（农业电气化与自动化专业论文）气流扰动下的电弧模型及灭弧间隙应用.pdf

, , , nswil洲llille i | 1 1i l l y 17 3 7 9 3 9 。 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经 发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：陆钨蔓 必口年么月西日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 叼即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：陆配 导师签名： 砌癖多月才日 气流扰动下的电弧模型及灭弧间隙应用 摘要 为了方便工程上的计算分析，本文根据链式电弧模型的思 想，将电弧细分为相连的圆柱形电流元进行推导，建立气流扰动 下的电弧模型。在高速气流的扰动下，电弧从一个低速的运动状 态在短时间内加速到与高速气流相当的状态，电弧的运动速度主 要取决于吹弧的气流作用、介质的阻力以及磁场作用力。用m a y r 方程仿真分析电弧不稳定与截流现象，如果介质恢复强度小于瞬 态恢复电压，就会导致电弧重燃，气体发生器喷射的绝缘气体增 强了介质的恢复强度，还可以快速拉长、冷却并切断电弧，避免 介质重燃和热重燃，有利于吹断电弧。通过变压器在间隙上建立 稳定燃烧的电弧，用摄像机观察灭弧间隙防雷装置熄灭电弧的效 果。气体发生器在冲击电流作用下被触发，喷射的高速气流使电 弧受到剧烈扰动，几何形态发生显著变化，电弧被吹断，温度迅 速下降最终熄灭。课题小组根据线路的实际情况和所处地理环境 特点，通过反复计算及实验分析，研制出符合电压等级为l o k v 和3 5 k v 的系列产品。合浦线路段试点运行历时3 年雷击不跳闸， 证明灭弧间隙是配网防雷措施的一个可行方向，取得的研究成果 对降低线路雷击跳闸率具有实用价值，极大提高了线路的输电可 靠性。 关键词：防雷跳闸率电弧灭弧间隙灭弧系数 m o d e l i n go fa r ci na i r f l o wd i s t u r b a n c e a n da p p l i c a t i o no fj e ts t r e a m i n t e r r u p t e rg a p a b s t r a c t c o n s i d e r i n go ft h ea c t u a le n g i n e e r i n gs y s t e m s ，as i m p l e a p p r o a c hf o ra r cm o d e lo fa r ci na i r f l o wd i s t u r b a n c ei sp r o p o s e d i nt h i sp a p e rb a s eo nt h ec h a i na r cm o d e l a r ci ss u b d i v i d e di n t oa n u m b e ro fc o n n e c t e dc y l i n d r i c a lc u r r e n te l e m e n t s i nh i g h s p e e d a i r f l o wd i s t u r b a n c e ，t h ea r cc a na c c e l e r a t et oah i g h - s p e e d m o v e m e n tf r o mas l o w s p e e dm o v e m e n ti nas h o r tt i m e t h e v e l o c i t yo ft h ea r cd e p e n d so nt h er o l eo fa i r f l o w ，m e d i u m r e s i s t a n c ea n dm a g n e t i cf i e l d a r c i n s t a b i l i t y a n dc u r r e n t c h o p p i n gp h e n o m e n o nc a nb es i m u l a t e db ym a y re q u a t i o n i ft h e d i e l e c t r i c r e c o v e r ys t r e n g t h l e s st h a nt h et r a n s i e n t r e c o v e r y v o l t a g e ，t h ea r cw o u l db er e i g n i t e t h ei n s u l a t i o ng a st h a tje t f r o mg a sg e n e r a t o rc a ne n h a n c et h ed i e l e c t r i cr e c o v e r ys t r e n g t h ， q u i c k l ye l o n g a t e d ，c o o lt h ea r ca n da v o i dt h em e d i ar e - i g n i t ea n d h e a tr e i g n i t e 。i sc o n d u c i v et ob l o w0 f ft h ea r c as t a b l eb u r n i n g a r ci nt h eg a pi se s t a b l is h e db yt h et r a n s f o r l n e ra n dt h ee f f e c to f e x t i n g u i s h i n g a r co f j e t s t r e a m i n t e r r u p t e rg a pl i g h t n i n g p r o t e c t i o nd e v i c ew a so b s e r v e db yc a m e r a g a sg e n e r a t o ri s t r i g g e r e db yt h ei m p u l s e c u r r e n t as i g n i f i c a n tc h a n g ei nt h e g e o m e t r y ，t h ea r c w a sb l o w no f fb y h i g h s p e e da i r a n dt h e t e m p e r a t u r ef e l lr a p i d l y a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no f o v e r h e a dl i n ea n dg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t ，w ed e v e l o p e d p r o d u c t sf o r1o k va n d35 k vo v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e st h r o u g h r e p e a t e d c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l a n a l y s i s r e s u l t so f c a l c u l a t i o nr e v e a lt h a tt h ec o n s t r u c t i n ga r kr a t ea n dt h ef l a s h o v e r h r a t eo fat r a n s m i s s i o nl i n e w i l lb e g r e a t l y r e d u c e da f t e r i n s t a l l a t i o no f j e ts t r e a mi n t e r r u p t e rg a pa n dl i g h t n i n gt r i pd i dn o t o c c u ri nh e p ul i n es e g m e n tw h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h er e l i a b i l i t y o ft h et r a n s m i s s i o nl i n e j e ts t r e a mi n t e r r u p t e rg a pi saf e a s i b l e d i r e c t i o no fl i g h t n i n gp r o t e c t i o nm e a s u r e s k e yw o r d s ：l i g h t n i n g p r o o f ；f l a s h o v e rr a t e ；a r c ；j e ts t r e a m i n t e r r u p t e rg a p ；i n t e r r u p t e rc o e f t i c i e n t i 目录 第l 章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 输电线路的传统防雷手段2 1 3 国内外线路防雷研究进展4 1 4 本文主要工作5 第2 章输电线路防雷的影响因素7 2 1 感应雷过电压对输电线路的影响一7 2 2 直击雷过电压对输电线路的影响1 l 2 3 输电线路雷击跳闸率分析1 4 2 4 加装间隙对输电线路的影响1 7 2 4 1 并联间隙防雷装置1 7 2 4 2 线路装设并联间隙的跳闸率计算1 8 2 5 小结2 0 第3 章高速气流扰动下的电弧模型2 1 3 1 电弧的特性2 l 3 1 1 电弧区域划分2 l 3 1 2 电弧开断方法2 2 3 2 常用电弧模型。2 4 3 3 气流扰动下的电弧模型一2 5 3 3 1 电弧运动速度2 5 3 3 2 电弧吹断模型2 8 3 4 电弧吹断仿真3l 3 5 小结3 4 第4 章灭弧间隙防雷装置的实验与运行3 6 4 1 灭弧间隙防雷装置3 6 4 2 电弧的吹断试验3 8 i v 4 2 1 气丸配置参数3 8 4 2 2 气吹分断实验3 9 4 3 灭弧间隙的运行4 0 4 4 小结4 2 第5 章线路加装灭弧间隙的效果4 3 5 1 蒙特卡洛法计算雷击跳闸率4 3 5 1 1 雷电流分布规律4 3 5 1 2 算法流程4 6 5 1 3 算例分析4 7 5 2 合浦3 5 k v 线路段改造5 1 5 2 1 加装灭弧间隙的跳闸率计算5 l 5 2 2 改造效果5 2 5 3 小结5 4 第6 章结论与展望5 6 参考文献5 8 致谢6 2 声明6 3 攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目6 4 v 主要符号对照表 绝缘子5 0 放电电压 感应过电压幅值 塔顶电位幅值 工频接地电阻 平均运行电压梯度 建弧率 击杆率 绕击率 塔顶耐雷水平 线路耐雷水平 跳闸率 电弧电压 电子游离度 电弧运动速度 电弧电阻 电弧热散发功率 对流散热功率 电弧时间常数 雷电流概率密度函数 灭弧系数 v i r e 刁g只厶厶疗x k 足r f胛秒 广西大掌硕士掌位簧咒气流扰鼋旷f 的电孤模型反，u 噍阃两e 矗己j 胃 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 2 0 0 9 年南方电网公司举办了首次大型防雷技术研讨会，这是 一次运用科学发展观对雷电灾害事故进行全面认识和科学预警 防控，关系到电力系统安全稳定运行的盛会。雷电是影响电力系 统运行最主要的外部因素，雷电活动超过9 0 雷暴日的则称为强 雷区。南方电网五省区雷害情况十分严重，部分地区雷电日超过 一百雷暴日，雷暴日数值受到纬度和海洋远近的影响。2 0 0 7 年由 雷击引发的故障在1 10 千伏及以上输电线路中占67 ，20 0 8 年为 61 1 。 广西一般每年的三月份就进入雷雨季节，大部分区域每年达 8 0 多雷暴日，甚至有地区达13 0 雷暴日【卜5 1 。19 9 9 年4 月至20 0 8 年9 月，广西电网雷电探测分析系统监测到广西境内总落雷数约 为4 35 万个，如表卜1 所示。 表1 1 广西十年间落雷数 t a b 1 1t h en u m b e ro fl i g h t n i n gs t r o k ei ng u a n g x i 如图卜1 所示，监测落雷数大于年均落雷数的年份有3 年， 其中20 0 6 年的监测落雷数达到了93 2 万个，为年均落雷数的 2 14 倍；2 0 0 7 年的监测落雷数为81 2 万个，是年均落雷数的1 87 倍；20 05 年的监测落雷数略高于年均落雷数，为45 2 8 万个。 2 00 6 - 2 0 0 7 年是广西十年间雷电活动的高峰年。 广西大学硕士掌位论文气流扰鼋旷f 的电期讨兵型及，u 呱间隙应用 图1 1 广西十年问落雷数分布图 f i g 1 1t h ed i a g r a mo fl i g h t n i n gs t r o k ei ng u a n g x i 根据20 08 年统计，雷击事故占广西电网输电事故的65 ，开展新防雷措施的研究，不断提高输电线路安全运行水平已 经迫在眉睫。 1 2 输电线路的传统防雷手段 输电线路中以配电线路最为薄弱，配电网线路分布区域广， 本身的绝缘水平很低，不论直击雷或感应雷，均易引起绝缘子的 闪络，造成相间短路、线路跳闸、燃烧电弧引起断线等严重事故。 实际运行数据显示，配电网的雷害事故约占整个电力系统雷害事 故的7 0 8 0 。传统的防雷保护措施主要是针对雷害事故形 成的四个阶段进行布防，即通常所说的“四道防线”。 防直击，主要手段有：架设避雷线、在多雷区增设避雷装 置、改变线路路径、改造成电缆线路等。避雷线易引起配网线路 反击现象，所以35 k v 及以下配电线路一般不采用避雷线。有的 地方则通过安装避雷针防止直击雷，但广西境内的杆位大多处于 丘陵或山坡上，泥土少，土壤电阻率偏高，且杆塔避雷针的接地 电阻较大。在雷电直击电杆时，避雷针抱箍与线路绝缘子横担连 通，线路导线绝缘水平低，极易反击，导致绝缘闪络和线路跳闸。 2 广西大掌硕士掌位论文气流扰氲旷f 的电孤模型及，u 眠间隙属u 书 改变线路路径会增加线路长度，而且线路长期运行增加了线路损 耗和运行维护成本。改造成电缆线路可避雷害，但在经济上并不 划算，资金投入比同等载流能力的架空线路增加了4 5 倍。 防闪络，主要手段有：加强线路绝缘、降低杆塔的接 地电阻、在导线下方4 5 m 处架设耦合地线等。过于追求提 高绝缘水平，雷击线路后瓷瓶不闪络，雷电将会入侵变电站， 损害变电站高压设备，后果反而更严重。配网杆塔接地电阻 多偏高，但由于感应过电压是威胁配网安全的主要原因，降 低杆塔接地电阻对配网防雷效果并不明显。考虑附近高电压 等级线路的情况，配电线路已经可认为是其它平行高电压等 级线路的耦合地线，再架设耦合地线反而容易引来雷害。 防建弧，主要手段有：中性点不接地、经消弧线圈接 地、安装线路避雷器等。利用消弧线圈的感性电流可以抵消 接地点的容性电流，但引起过电压的类型不好区分，导致实 际应用中会出现电弧无法熄灭而引发断线的情况。安装避雷 器虽然有一定作用，但需要巨额的投资费用，而且目前的制 造工艺还无法使避雷器承受直击雷的巨大能量。 防停电，主要手段有：装设自动重合闸、采用不平衡 绝缘方式等。装设自动重合闸装置对降低线路的雷击事故率 有较好效果。不平衡绝缘方式实际上是“差级绝缘 ，它可分 为两种情况，一种是顶相采用弱绝缘，两边相采用强绝缘， 当顶相受雷击闪络接地后，系统仍可继续运行。在此方式下， 雷击瓷瓶损伤，接地故障仍存在，需停电处理。另一种是提 高易受雷害的杆塔绝缘子水平，但也使原来不易击穿闪络的 杆塔变成雷击闪络点，效果不大。采用不平衡绝缘方式并没 有减少雷电故障率。 综上分析，各种防雷方式既有各自的优点也有着自身的局限 性，配网防雷工作也一直是电力系统高压领域的难点，从传统的 线路防雷手段中筛选出一种或几种方法混合使用，形成“鸡尾酒 疗法j 所得到的效果始终差强人意。 3 广西大掌硕士掌位论文气流扰动下的电孤模型及，u 民间隙应用 1 3 国内外线路防雷研究进展 传统防雷措施实际上是一种“阻塞型 的防雷方法，安装避 雷装置，降低杆塔接地电阻，双回输电线路采用不平衡绝缘，提 高线路绝缘水平，核心思想都是尽可能的通过提高线路耐雷水平 或保护装置的分流达到减少雷击跳闸率的目的。随着防雷理念的 进步，一种新型的“疏导型 防雷方法应运而生。“疏导型”防 雷不是片面的追求降低跳闸率，该理念允许线路存在一定的跳闸 率，通过在绝缘子串上安装并联间隙，避免绝缘子闪络【6 】。 德、法、日本等国家从20 世纪6 0 年代开始研究并联放电间 隙，并一直在线路绝缘子串上采用并联间隙。其绝缘配合规程涵 盖了并联间隙的内容。尤其是日本，几乎所有电压等级的绝缘子 串都安装了并联间隙1 7 - 9 】。我国绝缘子串则很少安装并联间隙， 规程也没有涉及并联间隙的内容。随着我国科研人员对并联间隙 防雷保护方式的学习吸收，一些电力部门正逐渐开展并联间隙的 试点运行。中国电力科学研究院对并联间隙进行了大量的试验研 究。文献 10 】研发了一种适用于1 10k v 和2 2 0 k v 电压等级v 型悬 垂绝缘子串和i 型悬垂绝缘子串的并联间隙防雷保护装置，只需 约0 01s 的时间便可将绝缘子串表面产生的5 0 k a 工频电弧移动 到间隙端部灼烧。文献 1 1 】设计了可将雷击线路产生的雷电流及 时疏导到大地的35k v 和1 10k v 输电线路防雷保护间隙。 我国电力行业标准d l t 6 2 0 19 9 7 ( 交流电气装置的过电压保 护和绝缘配合规定，35 k v 配电线路单相接地故障的自熄电弧 电流为10 a 。加装并联间隙防雷装置后，当电流达10 a 时，电弧 能否自熄还需进一步分析。只有在允许的时间范围内，该电弧能 够自熄，才能保障单相重合闸的成功。因此并联间隙防雷保护装 置设计的难点集中体现在如何快速有效的将在绝缘子表面产生 的工频电弧引导至间隙电极端部燃烧，达到保护绝缘子的目的 【1 2 - 1 6 】 o 我国线路绝缘子串短，并联间隙会短接部分绝缘子，造成线 路绝缘水平下降，从而导致雷击跳闸率提升。当间隙长度和绝缘 子串长度接近时，试验表明很难保证放电都在并联间隙之间发 4 广西大学硕士掌位论文气流扰鼋旷f 的电孤模参芝及，乏_ 弼0 葡两【应用 生。增加绝缘子长度又会破坏现有的绝缘配合规程，增加线路投 资费用。在现场运行中存在以下问题：电弧烧蚀致使间隙距离 逐渐拉大，绝缘配合失效。大量调查发现，间隙在多次雷击放电 情况下绝缘配合作用失效，因此普通间隙防雷具有“短期有效性 的特点；反复的电弧烧蚀缩短了间隙的寿命，持续电弧还会烧 断导线，造成二次触电的恶性事故；配电网直接连接用户端， 单相接地、缺相运行及频繁停电、抢修直接影响用户生产，不但 减少售电收入还增加了售电成本，甚至引发纠纷【1 7 。26 1 。 线路跳闸率仍然是目前规程考核的重要指标，因此本研究课 题小组根据国内线路的特点，借鉴了日本招弧角装置、并联间隙 防雷保护装置的运行经验，开展了在开放式空间中利用高速气体 对稳定工频电弧进行冲击灭弧的试验。以往对封闭式间隙熄灭做 过很多研究，目前国内对于在开放式空间灭弧性能的研究还未起 步，灭弧间隙采用向弧通道喷射高速气体的方法，破坏稳定的工 频电弧燃烧，达到减少雷害的目的。灭弧间隙装置具有高可靠性、 正常运行时泄漏电流小、残压低等性质。其投入运行的关键点是 提升熄灭续流的能力 2 7 , 2 8 】。 灭弧间隙的优点主要有：启动电流低，只需1 2 a 的电流 即可触发装置动作：响应速度快，能在速断过流保护响应时间 内熄灭电弧，有效抑制建弧率，提线路可靠性；烧蚀度低，避 免电极烧蚀变短引发的绝缘配合问题，同时延长了间隙的使用年 限；通流容量大，灭弧间隙可吹灭大幅值的工频续流；具有 自动换弹功能，且在打完最后一发气丸后有醒目标志提示用户更 换，气丸数量根据用户要求配置。 1 4 本文主要工作 ( 1 ) 分析输电线路防雷的影响因素，计算感应过电压对线路的 绝缘闪络距离以及线路接地电阻对绝缘闪络的影响，讨论线路安 装并联间装置后的跳闸率情况； ( 2 ) 从链式电弧模型出发，建立气流扰动下的电弧模型，分析 5 气流扰动下的电孤模型及j 0 孤间隙应用 计算不同气压作用下的电弧特性及运动速度，并根据电弧的运动 速度估算电弧的对流散热功率，通过热散发功率和电弧时间常数 对电弧吹断情况进行定性仿真，得出不同热散发功率下灭弧间隙 的电弧电压和电流变化规律； ( 3 ) 利用冲击电流发生器和工频电压联合作用于灭弧间隙，产 生冲击电弧与工频续流电弧，借助摄像机观测高速气流扰动下灭 弧间隙的熄弧性能，通过理论和试验分析电弧熄灭的机理； ( 4 ) 分析目前规程法计算雷击跳闸率的不足，用蒙特卡洛方法 进行雷击模拟，结果显示规程法的结果偏向保守。通过安装在实 际线路上的灭弧间隙防雷装置，证明灭弧间隙吹断电弧的有效 性。引入灭弧系数说明灭弧间隙能有效抑制建弧率，以及灭弧间 隙不会增加线路跳闸率。 6 气流扰每旷f 的电孤模型及，呱阃- 痰应用 第2 章输电线路防雷的影响因素 2 1 感应雷过电压对输电线路的影响 广西电网是南方电网的重要组成部分，广西境内5 0 0 k v 系统 形成“日一字型双环网结构且与南方电网紧密相连，2 2 0 k v 系统 形成多环网络并延伸到全区各地级市和部分县区，ll0k v 系统基 本覆盖全区各县。截至2 0 07 年l2 月底，广西境内累计1 10 k v 线 路4 8 4 条，总长度约10 6 4 2k m ，其中属广西电网公司产权的35 0 条，长度7 4 9 2k m ；累计35 k v 线路2 1 19 条，总长度约22 80 8k m ， 其中属广西电网公司产权的21 1 条，长度23 21k m ：l0 k v 架空线 路107 76 5 4 k m ，10 k v 电缆线路26 61 97k m ，lok v 线路出线137 5 条( 含架空线路和电缆线路) ，市区中压配电线路电缆化率 4 2 75 ，绝缘化率6 0 8 6 ，10k v 配电供电量占全区供电量的24 ( 20o6 年占2 0 ) 。广西县级供电企业调度管理的主网电压等 级为1 10 k v 和35 k y 。 线路绝缘子遭受雷电冲击时，其闪络与特性和雷电冲击电压 的极性、波形、雷电流幅值大小等雷电参数有关。表2 1 列出了 部分绝缘子的技术数据【29 1 。 表2 1 部分绝缘子技术数据 t a b 2 1t h ct c c h a i c a ld a t ao fi n s u l a t o r 产品型号中部分字母的含义为：x 一悬式绝缘子：p 一机电破 坏负荷；w 一防污型；l 一玻璃；y 一圆柱形头部结构。 绝缘子串的5 0 放电电压。( 单位为k v ) 可由下式求出( 绝 7 广西大曹肤掌位论文气流扰动下的电舅兵型及，u 瞻j i , 1 隙应用 缘子串片数m 范围在2 14 内) ： 以o = 1 0 0 + 8 4 5 m ( 2 1 ) 绝缘子串在标准雷电波形下的伏秒特性可由经验公式( 2 - 2 ) 求得，式中：t 为预放电时间，短波尾5o 放电电压。 玑( f ) = ( 1 + 1 2 8 t ) 坫似 ( 2 2 ) 将放电电压提高5 lo ，式( 2 2 ) 际伏秒特性的近似曲线可由下式求出： ( f ) = 1 0 5 u , ( t ) 再乘以修正系数，则实 ( 2 3 ) 如图2 1 ，随着绝缘子串上的电压不断升高，当绝缘子电压 波形曲线和绝缘子伏秒特性曲线相交时，即为绝缘子串闪络时间 【3 0 ，3 1 】 o t 1t 2 绝缘子闪络时间t 图2 1 绝缘子串闪络时间 f i g 2 - 1t h ef l a s h o v e rt i m eo fi n s u l a t o rs t r i n g 雷击线路附近大地时，令导线感应雷过电压幅值为u g ( 单位 为k v ) ，雷电流幅值为i ( 单位为k a ) ，导线离地面平均距离为 h d ( 单位为m ) ，落雷点至导线在地面的投影距离为s ，当s 6 5 m 时有 8 广西大国明页士学位论文气流扰动- i r 的电孤模型及，0 弧间隙矗乙用 硝争 当线路装设避雷线时，由于屏蔽作用， u s = 2 5 - 冬- ( 1 一d ( 2 4 ) 感应电压可修正为 ( 2 5 ) 式中系数k 为避雷线与导线间的耦合系数。 当雷击塔顶时，上述计算感应电压的公式不再适用，有关规 程建议 2 口 ( 2 6 ) 式中感应过电压系数a = i 2 6 ( k v m ) ，即雷电流的平均陡度。同 样对装设避雷线的线路，感应电压可修正为 2a h d ( 1 一| i ) ( 2 7 ) 实际上，一般杆塔的高度约为2 0 m 左右，导线平均高度约 13 m ，每侧引雷宽度以5 13 = 6 5 m 计，当雷击线路附近大地s 6 5 m 时，线路的引雷作用将使雷击于杆塔，则感应过电压的计算公式 可以看成一个分段的连续函数。不考虑避雷线的作用，以线路导 线离地距离h d = 9 m 为例从感应过电压的相应曲面图2 - 2 可以看出 最大值接近4 0 0 k v ，对110 k v 及以上线路，感应过电压的威胁性 相对直击雷很小。35 k v 线路绝缘子串50 放电电压为350 k v 左右， 可以承受一定的感应过电压冲击，不过还是面临着绝缘子串发生 闪络的威胁。通常l0 k v 的配电线路只有一个针式绝缘子，雷电 冲击耐受电压一般就是10 0 k v 左右，感应过电压对它的绝缘威胁 非常大，如表2 2 计算所示，5 0 k a 雷电流产生的感应过电压在 10 0 m 范围即可导致绝缘子闪络，而且达到34 的概率。由于广 西地处亚热带气候地区，落雷强度高，雷电流超出概率p 按公式 ( 2 8 ) 计算。 ， l g p = 一烹 ( 2 8 ) 9 广西大掌硕士掌位论文 气流扰动下的电孤模型及，0 弧间嘲【应用 感应过电 磁( k v 图2 2 感应过电压响应曲面 o f i g 2 2r e s p o n s es u r f a c eo fi n d u c e do v e r v o l t a g e 表2 210 k v 线路绝缘子闪络距离 t a b 2 2i n s u l a t o rf l a s h o v e rd i s t a n c e0 f10 k vl i n e 1 0 气流扰动下的电舅0 模型反，u 眠间隙矗u 啊 2 2 直击雷过电压对输电线路的影响 雷击杆塔塔顶时，雷电流通过杆塔经接地电阻流入大地，对 约4 0 m 以下的杆塔，可忽略其对地电容，则塔顶电位“。d 由以下公 式计算： = 氏+ 厶鲁叫瓯+ 厶罢) ( 2 _ 9 ) t t = p i ( 2 1o ) 式中：如为杆塔冲击接地电阻；f 和f 。分别为雷电流和流经杆塔的 电流；l 。为塔杆电感；毋出为雷电流陡度；卢为考虑避雷线分流 作用的分流系数，取值小于1 ，当线路没有架设避雷线时= l 。 由公式( 2 - 9 ) 可见，塔顶电位u t d 与塔杆冲击电阻和电感感应电压 相关，而这又受到雷电流幅值和陡度的影响 2 9 , 3 2 , 3 3 】。 塔顶电位幅值仉d 可由下式计算： = j ( 氏+ 厶1 2 6 ) 此时线路绝缘子串的电压幅值奶为塔顶电位幅值u t d 和导线 电位幅值玑之差： q = u 0 一砜= ( u 0 + 口) ( 1 一k ) 由公式( 2 - 9 ) 可见，绝缘子串所承受的电压幅值随塔顶电位幅值 升高而增大，当超过绝缘耐受电压后，绝缘子串就会发生闪络乃 至击穿。计算中可以认为u i 砚o ，绝缘即发生闪络。超高压线 路中，导线工作电压约占到绝缘子串电压的7 一10 ，不过在 2 2 0 k v 及其以下电压等级线路所占比例不大，此时可以忽略导线 上工作电压的影响。塔杆冲击接地电阻与雷电流频率相关，在雷 电流的作用下呈暂态电阻特性，计算公式如( 2 13 ) 所示。塔杆冲 击接地电阻在雷电冲击下接地体呈现较大的阻抗，是影响线路耐 广西大掌硕士掌位论文气流扰动下的电孤模裂及，u 呱间隙应用 雷水平的重要因素。雷电流幅值较大时，接地体周围土壤会产生 强烈的火花放电，导致接地体的直径增加，从而冲击接地电阻比 工频接地电阻大为减小 3 4 - 3 6 】。 氐2 南 ( 2 13 ) 式中：r 为低频电流幅值下的电阻值；，为流经接地体的雷电流幅值； ，g 为使土壤电离的最小电流。 = 篆 一，、n ( 2 14 ) 式中：e o 为土壤电离时的场强，取值范围在30 0 4 0 0 k v m 之间； p 为土壤电阻率( 单位为q m ) 。 尺。h ( 1 0 0 0 足c h ( ( a ) i = 35 k a ( b ) p = 6 0 0 q 1 1 1 图2 3 杆塔冲击接地电阻响应曲面 f i g 2 3r e s p o n s es u r f a c eo ft h ef o o t i n gr e s i s t a n c e 黑土、粘土的土壤电阻率一般小于10 0 f l m ，多砂石土壤的 土壤电阻率范围大致在3 0 0 4 0 0 q m ，有些岩石山区土壤电阻率 1 2 广西大掌硕士掌位论文气流扰动下的电曩0 模型反，u 哈间髑囊豆【j 啊 甚至高达5 0 0 0 f l m 。图2 3 为杆塔冲击接地电阻的响应曲面，土 壤电离场强e o 取4 0 0 k v m 。在低频电流情况下，接地电阻较大时 受土壤电阻率和雷电流幅值的影响也较大，当雷电流幅值较大 时，冲击电阻的阻值较小，甚至出现低阻状态。 表2 3 线路接地电阻值 t a b 2 - 3g r o u n d i n gr e s i s t a n c e 表2 4l0 k v 线路接地电阻对绝缘闪络的影响 t a b 2 - 4e f f e c t so fg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo f1 0 k vl i n e o ni n s u l a t o rf l a s h o v e r 输电线路接地电阻一般都有一定的数值要求，表2 - 3 给出了 一些接地电阻上限的估算值，杆塔工频接地电阻一般要求不大于 3o q 。在1o k v 配电线路中，不考虑避雷线的作用，仍以线路导 线离地距离h d = 9 m 为例，忽略杆塔电感的作用，接地电阻以工频 接地电阻计，计算结果如表2 - 4 所示。从表中可以看到，即使工 频接地电阻降到lq ，杆塔遭受直击雷时，绝缘子闪络概率仍高 达6 3 ，如果土壤电阻率过高，降低杆塔的接地电阻在技术经济 上是极不合理的，因此1o k v 配电线路的防雷只能从新的防雷措 施上另辟蹊径。 1 3 - q 流扰动下的电孤模型及灭孤间隙应用 2 3 输电线路雷击跳闸率分析 输电线路雷击跳闸率是反映线路耐雷水平的综合指标，是各 种防雷措施效果的最终判据，也是运行事故率对比的依据。输电 线路耐雷水平是线路承受的最大雷电冲击电流值，不同电压等级 线路的耐雷水平也各不相同 2 9 , 3 7 - 4 1 】。输电线路耐雷水平一般都有 一定的数值要求，满足规程的相应规定，如表2 5 所示。 表2 5 有避雷线线路的耐雷水平 t a b 2 - 5l i g h t n i n gw i t h s t a n dl e v e lo ft r a n s m i s s i o nl i n e w i t hs h i e l d i n gw i r e s 线路雷击跳闸率的计算条件都是折算在一定雷电强度前提 下的，是按每年4 0 个雷暴日、线路长度为1o o k m ，每年由雷击 引起的线路跳闸次数，单位为次( 10 0 k m 年) 。假定每10 0 k m 线 路在每年4 0 个雷暴日下遭受的雷击次数为，则 彳 n = y 羔1 0 0 4 0 ( 2 15 ) 1 0 0 0 式中：y 为地面的落雷密度，单位为次( k m 2 雷日) ；a 为线路的 等值受雷宽度，单位为m 。地面落雷密度反映了雷云对地放电的 情况，不同地区的y 取值也不相同，一般雷暴日大的地区则y 取 值较大，范围大致在0 0 9 0 1 之间。 我国d l t 6 2 0 一19 9 7 规程定义雷暴日为4 0 的地区y = o 0 7 。 高度在2 0 m 左右线路的等值受雷宽度为 a = 形+ 4 ( 2 - 16 ) 式中：w 为双避雷线间的宽度。将式( 2 16 ) 代入( 2 15 ) ，则雷 击次数的计算公式可以表示为： n = 0 2 8 ( w + 4 h d ) ( 2 17 ) 1 4 气渡扰龟广f 的电曩讨鼻型及耍j 瓜阐嘲【应用 也有的文献资料取y = 0 0 l5 ，等值受雷宽度为避雷线平均高 度h b 的l0 倍，即a = io h b ，在线路无避雷线的情况，等值宽度取 最上层导线的平均高度。 雷击杆塔的次数记为l ，则 m = n g ( 2 18 ) 式中：g 为杆塔击杆率，取值与避雷线根数、所处区域相关。 雷击塔顶时，耐雷水平记为，l ( 单位为k a ) ，则 1 1 l 一戽m 十u 5 0 ，丽丽 2 - 19 ) l 一戽儿【十 ，2 6 ) + 2 6 】 、。 1。7 式中耦合系数k = k l 七o ，后。是导线、避雷线间的几何耦合系数，k1 是电晕修正系数，分流系数矽和校正系数后l 通过查表求得。 雷击无避雷线线路的导线时，即使雷电流很小，线路绝缘也 极容易发生闪络，此时线路的耐雷水平记为厶( 单位为k a ) ，则 厶= = 邋( 2 20 ) 。 l o u 雷电绕过避雷线击于导线时，绕击概率尸a 与避雷线保护角口、 杆塔高度j i l 、地貌等因素有关。根据经验公式，在平原线路： l g p a = 警_ 3 9 ( 2 - 21 ) 在山区线路： k 己= 警乇3 5 2 2 ) 雷电绕击导线次数记为2 ，则 2 = 心 ( 2 23 ) 雷击档距中央的避雷线反击造成绝缘闪络的现象，在目前运 气流扰动下的电弧模型及曩门间隙应用 行经验看来发生的概率较少，可以不考虑。不过也有文献提出不 应该忽略由雷击档距中央避雷线发生绝缘闪络的情形，这就要根 据实际运行条件进行考虑。 在上述的雷击塔顶和绕击导线中，能够由冲击闪络建立起稳 定工频电弧导致线路跳闸还存在一定的概率，即建弧率呀，由式 ( 2 2 4 ) 得： ，7 = ( 4 5 e o 7 5 1 4 ) x 1 0 。2 ( 2 - 2 4 ) 对有效接地电 ( 2 25 ) 对中性点绝缘、消弧线圈接地等非直接接地电网： e 2 丽u ( 2 26 ) 2 乇+ 乙 7 上式中：u 为线路额定电压；如为绝缘子串放电距离；j m 为木横 担线路的线间距离，在钢筋混凝土或者铁塔线路中取0 。当绝缘 子串平均运行电压梯度e 6 k v 时，建弧率可以近似为0 。 线路跳闸率万可按式( 2 2 7 ) 计算： 刀2 篓翼+ 2 刍? ( 2 - 2 7 ) = ( 蛾+ 圪吃) ，7 式中：乞为雷电流大于雷击塔顶耐雷水平，l 概率；气为雷电流大 于线路耐雷水平j 2 的概率。 1 6 m v k为 位单 ，一乇 弹 旦如 度 i i 榭 e 压电行运均乎串子缘绝为 e 中 ：式网 气流扰动下的电孤模型及，u 呱间隙应己j 再 2 4 加装间隙对输电线路的影响 2 4 1 并联间隙防雷装置 输电线路装设并联间隙防雷装置在实际运行中得到了一定 范围的应用，广西电力试验研究院和中国电力科学研究院开展了 相应的研究。并联间隙防雷采用了先进的“疏导型刀防雷思想， 是崭新防雷理念的有益探索。并联间隙防雷装置如图2 4 所示， 并联电极的形状如图2 5 所示，z o 为绝缘子串的高度，z 为绝缘 子串并联电极的距离，即间隙距离。一般z z o 的比值控制在5 0 10 0 范围内。凰为上电极外部到绝缘子串的距离，墨下电 极外部到绝缘子串的距离，为y c 为上电极短接绝缘子串的长度， 为下电极短接绝缘子串的长度 1 9 , 4 2 , 4 3 】。 图2 4 并联间隙防雷装置 f i g 2 - 4t h ep a r a l l e lg a pl i g h t n i n gp r o t e c t i o nd e v i c e 图2 5 并联间隙的上下电极 f i g 2 - 5u pa n dd o w ne l e c t r o d e s i ns h u n tg a p 1 7 广西大掌硕士掌位论文气流扰动下的电孤模型及，u 畦间隙应用 并联间隙电极有多种尺寸，可按线路电压等级进行组合设 计。并联间隙可以将电弧引到电极上燃烧，且并联间隙价格低廉， 易于安装和使用，不过也存在着一定的局限性。 图2 6 伏秒特性曲线 f i g 2 - 6v o l t - s e c o n dc h a r a c t e r i s t i cc u r v c 绝缘子串并联间隙以后，由于电极将绝缘子部分长度短接， 绝缘水平会有一定程度的下降，5 0 雷电冲击放电电压u 5 0 降幅 达到2 0 多。文献【14 】对35 k v 并联型间隙进行的伏秒特性试验结 果如图2 6 所示，带并联间隙绝缘子串相对不带并联间隙绝缘子 串的绝缘水平有一定程度降低。 2 4 2 线路装设并联间隙的跳闸率计算 算例采用11o k v 双避雷线门型钢筋混凝土杆塔，架设在平 原，几何数据参见图2 7 ，绝缘子链由7 片l x p 7 0 型绝缘子组成， 采用g j 5 0 型避雷线，避雷线弧垂2 8 m 、半径4 5 m m ，导线弧垂 5 3 m ，保护角a = 2 2 0 ，冲击接地电阻以1o q 计。根据文献 15 】的 雷电冲击放电试验，加装并联间隙后绝缘子串50 放电电压由 7 51k v 下降到716 k v 。 1 8 广西大掣明炙士掌位荫叼 气流扰动下的电孤模型及，0 孤间隙矗乙甩 j ，6 0 0 - _ 尹 ” i 刎 i i：o l 卜_ l ；) 一 一 二5 0 一 1 2 o 1r 图2 71 10k v 杆塔模型( 单位：m m ) f i 9 2 - 7t h em o d e l