（电气工程专业论文）输电线路防雷研究与设计.pdf

华北电力大学t 程硕七学位论文摘要 摘要 本文分析了雷电这一自然现象的危害性，尤其对输电线路的危害性。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防雷水平，从而有效 地降低输电线路雷击跳闸率，减少雷电对电网安全运行的影响。本文阐述了输电线 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，论述了目前我国输电线路防雷设计中常用的几种方法。 基于常用的防雷设计方法，对6 6 k v 龙富线( 龙王变一富镁变) 进行了详细的防 雷设计。设计中，结合了当地电网的现状，综合考虑了当地气候、地形、环境等多 种因素，给出了最佳的防雷保护方案。 关键词：输电线路，防雷设计，雷电放电，雷电压，雷电流，击穿放电 。 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 si n c l u d e h 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 ol o w e r e 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 w t od e c r e a s et h e i 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 t h ep r i n c i p l eo fl i g h t n i n g d i s c h a r g et oat r a n s m i s s i o nl i n ei sd e s c r i b e di nt 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 g p 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 oi 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 g p r o c e s s e so fl i g h t n i n gv o l t a g ea n dl i g h t n i n gc u r r e n t ，a sw e l la st h ed i s c h a r g ep r i n c i p l e u n d e rt h eb r e a k d o w no fa ni n s u l a t o r s e v e r a lp r a c t i c a lw a y so fl 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 ei no u rc o u n t r ya r ea n a l y z e d u s i n gt h ec o m m o na n dp r a c t i c a lm e t h o d sf o rl i g h t n i n g s h i e l d i n gd e s i g no fa t r a n s m i s s i o nl i n e ，t h el i g h t n i n gs h i e l d i n go f6 6 k vl o n g f ul i n ei sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h e nd e s i g n e d t h ea c t u a l i t yo ft h el o c a le l e c t r i cg r i di st a k e ni n t oc o n s i d e r e di nt h e d e s i g n a l s oc o n s i d e r e da r e t h el o c a lc l i m a t e ，t o p o g r a p h y , e n v i r o n m e n t ，a n do t h e rf a c t o r s t h eb e s tl i g h t n i n g - s h i e l d i n gs c h e m ef o rt h et r a n s m i s s i o nl i n ei sp r o p o s e d g o n gj i e ( i n d u s t r ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f l i uq i h u i k e yw 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 l i g h t n i n gv o l t a g e ，l i g h t n i n gc u r r e n t ，d i s r u p t i v ed i s c h a r g e 华北电力大学t 程硕七学位论文摘要 摘要 本文分析了雷电这一自然现象的危害性，尤其对输电线路的危害性。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防雷水平，从而有效 地降低输电线路雷击跳闸率，减少雷电对电网安全运行的影响。本文阐述了输电线 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，论述了目前我国输电线路防雷设计中常用的几种方法。 基于常用的防雷设计方法，对6 6 k v 龙富线( 龙王变一富镁变) 进行了详细的防 雷设计。设计中，结合了当地电网的现状，综合考虑了当地气候、地形、环境等多 种因素，给出了最佳的防雷保护方案。 关键词：输电线路，防雷设计，雷电放电，雷电压，雷电流，击穿放电 。 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 si n c l u d e h 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 ol o w e r e 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 w t od e c r e a s et h e i 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 t h ep r i n c i p l eo fl i g h t n i n g d i s c h a r g et oat r a n s m i s s i o nl i n ei sd e s c r i b e di nt 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 g p 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 oi 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 g p r o c e s s e so fl i g h t n i n gv o l t a g ea n dl i g h t n i n gc u r r e n t ，a sw e l la st h ed i s c h a r g ep r i n c i p l e u n d e rt h eb r e a k d o w no fa ni n s u l a t o r s e v e r a lp r a c t i c a lw a y so fl 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 ei no u rc o u n t r ya r ea n a l y z e d u s i n gt h ec o m m o na n dp r a c t i c a lm e t h o d sf o rl i g h t n i n g s h i e l d i n gd e s i g no fa t r a n s m i s s i o nl i n e ，t h el i g h t n i n gs h i e l d i n go f6 6 k vl o n g f ul i n ei sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h e nd e s i g n e d t h ea c t u a l i t yo ft h el o c a le l e c t r i cg r i di st a k e ni n t oc o n s i d e r e di nt h e d e s i g n a l s oc o n s i d e r e da r e t h el o c a lc l i m a t e ，t o p o g r a p h y , e n v i r o n m e n t ，a n do t h e rf a c t o r s t h eb e s tl i g h t n i n g - s h i e l d i n gs c h e m ef o rt h et r a n s m i s s i o nl i n ei sp r o p o s e d g o n gj i e ( i n d u s t r ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f l i uq i h u i k e yw 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 l i g h t n i n gv o l t a g e ，l i g h t n i n gc u r r e n t ，d i s r u p t i v ed i s c h a r g e p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文输电线路防雷研究与设计，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： 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) 导师签名： 日期： 莉彰 。二。7 i 7 屉以 华北电力大学工程硕+ 学位论文 第一章绪论 电闪雷鸣是一种自然现象，我国雷电的分布特点是：夏季多于春秋季，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 大得惊人。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。 雷电的主要危害有以下几种： l 、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周围产生强大的交变电磁场，其感生出的电流 可引起变电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裂、导 线烧断和木质电杆被雷劈裂等事故。 1 1 输电线路防雷设计的重要意义 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，直接影响到了电网的稳定和向 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。 华北电力大学_ 程硕十学位论文 由于我国地处温带( 部分地区属于亚热带气候) ，所以雷电活动比较强烈。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。据统计，我国电力系统各类事故、障碍统计中，输、配 电线路的雷害事故占有很大的比例。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课题。 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。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。 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 输电线路防雷设计方法的研究现状 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： 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。 在输电线路防雷设计中，必须紧密结合当前电力生产和建设中的课题，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。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文首先阐述了输电线路雷击放电的原理，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。本文还论述了目前我国输电线路防雷设 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。文章还提出 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。 本文作了6 6 k v 龙富线( 龙王变二富镁变) 的防雷设计，主要采用的是常用的防雷 设计方法。设计中针对当地气候、地形、环境等实际情况，在辽宁省电力公司批复 的初设范围内进行了切合实际的设计变更。本文还介绍了6 6 k v 龙富线线路建设的 实施情况，以及建设完毕后的线路运行情况，并从运行角度对如何提高输电线路的 防雷水平作了有益的探索。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章输电线路雷击放电的原理 2 1 雷电放电的发展过程 雷云就是积聚了大量电荷的云层。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 e m ，实测到在雷云雷 击前的最大电场强度为3 4k v c m ，而在稳定下雨时，大约只有4 0v c m 。 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。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 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 i - t 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 4 华北电力大学r t 程硕士学位论文 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 = o ， 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1 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，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，所以我们一般所测的雷电流厶，即目前常用的雷 电流。 2 3 瓷瓶击穿放电的原理 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：直接击穿会令到输电线路短路跳闸 或单相接地：间接击穿会令到瓷瓶受到一定的伤害，但不是立即令到瓷瓶完全击穿、 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重视更应受到重视。 5 华北电力大学工程硕十学位论文 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电的小时数。一天或- - 4 , 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 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数雷暴同数 2 0 2 52 2 3 3 m 4 02 5 3 5 5 0 - 6 03 4 7 0 - - 8 0 以上 3 3 4 3 从表2 1 可以看出，雷暴小时数与雷暴同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 同的叫强雷区，在防雷设计上要因地制宜区别对待。 2 4 2 地面落雷密度 雷暴同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 一雷暴同、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 雷电流的幅值厶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 gp = - l 1 0 8 6 ( 2 - 1 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 式中，厶雷电流幅值，k a ； 尸超过雷电流幅值厶的概率。 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 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。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真实 遮断情况。 由于平等导线之间存在着互感和线问电容，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出一个相应的电压。真正作用在绝缘子的电压是它们二者 之差，即u 泸u , o k ) ，耦合系数k 通常约在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。 雷电流可以根据= ( 厶2 ) x ( 1 - c o sc o t ) 计算( 见图2 - 1 ) ，从而可算出塔顶电位： u = 如r ，其中r 为铁塔的接地电阻值。m 再乘上一个考虑耦合的系数( 1 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。 图2 1 雷电流波形图 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，但时间只有几十微秒，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弧持续燃烧，引起 7 华北电力大学工程硕士学位论文 相间短路线路才会跳闸停电。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： j 7 = ( 4 5 矿- 7 5 1 4 ) 其中刀建弧率； 豇绝缘子串的平均工作电压梯度；( 单位：k v 帆，m ) 对中性点有效接地电网 e = u 0 瓜u 间5 l 南 对中性点非有效接地的电网 庐u e ( 2 l j 斗l 辨) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中以额定电压，k v ； 三广绝缘子串长度，m ； 三圹线路的线间距离，m ( 对铁横担和钢筋混凝土横担线路，上历= 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，它可分为感应雷过 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 华北电力大学工程硕士学位论文 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漏而逸 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铁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i 由雷云所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，当雷击点距输电线路的距离s 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 5x i xh a s ( k v ) ( 2 - 5 ) 式中卜雷电流幅值，k a j j l 扩导线悬挂平均高度，m & 雷击点至线路的距离，1 1 1 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 1 0 0 k a 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6 6 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。当雷直击于铁塔或线路附近 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符号的过电压。在无避 雷线时，对一般高度的线路，这一感应过电压的最大值可由下式计算 u = a x h a ( k v ) 9 ( 2 6 ) 华北电力大学t 程硕士学t ：= 论文 式中口 感应过电压系数，k v m ，其值等于以k a p s 为单位的雷电流平均陡度 值，其由给定的雷电流幅值i 和波头时间决定，取a = 1 2 6 。 ( 2 ) 有避雷线时的感应雷过电压 如果线路上挂有避雷线，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，这相当于在其上叠加了一个极性相反，幅值相等的电压( ，这个电 压由于耦合作用在导线上产生的电压为( = 乜玖因此，导线上的感应过电压 幅值为两者叠加，极性与雷电流相反。 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 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 q ) 。则雷 击点过电压u 。= ( i 2 ) ( z 2 ) = i 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。由此可得线路的耐 雷水平为 i = u s o o , 10 0 ( k a )( 2 7 ) 当雷击线路塔顶时，雷电流i 将流经铁塔及其接地电阻流入大地。假设铁塔的 电感为l g t ，铁塔的冲击电阻为h ，导线悬挂点高度为h d ，雷电流为斜角平顶波， 且工程计算取波头为2 6 1 a s ，则作用在绝缘子串上的电压为 u j = ix ( r c h + l g t 2 6 + h d 2 6 ) ( k v ) ( 2 8 ) 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 铁塔的高度及铁塔的接地电阻有关。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 l o 华北电力大学- t 程硕士学位论文 跳闸，此时线路的耐雷水平为 i = u s o * , ( r c h + l g t 2 6 + h a l 2 6 ) ( k a )( 2 - 9 ) 6 6 k v 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。由于工频电流很小，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，形成相间短路时，才会出现大的短路电流，引起线路跳 闸。此一时，线路的耐雷水平为 i = u s o o j ( 1 - l ( c ) ( h + l g d 2 6 + h a l 2 6 ) 】( k a )( 2 - 1 0 ) 其中l 【c 一两相导线间的耦合系数。 ( 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，二是雷 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p 口。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 ，铁塔高度h 和地形条件等有关，建议用下式计算： 对平原线路：l gr = 口4 h 8 6 3 9 对山区线路：l g p a = d 4 h 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铁塔入地，小部分电流则经过避雷线由相邻铁 塔入地。流经被击铁塔入地的电流i ，和总电流i 的关系可以用下式表示： i 瞄= 0i 式中夕铁塔的分流系数，它小于1 。 对于一般长度的档距，1 3 可由表2 2 查出。 ( 2 1 1 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - 2 分流系数1 3 额定电压 1 1 02 2 03 3 05 0 0 单避雷线 o 9o 9 2 双避雷线 0 8 6o 8 8o 8 80 8 6 5 因此，雷击有避雷线线路铁塔顶时的耐雷水平i 为： i = u 5 0 ( 1 - k c ) 【1 3 ( p h + l g t 2 6 ) + h a 2 6 ) ( k a ) ( 2 - 1 2 ) 雷击输电线路档距中央避雷线时，由于雷击点距铁塔有一段距离，由两侧接地 铁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 = qt ，则u 。= 1 2 x l x f l 。 a 点与导线空气间隙绝缘上所承受的电压u 为： u = u 。( 1 - r 吣) = 1 2xl ax ( 1 一k ) ( k v ) 其中磁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 ( 2 1 3 ) 雷击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 h d ，也就是说一侧宽度为5h d 。这样1 0 0 k m 长的输电线路对地面的遮蔽面积，或受雷害面积为：a = 1 0 h a x 0 0 0 1 1 0 0 = h d ( k m z ) 通常地面落雷密度t = 0 0 1 5 ，如果取每年4 0 个雷暴日作为标准值，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 xh d = o 6h d 次( 1 0 0 k m 4 0 雷电同) 。 雷击塔顶及铁塔附近避雷线的次数由运行经验可以得出，雷击铁塔次数与雷击 线路总数的比例称为击塔率6 ，见表2 3 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - 3 击塔率 避雷线根数 ol2 平原 1 21 41 6 山区 1 31 4 线路因雷击而跳闸，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铁塔附近的避雷线， 雷电流经铁塔入地，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 可查出击杆率，即每百公里线路在4 0 个雷电日下，雷击铁塔的次数为 n g = o 6 h d ，雷电流幅值大于雷击塔顶的耐雷水平i l 的概率为p i ，建弧率为n ( 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： i l 。= o 6 h d x 6 xr ix p i ( 次1 0 0 k m 4 0 雷电日) ( 2 - 1 4 ) ( 2 ) 绕击跳闸率t l2 线路绕击率为p 。，每百公里每年绕击次数为n p 。= 0 6 x h d x p 。，雷电流超过耐 雷水平1 2 的概率p 2 ，建弧率为q ，则每百公里线路因绕击跳闸次数h2 为： r i 产0 6 h d xp 。xr l p 2 ( 次1 0 0 k m 4 0 雷电日) 综上所述，对于中性点直接接地，有避雷线的线路跳闸率t l 为： ( 2 - 1 5 ) 1 1 = r l 。+ r t 。= o 6 h d xf lx ( 6 p i + p 。x p 2 ) ( 次1 0 0 k i n 4 0 雷电r ) ( 2 1 6 ) 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： 华北电力大学t 程硕+ 学位论文 t l = o 6 x h d x1 1x p i ( 次1 0 0 k m 4 0 雷电f t ) ( 2 1 7 ) 式中h d 上导线平均高度，m r l 建弧率； p l 雷击使线路一相导线与铁塔间闪络后，再向第二相导线反击时耐雷水平的雷 电流概率。 1 4 华北电力人学工程硕+ 学位论文 第三章输电线路设计与运行中的防雷措施 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 当地己有线路的运行经验，进行全面的技术经济比较，从而确定出合理的保护措施。 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，或称为易击区。线路若能避开易击区，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，如铁塔周围有鱼塘、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，岩石山脚下有小河的山谷等地，雷易击于低土壤电阻率处： 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 出的山顶、山的向阳坡等。 3 2 架设避雷线 3 ，2 1 架设避雷线 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