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基于电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 摘要 目前，评价线路绕击特性的方法主要有：规程法、先导发展模型和 传统电气几何模型。传统电气几何模型作为一种绕击计算方法，将雷电 放电特性同线路的结构尺寸联系起来，用击距来描述物体的引雷能力。 本文从雷电先导对导线和避雷线感应电荷产生的电场力差异出发， 建立基于电场力改变先导选择性的向量电气几何模型。并利用绕击弧的 投影距离计算绕击率，与传统电气几何模型计算方法进行了对比。结果 表明：本文提出的向量电气几何模型揭示了输电线路遭受雷击的深层次 机理，能很好地解释实际运行线路绕击率过大及存在的大电流绕击事故 的原因，为输电线路雷击跳闸率与耐雷水平的计算及雷击事故的预防与 分析提供理论依据。 然后以向量电气几何模型为绕击判据，将电磁暂态程序a t p - - e m t p 与蒙特卡洛法相结合，建立计算绕击跳闸率的新模型。并利用该模型计 算了某5 0 0 k v 输电线路的绕击跳闸率，与规程法计算的结果进行了对比。 结果表明：本文提出的模型较规程法更能反映输电线路绕击跳闸的实际 情况。 本文还分析了地面倾角j 保护角、杆塔高度及击距系数等因素对绕 击跳闸率的影响，提出了减小绕击跳闸率的相应措施，并对击距系数进行 了进一步讨论。 关键词：输电线路绕击电气几何模型绕击跳闸率耐雷性能 s t u d yo nc a l c u l a t i o no fs h i e l d l n gf a i l u r e f l a s h o v e rr a t ef o rt r a n s m i s s i o nl i n eb a s e d o ne l e c t r i cg e o m e t r ym o d e l a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h em a i nm e t h o d st oe v a l u a t et h ec h a r a c t e r i s t i co fs h i e l d i n g f a i l u r ef o rt r a n s m i s s i o nl i n ea r et h es t a n d a r dm e t h o d l p ma n de g m t h e e g mr e l a t e st h el i g h t n i n gd i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i cw i t hs t r u c t u r a ld i m e n s i o n o ft r a n s m i s s i o nl i n et o g e t h e r ， f r o ml i g h t n i n ga n dl i g h t n i n gc o n d u c t o r so nt h ep i l o tl i n es e n s o r sc h a r g e o f o fd i f f e r e n c et h ee l e c t r i cf i e l d ，t h et e x te s t a b l i s h st h ev e c t o re g mb a s e do n t h ee l e c t r i cf i e l da r o u n dc h a n g et h el i g h t n i n gl e a d e rs e l e c t i v e a n dc a l c u l a t e s s h i e l d i n g f a i l u r er a t e u s i n g a r o u n dt h e a r c p r o j e c t i o nd i s t a n c e b a s e d ， c o m p a r i n gw i t hc l a s s i ce g mc a l c u l a t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e st h a t ：i n t h i sp a p e r , t h ev e c t o re g mr e v e a l st h ee l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n e sf r o m l i g h t n i n gs t r i k e st h ed e e p l e v e lm e c h a n i s mt oe x p l a i nt h ea c t u a ll i n e sr u n n i n g a r o u n dt h es h i e l d i n gf a i l u r er a t et o ol a r g ea n dt h el a r g ec u r r e n ta r o u n d - t h e c a u s eo ft h ea c c i d e n t ，f o rt h er a t eo ft r a n s m i s s i o nl i n e sl i g h t n i n gt r i p o u ta n d t h ec a l c u l a t i o no ft h el e v e lo ft o l e r a n c el i g h t n i n ga n dl i g h t n i n ga c c i d e n t p r e v e n t i o na n da n a l y s i sp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s t h e nt ot h ev e c t o re g ma sac r i t e r i o nb l o wa r o u n d ，e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n tp r o c e d u r e sa t p e m t pa n dm o n t ec a r l om e t h o d t h et e x te s t a b l i s h s an e wm o d e lo fc a l c u l a t i n gs h i e l d i n gf a i l u r et r i p - o u tr a t e a n du s i n gt h e m o d e lc a l c l u l a t e ss h i e l d i n gf a i l u r et r i p o u tr a t eo fo n e5 0 0 k vt r a n s m i s s i o n l i n e s t h ep o i n to fo r d e rm e t h o dc o m p a r i s o no ft h er e s u l t s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em o d e lp r e s e n t ei nt h i sp a p e rt h a nt h eo r d e ro ft r a n s m i s s i o nl i n e s a r o u n db e t t e rr e f l e c tt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft r i p o u t t h ei n f l u e n c eo fm a n ya s p e c t st o s h i e l d i n g f a i l u r et r i p o u tr a t ei s d i s c u s s e d s o m em e a s u r e sa r es u g g e s t e dt or e d u c es h i e l d i n gf a i l u r eo f t r a n s m i s s i o nl i n e t h et e x tm a k e sf u r t h e rs t u d yf o rs t r i k i n gd i s t a n c e k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；s h i e l d i n gf a i l u r e ；e g m ；s h i e l d i n gf a i l u r e t r i p o u tr a t e ；l i g h t n i n gp r o t e c t i o np e r f o r m a n c e i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过 重要帮助的个人和集体，均己在论文中明确说明并致谢。 ：第 。渺罗年6 月矫 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 讲1 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文储躲挈卅导师繇 砂野腑6 月咖 广西大掌硕士掌位论文基于电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义 电力工业是国民经济的重要部门之一，它既为现代工业、现代农业、现代科学技 术和现代国防提供必不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。 架空线路地处旷野，纵横交错，绵延千里，易遭受雷击。从各国的实际运行【1 j 【2 】【3 】【4 】 看，雷击仍然是线路安全可靠运行的主要危害，电力系统事故中雷害事故占5 0 以上。 瑞典1 9 8 6 年由于雷击引起的事故占所有事故的5 l ；日本5 0 以上的事故是由雷击 线路引起；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 年运行资料指出，雷害占总事故的6 0 。线路的电 压等级越高，除了输送容量的增大外，其杆塔高度增加，线路走廊的尺寸亦加大，引 雷半径自然也增大，这样遭受雷害的几率也随之增加，所以在防雷保护的措施上要求 更严格。 俄罗斯自1 9 8 5 1 9 9 4 年所积累的跳闸故障的资料表明【5 l 【6 l ：线路跳闸主要原因不 是反击，而是绕击造成。美国爱迪生电气研究所对美国1 4 0 0 0 0 k m 年的绕击事故的统 计表明，1 1 1 次闪络数据中5 1 次为绕击，5 2 次为反击，即杆塔高、保护角大时绕击 占主要地位；杆塔低、绝缘水平低、冲击接地电阻高时才发生反击闪络。为解决绕击， 日本主张采用负角保护，如伊势干线对上层导线的保护角为- 6 。，中层及下层分别为 1 5 。和0 。美国阿姆斯特朗和怀特黑德提出保护角也随着避雷线平均高度增加而 减小，当避雷线高度达3 5 m 时用0 。保护角。从各国数十年的雷击跳闸资料表明【2 】【7 】【8 】： 2 2 0 k v 及以上线路跳闸主要不是反击而是绕击所致。在我国，2 2 0 k v 及以上线路的绕 击跳闸也日趋严重，华东2 2 0 k v 及以上线路在满足有效屏蔽条件下，在平原地段也 会发生绕击。在我国正在建设的特高压线路中，也将绕击防护作为线路防雷的主要工 作。因此，准确计算和评价线路的绕击耐雷水平和绕击跳闸率对保证系统安全稳定运 行尤为重要。 1 2 输电线路绕击耐雷性能计算的国内外研究现状 本世纪六十年代以前，线路绕击研究主要集中在实验室内小型模拟试验和现场运 行经验的积累与总结1 9 1 1 1 0 】【l l 】，其中最主要的是前苏联学者v v b o r g s d o r v 和 m v k o s t e n l 【o 的工作，m v k o s t e n k o 等人在1 9 6 1 年提出雷电绕击率经验公式，即 l g p ，= 口压9 0 4( 1 1 ) 3 - 西大学硕士掌位论文基于电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 式中：口一避雷线对边导线的保护角( 。) ；j ，一杆塔高度( m ) ：p ，一线路雷 电绕击率。 六十年代初，美国e r w h i t e h e a d 、h r a r m s t r o n g 、g r 。b r o w n 等人相继开展绕 击的理论研究，并取得重要成果。他们根据计算和试验，完善和发展了分析绕击性能 的电气几何模型( e g m ) ，被称为w h i t e h e a d 理论( 本文简称为w se g m ) 。该 模型以确切的现场数据为基础，所以在雷电绕击设计中得到了广泛应用。1 9 6 3 - - 1 9 6 4 年我国朱慕美教授在模拟试验的基础上独立提出了与w h i t e h e a d 基本相似的模型。随 后，s a r g e n t 、e d k s s o n 、m o s s a 等人在e g m 的完善和推广应用方面作了大量工作。 现代e g m ，进一步考虑了击距的间隙系数、杆塔、弧垂和地形等各种因素的影响， 并编制了相应的计算程序。 近年来，e r i k s s o n 、d e l l e r a 、r i z k 等人将长空气间隙放电研究成果应用于绕击性 能的研究，提出了先导发展模型( l p m ) ，l p m 认为：在下行先导的作用下，接地 结构物的上行先导的发生、发展及相遇过程，在决定绕击性能时起决定性作用，并引 入吸引距离作为基本参数。针对日本海岸冬季雷电活动的特点，s h i n d o 提出在雷云作 用下从高建筑物发生的上行雷闪的屏蔽分析模型。这些成果是传统电气几何模型的重 要发展。下面重点介绍几个较有影响的雷电绕击计算模型，并对它们的优缺点进行分 析。 ( 1 ) 规程法 目前，我国雷电绕击系统设计及其性能估算，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 1 2 j 为依据。标准认为：绕击率与保护角、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： 平原线路： 山区线路： l g p ，= 口压8 6 3 9( 1 2 ) l g p ，= a x - h 8 6 3 3 5 ( 1 - 3 ) 式中：口保护角( 。) ；i l 一杆塔高度( m ) ；p r 一绕击率。 规程法中的绕击率计算公式，工程上应用简单方便，且它经过了实践检验，能够 满足一般线路的防雷设计。但其缺点也很明显：该公式，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，不能反映具体线路的特 点，无法解释屏蔽失效的现象。 ( 2 ) w h i t e h e a d 等人的经典电气几何模型( w se g m ) 2 广西大掌硕士掌位论文基于电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 电气几何模型是指将雷电的放电特性与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1 3 i 。该模型的核心是“w h i t e h e a d b r o w n ”的绕击模型，如图卜l 所示。 口 4 图1 i雷击输电线路的电气几何模型 f i g 1 l t h ee g mw h e nl i g h t n i n gs t r o k i n gt r a n s m i s s i o nl i n e 其基本原理为：先导放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，而与其它因素无关；先导对杆塔、避雷线、导线的击距相等。 w se g m 模型将雷电的放电特性同线路的结构尺寸联系起来，比传统的方法 前进了一大步，在世界上许多国家得到应用，显示强大的生命力。但是，该模型存在 一些不足：它未考虑放电的分散性；没有考虑其它因素对击距的影响；未考虑雷击大 地、避雷线、导线时的差别，而假定先导对三者的击距相等；它是根据杆塔高度不高 ( 6 0 米以下) 、保护角在1 0 - - 3 0 度以及接地良好的线路的运行数据和模拟试验得出 的模型，因此有限定的适用范围。 ( 3 ) e r i k s s o n 的改进电气几何模型 e r i k s s o n 针对经典电气几何模型的不足，提出改进的电气几何模型【1 3 】。e r i k s s o n 模型考虑了结构物高度对绕击的影响，并引入了吸引距离这一概念。 e r i k s s o n 模型认为：当下行雷电先导进入结构物的吸引半径之内，上行先导将对 下行雷电先导进行拦截而发生雷击：吸引半径同雷电流幅值和结构物高度相关；下行 先导可从不同的角度靠近结构物，但是一旦超出结构物的吸引半径，先导将直接击向 地面。改进模型中的两种屏蔽情况如图1 2 所示。 。 广西大学硕士掌位论文 基于电气几何楔型的输电线路绕击对雷佳能研究 b b b ( a ) 屏蔽失效【b ) 完全屏蔽 图1 2 输电线路雷电绕击分析 f i g 1 - 2a n a l y z i n gt h et r a n s m i s s i o nl i n ew h e nl i g h t n i n gs h i e l d i n gf a i l u r e 其中：b 一避雷线：d 一导线；工一避雷线和导线的水平间距；足。一避雷线的吸 引半径；r d 一导线的吸引半径。 吸引半径可表示为： r = 0 6 7 h o 6 ，o ( 1 4 ) 式中：| i l 一结构物高度( m ) ；i 一雷电流幅值( k a ) 。 线路雷电绕击失效并且发生闪络的次数为： = m 了o a + 匆( ，) 讲 ( 1 - 5 ) = m j 巍( ，) 讲 ( 1 - 5 ) 式中：i ，一线路雷电绕击失效且闪络次数( 次年) ：，一线路的年雷击次数( 次 年) ；i m i 一能引起导线绕击闪络的最小雷电流( k a ) ；厂( ，) 一雷电流幅值概率密度 ( 1 k a ) ；k 一能引起导线绕击闪络的最大雷电流( k a ) ；o a 、o b 一屏蔽弧和绕击 闪络弧( 如图1 2 ( a ) 所示) 。 当屏蔽角口小于某一临界值口。时，导线受到避雷线的有效保护，雷电绕击导线 不再发生闪络，此时的屏蔽角称为临界屏蔽角。求临界屏蔽角过程如下：令雷电流 i = ，。( 能使导线绕击闪络的最小雷电流) ，图1 2 ( b ) 绕击闪络弧o a 收缩到零( 亦 即绕击闪络区消失) ，故可得： x ：g b ( 九一忆) z 5 r d ( 1 - 6 ) x 在满足式( 1 6 ) 条件下，可得到临界屏蔽角： 4 虬 一 k 一 基于电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 铲t a l l - t 嚆) ( 1 - 7 ) 式中：心、玛一雷电流为，岫时避雷线、导线的吸引半径( m ) ；h 。、h d 一分 别为避雷线与导线的高度( m ) 。 e r i k s s o n 的改进电气几何模型同经典电气几何模型的区别之处在于：考虑了结构 物高度对其引雷效果的影响，使分析更接近实际。但该方法也存在一些不完善之处， 如：如何准确说明吸引距离同击距这两个概念的区别：其计算结果同线路的实际运行 结果是否吻合；吸引距离同结构物高度的关系是否相等，都有待于进一步检验。 ( 4 ) 砒z k 关于输电线路雷电绕击的先导发展模型 m 吐在实验的基础上，提出雷电绕击的先导发展模型【1 4 】，模型认为：雷击是由 下行先导和上行先导相遇发生，引入吸引半径和侧面吸引距离两个参数，两个参数都 是雷电流幅值和结构物高度的函数。下行先导和上行先导相遇过程可由图1 3 表示： ( b ) 垂直结构 ( b ) 垂直结构 图l - 3 上下行先导临界相遇图解 f i g l 3 t h ei l l u s t r a t i o nw h e nf r o n tg u i d eo fu pa n dd o w ne n c o u n t e r i n ge a c ho t h e r 图中：1 一负下行先导路径；2 - 正上行先导轨迹：只一刚产生上行先导时下行先 导的位置；r 。一结构物的吸引半径：d o 一水平导体的侧面吸引距离；d ，击距c _ e 下行先导相遇时下行先导同结构距离) ；d ，一上下行先导相遇时下行先导同地面的 距离；d ，一上下行先导相遇前最后发生跃变的临界距离；d ；一刚产生上行先导时下 行先导同结构物的距离：日打- - h i j 产生上行先导时下行先导同地面的距离；只一相遇 时负先导的位置。 r i z k 认为绕击失效绝大多数都发生在档距上而不是在杆塔处。因此，输电线路 的绕击失效分析可以近似用水平导体结构进行分析，如图1 4 所示。 5 广西大掌硕士学位论文 基于电气几何模型的输电线路绕击对i 性能研究 图1 4 输电线路屏蔽失效率计算图解 f i g 1 - 4 t h ec a l c u l a t i v ei l l u s t r a t i o nw h e nt h et r a n s m i s s i o nl i n es h i e l d i n gf a i l u r e 图中：d 一导线；b - - - t ! i l 线i 万一屏蔽角( o ) ；屏蔽失效宽度( m ) 线路屏蔽失效并且闪络的次数可表示为： = 2 虬x l o 。3 r 【d 口( ，) + z - d 。( ，h b ) f ( 1 ) a i ( 1 8 ) 式中：，一线路屏蔽失效且闪络次数( 次公里年) ；d 侧面吸引距离( m ) ；a 以一地面落雷密度( 次平方公里年) ；厂( ，) 一雷电流幅值概率密度( 1 k a ) ；k 一能引起导线绕击闪络的最小雷电流( 1 a ) ；l 。一能引起导线绕击闪络的最大雷电 流( 1 溶) ；工一导线、避雷线的水平间距( m ) 。 当屏蔽角占小于某一临界值疋时，导线受到避雷线的保护，绕击导线不再发生闪 络，此时的屏蔽角称为临界屏蔽角。求临界屏蔽角的过程如下：如图1 - 4 所示，令雷 电流i = k ( k 为能引起导线绕击闪络的最小雷电流) ，此时屏蔽失效宽度= 0 ( 亦即绕击闪络区消失) ，于是，可得： d 。( ，岫，h 6 ) = d 。( ，岫，h d ) + 工( 1 9 ) 工在满足式( 1 9 ) 的条件下，可得临界屏蔽角： 瓯一一嚆) ( 1 1 0 ) 砒z k 的先导发展模型细致地考虑了上下行先导的相遇过程，并对其进行初步定 量描述。但该模型必须得到线路运行结果的广泛支持后才能得到确证，且没有考虑当 雷电下行先导已经下降到低于线路高度时发生的雷击现象。因此，它不适用于高杆塔 线路的绕击性能估算。 ( 5 ) d e l l e r a 和g a r b a g n a t i 关于雷电绕击的先导发展模型 d e l l e r a 和g a r b a g n a t i 基于自然雷电过程和长空气间隙放电过程的相似性，利用 6 广西大掣蝎页士掣啦论文基于电气几何模型的输电线路匀聃扫对雷性能研究 长间隙放电来模拟雷电，提出了绕击的先导发展模型【1 5 1 ，引入了侧面距离( 简称l d ) 和屏蔽失效宽度( 简称s f w ) 两个基本参数，它们是雷电流幅值和结构物高度的函 数。侧面距离是指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 是指先导避开结构物的保护设备而击向结构物的空间范围宽度。 d e l l e r a 和g a r b a 鲈a t i 的绕击分析模型，引入了侧面距离和屏蔽失效宽度这两个 基本参数，并且分段对线路和杆塔处的绕击情况分别计算，使该模型具有较大的适应 性。但该模型建立在模拟试验和计算机辅助分析的基础上，其计算较为繁杂，限制了 其在工程上的广泛应用。 ( 6 ) 输电线路绕击概率模型 王晓瑜教授等在绕击模拟试验研究的基础上，考虑了绕击的分散性，提出雷电绕 击概率模型【1 6 】f 1 7 】【1 8 】。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 。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，采用长棒上电极模 拟接近最后跃变的的下行先导。当放电间隙尺寸较小时，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 米时，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。所得结果如图1 5 所示( 图中百分数为导线的绕击概率) ： 避j旨线 直线i 、 、 、 尊 、 、 导线 、1 、 ， ， ， ， ， 7 u，o，口一u 口 v 口 u ，u 01 02 03 04 0 x c m 图1 - 51 7 6 0 k v 试验平原地段z m l 型杆塔线路绕击概率空间分别曲线 f i g l - 51 1 圮d 砌b u f i v ec u r v eo fs m e l d m gf 砸l u r e 衙t r a n s i i l i s s i o nl i n e 从结果曲线可知：定位于线路旁同一位置的下行雷先导，将随机击中避雷线、导 线和大地；绕击概率与先导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。每一曲线可以分为两段，当上电极定位于曲线的上段时，放电主要对避雷线 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。分别对两段曲线进行回归分析，可得： 7 基于电气几何模型的输电线路绕击置r 雷饪j 眨研究 墨= o 9 2 + o 1 6 p , + 0 0 0 1 y k 2 = 1 2 5 0 5 , ( 1 - 1 1 ) ( 1 - 1 2 ) 式中：k 。一曲线上段定位点到避雷线和导线几何击距之比；k ，一曲线下段定位 点到导线和大地几何击距之比；只一导线的绕击概率；】，一定位点远离线路的侧面距 离( m ) 。 上述绕击概率模型，可以计算任意结构参数的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 在模拟试验的基础上，同线路现场运行情况差别较大，实际应用尚待进一步研究。 1 3 尚待研究和解决的问题 规程法、先导发展模型、电气几何模型和绕击概率模型中，依据规程法进行绕击 率的计算，工程上应用起来简单方便，且经过了实践的检验，能够满足一般线路的防 雷屏蔽设计。其缺点也很明显，规程法中的计算公式是根据多年的运行经验和小电流 下的模型试验提出，所以带有综合的平均性质，不能反映具体线路的特点，无法解释 屏蔽失效的现象。 础z l 【的先导发展模型考虑了上下行先导发展相遇的过程，并对该过程进行了初 步地定量描述。但它没有考虑当雷电下行先导已经下降到低于线路高度时发生的雷击 线路现象。因此，它是否适用于高杆塔线路的绕击性能估算必须得到线路运行结果的 广泛支持后才能得到确证。 绕击概率模型是建立在模拟试验的基础之上，该模型可以计算任意结构参数的线 路旁定位空间的绕击概率分布。但是实际应用尚待进一步研究。 电气几何模型作为一种绕击计算方法，将雷电放电特性同线路的结构尺寸联系起 来，比传统的经验方法前进了一大步，但是现有的电气几何模型中也存在一些不足之 处：它未考虑放电的分散性，没有考虑其它因素对击距的影响。尽管e r i k s s o n 提出击 距不仅与雷电流幅值有关，还与建筑物高度有关，但是具体函数关系还未验证是否吻 合，还有待验证。传统电气几何模型中，假设先导对地面、避雷线、导线的击距相等。 击距的大小反映了雷击到物体的击穿强度的大小。由于杆塔矗立于地面，认为雷击到 导线的击穿强度与雷击到地面的击穿强度一样，显然不合理。很多学者引入击距系数 来描述雷击到导线、避雷线和地面的击穿强度的差别。但对于击距系数的表达仍然没 有一个统一的认识。 经验表明雷击跳闸主要发生在山区线路上，同技术条件下跳闸率可达平原的 1 0 倍以上，远大于规程计算。按规程计算雷击跳闸中，反击跳闸率比绕击率大得多， 基于电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 约占总数的8 0 9 0 ，但国内外的观测和分析表明雷击跳闸率主要是绕击引起的。 大量输电线路防雷可靠性的计算结果也表明：对于3 3 0 7 5 0 k v 的线路，实际上只 有绕击才是危险的；对于2 2 0 k 7 的线路，绕击与雷击杆塔时均是危险的。这是因为 传统的线路绕击率计算未考虑雷电流的过程、雷电流大小和地面倾角对屏蔽效果的影 响，而是按经验和小电流试验模型而提出综合平均法，常不能反映线路的具体特性。 无法解释屏蔽失效的问题和绕击率过大的原因。 1 4 本文的主要工作 本文以传统电气几何模型为基础，从电场力改变先导发展方向入手，建立基于电 场力改变雷电先导选择性的向量电气几何模型。研究工作采用了理论分析、模型建立 和仿真计算相结合的方法进行。最后分析了地面倾角、保护角、温度、导线高度及击 距系数等因素对绕击跳闸率的影响，本论文各章节内容安排如下： ( 1 ) 第一章介绍了本文的研究背景和目前绕击耐雷性能评价的主要理论和方法， 提出尚待研究和解决的问题和本文的主要工作。 ( 2 ) 第二章从电场力与先导发展方向入手，建立向量电气几何模型，并提出用 绕击弧投影距离计算绕击率的方法。 ( 3 ) 第三章以向量电气几何模型作为绕击判据，将电磁暂态程序a t p - - e m t p 与蒙特卡洛法相结合，建立计算绕击跳闸率的新模型。并利用建立的模型计算两条输 电线路的绕击跳闸率，与规程法的计算结果进行了对比。 ( 4 ) 第四章分析了地面倾角、避雷线保护角、导线高度、击距系数、温度等因 素对绕击跳闸率的影响，并提出了减小输电线路绕击跳闸率的措施。 ( 5 ) 第五章就击距系数对绕击跳闸率的影响做了进一步的理论研究。 ( 6 ) 第六章对全文进行总结与展望。 9 蓉于电气几何模型的输电线路绕- 8 ，- i d 雷性能研究 第2 章基于电场力改变先导选择性的向量电气几何模型 2 1 概述 到目前为止，输电线路和建筑物的直击雷屏蔽保护仍主要以e g m 为基础。e g m 最早由g o l d e 将雷电强度与闪击距离联系起来而提出，随后w a g n e r 和 l u n d h o l m r u s c h 提出了回击电流与回击速度的关系以及离地不同高度的雷先导头部 电位，并成为发展的基本手段。由于客观上对雷电现象的认识不足，e g m 的发展最 终依赖于现场观测，现场观测数据成为修正的重要手段。工作组指出e g m 是雷屏蔽 理论的一种工程模型。这种工程属性，使得在输电线路从高压往超高压乃至特高压发 展的过程中，原有的e g m 变得过时，不能指导新线路的防雷屏蔽设计，又需重新积 累经验。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 广泛地指导防雷屏蔽设计和评估雷电屏蔽性能。 由于雷纳第高压试验室对长间隙放电的研究和k b e r g e r 等对雷电的观测研究， 使人们对长间隙放电和雷击放电物理较以前有了更丰富的认识，并建立了在临界操作 冲击电压下，长间隙击穿的先导传播模型。基于这些认识，近年来雷击物理过程的仿 真工作逐步开展起来。d e l l e r a 和e r i k s s o n 基于临界电晕半径概念发展了上行先导起 始判据，并建立了雷击的先导传播模型( l p m ) 【1 9 】【2 0 1 1 2 1 1 ，r i z k 对d e l l e r a 和e r i k s s o n 的上行先导起始判据进行了修正，提出了适合于复杂间隙结构的先导起始判据，并建 立了新的l p m t h j 。上述模型对雷击物理过程的认识较更加深人。 ( 1 ) 未考虑放电最后阶段的分散性。上述l p m 中，均认为定位的下行先导将 1 0 0 地击中某目的物。放电现象的基本特性之一便是分散性，从某一位置下落的雷 先导不会总是击中某一物体，而是可能击中多个物体，并呈现一定概率。输电线路系 统中，下行先导将对地线、导线和大地三个目的物进行选择，并在先导的定位空间呈 现概率分布。 ( 2 ) 未考虑多条上行先导的竞争。下行先导作用下，输电线路系统中不仅地线 会产生上行先导，导线也可能产生上行先导。同时考虑多条先导与单独分别考虑是不 同的，先行产生的上行先导将会对后者的先导起始有屏蔽作用，而且多条先导在发 展过程中也会相互影响。 ( 3 ) 传统电气几何模型中，进入击距范围内的雷电先导将直击于导体，其方向 不再改变，故定义为标量。然而，雷电先导下行至一定高度时，将在避雷线和导线上 感应出异性电荷。在击距范围附近，雷电先导在导线、避雷线感应电荷产生的电场力 合力作用下，沿合力方向发展，从而改变雷电先导的下行发展方向，使先导具有方向 选择性而成为向量。更多没有进入避雷线、地面击距的先导在合力作用下向绕击区域 1 0 基- y 电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 运动，导致投射在绕击弧上的先导概率密度增加，使绕击率升高。 本文从雷电先导对导线和避雷线感应电荷产生的电场力差异出发，用三维动态电 场计算并考虑放电分散性和多条上行先导的发展，建立基于电场力改变雷电先导选择 性的向量电气几何模型，并分别用该模型计算了三种电压等级线路的绕击率，与传统 模型进行了对比。 2 2 传统电气几何模型 2 2 1 基本思想 传统电气几何模型将击距与雷电流联系起来，使几何参数与电气参数相结合。模 型认为：由雷云向地面发展的先导到达被击物体击距前，击中点是不确定的，先到哪 个物体击距之内，即向该物体放电【2 2 2 3 1 。图2 1 为e g m 用于线路屏蔽计算的几何作 图。 图2 1 输电线路雷电绕击的e g m 示意图 f i g 2 - l e g mc h a r to ft r a n s m i s s i o nl i n el i g h t i n gs h i e l d i n gf a i l u r e 雷电流强度为，。的先导定位曲线是c 。a 。毋d k ，弧段g 4 和a 。反分别是以避雷 线和导线为圆心，以导线击距盛为半径的弧线，眈仇为平行地面、高度为地面击距 的直线。弧段q a 。为屏蔽弧段，定位于g a 。的落雷将击中避雷线。弧段4 b 。为 暴露弧段，定位于以毋上的落雷将绕击导线。定位于玩仇的落雷将击中地面。随着 雷电流的增加，击距增加，各弧段( 线段) 的尺寸也改变，4 反越来越小。当雷电 流增加至一定值时，a b = 0 ，a k 与色两点重合。此时，对应于c 席彳【巩) d ，的雷电 流为发生绕击的最大雷电流，一，击距为最大击距k ，导线被完全屏蔽。依据上述 概念，当k l 1 7 5 m 。 w h i t e h e a d 模型归纳线路的运行统计数据，且未提出确定击距的判据，而是根据 数据，认为对大地、线形物和塔形物的击距一致，其击距公式为【2 6 】： r = 1 0 1 n 6 5 ( 2 - 5 ) 朱氏模型结合雷电观测和模拟试验，对影响放电击中点概率分布的因素进行研 究，并考虑了放电的分散性，物理背景更为清晰。选取临界平均击穿场强为3 0 0 k v m ， 其击距公式为【2 7 l ： g = 7 5 4 1 0 伽2 ( 2 - 6 ) e r i k s s o n 改进的e g m 中，提出击距不仅与雷电流幅值有关，还与建筑物高度有 关，其击距公式为【1 9 1 ： 。 r = 0 6 7 h 7 6 i 仉7 ( 2 7 ) 其中：j j f 一建筑物高度( m ) 。 以上所述的击距计算公式中，当击距仅与雷电流幅值有关时，其关系式为： r = a 1 6 ( 臃，k a ) ( 2 - 8 ) 其中：a 、b 一均为系数，两系数的取值各不相同。 在i e e ew o r k i n gr e p o r t 中，根据运行数据推荐a = 8 ，b = 0 6 5 ，与( 2 5 ) 式和( 2 - 6 ) 式比较接近。 本文在评价绕击性能时，采用i e e e 推荐的击距公式【2 】，即： r = 8 1 n 舒 ( 2 - 9 ) 2 2 3 雷电流的上下限选取 绕击跳闸率计算涉及的雷电流幅值有三个：发生绕击的最小雷电流( ，曲) 、发 生绕击的最大雷电流( k ) 和发生绕击跳闸的临界雷电流( i c ) 。最大雷电流由线 路的最大击距决定，即导线被完全屏蔽时最大击距对应的雷电流幅值；凡是幅值在 【，曲，懈】区间的雷电流都可能发生绕击。i c 与线路的绝缘水平有关，取绕击耐雷水 平作为跳闸的临界雷电流。若，岫 l ，吣，绕击闪络概率计算的积分上下限取为，c 和k ： 1 1 广西大学硕士学位论文 基于电气几何模型的输电线路绕击耐雷性能研究 心= 堡l o 广z s 厂( ，) 红 ( 2 - l o ) 若l k i m = ，则公式o e 能j 上下限取为，响和，啡： j 岭等z s 们瑚c ( 2 - 1 1 、 若k i m = ! 二： 2 。5 。6 。9 。 t 。 5 k = q q b 1 9 4 1 9 72 1 02 3 52 7 8 1 0 k = 9 o 1 9 9 2 3 02 0 22 1 02 3 7 1 5 足= 绕q 6 2 6 11 3 31 5 72 0 32 0 0 2 0 k = 伪9 2 4 8 2 0 0 2 1 1 2 0 81 9 3 2 5 k = q q 6 2 2 52 0 42 1 22 2 41 9 9 3 0 k = q q 6 2 1 82 0 02 3 0 1 6 72 4 1 广西大掌硕士掌位论文1 k - - 于e l z 气几何模型的鞠电线路绕击对雷性能研究 2 3 4 电场力的计算 两电荷间的空间电场力为【2 9 i ： 所以有： f ：墼 4 刀盯2 耻等 耻器 鱼：鱼：k 一= 一= e 。q ( 2 - 4 9 ) ( 2 5 1 ) ( 2 - 5 2 ) ( 2 5 3 ) 式中：乃6 、n d 一先导与避雷线、导线之间的电场力。k 一导线感应电荷与避雷 线感应电荷之比。 先导和导线之间的电场力丹d 与先导和避雷线间的电场力一6 不相等，尤其对于 电压等级较高的线路( 如2 2 0 k v 、5 0 0 k v ) 甚为明显。先导在导线、避雷线感应电 荷产生的电场合力作用下，沿合力方向发展。雷电先导受力分析如图所示2 1 4 所示。 2 2 九一九 蜴一幺 = 凡一死 广西犬掌硕士掌位论文 - l g 于电气几何模型的输电线路绕击耐管性能研究 霄 图2 一1 4 雷电先导受力分析图 f i g 2 1 4 f o r c ec h a r to fl i g h t l l i n gl e a d e r 在图2 1 4 中，由余弦定理，有： 乓2 = 曩2 + 最d 2 + 2 x f l 5 曩j x c o s 互。2 = 曩6 2 + 略2 2 互6 x c o s 弘t ( 2 - 5 4 ) ( 2 - 5 5 ) 式中：略一先导发展受到的合力；一只d 与开6 的夹角；缈一先导发展入射角。 联立式( 2 - 5 3 ) 、( 2 5 4 ) 、( 2 - 5 5 ) ，求解得出y 与声之闻的关系为： c o s 2 2 3 5 向量电气凡何模型 ， 2 + 2 c o s f l 2 l + k2 + 2 k e o s f l ( 2 - 5 6 ) 图2 一1 5 为向量电气几何模型示意图，图中以避雷线b 为圆心，击距如为半径的 圆与以导线d 为圆心，击距，6 为半径的圆相交于d 点，以导线为凰心的圆与地蕊击 距直线e f 相交于e 点，从而得到了绕击弧d e 与屏蔽弧d g 。当下行先导击中d e 时，导线d 被击中，如果下行先导击中d g ，雷电流经避雷线流入地面，导线被有效 屏蔽。当下行先导击中e f 时，雷电流直接注入地面1 3 1 1 1 3 2 1 ( 如图2 1 5 所示) 3 1 墓于电气几何模型的输电线路绕- 击- x t t 雷性能研究 图2 1 5 向量电气几何模型 f i g 2 - 15 v e c t o re g m 图2 1 5 中：1 一雷电先导；d e 一绕击弧：a b 、a c 一绕击引雷弧( 传统电气几何 模型的击距弧，但尚未到达击距范围时，由于电场力的作用，转为三i 的引雷弧) ；b d 、 c e b 、c 点先导发展的方向；l 一绕击弧d e 在地面上的投影距离；三2 一绕击引雷弧 a b 在地面上的投影距离；3 一绕击引雷弧a c 在地面上的投影距离；一整个绕击弧 投影距离之和，l - - l 1 + l 2 + l 3 。 当雷电先导向避雷线方向击于b 时，在先导下行的过程中，由于在b 点受到 乃6 和局d 的共同作用，先导改变运动轨迹而沿着合力的方向运动，先导具有方向， 即为向量。如图2 1 5 所示，a b 弧段为避雷线的击距弧，但由于受力而改变了方向， a b 弧段成为绕击引雷弧，即击在a