31、TL)模型，此时回击电流 以匀速V从地面沿通道向上传输，电流和电荷在通道中均匀分布，在电流回击高 度h的上方，电流为零。4. 2. 2大地为理想导体时雷电通道周围电磁场的计算公式对于大地为非理想导体时雷电通道周闹电磁场的计算，国外许多文献做了比 较深入的研究。他们认为雷电通道周围电场的垂直分量和磁场强度受大地电导率 的影响不大，在计算这些量时，将大地视为理想导体是合理的。 而大地电导率对 雷电通道周围电场径向分量的影响比较明显。 综合前人的研究成果，本文采用了Cooray-Rubinstein公式计算沿x轴方向的电场Ex，在时域中E；可表示为:Ex(x，y，h，t)= Ex(y，x, h，f)

32、-gO(t)* Byo(x,y,0, t)式中：*表示卷积：g0(t)称为地面损耗3架空配电线路感应雷过电压的计算架空配电线路总的感应雷过电压 U(x)为：U (x) =Usc(x)+Ui (x)4. 3. 1雷电流的波形前面关于雷电通道周围电磁场的计算都是在假定雷电流为直角波的情况下 计算得到的，而实际上雷电流的波形是很复杂的，根据前面第二章所述，在进行 电力系统的防雷保护设计中，都要求将雷电流波形等值为典型他的可以用解析式 表示的波形。第五章 架空配电线路感应雷过电压的防护分析本文从降低感应雷过电压的角度，研究了耦合导线对架空配电线路感应雷过电压的防护作用。本章从波沿平行多导线系统的传播着

33、手，详细研究了装设耦合导线后架空配电线路感应雷过电压的计算，并针对10kV架空线路中导线三角形排列和垂直排 列的形式，对耦合导线的安装位置进行了分析，最后对耦合导线的最佳安装位置 进行了计算。1波沿平行多导线系统的传播1. 1大地为理想导体根据麦克斯韦静电方程，在与地面平行的 n根导线中各导线的对地电位为:U1=aiiqi+ai2q2+.aikqk+ainqnU2=a2iq 什a22q2+.a2kqk+a2nqnUk=ak1q1+ak2q2+.akkqk+aknqnUn=amq 什an2q2+.ankqk+annqn式中：Uk=k=1,2, ?, n)一导线k的对地电位;qk(k=1,2, ?

34、, n)导线k每单位长度上的电荷;akk(k=1,2, ?，n)导线k单位长度的自电位系数；akm(m=1,2，?, n； k)一导线k与导线m单位长度导线间的互电位系数。5. 1. 2大地为非理想导体根据麦克斯韦电场方程，在与地面平行的疗根导线中各导线的电荷为:qi= P 11U1+ P 12U2+ P 1kUk+ p Inunq2= p 21U1+ p 22U2+ p 2kUk+ P 2nUnqk= P k1 U1+ P k2U2+ P kkUk+ P knUnqn= P n1U1+ P n2U2+ P nkUk+ P nnUn式中：P kk(k=1,2, ?, n)为导线k单位长度的自静

35、电感应系数;P km(m=1,2, ?, n； m令)为导线k和导线m单位长度的互静电感应系数。2加装耦合导线后架空配电线路感应雷过电压的计算首先假设耦合导线是不接地的，雷击线路附近大地时，在耦合导线+t班及在Ub、Ud相导线上分别感应出电压 Ub、Ud，从4. 3. 2节中架空配电线路感应雷过电压 的计算模型可知，此时导线上的感应雷过电压与导线的高度成正比，则 可分别表示为:Ub=Ahb： U d=Ah d式中：A为系数，hb为藕合导线的高度，hd为相导线的高度。但是实际上耦合导线是接地的，其电位为零，这稍当于在不接地的耦台导线上叠加一个电压为(-Ub)的电压，这时由于部分电容的分厩作用(即

36、耦合作用)，这 个电压在相导线上产生耦台电压(一 kUb)，其中k为耦合导线与相导线之间的耦 台系数。因此，在有接地的耦台导线时，相导线上实际的感应雷过电压 Ud为:Ud=Ud kUb=Ud(1 一 k(hb/ hd)=Ud(1 一 ko)5. 2. 1大地为非理想导体同上节5.2.1类似，首先假设耦合导线是不接地的，着击线路附近大地时， 在耦合导线上以及在相导线上分别感应出过电压Ub、Ud，由于耦合导线是接她的，这个电压在摆导线上产生耦合电压(-kUb)。因此，在有接地的耦合等线醣，相导线上实际的感应过电压 Ud为:Ub=Ud-KUb5. 2. 2 10kV架空线路中耦合导线安装位置的分析耦

37、合导线的安装位置包括两个位置：导线距离秆塔的水平距离帮导线的离地 高度。本文根据耦合导线的安装位置将耦台导线分为三类:(1)避雷线，该耦台导线安装在架空配电线路相导线的上方;感应雷屏蔽线，该耦台导线安装在架空配电线路相导线之间;耦台地线，该耦台导线安装在架空配电线路相导线的下方。本节对10kV架空线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下耦合导线拍安装位置进行了 分析。5.3斟架空线路中藕合导线安装位置的分析耦合导线的安装位置包括两个位置：导线距离秆塔的水平距离帮导线的离她高 度。本文根据藕合导线的安装位鬟将耦台导线分为三娄：(1)避需线，该耦台导线安装在架空配 电线路相导线的上方；(2)感应雷

38、屏蔽线，该耦台导线安装在架空配电线路相导 线之间;耦台地线，该耦台导线安装在架空配电线路相导线的下方。本节辩10kV架空线路中导线三角形排列和垂直搀列两种情况下耦合导线拍安装 位进行了分析。5. 3. 1导线三角形排列从经济的角度考虑，对于单回线路一般只装设一根耦台导线。下图5.3所示为各相导线在杆塔上的相对位置。计算时作为所采用的坐标系为直角坐标系，在 该坐标系中以地面为x平面，杆塔的中心线作为y轴，杆塔的中心线与地面的交 点作为坐标系的原点，以沿某边相导线的方向为 x轴的正方向。图5,3詐线的相对位迓架空配电线路各相导线和耦合导线的计算参数如下： 架空配电线路相导线的 编号分别为1,2,

39、3,耦合导线的编号为4;相导线的半径为0.013m,耦合导线的半径为0.0033m；导线距离杆塔中心线的水平距离为 x，导线离地高度为丫 , 单位为m,各相导线在上图5.3所示坐标系中的坐标为x1=0.69、x2=-0.69、x3=0,丫匸丫2=10.00、Y3=10.95;参照“ DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和 绝缘配合”，耦合导线的接地电阻Rg取为10?。Ud、Ua1.大地为理想导体大地为理想导体时，架空配电线路安装耦合导线前后感应雷过电压 的比值为:由式可见，计算耦合导线安装前后架空配电线路感应雷过电压降低百分数时 不需要对架空配电线路感应雷过电压进行计算。下图5.4

40、和图5.5所示为在耦合导线距离杆塔中心线的水平距离为0.40m和 0.50m时各相导线上感应雷过电压降低的百分数随耦合导线安装高度变化的曲线。鹏如 iAm 药 8恪 B 农因ft聚*翘常出也国IS5 10合导战的髙度（单位E）图5.4= 0,401不同K合导线安转离度时感应费过电尿降低戸分数5,5工4 =0-50不同耦合导线安装度时ffi闻雷过电用降低百分从上图5. 4和图5. 5可以看出，大地为理想导体时，耦合导线距离各相导 线越近，各相导线上感应雷过电压降的越多。由上图5. 4和图5. 5可见，大地为理想导体时，对于三种类型的耦合导线 而言，当在架空配电线路上安装感应雷屏蔽线时， 可以更有

41、效地降低架空配电线 路三相导线上的感应雷过电压。Ud、2.大地为非理想导体大地为非理想导体时，架空配电线路安装耦合导线前后感应雷过电压uj的比值为:5 _ 5-叫 _% 4 一Z 林 + 2 心 5可见，计算耦合导线安装前后架空配电线路感应雷过电压降低百分数时，需 要对架空配电线路感应雷过电压进行计算。架空配电线路感应雷过电压的计算条件如下：雷电流幅值为60kA，雷电流波头时间为2us,雷电流波长时间为50us,雷电回击速度为1. 5X108m/s,雷击点距离导线的水平距离为100m,人地电导率为O. 001s/m, 土壤介电常数为lo，线路长度为1000m。设雷电作用时间为 200us,贝U

42、线路参数的计算频率为 5000Hz。架空配电线路的计算结构如下图 5. 6所示。架空线lOOOmjlOOm 右雷击点图5.6架空配电线路感应需is电的计算结构re表5. 1和5. 2所示为在耦台导线距离杆塔中心线的水平距离为0. 40m和 0, 50m时，不同耦合导线安装高度时各相导线上感应雷过电压降低百分数的计算结果。表中各电压均指观测点 B处的电压，其中Ub、Ud分别表示未安装耦合导线前耦台导线和相导线上的感应雷过电压。 5.1 JC4 =0 40,不伺ft含导总高度时特导线上毎应过电压低百井耦合导蛭粘合导线相辱电压降低 百分如5 =lPS.OSkV相导线2电乐降低百分如E/2 798,O

43、SltV相日蝇3电压降低百分ft駁J =206 辭 kVgso.so：g”7226.439199.25JJ31,4510I9S.0E53.0240.0839.2111207.0942.43J8.3550. J 612216,24373256.0541.97衮3.2工4-650,不安装自准时各梱椁拔上建应雷过电压!*低百分ft耦合导线窩度/m耦合导线相导统1 41压降低百井數朋U机 198.0SkV相导线2电压羅低百分数S = 19&呻 kV柑寻线3电压降低5 = 206*63 kvISO.6330险29.5226J99189.25a.S434禹31.3510198.0857.15琼3狙83L1

44、207.0942.651SJ54$小122)6.2417.3S35.8241.62从上表5. 1和表5. 2可以看出，大地为非理想导体时，耦台导线距离各相导线越近，各相导线上感应雷过电压降的越多。由上表511和表5. 2可见，大地为非理想导体时，对于三种类型的耦合导线而言，当在架空配电线路上安装感应雷屏蔽线时， 可以更有效地降低絮空配电 线路三相导线上的感应雷过电压。5. 3. 2导线垂直排列下图5. 7所示为各相导线在杆塔上的相对位置。计算时所采用的坐标系为直角坐标系，在该坐标系中以地面为x平面，杆塔的中心线作为y轴，杆塔的中心线与地面的交点作为坐标系的原点，以沿相导线的方向为X轴的正方向。

45、3O2O1On图5.7导线的对位S 15 1.大地为理想导体下图5. 8和图5. 9所示为在耦合导线距离杆塔中心的水平距离为 0. 30m和0. 60m时各相导线上感应雷过电压降低百分数随耦合导线安装高度变化的曲线。5to辆合导銭的高度（単位E）图久S X4 = 030 ,不同令拧线安装高度时橹应盲过电扭降低百芬散相导线3相寻线2 .510台导线的离度洋垃:哂图5.9X4 0-60 *不冋WO9齡宝戦髙度时过电压降低臣分敷从上图5. 8和图5. 9可以看出，大地为理想导体时，耦合导线距离各相导 线越近，各相导线上感应雷过电压降的越多。由上图5. 8和图5. 9可见，大地为理想导体时，对于三种类

46、型的耦合导线而言，当在架空配电线路上安装感应雷屏蔽线时， 可以更有效地降低架空配电线 路三相导线上的感应雷过电压。去土3 X4 sO30 .不同蝸合样线安转岛度时各相&线上感应雷过电圧陰低百分数耦合导线 嶽度佃耦合导域S金V相导线1电压降低 百分S = 197.28 kV相导级2电压肾低 百分数U 竝=202.93 kV -.11 r B = J l_L KK IKa相导线3电压降低 百分数/%5 = 208.64 kVS180,6331.312S.1S25.719189,2539.2734.0230.3310198,0850.0844.037,2611207.0941.5447.0249.2

47、613216.243丘97轴再340表久4 X4 = 0.60 .不I时幡合城虫高度时fr相导线卜癖用雷过电床降低百分戳耀合导线 高度曲羁合导线S/kV相导线】区压軽低 百分数5 =197.28 kV相导线2电压降低 百分数/%5 = 202,93 kV相寻线3电压降低 百分数必=208.64 kV180.6331.492S.2825.77-9189.2540.02J4.29M4710198.G861J345.9037.7411207.0942.1449,535&9212216.2437.1439.9744.66从上表5. 3和表5. 4可以看出，大地为非理想导体时，耦合导线距离各相 导线越近

48、，各相导线上感应雷过电压降的越多。由上表5. 3和表5. 4可见，大地为非理想导体时，对于三种类型的耦合导线而言，当在架空配电线路上安装感庶雷屏蔽线时， 可以更有效地降低架空配电 线路三相导线上的感应雷过电压。4. 10kV架空线路中感应雷屏蔽线最佳安装位置的计算从前面5. 3节可知，在架空配电线路相导线之间安装一根感应雷屏蔽线可 以更有效地降低架空配电线路感应雷过电压。本节主要是对10kV架空线路中导线三角形排列和垂南排列两种情况下感应 雷屏蔽线的最佳安装位最进行计算。由于三相导线对地高度相差不大，各相导线上的感应雷过电压基本相等， 所 以感应雷过电压一般不会造成相导线的相间闪络， 而是相对

49、地的闪络。感应雷屏 蔽线对三相导线是同时起作用的，由前面分析可知，感应雷屏蔽线离相导线越近, 相导线上感应雷过电压降的越多。因而对于相导线三角形排列或垂直排列两言, 不可能有某一位置使得感应雷屏蔽线安装在这个位置时，各相导线上的感应雷过 电压都能最大程度地降低。因此本节所研究的感应雷屏蔽线的最佳安装位置是指 当感应雷屏蔽线安装在此位置时，三相导线中感应雷过电压最大相上的电压在其 余感应雷屏蔽线有可能安装的位置中是最小的。5. 4. 1导线三角形排列对于三角形排列的导线而言，感应雷屏蔽线安装在杆塔的一侧。各相导线在杆塔上的相对位置如图5.3所示。计算时所采用的坐标系为直角 坐标系,在该坐标系中以

50、地面为X平面，杆塔的中心线作为丫轴，杆塔的中心线与 地面的交点为坐标系的原点，假定感应雷屏蔽线安装在杆塔的左侧， 则以沿感应 雷屏蔽线的方向为z轴的正方向。架空配电线路相导线的半径为0.013m，感应雷屏蔽线的半径为o0033m：各 相导线在图5. 3所示坐标系中的坐标为：Xi=0.69、X2=-0.69、X3=0, Yi=Y2=10.00、丫3=10.95;感应雷屏蔽线的接地电阻 Rg取为10?。此时，计算感应雷屏敝线最佳安装位置的数学模型为:r10 P fMMAto阿，旳 Qj)030苦工4 0伍910.00 4 10-9520.3川2斗 2 03*右4 X 0.3(5Jl)tIP*成屮：

51、t/l, U2和井别为魂空配电找匕歿设ffl合导线后稈柜导线应雷过电ffi幅佻dA dw 如分别为ffl导线1、2.与!应纯的更离.采用MATLAB对大为理和F；理导牡南韩悄捉下嬪应SW蔽煖最住安装位1 .大地为理想导体W导线1上的电床“；为：5|-独1/二妙(1-厶為(5,32)相#线 2 上的电 SJJ；为 1 ；=卩2-山 2S=4r20-2h2) yi(533)相导玻上的电压为：U；=旳-心3旳严/!力(1 -里褊3)f5J4)式中：k41、k42和k43分别为相导线1、2、3与感应雷屏蔽线之间的耦合系数。由上式(5.31)至式(5.33)可见，当大地为理想导体时，为了方便求解，可以取

52、系数A=20。通过MATLAB求解式(5. 31)，得到:x4=0. 30，y4=10. 53表5.5对本文所得到的感应雷屏蔽线最佳安装位置处的各相电压和其他位置处安装感应雷屏蔽线的各相电压进行了比较，表中取系数A=20。表5.5感应雷屏亚战不同安装也W时应宙过Hi压福值心/m儿AnU； ( 5 = 200 )/kVij； /kV0,301053120.3274132.6811U2.657S0.3010.60121.7311ni9124129.912403010.40117,5996132.412J1J84SJ80J01仇90126.9461134,3371116.92440.5010.00注

53、工4946油九相2上03910.53118.35 (J134.4432135J5731(195126.B91S135.$65123.02040J910.401H.7S741343255140,0613从上表5. 5可以看出，当感应雷屏蔽线安装在 X4=0 . 30m, 丫4=10 . 53m同时还处时，三相导线中电压最大相上的感应雷过电压在所有位置中是最小的;可以看出，感应雷屏蔽线距离杆塔中心线的距离为导线与杆塔的最小电气距离。2.大地为非理想导体（大地电导率P=0. 02s/m）相导线1上的电压UI为：U1=Ul k41U4相导线2上的电压U2为：U2=U2 一 k42U4相导线3上的电压U

54、3为：U3=U3 一 k43U4由上式可见，当大地为非理想导体时，对感应雷屏蔽线的最佳安装位置进行 计算时，需要计算架空配电线路感应雷过电压。 架空配电线路感应雷过电压的计 算条件如下：雷电流幅值为60kA，雷电流波头时间为us,雷电流波长时间为50us, 雷电回击速度为1. 5X 108rn/s,雷击点与导线的水平距离为100m, 土壤介电 常数为10,线路长度为1000m。雷电流作用时间为100us,则线路参数的计算频 率为 10000Hz。架空配电线路感应雷过电压的计算结构如下图5. 10所示。架空线lOOOmI lOOm雷击点图50襲空配电线賂感网畫过电爪的计ff结构圏F表5. 6所示

55、为在导线高度为9. 90 丫 11. 20m范围内，大地为理想导体和非理想导体情况下导线不同高度时观测点 B处感应雷过电压的幅值。表中丫表示架空配电线路悬挂高度，己，理想表示大地为理想导体时架空线路观测点处 感应雷过电压幅值，U非理想表示大地为非理想导体时架空线路观测点处感应雷 过电压幅值。Si.6导线平同髙度时燼应过电压福値导线离地侖度曲U非理曲业U非理 -D理想压尸 9.9099.676121,06221.36y= )0.00100.683122.0692L3SbylO.lO101.689123.07621.387y=10.20102.6%124.0S221386y=10,30103.70

56、1J20R92IJS6y= 10,40IM7I0126.0%2J.3?6X=J0.501055)71,27 J 0321.386y= 10.60106.72412S.1102L386y=l070107.730129J1721387y=l0.80130.12321J86尸 10*90109544131.130213&6y-lLOO110.751133.13721J86y=llJOI1I.75S133,14421J6y=lh2C112,7654J5L21.386从上表5. 6可以看出，在本文给山感应雷过电压幅值的计算条件下，在导线悬挂高度为9. 90W丫 11. 20m范围内，导线上观测点处感应雷

57、过电压幅值U和导线悬挂高度y的关系可以近似表示为:U Y*10.0683+21.386(kV)(5.38)通过MATLAB求解式(5.1),得至U：X4=0.30, 丫4=10.49表5. 7对本文所得到的感应雷屏蔽线最佳安装位置处的各相电压和其他位置处安装感应雷屏蔽线的各相电压进行了比较。表5.7感应不同衣时备櫚与域感感甫过电用幅值可伽(/kV(S = 121069 )(6 =122.069)(3=131.654)0.3010.4969.368576.9M76767S03010-6070.691977.130073.9467jOJO10.3067.007576J3728kO6J603910.4961104