（高电压与绝缘技术专业论文）220kv同塔双回输电线路防雷性能研究.pdf

摘要 近年来，随着我国经济的快速发展，电力负荷的需求与日俱增，采用同塔双 回的超高压输电线路如2 2 0 k v 、5 0 0 k v 甚至更高等级电压来远距离输送电能己成 为一种必然。通过采用这种输电方案一方面可极大降低线路走廊的占用，但另一 方面因雷击而造成线路跳闸的事故却时有发生，所以针对雷击线路跳闸时的各种 机理，深入分析同杆架设双回输电线路的耐雷性能，对确保电力系统输配电防雷 的设计与维护具有重要的科学意义和工程应用价值。 本论文在广泛收集、总结安徽池州2 2 0 k v 同塔双回输电线路防雷运行情况 的基础上，分析了同塔双回输电线路的防雷现状，并以2 2 0 k v 池观2 8 8 6 线、观 菊2 8 5 0 线为研究对象，利用a t p e m t p 程序、击距法对2 2 0 k v 同塔双回输电线 路耐雷性能进行了系统研究，总结了池州电网2 2 0 k v 输电线路存在的主要问题， 并结合池州地区的地形地貌，提出了如下针对性的改造措施： 1 采用逆相序排列能有效减少同塔双回线路同时雷击闪络的发生概率。 2 采用多相重合闸，能有效地限制双回同时闪络对系统的危害。 3 降低杆塔接地电阻仍然是降低同塔双回输电线路的反击跳闸率最有效的 方法之一。 4 加装防绕击侧向避雷针是有效的防绕击的方法之一。 5 安装线路型避雷器是大跨越段、土壤电阻率高且降阻困难、现行屏蔽防护 措施运行效果很不好等少数区域最好的补救措施。 6 减小避雷线保护角能有效地减少绕击雷的发生。 7 全线架设偶合地线，对绕击雷与反击雷均能起到有效地抑制作用。 8 加强绝缘是降低反击跳闸率最有效最经济的方式。 9 采取切实可行的方法降低减小导地线舞动、减小雷云移动速度，从而有效 减少雷害事故的发生。 1o 对于新建线路，可以采取增加l 根避雷线、优化杆塔塔头设计等措施提 高2 2 0 k v 输电线路耐雷水平。 本文研究成果将为2 2 0 k v 同塔双回输电线路防雷设计与运行提供重要理论 依据与实用参考价值，并可推广到其它山岩地区同塔双回输电线路的防雷整改， 具有重要的借鉴意义，该课题既具有实际的应用价值，又具有直接的经济效益和 社会效益。 关键词：同塔双回输电线路；反击；绕击；耐雷性能；针对性改进措施 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ho u rc o u n t r y sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，? l e c t r i cp o w e f l o a dd e m a n di sg e t t i n gi n c r e a s e dd a yb yd a y u s i n gt h es a m et o w e rd o u b l e c i r c u i t e x t r a - h i 曲v o l t a g e ( e h v ) t r a n s m i s s i o nl i n es u c ha s2 2 0 k v ，5 0 0 k vo r h i g h e rv o l t a g e f o rl o n gd i s t a n c ep o w e rt r a n s m i s s i o nh a sb e c o m ean e c e s s i t y t h e s ep r o g r a m sc a n g r e a t l yr e d u c et r a n s m i s s i o nl i n ec o r r i d o r s h o w e v e r ，t h eb r e a k d o w n a c c i d e n to 代e n o c c u r r e db yl i g h t n i n gs t r i k e s oi th a si i n p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u ef 0 r p r o f o u n da n a l y s i s o fl i g h t n i n gp r o t e c t i o np e r f 0 r m a n c ei n a c c o r d a n c ew i t ht h e v a r i o u sm e c h a n i s mo fb r e a k d o w na c c i d e n t sc a u s e db yl i g h t n i n gs t r i k e b a s e do nt h ew i d ec o l l e c t i o na n ds u m m a r i z i n g o fr u n n i n gc o n d i t i o n so f 2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e s i nc h i z h o u ， a n h u i ， t h ec u r r e n tl i g h t n i n gp r o t e c t i o n s i t u a t i o ni sa n a l y z e d c h o o s i n g2 2 0 k vc h i g u a n 拌2 8 8 6l i n e 、g u a l l j u 撑2 8 5 0 l i n ea s r e s e a r c ho b j e c t s ，s y s t e m a t i cs t u d yi sm a d eo nt h el 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 f2 2 0 k vd o u b l e c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n eb ya t p e m t pa n d s t r a c kd i s t r a n c e m e t h o d t h em a i np r o b l e m so fc h i z h o u2 2 0 k vd o u b l e - c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n ea r e s u m m a r i z e da n dm o d i f l c a t i o nm e a s u r e sb a s e do nt h er e g i o nt o p o g r a p h yo fc h i z h o u a r es u g g e s t e da sf o l l o w i n g ： 1 r e v e r s ep h a s ea r r a n g e m e n tc a ne a e c t i v e l yd e c r e a s et h es i m u l t a n e o u s l yr a t e o f n a s h o v e rs h o u l d 2 m u l t i p o l e r e c l o s i n g c a ne f 诧c t i v e l yl i m i tt h eh a r mo fp o w e rs y s t e m f r o m s i m u l t a n e i t yn a s h o v e rs h o u l d 3 i ti ss t i l lo n eo ft h en l o s te f f e c t i v em e t h o dt or e d u c et h er a t eo fl i g h t n i n gb a c k s t r i k i n go nd o u b l e c i r c u “t r a n s m i s s i o nl i n eb yd e c r e a s i n gg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo f t 0 w e r 4 t h ei n s t a l l a t i o no fa n t i f l a s h o v e rs h o u l dl a t e r a l l i g h t n i n g r o di so n eo ft h e e f f e c t i v em e t h o do fa n t i - a r o u n dh i t 5 t h ei n s t a l l a t i o no fl i n ea r r e s t e ri sav e r yg o o dr e m e d ym e a s u r ei nf e wr e g i o n s w h e r ei sb i ga c f o s s ，h a sh i g hr a t er e s i s t a n c eo fs o i lw h i c hi sd i f f i c u l tt or e d u c ea n d f u r t h e r m o r e ，t h ee f 传c to fs h i e l d i n go p e r a t i o ni sv e r yu n s a t i s f a c t o r yb ye x i s t i n g m e a s u r e 6 r e d u c i n gt h es h i e l d i n ga n g l eo fl i g h t n i n gs h i e l dl i n ec a n r e d u c et h eo c c u f r e n c eo f s h i e i d i n gf a i l u r el i g h t n i n ga c c i d e n t i i 7 e r e c t i n gc o u p l i n g g r o u n d w i r ea l o n gt h ew h o l el i n ec a nd oi n h i b i t o r ve f 亿c tt o s h i e l d i n gf a i l u r ea n db a c ks t r 汰i n g 8 r e i n f o r c e di n s u l a t i o ni st h em o s te f f e c t i v ea n de c o n o m i c a lm e t h o do f d e c r e a s i n g t h er a t eo fl i g h t n i n gb a c ks t r i k i n g 9 t a k i n gf e a s i b l em e t h o dt od e c r e a s et h eg a l l o p i n go fg r o u n dw i r ea n dt h em o v i n g s p e e do ft h u n d e r c l o u dc a ne f - f e c t i v e l yr e d u c ea c c i d e r l t sc a u s e db yl i g h t n i n g 1o f o rn e wl i n e s ，m e t h o d ss h o u l db et a k e ns u c ha sa d d i n ga l i g h t n i n gs h i e l dl i n ea n d o p t i m i z i n gd e s i g no ft h et o w e rh e a dt oi m p r o v et h el e v e lo fr e s i s t a n c e - l i g h t n i n gof 2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e t h er e s u l t so ft h i sp a p e rw i l lp r o p o s ep r a c t i c a jr e f e r e n c ev a l u ea n di m p o r t a n t t h e o r yb a s i sf l o rt h ed e s i g na n do p e r a t i o nw o r ko fl i g h t n i n g p r e v e n t i o no f2 2 0 k v d o u b l e c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e ，t h e ni tc a nb ee x t e n d e dr e c t i f y i n ga n d r e f o r m i n go f l i g h t n i n g p r e v e n t i o ni no t h e ra r e a s ，s oi th a si m p o r t a n tr e f e r e n c em e a n i n g t h e t h e s i sh a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u ea n dd i r e c te c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e n ta l s o 1 ( e yw o r d s ：d o u b l e 。c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i e ；b a c ks t r i k i n g ；s h i e l d i n gf a i l u r e ； l i g h t n i n g p r o t e c t i o np e r f o r m a n c e ； a i m a b i l i t yt r a n s f o r m a t i o m e a s u r e i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 丝辱日期：印年月加日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：弘乏孕、日期2 7 年f 月如日 翮签名粥镌州年多月p 日 第一章绪论 1 1 课题背景与研究意义 随着现代企业的高速发展，电力需求与日俱增，国外很早就对超高压输电线 路的电压等级进行了预测和研究。2 0 世纪6 0 年代国外就出现了超高压输电线路， 特别进入了9 0 年代后很多国家电力负荷猛增，电力发展很快，超高压输电线路 得到了大力发展，美、俄、同、加、瑞等国都根据本国情况相继建立了超高压网 络。 众所周知，雷击是造成线路跳闸停电事故的主要原因，电力系统事故中雷害 事故一般占5 0 以上。而输电线路都是暴露在大气中的，暴露面积大，遭受雷 害的机率也大输电线路的电压等级越高，除了输送容量的增大在系统中所占的重 要性相对增加以外，其杆塔高度也增加，线路走廊的尺寸办加大，引雷半径自然 也增大，这样遭受自然雷害的几率也随之增加，所以在防雷保护的技术措施上要 求很严格。 由于土地资源特别是可耕地资源的同趋减少，大城市、工农业发达地区、林 区等处线路走廊愈来愈紧张，为了减少2 2 0 k v 输电走廊占地，采用同杆架设双 回输电线路已成为2 2 0 k v 主干网架发展的必然选择，虽然同杆双回线路有因杆 塔高度比单回线路高、杆塔电感和感应过电压都较大且发生故障时会严重影响系 统的可靠运行的缺点，但它可以提高线路走廊单位面积的传输容量，目前许多国 家相继采用同杆双回超高压输电线路。 池州是经济发展快、效益较好的城市。全市经济连年保持两位数的增幅并高 于全国、全省平均增长水平。随着经济的发展，社会与电力的联系更加紧密，人 们对电能的依赖越来越强，对供电的可靠性要求也越来越高，突发的停电事故将 给社会带来巨大的经济损失，也直接影响到供电企业的直接经济效益和企业形 象，因而提高电网的安全运行水平，提高供电可靠性是电力系统的首要任务。 2 2 0 k v 输电网络，是池州电力系统的骨干，池州供电公司管辖范围内有2 2 0 k v 变电站3 座，2 2 0 千伏同塔双回输电线路输电线路总长度为2 0 1 9 7 3 k m ，线路7 条；该7 条线路担负着全市的电能输送任务，并和周边地区的输电系统形成环网 供电系统，因此2 2 0 k v 输电网络的安全稳定运行与广大人民群众息息相关。但 是，由于历史原因，池州2 2 0 k v 同塔双回输电线路在防雷方面存在很大的局限 性，2 2 0 k v 输电网络由于存在采用正相序排列、采用平衡绝缘、只有部分线路架 设耦合地线、避雷线保护角偏小、接地电阻超标、只装设单相自动重合闸等问题， 曾出现过数次雷击跳闸事故，尤其是在雷雨、大风等恶劣天气时雷击跳闸事故更 是频繁，防雷形势比较严峻。 特别是在在雷电活动频繁的山区，雷击跳闸事故极大地影响了供电可靠性和 电网的安全稳定运行。2 2 0 k v 同塔双回输电线路雷击跳闸不仅会影响企业的正常 生产，同时也影响了人民群众的正常的生产、生活用电，严重时还会造成国民经 济的巨大损失。 因此，对池州2 2 0 k v 同塔双回输电线路雷害事故频发的原因进行认真分析， 找出池州电网2 2 0 k v 输电线路在防雷措施上存在的缺陷和不足，提出符合池州 电网2 2 0 k v 同塔双回输电线路实际情况的防雷改造显得必要而迫切。 1 2 国内外研究现状 从富兰克林的风筝引雷试验开始，人类对雷电的研究已有两百多年的历史。 自上世纪3 0 年代，雷电对电力系统的危害越来越引起人们的重视，有关雷电机 理和防雷保护的研究不断发展，每一次线路高度和电压等级的提高，都促使人们 改进防雷保护计算模型。如今的2 2 0 k v 以上系统，雷击跳闸率比预期的高，国 内外研究人员j 下在对防雷问题- z 1 作细致的研究，主要的研究方向有雷电统计参 数研究、反击问题研究和防雷措施研究等。 1 雷电统计参数研究 雷电流统计参数主要有雷电流幅值、波形、陡度、极性和地面落雷概率等。 各个国家自然条件和观测手段的不同，对雷电流参数的观测结果也不同i ，1 。随着 观测手段的提高，特别是雷电定位系统的发展，可望能积累更可靠更符合运行 实际的雷电统计数据。 2 反击问题 中华人民共和国电力行业标准d l t 6 2 0 1 9 9 7 交流电气装置的过电压和绝 缘配合( 以下简称行标) 是目前国内线路防雷的设计准则【s 】。在雷击杆塔、 避雷线、导线情况下，行标中给出了计算杆塔结点电位、导线感应电压等计 算公式，该公式的优点是物理概念清晰，使用方便，但与实际运行经验严重不符， 存在下述缺点： ( 1 ) 行标推荐的计算方法是将杆塔简单视为一等值电感的方式来计算， 失去了其精确性，同时无法确定雷击杆塔时杆塔上各节点的电位随时间变化的过 程。 ( 2 ) 我国行标规定雷击塔顶的感应过电压计算公式，计算出来的感应过 电压远远大于实际的感应过电压。行标所用计算方法是前苏联半个世纪以前 的研究成果，是在电压等级较低、线路高度较低的条件下得到的，已落后于时代。 该计算尤其不适合高杆塔，例如高等级同杆双回线路和大跨越段线路。 2 2 0 k v 线路最大相电压峰值可达2 5 2 k v ，已占到绝缘子串放电电压的相当部 分。在雷击时，必须考虑工频电压瞬时值叠加的影响。在雷击瞬间，两相导线电 压的瞬时电位差最大可达2 9 7 k v ，这一电压叠加到雷电冲击电位上，将导致同一 横担不同相序的两回导线电位差异很大，因而同一横担上不同相序的两回导线击 穿概率有很大差别。所以将不同相序的导线安排在同一层横担上，能有效地减少 同杆双回线路同时雷击闪络的发生。而电力行业标准中完全忽略了工作电压的作 用，以此计算同杆双回线路的雷击双回同时闪络率将远远高出实际值。 在反击计算上，目前国际上大多采用行波法、e m t p 程序等【6 】。简单介绍如 下： ( 1 ) 行波法：即将杆塔的各段视为线路段，并视为分布参数，把分布参数的 线段化成集中参数模型然后再用集中参数电路的节点分析方法，求出杆塔各节 点电压，得出绝缘子串的电位差随时间的变化过程，并与其伏秒特性进行比较， 判断绝缘子串是否闪络。计算过程反映了雷电波在杆塔上的传播过程，以及反射 波对杆塔各节点电位的影响。因为这种方法是从线路的b e r g e r o n 数学模型出发 的，所以又称为贝杰龙法。 ( 2 ) e m t p 法：电磁暂态过程计算程序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 t p r o g r a m ) 是美国帮纳维尔电力局( b p a ) 编制的【s l ，是当今世界上应用最广泛的研 究电力系统暂态过程的程序。e m t p 是基于贝杰龙法的，贝杰龙法就是把求解分 布参数线路波过程的特征线法，和求解集中参数电路暂态过程的梯型法两者结合 起来，形成的一种数值计算方法。因此它首先需要把分布参数线路和集中参数储 能元件( l 、c ) 等值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。 但不管是何种方法，都建立在一定的模型之上【，而模型的好坏取决于对雷 电机理和雷电波作用下避雷线杆塔导线系统波过程的认识。由于雷电现象具有 很强随机性，过程又非常短暂，使得人们难以对雷击过程中的物理现象有非常清 楚的认识，这就是防雷研究中之所以问题较多的原因。通常只能通过对许多问题 的简化建立模型，得到理论结果后通过运行经验，再不断优化模型，得到与运行 经验最接近的理论模型。这一过程是认识和实践反复交替的过程，而且在这个过 程中，由于不清楚的因素多，建立模型时对问题简化也多，有时对某一因素认识 的提高并不一定会使总体最终的理论结果更加接近运行经验。所以只有通过许多 人对各个问题的不断探索，才能对雷击问题的认识有质的飞跃。 目前，影响反击跳闸率估计的因素主要有绝缘的伏秒特性问题、感应过电压 问题、杆塔模型问题、杆塔冲击接地问题和冲击电晕问题等。绝缘的伏秒特性是 指绝缘上出现的最大电压和放电时间的关系曲线，通常是指在标准冲击波下的绝 缘特性【8 l 【一s l 。实际上，雷击引起的绝缘上的冲击波并非标准波，采用标准波下的 伏秒特性必然给最终结果带来偏差。感应过电压是雷击发展过程中空间电磁场变 化引起的。它的物理机理比较复杂，由于雷电发展的随机性和观测条件的限制， 还没有比较满意的计算模型。已有的计算模型和方法都是基于一定的假设之上， 与现有的观测结果很难较好吻合【9 吲【 1 。尽管国内外这方面的研究工作很多，但 分歧很大。在一些国家中认为感应过电压对线路防雷的影响较小，可不考虑。 近年来随着雷电流观测数据的增多，人们已越来越重视感应过电压对线路雷 电性能的影响。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。试验证明，波在杆塔中的传播速度小于光速，并导致塔顶电位升高，这 是由于杆塔横担延缓了电位增长速度所至。另外杆塔的波阻抗实际应为时间的函 数，而不是固定值，但由于目前还没有满意的办法，通常仍取固定值。我国行标 在计算塔项电位时，将杆塔等效为集中电感，以简化计算，同时也就牺牲了准确 度【1 4 15 】。 表征杆塔冲击接地特性的参数是冲击接地电阻，其值已被证明是影响线路耐 雷水平最敏感的因素c m ，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，应是时间的函数，但工程 上常用固定的电阻值近似代表杆塔冲击接地电阻。当雷击导线或避雷线时，会发 生冲击电晕，它使波在传播中幅衰减和变形，波阻抗和波速减小，导线间耦合系 数加大。我国规程采用电晕修正系数来反应电晕的影响。 3 绝缘子串闪络判据 在我国，线路防雷计算中判断绝缘是否闪络【o 】，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问隙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 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 - - 一 向。 美国等西欧国家采用相交法判据因素【 】，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。美国同杆双回高杆塔运行经验表明，绝缘子串放电闪络为分级放电，证明基 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。 到目前为止，雷击仍然是输电线路安全可靠运行的主要危害。例如：瑞典 4 19 8 6 年由于雷击而引起的事故占所有事故的51 咄：】，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【z 】；国际大电网会议公布的美国、前苏联等l2 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 【z 1 ；此外，美国、澳大利亚等国的同杆双回线路的 雷击故障中，双回同时跳闸的故障也占较大的比例【2 1 。此外，i e e e 于l9 7 0 年在 分析研究各国典型双回线路的雷击故障的文章中作出如下评论：观察到的线路运 行统计数据，表明由雷击引起的双回路同时故障的比例比预期的大很多。在国外 超高压电网中，同杆双回输电线路的使用越来越普遍【1 6 l 。日本是使用此类型线路 最多的国家，不仅在2 2 0 k v 线路中绝大多数是同杆双回线路，新建的5 0 0 k v 线 路也是采用同杆双回线路。美国、西欧使用的也很普遍，例如：澳大利亚在1 10 k v 等级中有6 4 的输电线路采用同杆双回路输电【，1 ；美国在2 2 0 k v 等级中有4 7 的输电线路采用同杆双回路输电，在3 4 5 k v 等级中有5 2 的输电线路采用同杆 双回路输电；英国在2 7 5 k v 等级中有9 9 的输电线路采用同杆双回路输电，在 4 0 0 k v 等级中全部采用同杆双回路输电。日本、美国的同杆双回线路一般采用逆 相序排列，以减少双回同时雷击跳闸率、线路的不平衡度和地面场强等。日本为 了减少双回同时跳闸率，曾采用不平衡绝缘l ，l ，并在运行中发现，不平衡绝缘虽 然降低了双回同时跳闸次数占总的雷击跳闸次数的比例，但它使总的雷击跳闸率 显著增加，所以，同本后来一般多采用平衡绝缘，雷电事故数据见表1 1 【3 】。 表1 1f 1 本同杆双回2 2 0 k v 雷害事故统计表 ， 】罨线 雷害次数事故率 行路绝缘运行长度 时型方式 ( k m a ) l 回2 回合计l 回2 回合计 间式 平衡( 1 ) 1 4 4 9 6 78 569 10 5 90 0 4 0 6 3 19 6 双 平衡( 2 ) 1 2 2 2 02 2173 91 81 3 93 1 9 6 0 回 平衡( 3 ) 1 5 7 1 8 71 0 72 31 3 0o 6 80 150 8 3 2 l 不平衡3 4 9 9 46 336 61 8 2o 0 91 9 1 9 8 3 单 0 3 标准 3 2 1 7 74 4 4 41 3 71 3 7 回 1 9 8 双 平衡( 3 ) 1 4 5 4 9 07 61 2 8 80 5 20 0 80 6 0 0 0回 不平衡 1 7 4 1 62 31 2 41 3 2o 0 61 3 8 4 1 单 9 8 5 标准 2 3 4 1 21 71 70 7 30 7 3 回 0 3 ( 1 ) 不包括日本海山岳地区( 2 ) 专指日本海山岳地区( 3 ) 包括日本海山岳地区 目前，美、欧、日等的2 2 0 k v 同杆双回超高压线路导线排列方式一般为逆 相序，并认为采用多相重合闸可使双回雷击跳闸并不会对系统造成大的威胁；采 用负角保护可以防绕击。美国各超高压线路保护角大小相差较大，一般同杆双回 线路的保护角远远小于单回线路；前苏联超高压和特高压线路的保护角较大，在 2 0 0 以上f 4 】。俄罗斯自1 9 8 5 1 9 9 4 年共l o 年所积累的雷电跳闸故障的资料表明【e l ： 线路跳闸主要原因不是雷击杆塔时的反击，而是绕击造成的。美国爱迪生电气研 究所发起的对美国1 4 0 0 0 0 k m a 的绕击事故的统计研究表明，1 11 次闪络的数据 中已明确51 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； 当杆塔低、绝缘水平低、冲击接地电阻高时才发生反击闪络事故。为解决绕击问 题，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一6 0 ，中层及下 层分别为1 5 0 和0 0 。 美国阿姆斯特朗和怀特黑德提出的超高压送电线保护角也是随着避雷线平 均高度增加而减少，当避雷线高度达3 5 m 时用0 0 保护角。从各国数十年的雷击 跳闸故障的资料表明：2 2 0 k v 线路跳闸主要不是雷击杆塔时引起的反击而是绕击 导线所致【5 】【m ：，】。为了防止绕击t ：。l ，一般同杆双回线路的保护角远小于一般单 回路线路。为了改善线路的耐雷性能，日本还研究了同杆双回线路架3 根避雷线 等方法。国内第一段较长的5 0 0 k v 同杆双回线路是东北伊敏一冯屯线中的19 0 k m 的线段【2 9 】，国内第一条完整的5 0 0 k v 同杆双回线路即四川洪沟一龙王线 ( 18 0 k m ) ，它们均采用逆相序导线排列，平衡高绝缘，对防雷保护的运行经验尚 在积累之中。 1 3 本文的研究内容及创新点 本文从2 2 0 k v 同塔双回池观2 8 8 6 线、观菊2 8 5 0 线现场调研的实际出发， 以a t p e m t p 程序为主要分析手段，并结合几何电气模型和理论分析，分析总 结了同塔双回线路的耐雷性能。 研究结果发现，为降低同塔双回输电线路反击跳闸率雷和绕击跳闸率，可以 采取下列措施： 采用不平衡高绝缘方式，在保证单回跳闸率不变的条件下，可以大幅度降低 双回同时跳闸率；采用逆相序排列时可以大大降低双回同时跳闸率，尤其是接地 电阻越低的情况下，效果更明显：采用多相重合闸从根本上解除同杆多回线路双 回同时跳闸的威胁；不管是对单回路还是同塔多回线路，降低杆塔冲击接地电阻 是提高线路耐雷水平降低雷击跳闸率的最有效措施之一；在铁塔的架空避雷线上 安装防绕击避雷针是有效的防绕击的方法之一；安装线路型避雷器能作为其他防 绕击雷措施的效果不太理想的情况下的必要补充；增加避雷线根数以及减小避雷 6 线保护角对降低反击跳闸率和绕击跳闸率有较大作用；全线架设耦合地线可以克 服避雷线的保护角小偏而屏蔽失效的缺陷；另外可以通过加强线路绝缘来达到提 高线路耐雷水平的目的；最后提出了采取切实可行的方法减小风速从而减小绕击 发生率的建议。 然后通过现场调研，总结出池州电网2 2 0 k v 输电线路存在采用正相序排列、 采用平衡绝缘、没有全线架设耦合地线、避雷线保护角偏小、接地电阻超标、只 装设单相自动重合闸等问题，防雷形势比较严峻。 同时，结合安徽池州输电线路线路实际情况，本文针对性地提出在2 2 0 k v 同塔双回输电线路采用平衡高绝缘、逆相序排列、多相重合闸、降低杆塔接地电 阻、加装侧向避雷针、增加一根避雷线、减小避雷线保护角、全线架设耦合地线、 加强绝缘等切实可行的改进措施，以提高同塔双回输电线路耐雷水平以及降低雷 击跳闸率。 本课题的创新点为： 在考虑输电线路动态性能以及雷电流波在避雷线与高杆塔中的波阻抗的影 响下，构建a t p d r a w 电路图，通过a t p e m t p 仿真计算程序，在改变输电线路 及杆塔相关参数的情况下，对塔顶电位的相关变化进行定性分析，从而得出更符 合实际运行经验的同塔双回输电线路防雷结论。 7 第二章2 2 0 k v 同塔双回输电线路反击耐雷性能研究 2 12 2 0 k v 同杆双回线路的计算参数及杆塔模型 2 2 0k v 双分裂双回路直线塔主要分s z t l 3 型和s z t l 5 型2 种，s z t l 3 型为常 规塔型s z t l5 型为大跨越塔型。本文的计算参数以2 2 0 k v 池观2 8 8 6 线、观菊2 8 5 0 线为代表，并选择易发生雷击事故的2 8 5 0 线样8 5 杆塔为分析对象，该杆塔型号为 s z t l5 型( 尺寸见图2 1 ) ，导线采用l g x 4 0 0 5 0 ，为双分裂导线，分裂导线的分 裂间距为4 0 0 m m ；避雷线采用g j x 5 0 ；水平档距4 1 0 m ，垂直档距6 0 0 m ：该线路 所经地区年雷电日选4 0 ；绝缘子串采用f c 7 0 p 1 4 6 ( 高度为1 2 0 m m ，爬距 2 6 8 m m ) 。 3 4 9 0 单位：m m 图2 1s z t l 5 型同塔双回杆塔 在用a t p 计算雷电流在杆塔中的传播过程时，我们对照图2 1 所示的杆塔模 型建立图2 2 所示的集中参数计算模型，当雷击左侧塔顶左侧避雷线时的 a t p d r a w 电路图如图2 。6 所示。 图2 2 雷击塔顶时电路模型 图2 2 中：z i s 为雷电通道波阻抗，l t 和z c 分别为杆塔的电感和波阻抗， l b l 和z b l 分别为杆塔左侧避雷线的电感和波阻抗，l b 2 和z b 2 分别为杆塔右侧 避雷线的电感和波阻抗，z c 为杆塔接地电阻。 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 ( h 表塔高，v 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【3 0 】。由于杆塔波阻抗的选择将 影响分析结果，因此利用该模型计算2 2 0 k v 同杆双回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【，o 】。国内外对这一问题 已进行了较长时问的研究，目前较为通用的计算公式有】 j o r d ：z ：6 0 l n 旦+ 9 0 丢一6 0 ( 2 1 ) rh 、 。 i e e e 工作组：z = 6 0 h l 2 ( 日幸何+ ，宰，) ，( 2 2 ) 式中：z 一杆塔波阻抗，q ； h 一杆塔高度，m ； r 一杆塔基部等值半径，m 。 但从国内外实测的波阻抗来看，不同类型杆塔的波阻抗各不相同。文献【3 2 】 通过实验研究和分析，得到了计算图2 3 所示杆塔类型的波阻抗计算公式。 ( a )( b )( c ) 图2 3 杆塔类型图 9 ll j ( 2 3 ) 一 压 b 压- 么甲上 k 、 念，强川 ， 一 i捌ji 对图2 3 ( b ) ：z ：6 0 陋( 压堕) 一1 】 ， ( 2 4 ) 对图2 - ( c ) 乃南 犯j ) 乙= 6 0 h l ( h ，) + 9 0 ( ，h ) 一6 0( 2 6 ) 乙= 6 0 1 n ( 6 ) + 9 0 ( 6 日) 一6 0 ( 2 7 ) 在本论文的分析中，我们选择和图2 3 ( a ) 相对应的式2 1 0 作为杆塔波阻抗 的计算公式。 2 2 反击雷过电压 雷击线路杆塔顶部时，由于接地电阻值很大等原因，造成塔顶电位与导线电 位相差很大，可能引起绝缘子串的闪络，由这个电位差引起的绝缘子串闪络称为 反击反击过电压主要是由雷击杆塔引起，雷击杆塔与地形、接地电阻密切相关。 运行经验表明，在线路落雷总次数中，雷击杆塔的次数与避雷线的根数和经 过地区的地形有关。雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值称为击杆率，我国技 术规程建议的山区击杆率g 达到了l 4 【4 j 。 因大部分反击雷事故都是由于塔顶电位过高引起，因此，对于输电线路特别 是山区输电线路，研究雷击杆塔时的塔顶电位具有一定的典型性。 雷击杆塔顶部瞬间，如图2 4 所示，负极性雷电流一部分沿杆塔向下传播， 还有一部分沿避雷线向两侧传播：同时，自塔顶有一正极性雷电流沿主放电通道 向上运动，其数值等于三个负雷电流数值之和。线路绝缘上的过电压即由这几个 电流波引起，这里主要分析流经杆塔和地线中的电流所引起的过电压。 7 +z o 一厂? 厂卜 乙 乙 1 z 譬， 图2 4 雷击塔顶时雷电流的分布 2 2 1 反击时的塔顶电位 对于一般高度( 约4 0 m 以下) 的杆塔，工程上常采用如图2 5 所示的集中参数 等值电路进行分析计算。图中，l g t 和l b 分别为杆塔和避雷线的等值电感，r c h l o 为杆塔的冲击接地电阻。单根避雷线的等值电感约为0 6 7 l “h ( ，为避雷线档距长 度，m ) ，双根避雷线约为0 4 2 l “h 。不同类型的杆塔的等值电感可由表2 1 估算。 表2 1 杆塔的等值电感的平均值 杆塔型式 杆塔电感( 驯m ) 无拉线水泥单杆 0 8 4 有拉线水泥单杆 0 4 2 无拉线水泥双杆 o 4 2 铁塔 o 5 0 门型铁塔0 4 0 考虑到雷击点的阻抗较小，故在计算中可忽略主放电通道波阻抗的影响。由 于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流f 将小于雷电流屯，f 2 肛c ，其中p 为杆 塔的分流系数。d 的值可由图2 5 所示的等值电路求出。对于不同电压等级一般 长度档距的杆塔，d 值可由表2 2 查得。 塔顶电位u t d 为 铲珏。心鲁叫蹦争 ( 2 8 ) 堕：立 以衍 2 6 代入，则塔顶电位的幅值为 哦( 如+ 知 ( 2 9 ) 2 k + 2 k i h | 2 = ；”l l h | 2 。l = 图2 5 雷击塔顶的等值电路 l 芦 如 t川钆r口 尚￥： 表2 2 一般长度档距的线路杆塔分流系数b 线路额定电压( | j 矿)避雷线根数 p 值 1 o 9 0 11 0 20 8 6 10 9 2 2 2 0 2 o 8 8 3 3 020 8 8 2 2 2 反击时的导线电位 与塔顶相连的避雷线具有与塔顶相等的电位( 幅值为u 。d ) 。由于避雷线与导 线之间的耦合作用，在导线上将产生耦合电位k u 。d ，此电位与雷电流同极性。此 外，发生主放电时，导线上存在感应电位a h d ( 1 一k ) ，该电位与雷电流极性相反。 因此，导线上总的电位的幅值u d 为 u 2 七u 村一口( 1 一七) ( 2 1 0 ) 2 2 3 反击时线路上绝缘子串两端电压 由式( 2 1 0 ) 可得线路上绝缘子串两端电压的幅值u j 为 2 一= ( 1 一七) + 口( 1 - 七) = ( 1 一七) ( + 口吃) ( 2 1 1 ) 口：生 将式( 2 8 ) 及2 6 代入式( 2 1 1 ) ，得 吁以1 坝肚曲+ 笔+ 知 ( 2 1 2 ) 雷击时，导线和地线上的电位较高，将出现冲击电晕，k 为耦合系数。 由式( 2 1 2 ) 可以看出：绝缘子串承受的电压与雷电流大小、分流系数p 、杆 塔等值电感l g t 、杆塔冲击接地电阻r c h 、导地线间的耦合系数k 和有关系。当 u j 大于绝缘子串的u 5 0 时，绝缘子串将发生闪络，发生反击。 同时由式( 2 1 1 ) 可以看出，绝缘子串承受的电压随着塔顶电压的增加而非线 性地增加，其反击跳闸率也随之增加【8 l ，因此，可以采用a t p e m t p 程序为分析 手段，定性分析塔顶电位与线路及杆塔各参数之间的关系。 1 2 2 32 2 0 k v 同塔双回输电线路反击耐雷性能研究 2 3 1 杆塔冲击接地电阻对反击跳闸率的影响 图2 5 所示的雷击塔顶的等值电路模型，将双避雷线视作一根避雷线，没有 考虑2 根避雷线之间以及避雷线与导线之间电磁动态影响，也未考虑雷电流波在 避雷线与高杆塔中的传播速度。 为此，考虑到各杆塔及避雷线波阻抗的情况下，建立如图2 6 所示的雷击塔 项时a t p d r a w 电路图，因塔顶最容易发生反击事故而使得绝缘子发生闪络，所 以取塔顶电位为参考点，其中z i s 为雷电通道波阻抗，l t 和z c 分别为杆塔的电 感和波阻抗，l b l 和z b l 分别为杆塔左侧避雷线的电感和波阻抗，l b 2 和z b 2 分 别为杆塔右侧避雷线的电感和波阻抗，z c 为杆塔接地电阻，雷电流峰值取1 0 0 k a ， 运行a t p 计算所得的杆塔的塔顶电位与各支路电流波形图如图2 7 和图2 8 所 示。 冲击电流或雷电流通过接地体流向大地时，接地体呈现的电阻叫冲击接地电 阻，冲击接地电阻与工频接地电阻不同，其主要