（电力系统及其自动化专业论文）10kv配电线路防雷水平分析及提高方法的研究.pdf

a b s tr a c t t h elo k vd i s t r i b u t i o n l i n ei s i m p o r tp a r t o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，w i d e d i s t r i b u t i o na n dl o wi n s u l a t i o nl e v e l l i g h t n i n g s t r o k et n pr a t eo c c u p m saf m r l y l a r g ep r o p o r t i o no fa l lt r i pr a t eo n 10k vd i s t r i b u t i o nl i n e s d i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t s a n du s e re q u i p m e n t sa r ed a m a g e db yl i g h t n i n ga c c i d e n t s ，l i g h t n i n ga c c i d e n t sc a t l s e l a r g e a r e ab l a c k o u t ，e v e np e r s o n a li n j u r y a ts e r o u ss i t u a t i o n ，b r i n gl o s s e st o i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，b r i n gi n c o n v e n i e n c et op e o p l e s l i f e ，s ot h e c u r r e n ts t a t eo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o ns h o u l db es t u d ya n df i n dm e a s u r e st o1 r e p r o v e l e v e lo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n ，r e d u c el i g h t n i n gt r i p 。o u t r a t ea n dd a m a g er a t eo f d i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t s ，s u r eu n b l o c k e do fb u s i n e s se l e c t r i c a l ，s a f e t yo fu s e r , s a f e a n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a i ma tl i g h t n i n gt r i po f10 k vd i s t r i b u t i o nl i n e ，a n a l y s i s t h a tt h el i g h t n i n g i n d u e e dv o l t a g ea i et h em a i nc a u s eo ff l a s h o v e ro nd i s t r i b u t i o nl i n e t h eg e n e r a t i o n m e c h a n i s mo fl i g h t n i n gi n d u c e dv o l t a g e so nd i s t r i b u t i o nl i n ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r , i ti sp o i n t e do u tt h a te l e c t r o s t a t i ci n d u c t i o nc o m p o n e n ti sm a i np a r to fl i g h t n i n g i n d u c e dv o l t a g e ，a n a l y s i sh a r mo fl i g h t n i n gi n d u c e dv o l t a g e s c a l c u l a t i o nm e t h o d o f l i g h t n i n gi n d u c e dv o l t a g ei sg i v e nb ys o l v i n ge l e c t r o s t a t i ci n d u c t i o nv o l t a g em o d e l o fo v e r h e a dl i n e t h i sp a p e ri n t r o d u c e su s eo fe l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e p s c a d e m t d co nl i g h t n i n gt r a n s i e n to v e r - v o l t a g eo f o v e r h e a dl i n e ，a n a l y s i s i s e o fc o m m o nl i g h t n i n gp r o t e c t i o nm e a s u r e s ，i ti sp o i n t e dt h ei m p o r t a n ti n d e x e so n l e v e lo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o na r el i g h t n i n gw i t h s t a n d l e v e la n dl i g h t n i n gt r i p o u tr a t e c o m b i n i n gw i t h 10 k vd o n g c h e n gl i n e ，u s em e t h o do fe l e c t r o m a g n e t i c a i l a l y s i s 、e s t a b l i s hs i m u l a t i o nm o d e l ，a n a l y s i sp r e s e n t l e v e lo fl i g h t n i n gp r o t e c t m no n l i n e ，s t u d yf a c t o r st oe f f e c tl i g h t n i n gw i t h s t a n dl e v e la n dl i g h t n i n gt r i p 。o u t r a t eo f l i n e ，a tl a s t ，a c c o r d i n gt or e s u l ta n dc o m b i n i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，p r o p o s em e a s u r e s t o i m p r o v el e v e lo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o no nl i n eb yr e d u c i n gp o l ea n dt o w e ( sh e i g h t ， s t r e n g t h e nl i n ei n s u l a t i o n ，r e d u c eg r o u n d i n g r e s i s t a n c e ，f i xl i n ea n e s t e ra n dl i g h t n i n g s h i e l dl i n e ，e c t k e vw o r d s ：d i s t r i b u t i o nl i n e ；l i g h t n i n g s t r i k eo v e r - v o l t a g e ；m e a s u r e o f l i g h t n i n gp r o t e c t i o n ；l e v e lo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n ；g r o u n d i n g r e s i s t a n c e 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 喜多麦 川o , f 0 西南交通大学曲南父遗大罕 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 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 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：童爹蓑 同期：研夕二7 指导老师签名：乎鹱了 日期：只r - 矽 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的意义 第1 章绪论 电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的，是将一次能源 转换成电能并输送和分配到用户的系统。输电网和配电网统称为电网，是电力 系统的重要组成部分。配电网是电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能 的重要环节，由架空线或电缆配电线路、配电所或配电变压器、断路器、补偿 电容、各种开关、继电保护、自动装置、测量和计量仪表以及通信和控制设备 等组成，除因电网结构薄弱、停电检修、拉闸限电等因素会导致配电网供电可 靠性下降外，雷击也是造成配电网供电可靠性下降的一个重要因素。0 - 5 l o k v 配电线路是配电网的重要组成部分，分布广、绝缘水平低，连接着变 电站和众多用户，在雷雨季节，经常因雷害事故引起配电设备和用户设备的损 坏，如绝缘子击穿或爆裂、配电线路断线、避雷器爆裂、配变毁坏、家用电器 损坏，造成大面积停电，严重的情况下甚至造成人身伤亡等，给工农业生产带 来损失，给人们日常生活带来不便。电网故障分类统计表明，在配电线路运行 的总跳闸次数中，由于雷击引起的跳闸次数约占总跳闸次数7 0 ，- - 8 0 e 6 。7 】，尤 其在多雷、土壤电阻率高、地形复杂、档距大的地区，雷击配电线路引起的故 障率更高。 l o k v 配电线路能否安全、稳定、可靠地运行，不但直接关系到企业用电的 畅通，用电人员的安全，而且涉及到电力系统能否正常的运行，因此需要进行 l o k y 配电线路防雷水平分析及提高方法的研究，降低雷击跳闸率，减少配电网 雷击损坏率，提高配电网供电可靠性，确保配电网的安全运行。 1 2 国内外研究现状 配电线路纵横延伸，地处空旷地带时，高出地面，具有引雷作用。l o k v 架空线路防雷保护包括架空裸导线防雷保护和架空绝缘导线防雷保护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 1o k v 架空裸导线防雷措施 目前，国内外常用降低l o k v 架空裸导线配电线路雷击跳闸率的主要措施 有：加强线路绝缘、加装线路避雷器、降低杆塔接地电阻、装设自动重合闸装 置、架设避雷线、合理使用消弧线圈等。 1 、加强线路绝缘 为了提高l o k v 配电线路的耐雷水平，需加强线路绝缘。瓷横担的耐雷水 平是铁横担针式绝缘子的3 倍多，因此，在l o k v 线路中应尽量选择瓷横担。 对于现有铁横担线路，应更换成高一级的绝缘子。将线路上的p - i o 型针式绝 缘子更换为f p q w 一1 0 型复合绝缘子( 转角杆处更换为p - 1 5 型针式绝缘子) 时， 线路的雷电冲击闪络电压可由7 5 k v 提高到1l o k v 。【8 】 表1 - 1 绝缘子串冲击闪络电压 绝缘子型号 x p - 7 0x p - 7 0x p - 7 0x p - 7 0 片数 1 肯2 片 3 片 4 片 冲击闪络电压( k v ) 1 1 52 3 03 2 43 6 7 增加绝缘子片数，可提高线路的雷电冲击闪络电压，见表卜l ，2 片x p 7 0 绝缘串冲击闪络电压是1 片x p 一7 0 绝缘子冲击闪络电压的2 倍，3 片x p 一7 0 绝 缘子串冲击闪络电压是1 片x p 一7 0 绝缘子冲击闪络电压的2 8 2 倍，4 片x p 7 0 绝缘子串冲击闪络电压是1 片x p - 7 0 绝缘子冲击闪络电压的3 1 9 倍。可见， 每增加一片绝缘子，冲击闪络电压几乎提高l 倍。p 1 2 、装设线路避雷器 l o k v 配电线路上，每隔一定的间隔( 6 到7 基杆塔) 安装一组硅橡胶氧化 锌避雷器( 型号为h y 5 w s - 1 7 5 0 ) ，是配电线路防雷的有效措施。特别是在l o k v 配电线路的绝缘薄弱点，如个别金属杆塔、特别高的杆塔、个别铁横担、带拉 线的杆塔和终端杆处，应装设避雷器进行保护。通常，保护绝缘子的线路避雷 器与线路绝缘子并联安装。 在线路加强绝缘后，从节约技改费用考虑，在线路上不再等间隔大量安装 避雷器，但在以下特殊部位安装带脱离器的氧化锌避雷器作为附加保护。 ( 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在有配变的地方、在配变前2 基杆塔的地方加装一组避雷器，兼做线路保护 和配电变压器的保护；( 2 ) 为防止开路反射，凡柱上断路器无避雷器保护的， 在电源侧增装一组避雷器，其接地线与断路器金属外壳相连。在土壤电阻率p 1 0 0 ( q m ) 的地区，接地电阻应小于1 0q ，在土壤电阻率p = 1 0 0 - - 5 0 0 ( q m ) 的地区，接地电阻应小于1 5q ；( 3 ) 为防止感应雷电波在转角杆处因双向进 波幅值升高，引发绝缘子闪络，在角度小于1 0 0 度的转角杆上，加装一组避雷 器进行保护，接地电阻要求同上；( 4 ) 大跨越档易遭直击雷和感应雷，断线 事故难以恢复。在挡距大于5 0 0 m 的大跨越档的两侧杆塔上，各装设一组氧化 锌避雷器，接地电阻要求同上；( 5 ) 为防止不同电压等级线路交叉跨越点事 故，在与l o k v 线路交叉的线路的交叉挡的两侧各加装一组线路避雷器，接地 电阻小于1 0q 。【1 0 1 3 、降低杆塔的接地电阻 降低杆塔接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高。目前降低杆塔接地电 阻的方法主要有： ( 1 ) 加大接地体尺寸 根据理论分析计算可知，无论哪一种接地体，增大尺寸，均会降低线路杆 塔接地装置的接地电阻。 ( 2 ) 水平外延接地体 杆塔接地处允许的情况下尽可能采用水平放射接地体，不仅可以降低工频 接地电阻，更重要的是可以有效降低冲击接地电阻，起到有效的防雷作用。但 如在水平放射长度的1 5 倍的范围内有较低土壤电阻率的地方，可以采用外引 接地的方式。 ( 3 ) 外引接地 指引出接地线与埋在深井内、湖边或大树下等低土壤电阻率处的接地极相 连。 ( 4 ) 采用降阻剂 实践证明，在水平接地体周围施加高效膨润土降阻防腐剂，对降低杆塔的 接地电阻效果明显。 ( 5 ) 深埋接地极 指避开地表高电阻层，将接地极埋在地下土壤电阻率小的更深处，可用竖 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 井式或深埋式接地极。选择埋设地点时应选择：地下水丰富或地下水位较高的 地方。若杆塔附近有金属矿体，可将接地体插入矿体上，利用矿体来延长或增 大接地体尺寸。 ( 6 ) 换土 土壤电阻率的高低直接影响接地电阻，如采用其他方法降阻有困难，可用 电阻率低的土壤来代替电阻率高的土壤，即换土，以获得较低的接地电阻。【1 1 】 4 、装设自动重合闸装置 由于线路绝缘具有自恢复性质，线路遭雷击后，雷电闪络产生稳念的工频 电弧使相问短路，当开关跳闸后电流被切断，电弧熄灭。经一定时间重合后， 电弧一般不会重燃。因此安装重合闸装置对降低线路的雷击事故效果较好。据 统计，3 5 k y 及以下的线路重合闸成功率达5 0 - - - , 8 0 。因此应尽量在架设在多 雷区的1 0 k y 线路分支线路安装重合闸装置，提高供电的可靠性。 5 、架设避雷线 架设避雷线是防止雷直击配电线路的保护措施。在配电线路上架设避雷线 可使雷电流向各个线柱分流，增强耐雷水平。i t 2 对感应雷来说，由于避雷线的屏蔽效果，可抑制其在相导线中产生的过电 压。传统方法采用同杆架设架空避雷线对空旷地带架空线路进行屏蔽保护，可 使感应雷过电压大幅降低原来的( 1 一k ) ，k 为避雷线与导线之间的耦合系数乘 以冲击系数。如果导线高度为1 0 m ，导线间距为0 7 m ，设雷击点距离导线5 0 m ， 雷电流幅值为1 0 0 k a ，雷电流波形为2 4 9 u s ，则没有装设架空地线时，感应雷 过电压最大值约为5 0 0 k y ，装设一根架空地线，平均高度为1 1 m ，则感应雷过 电压最大值可降低为3 0 0 k y 。可见架设避雷线对限制感应雷过电压具有极大的 作用。【1 3 1 由于配电线路设计的绝缘水平较低，雷击架空避雷线后很容易造成反击闪 络。 6 、合理使用消弧线圈 雷电活动强烈、接地电阻又难以降低的地区，1 0 k v 配电网可考虑电网中性 点经消弧线圈接地。雷击闪络大多数是从单相闪络发展为相间闪络的，采用消 弧线圈后，可使大多数雷击单相闪络接地故障被消弧线圈消除，不至发展为持 续的工频电弧。而当雷击引起两相或三相闪络故障时，第一闪络并不会造成跳 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 闸，先闪络的导线相当于一根避雷线，增加了分流及对非故障相的耦合作用， 使未闪络相绝缘上的电压下降，从而提高了线路的耐雷水平。正确整定消弧线 圈的运行参数，可明显减小相间闪络建立工频电弧的概率。采用消弧线圈接地 后运行效果良好，雷击跳闸率可降低1 3 左右。 1 2 21o k y 架空绝缘导线防雷措施 1 、l o k v 架空绝缘导线雷击断线机理 绝缘导线解决了架空裸导线的走廊和树线矛盾，提高了运行的可靠性，与 电缆相比，投资省、建设快，优点十分明显，但l o k v 绝缘导线雷击断线导致 运行可靠性降低的问题却十分突出。 绝缘导线雷击断线与裸导线遭雷击断线明显不同。当直击雷或感应雷过电 压作用于裸导线引起绝缘子闪络时，弧根受电磁力作用沿导线表面滑移，接续 的工频短路电流在电动力作用下沿导线向背离电源方向移动，不会严重烧伤导 线，而且在工频续流烧断导线或损坏绝缘之前可以用线路出口开关跳闸，切断 电弧，不会造成导线断线。绝缘导线则不同。雷击过电压引起绝缘子闪络并击 穿导线绝缘层时，瞬间电弧电流很大，在架空绝缘线绝缘层上形成一针孔，接 续的工频接地短路电流电弧受周围绝缘的阻凝，弧根只能在针孔处燃烧。由于 l o k v 线路绝缘相对薄弱，雷击往往引起两相或三相导线对地闪络，相对地电弧 在电磁力和热应力的作用下，弧腹向负荷侧的上空漂移，两相电弧交汇易发展 成相间电弧。电弧弧根温度很高，又集中在一点燃烧，在极短的时间内，线路 出口开关还未及动作以前，导线就会被整齐地烧断。要保证架空绝缘线路安全 运行，需要妥善解决雷击断线问题。 1 4 - i s l 2 、l o k y 架空绝缘导线防雷击断线措施 根据绝缘导线雷击断线的机理，研究者认为，消除绝缘导线断线有两种方 法：一是将绝缘导线与绝缘子相连部分的绝缘层剥掉，由于电弧能在导线表面 移动，则不会烧蚀绝缘导线，但必须安装保护间隙，防止工频续流烧蚀绝缘子。 另外一种方法就是采用避雷器保护，切断工频续流，达到防止导线断线的目的。 相应的防范措施就有“疏导 和“堵塞两种方式。 “疏导”就是将绝缘子附近的绝缘导线局部裸线化，使工频电弧弧根转移 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 或固定在特制金具上燃烧，从而保护导线免于伤害。芬兰在绝缘子与导线联结 处剥离绝缘层并加装闪络保护型线夹，瑞典和美国将绝缘子两侧的绝缘导线剥 离一段绝缘层并加装防弧线夹，日本将绝缘子处的导线绝缘层剥离，加装放电 钳位绝缘子。“疏导 的方式操作简单、投资少，但局部裸露，存在密封和绝 缘缺陷。f 1 6 】 “堵塞就是防止雷击闪络后工频电流起弧。日本大量采用限流消弧角， 即串联环形外间隙金属氧化物避雷器。“堵塞”方式防护效果好，但施工复杂、 投资大。 正在研究的还包括：在绝缘子两侧局部加强导线绝缘；采用长闪络路径避 雷器，延长闪络路径，使电弧容易熄灭；降低工频电弧建弧率等方法。【1 7 1 l o k v 配电线路的防雷研究是一个新兴的、较大的科研课题，其相应的整改 措施亦在不断试验和完善之中。 1 3 本论文的主要工作 本论文分析了l o k v 配电线路遭受雷击的主要形式，感应雷过电压产生的 机理、计算方法，指出感应雷过电压的危害。研究结合l o k v 东城线，应用电 磁分析法，电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c ，分析影响该线路防雷水平的因素， 给出提高该线路防雷水平的具体措施。本论文共分为五章，文中各章的研究内 容为： 第一章介绍了进行l o k v 配电线路防雷水平分析及提高方法研究的意义， 并综述了国内外配电线路防雷研究现状，明确了本文的研究对象，提出本文的 研究内容。 第二章介绍了l o k v 线路雷击过电压的主要形式，感应雷过电压产生的机 理、计算方法及其危害。 第三章研究配电线路雷电过电压分析方法与常用防雷措施的作用。 第四章在收集整理东城线防雷运行资料的基础上，分析其防雷现状，讨论 影响其防雷性能的因素。 第五章着重探讨提高东城线防雷水平的措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章1o k v 架空配电线路感应雷过电压 雷电作为一种无法抑制的强大的自然力的爆发，不仅威胁着人类的生命安 全，而且使电力行业的电力输电线路、电气设备等遭到破坏。 2 1 雷电概论 雷电放电是由带电荷的雷云引起的。雷电放电可分为雷云对雷云的放电、 雷云内部放电、雷云对大地放电，虽然大多数雷电放电发生在雷云之间，但人 们研究最多的是雷云对地放电，因为云地雷电造成的伤害对电力系统和通讯系 统的影响最大。 2 1 1 雷电放电过程 雷电放电的三个阶段：( 1 ) 先导放电阶段。雷云对大地有静电感应，在雷 云电场下，大地感应出正电荷，两者形成一个特殊的大电容器，随着雷云中电 荷的逐步积累，空间的电场强度不断增大。当雷云中电荷密集处的电场强度达 到空气击穿场强( 2 5 - - 3 0 k v c m ) 时，就产生强烈的碰撞游离，形成指向大地的 一段导电通道，称为雷电先导。先导放电不是连续向下发展的，而是一段接着 一段地向前推进。( 2 ) 主放电阶段。当一下行先导接近地面时，会从地面较突 出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时，便产生强烈的 “中和”过程，引起极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随出现闪电和 雷鸣现象。主放电阶段的特点是：主放电存在的时间极短，约为5 0 - - , l o o u s ；电 流极大，可达数十乃至数百千安。( 3 ) 余光放电阶段。主放电到达云端就结束 了，然后云中残余电荷经主放电通道流下来，称为余光放电阶段。由于雷云中 的电阻较大，余光放电阶段对应的电流不大( 约数百安) ，持续时间则较长 ( 0 0 3 o 0 5 5 s ) 。 雷云中的电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个 电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三个甚至更多个的中心向 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第一个中心放电，并沿原先的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二 次及以后的主放电电流一般较小，不超过3 0 k h 。 2 1 2 雷电参数 l 、雷暴日、雷电小时 为了评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现 雷暴日或雷电小时来估计。在每一天内( 或一小时内) 只要听到雷声就算一个雷 暴日( 或雷电小时) 。据统计，每一雷暴同大致折合为三个雷暴小时。雷暴日的 分布与地理位置有关。一般热而潮的地区比冷而干燥的地区多，陆地比海洋多， 山区比平原多。就全球而言，雷电最频繁的地区在赤道附近，雷暴日平均约为 1 0 0 - - - , 1 5 0 日，最多者达3 0 0 日以上。我国年平均雷暴日分布，西北少于2 5 日， 长江以北2 5 - - 4 0r ，长江以南4 0 , - - , 8 0 日，南方大于8 0 日。我国规程规定， 等于或少于1 5 日雷暴日的地区称为少雷区，4 0 雷暴日以上的称为多雷区，超 过9 0 日的地区为特殊强雷区。在防雷设计中，应根据雷暴日分布因地制宜。 2 、地面落雷密度 雷暴日和雷电小时的统计中，并没有区分雷云之间的放电与雷云之间对地 的放电。只有落地雷才可能产生对电力系统造成危害的过电压，因此需要引入 地面落雷密度这个参数，它表示每一雷暴日每平方公里地面受到的平均落雷次 数，用y 表示。它与雷暴日数有关，可用下式表示： y = o 0 2 3 t a 。3 ( 2 一1 ) 式中：乃为雷暴同数。 3 、雷电流的幅值、波形和陡度 经过长时期的系统的雷电观测，实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波。 对于脉冲波形的雷电流，需要三个主要参数来表征，这三个参数为：幅值、波 前时问和波长。波前时间是指电流上升到幅值的时间，波长是指电流下降到幅 值的一半的时间。 ( 1 ) 雷电流的幅值 雷电流幅值是指脉冲电流所达到的最高值。雷电流的幅值大小与许多因素 有关，主要有气象、地质条件和地理位置。其中气象情况有很大的随机性，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 此只有通过大量实测才能正确估算雷电流峰值的概率分布。根据长期实测数据 整理的结果，我国目前在一般区域使用的雷电流幅值超过i 的概率曲线，可用 经验公式表示为 1 8 l l g p 一去 ( 2 2 ) 式中：，为雷电流的幅值；p 为幅值超过i 的雷电流出现的概率。 在平均雷暴同数只有2 0 或更小的部分地区，雷电流幅值也较小，可用下 式表示： l g p = 一石i ( 2 3 ) 雷电流幅值，一般不超过1 0 0k a 。 ( 2 ) 雷电流的波形 雷电流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 形却基本一致。实测表明，雷电流的波前时间t ，大多在l u s 5 u s 的范围内， 平均在2 2 5 u s ，d l t 6 2 0 - 1 9 9 7 t 1 9 1 推荐取2 6 u s ；雷电流的波长时间一般在 2 0 l o o u s ，平均约为5 0 u s 。在线路防雷计算中，雷电流的波形可以采用 2 6 5 0 u s 。 电力设备的绝缘强度试验和电力系统的防雷保护设计中，都要求将雷电流 波形等值为典型化的可以用解析式表达的波形。常用的等值波形有以下几种： i ) 标准冲击波 标准冲击波又称双指数波，其表达式为： 图2 - i 雷电流的标准波形( 双指数波) 图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 i = ，0 ( e 一耐一e 一历) ( 2 4 ) 式中：i o = a i 为某一固定电流值，a 为常数；口、是两个常数，由雷电流波 形确定。标准冲击波波形如图2 - 1 所示。 2 ) 等值斜角波 为了简化防雷计算，常将雷电流用等值斜角波来表示，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 雷电流的等值斜角波形图 其中波头陡度由雷电流幅值和波前时间决定。斜角波的波尾部分可以是无 限长( 图中实线，雷电流波长对防雷计算结果影响不大) ，此时又称为斜角平 顶波。若有一定波长( 图中点化线) ，又称为三角波。 斜角波的数学表达式简单，用以分析雷电流引起的波过程比较方便。 3 ) 等值余弦波 o 5 ， 图2 - 3 雷电流的等值余弦波形图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 等值余弦波其表达式为： ， f = 二( 1 一c o s 刎) ( 2 5 ) 、 z 式中：国= r c t ，。 等值余弦波如图2 - 3 所示。这种等值波形仅在大跨越、特殊高塔线路防雷 设计时采用。 ( 3 ) 雷电流的陡度 雷电流的幅值和波前时间决定其上升的陡度电流随时间的变化率。雷 电流的陡度对过电压有直接的影响，也是一个常用重要参数。雷电流波前的平 均陡度可用下式表示： 口：上( 2 6 ) 2 6 ( 4 ) 雷电波阻抗z 0 雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线 一样，具有某一等值波阻抗，称为雷电波阻抗。根据理论研究和实测分析，我 国有关规程建议z 。取3 0 0q 左右。 2 2 配电线路雷击过电压形式 配电线路雷击过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压两种形式。 2 2 1 直击雷过电压 直击雷过电压是指雷云击中杆塔、电力装置等物体时，强大的雷电流流过 该物体泻入大地，在该物体上产生的很高的电压降。 2 2 2 感应雷过电压 感应雷过电压是雷电击线路附近的大地时，在导线上由于电磁感应产生的 过电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 研究表明，l o k v 架空配电线路由雷击引起线路闪络或故障的主要因素不是 直击雷过电压而是感应雷过电压，配电线路遭受直接雷过电压的概率很小，约 占雷害事故的2 5 ，感应雷过电压导致的故障比例超过7 5 。 2 0 1 因此，对架空 配电线路感应雷过电压的研究具有十分重要的意义，本文防雷研究主要针对感 应雷过电压。 2 1 - 2 4 2 3 感应雷过电压产生的机理 雷云的极性有正有负，根据实测结果，约有9 0 左右的雷云为负极性雷。 以负雷电为例，感应雷过电压的形成如图2 4 所示。在雷云放电的初始阶段， ，一黟缝 霭云 8 ， 咎缓 图2 - 4 感应雷过电压形成示意图 存在着向大地发展的先导放电过程，线路处于雷云与先导通道的电场中，由于 静电感应，沿导线方向的电场强度e ，将导线两端与雷云异号的正电荷吸引到靠 近先导通道的一段导线上成为束缚电荷，导线上的负电荷则由于e ，的排斥作用 而使其向两端运动，经线路的泄漏电导和系统的中性点而流入大地。因为先导 通道发展速度较慢，所以导线上电荷的运动过程也很缓慢，不形成明显电流。 同时由于对地泄漏电导的存在，导线电位将与远离雷云处的导线电位相同。当 雷云对线路附近的地面放电时，先导通道中的负电荷被迅速中和，先导通道所 产生的电场迅速降低，使导线上的束缚电荷得到释放，沿导线两侧运动形成感 应雷过电压。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 电压称为感应雷过电压的静电分量，其电压幅值可能很高。同时，雷电通道中 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 的雷电流在通道周围空问建立了强大的电磁场，此电磁场的变化也将使导线感 应出很高的电压，这种由于先导通道中雷电流所产生的磁场变化所引起的感应 电压称为感应雷过电压的电磁分量。由于主放电通道是和导线相互垂直的，所 以两者间的互感不大，即电磁感应不大，因此电磁分量要比静电分量小得多。 通常感应雷过电压的静电分量和电磁分量出现最大值的时刻并不相同，所以在 总的感应雷过电压幅值的构成上，静电分量起主要作用。【2 5 】 2 4 感应雷过电压的计算 架空线路感应雷过电压的计算是电力线路绝缘设计、采取防雷保护措施的 基础计算。国内外的许多专家学者先后提出了多种计算雷击导线附近大地时架 空线上产生的感应雷过电压的方法 2 6 - 3 0 1 ，本文采用电磁场法对感应雷过电压进 行分析计算。 由于静电分量是架空线路感应雷过电压防护的主要影响因素，因此在感应 雷过电压计算中，应以静电感应电压的计算为主。在过电压计算中可假设： ( 1 ) 先导通道中的电荷均匀分布，其线电荷密度为p ，； ( 2 ) 空间电场由先导电荷形成； ( 3 ) 先导通道中的电荷在主放电时是全部瞬时被中和，主放电通道是垂 图2 - 5电磁场分析感应雷过电压示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 直向上，不考虑分支 3 1 - 4 3 1 。 图2 - 5 是应用电磁场分析计算感应雷过电压示意图。设雷击点0 距架空线 正下方地c 点的水平距离为s ，导线离地高度为h d ，d c 上任意一点a 的电场 强度垂直分量为e 一，由静电场中电荷与电场强度的关系可得： 驴旦4 n s of = ：y 考知；- - 。e 舞 ：旦r 一：竺：一+ ；：兰一4 n s o ( 日一j ，) 2 + s 2( 五一y ) 2 + s 2 一_ 一+ _ 兰一 ( 2 7 ) ( h + y ) 2 + s 2 ( 办+ y ) 2 + s 2 式中：p ，为雷电先导的电荷线密度；h 为雷云高度；h 为迎面先导高度；y 为 a 点对地高度；y 7 为下行先导p ，砂7 段对地距离：y 为y7 的镜像；占。为空气介 电常数。雷击地面时，设无迎面先导产生，即h = 0 ，考虑到h s 、日 h 。， 则上式可以简化为 2 去，赤 8 ) 则导线上的感应雷过电压为 吁n 砂= 去m 睁 设雷电主放电速度为y ，则雷电流，= p ，1 ，上式可表示为 卟赤h 睁 取k = i l ，为常数。因此正对雷击处形成的感应雷过电压为 z 刀苫。 ， ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ( 2 - 1 1 ) 吣k 等】 ( 2 _ 1 2 ) 以上静电感应雷过电压最大幅值是基于理想化的假设得到的，实际线路上 静电感应雷过电压还要进行一些修正，其修正系数为k ，则 v g k k 。争纠争 m 在国外的防雷研究中，通常取k = 3 8 8 ，并根据线路具体情况，取 k ，= 0 6 0 9 4 5 - 4 6 进行修正。我国一般直接取k7 = 2 5 【4 7 1 来计算静电感应雷过 电压。对于导线平均高度为l o m 的架空线路，若雷击点距离此线路5 0 m ，雷电 流幅值为l o o k a ，无任何保护措施时，感应雷过电压的最大值约为5 0 0 k v 。由 于配电网线路的绝缘水平较低，在如此高的过电压下，极易发生绝缘击穿、闪 络、断线等事故。因此，必须采取有效措施来抑制感应雷过电压，确保配电网 的安全运行。 上面计算的是正对雷电处导线上的感应雷过电压。导线上距离杆塔中心点 为x 处的过电压与中心点的感应电压的计算方法相同，只需将公式( 2 1 3 ) 中 的s 换为s 2 + x 2 ，即 吣2 5 志( 2 - 1 4 ) 感应雷过电压波形如图2 - 6 所示。感应雷电压在距中心点2 3 s 处降为最 大值的2 8 。因此，可以把感应雷电过电压看成是宽度为4 3 s 的对称波，分析 时，可将图2 - 6 所示的电压波分解为两个电压为u g ( x ) 2 的向相反方向运动的 “半波 ，如图2 - 7 所示。 s m肼 f f 为 g 七 舭可式上 s 当 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 jo l o 、 5 0 ，| 2 8 _ 西j 图2 - 6 传输线路感应雷过电压波形图 对于图2 - 7 所示架空传输线，在某时刻t 时的电压可表示为 图2 - 7 感应雷过电压沿线传播示意图 u g o ，t ) = 寺u g o w ) + 号u g o + 订) - 3 蚴4 南+ 南j 协1 5 ) 取导线的波阻抗z = 3 0 0q ，则感应雷电流 “圳= 半一o 帆 2 5 感应雷的危害 1 l( 2 1 6 ) j 绝大多数l o k v 配电线路为1 2 片绝缘子，由于绝缘水平低，感应雷和直 击雷都易导致绝缘子闪络。感应雷过电压同时存在于三相导线，相间不存在电 位差，故只能引起对地i 人j 络。目前我国配电网大多采用中性点不直接接地方式， 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 不直接接地方式的优点是发生单相接地故障后，允许继续运行0 5 2 小时 4 8 - 5 3 1 ，不至于引起用户断电，提高了供电可靠性，但随着配电网的扩大，电缆 和架空线路的增多，这种方式显示出弊端。当配电网发单相接地故障后，接地 电弧不能自行熄灭必然发展成相间短路，造成用户停电和设备损坏事故。当发 生断续性弧光接地时，会引起较高的弧光过电压，一般为3 - 一5 倍相电压甚至 更高【5 4 1 ，波及到整个配电网致使绝缘薄弱的设备放电击穿，引起设备损坏和停 电事故，还可能引发火灾和爆炸事故。感应雷过电压沿线路侵入变电所( 站) 或配电室内，侵入波过电压可能导致设备和人员遭受雷击，若感应雷过电压窜 入低压系统，将威胁广大的低压用电设备和人员。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章配电线路雷击过电压分析方法与常用防雷措 施的作用研究 3 1 配电线路雷击过电压分析方法 3 1 1 规程分析法 在我国的防雷规程d l t 6 2 0 1 9 9 7 中，通过近似公式来估算感应雷过电压。 距离架空线路s 6 5 m 处，雷云对地放电时，线路上产生的感应雷过电压最大值 u g 2 5 i h d s ( 3 1 ) 式中：，为雷电流幅值：h d 为导线平均高度；s 为导线与雷击点的距离。 规程法是一种简单的计算方法，由于只粗略考虑了雷电流幅值、线路高度 等因素对感应雷过电压的影响，忽略了一些因素，由该公式计算出的感应雷过 电压偏大，使得对线路的耐雷水平估计偏保守。f 5 5 】 3 1 2 仿真分析法 由加拿大马旱托巴高压直流研究中心推出的p s c a d f l e m t d c 软件包是当前国 际上普遍流行的一种优秀的电磁暂态分析软件包，在世界上已有超过1 0 0 0 家 的商业、工业和研究机构等广泛用户。该软件由p s c a d ( p o w e rs y s t e m c o m p u t e ra d d e dd e s i g n ) 和e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t si n c l u d i n g d c ) 两部分软件组成，前者负责界面图形，后者负责模拟计算。 1 、p s c a d e m t d c 在电力系统中的应用 p s c a d e m t d c 适用于各种电力系统的设计和及仿真。作为一个3 0 年电力系 统仿真研究的成果，它可对包含复杂非线性元件( 如直流输电设备) 的大型电力 系统进行全三相的精确模拟，其输入、输出界面非常直观、方便。p s c a d e m t d c 的主要应用领域包括：输电系统设计和性能研究、变压器饱和效应和设备绝缘 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 配合、次同步共振、滤波器设计和谐波分析、高压直流和柔性输电特性研究、 电能质量研究、电机性能研究、雷电冲击、故障和断路器操作、控制系统设计 和优化、继电保护测试等i s 6 。 2 、雷电过电压保护分析的基本功能和相关元件 ( 1 ) 基本功能 和其它的电磁暂态仿真软件包，比如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 s p r o g r a m ) 和a t p ( a lt e r n a t et r a n sie n t sp r o g r a m ) 相比，p s c a d e m t d c 具有界 面友好、建网灵活和使用方便等特点。从过电压模拟的功能来看，该软件包能 够模拟以下过雷电过电压现象： 1 ) 输电线路( 架空线路和电缆) 雷电暂态过电压； 2 ) 发、变电站雷电侵入波过电压； 3 ) 接地系统中的雷电冲击电位抬高； 4 ) 弧光接地过电压。 ( 2 ) 主要元件 在实施对上述雷电过电压现象进行模拟仿真时，p s c a d e m t d c 提供了颇为 齐备的系统元件库。从类型上分，与过电压模拟相关的元件可分为以下几类： 1 ) 线性集总r 、l 、c 元件； 2 ) 线性集总单相和多相型电路； 3 ) 单相和多相分布参数线路； 4 ) 电压源、电流源( 可为正弦、双指数、斜角波等多种时变函数) ； 5 ) 放电间隙； 6 ) 非线性电阻、非线性电感； 7 ) 时变元件； 8 ) 时控和压控开关； 9 ) 整流元件； 1 0 ) 控制电路。 所述的这些元件被放在主界面的工具栏中，以鼠标左键点击，在参数表中 输入具体的参数值，并拖动连接，可按需要搭建成指定的系统网络图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 2 常用防雷措施的作用 3 2 1 配电线路防雷水平性能指标 衡量线路防雷性能优劣的重要指标一般有两个：一是线路耐雷水平，一是 线路雷击跳闸率。 线路耐雷水平是指雷击线路时，线路绝缘子不会发生闪络的最大雷电流幅 值。低于耐雷水平的雷电流击于线路不会引起闪络，反之，则必然会引起闪络。 配电线路雷电流超过线路耐雷水平引起绝缘子发生闪络冲击时，由于冲击闪络 时间很短不会引起线路跳闸，但若在雷电消失后由工作电压产生的工频短路电 流电弧持续存在，将引起线路跳闸。【5 7 】 线路雷击跳闸率是指每1 0 0 k m 线路每年( 折算到4 0 个雷暴日下) 由雷击 引起的线路跳闸次数，它是衡量线路耐雷性能的综合指标。 线路耐雷水平越高，雷击跳闸率越低，说明线路的防雷性能越好。所以如 何提高线路耐雷水平，降低雷击跳闸率是防雷设计中非常重要的工作。 3 2 2 常用防雷措施作用研究 1 、架空地线的作用 在线路下方架设地线，可增加与导线之间的耦合作用以降低绝缘子上的电 压，另外，架空地线还可增加对雷电流的分流作用【5 引。 2 、避雷器的作用 避雷器是专门用以限制雷电过电压或操作过电压以保护电气设备的一种 装置。避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成对地短路，随之工频短路电 流( 称工频续流) 要流过此间隙，它以电弧放电