（电气工程专业论文）湖南省输电线路的防雷研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h el i g h t n i n gs h i e l d i n go fh u n a n p r o v i n c e s t r a n s m i s s i o nl i n e b y q i ul i n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl u ol o n g f u j u n e ，2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：奴刊卜 日期：、。年 月j e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签 坛球 日期：pc 。年? 月7e 1 日期：似_ 年 月7 e l 湖南省输l 乜线路防雷研究与设计 摘要 随着当今电力网输送功率的不断加大，电压等级的不断升高，输送距离的不 断扩大，各种电力故障问题也将不断涌现，其中雷击引起的故障问题将是一个不 可忽略的问题，如何做好当今电力网的防雷设计工作已变得越来越重要。防雷保 护设计是一项长远、重要而又艰巨的任务，本文围绕防雷设计问题展开了深入的 研究。 本文阐述了雷击放电的基本原理和雷击放电对输电线路可能造成的危害。简 要介绍了雷电的形成发展、雷电压和雷电流的形成、瓷瓶击穿原理、雷电参数等 雷击放电的基本理论。详细讨论了线路防雷设计的相关计算，包括耐压水平的计 算、线路感应过电压和直击雷过电压的计算、线路雷击跳闸率的计算。深入研究 了湖南省输电线路的运行状况，并对线路运行的相关数据进行了深刻的分析，得 出了雷击引起线路跳闸的可能原因和主要原因。针对湖南省输电线路的运行状况， 给出了相应的防雷措施和防雷设计建议。基于常用的防雷设计方法，本文还详细 介绍了2 2 0 k v 株渌线的防雷设计。该设计结合了株洲市当地的地形地貌、气象、 环境、电网运行状况等实际情况，文中也给出了线路施工完毕后需做的防雷工作。 关键词：输电线路；雷电放电；雷电流；雷电压；防雷设计； a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a n s m i s s i o np o w e r ，v o l t a g el e v e l ，t r a n s m i s i o nl i n el e n t ho f p o w e rg r i d ，av a r i e t yo fp o w e rf a i l u r ep r o b l e m sw i l le m e r g e ，t h ep r o b l e m sc a u s e db y t h u n d e r l i g h t n i n ga m o n gt h e mc a nn o tb ei g n o r e d w h a ts h o u l dw ed ot op r o t e c tt h e p o w e rg r i db e c o m em o r ei m p o r t a n ta tp r e s e n t t h ed e s i g no fl i g h t n i n gs h i e l d i n go f t r a n s m i s s i o nl i n ei sal o n g t e r m ，i m p o r t a n ta n da r d u o u st a s k ，t h i sp a p e rd o n e i n - d e p t h r e s e a r c hs u r r o u n d i n gi t i te x p o u n d e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h u n d e r l i g h t n i n gd i s c h a r g ea n dt h ed a m a g e t 0t h ep o w e rg r i dt r a n s m i s s i o nl i n ec a u s e db yt h u n d e r l i g h t n i n gd i s c h a r g e i t b r i e f l y i n t r o d u c e dt h et h u n d e r - l i g h t n i n gt h e o r y ，s u c ha st h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t h u n d e r l i g h t n i n g ，t h ef o r m a t i o no ft h u n d e r l i g h t n i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t ，t h ep r i n c i p l e o f t h u n d e r l i g h t n i n gb r e a k d o w n e dp o r c e l a i ni n s u l a t o r , t h e p a r a m e t e r s 0 ft h e t h u n d e r - l i g h t n i n g i ta l s od i s c u s s e dt h er e l a t e dc a l c u l a t i o no ft h et h a n d e r 1 i g h t n i n g p r o t e c t i o nd e s i g no fp o w e rg r i dt r a n s m i s s i o nl i n e ，i n c l u d e dt h ec a l c u l a t i o no ft h e w i t h s t a n d v o l t a g e ，i n d u c e do v e r v o l t a g e ，d i r e c t l i g h t n i n g s t r o k e o v e r v o l t a g e ， l i g h t n i n gt r i pr a t eo ft r a n s m i s s i o nl i n e i td e e p l yr e s e a r c h e dt h er u n n i n gs i t u a t i o no f t h eh u n a np o w e rg r i da n da n a l y s e dt h er e l a t e dr u n n i n gd a t ai nd e e p ，t h e nr e a s o n e d o u tt h ep o s s i b l ec a u s e sa n dm a i nc a u s e so f l i g h t n i n gl i n et r i p c o m b i n i n gw i t ht h e a n a l y s i sr e s u l to fh u n a np o w e rg r i d ，i tg i v e dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sa n d p r o p o s e s o fl i g h t n i n gs h i e l d i n gd e s i g no ft r a n s m i s s i o nl i n e b a s e do nc o m m o na p p r o a c ho f l i g h t n i n gs h i e d i n gd e s i g n ，t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e dt h el i g h t n i n gs h i e d i n gd e s i g no f t h e2 2 0 k vz h u l ul i n e i n d e t a i l ，t h i s d e s i g nc o m b i n e dw i t ht h el o c a lp r a c t i c a l s i t u a t i o n ，s u c h a s t e r r a i n s ，w e a t h e r ，e n v i r o n m e n t ，t h e p o w e r n e t w o r k o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h el i g h t n i n gs h i e d i n gw o r kw h i c ha f t e re r e c t i n gt h et r a n s m i s s j o nj j n e a l s ow e r eg i v e ni nt h ed e s i g n k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n l i n e ；l i g h t n i n gd i s c h a r g e ；l i g h t i n gc u r r e n t ；l i g h t n i n g v o l t a g e ；l i g h t n i n gs h i e l d i n gd e s i g n ； u i 湖南省输电线路防雷研究j 设计 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景与意义1 1 2 国内外研究现状和发展趋势1 1 3 本论文的主要研究内容4 第2 章雷击放电原理6 2 1 雷电的形成及其发展6 2 2 雷电压和雷电流的形成7 2 3 瓷瓶击穿原理8 2 4 雷电参数8 2 4 1 雷暴日与雷暴小时8 2 4 2 雷暴距离9 2 4 3 地面落雷密度9 2 4 4 雷电流的幅值9 2 5 线路防雷设计的计算9 2 5 1 耐压水平的计算一1 0 2 5 2 线路感应雷过电压和直击雷过电压的计算1 1 2 5 3 线路雷击跳闸率计算1 9 2 6 本章小结2l 第3 章湖南省输电线路运行状况2 2 3 1 湖南省输电线路概况2 2 3 2 湖南省输电线路故障跳闸调研内容2 2 3 3 湖南省输电线路故障跳闸调研结果统计2 3 3 4 本章小结。3 2 第4 章线路雷击事故原因分析与防雷措施3 3 4 1 输电线路雷击事故一般原因3 3 4 1 1 雷击事故发生机理一3 3 4 1 2 输电线路雷击事故一般原因3 3 4 2 湖南省输电线路雷击事故原因分析3 4 i v 硕j 二学位论文 4 3 湖南省输电线路防雷保护措施3 7 4 3 1 防雷保护前期研究工作3 7 4 3 2 湖南省输电线路防雷措施。3 8 4 3 3 湖南省输电线路防雷设计建议4 2 4 4 本章小结4 4 第5 章2 2 0 k v 株渌线防雷设计一4 5 5 12 2 0 k v 株渌线简介4 5 5 22 2 0 k v 株渌线防雷设计一4 6 5 2 1 线路所处环境概况4 6 5 2 2 设计依据4 8 5 2 3 设计范围。4 8 5 2 4 设计遵循的规程规范4 8 5 2 5 导线与避雷线4 9 5 2 6 绝缘配合与防雷接地5 0 5 32 2 0 k v 株渌线的实施5 4 5 3 1 线路安全优质施工5 4 5 3 2 线路严格规范管理5 5 5 3 3 线路运行中的防雷工作5 5 5 3 本章小结5 7 结论5 8 参考文献6 0 致j 射6 3 v 硕士学位论文 第1 章绪论 本章主要阐述输电线路防雷设计的目的和意义，介绍国内外防雷设计研究的 发展现状和未来防雷设计研究的发展趋势。简要概述本文的选题背景和主要的研 究内容和工作任务。 1 1 选题背景与意义 电闪雷鸣是一种自然现象。我国地处温带( 部分地区属于亚热带气候) ，雷电 活动比较频繁。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【l j 。漫长的输电线路穿过平原、山区、跨越江河湖泊， 遇到的地理条件和气象条件各不相同，所以遭受雷击的机会较多。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o 0 1 秒左右，但其释放出的能量却大得惊人。雷电如果击到人或动物身上，由于雷电 流和雷电压皆很大，能使人或动物的心脏和大脑发生麻痹而造成伤亡，同时强大 的雷电流会产生大量的热能，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坍和劈裂 等现象，每年全国各地都有这种情况发生，造成很大的损失【2 1 。据统计，我国电 力系统各类事故中，输、配电线路的雷害事故占有很大的比例。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，雷电波会沿线路侵入变电所，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损坏，影响安全供电【3 1 。 由此可见，输电线路的防雷是减少电力系统雷害事故及其引起电量损失的关 键。输电线路是电力系统的大动脉，它将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，直接影响到了电网的稳定和向用 户的可靠供电，做好输电线路的防雷设计工作，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 2 国内外研究现状和发展趋势 长期以来，为了减少雷害事故的发生，提高供电可靠性，人们采取各种防雷 湖南省输i 【l 线路防雷研究1 j 设计 措施对输电线路进行保护。随着人们对电力系统供电可靠性的要求越来越高，对 电力系统防雷保护的重视程度也越来越高，更多的新技术与材料也越来越广泛的 应用于电力系统的防雷设计中。 1 接地材料的发展 在接地电阻方面，人们采用了多种方法降低电阻，并采用了多种材料，作为 接地体，主要包括铜材、钢材、热镀锌材料等，主要目的是降低接地电阻，并防 止接地体腐蚀从而延长接地体寿命，铜材与热镀锌材料与钢材相比能比较好的解 决接地体腐蚀的问题，但是就成本而言要比钢材高很多，不符合技术经济比的原 则，且不能有效的改善周围土壤电阻率【4 j 。为此，人们开发出了接地模块、离子 接地棒和降阻剂等材料，并在实际的工程中得到了广泛的应用，但上述新型材料 具有各自的优缺点。接地模块主要采用低电阻率材料制成模块后埋入大地，其作 用是扩大接地体与土壤的有效接触面积，而且有的接地模块如保水和吸水性材料 后，能具有比较好的保水性和吸水性，但是它不具有扩散与渗透作用，不可以有 效的改善土壤电阻率，其降阻作用受到一定的局限，只能作为辅助降阻的材料来 使用。离子接地棒是由若干带排泄孔的铜管组成，管内填充的晶体实际上就是无 机盐类，其降阻原理实质是就是靠无机盐类的析出、溶解、电离成可以导电的金 属离子，向土壤中的渗透以增加土壤中金属导电离子的浓度而改善土壤的导电性 能，实际上就是无机化学降阻剂【4 1 。只是为了防止腐蚀，利用耐腐蚀的铜管做载 体。但电解地极法由于是每隔一定间隔才埋入一根电解地极，所以无机盐类的渗 出是不均匀的，无机盐类从铜管内析出、溶解、渗透到周围土壤中造成土壤中金 属离子浓度的不均匀性，形成了土壤中腐蚀电位的变化，易使连接电解地极的接 地体产生电化学腐蚀，如与变电站的钢接地体接触后会对原地网的钢接地体造成 腐蚀。降阻剂在接地中使用较多的产品，它能有效的防止接地体的腐蚀，并且能 改善周围土壤电阻率。但是降阻剂在实际的工程应用中确实存在一系列的问题， 比如降阻剂的腐蚀性问题，降低接地电阻效果的问题，降阻稳定性问题，以及对 地下水资源的污染问题，这造成一些用户对降阻剂的应用产生了抵触情绪，有些 单位甚至明文规定不准使用降阻剂【5 1 。这里大多是由降阻剂的产品质量引起的， 也有一些是由于使用方法不当造成的，但也有一些降阻剂的降低接地电阻效果和 防腐效果都很好，且性能稳定，寿命长，长期以来在接地工程中得到成功的应用。 2 避雷器的发展 避雷器按其发展历史和保护性能的改进过程可分为：放电间隙避雷器、管型 避雷器、普通阀式避雷器、磁吹避雷器、金属氧化物避雷器等。避雷器早期使用 最多的为放电间隙型，至今人们还在一些地方使用着放电间隙，但是结构在不断 的改进，放电间隙存在的问题是不能自动熄灭工频续流电弧【引。整个世纪以来， 人们为了改进避雷器，在限制过电压和自动熄灭电弧这两方面不断努力。管型避 2 硕l ：学位论文 雷器实际上是一种具有较高的熄弧能力的保护间隙，它由两个串联间隙组成，一 个间隙在大气中，称为外间隙，其工作就是隔离工作电压，避免产气管被流经管 子的工频泄露电流所烧坏，另一个则装设在气管内，称为内间隙或者灭弧间隙。 管型避雷器的灭弧能力与工频续流的大小有关。阀式避雷器主要由火花间隙和非 线性电阻两部分串联而成，为了避免外界因素的干扰，火花间隙和电阻阀片被安 置在密封良好的瓷套，在电力系统正常工作时，间隙将电阻阀片和工作母线分开， 当母线上出现过电压且幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片 流入大地。普通阀式避雷器依靠间隙的自然熄弧能力，因此其灭弧能力不是很强， 其次，阀片通流能力有限，因此普通阀式避雷器只能用于雷电过电压防护，而不 能用做持续时间比较长的电力系统内部过电压防护【7 】。为了减小阀式避雷器的切 断比和保护比，即为了改进阀式避雷器的保护性能，人们在普通阀式避雷器的基 础上，开发了一种新的带磁吹间隙的阀式避雷器，简称磁吹避雷器，它的基本结 构和工作原理与普通阀式避雷器相似，主要区别在于采用了灭弧能力较强的磁吹 火花间隙和通流能力较大的高温阀片。自从日本学者1 9 6 7 年发现氧化锌压敏特性 以来，具有优异伏安特性的金属氧化物电阻片以及金属氧化物避雷器迅速发展。 国内专家关注氧化锌压敏特性源自上世纪六七十年代，他们对其进行了大量的科 研基础工作。第一批金属氧化锌避雷器使用在海南地区的l o k v 线路，该地区具有 湿热和多雷的特点，通过八十年代末期对避雷器的全面调查，氧化锌避雷器全面 取代碳化硅避雷器已成发展趋势，氧化锌避雷器在八十年代中期被两部鉴定为世 界先进水平，而后国内金属氧化物避雷器的制造业迅猛发展，国内产品完全占据 国内市场，一些优秀的企业还迅速走向世界，九十年代中后期，线路避雷器快速 发展p j 。我国是从1 9 9 3 年开始研制和应用的，1 9 9 5 年淄博电业局与原电力部中能 公司合作，使用该公司生产的避雷器产生了较好的效果。 3 输配电线路防雷措施的发展 经过长期的不懈努力，我国电力部门在雷电观测、雷电形成机理研究及防雷 保护等方面已经取得了一系列科技成果。除金属氧化物避雷器外，越来越多的技 术也应用到电力系统的防雷保护中。在线路防雷保护方面，采用了多种降低雷害 事故跳闸率的措施，主要包括提高线路绝缘水平、降低雷击线路建弧率、改善配 电网中性点运行方式等方法。提高线路绝缘水平主要通过采用更换以冲击放电电 压更高的绝缘子，或者是采用架空绝缘导线来提高线路的绝缘水平，进而改善线 路的耐雷水平p j 。配电网中性点接地运行方式方面，则采用中性点不接地、中性 点直接接地、中性点经小电阻接地、中性点经消弧线圈接地等运行方式。中性点 不接地方式指的是中性点对地绝缘、结构简单、运行方便，不需要任何的附加设 备。适合于l o k v 架空线路长的辐射形或树状的供电网。利用中性点经消弧线圈接 地运行方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈，在系统发生单相接 3 湖南省输l 乜线路防雷研究| 孑设计 地故障时，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补偿，使流过接地点的 电流减小到能自行熄弧范围，其特点是线路发生单相接地时，按规程规定电网可 带电运行两小时，对于中压电网，因接地电流得到补偿，单相接地故障不会发展 成为相间故障，因此，中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性，大大高于中性 点经小电阻接地方式【9 以0 1 。但是，从整体研究发展来看雷害事故在电网事故中占 了相当大一部分比例，且随着电力系统的发展，对线路供电可靠性的要求在提高， 如何做好当前输电线路的防雷设计工作已成了电网公司的当务之急。 目前，我国输电线路的防雷设计主要从以下几个方面来着手进行的【1 0 】： ( 1 ) 合理选择线路的路径。合理的选择线路路径，可减少线路遭受雷击的概 率，进而降低雷击事故的发生率，但是，不同路径，建设投资的成本也不尽相同， 因此需综合考虑。 ( 2 ) 降低杆塔接地电阻。降低杆塔的接地电阻即可降低塔顶的雷击过电压， 进而减小线路闪络的机率。 ( 3 ) 架设避雷线。架设避雷线可减小雷直击线路的机率，进而降低线路雷击 事故的发生率。 ( 4 ) 提高线路整体的绝缘水平。线路整体绝缘水平提高了，雷击线路发生闪 络的机率自然也会减小。 ( 5 ) 线路部分地段装设避雷器。装设避雷器后，可通过避雷器直接将雷击电 流引入大地，避免雷击事故的扩大。 当然，防雷设计是个需从多方面考虑的问题，需结合当地的地形、气象、线 路状况等各方面的因素来考虑，还需从技术经济的角度来来综合考虑，才能制定 出最佳的保护方案。 1 3 本论文的主要研究内容 本文以湖南省电网输电线路为主要研究对象，从雷击放电的基本理论研究到 线路防雷的工程设计，文中都分别进行了详细的阐述。在深入了解了湖南省输电 线路的运行状况的基础上，做了某一线路的实际工程设计，该设计结合了线路的 实际情况，如地理、气象条件等。本文做的主要研究工作如下： 1 ) 研究了雷击放电的原理与基本理论。简要概述了雷电放电的产生及其发 展。详细介绍了雷击放电的基本理论，包括雷电压和雷电流形成过程、瓷瓶击穿 放电原理、雷电参数，雷电参数主要介绍了雷暴日与雷暴小时、雷暴距离、地面 落雷密度、雷电流幅值等。同时详细介绍了线路防雷设计的相关计算，包括对线 路耐雷水平、雷击跳闸率、感应雷过电压和直击雷过电压的计算法。 2 ) 深入研究了湖南省输电线路近些年的运行状况。结合湖南雷电定位系统及 4 硕上学位论文 其多年的运行经验，从全省地理角度体统计出各种地形地貌的落雷强度分布和密 度分布、高压和超高压输电线路沿途各区域历年来的雷电日以及雷击事故频度， 最终对湖南省各地区、各种地形划分出不同的雷区等级，为新建线路的防雷设计 及老线路的防雷改造提供基础数据。 3 ) 给出了针对湖南省输电线路的防雷设计策略和措施。该防雷设计策略和措 施是在深入了解了湖南省输电线路运行状况的基础上提出的，其考虑了湖南省特 殊的地形地貌、气象条件及电网线路结构等实际情况。部分防雷措施还给出了其 防雷效果的设计实例检验。 4 ) 在完成了湖南省输电线路防雷设计的总体研究工作的基础上，做了2 2 0 k v 株渌线的防雷设计，该设计结合了株洲市当地的地形、地貌、气象、环境等实际 情况，是在湖南省电力公司批复的初步设计基础上做的工程设计。文中还从线路 运行的角度提出了线路完工后需做的防雷工作。 5 湖南省输i 乜线路防雷研究与设计 第2 章雷击放电原理 本章将详细的介绍雷电形成及其发展原理，各雷电参数及输电线路防雷的相 关计算。雷电参数主要有雷暴日、雷暴小时、地面落雷密度、雷电流、雷电压等。 输电线路防雷计算包括输电线路耐雷水平、雷击跳闸率、线路感应雷过电压和直 击雷过电压等的计算。 2 1 雷电的形成及其发展 雷电是云内、云与云之间或云与大地之间的放电现象。夏季的午后，由于太 阳辐射的作用，近地层空气温度升高，密度降低，产生上升运动，在上升过程中 水汽不断冷却凝结成小水滴或冰晶粒子，形成云团，而上层空气密度相对较大， 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，一般情况下，j 下电荷在云的上层，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【1 1 12 1 。 云内和云与云之间的放电，叫云间闪电或云闪，云与大地之间的放电，叫云 地闪电或地闪。云闪因其不能到达地面，一般不会对人类活动造成影响，对人类 活动造成影响的主要是地闪。地闪发生时，产生的雷电流从云中泄放到大地，在 其泄放通道上造成的危害即雷击灾害。当雷电流从云中泄放到大地时，直接打在 建筑物、构筑物及人畜身上，产生电效应、热效应和机械力，造成毁坏和伤亡， 称之为“直击雷”；当雷电流从云中泄放到大地时，在其泄放通道周围产生电磁感 应向外传播或直接通过导体传导，导致在影响范围内的金属部件、电子元件和电 气装置，受到电磁脉冲的干扰而毁坏，称之为“雷击电磁脉冲”。地闪的放电过程 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。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 m ) 就有一个的间隔。因此，它的平均速度较慢，约为光速的1 1 0 0 0 6 硕i ：学位论文 左右。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。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 1 0 m v ) ，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。主放电阶段的时间 极短，约5 0 - 1 0 0 ts ，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0 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【引。 2 2 雷电压和雷电流的形成 雷电现象虽然是十分复杂的，但是只要我们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，正负抵消，保证塔顶的 零电位状态，但伴随这个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 一2 0q ，因此这 个避雷线上产生的电流行波是可以忽略的。因此，通常情况下，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，即目 前常用的雷电流i l 3 。 7 西北地区 s ，h k ，则( 2 5 ) 式可简化为： 。去寿 q 石 这时，可计算出架空线路上静电感应雷过电压最大幅值： = 孑2 。r e o d e i n 降 = 邑，一- 二一i 警+ 在式( 2 7 ) 中，由于s 2 k 2 ，故有： 1 3 ( 2 7 ) 湖南省输l 乜线路防雷研究1 j 设计 一击n 降1 卜去每 厶，c nl l ) ，厶7 6 o 在式( 2 8 ) 中，假定主放电速度为，则雷电流： i a 1 ， 代入求得感应过电压的最大幅值为： 玑一刍a y 争一k 争 其中，k = 二o 2 w e o v 以上静电感应过电压最大幅值是基于理想化的假设得到的， 感应过电压还要进行一些修正，令其修正系数为k ，则： u m k k li h j d g “争 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 实际线路上静电 ( 2 1 1 ) 在国外的防雷研究中，通常取k13 8 8 ，并根据线路具体情况，取k 一0 6 0 9 进行修正。我国一般直接取k ：2 5 来计算静电感应过电压【1 7 _ 18 1 。依据式( 2 1 1 ) ， 对于导线平均高度为1 0m 的架空线路，若雷击点距离此线路5 0 m ，雷电流幅值为 1 0 0k a ，无任何保护措施时，感应雷过电压的最大值约为5 0 0k v 。因此，必须采 取有效措施来抑制感应雷过电压，确保电网的安全运行。 ( 2 ) 有避雷线时感应过电压计算 假如线路上架设有避雷线，则由于其屏蔽作用，导线上的感应过电压将会下 降。如避雷线不接地，在避雷线和导线上产生的感应过电压可用公式( 2 1 1 ) 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，这相当于在其上叠加了一个极性相反，幅值相等的电压 ( 一u ) ，这个电压由于耦合作用在导线上产生的电压为k ( 一u ) = 一k f u 。因此，导 线上的感应过电压幅值为两者叠加即为( 1 一k 渺，极性与雷电流相反。 2 直击雷过电压计算 雷电放电时，不是击中地面，而是击中输配电线路、杆塔或其他建筑物。大 量雷电流通过被击物体，经被击物体的阻抗接地，在阻抗上产生电压降，使被击 点出现很高的电位，被击点对地的电压叫做直击雷过电压。电力系统防雷保护的 重点是直击雷过电压，它亦可分为有避雷线和无避雷线两种情况讨论。 ( 1 ) 有避雷线时直击雷过电压计算 架设避雷线是输电线路防雷保护的最基本和最有效的措施。避雷线的主要作 用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用：一、分流作用，以减小流经杆塔的 雷电流，从而降低塔顶电位；二、通过对导线的藕合作用可以减小线路绝缘子的 电压；三、对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。通常来说，线路 1 4 硕士学位论文 电压愈高，采用避雷线的效果愈好，而且避雷线在线路造价中所占的比重也愈低 ( 一般不超过线路的总造价的1 0 ) 。因此规程规定，2 2 0 k v 及以上电压等级的输电 线路应全线架设避雷线，1 1 0 k v 线路一般也应全线架设避雷线。为了提高避雷线 对导线的屏蔽效果，保证雷电不致绕过避雷线而直接击中导线，应当减小绕击率。 避雷线对边导线的保护角应做得小一些，一般采用2 0 0 3 0 0 。2 2 0 k v 及3 3 0 k v 双避 雷线线路应做到2 0 。左右，5 0 0 k v 及以上的超高压、特高压线路都架设双避雷线， 保护角在1 5 。及以下【1 9 】。为了起到保护作用，避雷线应在每基杆塔处接地。在双 避雷线的超高压输电线路上，正常的工作电流将在每个档距中两根避雷线所组成 的闭合回路里感应出电流并引起功率损耗。为了减小这一损耗，同时为了把避雷 线兼作通讯及继电保护的通道，可将避雷线经过一个小间隙对地( 杆塔) 绝缘起来。 雷击时，间隙被击穿，使避雷线接地。随着线路电压等级的下降，线路的绝缘水 平也随之逐级下降，避雷线的防护效果也就逐步降低，以致在很低电压( 例女h 2 0 k v 以下) 时失去实用意义。因此，避雷线一般只用于输电线路中。 通常有避雷线时雷直击线路的部位主要有三个：一是雷直击避雷线：二是雷 直击塔顶；三是雷绕过避雷线直击输电线路上。下面对这三种情况分别予以讨论： 1 雷直击避雷线 当雷直接击于避雷线档距中间时，电波沿避雷线向杆塔两端运动，所造成的 影响不会大于雷击塔顶的情况，此时避雷线与导线在档距中间的空气间隙距离s 成为雷击避雷线档距中间控制条件，当雷击过电压的幅值超过空气间隙距离s 的 击穿电压时，空气间隙s 将被击穿造成短路事故。因而在设计、施工中必须控制 空气间隙距离s 满足要求，根据中国多年运行经验的修正，规程规定了避雷线与 导线在档距中间的接近距离公式s 0 0 1 2 l + l m ( s 为导线与避雷线距离，l 为档 距，单位皆为m ) 时，就不会出现空气间隙s 被击穿而出现闪络短路事故。 l 2 雷直击塔顶 如图2 3 所示，当雷直击于线路杆塔塔顶时，雷电通道中的负电荷与杆塔及线 路架空地线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流。由雷云释放电荷形成的负极性 雷电流波沿杆身向下运动，另有两个相同极性的电流波通过避雷线向两侧相邻杆 塔运动。与此同时杆顶有一正雷电流波沿雷电通道向上运动，数值上等于三个负 极性电流波之和。正由于这几个雷电流波的作用引起在线路绝缘上的雷击过电压。 当雷直击塔顶时，由于有了避雷线，强大的雷电流一部份经杆塔接地流入 地中，一部分经避雷线流向杆塔两侧流人地中，这就是避雷线的分流作用。此时 杆塔的等效电路可用图2 4 表示。塔头电位为流经杆塔的电流i ，。卢，( 卢为分 流系数) 在杆塔等值电感和塔脚接地电阻上的电压降之和。依据图2 4 即可推得杆 塔塔头对地的电位： 1 5 湖南省输电线路防雷研究j j 设计 1 一j一孓 页 l 六 图2 3 雷直击线路杆塔顶端示意图 = 卢0 咫+ 磊l s , ) ( 2 1 2 ) 中，毽塔脚接地电阻阻值； l g , 一杆塔等效电感； 2 6 一雷电波头长度( 防雷设计中一般取值为2 6 a s ) ； n i b k 图2 4 雷直塔顶的等效电路图 此可见，避雷线具有很好的分流作用，避雷线越多其分流效果越明显，雷 所造成的过电压也就会越小。 虑到避雷线与输电线路的耦合感应及雷电磁场的作用，我们可以得到有避 加在线路导线上的电位幅值【2 0 】： u 0 一k u t a 一口吃【1 一k ) ( 2 1 3 ) 中，也一输电导线的平均高度； k 一避雷线与输电导线的耦合系数； 此时在线路绝缘子串上雷击过电压幅值为u ，一一，u 是引起线路跳闸、 瓷瓶闪络、绝缘击穿的重要原因，将( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 式带入则得： j、 一 ( 硕十学位论文 u ，。【毽+ 轰+ 去) ( 1 - k ) ( 2 1 4 ) 在输电线路防雷设计时通常要确定杆塔的耐雷水平值，杆塔的耐雷水平作为 表征输电线路防雷水平优劣的主要参数，主要与绝缘子串的5 0 的雷电冲击放电 电压值、杆塔结构及杆塔的冲击接地电阻、雷电流大小以及雷电活动的强弱、地 形地貌的特点等条件有关。它是指当雷击线路而线路绝缘不发生闪络时的最大电 流幅值( k a ) ，只要作用在绝缘子串上的电压幅值u ，等于或大于绝缘子串的5 0 冲 击放电电压时，线路就可能跳闸。于是，我们可以得到杆塔的耐雷水平为： 小丽砚u 5 习o 丽 ( 2 1 5 ) 式中，以。一绝缘子串的5 0 雷电冲击放电电压； 从耐雷水平公式可知，雷击杆塔的耐雷水平与杆塔分流系数、杆塔等值电 感l “、杆塔的冲击接地电阻r ，、导线地线间的耦合系数k 、绝缘子串的5 0 冲 击放电电压以及输电导线对地高度有关。 3 雷绕过避雷线直击输电导线 虽然线路装设有避雷线，但是还是有部份雷绕过避雷线直接击中导线。从线 路遭受雷击情况看，虽然绕击的概率很低，但由于雷直接击中导线，加在线路绝 缘上的雷击过电压值较高，所以，因绕击发生的跳闸事故很高，从统计结果看占 整个雷击跳闸事故的5 5 。 i 上上艺、0 一 r 图2 5 避雷线对外侧导线保护角示惹图 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，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口( 如图2 5 所示) ，铁塔高度h 和地形条件等 有关，建议用下式计算【2 1 】： j 对平原地区：1 9 只ia u 广- h 8 6 3 一 ( 2 1 6 ) l 对山区地区：l g 只- a 8 6 3 3 5 、7 1 7 湖南省输电线路防雷研究0 设计 依据上式的计算发现，山区输电线路比平地遭受绕击的概率高三倍，相当于 保护角较平原地区需增大了8 度。当雷绕击线路时，在线路导线上的雷击过电压值： u d | i t z d 4 ；i lx 3 0 0 4 | 7 5 i tq 1 7 )