（电气工程专业论文）湖南省220kv及以上输电线路雷击情况调查与分析.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 雷击是引起线路故障的重要原因。近年来，随着电网的不断扩大，雷害事故也越 来越突出，尤其是山区线路，其雷击线路跳闸率往往高出我国典型杆塔线路雷击跳闸 率的3 倍以上。针对湖南地理气候复杂的情况，全面系统地调查全省线路雷击情况对 于今后的防雷保护工作显得尤为重要。 本文首先介绍了雷击输电线路的研究方法及现状，结合电气几何模型( e g m ) 2 乏- r 程运行经验简单的分析了雷击线路的几个影响因素。 其次调研了湖南省雷电活动状况，并确定调查线路。主要是针对近十年来雷击跳 闸比较典型的8 个局( 湘潭、株洲、衡阳、郴州、常德、益阳、怀化、长沙) 的4 5 基雷击杆塔( 4 8 次跳闸) ，基本能代表了湖南的输电线路的特性。 最后通过勘测地形，实地摇测接地，结合雷电定位系统进行分析，全面系统地调 研了湖南近年2 2 0k v 及以上输电线路的雷击跳闸情况，分析鉴定了雷害类型。 结果表明绕击是山区线路雷击跳闸的主因，因此采用减少保护角，安装避雷针、侧 向针等措施，防止绕击是山区线路防雷的重点。 关键词：输电线路雷击调研对策 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i g h t n i n gs t r o k e i so n eo ft h e i m p o r t a n tc a u s e so ft h ea c c i d e n t s t h a to c d l ro n t r a n s m i s s i o nl i n e s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep o w e rn e t w o r ke x p a n d i n g , t h el i g h t n i n gs t r o k e a c c i d e n t sa r eb e c o m i n gm o r ep r o m i n e n t ，e s p e c i a l l yf o rt h el i n e si nm o u n t a i na r e a s i ti s t h r e et i m e sh i g h e ro ft h el i g h t n i n gs t r o k eo u t a g er a t ei nm o u n t a i na r e a st h a nt h et y p i c a l c i r c u i tt o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e i nv i e wo ft h ec o m p l i c a t e ds i t u a t i o no ft h eg e o g r a p h ya n d c l i m a t ei nh u n a np r o v i n c e ，c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no ft h eh u n a n t r a n s m i s s i o nl i n en e t w o r kf o rt h ef u r t h e rl i g h t n i n gp r o t e c t i o na p p e a r st ob ep a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t a tf i r s t ，t h ep a p e rd e s c r i b e dt h er e s e a r c hm e t h o da n dt h es t a t u sq u oo fl i g h t n i n gs t r o k e o nt h et r a n s m i s s i o nl i n e ，s e v e r a li n f l u e n c e df a c t o r so ft h el i g h t n i n gs t r o k eo nt h e t r a n s m i s s i o nl i n ea r ea l s oi n t r o d u c e da n da n a l y z e dt h r o u g ht h ee l e c t r i cg e o m e t r ym e t h o d ( e g m ) a n dt h ee n g i n e e r i n go p e r a t i n ge x p e r i e n c e s t h e n , t h el i g h t n i n gc o n d i t i o no fh u n a np r o v i n c eh a db e e ni n v e s t i g a t e d ，a n d a s c e m t a i n e dt h et r a n s m i s s i o nl i n e st h a ts h o u l db ei n v e s t i g a t e d m a i n l ya i m e da tt h e4 5 t o w e r s ( 4 8l i g h t n i n gt r i p s ) i n8a r e a sw h e r et h el i g h t i n gt r i p sa r et y p i c a l l y ( i n c l u d i n g x i a n g t a n , z h u z h o u ，h e n g y a n g , c h e n z h o u ，c h a n g d e ，y i y a n g , h u a i h u a , c h a n g s h a ) ，w h i c h r e p r e s e n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s m i s s i o nl i n eo fh u n a n i nt h ee n d ，t h ep a p e rp r e s e n t e dac o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o n sa n d s t u d i e sa b o u tl i g h t n i n gs t r o k eo nt h e2 2 0 k va n da b o v et r a n s m i s s i o nl i n ei nh u n a np r o v i n c e i nt h er e c e n t1 0y e a r sa n dt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h et y p e so fl i g h t n i n gs t r o k e t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts h i e l d i n gf a i l u r ei st h em a i nr e a s o nf o rt h eo u t a g eo ft h e l i g h t n i n gs t r o k ei nm o u n t a i na r e a s s e v e r a lp r o t e c t i o nm e a s u r e ss u c ha st h er e d u c t i o no f s h i e l d i n ga n g l e ，t h ei n s t a l l a t i o no fal i g h t n i n gr o d ，l a t e r a ll i g h t n i n gr o da n do t h e rm e a s u r e s a r ea l s op r o p o s e d t h ep r e v e n t i n go fs h i e l d i n gf a i l u r ei st h ek e y s t o n ef o rt h ef u r t h e r p r o t e c t i o nw o r k 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 gs t r o k e i n v e s t i g a t i o nc o u n t e r m e a s u r e s i i y 1 0 1 7 2 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他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，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位做作者签名：楠峰 i 歹o 车f o 月多g 日 龋：，)躲膨时 学位论文作者签名：指导教师签名：厂历水u 弘巍纾日钏 月防兰 华中科技大学硕士学位论文 1 1 背景、问题的提出 1 绪论 电力工业是关系国民经济的基础产业，也是世界各国经济发展战略的先行产业。 电力工业的健康、持续、协调发展直接关系到国家的能源安全、社会稳定和国民经济 的持续发展架空输电线路作为电力系统中发电，输电，配电的三大重要组成部分之 一，其安全、稳定性尤为重要。由于架空输电线路地处旷野，纵横交错，绵延数百公 里至上千公里，最易遭受雷击，造成输电线路跳闸停电，给国民经济带来重大损失。 例如：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 1 1 】【2 】【3 l 。高压架空输电的地区，雷击输电线路而引起的事故率更 高。因此掌握各地区雷害现状，并针对不同地区的雷害情况采取有效的线路防雷保护 措施，是确保电网安全可靠运行的重中之重。 湖南地理气候条件复杂：地处丘陵地区，中部丘陵盆地起伏，丘陵与山地占全省 总面积的8 0 以上，且水资源丰富雷，复杂的地理气候环境造成了雷雨期甚长的气候 特征。输电线路所经地区多为山坡水田，更易于遭受雷击。1 9 9 6 年至2 0 0 4 年一季度， 湖南省输电线路雷击跳闸率居高不下，2 2 0 k v 线路共跳闸1 3 4 次；5 0 0 k v 线路共9 次。 表1 - 1 列出了湖南省1 9 9 8 2 0 0 3 年主网线路跳闸情况【4 】。近年来，随着电网的不断扩 大，雷害事故也越来越突出，尤其是山区线路，其雷击线路跳闸率往往高出我国典型 杆塔线路雷击跳闸率的3 倍以上。因此每年供电部门均投入一定的资金用于防雷措施 的改造工程，如更换杆塔接地线和降低接地电阻等。但由于技术处理不妥，杆塔接地 地电阻值达不到规定要求，使防雷效果收效不大，多年来的雷害事故和线路跳闸仍然 偏高。为了寻找原因，研究切实可行的防雷措施，有必要对湖南近年来主要输电线路 的运行情况进行统计分析及研究。为此，本文全面系统地调研了湖南省近1 0 年2 2 0 k v 华中科技大学硕士学位论文 及以上输电线路的雷击跳闸情况，并分析原因，提出对策。 表1 - 1 湖南省1 9 9 8 2 0 0 3 年主网线路跳闸情况 线路长度跳闸率雷击跳闸率， k i n 次( 1 0 0 k i n 盯次( 1 0 0 k m a 1 1 年份 2 2 0 k v5 0 0 k v2 2 0 k v5 0 0 k v 2 2 0 k v 5 0 0 k v 次跳闸率次 跳闸率 次跳闸率 次跳闸率 1 9 9 84 9 5 56 7 04 20 8 430 4 52 00 4 02o 2 9 1 9 9 95 5 3 76 7 03 4o 6 llo 1 51 5o 2 71o 1 5 2 0 0 05 9 3 06 7 04 6o 7 781 1 91 50 2 530 4 5 2 0 0 16 3 6 18 5 25 1o 8 03 o 3 52 0 o 3 11o 1 2 2 0 0 26 5 3 68 9 56 61 0 l5o 5 62 90 4 410 1 l 2 0 0 37 0 3 01 0 7 05 6o 8 030 2 81 6o 2 3lo 1 0 1 2 雷击输电线路研究现状 早在6 0 年代，各国就利用模拟实验、现场实测、理论模型分析和计算机综合等 手段对输电线路的雷击性能展开了许多研究工作，取得了许多重要的研究成果，提出 了许多确定输电线路雷击性能的方法，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。目前研究输电线路雷击性能的方法主要有规程法、统 计模拟计算法、电气几何模型法和模拟试验法。 1 2 1 规程法 规程法是我国电力行业普遍采用的一种方法，这种方法通过对雷电流波形、雷暴 日和雷暴小时、地面落雷密度和线路落雷次数、击杆率、建弧率、雷击跳闸率、耐雷 水平等参数的计算，来判断输电线路的防雷能力。目i i 国内输电线路防雷设计工作的 主要依据是根据过电压保护规程，其中防雷计算的有关规程随着设计和运行经验的积 累历经了一下几次修改： 1 1 9 5 6 年颁发的“过电压保护导则”； 2 1 9 5 9 年颁发的“过电压保护规程”； 3 1 9 7 9 年颁发的“电力设备过电压保护设计技术规程”( s d j 7 7 9 ) 5 1 和1 9 8 4 华中科技大学硕士学位论文 年颁发的“5 0 0 k v 电网过电压保护绝缘配合与电气设备接地暂行技术规定” 【6 j 4 1 9 9 7 年颁发的行业标准“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合”。 规程根据模拟实验与运行经验指出，绕击率只即绕击概率与避雷线对导线外侧导 线的保护角、杆塔高度以及沿线路的地形地貌地质条件有关，可以按近似公式计算： i g 只= 号筝一3 9 ( 对平原线路) ( 1 1 ) l g 己= 专筝一3 3 5 ( 对山区线路) ( 1 2 ) 式中，只绕击率，指一次雷击线路中出现绕击得比率； 口_ 保护角( o ) ； h 杆塔高度( m ) 。 由( 1 1 ) 式和( 1 2 ) 式可知，山区线路的绕击率约为平原线路的3 倍，或相当 于保护角增大8 倍。 线路绕击跳闸率甩可由下式计算： 甩= p 。p 2 玎 i l o o k m a ( 1 3 ) 其中，每l o o k m 线路每年( 4 0 个雷电日) 遭受雷击的次数( i l o o k m a ) ； 只雷电流幅值超过绕击耐雷水平的概率； 玎建弧率。 规程中的计算式，是运行经验的总结，具有简单明了的特点，对一般线路的设计 及防雷复算十分便捷。但是它也存在十分粗略的缺点，规程法中的线路绕击率计算公 式，是根据多年的运行经验和小电流下的模型试验结果而提出的，所以带有综合的平均 性质，常常不能反映具体线路的特点，无法解释屏蔽失效的现象。例如对于山区不同的 边坡角度无法区别开来，杆塔较高的超高压线路有可能来自侧面的雷击，为此往往要求 把保护角减至很小甚至负角。 1 2 2 统计模拟法 采用规程中的计算公式及方法，只能得出一个在一定范围内可信的值。而我国的 华中科技大学硕士学位论文 规程在制订时，由于实测的数据偏少，测量的精度还不够，因此采用规程法计算，与 实际线路的运行结果有一定的差异。在防雷计算中，很多参数的变化范围很大，且是 随机的，因此很难仅仅选取某一代表数值对防雷特性进行准确的计算预测。随着计算 机的广泛应用，现在已广泛采用统计法来计算涉及大量随机变量和服从统计规律的线 路雷击跳闸率。它易于灵活改变参数，计算速度快又能较好地与运行实际相吻合。目 前采用的统计法有蒙特卡络法和区间组合法【7 1 。 蒙特卡络法又称统计试验法，就是利用数字的方法来产生各种不同分布的随机变 量抽样序列，来模拟给定问题的概率统计模型，然后给出问题数值解的渐近统计估计 值。用这种方法来求取线路雷击跳闸率，可以看作是利用计算机完成的模拟输电线路 耐雷性能的数值实验。 一般认为，雷电流幅值，、雷电流波头时间f ，雷击瞬间导线上的工频电压值u ， 雷击于导线上的部位b ，塔窗绝缘强度乩。这几个量为随机变量，并认为这些量之间 是互相独立的。计算机一次又一次地模拟线路上遭受雷击的情况，并判断该次雷击是 否会引起闪络。也就是说，在模拟第i 次雷击时，需要在计算机上用随机抽样的算法 以每一个随机变量各自的概率分布抽样，得到第i 次雷击时的i s 、q 、玑、e 、。， 当第i 次雷击部位确定后，便可以用相应的数学模刑判断出第i 次雷击是否引起绝缘闪 络： y l = f q l ，t t ，u 。，b i ，u m ， 2 1 2 ，3 一n q q 如果引起闪络则取y l = 1 ，否则取儿= 0 ，然后重新跟踪下一次雷击状况，如此反 复循环模拟次雷击，便可以得到观测计算结果的一个容量为n 的样本y l ( f = j ，z i ， j ) 。利用这个样本便可以统计出雷击线路时引起绝缘闪络的概率估计值，从而 进一步算得雷击跳闸率的渐近值。 1 9 6 1 年a n d e r s o n 首先用蒙特卡络法解决线路防雷问题，后来进一步改进并推荐 在设计中使用。日本在这方面也进行了大量的研究，我国成都科技大学( 现西南联合 大学) 刘焕柳教授等对蒙特卡络模拟方法进行了探讨，分析了基本原理，提出了计算 步骤，在这个领域里获得了重要进展。 统计模拟计算方法中，除了蒙特卡洛法之外还有区间组合法，适用于随机变量维 4 华中科技大学硕士学位论文 数少但计算精度较高的计算。区间组合法是a s n t o 提出来的，该方法的基本思想是把 所有需考虑的服从各自概率分布的随机变量，如雷电流，波头时间f ，雷击线路的 部位口，以及雷击瞬间导线上的工频电压u 等，在一定范围内划分成若干小区间，以 该区间的中值或边值作为该变量在此小区间的代表，每个小区间的概率分别为p ， a 只、晶、蜴等。将所有小区问按照排列组合的方式组合成若干复合事件，每一复 合事件出现的概率p 等于组成此复合事件的各小区间概率的乘积，即： a p = 必蛾蜴( 1 5 ) 然后对每一复合事件逐一进行试验，最后将引起绝缘闪络的概率累加起来，就是 线路绝缘闪络的概率。可见，区间组合法每个复合事件都有接受模拟试验的“平等机 会”。 区间组合法的理论误差来自离散法求得连续分布的近似值。当区间划分得足够细 时，其计算精度是能够得到保证的。因此区间组合法特别适合于计算小概率事件，尤 其是随机变量维数不多的情况，具有精度高、效率也高的优点。而蒙特卡络法则较适 合于随机变量维数较多的情况，其估计误差与样本容量的平方根成反比，如样本容量 达到一定数值，则计算结果精度较高。 统计模拟计算方法以概率统计理论为基础，以计算机为工具，反映了雷击事件的 随机性，比通常的解析法具有更高的精度，且便于新的观测数据修正计算结果。但是 必须指出，统计模拟计算结果的止确性，仍然取决于参数的概率分布特性及雷闪分析 模型的精度。 1 2 3 模型法 1 ) 电气几何模型 采用规程法计算线路雷击性能大都属于传统的经验法，没有考虑雷击过程和雷电 流大小对屏蔽效果的影响。美国2 0 世纪5 0 年代兴建了塔高4 5 m 的3 4 5 k v 线路。按 传统的设计方法其雷击跳闸率小于0 3 1 0 0 k m a ，但运行实际出现的跳闸率在( 4 6 ) 1 0 0 k m a 的范围内。差别如此惊人，一起世界范围的讨论，从此输电线路雷电屏蔽模 型的研究开始走上前台。 华中科技大学硕士学位论文 上世纪6 0 年代初，e r w h i t e h e a d 、h r a r m s t r o n g 和g w b r o w n 等人根据 “p a t h f i n d e r ”研究计划采集的现场数据 g l ，开展了一系列输电线路雷电屏蔽理论研究， 发展了由g o l d e l 9 及y o u n g 1 0 1 等人建立的电气几何模型，提出了w h i t e h e a d b r o w n 电气几何模型【1 l 】【1 2 1 ，由于该模型是建立在现场观测数据之上的，随后被i e e e 工作组 采纳，作为一种工程计算模型广泛应用于输电线路防雷设计和雷电屏蔽性能的计算。 经典的e g m 模型是基于分析输电线路的屏蔽性能，即研究线路的绕击性能提出来的 一个分析模型。实质上，输电线路的雷击是对地线( 包括塔顶) 、相导线和大地组成 的所谓三体系统的选择结果。换言之，即雷电屏蔽问题的实质是研究雷击点的统计分 布规律，因此输电线路屏蔽问题的研究不能仅以某一塔型的横剖面的几何尺寸进行孤 立的分析及研究。“w h i t e h e a d - b r o w n 模型将雷电特性同线路的结构尺寸联系在一起， 作为一种绕击计算方法比传统方法前进了一大步。但存在一些不足：未考虑雷击大地、 避雷线和导线时的差别，而假定先导对三者的击距相等；未考虑放电的分散性及其他因 索对击距的影响，它是根据杆塔高度不高( 6 0 m 以下) 、保护角在1 0 - 3 0 ，以及接地良 好的线路运行数据和模拟试验得出的模型，因此有局限性。 s a r g e n t 、e r i k s s o n 、m o u s a l l3 】【1 卅等人在经典的e g m 方法基础上，使用一种修改过 的电气几何模型，该模型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 引距离这一基本概念。该模型认为：当下行雷电先导进入结构物的吸引半径之内，结构 物上产生的上行先导将对下行雷电先导进行拦截；吸引半径与雷电流幅值和结构物高 度直接相关；下行雷电先导可从不同的角度靠近结构物，一旦超出结构物的吸引半径 以外，雷电先导将直接击向地面。改进的电气几何模型同经典电气几何模型的区别在 于：考虑了结构物的高度对引雷效果的影响，使分析更接近实际。但该模型还不能准 确说明吸引半径同击距的区别，平均吸引半径如何确定等等。e r i k s s o n 等人在e g m 的完善和推广应用方面作了大量工作，形成了现代e g m 方法。 图1 1 示出了e g m 用于输电线路屏蔽保护计算是的几何作图分析法。雷电流强 度为五的雷电先导定位位置为曲线c k a k b k d l c ，弧段c k a i 和彳t 既分别是以避雷线和导 线为圆心，以导线击距，d 为半径的弧线，b t 仇为平行于地面、高度为地面击距r s g k 的直线。弧段彳店t 为输电线路的暴露弧段，定位于爿觑上的落雷将击中导线，图中 华中科技大学硕士学位论文 d 。是导线的暴露距离。随着雷电流的增加，暴露弧段越来越小，当增大到一定程度时， 暴露弧为零，如图所示，对应于曲线( g 一棚k d k ) 的雷电流为可发生绕击的最大雷 电流正。，对应的击距为最大击距，此时导线被完全屏蔽，不发生绕击。 图11 输电线路雷电绕击e g m 示意图 与w i l i t e h e a d b r o w n 模型同一时期，1 9 6 3 1 9 6 4 年我国华中理工大学朱木美教授 独立地提出了与w h i t e h e a d 基本相似的模型【1 5 1 。与w h i t e h e a d 模型在参数的选取，屏 蔽区域的作图和计算结果等方面均十分相似。在朱木美教授的领导之下，1 9 6 4 1 9 6 5 年王晓瑜教授等通过模拟试验研究了影响放电击中概率的主要因素，提出了考虑放电 分散性的分析屏蔽性能的一般模型16 】【埘，在此基础上进一步证明了朱氏模型及 w h i t e h e a d 模型是考虑放电分散性的一种简化等值方法。9 0 年代末期，我国的钱冠军、 王晓瑜等研究人员基于对长间隙放电和雷击放电的物理过程的比较，提出了雷击摸拟 的相似性理论和对雷击进行全强度和全方位模拟的试验技术。 2 ) 先导发展模型 1 9 9 0 年以来，e r i k s s o n ，d a l l e r a ，r j z k 等人，将近代的空气间隙放电的研究成果 用于屏蔽性能的研究，提出了几个新的计算模型，一般称之为先导发展模型l p m ( l e a d e r p r o g r e s s i o n m o d e l ) f i b 1 9 1 。l p m 认为：雷击是由于下行雷电先导和产生于结 构物上的上行先导的相遇而发生的，并引入了吸引半径和侧面距离两个参数。这两个 参数都是雷电流幅值和结构物高度的函数。如图1 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 注：1 下行负先导路径；2 上行正先导路径； p i ：上行先导起始时下行先导所在的位置； p s ：最后跃变时下行先导所在位置； r a ：棒形物吸引半径； d s ：最后跃变时的闪击击距； 电：最后跃变时下行先导距地距离； d f 最后与变时上下行先导间的距离； h i ：上行先导起始时距地面的距离 图1 - 2r i 吐的雷击仿真模型示意图 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，它们是雷电流幅值 和结构物高度的函数。所谓侧面距离是指下行自由雷电先导能够击中地面结构物的最 大水平侧向距离；屏蔽失效宽度是指雷电先导能够避开结构物的保护设备而击向结构 物的空间范围的宽度 2 0 l 。由于沿输电线路各处雷电绕击情况不一样，d e l l e r a 和 g a r b a g n a t i 将线路的每一档距等分为若干等份，并将档距所连的两个杆塔单独考虑，而 且认为每一等分段内高度相同，分别计算出每一段的雷电绕击情况，最后将所有段的屏 蔽情况综合分析，就可得该档距的雷电绕击情况。这些成果都是对经典e g m 的重要发 展。 3 ) 绕击概率模型 王晓瑜教授等在输电线路绕击模拟试验研究的基础上，考虑了雷电绕击分散性，提 出了输电线路的雷电绕击概率模型【2 1 l 2 z l 。模拟试验采用z m l 3 9 型杆塔，比例尺为 1 4 3 ：1 和2 0 ：1 。模拟试验的基本依据是：采用棒一板间隙结构模拟雷击过程的最后阶 段是恰当的，可采用长棒上电极来模拟接近最后跃变的的下行先导；当放电间隙尺寸较 小时，模拟试验会夸大棒形物和线形物的引雷能力，而当间隙尺寸大于l m 时，棒形物和 线形物的引雷能力与运行观测所推算的击距系数比较接近。从试验结果可知，定位于输 电线路旁同一位置的下行雷先导，将随机击中地线、导线和大地；绕击概率与下行先导 华中科技大学硕士学位论文 在空间的定位位置有关，可分别用绕击概率空间分布曲线来表达。每一绕击概率空间 分布曲线可以分为两段，如图1 3 所示。 图l - 3 输电线路绕击概率分布曲线 当上电极定位于曲线的上段时，放电主要对地线或导线两者之一发生，而当上电 极定位于曲线的下段时，放电主要对导线或大地两者之一发生。分别对这两段曲线进 行回归分析，可得： k 1 = o 9 3 + o 1 6 p + 0 0 0 i x ( 1 6 ) k 2 = 1 2 5 0 5 p ( 1 7 ) 式中，蜀为曲线上段的定位点到地线和导线的几何击距之比；k 2 为曲线下段的定位点 到导线和大地的几何击距之比；p 为导线的绕击概率；肋定位点远离线路的侧面距离 ( m ) 。 式( 1 6 ) 、式( 1 7 ) g g j 作为自然情况下，输电线路绕击概率空间分布曲线上段或下段 绕击概率与击距比值的关系。 该模型可以计算任意结构参数的输电线路旁定位空间的绕击概率分布情况，并成 功地说明了经典电气几何法难以解释的现场事故原因；但是，该模型是建立在实验室 模拟试验的基础上，实际应用尚待进一步研究。 1 2 4 模拟试验法 鉴于雷电现现象的复杂性，理论与工程技术上的需要，雷害的现场观测数据远不 能满足实际需求。因此，人们长期以来一直期望能够建立雷击过程的物理仿真模型， 以便能够广泛地指导防雷工作。早在1 9 2 6 年，f w p e e k 等人就提出了用模拟试验来 9 华中科技大学硕士学位论文 研究避雷针和地线的保护作用，当时使用的是交流和单极性的振荡电压。c e w a g n e r 等人提出在用模拟来研究保护区域时，最主要应模拟雷先导与迎面流注的相对发展， 并选取上电极的定位高度h 与模型避雷针的高度h 之比为5 时，水平移动上电极，记 录不同位置时的绕击次数。六十年代，我国的朱木美教授领导开展了输电线路绕击的 模拟试验研究1 1 2 1 ，当时提出雷击模拟针对雷击的最后阶段，上棒电极模拟定位前的下 行先导，其位置表示下行先导的定位点，并施以较长波头的冲击电压来模拟下行先导 趋近地面时的场强增长和预游离过程。1 9 8 1 年，日本电力工业中央研究所的 t s u z u k i 2 3 1 1 2 4 1 等人开展了雷电屏蔽模拟试验的分析研究以及模拟试验中放电路径的研 究。试验中采用了像变换仪、光电倍增器、静止照相机、电场测量等先进设备对长间 隙放电的过程、路径和电场变化进行了观测，以比较长间隙放电与雷击放电的异同。 9 0 年代末期，我国的钱冠军、王晓瑜等研究人员基于对长间隙放电和雷击放电的物理 过程的比较，提出了雷击摸拟的相似性理论和对雷击进行全强度和全方位模拟的试验 技术。 1 3 本文的主要工作 本文通过勘测地形、实地摇测接地电阻、结合雷电定位系统分析的方式全面系统 地调研了湖南省近1 0 年2 2 0 k v 及以上输电线路的雷击跳闸情况，基本代表了湖南的输 电线路特性。从影响雷击跳闸的几个因素入手，本次雷击调查的内容主要有：雷击杆塔 及相邻杆塔所处位置的地形地貌、弧垂及档距；杆塔杆型、避雷线配置、保护角；接 地电阻、接地装置型式；绝缘子的类型、片数、爬距；绝缘子的污秽程度及雷击前的清 扫情况；反击与绕击的鉴别等。最后根据不同地形提出了相应的防雷措施。 本论文各章节安排如下： 1 第一章为绪论部分，介绍了本文的研究背景和雷击输电线路研究的历史和现 状。 2 第二章结合电气几何模型和工程运行经验对雷击输电线路及影响因素进行了 分析。 3 第三章全面系统的调研了湖南省近l o 年2 2 0 k v 及以上输电线路的雷击跳闸情 1 0 华中科技大学硕士学位论文 况，提出了调研方案、详细记录的调研结果、并对调研结果统计分析，提出不同地形 情况下的防雷措施。 4 第四章对全文内容的总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 雷击输电线路及影响因素 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【2 5 1 2 6 。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 4 k v e m ，而在稳定下雨时，大约只有4 0 v 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 e 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1 0 - 1 0 0 胪的间隔。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0 0 0 5 4 ) 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 1 2 华中科技大学硕士学位论文 地的电位( 可高达1 0 m y ) ，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 呻，移动速度为光速的1 2 0 1 2 1 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。 2 2 雷击线路过电压种类 2 2 1 感应雷过电压 输电线路在运行中，常见的雷电过电压有两种 2 7 1 2 引，一种是雷击发生在输电线路 附近，通过电磁感应和静电感应在输电线路上产生过电压，通常称为感应过电压。对 于负极性雷云，在主放电开始之前，雷云中的负电荷沿先导通道向地面运动，线路处 于雷云和先导通道形成的电场中。由于静电感应，导线轴向上的电场强度b 将正电荷 吸引到最靠近先导通道的一段导线上，成为束缚电荷。导线上的负电荷则受e 的作用 向导线两端运动，经线路的泄漏电导和系统的中性点而流入大地。由于先导发展的速 度很慢，导致导线上束缚电荷的聚集过程也比较缓慢，因而导线上由此而形成的电流 很小，可以忽略不计，在不考虑工频电压的情况下，导线将通过系统的中性点或泄漏 电阻保持零电位。主放电开始后，先导通道中的负电荷被迅速中和，使导线上的束缚 电荷得到释放，沿导线向两侧运动形成过电压。这种由于先导通道中电荷所产生的静 电场突然消失而引起的感应电压称为感应过电压的静电分量。同时，主放电通道中的 雷电流在通道周围空间产生了强大的磁场，该磁场的变化也将使导线上感应出很高的 电压。这种由于主放电通道中雷电流所产生的磁场变化而引起的感应电压称为感应过 电压的电磁分量。由于主放电通道与导线互相垂直，因此电磁分量不大，约为静电分 量的l 5 ，感应过电压的大小基本上取决于静电分量u 卫，根据理论分析与实测结果， “规程”建议，当雷击点离开线路距离s 6 5 m 时，导线上的感应雷过电压最大值u 。 华中科技大学硕士学位论文 可以按下式计算 u g * 2 5 。丁i l h d ( 2 1 ) 式中：l 为雷电流幅值o l a ) ，为导线悬挂的平均高度，s 为雷击点距线路的距离。 2 2 2 直击雷过电压 另一种是直击雷：雷直击于输电线路的避雷线、杆塔、导线而产生过电压， 直 击雷通常有三种，见图2 1 。 图2 - 1 直击雷的三种情况 l 、反击雷：雷击线路杆塔后，雷电流通过杆塔的接地回路入地，抬高杆塔的地 电位及塔顶电位，在导线与杆塔之间形成一个较大的反差电位，如果超过输电线路绝 缘子的冲放电压，就会导致绝缘子闪络，同时在线路工频电压的作用下，形成稳态的 工频电弧，导致线路接地。 2 、雷击避雷线档距中央：雷击避雷线档距中央是在雷击点同样形成较高的过电 压，并迅速向避雷线雷击点两端传播衰减，雷击点离杆塔较远，强烈的电晕衰减作用 到过电压传播至杆塔时通常已不足以让绝缘子闪络，所以通常只考虑雷击档距中央瞬 间避雷线雷击点对导线的反击，如果反击过电压超过避雷线和导线的空气间隙的冲放 1 4 华中科技大学硕士学位论文 强度时，就会造成线路瞬时接地。 3 、绕击雷：雷电的放电先导其实是一个充满游离离子的团区，离子团的大小随 着雷电流的大小而不同，雷电流越大，离子团也就越大，离子团随雷电发展之地面时， 与之先接触的物体先遭雷电，这样，小的离子团就有可能避开避雷线而直接雷击导线， 形成绕击。绕击雷电流在线路上叠加，同时迅速向线路雷击点两端传播衰减，如果叠 加的雷击过电压超过绝缘子的5 0 冲击放电强度，那就会造成绝缘子闪络，线路接地。 根据国内外长期以来的运行经验表明，雷击避雷线档距中央而造成避雷线与导线 之间空气间隙闪络是极其罕见的，造成输电线路雷击跳闸的主要原因还是反击和绕 击。 2 3 绕击与反击判别原则 在现场查明雷害事故时，尤其是要区分雷击事故是由绕击还是反击引起的，往往 碰到很大的困难。这一问题如果搞不清楚，原因不明，就不好对症下药。有时线路遭 雷击跳闸主要是由绕击引起的，但却错误地大力降低接地电阻，浪费了人力和钢材， 效果却并不显著，因此，一条线路跳闸率高到底是什么原因，要根据具体情况及运行 经验作仔细分析，这样才能采取合理有效的措施，保证系统安全可靠地供电。 根据多年运行经验提出的区分绕击与反击的原则，如表2 1 所示： 表2 1 绕击与反击区分原则 序号比较项目反击绕击 l 雷电流测量 i f ，结合电流路径大 i i ，结合电流路径小 2 接地电阻大小 3闪络基数与相数一基多相或多基多相单基单相或相邻二基同相 4塔身高度较低较高 5 地形特点一般，不易绕击山坡及山顶易绕击处 6 闪络相别耐雷水平较低相( 如下相)易绕击的相( 如上相) 表2 1 中所述原则对般情况适用，但碰上特殊情形则有局限性，而最好的办法 是在线路上安装“寻迹器”，即安装能测量雷电流方向( 即区分从地端流向导线；或 华中科技大学硕士学位论文 从导线侧流向地) 的测量表计，这样即可准确判断是反击还是绕击故障，如果测量装 置更完善一些，还可以同时获取雷电流幅值及雷电流波头时间的一些重要参数。 2 4 雷击线路跳闸的影响因素 线路运行经验、现场实测和模拟实验均证明，雷电绕过避雷线直击导线的概率与 避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及线路经过地区的地形、地貌、地质条件有关。 一般说来，保护角越大，杆塔越高，雷电绕过避雷线直击导线的概率越大：地形条件 对输电线路的雷电屏蔽性能也有明显的影响，山区线路的绕击率一般比平原地区的绕 击率高。下面结合电气几何模型分析了保护角、杆塔及导线高度、地形及地面倾角等 因素对雷击跳闸率的影响。 2 4 1 保护角 在雷电下行先导下落的过程中，地面物体的表面场强不断增强，当地面某物体表 面达到上行先导起始场强时，地面物体开始产生迎面上行先导。对于输电线路，导线 处在避雷线下方，受避雷线一定的屏蔽作用，相比而言，避雷线比导线更容易产生迎 面上行先导，更容易满足下行先导最后跃变的条件而成为雷击目的物，当下行先导离 线路侧面距离足够远时，雷电将全部击中地面。只有在离开避雷线侧面一定距离范围 内可能发生雷电绕击导线。 地线与边导线的保护角，实质是表示了地线的屏蔽作用，在电气几何模型方法中， 这一效应可以用导线与地线垂直平分线的位置来表示。保护角d 变大，垂直平分线斜 率增加，绕击区加大，从而使绕击数增加，一般而言，根据计算，当口 2 0 。之后， 绕击就会明显增加。如图2 - 2 所示，保护角增大，暴露距离增大，根据规程建议的公 式计算得到线路在同等高度下保护角的增大，绕击概率明显增大，如图2 3 所示。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 2 保护角对线路暴露距离的影响图2 - 3 保护角对线路绕击率的影响 实际运行经验也证明了架空地线对边导线的保护角越大，雷击故障率越高。表2 2 指出即使是耐雷水平相当高的特高压输电线路也因保护角过大而导致雷击跳闸率高， 例如1 1 5 0 k v 线路雷击故障占总跳闸次数的8 4 2 1 3 1 。 表2 - 21 9 9 2 年俄罗斯输电线路运行状况统计 电压等级5 0 0 k v7 5 0 k v1 1 5 0 k v 档距m3 5 0 4 0 0 4 5 03 7 0 导线平均高度m1 5 82 1 72 3 9 地线平均高度，m 2 6 8 3 7 24 1 保护角，( 。) 2 0 2 21 8 2 2 2 4 2 8 雷击跳闸次数次 6 791 6 占总跳闸次数比例p o1 7 4 92 3 0 78 4 2 l 2 4 2 杆塔及线路高度 当塔高增加时，绕击数也会增加。而且塔高较大时，会趋于饱和，杆塔高度增加， 地面屏蔽效应减弱，这相当于抛物线的相对位置有所变化，绕击区变大，使更多的雷 不击中地面而击中导线。而当杆塔相当高时，地面屏蔽作用已变得很弱，几乎所有落 入垂直平分线以下区域的雷都能击中相导线，所以绕击数将趋于饱和，不再随塔高而 增加。因此，从减少绕击的观点，应尽量减少保护角和降低杆塔高度。 电气几何模型就是将雷击放电与线路结构尺寸联系起来，根据其基本概念，当导 华中科技大学硕士学位论文 线高度变化时，输电线路导线、避雷线和大地三者之间的几何位置关系也变化，因此 也影响到最终计算所得的绕击跳闸率的大小。 7 7 7 7 7 。7 一p 一 图2 - 4 线路高度对暴露距离的影响 图2 - 4 所示为当避雷线高度不变情况下，导线高度