（电气工程专业论文）复万220kv输电线路耐雷性能研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 雷击是造成输电线路故障的主要原因，2 2 0 k v 输电线路在我国的电力系统中 占有重要地位，因此防止2 2 0 k v 输电线路发生雷击故障是十分必要，本文对复万 2 2 0 k v 输电线路防雷性能进行研究并提出输电线路耐雷性能的改善措施。 本文利用e m t p 程序、击距法对复万2 2 0 k v 输电线路的耐雷性能进行了研 究，在分析输电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。在现有输电线路防雷研究成果的基 础上进行了雷击输电线路杆塔和雷绕击输电线路的计算，并建立了加装可控避雷 针的输电线路的杆塔模型，通过仿真比较发现，在杆塔上加装避雷针后，杆塔塔 顶的电位明显降低。 通过对该输电线路耐雷性能的仿真计算表明：随着杆塔高度的降低、杆塔冲 击接地电阻的减小、以及绝缘强度的增强反击耐雷水平增大，反击跳闸率减小； 绕击跳闸率随保护角的减小、杆塔高度的降低、绝缘子片数的增加而减小，处于 坡度较大或风口地带的杆塔，其绕击跳闸率明显增加；在塔顶加装避雷针后，反 击跳闸率明显降低。针对该输电线路耐雷性能情况，本文通过仿真比较提出了以 下提高线路耐雷性能的措施： 1 ) 直线杆塔z m 2 2 a 呼称高度选在2 5 m 以上，接地电阻应降低到4 f 以下； 2 ) 直线杆z g 呼称高度在2 1 3 5 m 以上时，保护角应小于2 0 0 ，直线塔z m 2 2 a 呼称高度在2 2 7 m 以上时，保护角不宜超过9 。； 3 ) 对于采用降低接地电阻、减小保护角措施后仍难以有效降低雷击跳闸率的 线路段，可采用增加绝缘子片数来提高线路耐雷性能，如对于直线杆塔z m 2 2 a 呼 称高2 4 m ，冲击接地电阻4 f ，保护角在9 0 以上时，绝缘予应在1 4 片以上： 4 ) 对于地形复杂，接地电阻难以降低的地区，可在塔顶装可控放电避雷针来 提高线路耐雷水平 关键词：输电线路、反击、绕击、雷击跳闸率、耐雷水平 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 l i g h t i n gs t r o k ei st h em a i nr e a s o l lo ft r a n s m i s s i o nl i n ef a u l t s ，2 2 0 k vo v e r h e a d t r a n s m i s s i o nl i n ep l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ep o w e rs y s t e m i ti sn e c e s s a r yt op r e v e n t t h et r a n s m i s s i o nl i n ef a u l t sa n di m p r o v et h el i g h t n i n g - w i t h s t a n dl e v e lt h o u g hs i m u l a t i n g a n dc a l c u l a t i n gt h el i g h t i n gp r o o f p e r f o r m a n c eo f 2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e o b t a i n e db ye m t pp r o g r a ma n dt h ee g m , t h i sp a p e rs t u d i e so nl i g h t n i n g p r o t e c f i p e r f o r m a n c e 0 1 12 2 0 k vo v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n ei nf u w a n ，t h e d i s t r i b u t e dp a r a m o u rm o d e l o ft o w e ri sb u i l tw h e na n a l y z i n gt h eb a c ks t r o k i n g l i # t n i n gp r o t e c t i o np e r f o m m c ef o rt r a n s m i s s i o nl i n e i tc 她t r u l yr e f l e c tt h es p r e a d i n g c 0 u r s co f l i g h t n i n gc u r r e n to nt h et o w e r o nt h eb a s i so f r e s e a r c hf o rp o w e rl h a n s m i s s i o n l i n e sl i g h m i n g - p r o o fp r o p e r t y , t h i sp a p e rc a l c u l a t et h el i g h t o i n g - w i t h s t a n dl e v e lw h e n l i g h t n i n gs t r i k et ot h et o w e ra n ds t r i k et ot h el i n ed i r e c t l ya n db u i l dt h em o d e lo ft h e t o w e rw h e nt h ec o n t r o l l a b l ed i s c l m r g er o di sa d d e d0 1 1t h et o po ft h et o w e r n 壕t o w e r t o pp o t c - a f i a lo b v i o u s l yd e c l i n ew h e n t h ec o n t r o l l a b l ed i s c h a r g er o di sa c l d e d b yc a l c l l l a t i n ga n da n a l y z i n gv a r i o u so ff a c t o rt h a ta f f e c - tt h el i g h m i n gt r i p p i n g p r o b a b i l i t yo f 2 2 0 k v t r a n s m i s s i o nl i n e t h er e s u l t si n d i u mt h a tt h es h i e l d i n gf a i l u r et r i p r a t ed c c r e a s e sw i t l lt h ed e c r e a s eo f t h es h i m d i n ga n g l e t h ed e c r e a s eo f t h et o w e rh e i g h t a n dt h ee n h a n c e m e n ti n s u l a t i o nl e v e l e s p e c i a l l y , t h es h i e l d i n gf a i l u r et r i pm t ei n c r e a s e s m o r er a p i d l y , f o rt h et o w e r sw h i c hl o c a t e da td e e pg r a d i e n to rw i n d yz o n e s t h et r i p r a t e si n t r o d u c e al i g h t i n gs t r i k eo f2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n ec a nb er c s 位c t e db yt a k i n g m e a s u r e sb y 出 锄s i n gt h eg r o u n dr e s i s t a n c e，d e c r e a s i n gs h i e l d i n ga n g l ea n d i n t e n s i f y i n gt h ei n s u l a t i o ns t r e n g t hc t c a n dal o w e rt o w e ri sa l w a y sc h o s e nw h e n t h e o t h e rd e s i g n i n ga s p w t so f t h el i n em e e t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h el i g h l n i n g - w i t h s t a n dl e v e lc a nb ei m p r o v e dt k r o u g ht h e f o l l o w s ： 1 ) w h e nt h eh e i g h to ft h et o w e rz m 2 2 a e x c e , e d s2 5 m ，t h eg r o u n dr e s i s t a n c e s h o u l db el e s st h a n4o h m 2 1w h e nt h eh e i g h to ft h et o w e rz ge x c e c d s2 1 3 5 m , t h es h i e l d i n ga n g e lg h o l l l d b el e s st h a n2 0 。t h es h i e l d i n ga n g e ls h o u l db el e s st h a n9 。w h e nt h eh e i g h to f t h et o w e rz m 2 2 ac x c e e d s2 2 。7 m 。 3 ) f o rt h ea r e aw h e r et h el i g h t n i n go u t a g em t ec a nn o td c c r e 蹴w i t ht h et h e d 以嬲冶o ft h eg r o u n dr e s i s t a n o ea n dt h es h i e l d i n ga n g l e , t b et h el i 棼内她 重壅盔兰三墨堡主堂垡垒奎墨苎塑茎 w i t h s t a n dl 钾e l 啪b ei m p r o v e d 也u g ha d d i n gt h ei n s u l a t o r s w h e nt h e h e i g h to ft h et o w e rz gi s2 5 m ，t h eg r o u n dr e s i a a n c ei s4 0 h ma n dt h e s l a i e l d i n ga n g e le x c e e d s9 。, t h en u m b e ro ft h ei n s u l a w r ss h o u l db em o l et h a n 1 4 f o rt h et o w e r sw h i c hl o c a t e da td e e pg r a d i e n tz o n e s ，t h ec o n t r o l l a b l ed i s c h a r g e r o dc a ni m p r o v et h el i g h t m n g - p r o o f p r o p e r t yo f t r a n s m i s s i o nl i n ea n de n h a n c e t h el i g h t n i n g - w i t h s t a n dl e v e l k e yw o r d ：t r a n s m i s s i o nl i n e ，b a c k 咖o k i n g , s h i e l df a i l u r e ，l i g h t n i n go u t a g e 毗 l i g h t n i n gp r o t e c t i o nm e a s u r e i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 列触 签字日期： w 卯 年6 月岁e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 签字日期：年g 月j _ 日 | 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 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。架空输电线路纵横交错延绵不断地分布在旷野上，而自然界气候千变万化，使 得输电线路极易：遭雷击，如果防雷措施采用不当可能引起绝缘子损坏，架空地线和 输电线路断线，并造成线路跳闸。雷击时产生的侵入波过电压传入变电站还可能引 起站内设备损坏，造成更大的设备事故。统计资料表明，雷害是造成高压输电线路 停电事故的主要原因之一，因此输电线路的防雷一直是电力系统安全可靠运行的一 个重要环节j 。 根据国家电力公司的统计表明：雷击各级输电线路而引发的跳闸事故占总事故 的6 0 左右。尤其在地形复杂、土壤电阻率高和多雷电的山区，雷击输电线路而引 发的事故率更高【2 】。而复万2 2 0 k v 输电线路在达县、达川市境内，即从复兴变电所 到万源变电所，线路总长11 7 千米，沿线多数地段山势陡峭、沟谷纵横，地形起伏 变化大，局部地段将出现大档距，大高差，地形条件十分差。该线路投入运行后， 曾多次出现雷击跳闸事故，工厂因雷击停产、通讯系统因雷击中断、供电系统因雷 击停电等等，对达川地区造成了巨大的经济损失。 另外，随着社会经济的快速发展，我国电力公用事业对供电的可靠性提出了更 高的要求。复万2 2 0 k v 输电系统主要是面向大型企业等重要电力用户，认真总结复 万2 2 0 k v 输电线路的运行经验，对复万2 2 0 k v 输电线路的耐雷性能进行理论分析和 研究，并提出有效的防雷保护措旌，使防雷技术更趋完备，无疑具有深远的现实经 济意义【3 】f 4 】。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 输电线路防雷保护发展 输电线路的防雷保护大体上经历了四个发展阶段。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。因此，为了减少相导线上感应过电压，在输电线路上加装 了地线，但这条地线是挂在相线下面的仅作为耦合地线用。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1 1 0 2 2 0 k v 高压线路来说，直击雷是主要矛盾并提出了直 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 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 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。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 c3 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 5 胴【7 l 。 为了减少输电线路的雷击故障，一般采用的是减小避雷线屏蔽角，增加绝缘子 绝缘长度、多重屏蔽、双回路差接绝缘和降低杆塔接地电阻等技术措施，这些措施 中唯有降低杆塔接地电阻值是最为灵活，较为经济。容易实施，效果明显的一种手 段。但是，对于布在山区高土壤电阻率的易击段与易击杆塔所在线路，降低杆塔接 地电阻难度较大，难以达规程要求，而提高绝缘水平将会使杆塔更宽更高而受到杆 塔结构及走廊宽度的限制，即使方便可行也会使投资增加很多，降低经济效益。对 于采用负角保护，减小屏蔽角与多重屏蔽的方法将受到杆塔结构的限制，对于一些 老线路的改造难以进行，且由于山区线路地形限制，经过坡地的线路绕击率高，使 绕击雷对线路造成的故障率高的问题没有好的对策，因此即使用了以上措施，有不 少地区仍不能有效降低雷击跳闸事故率1 1 1 1 1 9 1 。 从8 0 年代开始美国和日本先后成功地将避雷器应用到输电线路上，称之为线 路避雷器( 又称杆塔型避雷器) ，在各种电压等级的线路上都有成功动作的记录。线 路型避雷器在我国是从1 9 9 3 年开始研制和应用的。1 9 9 7 年乐山电业局1 1 0k v 五沙 线1 0 5 号铁塔，是一基过江大跨度高塔，年年遭受雷击，绝缘子常被打坏，采用羊角保 护、降低接地电阻等方法仍不能解决问题。后来安装了一组1 1 0k v 线路避雷器( 带 串联间隙) ，至今未发生过雷击该塔造成线路跳闸和损坏绝缘子的事故，取得了很好的 效果【l 哪。1 9 9 8 年肇庆电力工业局将该项技术应用于1 1 0 k v 珠西线的雷电防护，对 雷窖比较严重的2 8 号塔附近线路上，装设线路型避雷器的耐雷水平进行计算分析， 加装线路型避雷器后线路耐雷水平大幅提高。经实践与计算表明，选择合适的杆塔 避雷器技术参数，安装到雷电活动强烈或土壤电阻率高、且降低接地电阻有困难的 线段，可大大提高部分线段耐雷水平，进而降低整个线路的跳闸率，并实时监测输 电线路运行情况与雷击次数，做到状态维护，减少线路维护工作。这种防雷措施将 大大改善输电线路防雷性能，且性能与投资比较高【1 1 】。 近年来，人们又尝试将避雷针应用于输电线路上，在输电线路塔顶装设可控放 电避雷针，既可减少绕击的发生，也可降低反击的发生概率。湖南、广西、福建等省 2 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 高压输电线路使用后，雷击跳闸率明显降低。湖北在咸宁、宜昌、荆州2 2 0 k v 输电 线路于今年各装2 0 只，咸宁2 2 0 k v 塘汪回1 l 号、1 4 号、7 7 号和7 9 号杆塔装 设的可控针雷击动作共计5 次，1 1 0 k v 宫铁线1 1 号杆塔动作7 次，线路均未跳闸。 2 0 0 5 年，通化供电公司2 2 0 千伏输电线路1 7 次遭受雷击。去年该公司在8 条2 2 0 千伏线路雷电频发地区加装了7 4 个新型可控放电避雷针。至今线路仅有2 次雷击， 大大改善了2 2 0 千伏输电线路防雷能力，降低了线路雷击跳闸率。但由于时间较短。 还需加强观测，积累运行经验，为今后大面积应用作准备【1 2 【1 3 1 。 1 2 2 输电线路耐雷性能的计算方法 输电线路防雷性能的优劣，工程上主要用耐雷水平和雷击跳闸率这两个指标来 衡量。耐雷水平是指线路遭受雷击时所能耐受的不至于引起绝缘闪络的最大雷电流 幅值( 1 【a ) ，耐雷水平愈高，线路的防雷性能愈好。雷击跳闸率是指折算到年雷电 日数为4 0 的标准条件下，每1 0 0 k i n 的线路每年因雷击引起的线路跳闸次数，单位 是1 1 0 0 k m - a 。雷击跳闸率是衡量线路防雷性能的综合性指树。 1 1 0k v 及以上输电线路一般全线装有单避雷线或双避雷线。电网为中性点直接 接地系统，一相线路电弧接地即会引起跳闸。通常线路落雷有3 晕申情况：雷击杆 塔塔顶及其附近避雷线；雷绕击导线；雷击避雷线档距中央。输电线路在设计 时的绝缘水平，能满足雷击避雷线档距中央不会引起对导线的放电，故这种雷击情 况不会引起跳闸事故。1 1 0k v 及以上输电线路的雷击跳闸是由雷击杆塔塔顶和雷绕 击导线引起的【嘲。 目前国内分析输电线的防雷性能的方法主要有规程法、电气几何模型法、蒙特 卡罗法、行波法、e m t p 仿真等，现分别给予简单介绍。 规程法 规程法中的线路反击计算，工程上应用起来简单方便，而且它经过了实践的检 验，能满足目前我国一般线路的反击防护设计要求。但是，该标准在对输电线路反 击耐雷性能进行分析时，将杆塔视为一等值电感，杆塔上任意点的电位相同，既不 能反映雷击塔顶时雷电流在在杆塔上的传播过程，以及反射波对塔顶电位的影响， 也不能反映绝缘子串上电压随时间变化的过程。因此，规程法是一种简化的方法， 与实际有一定的差距【蛳。 行波法 行波法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问的变化过程，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贝杰龙数学模型出发的所以又称为贝杰龙法。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 蒙特卡罗法 蒙特卡罗法又称为统计模拟法或统计试验法。就是利用数学的方法来产生各种 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 值解的渐进统计估计值。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。用蒙特卡罗法计算雷击跳闸率的优点 在于防雷计算中的很多参数的变化是随机的蒙特卡罗法用产生随机数来模拟实际 雷电流，雷击部位，线路电压等能比较真实地反应实际情况且计算速度快，但是其 局限性在于，真实模拟输电线路耐雷性能的先决条件是必须有符合客观规律的雷电 流参数的原始数据嗍【搠。这些原始数据的差异将大大影响模拟计算的结果，但这些 原始数据的收集困难。例如雷击中部位的判据难找，雷击中部位的闪络判据也不好 找，目前尚无规定一个统一的判据。 电气几何模型法( 击距法) e g m 是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 析模型。经典e g m 的核心是“w h i t e h e a db r o w n 的绕击模型。它建立在如下基本 概念和基本假设上： 1 ) 先导放电通道头部到达被击物体的击距以前，击中点是不确定的。 2 ) 击距的大小决定于雷电流幅值，关于雷电流幅值与击距的函数关系， 主要由如下所列方程： 8 - - 2 i + 3 0 ( i e - 7 7 “1 d a r v e n i z a j = 1 0 o ”l o v e s ：9 4 j 狮w h i t e h e a d j = 8 ，”i e e e j = 3 3 1 0 “s u z u k i ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 式中，毛击距m ； j r 雷电流幅值k a 。 防雷工作者倾向于用方程( 1 4 ) 所给出较短的击距方程。它也是i e e et 作组1 9 8 5 年推荐值。本文是用方程( 1 4 ) 来表示击距和雷电流幅值的关系。 方程( 1 4 ) 也可以写成 ，= o 0 4 l s t mf 1 6 1 3 ) 假定先导接近地面时的入射角服从某一给定的概率分布函数，垂直落雷密 度最大，水平落雷密度下降到零。 4 ) 不考虑雷击目的物的形状和临近效应等因素对击距的影响，假定先导对杆 塔、避雷线、导线的击距相等。 4 重庆大学工程硕士学位论文i 绪论 经典e g m 作为一种绕击计算方法，将雷电的放电特性同线路结构尺寸联系起 来，比传统的经验方法前进了一大步。目前在世界上许多国家得到推广和应用，显 示了强大的生命力。但是该模型存在一些不足：它未考虑放电分散性，它未考虑其 它因素对击距的影响；它未考虑雷击大地、避雷线、导线时的差别，而是假定先导 对三者的距离相等；它是根据杆塔高度不高( 6 0 m 以下) 、保护角在1 0 0 3 0 0 以及 接地良好的线路的运行数据和模拟试验得出的模型，有限定的使用范围1 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 。 1 )改进电气几何模型 s a r g e n t 对运用m o n t ec a r l o 仿真法计算线路耐雷性能和雷击高结构物两方面作 出了重要的贡献。s a r g e n t 认为雷击结构物的雷电流幅值的频率分布曲线与结构物的 高度和结构物的形状( 避雷针、避雷线) 。并画出了结构物高度的影响曲线。 g i 7 7 7 7 7 7 7 。 _ 7 7 7 7 7 7 7 ( a ) 屏蔽失效( b ) 完全屏蔽 图i i 输电线路雷电绕击分析 晦1 it h ea n a l y s i sf o rt i e , h m i n gs 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 e r i k s s o n 针对经典电气几何模型的一些不足，提出了改进电气几何模型。 e r i k s s o n 的模型主要考虑了结构物高度对输电线路雷电绕击的影响，并引入了吸引 距离这一基本概念。e l 怄s o n 的改进电气几何模型认为：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而发生雷 击；吸引半径同雷电流幅值和结构物高度直接相关；下行雷电先导可以从不同的角 度靠近结构物，但是一旦超出结构物的吸引半径外，雷电先导将直击地面1 2 a 1 1 2 4 1 。改 进模型中输电线路的两种屏蔽情况如图1 1 所示。 吸引半径可表示为； r = 0 6 7 f 1 0 ，“ ( 1 乃 式中，日为结构物高度( m ) ；，为雷电流幅值( k a ) 。 s 、旆o p趁 重庆大学工程硕士学位论文 l 绪论 线路绕击闪络率为 p = f 矗取d 刃 ( 1 8 ) 绕击跳闸率为 口= n 0 7( 1 9 ) 式中为地面落雷次数，玎为建弧率。 现在绝大多数的防雷工作者将e g m 作为设计雷电屏蔽系统的有效方法。 e m t p 仿真 美国帮纳维尔电力局b p a 编制的电磁暂态过程计算程序e m t p ，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。电磁暂态过程计算程序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性线法，和求解集中 参数电路暂态过程的梯行法两者结合起来。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 2 s 1 2 6 。 1 3 本文研究的主要内容 ( 1 ) 建立计算复万2 2 0 k v 输电线路反击跳闸率仿真模型及在塔顶加装避雷针时 的仿真模型。 ( 2 ) 利用规程法及e m t p 仿真计算输电线路的反击跳闸率，研究不同杆塔高度、 接地电阻及绝缘水平对反击跳闸率的影响情况。 ( 3 ) 利用规程法和击距法计算输电线路的绕击跳闸率，研究不同的杆塔高度、保 护角、地面倾角及风速等对绕击跳闸率的影响情况。 ( 4 ) 通过对输电线路耐雷水平和雷击跳闸率影响因素的分析，提出改善复万 2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的可行性措施。 6 重庆大学工程硕士学位论文 2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 2 1 酬t p 的原理介绍 e m t p 程序是利用把求解分布参数线路波过程的特性线法和求解集中参数电 路暂态过程的梯行法两者结合起来而形成的数值计算方法编制而成的。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【2 7 l 。 2 1 1 单根均匀无损线的暂态等值电路 行波法是把杆塔的横担看作一组短传输线，从线路的贝杰龙数学模型出发，采 用集中参数电路的节点分析方法来分析。真实的反映了杆塔结构对波的传播过程产 生的影响这种方法获得的杆塔上各点的电位更能符合雷击线路时塔顶电位的实际情 况，图3 1 为传输线的原型和转化为集中参数的贝杰龙等效模型其中z c 为线路 波阻抗。 ( 1 ) k 和m 为一条导线的两端，在计算等值电路中是独立分开的； ( 2 ) 每一个节点包含一等效电流源五( t - z ) 或厶( 卜- d ，其值由比现在时刻f 早f 的 时刻的线路另一端电压、电流值( 即过去的记录) 来确定。等效电流源，k 和厶的递 推公式为： ， i r ( t f ) = 一专o ( f f ) 一厶( f f ) i a 鳗黯最翌妫辞值电蔚 图2 1 单根均匀无损线路的等值计算电路 f i g 2 1 i s o t i m i gc o m p u i i n ge l e c u i cc i r c u i to f s i n g l eu n i f o r ml o s s l e s st m m i m i s s i o nl i n e 利用线路的等值计算公式和电感、电容、电阻元件的暂态等值计算电路，就很 容易将复杂的实际网络简化为贝杰龙等值计算网络。因为这种网络只包含集中参数 电阻和电流源，电压源一般也可以等值为电流源，就可以用一般的集中参数电阻网 络的分析方法求解网络中不同时刻f 的节点电压和电流 2 s 1 1 2 9 1 。 7 重庆大学工程硕士学位论文2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 2 1 2 电感的暂态等值电路 对如图3 - 2 ( a ) 所示的线性电感l ，根据电磁感应定律可以写出如下关系： t 厂1p ( a ) c b ) 图2 2 电感的等值计算电路 f i g 2 2l s o t i m l cc o m p u t i n ge l e c h i cc i t u u i to f i n d u c t o r 码( 力：( 力一( 力：三掣 ( 2 1 ) 式中五珂( 力表示由节点量流向节点茄的电流，吨( 1 ) 和( o 分别为两端点的电位。 设已知( t - a t ) 时刻流经电感的电流和节点电位为乞( f f ) 和u k ( t a o 、 ( f 一o ，求f 时刻的电流和电位乞( o 、( 力和( 力。为此，把上式改写成积 分形式： ( 力一( f 一卸= 专。o 。( t ) a t ( 2 ，2 ) 根据梯形积分 乞( f ) = 乞( f 一厶1 ) + 等【屹p a t ) + 屹( 踟 ( 2 3 ) 考虑u r t ) = ( 毋一( 力，上式可改写成 乞( 力2 玄【口t ( 力一( 力】+ 五( 一力 ( 2 4 ) 式中： 雹2 茜 ( 2 5 ) 毛( 一厶玲2 乞( f _ 玲+ 玄【琢( 一玲一( f 一明 ( 2 6 3 根据式( 2 4 ) 可以得到如图2 2 ( b ) 所示电感的等值计算电路。其中是是电感l 的等值 计算电阻，只要时间步长f 确定后，即可由式( 2 5 ) 求出。i z ( t 一f ) 是电感的等值计 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( 2 6 ) 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( 2 6 ) 0 k 重庆大学工程硕士学位论文2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 的递推计算结果： 。乙 一力2 ，上( 一2 玲+ 玄【( f 一力一( f 一明 ( 2 7 ) 代入式( 2 1 2 ) 也可以得到新的更为简便的电感等值电流源递推公式 毛 。一力2 五( f 一2 玲+ 素【磁( f 一厶务一( 一观 ( 2 8 ) 2 1 3 电容的等值计算电路 对如图2 - 3 ( a ) 所示的电容元件，其电压电流关系可以表示为 = 掣；c a u , ( z ) 出- u ( o 或者写成积分的形式： ( 力一( 力= 吨( f 一力一( r 一f ) + 去。( o ( 2 1 0 ) 同理，应用梯形积分公式可由上式得到： 乞( 1 ) = 去心( 力一( 明+ 如( f - 的 ( 2 1 1 ) 其中： 弓= 磊a t ( 2 1 2 ) 毛( 一力。( 一力一意【( 一力一( f _ 明 ( 2 1 3 ) 分别为电容的等值计算电阻和等值计算电流源【弼。 和电感相似，由式( 2 1 2 ) 可以得到只包含电阻和电流源的电容等值计算电路，如 图所示2 - 3 ) 。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： 易( f 一f ) 2 一拓( f 一2 1 ) 一云【唯( f 一力一( f 一明 ( 2 1 4 ) 二阿 (a)(” 图2 3 电容的等值计算电路 f i g 2 3i s o f i m i cc o m p u t j i l ge l e c l r i cc i r c u i to f p i c ：i t 蛐c e 9 一r 争一蝌 j11叫10 重庆大学工程硕士学位论文2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 对于集中参数电阻元件题图2 4 ) ，因为它不是储能元件，其暂态过程与历史记 录无关，电压电流关系按欧姆定律由代数方程决定，无需进一步等值。 r r 图2 4 电阻电路 f i 9 2 4r e s i s t a a c ec i r c u i t 么( 力= 叱( 。一( 明 ( 2 1 5 ) 利用以上得到的线路和电感、电容、电阻元件的暂态等值计算电路和等值计算 公式，就很容易将复杂的实际网络化为只包含集中参数电阻和电流源的贝杰龙等值 计算网络。 2 2 雷电放电过程及雷电参数 2 2 1 雷电放电过程 雷电放电是由带电荷的雷云引起的。雷云的底部大多数是带负电的，它在地面 上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间， 或着雷云和大地之间就形成强大的电场，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，就会发生云间或对大地的火花放电。 实测表明，对地放电的雷云绝大多数带负电荷。根据放电雷云电荷的极性来定 义，此时雷电流的极性也为负。雷云中的负电荷逐渐聚积，同时在地面感应出正电 荷，当雷云与大地之间安德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，称为先导放电。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。 当先导通道到达地面或者与迎面先导相遇以后，就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，这就是主放电。雷 电观测表明，先导放电并不是一次贯穿空间，而是间歇性的脉冲发展过程，第一次 冲击放电的电流幅值最高，第二次及以后的电流幅值都比较低，但对g i s 变电站的 运行可能造成一定程度的危险；而且它们增加了雷电放电的总持续时间，对电力系 统的运行同样会带来不利的影响口1 】圈。 i o 重庆大学工程硕士学位论文2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 2 2 2 雷电放电的计算模型 尽管先导放电是不规则的树枝状，而且是脉冲式地发展；但研究表明，它还是 具有分布参数的特征，可以近似假定它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导 电通道，称为雷电通道，其波阻抗为z o 。再把主放电过程看作是沿着波助抗为z o 的无限长的雷电通道，自天空向地面传来的前行波到达a 点的过程，这样，就从地 面感受的实际效果和工程实用的角度出发，把雷电放电过程简化为一个数学模型， 从而得出它的彼德逊等值电路，如图所示。雷电通道波阻抗z 0 的数值通常取为 3 0 0 f 1 。 电压源譬值电蘑电淀源蕃懂电路 图2 5 雷电放电计算模型 f i 舀2 5c a l c u l a t i o nm o d e lo f l i g h t i n gs t r i k e 2 2 ，3 雷电参数的统计数据j 雷电放电涉及气象、地形、地质等许多自然因素，有很大的随机性，因而表征 雷电特性的诸参数也就带有统计的性质。许多国家都在输电线路和变电站中附设观 测装置，进行长期的系统的雷电观测，将观测所得的数据进行统计分析，为防雷保 护的设计研究提供依据。主要的雷电特性参数如下： 雷电流幅值概率分布 雷电流为一非周期冲击波，其幅值与气象、自然条件等有关，是一个随机变量， 只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。我国现行标准推荐按下式计算； t l g p = 一亩 ( 2 1 6 ) 式中：p 雷电流幅值等于大于l 概率；i _ _ 雷电流幅值，k a ； 上述雷电流幅值累积概率计算公式适用于我国大部分地区。对于雷电活动很弱 的少雷地区，雷电流幅值概率可按以下公式求得： t l g p = 一古 ( 2 1 7 ) 斗斗 雷电流波形 虽然雷电幅值随各国的自然条件不同而差别很大，但是各国测得的雷电流波形 重庆大学工程硕士学位论文2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 却基本一致。据统计，波头长度大多在l g s - 5 m s 的范围内，平均2 a s - 2 5 坤。 我国在防雷保护设计中建议采用2 6 a s 的波头长度。根据以上分析，在防雷保护计 算中，雷电流的波形采用2 6 5 0 a s ，波形如图2 6 所示。 图2 6 仿真所采用的雷电流波形 f i g 2 6l i g h m m gc 珈口e l i tw a v e f o r mi nc o m p u t e rs i m u l a t i o n 地面的落雷密度 为了防雷设计和采取有效的防雷措施，必须知道地面落雷密度。地面落雷密度 ，的定义为：每个雷电日每平方公里地面上平均落雷次数。实际上，y 值与年平均雷 电日乃有关。一般乃较大的地区，其，值也较大。 关于地面落雷密度与雷电日数的关系，我国标准推荐采用以下关系式： n g = 0 0 2 3 刀3( 2 1 8 ) 式中为每年每平方公里地面落雷数；而为雷电日数；由此可以推出 ，= 0 0 2 3 驴 ( 2 1 9 ) 对乃= 4 0 的地区，按我国标准取值y = o 0 7 ， 表2 1 击杆率 一歹弋 l2 地形 平原 1 ，4 1 1 6 山区l 厅l ，4 重庆大学工程硕士学位论文2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 击杆率 运行经验表明，在线路落雷次数中雷击杆塔的次数与避雷线根数和经过地区的 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g ，中华人民共和国 电力行业标准d l ，r 6 2 0 1 9 9 7 规定的击杆率如表2 1 所示。 建弧率 绝缘子串在雷电冲击电压作用时，冲击电压过去后，弧道仍有一定程度的游离， 在工频电压作用下，将会形成工频电弧。雷电压持续时间很短，绝缘子的冲击闪络 时间也很短，继电保护来不及动作，所以仅有冲击闪络并不会引起开关跳闸，只有 当冲击闪络火花转变为稳定工频电弧，才会引起开关跳闸，因此一条线路的雷击跳 闸数，不仅与耐雷水平有关，而且与冲击闪络之后弧道建立工频电弧的可能性，也 就是建弧率有关，建弧率可表示为： 建立稳定的工频电弧的次数 1 总的冲击闪闪络次数 建弧率的大小主要与工频电压下弧道平均场强的大小有关，也与闪络瞬间工频 电压的瞬时值和去游离条件等有关。根据实验室的试验数据和线路运行经验的分析 结果，建弧率可按下式计算： r = ( 4 5 e “”一1 4 ) x l o 。2( 2 2 0 ) 式中e 为绝缘子串的平均运行电压梯度( k v r m s m ) 。 对中性点直接接地系统 庐而南丽( 2 2 1 ) j i 十u 厶 对中性点非直接接地系统 肛括 2 z + 五 7 “系统额定电压( 1 ( v ) ；z 为绝缘子串长度( m ) ；正为木横担线路的线间距离( m ) ； 对铁横担和钢筋混凝土横担线路，五= o 。 雷击跳闸率 每百公里线路、4 0 雷电日，由于雷击而引起的开关跳闸的次数( 重合闸成功也 算一次) ，称为该线路的雷击跳闸率n ，简称跳闸率，它是衡量线路防雷性能好坏的 综合指标。线路的总跳闸率n 为雷击杆塔跳闸率与绕击率之和，即 口= 配吕耳+ e e ) 可( 2 2 3 ) 式中，只为绕击率；昱为雷电流幅值超过绕击耐雷水平的概率；曩为雷电流幅 值超过雷击杆塔耐雷水平的概率 重庆大学工程硕士学位论文2 复万2 2 0 k v 输电线路耐雷性能的研究 2 3e m t p 仿真模型的建立 2 3 1 杆塔模型 通常沿输电线路杆塔的波过程有两种模拟方法：一是把杆塔作为有电阻和电感 相串联的集中参数模型；另一种就是把杆塔作为分布参数来处理，各种杆塔有其特 定的波阻抗。比较而言，分步参数