（电气工程专业论文）江淮地区高压输电线路综合防雷措施的研究.pdf

一 一i 声明尸明 i i l ll l i1 1 1 11i i1 11i il y 17 8 5 7 5 9 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文江淮地区高压输电线路综合防 雷措施的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：楹羞2 堡日期：p 即 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鹩谚 渔导师签名： 日 期：鲨! ：竺! ! p 日期： 地区高压输电线路防雷综合措施进行了研究，根据雷电形成的基本原理以及相关参 数的计算，结合2 0 0 5 年2 0 0 8 年江淮地区雷击跳闸情况的统计分析，对典型线路 的雷击故障进行了分析，并选择具体线路对其综合防雷措施的实施和效果进行阐 述，最后对江淮地区综合防雷措施进行了分析。 关键词：输电线路，高压，防雷，江淮地区 a b s t r a c t h i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o n l i n e sa r ew i d e l yd i s t r i b u t e d ，c o n n e c t i n gt h ev a r i o u s s u b s t a t i o n sa n dm a j o ru s e r s t h es a f eo p e r m i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e sa r ed i r e c ti m p a c to n t h eg r i ds t a b l ea n dr e l i a b l ep o w e rs u p p l yt ou s e r s t h es a f eo p e r a t i o no ft r a n s m i s s i o n l i n e si s v e r yi m p o r t a n t l i g h t n i n gt r i p o n2 2 0 k va n da b o v et r a n s m i s s i o nl i n e sa r e f r e q u e n t l yi na n h u id u r i n gt h ey e a ro f2 0 0 8 p a r t i c u l a r l y , j i a n g h u a ia r e aa c c o u n t e dt h e m o s t i d e n t i f yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t n i n ga n da n a l y s i st h el i g h t n i n gf a i l u r e ，m a k e p r a c t i c a lt e c h n i c a lm e a s u r e sa r ev e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h e b a c k g r o u n do f t h es u b j e c t ，m a k e st h er e s e a r c ho fl i g h t n i n gp r o t e c t i o np e r f o r m a n c ef o r h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ei nj i a n g - h u a ia r e a a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h e f o r m a t i o no fl i g h t n i n g ，a sw e l la st h ec a l c u l a t i o no fr e l e v a n tp a r a m e t e r s a n da n a l y s e s t h es t a t i s t i c a lo fl i g h t n i n gt r i pi nj i a n g - h u a ia r e ad u r i n g2 0 0 5 2 0 0 8 i nt h i sp a p e r ， l i g h t n i n gf a u l t so nt y p i c a lt r a n s m i s s i o nl i n e sw e r ea n a l y z e d ，p r o p o s e ds p e c i f i cm e t h o d s o fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n t h el i g h t n i n gp r o t e c t i o np e r f o r m a n c eo fas p e c i f i cl i n ei s e l a b o r a t e d t h ei n t e g r a t e dl i g h t n i n gp r o t e c t i o ni ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r y a n gc h u n b o ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l il i n k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ，h i g hv o l t a g e ，l i g h t n i n gp r o t e c t i o n ，j i a n g - h u a ia r e a 、 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 本课题研究的目的及意义2 1 2 1 高压输电线路防雷的意义2 1 2 2 江淮地区雷害情况的分析3 1 3 输电线防雷技术发展状况3 1 4 国内外的防雷措施介绍4 1 5 本文的主要内容6 第二章雷电的机理及其防护方法8 2 1 雷电的形成原理8 2 2 雷电压和雷电流的形成l o 2 3 雷电参数1 1 2 3 1 雷暴日与雷暴小时1 1 2 3 2 地面落雷密度1 1 2 3 3 雷电流的幅值1 2 2 3 4 感应雷过电压1 2 2 3 5 直击雷过电压1 3 2 4 绝缘子击穿放电的原理：1 5 2 5 输电线路防雷计算1 6 2 5 1 输电线路耐雷水平的计算1 6 2 5 2 线路感应雷过电压和直击雷过电压的计算1 8 2 5 3 输电线路雷击跳闸率的计算2 l 2 6 本章小结2 2 第三章江淮地区高压输电线路雷击跳闸分析2 3 3 1 输电线路雷击跳闸情况统计2 3 3 1 12 0 0 7 年雷击跳闸情况2 3 3 1 22 0 0 8 年雷击跳闸情况2 3 i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 3 1 3 历年雷击跳闸情况统计分析2 3 3 2 历年来各月发生的雷击故障统计2 5 3 32 0 0 8 年输电线路遭受雷击分类统计情况2 6 3 4 输电线路遭受雷击跳闸分析2 8 3 5 雷电定位系统数据分析3 0 3 6 本章小结3 3 第四章高压输电线路典型雷击案例分析3 4 4 15 0 0 k v 濉会5 3 4 0 线路雷击故障分析3 4 4 1 1 故障线路总体情况简介3 4 4 1 2 故障技术调查分析3 4 4 1 3 暴露的问题及需要采取的措施3 7 4 25 0 0 k v 永官5 3 3 7 线路雷击故障分析3 8 4 2 1 故障线路总体情况简介3 8 4 2 2 故障技术调查分析i 3 8 4 2 3 暴露的问题及需要采取的措施4 l 4 35 0 0 k v 繁亭5 3 0 8 线路雷击故障分析4 l 4 3 1 故障线路总体情况简介4 1 4 3 2 故障技术调查分析4 1 4 3 3 暴露的问题及需要采取的措施4 3 4 4 5 0 0 k v 宜华线路雷击故障分析4 4 4 4 1 故障线路总体情况简介4 4 4 4 2 故障技术调查分析4 4 4 4 3 暴露的问题及需要采取的措施4 7 4 55 0 0 k v 官沥5 3 6 5 线路雷击故障分析4 7 4 5 1 故障线路总体情况简介4 7 4 5 2 故障技术调查分析4 7 4 5 3 暴露的问题及需要采取的措施4 9 4 65 0 0 k v 禹溪5 3 4 1 线路雷击故障分析5 0 4 6 1 故障线路总体情况简介5 0 4 6 2 故障技术调查分析5 0 4 6 3 暴露的问题及需要采取的措施5 2 u - 气 p 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 75 0 0 k v 西城5 3 5 8 线路雷击故障分析5 2 4 7 1 故障线路总体情况简介5 2 4 7 2 故障技术调查分析5 2 4 7 3 暴露的问题及需要采取的措施5 3 4 8 本章小结5 3 第五章具体线路防雷综合措施的实施及结果分析5 4 5 1 线路历年雷击跳闸情况统计5 4 5 2 线路综合防雷措施实施5 4 5 2 1 调整线路绝缘配置5 4 5 2 2 接地装置整改5 5 5 2 3 杆塔改造5 6 5 2 4 加装线路避雷器5 7 5 2 5 雷电定位分析5 9 5 3 综合防雷措施效果6 0 5 4 本章小结6 0 第六章总结与展望6 1 参考文献6 5 致谢6 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 8 i i i 正电荷和负电荷。一般情况下，正电荷在云的上层，负电荷在云的底层，这些正负 电荷聚集到一定的量，就会产生电位差，当电位差达到一定程度，就会发生猛烈的 放电现象，这就是雷电的形成过程。雷电电荷在放电过程中，产生很强的雷电电流， 雷电电流将空气击穿，形成一个放电通道，出现的火光就是闪电；在放电通道中空 气突然加热，体积膨胀形成爆炸的冲击波产生的声音就是雷声。 雷电多发于夏季，其放电时间通常只有0 0 1 秒左右，放电电压高达数百万伏， 瞬间放电电流可高达数十万安培，雷电释放出的能量及其强大，往往造成一些破坏 性的后果。 我国地处温带和亚热带地区，幅员辽阔，地貌特征复杂，雷电活动十分频繁。 我国雷电的分布特点是：夏季多于春秋季、陆地多于海洋、山区多于平原、南方多 于北方。全国有2 1 个省会城市的年最多雷暴日在5 0 天以上，最多达到了1 3 4 天。 从近3 0 年的雷电资料看，我国雷暴日天数变化不大，但是雷电灾害的危害程度越 来越大，具有频次多、范围广、突发性强、社会影响大的特点。 雷电灾害不仅造成了人员伤亡，也影响我国各行业的生产活动，造成了严重的 经济损失。根据历年数据分析，雷击人身伤亡事故主要发生在农村地区，而防雷装 置不完善和防雷意识淡薄是造成农村地区雷电灾害的主要原因；雷电灾害造成的经 济损失主要发生在城市和电力、石化、通信等行业部门。 雷电的主要危害有以下几种： 1 、雷电会在瞬间产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的电压 瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾害。 2 、雷电会放出几十至上千安的强大电流，巨大的瞬间电流会造成高热效应， 产生大量热能，造成雷击点具有很高的热量，可导致金属熔化，破坏设备，引发火 灾和爆炸。 3 、雷电电流的机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂 华北电力大学工程硕士学位论文 等现象导致财产损失和人员伤亡。 4 、雷电电流产生的静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电 荷，当雷电消失，感生电荷来不及流散时，即会产生很高电压，发生放电现象从而 导致火灾。 5 、雷电电流产生的电磁感应会在雷击点范围产生强大的交变电磁场，其感生 出的电流可引起变压器局部过热而导致火灾。 6 、雷电电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电 装置或电气线路断路而燃烧导致火灾。 7 、雷电电流有可能破坏电力系统的各个元件，可能造成发电机、电力变压器、 断路器和其它电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘子也会因雷击而发生闪络或碎裂、 导线烧断和电杆被雷劈裂等事故。 由此可见，雷电容易造成绝缘失效、变压器故障、电力线故障、发电机故障等 电力系统设备故障，而在电力线路的雷害事故在电力系统总的雷害事故中又占较大 的比重，加强输电线路防雷不仅可以减少雷击输电线路引起的雷击跳闸次数，而且 还有利于提高整个电力系统的供电可靠性。 1 2 本课题研究的目的及意义 1 2 1 高压输电线路防雷的意义 输电线路分布很广，是连接各个变电站、各重要用户的纽带，是电力系统的大 动脉。输电线路的安全运行，直接影响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问断电力的需要。 架空输电线路作为电力系统中发电、输电、配电的三大重要组成部分之一，其 安全、稳定性尤为重要。由于架空输电线路地处旷野，纵横交错，绵延数百公里至 上千公里，最易遭受雷击。输电线路雷击事故引起的跳闸，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，而且由于输电线路遭雷击，雷电 波还会沿线路侵入变电所【l 】。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破坏影响 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经济损 失的关键。做好输电线路的防雷设计，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，整个电力系统稳定运行得到保障。 我国电力系统事故中，雷击造成的比例在5 0 以上。不仅是我国电力系统受雷 2 华北电力大学工程硕士学位论文 击灾害严重，其他发达国家也深受雷害影响，如：瑞典、日本的电力系统事故5 0 以上是由于雷击输电线路引起的；国际大电网会议公布的美国等1 2 个国家的电压 为2 7 5 一- - 5 0 0 k v ，总长3 2 7 万k m 输电线路连续3 年运行资料中指出，雷击事故占总 事故的6 0 。h 删 在高压架空线路的地区，雷击输电线路而引起的事故高。因此掌握各地区雷害 现状，并针对不同地区的雷害情况采取有效的线路防雷保护措施，是确保电网安全 可靠运行的重中之重。 1 2 2 江淮地区雷害情况的分析 安徽省地势西南高、东北低，地形地貌南北差异，复杂多样。长江、淮河横贯 省境，将全省划分为淮北平原、江淮丘陵和皖南山区三大自然区域。淮河以北，地 势坦荡辽阔，为华北平原的一部分；江淮之间丘陵、山地岗丘逶迤曲折；长江两岸 地势低平，河湖交错；皖南山区以山地丘陵为主。由于地形和地理位置的不同，各 地区遭受雷击故障的次数也有所不同。 2 0 0 8 年安徽省2 2 0 k v 及以上输电线路雷击跳闸频繁发生，对整个安徽电网安全 运行构成一定程度的威胁。找出雷击故障特点和对安徽省输电线路的雷击故障情况 进行全面分析，制定切实可行的技术措施，保证输电线路雷击跳闸水平在合理的范 围之内十分必要。 从2 0 0 8 年度雷击点分布看，皖南和江淮丘陵地区雷击次数占了总雷击次数的 7 3 以上。根据历年历史数据统计，雷击故障主要集中在每年的7 、8 月份，这期 间为安徽省的夏季雷雨季节，雷电活动比较频繁。所以，对江淮地区的雷害情况进 行正确分析、提出切实有效的工作方法，是一项重要的工作任务，对保证安徽省电 网安全运行具有重要意义。 1 3 输电线防雷技术发展状况 早在上个世纪，各国就利用模拟实验、现场实测、理论模型分析和计算机综合 等手段对输电线路的雷击性能展开了许多研究工作，取得了许多重要的研究成果， 提出了许多确定输电线路雷击性能的方法，为提高输电线路耐雷水平，保障线路的 安全可靠运行提供了重要依据和参考。 输电线路的防雷保护大体上经历了四个发展阶段。 第一阶段( 1 9 3 0 年以前) ：是以防止感应雷为主的阶段。最初，线路电压等级很 低，感应雷引起的雷害事故是线路防雷的主要矛盾。因此，为了减少相导线上感应 过电压，在输电线路上加装了地线，但这条地线是挂在相线下面的，仅作为耦合地 华北电力大学工程硕士学位论文 线用，效果有限。 第二阶段( 1 9 3 0 1 9 5 0 年) ：是以防止直击雷为主的阶段，也是雷电参数得以系 统归纳设计的时期。这一时期逐步明确了对1 1 0 、2 2 0 k y 高压线路来说，直击雷是 主要矛盾，并提出了直击雷防护计算方法。美国于1 9 2 3 年建成了2 2 0 k v 高压输电 线路，由于运行后发生多次大的雷害事故，促使了防雷工作的迅速开展，随着输电 线路电压等级的提高，线路绝缘水平也大大提高，感应过电压不可能使绝缘闪络。 在这种情况下，人们才开始认识到直击雷是线路雷击跳闸事故的主要原因。因此， 各国进行了大量的雷电观察，提出了用行波理论来计算绝缘子串两端电压的方法。 第三阶段( 1 9 5 0 1 9 6 2 年左右) ：是由美国o v e c 一3 4 5 k v 线路异常高的闪络率所引 起的争论和对以前的防雷计算方法和数据进行重新估价的时期。这场争论极大地推 动了线路防雷研究工作的进展，使理论分析、现场测试、模拟试验和运行经验的积 累等方面的工作都有了很大的提高。 第四阶段( 1 9 6 2 年前后至今) ：为模拟试验、现场实测、概率统计方法和计算机 逐渐普及应用的阶段，是一个飞速发展的历程。 1 4 国内外的防雷措施介绍 在国外，较多采用同杆双回输电线路，尤其是日本，绝大多数5 0 0 k v 线路及新建的 1 1 0 0 k v 线路均采用同杆双回线路，一般采用逆相序导线排列，日本为减少雷击对双回 同时跳闸率在总跳闸率中所占的比例，曾采取过减小其中一回线路与绝缘子并联的招弧 角距离，即降低其中一回线路绝缘的所谓不平衡绝缘的方法，结果在运行中导致线路总 雷击跳闸率显著增加。后来放弃了不平衡绝缘方法而采用平衡绝缘方法，同时采用负保 护角以防止绕击。俄罗斯提出，作为1 1 5 0 k v 线路防雷的基本措施，应考虑采用负保护 角的可能性。 为减少线路的雷击故障，自1 9 8 0 年起，国外开展了应用线路避雷器来降低线路雷 击故障的研究，美国a e p 和g e 公司1 9 8 0 年开始研制线路防雷用合成绝缘z n o 避雷 器，并在1 3 8 k v 线路上投入试运行。运行表明装有避雷器的被保护线路段没有出现绝 缘子串的闪络。 国内各省份供电公司也在积极探求线路防雷措施，采用的措施如下： l 、输电线路防雷曾采用的措施有： ( 1 ) 加大改善线路杆塔接地电阻，投入大量的钢材，加埋放射形接地带，个别地 区曾采取小区段连续延伸接地，但因山高谷深，难以大范围采用： ( 2 ) 推广在11 0 k v 线路多雷击段杆塔上架设耦合地线； ( 3 ) 其他常规性措施：如更换零值绝缘子，加强线路瓷瓶清扫工作等。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 2 、针对杆塔接地电阻大于3 0 欧姆，或杆位处于山谷、边坡或垂直主风向的槽形地 带，或交通条件差，巡线、维修相当困难，尤其是重要线路的耐张杆塔；或已发生过雷 击事故的山区输电线路杆塔，可以考虑采取下述适当的特殊性防雷措施： ( 1 ) 在保持对地距离相匹配的条件，增加绝缘子片数； ( 2 ) 减小耐张杆塔跳线的保护角； ( 3 ) 当线路采用s f 6 气体绝缘开关时，可在耐张杆塔上对正跳线加装放电间隙， 放电电压取绝缘子串放电电压的8 5 。 3 、各地区的输电线路防雷措施有： ( 1 ) 总结本地区雷电活动规律和历年来线路运行经验，确定易遭雷击的线段和区 域，提高新建线路或改建线路的防雷基本技术水平。 ( 2 ) 每年测一次线路杆塔接地装置的接地电阻，做到测量准确，对腐蚀严重及被 盗接地体要及时进行修补。对水泥杆塔应检查作为引下线的内钢筋是否与避雷线和接地 装置连接完好。 ( 3 ) 加强对低值零值瓷瓶检测的准确性，保证劣化绝缘子能得到及时更换。 ( 4 ) 对重要高压输电线路要实测线路工频参数，提高故障录波图测距的准确性， 为及时准确查找故障点提供准确的数据。 ( 5 ) 对发生雷击闪络的杆塔要及时检测接地装置的接地电阻；确定闪络的相序和 绝缘子片数；检测线路的保护角。并根据杆塔及相邻两档线段所处地形位置确定雷击闪 络的原因。 ( 6 ) 根据线路走过的地形特点和雷击跳闸的原因采取相应的防雷措施，对绕击导 线引起的雷击跳闸，应采用增加绝缘子片数、减少保护角、架设耦合地线和采用线路避 雷器为主要的防雷措施。对雷击塔顶反击引起的雷击跳闸，应以降低杆塔接地装置的接 地电阻、增加绝缘子片数和采用线路避雷器为主的防雷措施。 ( 7 ) 各级电压的送、配电线路，应尽量装设自动重合闸装置，作为防雷保护的最 后一道放线一自动重合闸，一定要及时投入，并设置正确，雷击跳闸后保证系统可靠供 电。 4 、安徽省高压输电线路经验防雷措施有： ( 1 ) 利用现代化的雷电定位系统与其他检测手段相结合，开展雷击重点区段和易 击点的雷电活动研究，做好全省雷暴日的统计工作，摸清雷击雷区分布和雷电流幅值大 小的规律。 ( 2 ) 线路绝缘子运行维护和检测工作。 ( 3 ) 路历年雷击杆塔进行统计分析，划分多雷区，找出多雷区输电线路和易击杆， 采取有效措施。 ( 4 ) 杆塔接地电阻是对付反击的主要措施之一，保证杆塔接地电阻满足设计值， 或把杆塔接地电阻降至更低。对特殊的岩石地段可采用架设塔身耦合地线，沿线路走向 s 华北电力大学工程硕士学位论文 敷设伸长接地体和塔身拉线等来分流雷电流。 总的来说，我国输电线路防雷设计主要从以下几个方面着手进行： l 、合理选择线路路径。 2 、架设避雷线。 3 、降低杆塔接地电阻。 4 、在部分地段装设避雷器。 5 、提高线路整体绝缘水平。 这几种方法在目前的输电线路防雷设计中运用得非常多，在线路路径受地形和 投资限制，选择范围不大的情况下，架设避雷线、降低杆塔接地电阻、装设避雷器、 提高线路绝缘水平成为防雷设计的主要方法。避雷线、杆塔接地电阻、避雷器、线 路绝缘的设计标准在各类规程和技术规范都有较为详细的阐述。 在选择设计输电线路的防雷设施时，应按照当地的雷电活动情况、系统的中性 点接地方式、输电线路的绝缘情况、有无自动重合闸或备用自投装置、负荷的重要 程度等各项条件来综合考虑，并按照技术经济比较的结果来作出决定采用最佳保护 方案。 1 5 本文的主要内容 本文通过对课题背景的分析，对江淮地区高压输电线路防雷综合措施进行了研究。 主要内容包含以下几个方面： 1 、论述了雷电形成的基本原理和雷电放电的发展过程，以及由于雷电引起的线路 过电压的种类，包括感应雷过电压以及直击雷过电压，其中雷击杆塔后由于接地电阻过 高引起的反击以及雷电流绕过避雷线引起的绕击对线路危害最大。接着阐述了雷电的相 关参数的概念和瓷瓶击穿放电的原理，最后结合电气几何模型的有关概念和线路运行经 验论述了输电线路防雷计算方法，如输电线路耐雷水平的计算、感应雷过电压的计算、 直击雷过电压的计算、输电线路雷击跳闸率的计算。提出了雷击线路跳闸的影响因数： 包括保护角、杆塔及线路高度、地形与地面倾角、接地电阻等因素。 2 、对2 0 0 5 年- 2 0 0 8 年江淮地区的雷击跳闸情况进行了统计分析，给出了雷击跳闸 故障分布图，根据分布图可以直观的看出雷击跳闸在地区上分布情况；统计并分析了历 年来雷击故障在各个月份的发生的情况，得到每年7 、8 月份是累计故障高发月份，为 今后防雷工作的重点时间区间提供了依据；详细分析了2 0 0 8 年输电线路遭受雷击故障 的分类情况，从地区、线路类型、保护角、线路落雷形式、塔形、绝缘子型号材质、线 路运行年份不同的角度进行了多方面客观的分析；最后分析了由雷电定位系统提供的雷 击数据，得到故障率上升的气候客观原因，并且验证了一些理论数据。 3 、根据以上理论知识，因地制宜的对江淮地区典型线路雷击故障进行分析， 6 并且 出相 防雷 用的 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章雷电的机理及其防护方法 雷电现象虽然十分复杂，但从分析其后果的角度看，又可简单将其看成是一个 电流行波沿空中通道注入雷击点，在击中导线后即分为左右两路继续前进。伴随着 电流行波一同前进的还有电压行波，它们构成了以接近光速传播着的电磁波。本章 对雷电的成因、雷电的相关参数以及输电线路防雷计算进行了详细的阐述，只有对 雷电进行详细的研究分析后，才能使用切实有效的方法开展输电线防雷工作。 2 1 雷电的形成机理 雷电这种壮观的自然现象，实质上同实验室中的长间隙放电一样，是雷云与大 地之间或带异种电荷的雷云间的放电现象。 雷云就是积聚了大量电荷的云层嘲6 力，其形成原理如下：近地层空气在太阳 辐射的作用下而温度升高，密度降低，产生上升运动。空气在上升过程中，其中的 水汽不断冷却凝结成小水滴或冰晶粒子，从而形成云团。由于上层空气云团密度相 对较大，产生下沉运动，这样的上下运动形成对流，在对流过程中，云中的小水滴 和冰晶粒子发生碰撞，吸附空气中游离的正离子或负离子，这样水滴和冰晶就分别 带有正电荷和负电荷，逐渐形成雷云。 当雷云的正负电荷聚集到一定量的时候，就会产生电位差，当电位差达到一定 程度，就会发生猛烈的放电现象，这就是雷电的形成过程。雷电电荷在放电过程中， 产生很强的雷电电流，雷电电流将空气击穿，形成一个放电通道，出现的火光就是 闪电；在放电通道中空气突然加热，体积膨胀形成爆炸的冲击波产生的声音就是雷 声。 测量数据表明，一般雷云的上部带正电荷，下部带负电荷，而在中间处出现正 负电荷的混合区域。雷云平均电场强度为1 5 k v c m ，实测到在雷云雷击前的最大 电场强度为3 4 k v c m ，而在稳定下雨时，大约只有4 0 v c l l l 。 雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，而每次放电又可分为先导 放电与主放电两个阶段。在雷云带有电荷后，其电荷集中在几个带电中心，它们间 的电荷数也不完全相等。当某一点的电荷较多。且在它附近的电场达到足以使空气 绝缘破坏的强度( 约2 5 3 0 k v c m ) 时，空气便开始游离，使这一部分由原来的绝缘 状态变为导电性的通道。这个导电性通道的形成，称为先导放电，放电通道如下图 所示： 华北电力大学工程硕士学位论文 毒，：1 _ _ 一 ” i + 黼 。i 。l 。f 。l 。l 。l 。l 。l 。l 。i 。l 。l 图2 - 1 先导放电通道示意图 先导放电是不连续的，雷云对地放电的第一先导是分级发展的，每一级先导发 展的速度相当高，但每发展到一定长度( 平均约5 0 r e ) ，就有一个l o u s - - 。l o o u s 的 间隔。因此，它的平均速度较慢，约为光速的1 1 0 0 0 左右。先导放电的不连续性， 称为分级先导，历时约0 0 0 5 秒0 0 1 秒。分级先导的原因一般解释为：由于先导 通道内游离还不是很强烈，它的导电性就不是很好，由于雷云下移的电荷需要一段 时间，待通道头部的电荷增多，电场超过空气游离场强时，先导将又继续发展。先 导通道强游离区如下图所示： 图2 - 2 先导通道强游离区示意图 在先导通道形成的初阶段，其发展方向仍受一些偶然因素的影响，并不固定。 但当它距地面一定高度时，地面的高耸物体上出现感应电荷，使局部电场增强，先 导通道的发展将沿其头部到感应电荷集中点之间发展。也可以说，放电通道的发展 具有定向性，或者说雷击有选择性，上述使先导通道具有定向性的高度，称之为定 向高度。 当先导通道的头部与带异号电荷的集中点间距离很小时，先导通道端约为雷云对地 的电位( 可高达i o m ，而另一端为地电位，故剩余的空气间隙中的电场强度极高，使 o 电电流仅数百安，但持续的时间可达0 0 3 秒 0 1 5 秒。由于雷云中可能存在多个电荷中 心，因此，雷云放电往往是多重的，且沿原来的放电通道，此时先导不是分级的，而是 连续发展的。 2 2 雷电压和雷电流的形成 雷电现象虽然十分复杂，但从分析其后果的角度看，又可简单将其看成是一个电流 行波沿空中通道注入雷击点，在击中导线后即分为左右两路继续前进。伴随着电流行波 一同前进的还有电压行波，它们构成了以接近光速传播着的电磁波。 当雷击杆塔顶部时，由于塔脚接地电阻r 很小，于是出现反射现象。如果r = 0 ，则 无论如何塔顶都不会出现对地电压。这时随同电流波一同侵入的电压行波，就只好改变 其极性后再由原通道反射回去，才能正负抵消，保证塔顶的零电位状态。但伴随这个向 回反射的电压行波还有一个电流行波返回去，入侵一个正值电流，又返回一个负值电流， 其结果相当于二倍的电流迭加在一起。故从被击物看来，电压消失了，电流增加了一倍。 当然，实际上塔脚接地电阻r 不会真的为零，故这种转化不会十分完善：而且这时r 上的压降，还要使避雷线对地获得一个电位，从而于其上出现电压行波，并伴随一个电 流行波。但由于塔脚接地电阻r 通常只有l 2 0 q ，因此这个避雷线上产生的电流行波是 可以忽略的。因此，我们一般在塔顶或避雷针上用磁钢棒所测得的雷电流，已经包括了 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 这种理论上的反射在内，所以我们一般所测的雷电流i m ，即目前常用的雷电流。 2 3 雷电参数 在输电线路防雷实施中，必须研究雷电的有关参数。雷电的参数主要包括：雷 暴日与雷暴小时、地面落雷密度、雷电流的幅值等，这些参数反映了某一地区的雷 电活动情况，只有了解雷电活动情况后才能更好的因地制宜，做好输电线路防雷工 作。 2 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 地区的雷电活动频度，可用该地区的雷暴日或雷暴小时来表示。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- - d 时内只要听到雷声， 不管听到的次数多少，就记为一个雷暴日或雷暴小时。由于各年的雷暴日、雷暴小 时的变化较大，所以应采用多年的平均值。 表2 - 1 我国雷暴日与雷暴小时的比值 年平均雷暴日数雷暴小时雷暴日数 2 0 2 5 2 2 3 3 0 ，- 4 0 2 5 3 5 5 0 6 03 4 7 0 , - - - , 8 0 及以上 3 3 , - - - , 4 3 从表2 一l 可以看出，雷暴小时数与雷暴日数之比随雷暴日数增加而增大。大致 看来，二者的比值在3 左右。一般把年平均雷暴日不超过1 5 日的地区叫少雷区， 超过4 0 日的叫多雷区，超过9 0 日的叫强雷区，在防雷设计上要因地制宜区别对待。 2 3 2 地面落雷密度 雷暴日或雷暴小时虽反映出该地区雷电活动的频度，但它未能反映出是云间放电或 是云对地放电。测试表明，云间放电远多于云对地放电。我们最关心的是云对地的放电， 也就是地面落雷。地面落雷密度y ( 次平方公里雷暴日) 表示。它表示每一雷暴日、 每平方公里地面落雷次数。我国一般取7 = o 0 1 5 。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 3 雷电流的幅值 雷电流的幅值i 与气象及自然条件有关，是一个随机变量，只有通过大量实测才能 正确估算其概率分布的规律。根据我国实测数据，雷电流幅值的概率计算可用下式计算： l g p = - i 旷i m 一 ( 2 1 ) 式中：i 一雷电流幅值( k a ) p 一超过雷电流幅值i 的概率。 测试还表明，雷电流幅值与海拔高度及土壤电阻率的大小关系不大。 2 3 4 感应雷过电压 感应雷过电压是雷击发生在输电线路附近时，通过电磁感应和静电感应在输电线路 上产生过电压；对于负极性雷云，在主放电开始之前，雷云中的负电荷沿先导通道向地 面运动，线路处于雷云和先导通道形成的电场中。由于静电感应，导线轴向上的电场强 度e x 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 则受e x 的作用向导线两端运动，经线路的泄漏电导和系统的中性点而流入大地。由于 先导发展的速度很慢，导致导线上束缚电荷的聚集过程也比较缓慢，因而导线上由此而 形成的电流很小，可以忽略不计，在不考虑工频电压的情况下，导线将通过系统的中性 点或泄漏电阻保持零电位。主放电开始后，先导通道中的负电荷被迅速中和，使导线上 的束缚电荷得到释放，沿导线向两侧运动形成过电压。这种由于先导通道中电荷所产生 的静电场突然消失而引起的感应电压称为感应过电压的静电分量。同时，主放电通道中 的雷电流在通道周围空间产生了强大的磁场，该磁场的变化也将使导线上感应出很高的 电压。这种由于主放电通道中雷电流所产生的磁场变化而引起的感应电压称为感应过电 压的电磁分量。由于主放电通道与导线互相垂直，因此电磁分量不大，约为静电分量的 l 5 ，感应过电压的大小基本上取决于静电分量u z ，根据理论分析与实测结果，和相关 规程资料，当雷击点离开线路距离s 6 5 m 时，导线上的感应雷过电压最大值u g 可以按 下式计算： 卟2 5 竽( 式中：五雷电流幅值( 1 e a ) ； h d - - - 为导线悬挂的平均高度( m ) ； s 雷击点与电线的距离( m ) 。 1 2 ( 2 2 ) 图2 4 直击雷的分类示意图 l 、雷击杆塔：雷击线路杆塔后，雷电流通过杆塔的接地回路入地，抬高杆塔的地电 位及塔顶电位，在导线与杆塔之间形成一个较大的反差电位，如果超过输电线路绝缘子 的冲放电压，就会导致绝缘子闪络，同时在线路工频电压的作用下，形成稳态的工频电 弧，导致线路接地。 雷击杆塔顶部时，有很大的电流k 流过杆塔入地。对一般高的杆塔，塔身可用等值 电感k 代替，其冲击接地电阻为忍h ，于是塔顶电位计算方法如下： = r 。h i g ，心鲁 3 ， 在一般情况下，冲击接地电阻r 。h 对起很大作用，而在山区或者高阻区，尼h 可 以达到上百欧姆，此时它对的值将起决定性的作用。至于杆塔电感，只有在特高塔 或者大跨越时才会起决定性作用。 2 、雷击避雷线：雷击避雷线档距中央是在雷击点同样形成较高的过电压，其计算 公式如下： 华北电力大学工程硕士学位论文 u ：生生：生口 2d l2 式中，三6 - 半挡避雷线的电感 ( 2 4 ) 口雷电流的陡度。 过电压一旦产生后会迅速向避雷线雷击点两端传播衰减，雷击点离杆塔较远，强烈 的电晕衰减作用使得过电压传播至杆塔时通常已不足以让绝缘子闪络，所以通常只考虑 雷击档距中央瞬间避雷线雷击点对导线的反击，如果反击过电压超过避雷线和导线的空 气间隙的冲放强度时，就会造成线路瞬时接地。 3 、绕击导线：雷电的放电先导其实是一个充满游离离子的团区，离子团的大小随 着雷电流的大小而不同，雷电流越大，离子团也就越大，离子团随雷电发展之地面时， 与之先接触的物体先遭雷电。这样，小的离子团就有可能避开避雷线而直接雷击导线， 形成绕击。绕击雷电流在线路上叠加，同时迅速向线路雷击点两端传播衰减，如果叠加 的雷击过电压超过绝缘子的5 0 冲击放电强度，那就会造成绝缘子闪络，线路接地。 当雷击于导线时，导线的电位可以按照下式计算： 旷屯姥 ( 2 5 ) 式中蜘导线电位； 廿一雷电流； 动雷道波阻抗； z d 导线波阻抗。 即使是绝缘很强的3 3 0 一5 0 0 k v 的线路，不难算出在1 0 - 1 5 k a 的雷电流下将发生闪 络，而出现等于或者大于这一电流的概率很大，约在7 3 0 o , - 8 1 。因此，采用避雷线可 以大大减少雷击导线的发生。 通常将避雷线与外侧导线的连接线和避雷线对地垂直线之间的夹角口称为保护角， 如下图所示： 1 4 间空气间隙闪络是极其罕见的，造成输电线路雷击跳闸的主要原因还是雷击杆塔和绕击 导线。 雷击线路跳闸的影响因数包括保护角、杆塔及线路高度、地形与地面倾角、接地电 阻等因素。根据多年运行经验以及相关理论分析表明： 1 保护角对输电线路雷电屏蔽性能有较大的影响。通过减小保护角来降低绕击率 的方法，大致可以分为下面两种：当保持避雷线高度不变时，增加绝缘子片数，从而降 低导线高度，使保护角减小，绕击率减小；当保持避雷线和导线的高度不变时，减小它 们之间的水平侧向距离，使保护角减小，从而减小绕击率。如果在减小保护角的同时， 相应增加线路高度，则线路的绕击率不一定降低，反而可能升高。 2 地面倾角对线路雷电绕击性能有影响。当倾角较小时，影响不明显；如果地面 倾角较大，则这种影响增大，因此山区的输电线路要尽量减小其保护角甚至采用负保护 角，来降低线路的绕击跳闸率。 3 杆塔接地电阻对线路的反击影响较大，降低杆塔接地电阻是减小反击跳闸率的 有效措施。 2 4 绝缘子击穿放电的原理 输电线路受雷击后，会产生冲击波沿输电线路传输，在输电线路周围产生瞬变高电 华北电力大学工程硕士学位论文 场。绝缘子的雷电击穿原理可以简单这样认为：类似于气体电介质，由于电场的作用使 电介质中的某些带电质点积聚的数量和移动的速度达到一定程度时，使电介质( 绝缘子) 失去了绝缘的性能，形成导电通道。 绝缘子所遭受的雷电击穿又可分为直接击穿和间接击穿。直接击穿是指绝缘子在受 到雷电流作用后，形成导电通道，完全失去绝缘的性能；间接击穿是指在受到雷电流作 用后，电介质中的某些质点的排列结构受到一定的破坏，但终究还没有形成导电通道。 直接击穿和间接击穿的危害都是相当大的：直接击穿会令到输电线路短路跳闸或单相接 地：间接击穿会令到绝缘子受到一定的伤害，但不是立即令到绝缘子完全击穿、使线路 跳闸，而是留下事故隐患，降低了设备绝缘电阻，容易引发热闪络或水闪络等事故。这 种间接击穿事故的重视更应受到重视。 2 5 输电线路防雷计算 输电线路的防雷计算包括输电线路耐雷水平的计算、线路感应雷过电压的计 算、线路直击雷过电压的计算以及输电线路雷击跳闸率的计算，这些参数给输电线 防雷的设计工作提供量化的依据，同时也能从某一方面反映一段输电线的防雷质量 如何。 2 5 1 输电线路耐雷水平的计算 输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。其中雷击跳闸率通 常是假定在每年4 0 个雷电日的情况下，每百公里线路每年因雷害而可能跳闸的次数， 它可用来衡量不同设计方案的相对优劣，并不能代表线路实际运行中的真实情况。 由于平等导线之间存在着互感和线间电容，因此一旦在避雷线上出现电压行波时， 在相导线上就要耦合一个相应的电压。真正作用在绝缘子上的电压是它们二者之差，即 u t - u = u , ( i - k ) ( 2 6 ) 式中k 为耦合系数，通常取值为0 2 左右。耦合作用使绝缘所受到的电压低于塔顶电位 u 。耦合系数在不考虑电晕的情况下，可根据导线的几何尺寸算出，又可称为几何耦合 系数。 雷电流波形的