毕业设计（论文）-电网过电压分析与防护设计

本科毕业论文电网过电压分析与防护设计OVERVOLTAGEANALYSISANDPROTECTIONDESIGNFORPOWERGRID学生学号学生姓名专业班级指导教师姓名指导教师职称2015年6月III电网过电压分析与防护设计专业班级学生姓名指导教师教师职称摘要随着社会经济的发展,电能的需求量日益增大,电力系统向远距离、大容量、超高压方向发展。电力系统中经常发生过电压事故,其中雷害事故一般占电力系统事故的50以上。根据过电压的特性,釆取合理防雷措施,对保证电力系统正常运行具有重要意义。本论文首先描述了电力系统中过电压的类型和特点；主要阐述了雷电过电压，包括雷电的形成，雷电放电的三个阶段，雷暴日和雷暴小时、雷电流等值波形等雷电参数。直击雷过电压和感应雷过电压的雷放电计算模型；然后以500KV变电站雷击事故为例，利用ATPEMTP软件仿真雷电暂态过程。通过选择不同的雷击点，观察仿真所得的雷电波波形和不同部位三相导线上的电压波形；可以得出，雷击点离变电站越近，变电站内雷电侵入波幅值越高。可以安装相应的金属氧化物避雷器，限制在变压器的电压，使变压器得到相应的保护。根据不同电力设备雷击过电压的主要来源，为了躲避和限制雷电的危害，可以采用装设避雷针、避雷线、避雷器等避雷装置；直击雷防护主要采用装设避雷针或避雷线,侵入波防护主要釆用装设避雷器根据不同雷击分析了避雷针和避雷线的防雷原理及保护范围。针对输电线路、发电厂和变电所遭受雷击的各种情况，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、地形地貌的特点、土壤电阻率的高低等条件，结合当地原有线路运行经验，根据技术经济比较的结果，因地制宜地采取合理的防雷保护措施。关键词过电压雷电过电压避雷针ATPEMTP过电压防护IIOVERVOLTAGEANALYSISANDPROTECTIONDESIGNFORPOWERGRIDABSTRACTWITHDEVELOPMENTOFTHESOCIALECONOMY,THEDEMANDFORELECTRICITYISRAPIDLYINCREASING,POWERSYSTEMDEVELOPSWITHLONGRANGE,HIGHCAPACITY,ULTRAHIGHVOLTAGEOVERVOLTAGEACCIDENTHAPPENSFREQUENTLYINPOWERSYSTEM,INWHICHLIGHTNINGOVERVOLTAGEACCOUNTSFORMORETHAN50ACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFOVERVOLTAGE,ITISVERYMEANINGFULFORENSURENORMALOPERATIONOFPOWERSYSTEMTOTAKEREASONABLELIGHTNINGPROTECTIONMEASURESFIRSTLY,THISPAPERDESCRIBESTHETYPESANDCHARACTERISTICSOFTHEOVERVOLTAGEINPOWERSYSTEMTHISPAPERMAINLYEXPOUNDSTHELIGHTNINGOVERVOLTAGE,INCLUDINGTHEFORMATIONOFLIGHTNING,THETHREESTAGESOFTHELIGHTNINGDISCHARGE,THELIGHTNINGPARAMETERSOFTHETHUNDERSTORMDAYSANDTHETHUNDERSTORMHOURSANDTHEEQUIVALENTWAVEFORMSOFTHETHUNDERANDLIGHTNINGCURRENTLIGHTNINGDISCHARGECALCULATIONMODELOFLIGHTNINGOVERVOLTAGEANDINDUCEDLIGHTNINGOVERVOLTAGETHEN,TAKINGTHELIGHTNINGFAULTOF500KVSUBSTATIONASANEXAMPLE,THETRANSIENTPROCESSOFLIGHTNINGTRANSIENTPROCESSISSIMULATEDBYATPEMTPSOFTWAREBYCHOOSINGDIFFERENTLIGHTNINGPOINTS,THEWAVEFORMSOFLIGHTNINGWAVEFORMSANDDIFFERENTPOSITIONSOFTHREEPHASECONDUCTORSAREOBSERVEDITCANBECONCLUDEDTHATTHEHIGHERTHELIGHTNINGWAVEAMPLITUDEINTHESUBSTATIONISHIGHERBYINSTALLINGTHECORRESPONDINGMETALOXIDESURGEARRESTER,THETRANSFORMERVOLTAGECANBELIMITED,ANDTHETRANSFORMERCANBEPROTECTEDACCORDINGTOTHEMAINSOURCEOFLIGHTNINGOVERVOLTAGEINDIFFERENTPOWEREQUIPMENT,LIGHTNINGCONDUCTOR,LIGHTNINGRODANDLIGHTNINGARRESTERCANBEUSEDINORDERTOAVOIDANDLIMITTHEDAMAGEOFLIGHTNINGLIGHTNINGPROTECTIONMAINLYADOPTSINSTALLEDLIGHTNINGRODORWIRE,INTRUSIVEWAVEPROTECTIONMAINLYADOPTSTHEARRESTERACCORDINGTODIFFERENTLIGHTNING,THELIGHTNINGPROTECTIONPRINCIPLEANDPROTECTIONRANGEOFLIGHTNINGRODANDLIGHTNINGRODISANALYZEDACCORDINGTOTHETRANSMISSIONLINE,POWERPLANTANDSUBSTATIONFROMLIGHTNING,COMPREHENSIVELYCONSIDERTHEIMPORTANCEOFTHELINE,THESYSTEMOPERATIONMODE,THEINTENSITYOFTHELIGHTNINGACTIVITY,THECHARACTERISTICOFTHETERRAIN,THEHEIGHTOFTHESOILRESISTIVITY,ETCCOMBINEDWITHLOCALORIGINALLINEOPERATIONEXPERIENCE,ACCORDINGTOTHERESULTOFTHECOMPARISONOFTHETECHNOLOGYECONOMY,THEREASONABLELIGHTNINGPROTECTIONMEASURESAREADOPTEDACCORDINGTOTHEMEASURESTOTHELOCALCONDITIONSKEYWORDSOVERVOLTAGE,LIGHTNINGOVERVOLTAGE,LIGHTNINGROD,ATPEMTP,OVERVOLTAGEPROTECTIONIII目录摘要I关键词I引言1第一章概述211课题研究的背景及意义212国内外研究现状213本论文主要内容3第二章雷电过电压521过电压的类型和特点5211过电压的危害622雷电过电压的产生7221雷云的形成7222雷电放电过程823雷电参数9231雷暴日和雷暴小时10232地面落雷密度10233主放电通道波阻抗11234雷电流极性11235雷电流幅值11236雷电流等值波形12237雷电流陡度1324雷电过电压的形成14241直击雷过电压14242感应雷过电压1725本章小结19第三章防雷保护设备20IV31避雷针防雷原理及保护范围20311避雷针的保护范围2032避雷线防雷原理及保护范围2333避雷器工作原理及常用种类2534本章小结26第四章雷电暂态EMTP仿真2741电磁暂态计算程序EMTP2742雷电暂态EMTP仿真与分析2743本章小结35第五章电力系统防雷保护3751输电线路的防雷保护3752发电厂和变电所的防雷保护3953本章小结40结论41致谢42参考文献43V1引言在电力系统中，由于雷电、电磁能量的转换会使系统电压产生瞬间升高，其值可能大大超过电气设备的最高工频运行电压，这就是过电压。过电压会造成电气设备的绝缘损坏，使系统供电中断等重大事故。雷电是自然现象，因为雷电具有电流大、时间短、频率高、电压高的特点，有很大的破坏性。全国每年雷击损失财产不计其数，特别是雷击电网设备造成电网瓦解停电，对社会及经济建设影响更为巨大。我们国家所在的地理位置绝大部分位于温带，所以雷电发生情况比较频繁。不同地区的地势和气候条件会不一样，由于电力系统线路的需要，考虑必要的经济条件，输电线路除了要经过平原地区，难免要跨越一些崎岖的地区，例如山区、湖泊、江海等，所以线路遭受雷击的可能性比较大。据统计在平均高度为8M的输电线路中，每100KM线路年平均受雷击次数约为48次。又根据运行经验，电力系统中的停电事故有近50是由雷击线路造成的。此外，输电线路遭到雷击后，最直接和最常见的情况是引起跳闸事故的发生，这迫使正常的供电系统停止操作，严重影响人们的正常生活秩序，还增加了工作人员对输电线路和相关开关设备的维修工作量；雷击线路后会产生雷电波，雷电波它会沿线路侵入变电所和发电厂等电力设备。在电力系统中，以绝缘能力强弱为标准来区分的话，发电机的绝缘水平最弱，其次是变电所，线路的绝缘和前两者相比最强，如果发电厂、变电所的设备防护措施不够完善，常常很容易引起其设备的绝缘损坏，使得正常的供电系统受到影响。因此可知，为了减少电力系统中由于雷击引发的事故及其相应的经济损失，提高输电线路供电的可靠程度，使变电所、发电厂能够安全稳定的运行，做好相应的防雷保护措施是必不可少的。2第一章概述11课题研究的背景及意义电力系统是由发电厂内的发电机、电力网内的变压器和输电线路以及用户的各种用电设备，按照一定的规律连接而组成的统一整体。电力系统可分为发电系统、输变电系统、配电系统和用电系统。用电系统是指电力系统负荷1。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。输电线路地处旷野，极易遭受雷击。雷击是造成线路跳闸停电事故的主要原因，同时，雷击线路后会相应产生雷电过电压波，这种波会沿线路传播侵入变电所、发电厂，严重危害变电所设备的正常运行。因此减少输电线路的雷害事故是电力系统安全运行的一项重要课题2。雷电过电压根据产生的机理不同，可以分为两种形式的雷电过电压，它们是直击雷过电压和感应雷过电压；根据运行经验统计所得，感应雷过电压只对35KV及以下的线路有威胁，而直击雷过电压对电力系统的危害要比感应雷过电压严重得多。发电厂和变电所是电力系统的枢纽，它们如果遭到雷击事故导致停电，会产生很大的影响。而且发电机和变压器等重要的电气设备大部分没有自恢复的能力，一旦内部绝缘被击穿后，使得维修工作量难度加大，停电时间过长，给正常的生活带来诸多不便，给国民生产带来巨大的经济损失。发电厂和变电所遭受雷击事故的原因可能来源于两个方面，一是雷电直接击在发电厂和变电所的电气设备上；二是架空输电线路遭受雷击产生的感应雷过电压或直击雷过电压形成的雷电波侵入发电厂和变电所，造成更加严重的破坏3。雷电是自然界的一种特殊的、极其壮观的声、光、电的现象。它对人类有益也有害，也是全球电路中不可缺少的一环。因此不能盲目地消灭雷电，要逐步深入的了解雷电的形成过程和它的特性，最大限度的发挥雷电的潜能，并开发出各种有效的预防雷电的技术和设备，降低雷击的跳闸率，使配电设备的雷击损坏率减少，使人类的自身安全和经济财产得到保障，确保配电网能够安全稳定的运行4。312国内外研究现状目前，世界上许许多多的国家和地区的研究人员对各种过电压包括雷电过电压进行了研究和试验，并成功的研制出相应的防护过电压的方法和防护安装设备。例如，发电厂和变电所对于直击雷的保护措施一般是采取在相应的位置装设避雷针，对于侵入波的保护措施一般是装设避雷器，目的用来限制入侵雷电波的幅值，使电气设备上的过电压不至于超过其冲击耐压值。在发电厂和变电所的进出线上装设进线段保护，用来限制流经避雷器的雷电流幅值及入侵雷电流的陡度。到目前为止，由于雷电的复杂性和不确定性，使得人们对于雷电的认识存在一定的局限性，为了提高输电线路的耐雷水平，国内外学者和研究人员针对各种各样的雷电状况，用EMTP、ATP等软件建立了多样的仿真模型来模拟输电线路、发电厂或变电站的雷电过电压56。目前，人们对雷电过电压的形成机理已经有了比较统一的认识，也对雷电过电压及侵入变电站的过电压进行了详细的研究与仿真，提出了许多有效的防雷保护措施。然而，由于雷电产生的随机性和不确定性，使得输电线路上雷击事故时有发生。因此，研究雷电过电压特征是十分必要的，也为雷电监测工作提供参考性的依据7。对于雷电产生机理的认识，避雷线一输电线路一线路杆塔组成系统的雷电冲击下过电压波过程的认识8，国内外的研究人员提出了很多方法和理论，通过选择某种方法对雷电过电压进行建模仿真和计算来研究雷电过电压的特性。虽然，研究过程中由于地区地貌气候的特点，土壤电阻率大小的差异等因素，要忽略一些事实存在的条件，使模型的建立更加简化，所得的仿真结果与实际系统运行的结果进行比较，找出差异因素，不断完善仿真模型，得出更接近真实雷电过程的数据与特性，对于电力系统设备防雷保护工作提供可靠的依据9。13本论文主要内容本论文阐述了各种过电压的生成和研究其特征的实际工程意义,同时论述了雷电过电压在国内外的研究现状，雷电过电压的形成和类型，直击雷和感应雷过电压的特点和危害，用电磁暂态ATPEMTP软件建立了仿真模型，分析500KV变电站的雷电暂态过程。根据雷电过电压的危害并简单介绍了雷电过电压的防雷措施。1主要论述了过电压的种类和危害，雷电的形成过程和雷电的相关参数。同时,也简4略分析了最常发生且危害很大的两种雷电过电压和其放电模型，它们是直击雷过电压和感应雷过电压。2介绍了躲避和限制雷电破坏性的防雷装置，有避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。对单支避雷针、两支等高避雷针、两支不等高避雷针、多支等高避雷针、单根避雷线、两根等高平行避雷线的的防雷及保护范围原理有了清晰的理解；还有关于避雷器的工作原理及常用种类的了解。3根据对电磁暂态计算程序的了解，首先对ATPEMTP软件的由来、组成和应用做了相应的介绍。然后以500KV变电站为例，用ATPDRAW软件仿真变电站的雷电暂态过程，得出模拟雷电波波形。选择不同的雷击点，运行相应的电路仿真模型图，得出线路杆塔三相导线上的电压、变电站入口处线路1三相导线上的电压、电压互感器安装处三相导线上的电压、变压器处三相导线上的电压波形图；通过试验，雷击不同杆塔时，雷击点离变电站越近，变电站内雷电侵入波幅值越高。所以安装相应的金属氧化物避雷器，可以限制在变压器的电压，使变压器得到相应的保护。4针对输电线路、发电厂和变电所遭受雷击的各种情况，全面考虑线路的重要程度、系统运行方式、线路经过地区雷电发生的强弱情况、地形的特点、土壤电阻率的大小等条件，结合本地现有线路的实际运行经验，综合经济技术条件允许的前提下，因地制宜地采取确实可行的防护雷击的方式。综上所述，在发生事故后，可以根据发生的过电压类型，并基于线路的具体情况考虑防雷措施。5第二章雷电过电压21过电压的类型和特点超过最高运行电压并可使电力系统绝缘或电气设备损坏的电压升高叫做过电压。过电压按其发生的原因可以分为外部过电压和内部过电压两个大类型10。外部过电压又叫大气过电压或雷电过电压，它是由于直接雷击或雷电感应而引起的。雷电过电压又分为直击雷过电压、感应雷过电压、雷电侵入波。外部过电压具有脉冲特性，雷电冲击电流和冲击电压的幅值都很大，持续时间很短，破坏性极大。内部过电压是由于电力系统内部能量的转化或传递引起的过电压。内部过电压按其产生的原因分为操作过电压和暂时过电压；暂时过电压又包括谐振过电压和工频电压升高，一般操作过电压的持续时间在01S以内，而暂时过电压的持续时间要长得多。内部过电压的持续时间较长，其幅值和瞬时功率不及外部过电压，但具有较大的破坏性。在电力系统运行中，当进行操作或发生故障时，将会发生回路从一种工作状态通过振荡转变到另一种工作状态的过渡过程，并出现操作过电压，操作过电压存在的时间一般为几至几十毫秒。电力系统中常见的操作过电压有中性点绝缘电网中的电弧接地过电压；切除电感性负载过电压；切除电容性负载过电压；空载线路合闸（括重合闸）过电压以及系统解列过电压等。当外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振动频率时，就会出现周期性的或准周期性的谐振现象，引起谐振过电压；随着振荡回路中电感元件的特性不同，谐振将呈现三种不同的类型，有线性谐振、参数谐振、铁磁谐振（非线性谐振）。图21过电压的类型根据以上的描述，电力系统中过电压的各种类型可用图21来表示。211过电压的危害在过电压的作用下如不采取措施，则电气设备的绝缘将会被击穿而造成设备损坏和停电事故。在电力系统中，工频过电压的倍数一般要小于20倍，这对于220KV及以下系统的电气设备绝缘是安全的。但是对于像特高压和超高压这种远距离输电的系统来说，6工频过电压对系统绝缘水平的确定起着至关重要的作用；产生这种状况的原因是系统中有可能在伴随工频电压升高的同时，又有操作过电压产生。这两种类型的过电压同时作用，会对电气设备绝缘造成危害。决定保护电器工作条件的重要依据是工频电压升高的数值。例如，避雷器的最大允许工作电压就是由避雷器安装处的工频电压升高决定的。工频电压升高幅值越大，避雷器的最大允许工作电压也要提高，则避雷器的冲击放电电压和残压也将提高，相应被保护的电气设备绝缘水平亦要随之提高。工频电压升高持续的时间长，对电气设备绝缘及其运行性能有重大影响，可能造成污秽绝缘子闪络、电气设备的铁芯过热、电晕及电磁干扰等等。在电力系统中产生工频过电压的主要原因有空载长线路引起的电容效应、系统发生不对称接地故障以及发电机的突然甩负荷。我国超高压电力系统的工频过电压水平规定为线路断路器的变电站侧不大于13倍；线路断路器的线路侧不大于14倍。我国新建的特高压示范工程系统中，要求将工频过电压限制在13倍以下，在个别情况下线路侧可短时（持续时间不大于03S）允许在14倍以下。电力系统中的谐振过电压，它的产生是发生在电力系统操作或发生故障时的过渡过程中，而且有可能在过渡过程结束以后的很长时间里依然稳定的存在，直至进行新的操作，破坏原回路的谐振条件。由于谐振过电压的存在的时间过长，它的危害很大，破坏电气设备的绝缘水平，产生的过电流由于时间很长以致设备被烧毁，这种破坏如果得不到抑制，又会使电压保护装置遭到损坏。操作过电压是指电力系统中由于操作从一种稳定工作状态通过震荡转变到另一种工作状态的过渡过程中所产生的过电压。这里所说的“操作”包括正常使用断路器的操作，像电抗器和空载变压器的分闸操作、空载线路的分闸和合闸操作等；以及接地故障和断线故障等。22雷电过电压的产生雷电是一种恐怖而又壮观的自然现象，人们对于雷电现象的科学认识始于18世纪中叶，著名科学家有富兰克林（FRANKLIN）、MB罗蒙诺索夫JIOMOHOCOB、LB黎赫曼PHXMAH等，例如著名的富兰克林风筝实验，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种火花放电的秘密，他们通过大量实验取得了卓越成就，建立了现代雷电学说，认为雷击是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象。特别是利用高速摄影、自动录波、雷7电定向定位等现代测量技术对雷电进行的观测研究，大大丰富了人们对雷电的认识。221雷云的形成根据大量科学测试可知，地球本身就是一个电容器。通常大地稳定地带负电荷500KC左右，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之间便形成一个已充电的电容器，他们之间的电压为300KV左右，并且场强为上正下负。能产生雷电的带电云层称为雷云。雷云的形成主要是由于含水气的空气的热对流效应。太阳的热辐射使地面部分水分化为蒸气，含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤而上升，会产生向上的热气流。热气流每上升10KM，温度下降约10，热气流与高空冷空气相遇形成雨滴、冰雹等水成物，水成物在地球静电场的作用下被极化，形成热雷云。水平移动的冷气团或暖气团，在其前锋交界面也会因冷气团将湿热的暖气团提高而形成面积很大的锋面雷云。雷云的形成过程是综合性的。强气流将云中的水滴吹裂时，较大的残滴带正电，较小的水珠带负电，小水珠被气流带走，于是云的各部分带有不同的电荷，这是水滴破裂效应。水在结冰时，冰粒会带正电，没有结冰的被风吹走的小水珠将带负电，这是水滴结冰效应。雷云的形成也可能与气流、风速密切相关，而且与地球磁场也有一定的联系。雷云内部的不停运动和相互摩擦使雷云产生大量的带正、负电荷的小微粒，即所谓的摩擦生电。庞大的雷云就相当于一块带有大量正、负电荷的云块，而这些正、负电荷不断地产生，同时也在不断地复合，它与地球磁场磁力线产生切割，这就好像导体切割磁力线产生电流一样，云中的正、负电荷将产生定向移动。当正、负电荷积聚足够多时，将引起雷云间、雷云中或雷云对地的放电，由此可见，雷云源于大气的运动。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式降落到地面。当上面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，实测表明，在离地面510KM的高度主要是带正电荷的云层，在离地面15KM的高度主要是带负电荷的云层，在其底部也往往有一块不大区域的正电荷聚集。222雷电放电过程在电力系统中最常见的雷电过电压是由带负电的雷云对地放电引起的，称为负下行雷。若以负下行雷为例来分析雷电放电的过程。负下行雷的放电过程通常包括若干次重复，每次放电的过程又可以分为三个阶段，主要是先导放电阶段，主放电阶段，余辉放电阶段。下面介绍三个放电阶段的具体过程81先导放电阶段一个完整的先导放电阶段的时间约为0005001S，先导放电阶段的雷电流比较小，大约是100A。先导放电是因为雷云中带有大量的电荷，由于静电感应，大地感应出与雷云中电荷极性相反的电荷。雷云与其下方的地面就形成一个已经充电的电容器。雷云中的电荷是不均匀分布的，当雷云中的电荷密集中心的电场强度和空气击穿场强（2530KV/CM,有水滴存在时约10KV/CM）一样时，空气便开始电离，形成指向大地的一段导电通道。该过程称为先导放电。先导放电在一开始的阶段是以跳跃式的形式向前发展，每段的发展速度约为45M/S，延续时间大约为1S；但是每段向前推进约50M，就有3090S的脉冲间隔存在，因此它前进的平均速度也就只有M/S。先导中心的线电荷密度大约为066M,先导放电常常表现为树枝状，这是因为先导放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。在这些树枝状的先导放电中，往往只有一条放电分支抵达大地。从先导放电的光谱分析可以看出，先导发展时其中心温度可达到K，在停歇时温度约为K。2主放电阶段当下行先导到达地面，或与地面上的突出物体产生的迎面先导相遇，就会产生贯穿雷云与大地的放电通道。这时就进入主放电阶段，主放电阶段过程是逆着负先导的通道由下向上发展的。地面感应的正电荷将向上与先导通道中的负电荷产生强烈的中和，通道中的雷电流将达到几十至几百千安，在这个过程中，主放电通道中的大电流使通道中的温度可达1500020000，使空气急速的膨胀震动，发生强烈的闪光和震耳的雷鸣。主放电电流的波头时间约为0510S，平均时间约为25S。主放电的时间极短，约为50100S。主放电的速度一般为光速的。3余辉放电阶段当正电荷达到云端，主放电过程就结束了。但是雷云的电荷中心分布是不均匀的，雷云中剩余的电荷将会继续沿着主放电通道向下移动，使得通道连续处在一定余辉状态，该过程就是余辉放电阶段。余辉放电阶段，由于通道的温度下降，使得导电性能降低，电流不大，仅数百安，但持续时间长，大约可达003015S。由于雷云中可能存在许多个电荷中心，一个电荷中心通过三个阶段完成放电过程后，很可能引起其他电荷中心再次向第一个中心放电，并且顺着第一个电荷放电通路开始发展，所以雷云放电具有重复性的特点。雷云的电荷中心每次放电间隔约为06800MS，这就是所说的多次重复放电。据统计，55的雷击会有两次及两次以上的重复放电，重复放9电35次的大约占到25，以平均重复3次来计算，最高的纪录次数达到42次。第二次及以后的先导放电速度快，称为箭形先导，主放电电流较小，一般不超过50KA，但是电流陡度大大增加。下面图22所示为负雷云下行雷过程。图22负雷云下行雷的过程A负下行雷的光学照片描绘图B）放电过程中雷电流的变化过程23雷电参数雷电放电受地形、地质和气象条件等自然因素的影响，带有很大的随机性；许多国家在他们当地典型的地区建立雷电观测点，进行长期且系统的雷电观察，然后将观察所得的数据进行统计和分析，得到相应的各种雷电参数。因此表征雷电特性的各参数也就具有统计的性质。表征雷电特性的雷电参数主要有雷暴日和雷暴小时，雷电流，雷电流幅值，地面落雷密度，主放电通道波阻抗，雷电流等值波形，雷电流陡度等。231雷暴日和雷暴小时描述一个地区雷电活动的活跃程度，通常采用该地区的雷暴日（TD）或雷暴小时（TH）这两个参数来表示。一个地区一年内平均雷电放电的天数称为雷暴日，单位D/A；平均一年内发生雷电的小时数称为雷暴小时，单位H/A。统计时，雷暴日和雷暴小时的计算是在一天之内能听到雷声就算一个雷暴日，在一小时之内能听到雷声就算一个雷暴10小时，一般地，一个雷暴日相当于三个雷暴小时。根据我国电力行业标准DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合以下简称DL/T6201997标准，不同程度的雷区划分如下面表21所示表21雷区划分雷区少雷区中雷区多雷区强烈雷区平均年雷暴日数/天0151540409090232地面落雷密度在雷暴日或雷暴小时的统计中，没有区分雷云对地的放电还是雷云之间的放电。一般而言，云间放电的比重较大，而雷击地面才对电力系统构成危害。表征雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度来表示，是指每一暴雷日每平方公里地面遭受雷击的次数。地面落雷密度和雷暴日的关系可用如下公式表示为21按DL/T6201997标准，取值为40，则取值为007。由于输电线路往往高出地面，容易引发雷击，它的吸引范围与导线的高度有关，每100KM线路每年遭受雷击的次数用N来表示，关系式如下表示为22410DBHT式中B为两避雷线之间的距离，单位为M；若为单根避雷线，B0；若无避雷线，则B为边相导线间的距离；H为避雷线（或导线）的平均高度，单位为M。对的地区，式22可以简化如下表示为230284NBH233主放电通道波阻抗从实际效果出发，先导放电通道可近似认为是由电容和电感组成的均匀分布参数的导电通道，它的波阻抗为，其中L0代表的是通道单位长度的电感量，C0代00ZL表的是通道单位长度的电容量。从式子中可以看出，主放电通道波阻抗与主放电通道的11雷电流有关，随着雷电流的增大，波阻抗也增大，一般地Z0取值范围为3003000，按DL/T6201997标准一般将主放电通道波阻抗Z0值取为300。而且雷电流主放电是沿着波阻抗为Z0的先导通道传播的。234雷电流极性当雷云电荷为负时，发生的雷云放电为负极性放电，雷电流极性就是负的；反之，雷电流极性就是正的。根据实测统计资料，不同的地势，雷电流正极性比例是不一样的，负极性所占的比例大约是7590，因此，为了便于防雷保护的研究分析，雷电流极性都取负极性。235雷电流幅值按照DL/T6201997标准，一般我国雷暴日大于20的地区，雷电流的概率分布可用如下关系式表示为或24810IP式中P为雷电流幅值超过I的概率；I为雷电流幅值，单位为KA。对除陕南以外的西北、内蒙古的部分雷暴日小于20的地区，雷电流的概率分布为或25410IP按照经验公式24和式25，可以得到我国一般地区雷电流幅值超过88KA的概率约为10，超过100KA的概率约为73；西北地区雷电流幅值超过88KA的概率约为1。236雷电流等值波形由于各国的自然地理条件的不同，雷电流的幅值也有很大的差异，但是雷电流波形测得的结果却是基本一致。第一次负放电电流波形的波头较长，在峰值附近有明显的双峰；随后放电电流波形的波头较短，没有双峰，电流陡度远大于第一次放电，而电流幅值约为第一次放电的一半。放电之后，约有一半存在连续的后续电流，至少持续40MS，电流从数十至500KA，平均12约100KA。据统计，雷电流的波头F范围是15S，多数情况下为2526S；波长T多在20100S的范围内，平均约为50S；按DL/T6201997标准，F取26S，T为50S，记为26/50S。雷电冲击试验和防雷设计中常用的雷电流等波形有双指数波、斜角波和半余弦波三种。与实际雷电流波行最接近的等效波形为双指数波，又称为雷电流的标准波形，如图23A所示，其表达式如下260TTIEI式中I0为某一固定的雷电流幅值；、为常数，由雷电流的波形确定。双指数波计算复杂，为了简化防雷计算，DL/T6201997标准建议在一般线路防雷设计中可采用等效斜角波，如图23B所示，其波头陡度A由雷电流幅值I和波头时间F决定，AI/F，其波尾部分是无限长的，又称斜角平顶波。与雷电波的波头较近似的波形是半余弦波，如图23C所示，其波头部分的表达式为271COS2IIT式中W为角频率，由波头F决定，W/F。半余弦波头仅在大跨越、特殊杆塔线路防雷设计中采用。A双指数波B斜角波13C半余弦波图23雷电流的等效波形237雷电流陡度雷电流的陡度越大，对电力系统的电气设备造成的损害也就越大。雷电流随时间上升的速度称为雷电流陡度。由于雷电流陡度的直接测量比较困难，经常要根据一定的幅值、波头和波形来推算。按照DL/T6201997标准取波头形状为斜角波，波头取值为26S，雷电流陡度取值AI/26。雷电流冲击波波头陡度出现的概率可用下列公式计算或283610AP式中为雷电流陡度超过A的雷电流的概率。从式28可知，雷电流陡度大于30KA/S的雷电流的概率为15，雷电流陡度大于50KA/S的雷电流的概率为4，雷电流的概率越低，平均陡度一般约取为30KA/S。在半余弦波中，最大陡度出现在波头中间，即TF/2处，其值为29MAXAX2DIIWT平均陡度为210CFI因此，在给定雷电流幅值I和最大陡度的情况下，可以求出余弦波头对应的角频率和波头211MAX2WI10AOLG14212MAX2FI24雷电过电压的形成241直击雷过电压雷击地面是由先导放电转变为主放电的过程，可以用一根已充电的垂直导线突然与被击物体接通来模拟，如图24A所示。Z表示被击物体与大地（零电位）之间的阻抗，（C/M）是先导放电通道中电荷的线密度，开关S未闭合之前相当于先导放电阶段。当先导通道到达地面或与地面目标上发出的迎面先导相遇时，主放电即开始，即相当于开关S闭合。此时将有大量的正、负电荷沿通道相向运动，如图24B所示，使先导通道中的剩余电荷及云中的负电荷得以中和，这相当于有一电流波由下而上地传播，其值为I，代表逆向的主放电速度，单位为M/S。综上所述，主放电过程可以看作是有一负极性前行波从雷云沿着波阻抗为Z0的雷电通道传播到A点的过程，因此把雷电放电过程简化成为一个数学模型，如图24C所示。进一步得到其电压源和电流源彼德逊等效电路，如图24D所示；U0和I0分别是从雷云向地面传来的行波的电压和电流。A模拟先导放电B模拟主放电C主放电通道电路15D等效电路图24雷击大地时的计算模型从图（D）中可知主放电电流I0流过阻抗Z时，A点的电位将突然变为I0Z，实际上，先导通道中的电荷密度和主放电的发展速度是很难测定的，但主放电开始后流过Z的电流I0的幅值却不难测得，所以从A点电位出发建立雷电放电的计算模型。1雷直击于地面上接地良好的物体根据雷电流的定义，这时流过雷击点A的电流即为雷电流I。采用电流源彼德逊等效电路，相对于雷道波阻抗Z0（约为300），接地良好的被击物在雷电作用下的接地电阻RI较小（一般小于30），ZRI可以忽略不计，则雷电流为213002IZ雷电流幅值能实际测得，沿雷道波阻抗Z0下来的雷电入射波的幅值I0I/2，A点的电压幅值UAIRI。2雷直击于输电线路的导线当雷直击于输电线路的导线时，如图25所示，雷击线路后，电流波向线路的两侧流动，如果电流电压均以幅值表示，则2140022ZUIZI导线被击点A的过电压幅值为2150AZZII若取导线的波阻抗Z400,Z0取为300，当雷电流幅值I30KA，被击点直击雷过电压UA120I3600KV。若取近似计算，假设，即认为雷电波在雷击点未发生折、反射，则式（20215）可简化为1621614AUIZ取导线的波阻抗Z400，被击点直击雷过电压计算式为21710AI这就是DL/T6201997标准用来估算直击或绕击导线的过电压和耐雷水平的近似公式。如果雷电流幅值I30KA，过电压，当雷电击中导线后，在导线103KVAUI上产生很高的过电压，会引起绝缘子闪络，需要采用防护措施，架设避雷线可有效地减少雷直击导线的概率。A示意图B等效电路图25雷电直击线路导线242感应雷过电压由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场会急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如图26A所示，这些电荷对导线产生静电感应，在负先导附近的导线上积累了异号的正束缚电荷，而导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。因为先导放电的速度很慢，所以导线上电荷的运动也很慢，由此引起的导线中的电流很小，同时由于导线对地泄漏电导的存在，导线电位将与远离雷云处的导线电位相同。当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图26B所示。电荷流动形成的电流I乘以导线的波阻抗Z即为两侧流动的静电感应过电压波UIZ。此外，先导通道电荷被中和时还会产生时变磁场，使架空导线产生电磁感应过电压波。由于主放电通道是和架空导线互相垂直的，互感不大，所以总的感应雷过电压幅值的构成是以静电感应分量为主。17A先导放电阶段B主放电阶段图26感应雷过电压的形成工程中实用计算按照DL/T6201997标准，雷云对地放电时，当落雷处距架空导线18的垂直距离S65M时，无避雷线的架空线路导线上产生的感应雷过电压最大值可按下式估算21825CIIHUS式中UI为雷击大地时感应雷过电压最大值，单位为KV；I为雷电流幅值，单位为KA；HC为导线平均高度，H为杆塔处导线高度，F为弧垂，单位为M；23CHS为雷击点与线路的垂直距离，单位为M。感应雷过电压UI的极性与雷电流极性相反。由式218可知，感应雷过电压与雷电流幅值I成正比，与导线悬挂平均高度HC成正比。HC越高则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就越高；感应雷过电压与雷击点到线路的距离S成反比，S越大，感应雷过电压越小。由于雷击地面时，被击点的自然接地电阻较大，式218中的最大雷电流幅值一般不会超过100KA，可按100KA进行估算。感应雷过电压与直击雷过电压相比，感应雷过电压的波形较平缓，波头时间在几微秒到几十微秒，波长较长，达数百微秒。25本章小结本章主要论述了过电压的种类和危害，雷电的形成过程和雷电的相关参数。同时,也简略分析了最常发生且危害很大的两种雷电过电压和其放电模型，它们是直击雷过电压和感应雷过电压。19第三章防雷保护设备雷电放电是一种自然现象，具有电流大、时间短、频率高、电压高的特点，一旦爆发是难以制止的，如不采取相应的防护措施，将会引发电力系统发生故障，造成大面积、长时间的停电。目前人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，采取的基本方法有装设避雷针，避雷线，避雷器，或装设电抗线圈和电容器组以及消弧线圈，防雷接地和防雷接地自动重合闸等防雷保护装置。避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。31避雷针防雷原理及保护范围避雷针是明显高出被保护物体的金属支柱，其针头采用圆钢或钢管制成，其作用是吸引雷电击本身，并将雷电流迅速泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。避雷针需有足够截面积的接地引下线和良好的接地装置，以便将雷电流安全可靠地引入大地。避雷针一般用于保护发电厂和变电所，可根据不同情况装设在配电构架上，或独立架设。311避雷针的保护范围按照DL/T6201997标准采用折线法确定避雷针的保护范围方法如下1单支避雷针采用单支避雷针的保护范围如图31所示A避雷针在地面上的保护半径，应按如下关系式来计算3115RHP式中R为保护半径，M；H为避雷针的高度，M；P为高度影响系数，H30M，P1；30MH120M，；当H120M时，取P的值为120M。B在被保护物高度HX水平面上的保护半径应按下列方法确定1当时2XH2032XXARHP式中RX为避雷针在HX水平面上的保护半径，M；HX为被保护物的高度，M；HA为避雷针的有效高度，M。2当HXRX时，取BXRX。21求得BX后，可按图32绘出两针间的保护范围。两针间距离与针高之比D/H不宜大于5。图32高度为H的两等高避雷针的保护范围图33两等高H避雷针间保护范围的一侧最小宽度BX与D/HAP的关系A；B/07ADP/57AHP（3）两支不等高避雷针采用两支不等高避雷针的保护范围如图34所示图34两支不等高避雷针的保护范围22A两支不等高避雷针外侧的保护范围可以分别按单支避雷针的计算方法来确定。B两支不等高避雷针间的保护范围应按单支避雷针的计算方法，先确定较高避雷针1的保护范围，然后由较低避雷针2的顶点，作水平线与避雷针1的保护范围相交于点3，取点3为等效避雷针的顶点，再按两支等高避雷针的计算方法确定避雷针2和3间的保护范围。通过避雷针2、3顶点及保护范围上部边缘最低点的圆弧，其弓高应按下式计算7FDP35式中F为圆弧的弓高，M；为避雷针2和等效避雷针3间的距离，M。D4多支等高避雷针多支等高避雷针的保护范围如图35所示图35三、四支等高避雷针在HX水平面上的保护范围A三支等高避雷针在HX水平面上的保护范围B四支等高避雷针在HX水平面上的保护范围32避雷线防雷原理及保护范围避雷线，又称架空地线，简称地线。避雷线的防雷原理与避雷针相同，主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电站，近年来许多国家采用避雷线保护500KV大型超高压变电所。用于输电线路时，避雷线除了防止雷电直击导线外，同时还有分流作用，以减少流经杆塔入地的雷电流从而降低塔顶电位，避雷线对导线的耦合作用还可以降低导线上的感应雷过电压。231单根避雷线采用单根避雷线的保护范围如图36所示图36单根避雷线的保护范围H30M时，25在HX水平面上每侧保护范围的宽度按下列公式计算A当时2X36047XXRHPB当时2XH37153XXRHP式中RX为水平面上每侧保护范围的宽度，单位为M；H为被保护物的高度，单位为M；XHH为避雷线的高度，单位为M。（2）两根等高平行避雷线采用两根等高平行避雷线的保护范围如图37所示A两避雷线外侧的保护范围和单根避雷线的计算方法一致。B两避雷线间各横截面的保护范围由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的24圆弧确定。O点的高度应按下式计算3804DHP式中为两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，单位为M；0HD为两避雷线间的距离，单位为M；H为避雷线的高度，单位为M。C两避雷线端部的两侧保护范围仍按单根避雷线保护范围计算。两线间保护最小宽度参见图32按下列方法确定1当时2XH39047XXBHP2当时2XH3100153XXBHP图37两根平行避雷线的保护范围33避雷器工作原理及常用种类避雷器是专门用以限制线路传来的雷电过电压或操作过电压的一种防雷装置。实质上是一种过电压限制器，与被保护的电气设备并联连接，当过电压出现并超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，从而限制了过电压的发展，使电气设备免遭过电压损坏。25正确使用和选择避雷器，一般有以下基本要求首先，避雷器应具有良好的伏秒特性曲线，并与被保护设备的伏秒特性曲线之间有合理的配合；其次，避雷器应具有较强的快速切断工频续流，快速自动恢复绝缘强度的能力。避雷器的常用类型有保护间隙、排气式避雷器（又称管型避雷器）、阀式避雷器和金属氧化物避雷器（又称氧化锌避雷器）四种。34本章小结本章主要介绍了躲避和限制雷电破坏性的防雷装置，有避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。对单支避雷针、两支等高避雷针、两支不等高避雷针、多支等高避雷针、单根避雷线、两根等高平行避雷线的防雷及保护范围原理有了清晰的理解；还有关于避雷器的工作原理及常用种类的了解。26第四章雷电暂态EMTP仿真41电磁暂态计算程序EMTP电力系统分析程序EMTP是目前国际通用的一种数字程序。它具有规模大、功能强的特点，最初由加拿大不列颠哥伦比亚大学UBC的HWDOMMEL教授创立，又经过很多专家的共同努力而不断完善。EMTP是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟，主要用于计算电力系统中的电磁暂态过程。本文选择ATP程序THEALTERNATIVETRANSIENTSPROGRAM来仿真分析，是因为ATP程序是目前世界上电磁暂态分析程序EMTP最广泛使用的一个版本，它在世界范围内有许多用户，开发的图形输入程序ATPDRAW通过会电路图，在界面上输入数据，借助微机建立数据文件，使用非常方便。ATPEMTP软件对于电力系统稳态电路和暂态过程均可以进行仿真计算，特别在电磁暂态过程的计算方面较其他仿真软件更具有优势，国内外科研人员在进行电力系统电磁暂态过程研究中一般首选ATPEMTP软件。由于ATPDRAW软件的开发和应用，大大简化了ATPEMTP编程和数据输入的过程，使ATPEMTP不仅易于初学者的学习和掌握，对于专业的电力科研人员的使用也更加方便。随着计算机技术的发展，ATPEMTP及ATPDRAW软件也在不断地升级和完善，该仿真软件强大的计算功能、友好的操作界面及丰富的元件模型必将使其在电力系统科学研究中得到更广泛的应用。42雷电暂态EMTP仿真与分析此例子用ATPDRAW仿真变电站的雷电暂态过程，图41为研究的500KV变电站的单线图。总线上的数据为每段的长度（单位M）。假设，以空盒子形状表示的断路器是断开的，该运行方式下，只有两条传输线路与传统有避雷器保护的变压器相连。模拟的事件是在距离变电站09KM远处发生雷击事故造成的单相闪络。27图41变电站的单线图假设是由一个幅值为120KA，波形参数为4/50S的直接对地线的雷击引起的，雷电模型路径电源SOURCESHEIDLER冲击波电源HEIDLERTYPE15；参数设定雷电流幅值120000，波头时间为4E6，半波时间为5E5，雷电通道波阻抗为400。雷击点的选择，计算中将变电站和进