（电力电子与电力传动专业论文）35kv架空线路感应过电压研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：窖扯 日期：伽i7 年6 月矿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 名：蚋1 讲，统靠 日期：b f f 年6 月矽日 日期2 训年6 月o 日 摘要 架空配电线路裸露在空气中，极易遭受雷击产生雷电过电压，导致线路保护装置跳 闸甚至线路电气设备元件的损坏，从而造成供电中断，影响了广大用户的生产和生活。 对于架空配电线路而言，直击雷的危害远大于感应雷，因此，长期以来对架空配电线路 的研究主要集中在直击雷上，对感应雷的研究相对较少。有研究表明，1 0 k v 架空配电 线路由雷击引起的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，感 应雷过电压导致的故障比例超过9 0 。因此本文对架空配电线路感应雷过电压的计算与 防护进行研究具有十分重要的意义。 论文分析了雷电感应过电压产生的机理，并对国内外关于感应过电压计算的多种理 论方法进行研究，从不同角度研究了雷击杆塔时架空线路上可能出现的过电压情况，采 用麦克斯韦电磁场理论详细的分析了雷击杆塔的物理过程，对影响感应过电压的主要因 素杆塔参数、上行先导的长度进行简单的研究。 本文还对架空配电线路感应雷过电压幅值和波形的影响因素进行了研究，研究结果 表明雷电流的参数、线路高度、雷击点、大地电导率等参数对架空配电线路感应雷过电 压的幅值和波形都有不同程度的影响。 通过对感应过电压的产生过程和仿真中需要参数模型的理论分析，建立适当的线路 参数模型和雷电流模型，从提高架空配电线路水平的角度采用p s c a d ( p o w e rs y s t e n l c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 软件对雷击杆塔进行了仿真分析。雷击杆塔时主要对无防雷措 施、加强线路绝缘、架设避雷线、安装避雷器后不同接地电阻下的耐雷水平进行了仿真， 通过仿真和现场监测情况得出提高线路耐雷水平的措施。本文的分析研究对架空配电线 路的防雷具有指导意义。 关键词：架空配电线路；感应雷过电压；场抵消法；p s c a d r e s e a r c ho fl i g h t n i n gi n d u c e do v e r v o l t a g eo n o v e r h e a dl i n e s s h il i ( p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nj i m i n g a b s t r a c t t h eo v e r h e a dd i s t r i b u t i o nl i n e sa r ee x p o s e di nt h ea i r , s om e ya rea p tt ob ed a m a g e db y l i g h t n i n ga n dc a b s el i g h t n i n go v e r v o l t a g e t h eo v e r v o l t a g em a y c a u s e sl i n ep r o t e c t i o nd e v i c e b r e a ko re v e nc a u s e sc i r c u i te l e c t r i c a le q u i p m e n td a m a g e ，w h i c hw i l li n t e r r u p tp o w e rs u p p l y a n da f f e c tu s e r s p r o d u c t i o na n dl i v e s f o rt h eo v e r h e a dd i s t r i b u t i o nl i n e s ，t h ed a m a g eo f d i r e c tl i g h t n i n gi sw o r s et h a ni n d u c e dl i g h t n i n g ，s ot h er e s e a r c ho ft h eo v e r h e a dd i s t r i b u t i o n l i n e sh a sm a i n l yf o c u s e do nd i r e c tl i g h t n i n gf o rl o n gt i m e ，a n dt h er e s e a r c ho fi n d u c e d l i g h t n i n g i sr a t h e rl e s s r e s e a r c h e si n d i c a t e t h a t t h em a i nf a c t o ro f35 k va n dl o w e r o v e r v o l t a g el e v e l so v e r h e a dd i s t r i b u t i o nl i n e s ，f l a s h o v e ro rf a u l t sb yl i g h t n i n gi si n d u c e d l i g h t n i n gi n s t e a do fd i r e c tl i g h t n i n g ，t h ep r o p o r t i o no ft h ef a u l t sb yi n d u c e dl i g h t n i n ge x c e e d s 9 0 t h e r e f o r e ，i t ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h ec a l c u l a t i o na n dp r e v e n t i o no fl i g h t l l i n gi n d u c e d o v e r v o l t a g eo no v e r h e a dd i s t r i b u t i o nl i n e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o d u c t i o np r i n c i p l eo fl i g h t n i n gi n d u c e do v e r v o l t a g ea n d r e s e a r c h e sav a r i e t yo ft h e o r i e sa n dm e t h o d sa b o u ti n d u c e do v e r v o l t a g ec a l c u l a t i o na th o m e a n da b r o a d i ts t u d i e so v e r v o l t a g ew h i c hm i g h ta p p e a ro no v e r h e a dl i n e sw h e nl i g h t n i n g s t r i k e st o w e r sf r o md i f f e r e n ta n g l e s t h i sa r t i c l ea n a l y z e so ft h ep h y s i c a lp r o c e s si nd e t a i l e d u s e dm a x w e l l se l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r yw h e nl i g h t n i n gs t r i k e st o w e r t h e ni tr e s e a r c h e s t h em a i nf a c t o r st h a ti m p a c tt h ei n d u c e do v e r v o l t a g es i m p l y , s u c ha st o w e rp a r a m e t e r sa n dt h e l e n g t ho ft h eu p l i n kl e a d e r t h i st h e s i sa l s or e s e a r c h e st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ea m p l i t u d e sa n dt h ew a v es h a p e s o ft h el i g h t n i n gi n d u c e do v e r v o l t a g eo no v e r h e a dd i s t r i b u t i o nl i n e s ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t p a r a m e t e r ss u c ha st h ep a r a m e t e r so fl i g h t n i n gc u r r e n t ，t h eh i g ho ft h el i n e ，t h ep o s i t i o no f l i g h m i n ga n dg r o u n dc o n d u c t i v i t ya f f e c tt h e m 粕 a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fg e n e r a t i o np r o c e s so fi n d u c e do v e r v o l t a g ea n d p a r a m e t e rm o d e lu s e di ns i m u l a t i o n , t h i sp a p e rb u i l d sa p p r o p r i a t ec i r c u i tp a r a m e t e rm o d e la n d l i g h t n i n gc u r r e n tm o d e l t h e ni ts i m u l a t e sa n da n a l y z e st h ep r o c e s so fl i g h t n i n gs t r i k e st o w e r s u s e dp s c a d ( p o w e rs y s t e mc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) i no r d e rt oi m p r o v et h el i g h t i n g r e s i s t i n gl e v e l i nt h es i m u l a t i o n ，i tp r i m a r i l ys i m u l a t e st h ef o l l o w i n gc i r c u m s t a n c e s ：t h e r ei s n op r o t e c t i o nm e a s u r e s ，e n h a n c et h el i n ei n s u l a t i o na n di n s t a l lo v e r h e a dg r o u n dw i r ea n d a r r e s t o r sw i t hd i f f e r e n tg r o u n d i n gr e s i s t a n c e t h o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm o n i t o r i n gi n f i e l d ，i to b t a i n st h em e a s u r e so fi m p r o v et h el i g h t i n gr e s i s t i n gl e v e lo fl i n e s t h er e s e a r c ho f t h i st h e s i si so fi n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c et op r e v e n tt h eo v e r h e a dd i s t r i b u t i o nl i n e s 舶m l i g h t n i n g k e y w o r d s ：o v e r h e a dd i s t r i b u t i o nl i n e s ；l i g h t n i n gi n d u c e do v e r v o l t a g e ；f i e l do f f s e t m e t h o d ；p s c a d 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的及意义1 1 2国内外研究概况2 1 2 1架空线路感应过电压计算的研究3 1 2 2 架空线路感应过电压防护的研究4 1 2 3过电压在线监测装置的研究5 1 3 本课题完成的主要工作6 第2 章感应过电压的产生机理与分析计算方法8 2 1 雷击过程及计算模型的建立8 2 1 1雷电放电过程8 2 1 2 感应雷过电压的产生1 0 2 1 3 杆塔模型及其参数1 1 2 1 4 上行先导长度的选择1 2 2 1 5 研究感应过电压的几点假设1 4 2 2 感应过电压的计算与分析：1 5 2 2 1 杆塔电磁过程的物理描述15 2 2 2 电荷和电流波产生的电场1 6 2 2 3 电荷波产生的延迟标量位17 2 2 4 电流波产生的延迟矢量位1 8 2 3 感应过电压的计算1 9 2 3 1 场抵消法1 9 2 3 2 简化算法2 0 第3 章线路感应过电压仿真模型的建立。2 6 3 1 雷电流模型2 6 3 1 1 雷电流参数2 6 3 1 2 本文采用的雷电流模型2 8 3 2 杆塔模型2 8 3 2 1杆塔结构2 9 3 2 2 集中电感模型2 9 3 2 3 单一波阻抗模型3 0 3 2 4 本文采用的杆塔模型31 3 3 3 5 k v 架空线路模型3 2 3 4 避雷器模型3 2 3 4 1 p i n c e t i 避雷器等效电路3 3 3 4 2 本文采用的避雷器模型。3 4 3 5 绝缘子串模型3 4 3 5 1 绝缘子串伏秒特性3 4 3 5 2 绝缘子闪络判据3 5 3 5 3 本文采用绝缘子闪络模型3 6 3 6 感应过电压模型3 8 第4 章某3 5 k v 架空线路综合防雷仿真3 9 4 1 雷击杆塔模型的建立及仿真3 9 4 2 接地电阻对防雷效果的影响。4 4 4 3 避雷线防雷模型的建立和仿真4 4 4 4 结论4 5 第5 章过电压在线监测系统的应用。4 7 5 13 5 k v 过电压在线监测系统的原理及总体结构4 7 5 1 1 系统原理4 7 5 1 2 系统总体结构4 8 5 2 3 5 k v 系统过电压在线监测装置的功能与特点4 9 5 2 1 在线监测系统的功能4 9 5 2 2 在线监测系统的技术参数5 0 5 2 3 系统主要特点5 0 5 3 过电压在线监测装置的现场应用情况5 1 第6 章总结与展望5 5 v 参考文献5 6 致 射6 0 附录6 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究的目的及意义 第1 章绪论 随着科学技术的发展和人们认识的提高，电力电气设备的可靠性逐步增加，电网运 行过程中的操作失误也呈减少的趋势，因此由雷击引起的电网故障次数和危害性超过操 作过电压，成为影响电网安全可靠运行的主要原因之一。在自然条件恶劣的地区，受雷 电活动的强烈和地形等影响因素，雷击输电线路引起的事故率更高。由于架空线路是直 接暴露于环境中，其所经地形也复杂多样，加之输电线路一般距离较远，因此极易受到 外界的影响和损害。雷电直击架空线路或者雷击杆塔和架空线附近大地时，都会在输电 线中产生很高的过电压，从而引起线路开关跳闸，更有甚者，过电压将导致线路电气设 备元件的损坏，致使供电中断甚至系统瓦解等恶性停电事故【1 1 。 出现在架空线路上雷电过电压根据雷击点的不同可分为两种形式：一种是直击雷过 电压，这类过电压对架空线路的影响比较直观而且危害比较大，因此，直击雷过电压最 先被人们认识到并加以研究，以往对雷电过电压的研究主要集中这一方面。另一种是过 电压形式是感应雷过电压，由于认识水平和研究范围的原因，很长时间以来对感应过电 压的研究都比较少。 事实上，对于高压输电线路，尤其是1 1 0 k v 及以上的高压架空输电线路，由于线路 绝缘水平相对较高，雷击线路附近时产生的感应雷过电压对线路正常运行的影响并不 大；对于中低压输电线路，尤其是3 5 k v 及以下架空线路，由于绝缘水平较低，受雷电 感应过电压的影响较大，雷击事故严重影响了供电可靠性，而由感应雷引起的跳闸事故 的已经成为危害3 5 k v 及以下输电线路的主要原因。k i n c e t r i c s 对加拿大安大略湖配电系 统的可靠性进行了长达四年( 1 9 8 9 1 9 9 2 ) 的观测研究，他分析了4 0 0 0 0 次故障之后得 出以下结论：每1 0 0 k m 线路上的平均故障次数为5 0 次，其中高达1 5 次的故障都是由雷 电引起的。而m i l l s 和d r a v t i o n 的配电网故障跳闸率分别为2 9 和5 5 ，其中由感应雷 引起的就高达3 4 。因此，研究3 5 k v 及以下架空配电线路的感应雷过电压及过电压防护， 对电网安全运行和供电可靠性具有十分重要的意义【2 1 0 1 。 3 5 k v 线路在我国输配电线路中占有重要地位，其大多采用中性点不直接接地方式， 根据我国电力规程规定3 5 k v 输电线路不需全线架设避雷线，只是在进出变电站1 - 2 k m 1 第l 章绪论 的进线段范围内架设避雷线，并在进线段的起始杆塔装设管型避雷器。由于3 5 k v 作为 中低压等级输配电线路的绝缘水平不高，绝缘子片数一般为3 4 片，线路本身耐雷水平 不高，在雷电活动强烈的地区，极易发生直击、绕击和反击事故，造成线路跳闸，影响 供电的可靠性。运行经验表明：全国配电网系统的雷电事故约占整个电力系统雷电事故 总数的7 0 8 0 。频繁的停电事故，对国民经济造成了极大的影响。同时，雷击引起 的避雷设备爆炸性损害也给工作运行人员带来了安全隐患。因此，如何改善、提高3 5 k v 配电线路的防雷水平成为了保障国民经济安全生产急需解决的一个重要问题。 1 2 国内外研究概况 长期以来，国内外学者在雷电活动规律，雷击线路物理过程和冲击闪络机理方面做 了大量的研究工作，建立起较为完善的输电线路防雷理论体系【1 1 1 。目前国内外研究过电 压的方法主要有实验室模拟、计算机仿真和现场监测等方法。 根据过电压的产生机理以及线路的实际情况，利用实验设备在实验室中模拟过电压 过程，这就是实验室模拟。在现有条件下雷电冲击过电压以及操作过电压等都可以在实 验室中进行拟。迄今为止，这种模拟的方法已经对研究过电压做出了巨大的贡献。由于 线路实际运行情况的错综复杂和众多的影响因素，有可能导致几种过电压同时交织在一 起，影响模拟准确性，因此这种方法也有它的局限性，不可能完全真实的得到实际过电 压，但是对于理论研究具有指导性作用。 顾名思义，计算机仿真就是在计算机上进行实验和研究。通过特定的仿真计算软件， 根据实际情况来建造一个数学模型，在计算机对建立的数学模型进行模拟和分析，以实 现对真实的过电压进行研究的目的。由于计算机技术的发展和此方法的可行性，在克服 上一种方法的某些物理局限性的同时，在近几年得到了广泛的发展。但是由于建模参数 的理想性，其计算结果也不可能做到与真实情况完全一致。 过电压现场监测是目前正广泛发展的除了以上介绍两种情况之外的一种新方法；这 种方法可以有效的克服上述两种方法的物理局限性和参数的理想性，监测到真实可靠的 过电压。过电压现场监测就是采用一些电压监测仪器，对可能出现的过电压进行实时监 测，一旦系统中出现过电压，就触发工作电路、记录实时电压波形，并可对波形进行相 关分析。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 1架空线路感应过电压计算的研究 雷击架空线路附近大地会在线路中产生感应过电压，计算感应雷过电压有两个步 骤：首先要计算雷电通道周围的电磁场，计算的依据是雷电的形成机理；然后再计算架 空线路的感应雷过电压，计算时要先建立雷电通道周围电磁场与线路模型的耦合关系。 目前，国内外关于架空配电线路感应过电压的研究主要有以下几个方面： ( 1 ) 雷电回击的数学模型2 】【6 】【刀 由于雷击的复杂性和随机性，很难实现建立一个统一的数学模型来完整的描述回击 过程，雷击过程数学模型至少应该描述一些重要的数据才算一个合格的模型，如回击传 播速度、通道底部电流、一定距离的电磁场等，否则这个模型就是不成立的。在工程应 用中往往建立雷电回击的简化模型以简化计算，大多数简化模型的建立满足以下条件： ( a ) 通常情况下针对第一回击过程建立电流模型，因为引起雷电过电压的主要原 因是第一回击； ( b ) 假设雷电通道都是垂直于地面的。2 0 世纪4 0 年代，雷电回击的电流模型由 b r u c e 和g o l d e 首次提出，随之出现了两种主要模型，即传输电流源( t c s ) 类型和传输线 ( t l ) 类型。这些模型各有利弊，在文武的感应雷电磁干扰及其防护研究一文中对这 些模型进行过详细的介绍和比较，其他文献中也有研究和分析。目前传输线( t l ) 模型在 架空配电线路感应雷过电压的计算中用的最多。将雷电回击电流看作是一个特定的基电 流注入了放电通道的底部，然后沿着通道向上传播，形成回击电流是该类模型的基本思 想。 ( 2 ) 雷电放电通道模型 由于雷击过程和雷击地点都是随机的，所以雷电通道的曲折方向也具有随机性，在 建立雷电放电通道的模型时，即使雷电通道并不垂直于地面，大多数国内外文献在计算 架空线感应雷过电压时都按照天线理论对其进行分析，把雷电的放电通道简化为垂直于 地面的导线 4 】【6 1 。 ( 3 ) 雷电通道周围电磁磁场的计算 计算雷电通道周围电磁场的理论依据是麦克斯韦( m a x w e l l s ) 方程组。根据麦克斯韦 方程组的计算在第二章中给出了详细的求解过程，此处不再赘述。 ( 4 ) 架空线感应雷过电压的计算 3 第1 章绪论 计算感应过电压的方法因为选取模型的不同而有所区别，因为选取的雷电回击模型 和采用的耦合模型都有不确定性，所以计算方法也是各有不同。 关于架空配电线路感应雷过电压的计算研究方面国外进行的比较深入，c h o w d h u r i 等人于1 9 7 3 年在国际电气工程会议上提出了c h o w d h u r i g r o s s 模型用来计算架空配电线 路感应雷过电压。之后，c h o w d h u r i 于1 9 8 9 年、1 9 9 1 年和2 0 0 1 年先后对该模型进行了 改进。h o i d a l c n 于2 0 0 3 年又将大地电导率的影响加入到架空配电线路感应雷过电压进 行的计算方法中 2 1 。 我国对于感应过电压的研究起步较晚，研究也较少，鉴于国外的研究情况和计算方 法，对线路感应雷过电压幅值的计算在我国的防雷规程中做了如下规定：雷击线路附近 大地时，当雷击点与线路水平距离s 6 5 m 时，线路感应过电压幅值u 可按【，：2 5 掣 j ( k v ) 计算。其中，为雷电流幅值( k a ) ，h 为线路高度( m ) 。 1 2 2 架空线路感应过电压防护的研究 自从人们意识到雷电的危害后，人们研究了各种综合防雷措施以减少输电线路的雷 击事故，提高供电的可靠性，并将这些措施应用于实践。利用接地避雷线防雷的理论是 由德国科学家于1 9 1 4 年提出的，他们认为，避雷线保护作用的原理是降低输电线路绝 缘上的感应过电压，从而达到对过电压的保护作用。到上世纪3 0 年代初期，仍然没有 对使用多年的避雷线形成统一的认识。大部分科学家认为，架设避雷线首先是为了对感 应雷起防护作用；但是另一些学者，如英国、瑞典以及德国、瑞士的学者，则认为雷电 对高压线路的危害并不是感应过电压。对于6 0 k v 以上线路感应过电压不会造成太大的 危害，只有直击雷是危险的，这一理论由苏联科学家于1 9 3 1 年提出并说明避雷线应侧 重于防止直接雷击。直到3 0 年代中期，德国学者研究了雷击输电线路时雷电流在各相 邻杆塔的分布，并且将分流系数的概念引入到研究中去。到3 0 年代末期已经基本明确， 避雷线是保护l o o k v 及以上输电线路免受直击雷危害的基本保护装置。 随着不断研究与实验，又有新的输电线路防雷措施应用在现在的防雷领域中，除了 架设避雷线以外，比如在低土壤电阻率的情况下降低杆塔接地电阻、综合提高线路绝缘 水平，采用减小地线屏蔽角、负保护角保护等措施，虽然在大多数情况下应用这些措施 都取得了良好的保护效果。但是由于自然环境的限制，对于分布在土壤电阻率较高的易 击段与易击杆塔所在线路，以上防雷措施的实施都受到很大的限制，采用降低杆塔接地 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 电阻环境因素而难度较大，而采用其他的保护方法又会受到杆塔结构的限制，所以，将 这些防雷措施应用到这些线路时并不能实现预想的效果，甚至有些措施无法实施。 国内从上个世纪9 0 年代开始发展线路用金属氧化物避雷器( 以下简称“线路避雷 器 ) ，安装线路避雷器在防止雷击塔顶或避雷线的直击雷和雷击导线的绕击雷所引起 的绝缘闪络都是非常有效的。 1 2 3 过电压在线监测装置的研究 对于过电压在线监测装置的研究事近几年的一个热门课题，目前国外一般采用分散 式结构，即前置智能化过电压在线采集器。监测装置一般由电源板、3 2 位微型工控板和 各种智能数据采集模块构成，是完全的模块化设计。例如美国电力公司研制的“瞬变电 压监测系统 ，就采用分散式结构。在对现场测量得到的数据处理方面做了一些新的尝 试，如一些学者采用模糊逻辑和小波分析来对过电压分类，认为很有希望；另外一些学 者采用统计法对采集到的过电压数据进行处理，可以辨别过电压的类型并得出其分布， 也可用来判断过电压对电力设备的影响等等。 国内对过电压在线监测装置的研究和开发与国外相比较晚，始于2 0 世纪9 0 年代初， 但发展速度较快。 1 9 9 7 年，我国推出了自己的国家标准“g b t 1 6 8 9 2 1 1 9 9 7 高电压冲击试验用 数字记录仪”，该标准等价于i e c l 0 8 3 1 ：1 9 9 1 。2 0 0 4 年，国家发改委推出了电力行业标 准d l t8 4 6 2 - 2 0 0 4 高电压测试设备通用技术条件第2 部分：冲击电压测量系统。 变电站过电压的在线监测装置在高压及超高压电网中的应用主要有两种方式：一是 采用故障录波装置；另一种就是采用专门的过电压在线监测装置。前者主要记录的是以 工频为基础的故障波形，由于其信号通过电压互感器获得以及其较低的采样速率等原 因，对某些暂态过电压中的高频成分测不到。专门的过电压监测产品采用电容分压法， 可传输过电压脉冲波，比电压互感器反应速度快。动态性能好、采样速率高。 国内过电压在线监测的结构形式主要有集中式在线监测、分布式在线监测两种形 式。分布式在线监测方式一般可分为4 层，就地、通信、主控和远程局管模块层，每一 层完成不同的功能。由不同的设备或子系统组成，层次和功能清晰，利用模块化设计， 现场和故障处理较为方便，但系统组成复杂，成本较高，目前应用还不是很广；集中式在 线监测形式利用各种不同形式的传感器将过电压信号抽取出来，通过电缆送入数字波形 5 第1 章绪论 采集装置，完成对被测信号的a d 转换及滤波等功能，然后再送入计算机进行分析与处 理，最后将测试结果在计算机上显示、打印、报警，亦可通过m o d e m 送到上一级控制 中心，实现对某一变电站多条母线电压的监测和数据的集中管理，结合通信模块即可并 入分布式系统。因此，目前的在线监测系统以集中式在线监测方式为主，并逐步向分布式 发展。在过电压数据处理方面，引入了新的技术如小波变换、模糊逻辑、统计学等方法， 如有学者采用f i s h e rd i s c r i m i n a t em e t h o d 方法对过电压进行鉴别。另外有学者引入了小 波去噪技术等等。 配电网的过电压监测装置有以下两种发展趋势：一种过电压在线监测装置是由光纤 电压传感器获取电压信号；而另一种过电压在线监测系统则是由低压电容式电压互感器 获取电压信号。在最近几年的研究中，光纤电压传感器型过电压在线监测装置可能超过 第二种方法获得更广泛的应用，然而低压电容式电压互感器在长期电力系统的发展中也 有举足轻重的作用，其研发也势在必行。但就目前为止两种监测装置的研究都还在起步 阶段，因此过电压在线监测装置的研究是任重而道远的，研究工作需要逐步深入。 1 3 本课题完成的主要工作 本文首先分析了雷电感应过电压产生的机理，并对国内外关于感应过电压计算的多 种理论方法进行研究分析，从多种方法中选择场抵消法来计算雷击塔顶时绝缘子串中的 感应过电压，再结合分析结果建立雷电感应过电压的数学模型和仿真模型，最后在 p s c a d 中根据数学模型和仿真模型完成雷电感应过电压的综合仿真。 本文主要工作如下： ( 1 ) 通过对国内外关于感应过电压计算的不同理论的研究和分析，对各种理论的 优缺点进行较为系统的分析比较，本文着重分析w a g n e r 等人提出的场抵消法的理论。 ( 2 ) 采用电磁场理论分析雷击杆塔物理过程。介绍感应过电压的计算模型，对影 响感应过电压的主要因素进行简单的研究。综合比较各种计算方法和假设条件，最后采 用拟静电场法的简化算法为计算条件，取上行先导长度为最后击距的1 2 ，即 = 5 i m 6 5 m 。 ( 3 ) 根据计算方法的要求，结合实际线路参数模型，建立仿真感应过电压需要的 数学模型。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 在p s c a d 中完成对线路模型的搭建。用p s c a d 中元件库中的元件和自定义 元件建立某3 5 k v 实际线路简化模型的仿真模型，仿真各种可能出现的雷电感应过电压， 结合防雷保护原理仿真不同保护条件下的感应过电压。 ( 5 ) 研究过电压在线监测系统的应用情况，将仿真结果结合过电压在线监测的实 际应用为防雷设备的选择和安装提供一定的理论基础。 7 第2 章感应过电压的产生机理与分析计算方法 第2 章感应过电压的产生机理与分析计算方法 对于1 l o k v 及以上的高压输电线路，威胁线路绝缘的主要因素是直击雷过电压；对 于3 5 k v 及以下输电线路，由于绝缘水平的降低，非直击雷过电压引起的雷害故障所占 比例明显增加。研究表明，由雷击引起的3 5 k v 及以下架空配电线路闪络或故障的主要 因素是雷击导线附近物体时的感应雷过电压而非直击雷过电压。在3 5 k v 及以下系统中 由感应过电压导致的故障比例超过9 0 【1 2 1 。 2 1雷击过程及计算模型的建立 2 1 1 雷电放电过程 雷云是带有大量电荷的云层。雷电是雷云之间、或雷云内部、或雷云对地的放电现 象。大量的电荷在雷云中并不是均匀分布的，通常在雷云中会形成多个电荷中心( 电荷 密集处称为电荷中心) 。一般情况下每个电荷中心的电荷约o 1 l o c ( 库仑) ，而雷云中 总电荷量的多少与雷云的大小有关，大块的雷云中可容纳多达数百库仑的同极性电荷。 因为大量电荷的存在，在雷云之间和云与地之间以及雷云内部都会产生强大的电场。如 果某处的电场强度超过了空气电气击穿强度的临界值，就会产生闪电。通过对雷云放电 的大量观测结果表明，雷电放电大部分发生在在雷云之间或者雷云内部，只有小部分雷 电放电是对地进行的，这也是我们重点关注的就是雷云的对地放电 1 3 】。 经过众多学者的观测和研究发现，约9 0 的雷电对地放电过程是由对地负极性云团 发生的。因此我们通常以带负电荷的下行雷为例分析雷电放电问题。存在于雷云中的电 荷，通常在雷云下面的大地表面尤其是地面突出物体( 如高大建筑、树木、杆塔、避雷 针和避雷线等) 上感应出相反极性的感应电荷，如图2 1 所示。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 雷云 图2 - 1 雷云在地面突出物上的感应电荷 f i 9 2 - 1 t h ei n d u c t i v ec h a r g eo ht h ep r o t r u s i o n sc a u s e db yt h u n d e r c l o u d 当雷云中电荷中心的电场强度达到空气击穿的临界水平时，电荷中心附近的空气首 先被击穿，开始雷电放电过程，这时产生的放电称为雷电先导放电。由雷电先导发展至 地面需要约几个毫秒的时间。通过对雷电放电研究的光学照片显示，先导向下发展的过 程不是均匀进行的，而是跳跃式或迈步式地频繁的向地面前进，即走一段、停一会，再 走再停。每级的长度为1 0 2 0 0 m ，每级停歇时间为1 0 - 1 0 0 u s ，先导每级发展速度约为光 速的1 1 0 ，延续时间约l u s 。先导中心的线电荷密度为( o 1 1 ) 1 0 一c m ，先导的电晕半 径约0 6 - 6 m ，相应先导发展时的电流约为1 0 0 a ，先导中的电位梯度约为1 0 0 5 0 0 k v m 。 当下行先导头部接近地面时，地面上的被击物( 一般是较突出部分) 上聚集的感应电荷会 开始迎着它发出向上的流注迎面先导( 上行先导) 。因为上升的迎面先导与下行先 导中电荷的极性相反，当两者相遇时，就会在瞬间产生强烈的电荷中和效应，产生极大 的放电电流，通常称这个阶段的放电电流为“雷电流 。在强烈的电荷中和过程中通常 伴随有我们平时所熟知的雷鸣和闪电，闪电是沿主放电通道中形成的明亮光以及射线， 这就是雷云放电的主放电阶段，因此“雷电流 也称为“主放电电流 【1 3 】。主放电过程 中正负电荷的中和是自下而上发展的，这与先导放电过程中先导自上而下的发展方向正 好相反，所以主放电过程也称为雷电回击过程。在这一过程中电荷的传播速度可达到光 速的1 0 5 0 。雷电放电的电流波形示意图如图2 2 所示。在下行先导的首端开始受到 地面目标的影响时，下行先导首端与影响它的地面目标的距离就是击距。向上的迎面先 导( 又称上行先导) 的长度对感应过电压的数值有很大的影响，上行先导的影响将在后 面的章节中详细描述。 9 第2 章感应过电压的产生机理与分析计算方法 先导放电电流 图2 - 2 雷电流波形 f i 9 2 - 2l i g h t n i - gc u r r e n tw a v e f o r m 随着主放电过程的进行，正负电荷被迅速中和而急剧减小，因此主放电时间很短； 之后通道内电荷减少，电荷中和效应减弱，产生的电流也迅速减小，发光也较之前减弱， 这一放电过程称为余辉放电。余辉放电时虽然发光微弱，但是持续时间较长，可达几 m s 到几十m s 。余辉放电过后，整个雷电放电过程就随之结束。雷云放电过程中不同阶 段的雷电流变化情况如图2 2 表示。 在雷电放电的主放电过程中，由于雷云中存在多个电荷中心，通常在同一通道中有 多重放电。上述放电过程在第一电荷中心完成之后，可能引发原本不会放电的第二、第 三电荷中心向第一电荷中心通道放电，经第一电荷中心流入大地。因此，雷击放电 含多重放电，每个脉冲波( 冲击波) 相隔时间约0 6 m s 至o 8 s ，脉冲数目平均为3 4 个， 目前最多记录到4 2 个【1 3 】。 2 1 2 感应雷过电压的产生 感应过电压是由于电磁感应作用在导线上引起的过电压。雷击线路附近物体( 大地 或杆塔等) 时，由于放电过程中产生急剧变化的电磁场，从而在导线上引起过电压。本 文针对雷击杆塔时引起的线路感应过电压对架空线感应雷过电压进行研究。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 导线 地面 雷云 导线 地面 一l i 仁l 、 。， 篇忿，i l l 、 l 扩ii - - c a ) 主放电前( b ) 主放电 图2 - 3 感应过电压形成示意图 f i 9 2 - 3 t h es c h e m eo fi n d u c e do v e r v o l t a g ef o r m a t i o n 在雷电的先导放电阶段( 以下行负先导为例) ，雷云和先导通道与大地之间构成一 个强大的电场，裸露的架空线就处在这个电场中。根据静电感应原理，最靠近先导通道 的一段导线上将被吸引大量的正束缚电荷，与此同时负电荷因排斥作用而向两侧运动， 即在线路中产生电流，最后经系统中性点或线路泄露电导释放，如图2 3 ( a ) 所示。由 上一节分析可知，先导放电发展速度比较慢，因而这个电流很小，并且线路存在泄露电 导，因此相应的电压也可忽略，若不计工作电压，在这一阶段导线上仍然保持地电位。 随着先导的发展，上、下行先导相遇发生主放电，先导通道中正负电荷迅速中和导 致电场减弱，导线上被束缚的正电荷迅速释放，此时产生的电流很大，引起很高的电压 波向两端传播。这种由静电感应引起的过电压就是感应过电压的静电分量。如图2 3 ( b ) 所示。 与此同时，由于空间电场的剧烈变化在雷电通道周围建立了强大的磁场，架空线路 处于变化的磁场中也能感应出过电压，由于在一般的分析过程中假设导线和主放电通道 垂直，因此这个过电压并不大，约为上述静电分量的1 5 。这种由磁场变化引起的过电 压就是感应过电压的电磁分量【1 6 1 。 通过对放电过程的分析可知，静电分量和电磁分量出现最大值的时刻不同，而电磁 分量比静电分量小的多，所以在分析感应过电压的幅值时一般忽略电磁分量，只考虑静 电分量。由以上分析和图2 3 可以看出，感应过电压与雷电流极性相反【1 6 1 。 2 1 3 杆塔模型及其参数 实际应用中，输电线路采用的杆塔类型多种多样，有水泥杆塔和铁塔也有直线