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山区高压输电线路雷击规律及对策研究 摘要 在电力系统输配电事故和障碍中，大约有一半是由于雷击引起的。 随着输电线路电压等级的提高和大规模的跨省、跨地区输电线路的投入 运行，雷击跳闸己经成为输电线路，特别是山区输电线路跳闸的最主要 原因，对系统所造成的破坏和影响也越来越严重，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。 本文通过对雷电放电过程的研究，对雷击选择性的机理进行了全面 的分析，着重考虑土壤电阻率、接地电阻、空气中的背景离子、地面上 接地金属体高度等因素对雷击选择性的影响。 在分析线路的反击耐雷性能时建立了杆塔的分布参数计算模型，此 模型可以真实地反映雷电流在杆塔上的传播过程，并用相交法作为绝缘 闪络判据，以11 0 k v 输电线路为例，利用a t p e m t p 电磁暂态程序计算 ，跳闸率。 考虑杆塔的引雷作用下，对沿输电线路档距方向绕击概率的分布情 况作了分析，同时还就在杆塔上安装侧向、横向避雷针或垂直避雷针后 对输电线路防雷性能的影响做了分析，认为在杆塔上安装这三种避雷针 均不能提高对输电导线的保护范围，不足以作为输电线路防雷改造的主 要措施。 对山区输电线路的电气几何计算模型进行了改进，计算分析了不同 地面倾角下处于平原地区和山区爬坡地形杆塔的安全区距离和危险区距 离。 通过对山区高压输电线路的耐雷性能的分析研究，结合国内外多年 运行经验，对影响山区高压输电线路绕击、反击耐雷性能的各种因素进 行了综合分析，并提出相关线路防雷的建议和措施，供线路防雷设计时 参考。 关键词：雷击选择性；a t p e m t p电气几何模型；地面倾角；耐雷性 能 s t u d yo nl 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 o f h i g hv o l t a g et r a n s m i s s l 0 nl i n ei n m o u n t a i n o u sa r e aa n dc o u n t e rm e a s u r e s a b s t r a c t a b o u th a l f o fa c c i d e n ta n do b s t a c l e si nt h ee l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o na n d d i s t r i b u t i o n s y s t e m d u e st o l i g h t n i n g c a u s e d w i t ht h ei n c r e a s eo f t r a n s m i s s i o nl i n e s v o l t a g e l e v e la n d l a r g e - s c a l ei n t e r p r o v i n c i a l a n d t r a n s r e g i o n a lp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e si no p e r a t i o n ，l i g h t n i n gt r i ph a sb e e n t h em a i nr e a s o no ft r a n s m i s s i o n l i n e ，i np a r t i c u l a r t h em o u n t a i n o u s t r a n s m i s s i o nl i n e s t h ed a m a g ec a u s e db yt h ei m p a c ta l s og e t t i n gm o r ea n d m o r es e r i o u sa n dh o wt or e d u c et r a n s m i s s i o nl i n el i g h t n i n ga c c i d e n t sb e c o m e a ni m p o r t a n tt o p i co fs a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m b a s e do nt h es t u d yo fl i g h t n i n gd i s c h a r g ep r o c e s s e s ，t h ep a p e ra n a l y s i st h e m e c h a n i s mo fs e l e c t i v e l i g h t n i n gc o n d u c t e d o ns o i l r e s i s t i v i t y ，g r o u n d i n g r e s i s t a n c e ，t h eb a c k g r o u n di o n si nt h ea i r ，m e t a l sh e i g h to nt h eg r o u n da n ds oo n i nt h e p r o c e s s o fa n a l y z i n gc o u n t e r a t t a c k l i g h t n i n gp e r f o r m a n c e ， e s t a b l i s h i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ed i s t r i b u t i o no ft o w e rm o d e l t h i sm o d e lc a n t r u l yr e f l e c tt h el i g h t n i n gc u r r e n ti nt h et r a n s m i s s i o nt o w e ro nt h ep r o c e s sa n d u s e da si n s u l a t i o ni n t e r s e c t i o no ff l a s h o v e rc r i t e r i o no f1 10k vt r a n s m i s s i o n l i n ea sa ne x a m p l e ，a n dc a l c u l a t i n gc o u n t e r a t t a c kt r i p p i n gr a t eb ya t p e m t p e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tc a l c u l a t i o n t h ee l e c t r i c a l g e o m e t r i c c a l c u l a t i o nm o d e lw a s i m p r o v e df u l l y c o n s i d e r i n gt h er o l eo ft o w e ra t t r a c t i n gl i g h t n i n g ，a n da n a l y z i n gt h ei m p a c to f i n s t a l l a t i o no fl a t e r a l ，v e r t i c a lo rh o r i z o n t a ll i g h t n i n gr o dl i g h t n i n gr o di nt h e t o w e ro nl 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 t h er e s u l ti st h a tt h r e ek i n d so f l i g h t n i n gr o dc a nn o te n h a n c et h ep r o t e c t i o no ft h et r a n s m i s s i o nw i r e so ft h e t r a n s m i s s i o nl i n es oa st on o ta st h em a i nm e a s u r eo fm i n e t h em o u n t a i n so fe l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n e s g e o m e t r i cm o d e lw a s i m p r o v e d ，c a l c u l a t i n ga n da n a l y s i st h es a f e t yz o n ed is t a n c ea n dt h ed a n g e r z o n ed i s t a n c eu n d e rt h ed i f f e r e n tg r o u n do b l i q u i t yi nt h ep l a i na r e a sa n d m o u n t a i nc l i m b i n gt e r r a i n i v t h r o u g ht h ea n a l y s i so fl i g h t n i n gp r o t e c t i n gp e r f o r m a n c eo f h i g h v o l t a g e l i n e st r a n s m i s s i o nl i n e si nt h em o u n t a i n sw i t ht h e o p e r a t i n ge x p e r i e n c ea t h o m ea n da b r o a df o rm a n yy e a r s ，t h ei m p a c to fh i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o n l i n e sa r o u n dt h em o u n t a i n ss h ie l d f a i l u r e ，l i g h t n i n gc o u n t e r r e s i s t a n t p r o p e r t i e so fv a r i o u sf a c t o r sc o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dr e l a t e d l i n e so ft h er e c o m m e n d a t i o n sa n d l i g h t n i n gm e a s u r e sf o rt h et r a n s m i s s i o n l i n e sd e s i g nr e f e r e n c e k e yw o r d s ：l i g h t n i n gs e l e c t i v i t y ；a t p - e m t p ；e l e c t r i cg e o m e t r ym e t h o d ； g r o u n do b l i q u i t y ；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 v 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。除己注明部分外，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。 论文作者签名： 砑；：、刎 砂6 矿年石月咖 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 布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 研存加雠：雄钿咖 i i 广西大掌硕士学位论文山区高压输电线路雷击规律及对策研究 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 我国领土辽阔，地形地貌复杂，地貌类型多样，山多而高。输电线路地处旷野， 纵横连绵，穿越平原、高山、丘陵、河流，经受自然界的恶劣考验，特别是雷雨季的 电闪雷鸣，因而经常发生永久性的故障。同时，雷击输电线路后沿线路入侵变电所的 雷电波也是威胁变电所设备安全的主要因素。 在电力系统输配电事故和障碍中，大约有一半是由于雷击引起的。随着输电线路 电压等级的提高和大规模的跨省、跨地区输电线路的投入运行，雷击跳闸己经成为输 电线路，特别是山区输电线路跳闸的最主要原因，对系统所造成的破坏和影响也越来 越严重，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。 为了降低线路雷击跳闸率、提高系统供电可靠性，电力部门使用了多种方法，但 到目前为止还没有找到一种完全有效的方法。修改后的架空线路设计规程、交 流电气装置的过电压保护及绝缘配合i l 】等标准在防雷技术方面依然存在着不完善的 地方。因此，进一步深入探索雷电形成的物理过程和电气机理，结合现场运行经验， 对以往的输电线路雷电屏蔽模型进行研究，可以为设计和运行维护部门提供有科学价 值的参考，从而有利于输电线路的安全稳定运行。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 输电线路的防雷保护发展 输电线路防雷保护的分析研究己有近百年历史，随着输电线路电压等级的提高和 对雷电本质认识的深化，输电线路防雷保护的研究大致可以分为四个阶段【2 】【3 】【4 1 。 第一阶段( 1 9 3 0 年以前) 是以防止感应雷为主的阶段。最初，线路电压等级很 低，感应雷引起的雷害事故是线路防雷的主要矛盾。德国w p e t e r s o n 于1 9 1 4 年提出 利用接地避雷线防雷的理论，认为其作用在于降低输电线路绝缘上的感应过电压。美 国f w p e e k ，w w l e w i s 认为，威胁输电线路绝缘的不仅是直击雷，还有感应雷。 p e e k 首先提出了划弧线确定保护范围的计算方法，他们认为，架设避雷线，首先是 防护感应雷。苏联的b h l 等1 9 3 1 年提出，对于6 6 k v 以上线路只有直击雷是危险 的，避雷线应着眼于防止直接雷击。因此，为了减少相导线上感应过电压，在输电线 路上加装了避雷线，但这条避雷线是挂在相线下面的，仅作为耦合分流用。 第二阶段( 1 9 3 0 1 9 5 0 年) ，以防止直击雷为主的阶段，也是雷电参数得以系 统归纳设计的时期。这一时期逐步明确了对11 0 2 2 0 k v 高压线路来说，直击雷是主 广西大学硕士学位论文山区商压输电线路雷击规律及对策研究 要矛盾，并提出了直击雷防护计算方法。美国于1 9 2 3 年建成了2 2 0 k v 高压输电线路， 由于运行后发生多次大的雷害事故，促使了防雷工作的迅速开展，随着输电线路电压 等级的提高，线路绝缘水平也大大提高，感应过电压不可能使绝缘闪络。在这种情况 下，人们才开始认识到直击雷是线路雷害事故的主要原因。到3 0 年代末期已经明确， 1 0 0 k v 及以上线路，避雷线是防护直击雷的基本保护装置，应架设得足够高，并具有 良好的接地装置。事实上，从1 9 2 8 年开始，h m t o w n e 就已研究了管型接地体的冲 击特性。以后，又有人研究了放射型和伸长型接地体的冲击特性，以适应直击雷防护 的泄流需要。因此，各国进行了大量的雷电观察，提出了用行波理论来计算绝缘子串 两端电压的方法。 第三阶段( 1 9 5 0 年1 9 6 2 年左右) ，是由美国o v e c 一3 4 5 k v 线路异常高的闪 络率所引起的争论和对以前的防雷计算方法和数据进行重新估价的时期。这场争论极 大地推动了线路防雷研究工作的进展，使理论分析、现场测试、模拟试验和运行经验 的积累等方面的工作都有了很大的提高。 第四阶段( 1 9 6 2 年前后至今) ，为模拟试验、现场实测、概率统计方法和计算 机综合使用的阶段。 1 2 2 耐雷性能的计算方法 1 9 5 5 年，世界上第一条3 4 5 k v 超高压输电线路在美国诞生。这条线路投运的第 二年其跳闸率达到4 次百公里年，大大地超过当时美国电机工程师学会( a i e e ) 的 计算值。这种现象引起了学术界很大的争论，人们提出了重新修改触e e 通用计算方 法的要求，从此，输电线路雷电屏蔽模型的研究开始走上前台。在2 0 世纪6 0 年代， 即输电线路防雷保护的第四阶段开始，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。目前用于分析输电线路雷击耐雷性能的方法和模型，针对 不同的雷击形式( 绕击、反击) ，国内外在防雷计算上也各有不同的方法【5 j ，本文将 在第三章和第四章分别进行阐述。 1 2 3 绝缘闪络的判据 在我国，线路防雷计算中判断绝缘是否闪络，工程上一直是用比较绝缘子串两端 出现的过电压与绝缘子串或空气间隙5 0 放电电压方法( 定义法) 作为判据，过电压 超过绝缘的5 0 放电电压即判为闪络。过去的电力设备过电压保护设计技术规程 s d j 7 7 9 和现行的行业标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合d l t 6 2 0 1 9 9 7 也是这样规定的，他们所规定的整套计算方法与单回线路的运行经验比较符合。根据 2 广西大学硕士学位论文 山区高压输电线路雷击规律及对策研究 国外的运行经验表明该方法将导致同杆线路跳闸率明显偏高。 美国等西欧国家采用相交法判据【6 1 。相交法判断绝缘闪络的方法是：只要绝缘子 串上的过电压波与伏秒特性曲线相交，即发生闪络；不相交就不闪络。这是一种人为 的处理方法，它可能会丢失波尾放电的次数，因为波尾放电时，两者是不相交的。考 虑到下列因素： 美国同杆双回高杆塔线路的运行经验表明，绝缘子串放电闪络为分级放电，证 明放电发生在波头上； 绝缘子串上电压为短波非标准波形，可用下式计算实际放电时间： 死= 1 一砌) 】+ 0 4 砌) 乃 ( 1 - 1 ) 代p ) 2 p + 印10 ) 1 4 ( 1 2 ) 式中，易为电压波到达波峰的时问；乃为后尾电压到达w 2 的时问；p 为后 尾电压比率叫；为后尾电压震荡第一个波的平均值。对于同杆双会线路绝缘 子串上非标准波形的计算表明乃均较短，基本上是波前放电。 一些国家采用相交法所得的结果和运行经验基本相符合。因此美国等西欧国家 仍是采用相交法。 清华大学提出利用先导法作为绝缘闪络判据引【7 1 ，认为由于作用在线路绝缘上的 雷电过电压远非标准波形，而绝缘子串在标准波下的伏秒特性并不适用于非标准波下 的绝缘强度，因此提出了利用先导发展模型法作为绝缘闪络的判断依据，即由对长空 气间隙研究放电过程的研究得知，间隙击穿时间乃由流注起始时间乃、流注发展时 间瓦、游离波传播时间乃、先导发展时间死、气体加热时间砭组成。可近似为： 死瓦+ 死( 1 - 3 ) 不同的研究者根据各自的实验数据，得出瓦与先导发展速度v ，的不同经验公式： 1 瓦= 么影b o - b( 1 4 ) q 或j 促。iv ( t ) d t 一圪， a ( 1 5 ) v ，= 七，d e k2 v d ( y a e d ) ( 1 6 ) 或v ，嘞 坎叭办h 小岛】 式中：e l 闪络前最大平均场强； 历厂5 0 放电电压下的平均场强； 坎f 卜间隙上所加电压平均值； 驴瓦时间内间隙所加电压平均值； ( 1 - 7 ) 广西大掌硕士学位论文山区高压输电线路雷击规律及对策研究 a 、b 一由间隙类型及电压极性决定的实验常数； v 广一先导发展速度； 卜间隙长度； 卜瞬时电压； 石一剩余间隙长度； x 厂一流注长度； 励、k 、k l 、后厂与绝缘性质、电压极性等有关，与实验结果拟合所得的经 验系数。 当线路绝缘上电压出现的时间达到一定的流注发展时间瓦时，先导开始发展， 其速度随施加的瞬时电压与剩余间隙长度而变。当流注占满整个问隙长度d 时，间隙 闪络。该方法虽然理论上比较符合放电的物理过程，能判断任意波形下绝缘问隙的闪 络。但由于对长空气间隙放电的实验过程，不同的研究者有不同的数据，且与先导法 有关的参数分散性较大，这些都将直接影响其计算的正确性。 1 3 存在的主要问题 由于雷击放电的随机性和分散性，各种输电线路耐雷性能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，同时人们对于雷击线路的物理过程还不够清晰，目前的许多模型都是建 立在一定的假设和模拟实验上，与实际情况有一定的区别。现有的山区输电线路耐雷 性能计算方法不能满足高压输电线路防雷保护的需要，今后应继续着眼于雷击输电线 路过程机理的研究，建立正确、合理的输电线路雷电屏蔽分析模型。 通过调查分析认为，目前线路防雷技术措施对于降低线路的雷击跳闸率及事故率 是起到了一定的效果。但是，在一些特殊的地理环境特别是山区的高压线路，由于维 护困难，采取措施不当等因素，防雷效果差，导致一些线路的雷击跳闸率和事故率历 年来居高不下。山区输电线路由于地形、地势复杂、雷电活动频繁，雷害事故要比平 原地区高得多，一项输电线路雷击跳闸率的运行结果表明：雷击跳闸率高的问题主要 反映在山区线路，同一地区、技术条件相同的山区线路的跳闸率比平原地区线路的跳 闸率高五倍左右，个别地区甚至高十几倍。而且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，在电压等级较低的线路，反击跳闸 率占总的雷击跳闸率的大部分。随着电压等级的提高，绝缘水平增强，反击跳闸的几 率越来越小，绕击跳闸的几率越来越大，对于5 0 0 k v 及以上线路，绕击已经成为主 要的雷害因素。雷害事故既有特殊性又有规律性，而实际电网中常是整条线路防雷措 施一样，特殊地段未有特殊措施，防雷效果当然不理想。因此对线路要据其穿越不同 地段的地质、地势、气象条件及其雷电活动的规律，采取不同的防雷措施。 4 广西大掌硕士掌位论文山区高压输电线路雷击规律及对策研究 1 4 本论文主要的研究内容 从雷电放电物理过程及其相关雷电电气参数入手，对雷击选择性的机理进行探 讨； 研究适用于山区高压输电线路的反击耐雷性能的计算方法； 用相交法作为绝缘闪络判据，以11 0 k v 输电线路为例，利用e m t p 计算反击 跳闸率； 考虑杆塔的引雷作用，探索杆塔附近的电气几何绕击模型； 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； 系统研究山区高压输电线路耐雷性能的影响因素，结合国内外多年运行经验， 提出输电线路的防雷措施。 广西大学硕士掌位论文 山区高压输电线路雷击规律及对策研究 第二章输电路线雷击选择性的机理研究 2 1 雷电放电过程 众所周知，雷电放电是由带电荷的雷云引起的，但对雷云带电原因的解释却很多， 至今还没有获得比较满意的一致认识。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。 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 水沫带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨 下降，或悬浮在云中，形成一些局部带正电的区域。由于雷云的底部大多数是带负电， 它在地面上将感应出大量的正电荷，因此，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就形成了强大的电场，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大气游离放电的临界电场强度( 大 气中约3 0 k v c m ，有水滴存在时约l o k v c m ) 时，就会发生云间或对大地的火花放电， 形成几十乃至几百千安的电流，产生强烈的光和热( 放电通道温度高达1 5 0 0 0 0c 至 2 0 0 0 0 0c ) ，使空气急剧膨胀震动，发出霹雳哄鸣，即闪电伴随雷鸣，故常称雷电。 大多数雷电放电发生在雷云之间，对地面没有什么直接影响；但雷云对大地放电虽然 只占少数，一旦发生就有可能给人类活动带来严重的危害。 大量的实测表明测量数据表明，一般云块的上部带正电荷，下部带负电荷，而在 中问处出现正负电荷的混合区域。绝大多数对地放电的雷云带负电荷，根据放电雷云 电荷的极性定义此时雷电流的极性也为负，对地放电的基本过程可用图2 1 来描述。 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，当雷云和大地之间局部 电场强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展， 常将这一放电阶段称为先导放电。由于先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电 荷沿通道分布，并继续向地面延伸，地面上的感应正电荷也逐渐增多，如图2 1 ( a ) 所 示。先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度增强，常在地面突起处出现正 电荷的先导放电向天空发展，形成迎面先导；当先导通道到达地面或者与迎面先导相 遇以后，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体通道，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，形成主放电过程，如图2 1 ( c ) 、( d ) 所示。 6 广西大掌硕士掌位论文山区高压输电线路雷击规律及对策研究 一 + + 7 - 7 7 7 厂7 7 - 77 - 7 厂7 厂7 7 _ 7 ( a )( b )( c ) ( d ) 图2 一l 雷电放电的基本过程 i 先导放电通道；2 一强游离区；3 主放电通道 f i g2 1t h ep r o c e s so ft h u n d e rd i s c i l a r g in g 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，它们问的电 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。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 集中点之问发展。也可以说，放电通道的发展具有定向性。 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 9 s 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 0 0 1 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。 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，这时便丌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 p 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， 7 山区高压输电线路雷击规律及对策研究 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 雷击过电压的产生机理 雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放。尽管雷云有很高的初始电位 ( 估计可达几百兆伏) 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保护 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向地面传播的 电磁波过程，据此建立计算模型j 。 在雷电放电过程中，人们能够测知的电量，主要是雷击地面时流过被击物体的电 流f ，然后再根据计算模型反推出雷电波的参数。由图2 - 2 的电流源等值电路，有： 7 f - 2 f o 了音 ( 1 8 ) 厶0 厶 显然f 与z 有关。当z 三z o 时，恰好，卢幻，这种巧合是不可能的；当z = o 时， i = 2 i o ，事实上z 又不可能为零；但若z k 1 2 8 0 0 i i l i l 1 导线采用 年雷电日 绝缘子选 图3 - 1 杆塔的计算结构图( 单位：r a m ) f i g3 - 1t h et o w e r sc a l c u l a t i n ga n df r a m ep i c t u r e 杆塔冲击接地电阻是表征杆塔冲击接地特性的参数，其值已被证明是影响线路耐 雷水平最敏感的因素。在雷电冲击下，一方面接地体电感呈现较大的阻碍电流的作用， 另一方面接地体周围土壤在较高电场强度下产生火花放电，增大了导体的直径。所以 杆塔的冲击接地电阻，不同于工频接地阻抗，是与雷电流相关的函数。但工程上常用 固定的电阻值近似代表杆塔冲击接地电阻。 雷击杆塔时，雷电流经杆塔通过杆塔接地装置流散到地中，在雷电流的作用下接 广西大掌硕士掌位论文 山区高压输电线路雷击规律及对策研究 地装置呈暂态电阻特性，其幅值与雷电流频率相关。一般用下式计算： r c2 式中：尺厂工频接地电阻值，q ； ，一通过接地电阻的电流，a ； 量一土壤电离化的最小电流，a ； ，= 鱼 一 2 n - r o ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 式中：目广土壤电离场强，一般取3 0 0 4 0 0 k v m ： p 一土壤电阻率，q m 。 在计算中一般杆塔的冲击接地电阻取为1 0 【2 ，而对于山区，特别是岩石地区的 杆塔的冲击接地电阻要高得多。为了研究杆塔冲击接地电阻的影响，在计算时使冲击 接地电阻在1 0 q 2 0 q 的较大范围变化。 3 3 杆塔模型 通常输电线路杆塔的模型有两种模拟方法：一是把杆塔作为有电阻和电感相串联 的集中参数模型【2 3 1 ，另一种就是把杆塔作为分布参数来处理，等效为单相无损线杆塔， 各种杆塔有其特定的波阻抗【2 4 1 。对杆塔的模拟目前较为精确的方法是用分布参数线段 代表杆塔，并用杆塔的波阻抗和波在杆塔中的视在传播速度表征雷电冲击波在杆塔中 的传播特性。杆塔的波阻抗实际应为时间的函数，而不是固定值，因此需要把分布参 数线路和集中参数储能元件( l 、c ) 等值转换成为集中参数的电阻性网络，然后应 用求解电阻网络的通用方法计算实际电路的波过程。为此，我们分别分析分布参数线 路和集中参数储能元件的暂态等值计算电路。 3 3 ，1 单根均匀无损线的暂态等值电路汹1 设一条线路两端节点分别为七和m ，其电压、电流分别为姒，) 和( ，) 、“肌( o 和锨力， 如图3 - 2 ( a ) 所示，如果观测者在时刻t - r ( r = l o ) 时从节点k 出发，在时间t 到达节点m ， 则： u k ( t f ) + 乏0 一f ) = ( f ) + 乙 一( f ) 】 ( 3 3 ) 可改写为： 1 9 广西大掌硕士掌位论文山区高压输电线路雷击规律及对策研究 以f ) = 去“卅u 卜丁) 同理可得： ( a ) 线路原型 m 纵f ) ( b ) 等值电路 ( 3 - 4 ) “，) 图3 2 单根均匀无损线路的等值计算电路 f i g3 - 2t h ee q u i v a l e n c ec a l c u l a t i o nc i r c u i to fl i n e u 卜f ) 一去味卜r ) 一一卜f ) ( 3 _ 5 ) = 去蚶f ) + i k ( 卜f ) ( 3 - 6 ) f _ f ) 一去蚶f _ f ) - - i m k ( ，_ f ) ( 3 - 7 ) 经改写后的二式可用图3 - 2 ( b ) 所示的等效网络来表示，并可归纳为下述两个特 点： 1 ) k 和m 是一条导线的两端，在计算等值图中是独立分开的； 2 ) 每个节点包含一个等效电流源k ( t - r ) 或i m ( t - o ，其值由比现在时刻t 早【的 时刻的线路另一端电压、电流值( 即过去的记录) 来确定。 在过电压计算中不需知道导线上的电流和，可用等效电流源厶和厶的递推 公式，即 ，( t - 垆一乏讹叼一卜刎 ( 3 - 8 ) 式中各标点的下标省略，上标表示线路另一端的电压和电流源数值。 2 0 厂西大掌硕士学位论文山区高压输电线路雷- a v 规律及对策研究 3 3 2 电感的等值计算电路 对如图3 - 3 ( a ) 所示的线性电感l ，根据电磁感应定律可得： l r y l r y 、 七+ d 一所 甜脚 既( o i “。( ) ， ( a ) 电感电路 i l ( t - a o ( b ) 等值电路 图3 - 3 电感的等值计算电路 f i g3 - 3t h ee q u i v a l e n c ec a l c u l a t i o nc i r c u i to fi n d u c t a n c e 朋 ( f ) 以垆姒沪味垆三半( 3 - 9 ) 式中锄( 力表示由节点k 流向节点m 的电流；甜“力和“棚( 0 分别为两端点的电位。 设已知( 划d 时刻流经电感的电流和节点电位为i k m ( t - a t ) 和锹( t - a o 、( 划力，求， 时刻的电流和电位( d 、u k ( 0 、( d 。为此把式3 - 9 改写成积分形式： ( f ) 一( f f ) = z 1 出甜( f ) 沈 、 ( 3 1 。) 根据梯形积分公式可得： o ) = o 一) + 差 o 一凹+ ( 明 ( 3 1 1 ) 考虑到甜( t ) = 材“d 一甜坍( d ，上式可改写成： 讹) = 寺删叫施) 】+ 驰- f ) ( 3 - 1 2 ) 式中： r：i2l(3-13) l 1 丘( t - a t ) = ( 卜7 ) + 万1k ( t - a t ) 一甜m ( t - a t ) 】( 3 - 1 4 ) 根据式( 3 - 1 2 ) 可以得到图3 - 3 ( b ) 所示电感的等值计算电路。其中：r 是电感 l 的等值计算电阻，只要时间步长a t 确定后，即可由式( 3 1 3 ) 求出；厶( 划d 是电感 广西大掌硕士掌位论文 山区高压输电线路雷击规律及对策研究 的等值计算电流源，可以由( t - a t ) 时刻电感上的电流和电压的历史记录按式( 3 - 1 4 ) 算 得。可以看出，电感的等值计算电路也只包含有集中参数电阻和电流源。进一步利用 式( 3 1 2 ) 的递推计算结果，即 1 k ( 卜址) = t ( 卜2 7 ) + 素m 卜& ) 一( 7 一7 ) 】( 3 - 1 5 ) 代入式( 3 1 4 ) ，也可以得到更为简便的电感等值电流源递推公式，即 ， t ( 卜出) = 厶( 卜2 ) + 景瞰一) 一甜m ( 卜出) 】( 3 - 1 6 ) 3 3 3 电容的等值计算电路 对如图3 - 4 ( a ) 所示的电容元件，其电压电流关系可以表示为： “菇广# ：。 ( a ) 电容电路 i c ( t - d t ) ( b ) 等值电路 ( f ) 图3 4 电容的等值计算电路 f i g 3 4t h ee q u i v a l e n c ec a l c u l a t i o nc i r c u i to f c a p a c i t a n c e 讹m 百d u c ( t ) = c 半( 3 - 1 7 ) 戥与厩积分肜氏刀： ( ，) 一( f ) = o 一出) 一( r 一f ) + 石1 出k ( f ) 衍 同理，应用梯形积分公式可由上式得： 啪) = 去嗽) 刊) 】+ 桃础) 其中 心= 尝 ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) 广西大学硕士学位论文山区高压输电线路雷击规律及对策研究 t ( ，一出) = 一o 一出) 一去 p 一，) 一( f 一出) 】 ( 3 2 1 ) 式( 3 2 0 ) 、( 3 2 1 ) 分别为电容的等值计算电阻和等值计算电流源。 与电感相似，由式( 3 1 9 ) 可以得到只包含电阻和电流源的电容等值计算电路， 如图3 - 4 ( b ) 所示。同样进行递推计算，也可得出简便的电容等值计算电流源递推公 式，即 ， 0 ( 7 一& ) = 一t o 一2 & ) 一云 ( ，一址) 一“m o 一出) 】( 3 - 2 2 ) 至于集中参数电阻元件r ( 图3 5 ) ，因为它不是储能元件，其暂态过程与历史 记录无关，电压与电流的关系按欧姆定律由代数方程决定，即 ( r ) 2 去 ( f ) 一( ，) 】( 3 - 2 3 ) ( 力 r km i u k ( t ) i ， l l 纪脚( 力 图3 5 电阻的等值计算电路 f i g3 - 5t h ee q u i v a l e n c ec a l c u l a t i o nc i r c u i to fr e s i s t a n c e 在防雷计算中，由于塔上绝缘子串电压最大值出现在t = 2 h v ( 日表塔高，y 表光 速) 时刻，在这一时刻后塔顶电位显著地降低，因此一般采用t = 2 h v 时刻的波阻抗 作为杆塔的波阻抗值，即塔的最大波阻抗值。杆塔波阻抗的正确选择将影响超高压输 电线路分析结果，因此利用该模型计算输电线路反击跳闸率时，采用什么样的计算公 式来表征杆塔波阻抗就显得尤为重要。国内外对这一问题已进行了较长时间的研究， 目前较为通用的计算公式有： j o r d a n ： z = 6 0 - n 等- t - 9 嗜一6 0 ( 3 - 2 4 )rh i e e e 工作组： z ：型堑翌) p 2 5 ， 式中：z 为杆塔波阻抗，q ；厅为杆塔高度，m ；r 为杆塔基部等值半径，m 。 山区高压输电线路雷击规律及对策研究 但从国内外实测的波阻抗来看，不同类型杆塔的波阻抗是不相同的。文献【3 6 j 通i z l ： 实验研究和分析，得到计算图3 2 所示的11 0 k v 门型双杆杆塔类型的波阻抗计算公式 如下： 。 1 n ( 压等) 一 仔2 6 ， 3 4 反击耐雷性能的计算及分析 目前模拟绝缘子闪络的判据主要有相交法、先导发展法闪络判据模型1 7j 和定义 法。在工程计算中，研究绝缘子串的闪络情况，通常采用绝缘子串的5 0 放电电压和 绝缘子串的伏秒特性定义法来判断绝缘子串是否发生闪络。以此作为绝缘闪络判据， 双回路的同时闪络率很高。例如，在平衡绝缘的顺相序排列中，双回路同时闪络可高 达9 9 ，与运行经验严重不符。这是由于5 0 雷电冲击放电电压和伏秒特性定义法 是用标准雷电波( 1 2 5 0 p s ) 试验得出的，它准确地反应了标准雷电波作用下，绝缘 子串的冲击绝缘特性。但在实际电力系统中，系统遭雷击时，真正加到绝缘子上雷电 过电压波却千差万别，绝缘子承受的电压波形与标准雷电波在波形、波头时间和波尾 时间上都有很大差别，非标准波下绝缘将有不同于标准波下绝缘的闪络特性。当某一 相绝缘发生故障时，该闪络导线对健全相导线的耦合作用会使健全相绝缘两端的电压 降低，健全相则不易发生闪络。本文通过a t p e m t p 的t a c s 模块，以绝缘子串两 端电压曲线和绝缘子串5 0 的放电电压相交作为闪络判据。 根据电力行业标准( d l t 6 2 0 1 9 9 7 ) ，雷击塔顶反击时杆塔绝缘子两端最大电压 为： u = ( 1 - k ) 如+ 睁七卜+ ( 一引吐 p 2 7 ， 其中口为杆塔分流系数，如取雷电流波头为斜角波，则杆塔中的雷电流波头也可 近似取为斜角波，则卢按下式计算： 肛习l 蠡, r , xr t(3-28) 三gg 2 式中：r t 一波头时间， l s 。 l g - 杆塔两侧邻档避雷线的电感并联值，约为0 4 2 1 ，p h ； ，一档距长，k m ； 取雷电波固定波头长度乃= 2 6 p s ，则计算雷击塔顶反击时的耐雷水平乃为： 2 4 广西大掌硕士掌位论文山区高压输电线路雷击规律及对策研究 ( 3 2 9 ) 式中：2 5 d 一绝缘子串的5 0 冲击放电电压，k