（电气工程专业论文）深圳电网高压输电线路综合防雷措施探讨及其雷电定位系统的应用.pdf

摘要 雷电是自然界最为壮观的自然景象之一，也是破坏力巨大的自然灾害之一， 尤其是对输电线路的危害性。本文通过对输电线路的防雷设计，全面剖析了电力 系统中如何提高输电线路的防雷水平，从而有效地降低输电线路雷击跳闸率，减 少对电网安全运行的影响，同时，为了减少因雷击故障引起的停电损失，减少寻 找雷击故障点的劳动强度、缩短雷击故障点查找时间，确保电力系统安全运行， 深圳电力系统丌始着手研究雷电的实时监测定位并进行了开发与应用。 本文首先阐述了输电线路雷击放电的原理，介绍了雷电的形成与发展过程， 雷电压和雷电流的形成过程，瓷瓶击穿放电的原理，并给出了雷电参数、耐雷水 平、雷击跳闸率、感应雷和直击雷的主要计算方法；其次，详细论述了目前我国 输电线路防雷设计中常用的几种方法，如：合理选择输电线路路径、架设避雷线、 降低杆塔接地电阻、装设避雷器、架设耦合地线、提高线路绝缘水平等，并对几 种防雷措施进行了深入阐述和定量分析。 深圳电力系统地处雷电多发地带，因雷击引起的架空输电线路跳闸、停电事 故日益增多，对电网安全运行带来巨大威胁。本文阐述了建立雷电定位分析系统 的重要意义，提出基于定向定位和g p s 时差定位技术的雷电定位和分析系统设计 与开发方案。该系统能够及时、准确、方便地对雷击点的信息进行定位、查询和 统计分析，大大缩短寻找雷击故障点的时间，减少因雷击故障引起的停电损失， 并提升了防治雷害的水平。 关键词：输电线路；防雷；雷电放电；定向定位；g p s 时差定位 a b s t r a c t l i g h t n i n gi san a t u r a lp h e n o m e n o n t h eh a r mo fl i g h t n i n go np o w e re q u i p m e n t ， e s p e c i a l l yo nat r a n s m i s s i o nl i n e ，i sa n a l y z e di nt h i st h e s i s b yt h el i g h t n i n g s h i e l d i n g d e s i g no fat r a n s m i s s i o nl i n e ，s o m ei s s u e sa r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h e s ei s s u e s i n c l u d eh o wt oi m p r o v et h el i g h t n i n g s h i e l d i n gl e v e lo fat r a n s m i s s i o nl i n e ，h o wt o l o w e re f f e c t i v e l yt h el i g h t n i n gt r i p o u tr a t eo fat r a n s m i s s i o nl i n e ，a n dh o wt od e c r e a s e t h ei m p a c to fl i g h t n i n go nt h es a f eo p e r a t i o no fap o w e rg r i d a tt h es a m et i m e ，t h e d e s i g no ft h el i g h t n i n gl o c a t i o ns y s t e mi ns h e n z h e ni sd e v e l o p i n g i tw o u l dg r e a t l y s h o r t e nt h et i m en e e d e dt ol o c a t ep o i n t so ft r o u b l e st h a tw e r es t r i c k e nb yl i g h r u i n g ， a n dr e d u c et h el o s s e sa s s o c i a t e dw i t hp o w e rb l a c k o u t sc a u s e db yl i g h t n i n gs t r i k e s f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fl i g h t n i n gd i s c h a r g et oat r a n s m i s s i o nl i n e si sd e s c r i b e di n t h i st h e s i s t h ef o r m i n ga n dd e v e l o p i n gp r o c e s s e so fl i g h t n i n ga r ei n t r o d u c e d a l s o i n t r o d u c e da r et h ef o r m i n ga n dd e v e l o p i n gp r o c e s s e so fl i g h t n i n gv o l t a g ea n d l i g h t n i n gc u r r e n t ，a sw e l l a st h ed i s c h a r g ep r i n c i p l eu n d e rt h eb r e a k d o w no fa n i n s u l a t o r t h em a i nc a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h e l i g h t n i n gp a r a m e t e r s ，t h e l i g h t n i n g - r e s i s t a n c el e v e l ，t h el i g h t n i n gt r i p o u tr a t e ，t h ei n d u c i n gl i g h t n i n ga n dt h e d i r e c t s t r i k i n gl i g h t n i n g a r ep u tf o n v a r d s e c o n d l y , s e v e r a lp r a c t i c a l w a y so f l i g h t n i n g s h i e l d i n gd e s i g no fat r a n s m i s s i o nl i n ei no u rc o u n t r ya r ea n a l y z e d t h e s e w a y si n c l u d et h er e a s o n a b l ec h o i c eo fr i g h t o f - w a yo fat r a n s m i s s i o nl i n e ，t h er a t i o n a l d e s i g no fl i g h t n i n gc o n d u c t o r s ，t h el o w e r i n go ft o w e r sg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，t h e i n s t a l l a t i o no fl i g h t n i n ga r r e s t e r s ，t h ei n s t a l l a t i o no fc o u p l i n gl i g h t n i n gc o n d u c t o r s ， a n dt h ei m p r o v i n go fl i n ei n s u l a t i o nl e v e l ，a n ds of o r t h s o m eo f t h e ma r ea n a l y z e di n d e t a i la n ds t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y i th a sb e c o m ea nu r g e n ti s s u et oe s t a b l i s hal i g h t e n i n gl o c a t i o ns y s t e ms oa st o e n s u r et h es a f e t yo f t h ee l e c t r i c i t yn e t w o r k ，g i v e na ni n c r e a s eo fl i g h t e n i n gs t r i k e st h a t h a v ep a r a l y z e de l e v a t e dp o w e rc a b l e si ns h e n z h e nc i t y i nt h i st h e s i s ，ad e s i g na n d d e v e l o p m e n tp l a nf o ral i g h t e n i n gl o c a t i o na n da n a l y t i c a ls y s t e mi sp u tf o r w a r d t h e p l a ni sb a s e do nt h ed i r e c t i o n a ll o c a t i o na n dg p st i m e o f - a r r i v a ll o c a t i o nt e c h n i q u e t h es y s t e mw o u l de n a b l eu s e r st ol o c a t ep o i n t so fl i g h t e n i n gs t r i k ei nat i m e l y , a c c u r a t ea n dc o n v e n i e n tm a n n e r ，a n dt oc o n d u c ts e a r c ha n da n a l y s i s i tw o u l da l s o e n h a n c et h ec a p a b i l i t i e si np r e v e n t i n gl i g h t e n i n gs t r i k e s k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；l i g h t n i n g s h i e l d i n gd e s i g n ；l i g h t n i n gd i s c h a r g e ； d i r e c t i o n a ll o c a t i o n ；g p st i m e o f - a r r i v a ll o c a t i o n i i 河海大学工程硕士论文 1 1 引言 1 绪论 电闪雷鸣是一种自然现象“。“。我国雷电的分布特点是：夏季多丁二春秋季， 陆地多于海洋，山区多于平原，南方多于北方。雷电电压高达数百万伏，瞬间电 流可高达数十万安培。因此，一次雷电的放电时间虽然只有0 0 1 秒左右，但其 释放出的能量却大的惊人。雷电如果击到人或动物身上，由于雷电电流很大，电 压很高，能使人或动物的心脏和大脑发生麻痹而造成伤亡。由于雷电流很大会产 生大量的热能，雷电具有热的破坏效应，如果碰到易燃物品，就有造成火灾的危 险。雷电流还会引起显著的机械性破坏，如各种砖的烟囱、高塔、钟楼、房屋、 树木及其它建筑物遭到直接雷击时，往往会引起严重的倒塌和劈裂等现象，每年 7 全国各地都有这种情况发生，造成很大的损失。 雷电的主要危害有以下几种： 1 电流高压效应会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 电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流，并产生大量热能，在雷 击点的热量会很高，可导致金属熔化，引发火灾和爆炸。 3 雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等 现象导致财产损失和人员伤亡。 4 雷电流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 雷电流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 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 雷电流能破坏电力系统的各个元件，有可能造成发电机、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 河海大学工程硕士论文 裂、导线烧断和木质电杆被雷劈裂等事故。 1 2 输电线路防雷的重要意义 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。 由于深圳地区地处广东省南部，为沿海城市，属于低纬度亚热带季风区，地 形多为丘陵山地，年平均雷暴日7 5 天，雷暴活动剧烈，雷电强度大，系多雷区。 深圳供电局所辖ll o k v 一5 0 0 k v 架空交流输电线路1 8 0 0 多公里，1 9 9 7 2 0 0 1 年五 年问，跳闸共1 3 6 次，其中雷击跳闸9 0 次，占跳闸总数的6 6 1 8 ，由此可见， 在各类事故、障碍统计中，输电线路的雷害占有很大比例。由于输电线路对于保 “网”的重要地位，如何减少输电线路的雷害事故成为电力系统安全稳定运行的 一项重要内容。 输电线路雷害事故引起的跳闸，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，而且由于输电线路上落雷，雷电波还会沿线路侵入 变电所“1 “。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电量损失的关 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、发电厂安全运行得到保障。 1 3 输电线路防雷方法的研究现状 目前，我国输电线路防雷设计主要从以下几个方面着手进行“2 剖： 1 、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； 2 河海大学工程硕士论文 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的非常多，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做出决定采用 最佳保护方案。 在输电线路的防雷设计中，必须紧密结合当前电力生产和建设中的要求， 不断收集和积累各种数据和资料，经常总结防雷保护工作中的经验教训，提出新 的更加有效的保护技术措施，制造相应的保护装置，以满足不断发展的电网的需 要。 输电线路防雷保护工作必须一切从实际出发，要充分听取各种意见，科研、 设计、施工和运行部门应紧密结合，通力协作，根据当地雷电活动情况和电力网 的具体特点等，进行充分的技术经济论证，保证防雷保护的设计方案技术先进、 方案合理。 1 4 雷电定位系统的开发研制 加强输电线路的防雷措施，降低深圳电网输电线路跳闸率，是我们要做的主 要工作；而运用先进的科学技术，监测高压线路落雷情况并指导协助查找雷击故 障点，指导改进防雷工作，更是我们要深入研究探讨的课题”3 “。 为了减少因雷击故障引起的停电损失，减少寻找雷击故障点的劳动强度、缩 短雷击故障点查找时间，确保电力系统安全运行，深圳供电局开始着手研究雷电 的实时监测定位并进行开发应用。通过借助近年来国内外对雷电探测和定位技术 研究成果，结合深圳市电力系统对雷害的研究和防治的经验，在认真研究了国内 应用雷电定位系统的特殊性的基础上，从系统形式、系统设计、站距设定及站址 选择等多方面都做出了科学的探索，成功地研究并建立了深圳电网雷电定位系 统。同国内类似系统的运行数据相比较，深圳电网雷电定位系统定位平均误差仅 河海大学工程硕士论文 为类似系统的3 5 ，探测有效率是类似系统的2 5 倍，回击次数测定值为1 倍。 深圳市雷电定位系统的开发具有重要的应用价值，主要包括如下四个方面： 1 、快速查找输电线路雷击故障点 雷电定位系统能实时监测探测区域内每次云对地雷击的时间、坐标、电流等 参数，借助终端查询可以快速、准确查找输电线路雷击故障点，极大地降低了线 路工人劳动强度，缩短了修复和排除电力故障和障碍时间，减少停电损失。 2 、协助判断电力系统故障类型 长期以来，在电力系统中，凡是发生在雷电季节又未能查明原因的故障往往 都被归类为雷击故障，因而会影响了对真实原因的查找和处理。利用雷电定位系 统，可使原来部分难以查明的故障因雷击而起的怀疑得以排除，使故障的真实原 因( 如鸟害、外物放电、绝缘问题等) 得以暴露出来并引起重视，加强对电网的 科学管理，对落实各项具体措施保证电力系统安全运行起到积极作用。 3 、为改进输电线路防雷提供依据 雷电定位系统提供的资料成为评价输电线路防雷特性的科学依据。对输电线 路走廊的落雷密度、雷电流强度、雷击闪络性质调查是线路防雷工程师最关心的 课题，雷电定位系统提供的雷电信息及其专家分析系统成功地解决了这一难题， 成为防雷工程师分析研究线路防雷十分理想的手段，并以此对雷密区线路重点加 强防雷保护措旋。 4 、雷电参数的研究 经过一段时间的积累和研究，雷电定位系统可以提供深圳市大部分地区的雷 电日、雷电小时、地区落雷密度、雷电流概率分布、线路走廊雷电参数等重要资 料，依据这些统计资料及勾画出来的雷密度分布图，规划设计部门在规划新建线 路和重要设施时，可以避开雷密区域，以减少日后的雷害和防雷开支。这将是深 圳市乃至广东省的重大资源财富。 1 5 论文的主要工作及章节安排 本论文的主要工作和全文章节安排如下： 第一章绪论部分概述了课题的研究意义，输电线路防雷设计方法的研究现状 和雷电定位系统的开发思路，并且介绍了本课题的主要工作和全文的章节安排。 4 河海大学工程硕士论文 第二章阐述了输电线路雷击放电的基本原理，介绍了雷电放电的发展过程， 雷电压和雷电流形成过程，瓷瓶击穿放电的原理，并提出了雷电参数、耐雷水平、 雷击跳闸率、感应雷和直击雷的主要计算方法。 第三章论述了目前我国雷电线路防雷设计中常用的几种方法，并对几种方法 分别进行了深入阐述、定量分析。此章中还提出了输电线路特殊地段的防雷设计 方法，并通过运用备用自投装置、重合闸装置等来提高线路跳闸情况下的供电可 靠性。 第四章详细地阐述深圳市雷电定位系统中时差定位、定向定位的基本原理和 相关理论以及用于提高测量精度和探测效率的关键技术的解决手段。 第五章对全文进行了总结，概括了本论文的主要工作及研究成果，指出了今 后有待进一步开展的工作。 河海大学工程硕士论文 2 输电线路雷击放电机理分析 2 1 雷电放电的发展过程 雷云就是积聚大量电荷的云层。迄今为止，雷云形成的机理，通常认为是： 在含有饱和水蒸气的大气中，当有强烈的上升气流时，就会使空气中的水滴带电， 这些带电的水滴被气流所驱动，逐渐在云层的某些部位集中起来，这就是我们平 时所说的带电雷云。测量数据表明，一般云块的上部带正电荷，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 ，实际测 到在雷云雷击前的最大电场强度为3 4 k v e m ，而在稳定下雨时，大约只有 4 0 v e r a 。 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 0k 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。 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( 平均约为5 0 m ) 就有一个l o 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o 0 0 5 0 o l s 。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，待通道头部的电荷很多，电场超过空气游离场强时，先导将又继续发展。 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 之谓定向高度。 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 6 河海大学工程硕士论文 云对地的电位( 可高达1 0 m v ) ，而另端为地电位，故剩余的空气问隙中的电 场强度极高，使空气间隙迅速游离。游离后产生的正、负电荷将分别向上、向下 运动，中和先导通道与被击物的电荷，这时便开始了放电的第二阶段，即主放电 阶段。主放电的阶段极短，约5 0 1 0 0 u s ，移动速度为光速的1 2 0 1 2 ：主放电 时电流可达数千安，最大可达2 0 0 3 0 0 k a 。主放电到达云端时，意味着主放电 阶段结束。此时，雷云中剩下的电荷，将继续沿主放电通道下移，此时称为余辉 放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达o 0 3 0 1 5 s 。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r 通常只有l 以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，已经包括了这种理论上的反射在内，所以我们一 般所测得的雷电流，。，即目前常用的雷电流。 2 3 瓷瓶击穿放电机理 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 河海大学工程硕士论文 变高电场。瓷瓶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( 瓷瓶) 失去了绝缘的性能，形成导电通道。 瓷瓶所遭受的雷电击穿又可分为直接击穿和间接击穿。直接击穿是指瓷瓶在 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：直接击穿会令输电线 路短路跳闸或单相接地；间接击穿会令瓷瓶受到一定的伤害，但不是立即令瓷瓶 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更应受到重视。 2 4 雷电参数 2 4 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暴的小时数。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 3 52 2 3 3 0 4 02 5 3 5 5 0 6 03 4 7 0 8 0 及以上 3 3 4 3 从表2 1 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 目的地区叫少雷 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。 ， 河海大学工程硕士论文 2 4 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。测试说明，云问放电远多于云对地放电。我们最关心的是 云对地的放电，也即是地面落雷。地面落雷密度y ( 次平方公里雷暴同) 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y = 0 0 1 5 。 2 4 3 雷电流的幅值 雷电流的幅值l 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： l g p = 一l 1 0 8 ( 2 1 ) 式中，一雷电流幅值，k a ； p 超过雷电流幅值l 的概率。 测试还表明，雷电幅值与海拔高度及土壤电阻的大小关系不大。 2 5 输电线路防雷计算 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。”0 1 。其中雷 击跳闸率通常是假定在每年4 0 个雷电目的情况下，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 运行中真实遮断情况。 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 ，( 卜足) ，耦合系数k 通常约在0 2 左右。耦合作用使绝 河海大学工程硕士论文 缘所受到的电压低于塔顶电位。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。 雷电流可以根据i m = ( l 2 ) ( 卜c o s o t ) 计算( 见图2 1 ) ，从而可算出塔顶 电位 = r ，其中r 为杆塔的接地电阻值。u 再乘上一个考虑耦合的系数 ( 1 一k ) ，就是实际作用于导线绝缘上的电压。如果它超过绝缘子的5 0 闪络电 压，就可以认为要造成闪络，雷电对线路放电引起绝缘闪络时的雷电流临界值， 称作线路的耐雷水平。线路的耐雷水平愈高，线路绝缘发生闪络的机会就愈小。 霎z i 霉电滤波嚣圈 但是，当雷电流超过线路的耐雷水平时，虽然会导致一次雷电闪络，却并不 一定意味着一次故障。这时候，雷电流沿击穿通道入地，但时间只有几十微妙， 线路开关来不及动作。只要在雷电过程迅速消逝后，在闪络点不随之建立工频电 弧，就仍然可以照常供电。只有当沿击穿通道流过的工频短路电流的电孤持续燃 烧，引起相间短路才会跳闸停电。雷电闪络后是否会使工频电流乘虚而入，这是 一个机会问题，通常用建弧率来表示。它是一个随机变量，与单位长度的绝缘上 所实际作用的工频电压有关，也就是同绝缘的工作电位梯度有关，这个电位梯度 越大，建弧的机会也越大。因此，当绝缘子串发生闪络后，应尽量使它不转化为 稳定的工频电弧，因为如果工频电弧建立不了，线路则不会跳闸。由运行经验与 试验数据得出，冲击闪络转化为稳定工频电弧的概率( 建弧率) 的计算公式如下： r = ( 4 5 e ”5 1 4 ) ( 2 2 ) 其中：玎建弧率； e 绝缘子串的平均电压梯度；( 单位k v m ) 对地中性点有效接地电网 e = 以 3 ( + o 5 j k ) 】 ( 2 3 ) f 0 河海大学上程硕士论文 对中性点非有效接地的电网 e = u 。 ( 2 l j + ) 】 ( 2 4 ) 式中u 。额定电压，k v ； l ，绝缘子串长度，i l l ； l m _ 一线路的线间距离，m ( 对铁横担和钢筋混凝土横担线路，k = o ) 显然，降低建弧率可采取的措施是；适当增加绝缘子片数，减少绝缘子串上 工频电场强度，电网中采用不接地或经消弧线圈接地方式，防止建立稳定的工频 电弧。 2 5 2 线路感应雷过电压和直击雷过电压的计算 通常将雷电引起的电力系统过电压，称为大气过电压。雷云放电在电力设备 产生的过电压，是由于雷云影响产生的，所以也叫做雷电过电压，它分为感应雷 过电压及直击雷过电压。感应雷过电压是由于电磁场的剧烈变化，电磁耦合而产 生的；而直击雷过电压是由于流经被击物很大的雷电流所造成的。 1 、感应雷过电压 当雷云接近输电线路上空时，根据静电感应的原理，将在线路上感应出一个 与雷云电荷相等但极性相反的电荷，这就是束缚电荷，而与雷云同号的电荷，则 通过线路的接地中性点逸入大地，对中性点绝缘的线路，此同号电荷将由线路泄 露而逸入大地。 此时如雷云对地( 输电线路附近地面) 放电，或者雷击塔顶但未发生反击( 它 们之间的差别仅在于后者以杆塔代替部分雷电通道) ，由于放电速度很快，雷云 中的电荷便很快消失，于是输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷，分别向线 路左右传播。 设感应电压为u ，当发生雷电主放电以后，由雷云造成的静电场突然消失， 从而产生行波。根据波动方程初始条件可知，波将一分为二，向左右传播。感应 过电压是由雷云的静电感应而产生的，雷电先导中的电荷q 形成的静电场及主放 电时的雷电流i 所产生的磁感应，是感应过电压的两个主要组成部分。 ( 1 ) 无避雷线时的感应雷过电压 根据理论分析和实测结果，有关规程建议，当雷击点距离输电线路的距离s 河海大学工程硕士论文 大于6 5 m 时，导线上产生的感应过电压最大值可按下式计算： u = 2 5 i 九s ( k v ) ( 2 5 ) 式中i 雷电流幅值，k a h 。导线悬挂平均高度，m s 雷击点至线路的距离，m 感应过电压的幅值与雷电流幅值i 及导线平均高度成正比，与雷击点到线路 的距离s 成反比。感应过电压的极性与雷电流极性相反。由于雷击点的自然接地 电阻较大，所以最大电流值可采用i l o o k h 进行估算。实测表明，感应过电压 峰值一般最大可达3 0 0 4 0 0 k v 。这对3 5 k v 及以下的水泥杆线路将可能引起闪络 事故：对l o o k v 及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故，且 感应过电压同时存在于三相导线上，故相间不存在大电位差，只能引起对地闪络， 如果两相或三相同时对地闪络，才可能形成相间闪络事故。 更多的雷击，则因线路的吸引，而击于线路本身。当雷直击于杆塔或线路附 近的避雷线时，周围迅速变化的电磁场将在导线上感应出相反的过电压。在无避 雷线时，对一般高度的线路，这感应过电压的最大值可由下式计算 u = a h a ( k v ) ( 2 6 ) 式中a 一感应过电压系数，k v m ，其值等于以k a u s 为单位的雷电电流平均陡 度值，其由给定的雷电流幅值i 和波头时间决定，取a = i 2 6 ( 2 ) 有避雷线时的感应雷过电压 如果线路上有避雷线，则由于其屏蔽作用，导线上的感应过电压将会下降。 假定避雷线不接地，在避雷线和导线上产生的感应过电压可用公式( 2 5 ) 来进 行计算，当二者悬挂高度相差不大时，可近似认为两者相等。但实际上避雷线是 接地的，其电位为零，这相当于其上叠加了一个极性相反，幅值相等的电压 ( - - u ) ，这个电压由于耦合作用在导线上产生的电压为k o ( - u ) = 一t “。因此， 导线上的感应过电压幅值为两者叠加，极性与雷电流相反，即： u = “- k o ”= ( 1 一) “ ( 2 7 ) 式中，t 避雷线与导线之间的耦合系数。其值只决定于导线间的相互位置与 几何尺寸。线间距离越近，则耦合系数舡愈大，导线上感应过电压愈低。 河海大学工程硕士论文 2 、直击雷过电压 电力系统的防雷的重点是直击雷防护，它也可分为无避雷线和有避雷线两种 情况。 ( 1 ) 无避雷线时的直击雷过电压 输电线路未架设避雷线的情况下，雷击线路的部位只有两个，一是雷击导线， 二是雷击塔顶。 当雷直击导线后，雷电流便沿着导线向两侧流动，假定z 为雷电通道的波阻 抗，z 1 2 为雷击点两边导线的并联波阻抗( 若计及冲击电晕的影响，可取 z = 4 0 0 ) 。则雷击过电压砜= ( 1 1 2 ) x ( z 2 ) = i x z 4 = 1 0 0 i 。雷击导线的过电压 与雷电流的大小成正比。如果此电压超过线路绝缘的耐受电压，则将发生冲击闪 络。由此得线路的耐雷水平为 j = 1 0 0 ( k a ) ( 2 8 ) 当雷击线路塔顶时，雷电流i 将流经杆塔及其接地电阻流入大地。架设杆塔 的电感为k ，杆塔的冲击电阻为屹，导线悬挂点高度为日。，雷电流为斜角平 顶波，且工程计算取波头为2 6 u s ，则作用在绝缘子串上的电压为 q = j ( 叱+ k 2 6 + 吼2 6 ) ( k v ) ( 2 9 ) 由此可知，加在线路绝缘子串上的雷电过电压与雷电流的大小、陡度，导线 与杆塔的高度及杆塔的接地电阻相关。如果此值等于或大于绝缘子串的5 0 雷 电冲击放电电压时，塔顶将对导线产生反击。在中性点直接接地的电网中，有可 能使线路跳闸。此时线路的耐雷水平为 = 坫o ( 如+ k 2 6 + 2 6 ) ( k a ) ( 2 1 0 ) 6 0 k 7 及以下电网采用中性点非直接接地方式，雷击塔顶时若雷电流超过耐 雷水平，会发生塔顶对一相导线放电。由于工频电流q l i d , ，不能形成稳定的工频 电弧，故不会引起线路跳闸，仍能安全送电。只有当第一相闪络后，再向第二相 反击，导致两相导线绝缘子串闪络，形成相问短路时，才能出现大的短路电流， 引起线路跳闸。此时，线路的耐雷水平为 i = 虬。 ( 1 一t ) ( 8 + t ，2 6 + 。h j 2 6 ) ( k a )( 2 1 1 ) 河海大学工程硕士论文 其中赶两相导线问的耦合系数。 ( 2 ) 有避雷线时直击雷过电压 有避雷线时直击雷击线路的部位有三种：一是雷绕过避雷线而击于导线，而 是雷击塔顶，三是雷击档距中央的避雷线。 雷绕过避雷线击于导线的过电压及耐雷水平必须先得出绕击率只。所谓绕 击率就是指绕过避雷线而击中导线的概率，它随着保护角的减小而迅速下降。根 据模拟试验和多年现场运行经验表明，绕击率和避雷线对外侧导线的保护角a ， 杆塔高度h 和地形条件等有关，建议用下式计算： 对平原线路：l g = 口 8 6 3 9 对山区线路：l g 只= 口如8 6 - 3 3 5 发生绕击后线路上的过电压及耐雷水平可按无避雷线时雷击导线时进行计 算。雷击塔顶时，雷电流大部分经过被击杆塔入地，小部分电流则经过避雷线由 相邻杆塔入地。流经被击杆塔入地的电流0 和总电流j 的关系可以用下式表示： i 。= p i q - 1 2 ) 式中口杆塔的分流系数，它小于1 。 对于一般长度的档距，卢可由表2 2 查出。 表2 2 分流系数口 额定电压k v1 1 02 2 0 3 3 05 0 0 单避雷线 o 90 9 2 双避雷线 0 8 6o 8 8o 8 80 8 6 5 0 8 2 2 因此，雷击有避雷线线路杆塔顶时的耐雷水平j 为： j = u 。 ( 1 一乞) lp ( 如+ t 。2 6 ) + 峨2 6i ( k a ) ( 2 1 3 ) 雷击输电线路档距中央避雷线时，由于雷击点距杆塔有一段距离，由两侧接 地杆塔处发生的负反射需要一段时间才能回到雷击点而使该点电位降低。在此期 间，雷击点地线上会出现较高的电位。这可用近似的集中参数的等值电路来分析， 求得雷击点的过电压。设档距避雷线电感为2 l ，雷电流取斜角波，即i = a t ，则 1 4 河海大学工程硕士论文 u o = l 2 x l x 口。 a 点与导线空气间隙绝缘上所承受的电压u 为： u = u o ( 1 _ 吃) = 1 2 x l n ( 卜k ) ( k v ) ( 2 1 4 ) 其中丘为导线与避雷线间的耦合系数。 2 5 3 输电线路雷击跳闸率的计算 雷击输电输电线路的跳闸次数与线路可能受雷击的次数有密切的关系。而线 路可能受雷击的次数与线路的等值受雷击宽度，每个雷暴日每平方公里地面的平 均落雷次数，线路长度及线路所经过地区的雷电活动程度有关。根据模拟试验和 运行经验一般将避雷线或导线对地面的遮蔽宽度取1 0 只，也就是说- - n 宽度为 5 吼。这样1 0 0 k m 长的输电线路对地面的遮蔽面积，或受害面积为： a = 1 0 h dx 0 0 0 1 x 1 0 0 = h a ( k m 2 ) 通常地面落雷密度y = o 0 1 5 ，如果取每年4 0 个雷暴日作为标准，此时，每 年1 0 0 k m 输电线路受到的雷击次数为：n = 4 0 x 0 0 1 5 x 蜴= 0 6 x 峨次 ( 1 0 0 k m 4 0 雷电日) 。 雷击塔顶及杆塔附近避雷线的次数由运行经验可以得出，雷击杆塔次数与雷 击线路总数的比例称为击杆率占，见表2 3 表2 3 击杆率 避雷线根数 ol2 平原1 21 41 6 山区 1 31 4 线路因雷击而跳闹，有可能是由反击引起的，也可能是由绕击造成的，这两部分 之和即是线路总的雷击跳闸率。 ( 1 ) 反击跳闸率r l 由雷击点部位来看，反击包括两部分，一部分是雷击塔顶及杆塔附近的避雷 线，雷电流经杆塔入地，造成塔顶较高电位，使绝缘子闪络，另一部分是雷击避 河海大学工程硕士论文 雷线档距中央。只要空气间隙符合规程要求，雷击避雷线档距中央一般不会发生 闪络，当然不会引起反击跳闸。因此，可以认为反击跳闸主要是由第一种情况决 定的。 由表2 3 可以查出击杆率，即每百公里线路在4 0 个雷电日下r 雷击杆塔的 次数也= o 6 x 吼，雷电流幅值大于雷击塔顶的耐雷水平f ，的概率为p t ，建弧率 为玎( 两者均由公式求得) 。那么，每百公里线路，4 0 个雷电日，每年因雷击塔 顶造成的跳闸次数为： r , = o 6 以占玎“a ( 次1 0 0 k m 4 0 雷电日) ( 2 1 5 ) ( 2 ) 绕击跳闸率仍 线路绕击率为只，每百公里每年绕击次数为坼乇= 0 6 吼只，雷电流超过 耐雷水平厶的概率为最，建弧概率为叩，则每百公里线路因绕击跳闸次数为： 碣= o 6 吼只叩。易( 次l o o k m 4 0 雷电日) ( 2 1 6 ) 综上所述，对于中性点直接接地，有避雷线的线路跳闸率7 为 r = r t , + = o 6 。叩( 万x 暑+ e ) ( ； 次1 0 0 k m 4 0 雷电目) ( 2 1 7 ) 顺便指出，在中性点非直接接地的电网中，无避雷线( 金属或钢筋混凝土杆 塔线路) 的线路雷击跳闸率可用下式计算： 玎= 0 6 x d x , x 日( 次1 0 0 k m 4 0 雷电日) ( 2 1 8 ) 式中上导线平均高度，m r 建弧率 只雷击使线路一相导线与杆塔间闪络后，再向第二相导线反击时 耐雷水平的雷电流概率。 1 6 河海大学上程硕士论文 3 深圳输电线路运行中的防雷措施 在确定输电线路的防雷方式时，应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、地形地貌特征、土壤电阻率的高低等条件，并结 合当地已有线路的运行经验，进行全面的技术经济比较，从而确定出合理的保护 措惑“。 现有的输电线路防雷保护措施一般有以下各项。 3 1 合理选择输电线路路径 大量运行经验表明，线路遭受雷击往往集中于线路的某些地段。我们称之为 选择性雷击区，或称为易击雷区。线路若能避开易击雷区，或对易击区线段加强 保护，则是防止雷害的根本措施。实践表明，下列地段易遭受雷击： 1 、雷暴走廊，如山区风口以及顺风的河谷和峡谷等处； 2 、四周是山丘的潮湿盆地，如杆塔周围有鱼塘、水库、湖泊、沼泽地、森 林或灌木、附近又有蜿蜒起伏的山丘等处； 3 、土壤电阻率有突变的地带，如地质断层地带，岩石与土壤、山坡与稻田 的交界区，岩石脚下有小河的山谷等地，雷易击于低土壤率处； 4 、地下有导电性矿的地面和地下水位较高处； 5 、当土壤电阻率差别不大时，例如有良好的土层和植被的山丘，雷易击于 突出的山项、山的向阳坡。 3 2 架设避雷线 3 2 1 架设避雷线 架设避雷线是输的线路防雷保护的最基本和最有效的措施。避雷线的主要作 用是仿真雷直击导线，同时还具有以下作用： 1 、分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从容降低塔顶电位； 2 、通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子