（电气工程专业论文）大庆油田电网防雷现状及改进措施研究.pdf

摘要 大庆油田是我国最大的石油生产基地，截至2 0 0 9 年3 月2 2 日，大庆油田累计 生产原油2 0 亿吨，占全国同期陆上原油总产量的4 0 以上，支撑起中国石油能源 的半壁江山。作为油田产能建设的主要能源电力，在供电可靠性方面要求很 高。为了确保油田产能建设，大庆油田电力集团供电公司一直在从事提高油田电 网供电可靠性的生产实践工作，特别是在输电线路防雷方面，但是效果不是很明 显，雷击跳闸仍然是造成非计划停运的主要冈素，论文就是在这种研究背景下产 生的。 文章首先阐述了课题的研究目标和国内外发展现状，然后就课题所涉及到的 相关原理及名词进行了简单的介绍。其后，在认真分析了大庆供电公司的相关数 据后，作者总结了该3 5 k v 网络雷击跳闸率居高不下的原因，发现人为因素、自 然因素都影响输电线路防雷结果。因此，论文一方面对油田现有架设避雷线和降 低杆塔接地电阻方面采取的措施进行了分析，另一方面推荐采用消弧线圈接地的 方式来提高系统的防雷性能进行了研究。 最后作者选择了宋芳屯变电站( 该站雷击跳闸率较高) 3 5 k v 网络作为实例， 根据该网络的数据参数，阐述了消弧线圈的选型和安装问题，并就系统在安装消 弧线圈后可能产生的问题提出了一些建议。 关键词：3 5 k v ，架空配电网，防雷，接地，消弧线圈 a bs t r a c t a st h el a r g e s to i l - p r o d u c t i o nf i e l do fc h i n a ，b yt h et i m eo fm a r c h2 2 ，2 0 0 9 ， d a q i n g0 i l f i e l dh a sp r o d u c e d2b i l l i o n t o n sc r u d eo i lw h i c ha c c o u n t sf o r4 0 o f o v e r l a n dt o t a lp r o d u c tc o m p a r e dw i t ht h es a m ep e r i o do f l a s ty e a r i ts u p p o r t st h eh a l f o fc h i n a ，sp e t r o l e u me n e r g y e l e c t r i c i t y ，a st h em a i ne n e r g yo fo i l f i e l d sc o n s t m c t l o n e n e r g y , r e q u i r e sh i g hr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y h o w e v e r ，a l t h o u g h t h ed a q i n g o i l f i e l dp o w e rc o m p a n yh a sb e e nw o r k i n gf o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y o fp o w e r s u p p l y e s p e c i a l l yf o rl i g h t n i n gp r o t e c t i o no f e l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n e ，i tb r i n g sl i t t l e e 毹c t s t h el i g h t n i n gt r i p o u tr a t es t i l ls t a y ss t u b b o r n l yh i g h t h i st h e s i si sw n t t e no n t h i sb a c k g r o u n d f i r s t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et a r g e to f r e s e a r c ha n dt h ep r e s e n td e v e l o p m e n ta t h o m ea n da b r o a d t h e ni tg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h er e l a t e dp r i n c i p l e s a n d g l o s s a r yr e f e r r e dt ot h er e s e a r c h a f t e ra n a l y z i n gt h e d a t ap r o v i d e db yd a q i n gp o w e r c o m p a n yc 盯e f u l l y , t h ea u t h o rc o n c l u d e s s e v e r a lr e a s o n sw h i c hl e a dt ot h eh i g h t r i p - o u tr a t eo f t h i s3 5 k vg r i d n o to n l yt h en a t u r a lf a c t o r sb u ta l s ot h eh u m a n f a c t o r 8 c a ni n n u e n c et h ee f f e c t so fl i g h t n i n gp r o t e c t i o no f e l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n e t h u s ，t h e t h e s 1 sa n a l y s e st h em e a s u r e st a k e nf o rt h ee r e c t i o no fl i g h t n i n gw i r ea n dl o w e r i n gt h e e a r t hr e s i s t a n c eo fp o l e sa n dt o w e r s o nt h eo t h e rh a n d ，i td i s c u s s e st h ew a yt o i m p r o v e t h es y s t e m sl i g h t n i n gp r o t e c t i o nb yu s i n ge x t i n c t i o nc o i lg r o u n d i n g f i n a l l yt h ea u t h o rc h o o s e s t h e35 k vs i d eo fs o n g f a n g t u ns u b s t a t i o n ( as u b s t a t l o n w i t hh i g h e rl i g h t n i n gt r i p o u tr a t e ) a sa ne x a m p l e h ed e s c r i b e st h es e l e c t i o n 锄d i n s t a i l a t i o no fe x t i n c t i o nc o i la c c o r d i n gt ot h ed a t ao ft h i s 画d i na d d i t i o n ，h ea l s o g i v e ss o m es u g g e s t i o n st ot h ei n s t a l l a t i o no f e x t i n c t i o nc o i l k e yw o r d s ：3 5 k v , o v e r h e a dp o w e r d i s t r i b u t i 。nn e t w o r k ，l i g h t i n gp r o t e c t i o n ， g r o u n d i n g ，e x t i n c t i o nc o i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得苤注盘堂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：氪够孝 签字日期： 矽。7 年驴月z 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤洼盘鲎：有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇营? ，i 供奄阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁键。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权澈明) 学位论文作者签名：玄。智莒 签字日期：2 口。l 年扩月土y 门 导师签名：i l l 丫又、专 签字日期：7 川年矿月；f 日 ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 大庆地处松辽盆地，地理位置开阔，地区常年雷暴日在3 0 天左右，属中雷地 区；大庆石油管理局供电公司担负着3 5 1 l o k v 共3 2 8 9 0 4 公里输电线路的维护任 务，供电公司输电线路的安全运行与否直接关系到整个大庆油田的产能：从历年 电网故障统计情况来看，电网遭受雷击引起的故障是所有其他故障的第一位，个 别年份电网雷击故障率甚至高达总故障率的6 0 【l 】。因此，必须加大工作力度， 认真研究电网雷害故障的原因，寻求降低电网雷害故障的措施，保证电网的安全 可靠运行。 1 2 课题的发展现状 油田防雷的机理【2 】概括起来说四个字：“防、阻、疏、护”。通常情况下，为 了解决线路防雷基本任务，将雷击事故减少到可以接受的程度，以保证供电的可 靠性与经济性，一般设有四道防线： 第一道防线是保护导线不受或少受雷直击。为此可采用避雷线，个别情况下 可用独立避雷针( 消雷器) 或改用电缆，也就是所谓的“防”。 第二道防线是雷击塔顶或避雷线时不使或少使绝缘发生闪络。为此，需改善 杆塔的接地电阻，特殊情况下可以加耦合地线、或适当加强绝缘、或在个别杆塔 上用避雷器，也就是所谓的“阻”。 第三道防线是当绝缘发生冲击闪络时，尽量减小由冲击闪络转变为稳定电力 电弧的概率，从而减少雷击跳闸次数。为此应减少绝缘上的工频电场强度，或电 网中性点采用不直接接地的方式( 经消弧线圈或电阻接地) ，也就是所谓的“疏”。 第四道防线是即使跳闸也不中断电力的供应。为此，可采用自动重合闸装置， 或用双回路以及环网供电，也就是所谓的“护”。 输电线路的防雷保护，不仅要考虑提高线路的耐雷水平和降低线路的雷击跳 闸率，还应考虑综合经济效益。也就是说要根据输电线路的电压等级、重要程度、 所经过地区的雷电活动强弱程度、地形地貌特点以及土壤电阻率的情况，经过技 术、经济比较，选取较合理的保护方式1 3 j 。 据多年以来的运行经验，输电线防雷主要有以下措施： ( 1 ) 架设避雷线 第一章绪论 架设避雷线是输电线路防雷保护的最基本和最有效的措蒯4 1 。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：分流作用，以减小流经杆塔的 雷电流，从而降低塔顶电位；通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的电 压；对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。 避雷线又称架空地线，架设在杆塔顶部，一根或二根，用于防雷。通常来说， 线路电压愈高，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。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 lo k v 线路一般也应全线架设避雷线1 5 】。 架空送电线着雷时，可能打在导线上，也可能打在杆塔上。雷击导线时，在 导线上将产生远高于线路额定电压的所谓“过电压”，有时达几百万伏。它超过 线路绝缘子串的抗电强度时，绝缘子将“闪络”，往往引起线路跳闸，甚至造成 停电事故。避雷线可以遮住导线，使雷尽量落在避雷线本身上，并通过杆塔上的 金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电流流入大地。 避雷线的保护效果还同它下方的导线与它所成的角度有关，角度较小时，保 护效果较好。在架有两根避雷线的情况下，容易获得较小的保护角，线路运行时 的雷击跳闸故障也较少，但建设投资较大。我国近年来新建的2 2 0 k v 以下线路， 多采用一根避雷线。 在雷击不严重的1 l o k v 及较低电压的线路上，通常仅在靠近变电所两公里左 右范围内装设避雷线，作为变电所进线的防雷措施。 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。 避雷线一般使用镀锌钢绞线架设，常用的截面是2 5 、3 5 、5 0 、7 0 m m 2 。导线 的截面越大，使用的避雷线截面也越大。 避雷线也会因风吹而振动，常易发生振动的地方通常装有防振锤。 ( 2 ) 降低杆塔接地电阻 雷击杆塔或避雷线时，在杆塔和导线间的电压超过绝缘子串的抗电强度时， 绝缘子串也将闪络，而造成雷击事故。通常用降低杆塔接地电阻的办法，来减少 这类事故1 6 j 。 降低杆塔接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高，这是配合架设避雷线所 采取的一项有效措施。规程要求，有避雷线的线路，每基杆塔的工频接地电阻在 雷季干燥时不宜超过表1 1 所列数值。 第一章绪论 ( 3 ) 架设耦合地线 在降低杆塔接地电阻有困难时，可采用架设耦合地线的措施，即在导线下方 再架设一条地线。它的作用主要有以下方面：加强避雷线与导线间的耦合，使 线路绝缘上的过电压降低：增加了对雷电流的分流作用。运行经验表明，耦合 地线对减小雷击跳闸率的效果是显著的，尤其在山区的输电线路其效果更为明 显。 ( 4 ) 采用消弧线圈接地 对于雷电活动强烈而接地电阻又不易降低的1 i o k v 及以下电压级的电网，采 用中性点经消弧线圈接地的运行方式。这样，可使雷击引起的单相接地故障因消 弧线圈的作用大部分被消除：即使有一相闪络，非但不能引起跳闸，反而引起分 流和对未闪络相的耦合作用( 先闪络的一相导线相当于一要避雷线) ，从而降低 了未闪络相绝缘子上的电压【7 】，提高了线路的耐雷水平，可使雷击跳闸率降低l 3 左右。这一措施即上述的第三道防线，在以后将进行详细论述。 ( 5 ) ；o n 强线路绝缘 由于输电线路个别地段需采用大跨越高杆塔( 如：跨河杆塔) ，这就增加了杆 塔落雷的机会。高塔落雷时塔顶电位高，感应过电压大，而且受绕击的概率也较 大。为降低线路跳闸率，可在高杆塔上增加绝缘子串片数，加大大跨越档导线与 地线之间的距离，以加强线路绝缘。在3 5 k v 及以下的线路可采用瓷横担等冲击闪 络电压较高的绝缘子来降低雷击跳闸率。 ( 6 ) 装设自动重合闸装置 由于线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能 够自行消刚引。因此，安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有较好 的效果。据统计，我国1 1 0 k v 及以上的高压线路重合闸成功率达7 5 9 5 ，3 5 k v 及以下的线路成功率约为5 0 - - - 8 0 。因此，各级电压等级的线路均应尽量安装 自动重合闸装置。 ( 7 ) 安装线路避雷器 即使在全线架设避雷线，也不能完全排除在导线上出现过电压的可能性，安 装线路避雷器可以使由于雷击所产生的过电压超过一定的幅值时动作，给雷电流 提供一个低阻抗的通路，使其泄放到大地，从而限制了电压的升高，保障了线路、 第一章绪论 设备安全。避雷器的原理：避雷器至少由一个非线性元件构成，在正常状态下呈 现开路或高阻，当线路上的电压超过避雷器的启动电压时，在纳秒级的时间内迅 速动作，呈现低阻状态，将线路上的过电压导入地下，以保护后面的设备【9 】。 ( 8 ) 采用不平衡绝缘方式 在现代高压及超高压线路上【1 0 1 ，同杆架设的双回路线路日益增多，对此类线 路在采用通常的防雷措施尚不能满足要求时，可考虑采用不平衡绝缘方式来降低 双回路雷击同时跳闸率，以保障线路的连续供电。不平衡绝缘的原则是使双回路 的绝缘子串片数有差异，这样，雷击时绝缘子串片数少的凹路先闪络，闪络后的 导线相当于地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了线路的耐雷水平使 之不发生闪络，保障了另一回路的连续供电。 1 3 本文工作 本课题的研究目标是在掌握雷电特点和雷电防护的基本原理基础上通过对 大庆油田3 5 k v 架空配电网结构和历史数据的分析，找到一个既经济又实用的方案 来提高该地区电网的防雷性能，达到提高大庆油田供电安全和石油生产安全的目 标。 本课题的研究内容包括雷电特征，雷电防护的原理和方法，雷电对架空配电 网的危害及其解决方法，本文从两个主要方面开展实际研究，其中一方面是针对 大庆油田的环境研究如何降低输电线路杆塔接地电阻，一方面主要研究消弧线圈 防雷方法的原理，补偿电网运行特点，并针对一具体变电所理论上说明消弧线圈 的选型问题。 第二章雷电与输电线路防雷 2 1 雷电相关知识 第二章雷电与输电线路防雷 2 1 1 雷电及其放电过程 雷电是一种恐怖又壮观的自然现象，这不仅在于它那划破长空的耀目闪电和 令人震耳欲聋的雷鸣，更重要的是它给人类生活带来巨大的影响。且不说雷电促 成有机物质的合成可能在地球生命起源中占有一定的地位，以及雷电引起的森林 火灾可能启发了远古人类对火的发现和利用；仅在现代生活中，雷电威胁人类的 生命安全，常使航空、通信、电力、建筑等许多部门遭受破坏，就一直引起人们 对于雷及其防护问题的关注。 雷电放电是一种气体放电现象，由其引起的过电压，叫做大气过电压。它可 以分为直击雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。 雷电放电是由于带电荷的雷云引起的【4 】。雷云带电原因的解释很多，但还没 有获得比较满意的一致的认识。一般认为雷云是在有利的大气和大地条件下，由 强大的潮湿的热气流不断上升，进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流 穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带正电，被风吹得较高，形成一些局 部带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电 荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之 间形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的发展和运 动，一旦空间电场强度超过了大气游离放电的临界电场强度时，就会发生云间或 对大地的火花放电；放出几十乃至几百安的电流；产生强烈的光和热( 放电通道 温度高达1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 ) ，使空气急剧膨胀振动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电 伴随雷鸣，叫做雷电之故。 大多数雷电发生在雷云之间，它对地面没有什么直接影响。雷云对大地的放 电虽然只占少数，但是一旦发生就有可能带来严重的危险。这正是我们主要关心 的问题。 实测表明，对地放电的雷云绝大多数带负电荷，根据放电雷云的极性来定义， 此时雷电流的极性也是负电荷。雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附近地面上感 应出正电荷。当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开始 在局部放电通道自雷云边缘向大地发展。这一放电阶段称为先导放电。先导放电 通道且有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并继续向地面延伸，地面上 第二章雷电与输电线路防雷 的感应正电荷也逐渐增多，先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度增 加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，称为迎面先导。 当先导通道到达地面或者与面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈游离 而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离 子通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，这就是主放 电过程。 与先导放电和主放电对应的电流变化同时表示时，先导放电发展的平均速度 较低，约1 5 1 0 5 m s ，表现出的电流不大，约为数百安。由于主放电的发展速度 很高，为2 x1 0 7 m s - - - 1 5 1 0 8 m s ，所以出现很强的脉冲电流，可达几十乃至二、 三百k a 。 以上描述的是雷云负电荷向下对地放电的基本过程，可称为下行负闪电。在 地面高耸的突起处( 如尖塔或山顶) ，也可能出现从地面开始的上行正先导向云 中的负电荷区域发展的放电，称为上行负闪电。与上面的情况类似，带正电荷的 雷云对地放电，也可能是下行正闪电，或上行正闪电。 雷电观测表明，先导放电不是一次贯通全部空间，而是间歇性的脉冲发展过 程，称为分级先导。每次间隙时间大约几十微秒。而且，人们眼睛观察到的一次 闪电，实际上往往包含多次先导一主放电的重复过程，一般为2 - 3 次，最多可达 4 0 多次。 发生多重雷电放电的原因可作如下解释【1 。雷云是一块大介质，电荷在其内 部不容易运动。因此如前所述，在雷云积聚电荷的过程中，就可能形成若干个密 度较高的电荷中心。第一次先导一主放电冲击，主要是泄放第一个电荷中心及其 已传播到先导通道中的负电荷。这时第一次冲击放电过程虽已结束，但是雷云内 两个电荷中心之间的流注放电已开始，由于主放电通道仍然保持着高于周围大气 的导电率，由第二个及多个电荷中心发展起来的先导一主放电以更快的速度沿着 先前的放电通道发展，这就出现了多次重复的冲击放电。实测表明，第二次及以 后的冲击放电的先导阶段发展时间较短，没有分叉。观测还表明，第一次冲击放 电的电流幅值最高，第二次及以后的电流幅值都比较低，但对g i s 变电站的运行 可能造成一定程度的危险；而且它们增加了雷云放电的总持续时间，对电力系统 的运行同样会带来不利的影响。 带有大量电荷的雷云( 实测表明多为负极性) ，在其周围的电场强度达到空 气绝缘破坏程度( 2 5 - 3 0 k v c m ) ，空气开始游离。形成导电性的通道，通道从云 中带电中心向地面发展。在先导通道发展的初级阶段，其方向受偶然的因素影响 而不定。但当距离地面达某一高度时，先导通道的头部至地面某一感应电场强度 第二章雷电与输电线路防雷 超过了其他方向，先导通道大致沿其善至感应电荷的集中点的方向连续发展，至 此放电发展才有方向。如果配电网中的线路或设备遭受雷击时，将通过很大的电 流，产生的过电压称为直击雷过电压。 带有负电荷的雷云接近输电线路时，强大的电场在导线上产生静电感应。由 于带有负电荷雷云的存在，束缚着导线上的正电荷。当雷云对导线附近地面物体 放电后，雷云电荷被中和而失去对导线上电荷的束缚作用，电荷便向导线两侧流 动，由此而产生的过电压称为感应过电压。其能量很大，对供电设备的危害也很 大。 配电网纵横交错，绵延万里，呈网状分布，很容易遭受雷击，引起停电事故， 给国民经济和人们生活带来严重的损失。统计资料表明，雷害是造成高压输电线 路停电事故的主要原因。为了确保电力系统安全运行，采取防雷保护措施，做好 配电网的防雷工作是相当必要的。 2 1 2 雷电参数 雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，参数变化，计算结果随之而 变。目前采用的参数是建立在现有雷电观测数据的基础上的，这些参数是： 1 雷暴日、雷电小时及地面落雷密度 为了评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷 暴日或雷电小时来估计。在每一天内( 或一小时内) ，只要听到雷声就算一个雷 暴日( 或雷电小时) ，据统计，每一雷暴日大致折合为三个雷暴小时。 雷暴日的分布与地理位置有关。一般热而潮的地区比冷而干燥的地区多，陆 地比海洋多，山区比平原多。就全球而言，雷电最频繁的地区在赤道附近，雷暴 日数平均约为1 0 0 - 1 5 0 日，最多者达3 0 0 日以上。我国年平均雷暴日分布，西北 少于2 5 日，长江以： 1 己2 5 - - 4 0 日，长江以南4 0 8 0 ，南方大于8 0 日。我国规程规定， 等于或少于1 5 日雷暴目的地区称为少雷区，4 0 雷暴日以上的称为多雷区，超过9 0 日的地区为特殊强雷区。在防雷设计中，应根据雷暴日分布因地制宜。 2 雷电流幅值、波前时间、波长及陡度 雷电流幅值是表示雷电强度的参数，也是产生雷电过电压的根源，所以是最 重要的雷电参数。雷击任一物体时，流过它的电流值与其波阻抗有关，波阻抗愈 小，电流值愈大。流过被击物体的电流定义为“雷电流”。实际上，波阻抗是不 为零的，因而规程规定，雷电流是指雷击于低接地电阻物体时，流过雷击点的电 流。它显然近似等于传播下来的电流入射波的两倍。 雷电流的幅值是根据实测数据整理的结果，我国目前在一般的区域使用的雷 第二章雷电与输电线路防雷 电流幅值超过，的概率曲线，它也可用经验公式表示 l g 尸= 一言 ( 1 - 1 ) 9 8 8 、7 在平均雷暴日数只有2 0 或更小的部分地区，雷电流幅值也较小，可用正式表 示 l g p 一云( 1 - 2 ) 雷电流的波前时间多在l - 4 2 s 内，平均为2 6 2 s 左右，波长在2 0 1 0 0 2 s 之 间。我国规定在防雷设计中采用2 6 4 0 2 j 的波形，波长对防雷计算结果几乎无影 响，为简化计算，一般可视波长为无限长。 雷电流的幅值和波前时间决定其上升的陡度电流时间的变化率。雷电流 的陡度对电压有直接的影响，也是一个常用重要参数，雷电流波前的平均陡度 口：i(1-3) 口= 2 6 3 雷电流的波形和极性 实测结果表明，雷电流是单极性的重复脉冲波，且7 5 9 0 的雷电流是负 极性的。因此，电气设备的防雷保护和绝缘配合通常取用负极性的雷电冲击波来 进行分析研究。 4 雷电波阻抗( z o ) 雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一 样，且有一等值波阻抗，称为雷电波阻抗( z o ) 。也就是说，主放电过程可视为一 个电流波阻抗z o 的雷电投射到雷击点a 的波过程。若设这个电波入射波为乇，则 对应的电压入射波u o = i o z o 。 根据理论研究和实测分析，我国有关规程建议z o 取3 0 0 欧姆左右。 2 2 输电线路防雷 2 2 1电力系统雷电过电压的产生机理和类型 云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放1 1 2 】。尽管雷云有很高的初始 电位( 估可达几百兆伏) 才可能使大气击穿，形成先导一主放电，但是地面被击物 体的电位并不取决于这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积 ( 被击物体阻抗是指被击点与大地零电位参考点之间的阻抗) 。所以，从电源的性 质看，这相当于一个电流源的作用过程。 雷电放电的物理过程虽然是很复杂的，但是从地面感受到的实际效果和防雷 第二章雷电与输电线路防雷 护的工程角度，还是可以把它看成是一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道地面传 播的电磁波过程，据此建立计算模型。 如下图所示： i 9 宁z o z 图2 - l 雷电流源等值电路 输电线路上的雷电过电压按其形成机理分两种情况：一种是雷云直接击于线 路( 包括导线、杆塔、或许还有避雷线) ，在其上产生危害绝缘的电压，称为直 击雷过电压：另一种是雷击输电线路附近地面，在输电线路的三相导线上，因感 应而出现的高电压，称为感应过电压。感应过电压一般不超过5 0 0 k v ，它只会对 3 5 k v 及以下线路造成威胁，对较高电压等级的输电线路来说，危害最大的是直击 雷。 2 2 2 输电线路防雷性能指标 工程上用耐雷水平和雷击跳闸率两项指标来评价输电线路防雷性能的好坏。 耐雷水平是指线路遭受雷击时，其绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值，单位 为k a 。而它又分雷击杆塔耐雷水平和雷击导线( 有避雷线时称绕击) 耐雷水平。 耐雷水平越高，表明线路防雷性能越好。 雷击跳闸率是指每1 0 0 公里长的线路，每年( 折算到4 0 个雷电日的标准条件 下) 因雷击引起线路跳闸的次数。这是衡量线路防雷性能的综合指标。 因此，输电线路防雷目的就是提高线路的防雷性能，降低线路的雷击跳闸率。 所以如何确定线路的防雷方式，提高线路耐雷水平，降低雷击跳闸率是防雷设计 中非常重要的工作。应综合考虑系统的运行方式，线路的电压等级和重要程度、 线路经过地区的雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率的高低等自然条件， 参考当地原有线路的运行经验，根据技术经济比较的结果，采取合理的保护措施。 2 2 3由雷击引起跳闸的主要因素 一般情况下3 5 k v 线路由于绝缘水平不是很高，雷闪放电引起导线对地闪络是 不可避免的，线路因雷击而跳闸必须具备两个条件：一是雷击时雷电过电压超过 第二章雷电与输电线路防雷 线路的绝缘水平引起线路绝缘冲击闪络，但其持续时间只有几十微秒，线路开关 还来不及跳闸。二是冲击闪络继而转为稳定的工频电弧，对3 5 k v 线路来说就是形 成单相接地短路，从而导致线路跳闸，引起跳闸的主要因素如下： 线路杆塔的接地电阻值 雷击档距中避雷线时，一般情况下空气间隙不会发生闪络，而雷电流在向两 边杆塔传播时，由于强烈的电晕，当传播到杆塔时，幅值已大为降低，如果杆塔 的接地电阻不高，杆塔的电位的升高不足以引起绝缘子串发生闪络。 雷击杆塔引起反击过电压时，绝缘子串能否闪络，与杆塔冲击接地电阻值有 直接关系，接地电阻越大，塔顶电位越高，绝缘子串上的电位差越高，容易造成 绝缘子串的闪络，甚至造成多串绝缘子串的同时闪络，导致相间短路，引起跳闸。 消弧线圈的整定情况 消弧线圈的整定若不准确，线路因雷击易引起导线单相对地短路时，如果 3 5 k v 线路消弧线圈补偿不够，单相接地短路电流为容性电流，当消弧线圈补偿过 大时，单相接地短路电流为感性电流。若当单相接地短路电流大于1 0 a 时，以弧 光形式出现的单相接地会形成稳定的短路电流不会自行熄灭，但也不会形成稳定 的短路电流，于是电弧较长时间时燃时灭，在这时系统产生弧光过电压最后引起 线路跳闸。 其它如引下线、接地线、线路上管型避雷器、进线段、线路走廊等也与雷 电过电压的保护有关。 2 3 小结 1 根据过电压形成的物理过程，雷闪放电引起线路雷电过电压主要有感应雷 过电压和直击雷过电压。 2 输电线路防雷性能的重要指标为线路雷击跳闸率和线路耐雷水平，影响这 两个指标的重要因素有消弧线圈的整定情况和线路杆塔的冲击接地电阻值大小 等等。 3 传统的防雷措施有多种，但由于线路分布面广，受地形、土壤电阻率、杆 塔强度、施工人力物力所限，很难找到一种非常完善和可以全面推广的措施，只 能因地制宜，合理选用。 第三章大庆油田3 5 k v 电网防雷现状 第三章大庆油田3 5 k v 电网防雷现状 3 1 大庆油田雷电活动规律 大庆油田雷电活动的时间主要集中7 、8 、9 月这三个月份【l 】，雷电活动的地 区，从9 1 年可查到的落雷点记录，共统计2 5 1 处落雷点，根据落雷点分布情况， 具体分析如下： 大庆油田有三个区块落雷较密集，分别是新华电厂地区、龙虎泡地区和宋芳 屯地区，新华电厂和龙虎泡地区主要是由于地势较高，沙土地，土壤电阻率较高 等原因造成的输电线路易落雷，宋芳屯地区主要是周围无高大建筑物和构筑物， 接地极易丢失等原因造成的输电线路易落雷。 3 2 近年来大庆电网的雷击故障统计和分析 表3 1 列出y 8 7 年至2 0 0 6 年输电线路雷击掉闸统计情况【1 1 。 从8 7 年至9 9 年对3 5 k v 线路采取种种防雷的综合措施，如降低杆塔接地电 阻、提高线路绝缘水平、安装消雷器、线路悬挂避雷器、架设偶合地线等，取得 了一定的效果，从以下几个方面简述之【1 3 】。 1 为了提高3 5 k v 线路耐雷水平，增强防御感应过电压能力，8 8 年至9 4 年， 先后将全部3 5 k v 线路绝缘子吊串增加一片绝缘子，使u 5 0 冲击放电电压由3 5 3 k v 增到4 3 8 k v ，按下式进行理论计算：( h 不变) ， i = = 翌 百 ( 3 - l o ) ( 1 一七) 如+ 丝三卫】 z o 得出3 5 k v 线路的耐雷水平提高1 2 4 倍，使每片绝缘子的分布电压值降低，能 够防御由于雷击而产生的过电压；用七年时间完成了供电3 5 k v 线路加强绝缘工 作。九七年以后的所有新投产线路都采用合成绝缘子，化工区的老线路也全部换 成合成绝缘子。 2 规程规定，3 5 k v 输电线路一般不在全线加装避雷线，为了充分利用避雷 线在防雷方面具有防止雷直击导线，雷击杆塔顶时对雷电电流分流、减少流入杆 塔的雷电流，使杆塔顶电位降低，同时对导线具有偶合屏蔽作用，降低雷击杆塔 时绝缘子上的电压和降低导线上的感应过电压作用。从8 9 年开始对供电公司全部 3 5 k v 线路的避雷线进行补架。同时结合线路状况和规程要求，几年来，完善3 5 k v 第三章大庆油田3 5 k v 电网防雷现状 线路横担接地7 2 5 基。 表3 18 7 年至0 6 年输电线路雷击掉闸统计表 3 针对线路“常断点”的羊角型放电间隙自灭弧能力差【1 4 】和管型避雷器质 量差、误动作、拒动作等因素【1 5 】，因此从9 7 年开始，在“常断点”上试用线路悬 挂式氧化锌避雷器，现以把间隙和管型避雷器全部换掉，共挂网运行1 4 1 组。运 第三章大庆油田3 5 k v 电网防雷现状 行状况良好。 4 在9 4 年，3 5 k v 线路试用了导体消雷器和半导体消雷器，在4 0 条线路上安 装了2 3 0 只。经过挂网试运行，并没有真正起到消雷作用。同时，该设备因机械 强度低，耐受风力条件差，曾发生两起针断事件，造成系统事故，故于九七年对 已有的消雷器予以拆除。 从历年来的统计情况看：九四年是采取防雷措施后线路雷击掉闸率最高的一 年，为0 8 2 9 5 次百公里年，比未采取任何防雷措施前的a a 年线路掉闸率下降 了4 3 ，比未采取任何防雷措施理论掉闸率1 4 次百公里年( 雷暴日按2 5 计) 下降4 1 ，这组数据说明了综合防雷措施的实施为提高供电系统可靠运行起到积 极作用。 但从历年来的雷击掉闸情况来看雷击掉闸占总掉闸的比率还很大，3 5 k v 线路 全线加装避雷线屏蔽的情况下，其雷击掉闸率的理论值为0 3 5 2 次百公里年， 表中除了9 0 、9 5 、9 9 年较低以外，其余雷击掉闸率都比较高。 3 3 雷击掉闸率较高的原因分析 1 随着油田生产的飞速发展，3 5 k v 线路以每年大约1 0 的速度递增，特别 是油田老区，单位平方公里内的3 5 k v 线路密度太大，电力线路相互交叉、平行靠 近，地下金属管网密度大，近年来油田内涝地下水位偏高，在雷暴日相同的情况 下，线路易遭受雷击的概率就比较高。 2 接地装置不完善。有少数架空地线与杆体接地线连接不良，接地极和螺 丝( 引线与扦固定的螺丝) 被盗严重，有的线路接地极形同虚设。再加之部分线 路土壤电阻率非常高，接地极腐蚀严重，接地电阻降不下来。如龙虎泡地区、龙 一联地区土壤电阻率都很高。使雷电流下泄不畅。 3 输电线路绝缘存在问题，虽然我们在3 5 k v 线路上全部采用4 片绝缘子，比 规程规定增加l 片，但由于我们多年没有对绝缘子零值进行测试，目前也可能有 零值绝缘子存在，造成其它绝缘子分布电压值升高，线路绝缘降低。 4 忽视了消弧线圈特别是自动调谐消弧线圈在提高线路耐雷水平上的作 用，有部分站不接地或经过老式的消弧线圈接地，在容量和性能方面已不能满足 油田电网发展的需要1 1 6 j 。 第四章输电线路杆塔接地电阻不合格原因分析及对策 第四章输电线路杆塔接地电阻不合格原因分析及对策 4 1 输电线路接地电阻测试情况 2 0 0 8 年，供电公司重点对易落雷和高土壤电阻率地区的线路杆塔接地电阻进 行摸底测试，共测试1 8 8 8 组，有9 2 0 处杆塔接地电阻不合格，对接地装置检查， 发现接地线螺丝松动和未安装防松垫片和备帽有2 1 8 处，接地极角钢连接部位松 动有2 2 2 处，接地引线、接地极及其连接部位锈蚀经有4 8 0 处，经过加装防松垫片、 重新连接和防腐处理等措施后，进行复测有4 8 8 处接地电阻达标，仍有4 3 2 处接地 电阻不合格。针对不合格的接地电阻进行如下分析和调查，并制定出降阻措施。 4 2 输电线路杆塔接地电阻不合格的危害 输电线路的耐雷水平与输电线路杆塔接地电阻密切相关【1 7 1 ，雷击杆塔时，一 部分雷电流通过避雷线流到相临杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地，杆塔接 地电阻呈暂态电阻特性，一般用冲击接地电阻来表征。雷击杆塔时塔顶电位迅速 提高，其电位值为： “，= 巩+ 三磊d i ( 4 - 1 ) 式中：i 雷电流；局一冲击接地电阻：上；一暂态分量。 讲 当杆塔顶部电位u t 与导线上的感应电位u l 的差值超过绝缘子串5 0 的放电 电压时，将发生由杆塔至导线的闪络。由上式可知，接地电阻越小，杆塔顶部电 位越小。因此降低杆塔的接地电阻，可有效降低杆塔顶部电位，提高线路的耐雷 水平。 4 2 输电线路杆塔接地电阻不合格的原因分析 输电线路杆塔接地电阻偏高的原因是多方面的，归纳起来有以下几个方面的 原因【1 8 】。 4 2 1 客观条件方面的原因 1 土壤电阻率偏高。特别是龙虎泡等沙土地区土壤电阻率偏高，对杆塔的接地 电阻影响较大。据调查，接地电阻超标的杆塔所处地段的土壤电阻率大都在 1 0 0 刚m 以上1 9 1 。 2 土壤干燥。在北方干旱地区土层相当干燥，而大地导电基本上是靠离子导电， 第四章输电线路杆塔接地电阻不合格原因分析及对策 而可以离解的各类无机盐类只有在有水的情况下才能离解为导电的离子，干燥 的土壤导电能力是非常差的，这是北方干旱地区杆塔接地电阻偏高的原因。 4 2 2 施工方面的问题 对于输电线路杆塔的接地来说，精心设计虽然重要，但严格施工更重要。接 地工程又属于隐蔽工程，如施工过程中不能实行全过程的技术监督，就会出现如 下一些问题： 1 不按图施工。尤其是在施工困难的地区，偷工减料不按图施工的现象屡 有发生，如水平接地体敷设长度不够，少打垂直接地极等。 2 接地体埋深不够。上层土壤容易干燥，受气候的影响也大，在北方冬季 还会受冻土层的影响。另外由于上层土壤中含氧量高，对接地体的腐蚀也就较快。 3 回填土的问题。规程要求用细土回填，并分层夯实，可在实际施工时往 往很难做到，尤其是在土质较硬地段施工时，由于取土不便，往往采用开挖出的 土块很大就回填坑内，这样接地体就不能与周围土壤保持可靠的电接触，同时还 会加快接地体的腐蚀速度。 4 2 3 运行方面的问题 有些杆塔的接地装置在建成初期是合格的，但经一定的运行周期后，杆塔接 地电阻会变大，这除了前面介绍的由于施工时留下的隐患外，以下一些问题值得 注意。 1 、由于接地体的腐蚀，使接地体与周围土壤的接触电阻变大，特别是大庆 油田是盐碱土壤，接地体的腐蚀速度是相当快的，如焊接头处因腐蚀断裂会造成 一部分接地体脱离接地装置。 2 、杆塔接地引下线与接地装置的连接螺丝冈锈蚀而使接触电阻变大或断开。 3 、杆塔接地引下线和接地极被盗或受外力破坏。 施工及设备运行方面的问题通过规范施工工艺，加强技术监督等措施可以得 到很好的解决，而对高土壤电阻率地区杆塔接地电阻降阻困难，为此应重点研究 高土壤电阻率地区杆塔接降阻的试验研究，确定合理有效的降阻方法和材料。 4 3 降低输电线路杆塔接地电阻的试验 法。 实验测量接地电阻时使用的是z c 8 接地电阻测量仪，使用的测量方法是三点 第四章输电线路杆塔接地电阻不合格原因分析及对策 4 3 1 试验仪器及测定方法说明 下面本文将对z c 8 接地电阻测量仪以及三点法进行简单的介绍说明。 1 z c 8 接地电阻测量仪，如图4 1 。 纛 鬻 凝 舞 州 司 ，o i l 嗣p 。(邕 、一l | 凡e、_ _ 一j i i 。一 一 图4 1z c 一8 接地电阻测量仪 a 接地电阻测试仪一般由手摇发电机、电流互感器、检流计等组成。 接线端钮：接地极( c 2 、p 2 ) 、电位极( c i ) ，用于连接相应的探测针。 调整旋钮：用于检测计指针调零。 倍率盘：显示测试倍率，0 1 、1 、1 0 。 测量标度盘：测试标度所测接地电阻阻值。 测量盘旋钮：用于测试中调节旋钮，使检流计指针指于中心线。 倍率盘旋钮：调节测试倍率。发电机摇把：手摇发电，为地阻仪提供测试电 源。 b 使用方法 ( 1 ) 沿被测接地导体( 棒或板) 按下列表内的距离，依直线方式埋设辅助探棒。 如所测地气棒埋深2 m ，则按小于4 m 规定作，依直线丈量2 0 m 处，埋设一根地气 棒为电位极( p 1 或p ) 再续量2 0 m 处，埋设一根地气棒为电流极( c 1 或c ) 。 ( 2 ) 连接测试导线：用5 m 导线连接e ( p 2 ) 端子与接地极，电位极用2 0 m 接至 p 端子上，电流极用4 0 m 接c 端子上。 ( 3 ) 将表放平，检查表针是否指零位，否则应调节到“0 ”位。 ( 4 ) 调动倍率盘的某数位置，如0 1 ，1 ，1 0 。 ( 5 ) 以每分钟1 2 0 转速摇动发电机，同时也转动测量盘使表针稳定在“零”位 上不动为止，此时，测量盘指的刻度读数，乘以倍率读数，即为： 被测电阻值( q ) = 测量盘指数幸倍率盘指数 2 手摇式三点法测量接地电阻 第四章输电线路杆塔接地电阻不合格原冈分析及对策 手摇式地阻表是一种较为传统的测量仪表，它的基本原理是采用三点式电压 落差法，如图4 1 所示。其测量手段是在被测地线接地桩( 暂称为x ) 一侧地上打 入两根辅助测试桩，要求这两根测试桩位于被测地桩的同一侧，三者基本在一条 直线上，距被测地桩较近的一根辅助测试桩( 称为y ) 距离被测地桩2 0 m 左右， 距被测地桩较远的一根辅助测试桩( 称为z ) 距离被测地桩4 0 m 左右。测试时， 按要求的转速转动摇把，测试仪通过内部磁电机产生电能，在被测地桩x 和较远 的辅助测试桩( 称为z ) 之间“灌入电流，此时在被测地桩x 和辅助地桩y 之间 可获得一电压，仪表通过测量该电