（电力系统及其自动化专业论文）输电线路雷击选择性及其影响因素的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t a tp r e s e n t ，t h ew a y so fe v a l u a t i n gs h i e l d i n gf a i l u r ep e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o n l i n e si n c l u d et h r e ed i f f e r e n tm e t h o d s ：t h es t a n d a r dm e t h o d ，l p ma n de g m a sa k i n do f s h i e l d i n g f a i l u r ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，e g mi sb a s eo nt h e l i g h t n i n g d i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i ca n di n t r o d u c e s t h ec o n c e p to fs t r i k ed i s t a n c e ，w h i c h c o n n e c t i n g a t t r a c t i v e p o w e r t o l i g h t n i n gw i t hs t r u c t u r ea n d s i z eo ft r a n s m i s s i o n l i n e s i nt h i st h e s i s ，e v e r yk i n d so fe n g i n e e r i n ga p p l i e dt r a n s m i s s i o nl i n e sm o d e l sa r et - o t o l yc o m p a r e da n da n a l y z e df i r s t l y t h e nu s i n gt h ec o n c e p t i o no fs t r i k ed i s t a n c ea l l - db a s i ci d e ao fe g m ，d e t e r m i n i n gt h ei e e er e c o m m e n d e df o r m u l a st oj u d g et h e s h i e l d i n gf a i l u r es i t u a t i o no ft o w e r s o nt h er e l a t i o n s h i pa m o n gd i f f e r e n tl i g h t n i n g c u r r e n t ，c r i t i c a lf l a s h o v e rl i g h t n i n gc u r r e n ta n dm a xs h i e l d i n gf a i l u r ec u r r e n ta r e b o t hd e t e r m i n e d m o r e o v e r , t h es h i e l d i n gf a i l u r es i t u a t i o no ft o w e rc a nb ej u d g e d t h i sm e t h o dw a sa p p l i e di nt w oh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e sw h o s en a m ea r e d o n g - t i el i n eo f2 2 0 k va n dn e n g b ol i n eo f5 0 0 k vi nh u i z h o uc i t y , w h i c hl o c a t e d i ng u a n g d o n gp r o v i n c e b yc a l c u l a t i n gt h em a xs h i e l d i n gf a i l u r ec u r r e n to ft o w e r s i nt h o s el i n e s ，t h ec u r v ed i a g r a m so fi t si n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha ss l o pa n g l e ，a n g l e o fp r o t e c t i o n ，t o w e rh e i g h ta n ds t r i k ed i s t a n c ef a c t o ra r ed r a w n t h er e s u l tf i tt h e f a c t a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a la n df o r m so fg r o o v e v a l l e yc r o s s i n g s p a na n dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs a ga n ds p a nl e n g t ht os h i e l d i n gf a i l u r ep e r f o r m a - a n c eo ft r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ee g mw a sg i v e no u t t h ea n a l y s i ss h o wt h a t ：a tt h ec e n t r a lp a r to fg r o o v e v a l l e yc r o s s i n gs p a n ，t h es h i e l d i n gf a i l u r er a t eo fl i g h t n i n gw a s n tl o w e r , s o m e t i m e se v e nh i g h e rt h a nt h a to ft o w e r a l s o ，t h es t r i k ed i s t a n c ef a c t o rw a sa p p l i e dt od e s c r i b et h ed i f f e r e n c eo f e l e c t r i c f i e l di n t e n s i t yb e t w e e ns h i e l d i n gw i r e sa n dc o n d u c t o r sw h e nt h el i g h t n i n gl e a d e ri s a p p r o a c h i n gt ot h e m ，t h es h i e l d i n gf a i l u r ep e r f o r m a n c eo ft h et o w e r sw i t hn e g a t i v e a n g l eo fp r o t e c t i o ni sa l s od i s c u s s e d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ea p p l i e di nt h i st h e s i st o o ，t h ee x p e r i m e n tw a s b a s e do nt h es i m i l a r i t yo fs p a r ka n dl i g h t n i n g ，i n f l u e n c ef a c t o r so fs p a r kh i t p o i n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i s r e s e a r c h e d b a s i n go nl o t so fa n a l y s i sa n ds t a t i s t i c s ，t h er e s u l t ss h o w st h a tt h e t r e n do fs t r i k ed i s t a n c ef a c t o ri so p p o s i t et ot h eh e i g h to fl i n e s ，w h i c hi sc o i n c i d e n t w i t he m p i r i c a ls t a t i s t i c s k e yw o r d s ：s h i e l d i n gf a i l u r e ；e g m ；s t r i k ed i s t a n c e ；s t r i k ed i s t a n c ef a c t o r ； t r a n s m i s s i o nl i n e s 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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 不保密回矗用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：王乞飞指导老师签名：乡 哲 日期：口7 5 。7 日期：孙2 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本论文创新点如下： ( 1 ) 研究了输电线路内雷击的选择性的影响因素，杆塔高度、避雷线对导 线的保护角、线路绝缘水平、地面倾角、杆塔附近土壤电阻率、对线路的绕击 耐雷水平和最大绕击雷电流的影响；研究了在跨沟跨谷档距下的电气几何模型 算法，分析了电气几何模型中各种参量的变化对线路绕击耐雷水平的影响，并 对提高线路的绕击屏蔽性能提出建议和措施。 ( 2 ) 在总结前人研究的基础上，根据火花放电与雷电过程在分形几何的相 似性，制作了火花放电试验装置，通过大量的试验数据统计分析，得出了火花 放电击中点选择性随高度变化的趋势。 互豸夺 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出背景和意义 雷电是一种与人类生活紧密相关的自然现象，不仅因为那划破黑夜长空的 耀眼闪电和震耳欲聋的霹雳声，更重要的是雷电对现代社会生产和生活巨大的 破坏作用。其中，雷电对输电线路乃至电网的安全威胁巨大，轻则造成线路中 绝缘闪络，重则导致大面积的电网停电事故，并且在总事故中占有很大的百分 比。据统计：瑞典1 9 8 6 年由于雷击而引起的事故占所有事故的5 1 ；日本5 0 以上的电力系统事故是由于雷击输电线路引起的；国际大电网会议公布的美国、 前苏联等1 2 个国家的电压为2 7 5 5 0 0 k v 、总长为3 2 7 万k m 输电线路连续3 年 运行资料中指出，雷害事故占总事故的6 0 i 。我国电力在未来1 5 2 0 年内将保 持快速增长，在“西电东送、南北互供、全国联网”的电网发展纲领指导下， 百万伏级交流和8 0 0k v 级直流构成的特高压骨干电网的建设速度。大量雷害 事故的资料和实验研究证明1 2 j 1 3 l ，雷击的地点和建筑物遭受雷击的部位是有一 定规律的，这些规律称为雷击的选择性【引，而雷电对输电线路的选择性更是直 接影响线路故障率的因素。这对输电线路的防雷提出了亟待解决的问题，对输 电线路的安全运行提出了新的挑战。 珠江三角洲地区是我国改革开放的先行地区，是我国重要的经济中心区域， 在全国经济社会发展和改革开放大局中具有突出的带动作用和举足轻重的战略 地位。惠州市作为地区代表性的城市，拥有变电站7 1 座，1 1 0 千伏及以上主变 容量1 3 2 1 万千伏安，1 1 0 千伏及以上输电线路2 4 3 4 千米。且线路走廊多为山 区，过高山、跨深沟所经地区地形情况十分复杂，土壤电阻率往往也很高。据 2 0 0 4 至2 0 0 8 年的雷电定位系统监测表明，惠州地区夏季由于台风活动造成的 雷暴日每年在1 5 0 天以上，部分雷暴同的雷闪次数达到8 0 0 0 次以上。雷击线路 造成电力系统运行事故的情况屡有发生，线路维护工作任务繁重。因此结合惠 州地区的地形和气候特点，分析区域内输电线路防雷措施的运行情况，针对雷 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 击跳闸率高的输电线路易击杆塔、易击区段，研究如何提高其耐雷水平的综合 处理方法和输电走廊内的雷击选择性。对减少雷电事故损失，保证电力建设中 输电线路系统在雷害事故频繁发生的地区的安全运行有其重要的学术意义和实 际应用价值。 1 2 国内外现状分析 关于闪电机理的研究，最早是开始于闪电现场观测和摄像，早在1 9 2 6 年， b o y s 使用早期的旋转照相机拍摄自然界中的雷闪放电现象f 5 j ，但由于当时科技 水平的制约，人们对闪电本身放电过程一直停滞不前。直到2 0 世纪五十年代， s e h o n l a n d 和b e r g e r 采用当时世界上最早的高速摄像机拍摄了大量负极性云的 放叫引，率先指出闪击的物理过程是由先导放电和主放电两个发展阶段组成。 此后基于雷闪放电与实验室中的长问隙放电的相似性，研究进一步搞清闪电发 展的物理过程，并给出了影响雷击选择性的一些因素。如空气湿度，接地电阻不 同，地面上土壤电阻率的不均匀的分布，放电的离子背景等因素都能够影响雷 击的选择性1 6 l 【7 j i 引，则所造成的雷击概率也是不同的。 2 0 世纪6 0 年代各国就利用模拟试验、现场实测、概率统计方法和计算机 综合等手段对此展开了许多研究工作，以此来计算出不同的主放电电流与击距 的关系，进而得到种种雷电屏蔽理论，取得了许多重要的研究成果，提出了许多 确定输电线路耐雷性能的方法，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。 f e m i a n 等人利用分形学描述了雷电放电路径，使闪电回击电磁场辐射仿 真推进了一步，找出了弯曲闪道与辐射场复杂程度的内在联系1 9 1 。j m k m a c a l p i n e 等人研究了放电路径中相邻梯级放电路径的关系以及放电尖端电场 与放电路径下一步发展的关系1 1 0 l 。d e l l e r a 和g a r b a g n a t i 基于自然雷电放电 过程和长空气间隙放电过程的相似性，利用长间隙放电来模拟自然雷电放电， 提出了输电线路雷电绕击的先导发展模型，引入了侧面距离( 简称l d ) 和屏蔽 失效宽度( 简称s f w ) 这两个基本参数【l 。d i e n d o r f e r 和u m a n 提出的雷电反 击d u 模型计算的电磁场可较好地再现雷电反击测量场的4 个特征，为雷电电磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 场的数值计算打下了基础1 1 2 j 。r i z a 在实验研究的基础上，提出了输电线路雷电 绕击的先导发展模型l p m ( l e a d e rp r o g r e s s i o nm o d e l ) 1 1 3 】。王惠忱等对不同 高度、不同幅值的雷电先导进行了分析研究，根据雷电先导的绕击特性和不同雷 击目的物的接闪效能，提出了“绕击充要条件一和“定位迎面先导概念【1 4 l 。 目前，输电线路和建筑物的雷电绕击保护研究仍主要以电气几何模型( e g m ) 1 1 5 】 为基础。由于e g m 是一个以现场观测数据为基础的雷电绕击计算模型，因此在 进行输电线路的防雷屏蔽设计时，还需要重新积累运行经验。鉴于这种原因， 随着人们对长空气间隙放电和雷击放电的研究和认识逐步深入，e r i k s s o n 和 r i z k 等人将近代长空气间隙放电的研究成果用于输电线路的雷电绕击性能研 究，提出了先导发展模型( l p m ) 1 6 j 。实际上是先导发展模型是e g m 的进一步发 展，它认为：在下行先导的作用下，接地物体上产生的上行先导的发生、发展和 相遇过程，对决定线路的雷电绕击性能起决定作用。 相对于同臻成熟的雷击塔杆和避雷线引起对导线的“反击”的防护技术， “绕击 防护的问题日渐突出。现有的雷击防护措旌，如避雷针、线等，由于防 绕功能不足，难以满足高建筑物和旷野输电线路防绕要求。前苏联、美国、加拿 大等国输电线路防雷的运行经验也表明，超高压、特高压输电线路的雷击跳闸事 故中，绕击是造成线路跳闸的主要原因1 1 刀。因此，在确定线路的防雷方式时， 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。 1 3 尚待研究和解决的问题 国内外的研究成果表吲1 8 】【1 9 】，雷击放电点存在明显的随机性和分散性，这 是因为人们对于雷闪路径的物理过程还不够清晰，目前的许多仿真模型都是建 立在一定的假设和模拟实验上，与实际情况有一定的区别。不同的输电线路绕 击的计算方法，对于同一条线路的分析计算结果差别较大，采用何种方法、何 种闪络判据来计算线路耐雷水平的意见分歧较大。雷闪计算模型，以此来计算 出不同的主放电电流与击距的关系，或者问隙的最小放电电压，进而得到种种 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 雷电屏蔽理论，典型的如e g m 理论模型及先导传播模型( l p m ) 等没有考虑放电 路径在每一个时间分段的发展，外界因素的影响的定量的关系，目前还是不清 楚的。 同时，在一些特殊的地理环境特别是山区的高压线路，由于线路跨越山谷 和江河的原因，也容易造成雷电的绕击。目前绝大多数计算模型，只是简单地 将杆塔至于同一水平地面，或在某个固定角度坡面上分析线路绕击，认为杆塔 档距中央的绕击概率最低。但经过对惠州地区线路雷击情况勘察的结果表明， 档距中央由于缺乏地面屏蔽作用，往往更容易遭受绕击。山区输电线路存在着 雷电多发段、易击段，多数雷害发生在若干基固定的杆塔或地段，使用以往的 常规分析模型，往往不能评估出线路的真实绕击情况。 1 4 论文的主要研究内容 从雷电放电物理过程及其相关雷电电气参数入手，对线路绕击机理进行探 讨； 以传统电气几何模型为基础，综合考虑了山区复杂的地形地貌特征，分析 线路穿越不同地段的地质、地势、气象条件及其雷电活动区域时，线路绕击的 变化规律； 计算分析地面倾角对山区地形杆塔附近的电气几何绕击模型的影响情况； 以分形学原理为依托，利用火花放电试验研究击距系数，拟合出击距系数 变化曲线； 最后对全文展望并总结 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章雷电放电过程及绕击机理的研究 2 1 云地闪电发展的物理原理 地闪是云与大地间的一种放电形式，它与电讯、地面建筑物和输电线路等 人类活动直接相关。对其物理的过程描述，最普遍的是梯级先导过程，即地闪 分级向地面发展。 闪电的发展过程包括如下几个阶段： 起始击穿过程：通常情况下在含雨大气的击穿初期，当积雨云底部有一负 电荷中心与其底部正电荷中心附近区域的局部大气场强达到1 0 4 v c m 左右时， 积雨云中冰棱处将产生强电场，其产生的电晕放电在云中强电场区域，特别是 积雨云体下负电荷中心和其下方的正电荷中心之间的强场区，都会导致云雾大 气的击穿。此处的负电荷向下中和掉正电荷，这时云下部与云底部全部为负电 荷，云中放电的位置取决于积雨云中0 层的位置。 云中大水滴产生畸变并导致电晕放电的临界大气电场强度为【2 0 1 ： e 。一3 8 7 5 r “2( 2 - 1 ) 式子中，为水滴半径，反的单位为v c r n 。 梯级先导过程：这一过程是雷闪路径发展的主要过程，在这一过程中随着 大气电场强度进一步增加，电子与空气分子碰撞产生进一步电离，形成负电荷 向下发展的流光，如图2 - 1 ( a ) 所示。表现为一条暗淡的光柱像梯级一样逐级向 地面，这称之为梯级先导，如图2 - 1 ( c ) 所示。在每一梯级的顶端发出较亮的辉光。 梯级先导在体电荷随机分布的大气中沿着局部电场强度最大的方向发展，在发 展的过程中要求雷电通道必须是热电离【2 。先导在大气中婉蜒曲折地进行，并 产生许多向下发展的分柱。当引路先导向下传播时，由于先导的电场随距离增 加而减弱，又因为梯级先导顶部聚集了大量的正电荷，进一步减弱了梯级先导 的顶端处的电场强度，这时引路先导便停止发展，先导头部的电子会退回到正 电荷区，产生强烈的复合，这时出现由辉光放电向弧光放电的条件。这时梯级 先导以3 x1 0 5 m s 的平均传播速度高速向前发展，其变化范围为1 5 x1 0 5 m s 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 至2 6 1 0 5 m s 之间，从而完成一次梯级过程。此时先导顶端又具有云中负电 荷的电位，并在先导顶端重新形成大于6 1 0 4 v c m 的强电场，于是复又形成引 导先导，并向前发展一定的有限距离。因此，梯级先导由多个单级先导组成。 单级先导的平均长度在5 0 m 左右，其变化范围在3 0 m 至1 2 0 m 之间。梯级先导的 直径一般在l m 至l o m 左右。 先导中从电子雪崩转化为电弧状态时包括下面物理过程：( 1 ) 先导顶端的电 离，即产生新电子和正离子；( 2 ) 位于负阵面后的正电荷通道，使电子向后收缩； ( 3 ) 新产生的电子附着在气体分子上，形成负离子；( 4 ) 负阵而后的收缩空间中， 电子和正离子复合；( 5 ) 电子和离子向外径扩散；( 6 ) 电子、离子和中性气体分子 间的能量传递；( 7 ) 电于导电至电弧导电的转化。 电离通道内电子和离子向外径向扩散与时间的关系为： p 2 = 4 d t( 2 - 2 ) 式中p 是电离通道的扩展半径，d = 1 3 九l ，是扩散系数，a 是离子或电子 的自由程， ，是离于或电子的平均速度，t 是先导电弧开始起算的时问。 d “嘶i 。，b 电j 呵；2 j 州丝j- i 。；辫j ， 影 一b ) + + d l ；1 t l 二 j 、 。 猿： 一点一j 图2 - 1 闪电放电过程电荷活动 电离通道：梯级先导向下发展的过程是一个不断电离的过程。在电离的过 程中生成成对的正离子、负离子，其正离子被云中向下输送的负离子中和，从 而形成一个充满负电荷的通道，称之为电离通道或雷电通道。整个闪电通道主 要由主通道、分叉通道和失光组成。 望三兰望兰兰蒸 譬 一 。、 一+ ：， - 驴 一 ，p、一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 连接先导过程：当具有负极性的梯级先导接近地面附近时，在距离地面 5 - 5 0 m 的高度形成强电场，使地面接地体的凸起部门顶端产生向上移动的正电 荷，并产生向上发展的正流光，这就是连接先导，也称之为迎面先导。 当梯级先导与连接先导会合，形成一股明亮的光柱，沿着梯级先导所形成 的电离通道由地面高速冲向云中，产生回击过程。回击比先导亮得多，会产生 耀眼的光亮。绝大部分储存在先导通道和分支通道中的负电荷在此过程中被中 和。 随后发生的过程是，在一个次要的、但更为细致的放电过程叫过程。j 过程是指闪电通道顶部形成的局部正电荷，向其上方云中荷电中心发展，并使 闪电通道顶部的局部正电荷中和的正流光过程。其作用是将前次闪击通道与云 中负荷电中心连接。 最后在地闪中第一次闪击之后，会形成第二次回击过程。由箭式先导作为 起始阶段，箭式先导将电荷贮存于前一次的闪击电流留有的通道内，充满负电 荷的箭式先导通道与大地相接的瞬间，复又出现明亮的回击，从而完成随后闪 击过程。因此，通常一次地闪由2 - 4 次闪击构成，个别地闪的闪击数可达2 6 次之多。本文研究的范围是从雷电先导形成至迎面先导与之相遇前的时间内， 输电线路不同部分对雷击选择性的影响。 2 2 云地闪电的电学参量 2 2 1 雷暴日与雷暴小时 雷暴日( 雷电小时) 是一年中有雷电的同数( 小时数) ；在一天或- d , 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。由于不同年份的雷 暴日( 或雷暴小时) 变化较大，所以均采用多年的平均值年平均雷电同表征 雷电活动频度，通常用字母丁表示。我国规程规定年平均雷电日数不超过1 5 的地区为少雷区，一般为我国的西北地区：超过1 5 但不超过4 0 的地区为中雷 区，一般为长江以北的大部分地区( 包括华北，东北) ：超过4 0 但不超过9 0 的 地区为多雷区；超过9 0 的地区为雷电活动特殊强烈地区及根据运行经验雷害特 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 殊严重的地区，在北纬2 3 度以南的地区年平均雷电日在8 0 日以上，尤其在海 南岛，广东雷州半岛，包括台湾部分地区，年平均雷电日超过了1 0 0 天以上， 是我国防雷的重点地区。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【2 4 1 。 2 2 2 地面落雷密度和输电线路落雷密度 云内闪电或云层到云层的放电远多于云地之间的放电。从电力装置防雷的 角度出发，为了表征雷云对地放电的频率，可用地面落雷密度y ( 次平方公 里雷暴日) 来表示。y 表示每一雷暴日每平方公里的地面上的平均落雷次数雷 暴同或雷暴小时。一般情况下，年平均雷暴日数丁较大的地区，其，值也随之 变大。我国规程建议对t = 4 0 的地区y 值取o 0 7 次平方公里雷暴同1 2 3 l 。 对于输电线路的落雷次数，每1 0 0 k i n 每年的雷击次数n _ 可表示为为： n = r h r ( 2 3 ) 式中：) ，年平均雷暴日，次平方公里雷暴同； 卜雷暴日，天每年； h 避雷线的平均高度，m 。 而对于雷暴日较少的地区，规程中规划2 3 】每1 0 0 k i n 每年的雷击次数可 表示为为： n = 0 2 8 ( b + 4 h )( 2 4 ) 式中：卜两根避雷线之间的距离，m 。 j l 避雷线的平均高度，m 。 2 2 3 雷电流幅值的概率分布和极性 某一次雷击的雷电流幅值是随机的，对大量实测的雷电流幅值进行统计分 析，可得其概率分布曲线。不同地区的雷电流幅值分布是不同的。主要与地区 的维度、地形、地貌、气象和雷暴强度有关。 我国电力行业标准d l r r 6 2 0 1 9 9 7 ( 2 ) ，综合了我国十几年观测的结果，对 雷暴同超过2 0 天的地区，雷电流幅值的概率分稚推荐为【2 5 l ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l g p = - i 8 8( 2 5 ) 对2 0 个雷暴日以下的地区，概率分布较小，推荐为： l g p = 一，4 4( 2 6 ) 当雷云电荷为正时，所发生的为正极性放电，雷电流极性为正；反之，雷 电流极性为负。表2 - 1 给出了惠州地区落雷情况的统计数据。由表2 - 1 可知， 雷电流幅值大多数在5 0 k a 以下，雷电流幅值在5 0 k a 以下负极性雷落雷次数占 据全年落雷总数所占的9 0 左右。 表2 - 1 惠州地区落雷情况表 2 2 4 雷电流的波头和陡度 虽然雷电流的幅值随自然条件的不同而差别很大，但是各国测的雷电流波 形却基本一致【2 6 1 。据统计，波头长度多在1 - - s k i s 的范围内，平均为2 一& 机 雷电流的波长，平均约为5 吣，大于5 0 岫的仅占1 8 3 0 。因此在防雷设计中， 雷电流的波形采用2 6 5 0 k l s 。 由于雷电流的波头长度变化不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密切相关。 一般认为雷电流的平均陡度a 和幅值线性相关： 一 口。磊( k a 仙) ( 2 - 7 ) 即幅值较大的雷电流同时也具有较大的陡度。根据实测数据相关分析得出 陡度和幅值的回归关系式为： f ，；，( o 3 1 + 8 1 7 ) ( 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 式中，f ，为波头长度( 伊) 。 雷电流的各项参数幅值、波头、波长和陡度具有很大的分散性。虽然 基本规律大体相同，但其具体数值却有差异。其原因一方面是在于雷电本身随 机性受到自然界条件多种因素的影响；另一方面也在于测量条件的限制。因此， 雷电观察和测量工作的基础还有待于进一步加强。 2 3 输电线路绕击的过程 当雷电先导随多种随机因素向下发展并接近地面时，梯级先导的长度受先 导头部电位大小的制约。雷电先导的存在，是取决于其头部电子崩游离区提供 足够的电荷。空中雷云等效带电中心向地面分级发展是能量损耗和电场畸变过 程，同时也是先导寻找最佳释放能量途径的过程，发展方向是随机的，依据头 部附近空中电场最大值的方向而不断调整，击中某一目的物体决定于先导前方 电场的强度和分布情况，随机的雷电先导每一次分级跃变都是选择的必然结果。 雷电先导电场的大小，是接地体产生迎面先导大小的决定因素。地面物体产生 的迎面先导对随机性很强的雷电先导具有不同的拦截能力，这是雷电先导能否 向物体发展的关键。不同材质、不同形状以及处于不同地形地貌环境下的物体， 发生迎面先导的能力不同，对雷电先导的拦截能力不同，最后的定位高度不同。 如2 1 1 节中所述，先导前端游离区半径的大小，决定了先导所能触及到的 接地体范围，也决定了最后对地面物体闪击的方位和距离。先导最后对接地体 闪击的方位，决定了闪击的形式。而不同形式的闪击，对先导携带的电位和电 流幅值起到不同的作用。当雷电先导绕过保护设施( 如杆塔避雷线、避雷针) ， 击于被保护物( 如导线) 上，我们称之为“绕击”。 高空高幅值雷云先导因其电荷量和电位较高，头部电场较强，使地面的高 建筑物易于产生迎面先导。雷云先导往往未到接地体侧面绕击定位高度时，即被 高接地体的迎面先导拦截。迎面先导的产生与因而，高幅值雷电先导对接地体的 定位时间快，定位高度较高，即大多数高幅值雷电先导被较高接地体所吸引，不易 发展为绕击，这也是高幅值雷电先导易击中接地体顶部的主要原因之一发展不 仅与自身产生电荷的能力有关，也与激发电场的雷电先导头部电位密切相关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 但不是所有的高空高幅值雷电先导都不能发展绕击。在向接地体定位之前， 高空高幅值先导头部发展方向是依客观条件随机变化的，其向下分级发展的过 程既是能量损耗、幅值衰减的过程，也是受气象条件、地质地貌、接地体固有 参数等因素影响而随机寻找释放能量最佳途径的过程。这一过程若未受到高接 地体迎面先导拦截，它将继续向下，到达低空时它将可能受到低接地体或高接地 体侧面迎面先导的影响，从而向其闪击或绕击1 2 7 1 。 尤其已进入线路杆塔侧面，避雷线屏蔽失效区域内的雷电先导( 见图2 2 ) 在带有电压的导线电磁场和雷电场共同作用下，向其定位和发展。由高空到低 空长距离发展游离过程使先导幅值大大降低是一般对低空接地体绕击的雷电流 幅值较低的原因之一。 电先导 图2 - 2 雷电绕击输电线路示意图 绕击之所以发生，先导头部电位幅值是决定因素。足够击穿几十米空气间 隙的先导头部电位，再增加几片绝缘子也仅相当于增加一点空气间隙，起不到 大的作用，因为还会有更高幅值的绕击先导将其击穿。因此，增加杆塔绝缘配 置，只能极其有限地减少相应等级线路的绕击闪络发生率，不会防止绕击的发 生。绕击是否发生取决于先导头部电位的闪击能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 4 绕击耐雷水平的计算方法 2 4 1 规程法 目前，我国输电线路设计中的雷电绕击设计估算。以我国电力行业标准交 流电气装置的过电压保护和绝缘配合为依据。该标准认为：雷电绕过避雷线 直击导线的概率与避雷线对边相导线的保护角、杆塔高度以及线路经过的地形、 地貌、地质条件有关，平原和山区线路的绕击率与保护角和杆塔高度的关系如 下【冽 i 豫岖： l g p = 譬) - 3 3 3 5 亿9 ) 2 【i _ j 一 岖线路： l g p ；( 尝) 3 9 2 【：_ ，一j y 6 0 ( 2 1 0 ) 式中，乜为避雷线对边相导线的保护角( 。) ；h 为杆塔的高度( m ) ；p 为线 路绕击率。 规程法中的线路绕击率计算公式，能够在工程上应用中简便可行，而且经 过了实践的检验，对于防雷屏蔽设计要求不高的一般线路，能够满足要求。但 是，其缺点也非常明显。这是由于规程法中的线路绕击率计算公式，是根据多 年的线路运行经验结合小电流下的模拟试验结果而提出的，所以公式带有综合 的平均性质，常常不能反映具体线路的特点，无法解释雷电绕击屏蔽失效的现 象。同等条件下，山区的绕击率是平原的3 倍，或者相当于保护角增大8 。， 对于山区不同坡度的情况无法区别开来。同时对于杆塔较高的超高压线路，可 能来自侧面的雷击，规程法的结果与实际运行情况差别较大。因此，高电压等 级的线路设计中往往不能反映输电走廊现场的实际情况。 2 4 2 电气几何模型( e g m ) 经典电气几何模型法( e g m ) 是将雷电的放电特征和线路的结构尺寸联系 起来而建立的一种几何分析计算模型。其原理为：由雷云向地面发展的先导放 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 电通道头部到达被击物体的临界击穿距离一击距以前，击中点是不确定的，先 到达哪个物体的击距之内，即向该物体放电；击距仅同雷电流幅值有关；先导 对杆塔、避雷线、导线的击距相等。虽然引入了绕击率与雷电流幅值，相关的 观点，考虑了线路结构和雷电流参数对绕击率的影响，但在推导的求最大击距 r 锄的公式中，没有考虑雷击于导线的平均电场强度与雷击于地面的平均电场 强度之不同i 猫j 。 针对经典电气几何模型的不足，e r i k s s o n 提出了改进的电气几何模型1 2 引。 该模型主要考虑了结构物的高度对输电线路雷电绕击的影响，引入了吸引距离 和击距系数两个基本概念。改进电气几何模型中，避雷线的受雷范围是以避雷 线为圆心、击距为半径的圆弧；导线的受雷范围是以导线为圆心、击距为半径 的圆弧；大地的受雷范围则是平行于地面、高度为击距的直线。三者所确定的圆 弧及直线的相对几何关系决定了导线、避雷线和大地的受雷范围。雷电流增加 时，击距增加，受雷范围减小，当击距增加至最大击距时，导线被完全屏蔽， 雷电先导击中避雷线或地面。当导线被雷击中时，引起线路的屏蔽失效。 图2 3 给出了改进电气几何模型以雷电先导电位和相应的对避雷线导线及 大地的击距来判定雷击位置。以地面倾角口，- 0 的情况为例，对于某一雷电流幅 值，可算出相应的击距厂s i ，以避雷线s 和导线c 为圆心做弧噩c i 和c j d 。，两园 弧交与g 。在离地面距离为k 处做一地面平行线d 磊，与弧c 。d ；交与d f 组成 的曲线沿线路方向移动，就形成了一个空间曲面。 曲面将线路周围空间划分为两个区域，当雷电流幅值为，的先导头部处于 曲面以上的空间时，其放电发展不受线路影响。若先导落在e c ，弧面上则导线 得到有效保护；若先导落在c ；d i 弧面上则表示雷击导线，因此c ，d i 成为暴露弧； 若先导头部进入d i 巨段，则击中大地。保护弧和暴露弧所表示的曲面也分别称 作避雷线和导线的引雷面。 上述引雷面是针对某一特定雷电流幅值i 所决定的击距而言的。对于一 系列的雷电流幅值五，i - - 1 、2 刀，计算出击距b ，就可以作出一系列的定位面。 可以证明，弧b , c ，和c i d j 的交点c i 的轨迹是避雷线和导线连线s c 的垂直平分 线d c m ，弧c i d ；与直线口e 的交点d ，的轨迹是抛物线a d ，厶。这样将线路的 定位空问划分为三个区域：o c m 直线沿线路形成的斜面以上是雷击避雷线区域； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 o c m 斜面与抛物线a d i c m 形成的曲面包围区域是雷击导线区域；a d i c m 曲面以 下是雷击地面区域。 n 随着雷电流幅值的增加，暴露 c i d ；逐渐缩短，当雷电流增大到，蛳时缩 小为零，此时对应的雷电流为最大绕击雷电流，相应的击距尺。m 为最大击距。 最大绕击雷电流和最大击距的计算将在第三章中重点讨论。 图2 - 3 电气几何模型示意图 在图2 3 中，r 避雷线；r 导线；几避雷线和导线的击距；r s g 地面击距；j i l r 避雷线高度；j i l c _ 导线高度。 根据电气几何模型可以分析各种有关因素对绕击的影响，还可以计算出绕 击率和线路的绕击跳闸率。从图2 - 4 中可以看出，雷电流幅值为五时，击于保 护 b i c ；和暴露弧e d i 上的概率与两弧在水平面的投影宽度f , g 。和g j 。成比 例。因此，在对应雷电流幅值为 时，雷电能够绕击导线的概率p ( o 可表示成 如下形式： 州，) ；盟( 2 - 1 1 ) 、 f t g i + g i ji 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 卜 g ，j i 图2 - 4 电气几何模型绕击分析示意图 通常情况下，仅仅得到线路的绕击率并不能反映线路的防雷性能情况。因 为只有雷电绕击超过线路的绕击耐雷水平时，才能导致绝缘闪络。因此，可以 取临界绕击雷电流，以其所决定的临界击距k 为半径，以导线c 为圆心做 圆，这时绕击区域将分为两个部分。击距大于k 的区域( 图2 4 中阴影部分) 为绕击闪络区。小于临界击距的雷电流虽然可以击中导线，但不足以造成绝缘 闪络。 以上述条件为基础，在已知地闪密度( 每一雷电日没单位面积地面落雷次 数) 和雷电流幅值的概率密度函数们的条件下，还可以得出线路的雷电绕 击率和闪络率的次数。 绕- 击率( s h i e l d i n gf a i l u r er a t e ) 删： s f r i生t：z删dl(2-12)10 s f rl ll z ，fi l 、d l j ，_ 。、 绕击闪络率( s h i e l d i n gf a i l u r ef l a s h o v e rr a t e ) ： s f f o r 一堡1 02 卜1 z 刃 ( 2 1 3 ) 一f - z 厂f ，) d ，11 、 7 、。1 j ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 式