（电气工程专业论文）输电线路雷电防护的设计及在胶济线接触网中的应用分析.pdf

j e 夏窑望友堂主些亟堂僮盈塞主塞揸墨 中文摘要 摘要： 电闪雷鸣是一种自然天电现象。我国雷电的分布特点是：夏季多于春秋季， 陆地多于海洋，山区多于平原，南方多于北方。雷电具有热的破坏效应，如果碰 到易燃物品，就有造成火灾的危险。雷电流还会引起显著的机械性破坏。随着电 力系统的发展，雷击造成的事故越来越多。高压线路运行的总跳闸次数中，由雷 击引起的次数占4 0 7 0 ，这给社会带来巨大的经济损失。 本文阐述了输电线路雷击放电的机理，介绍了雷电的形成与发展过程，雷电 压和雷电流的形成过程，并给出了雷电参数、耐雷水平、雷击跳闸率、感应雷和 直击雷的主要计算方法。 本文论述了目前我国输电线路防雷设计中常用的几种方法，如：合理选择输 电线路路径、架设避雷线、降低杆塔接地电阻、装设避雷器、架设耦合地线、提 高线路绝缘水平等，并对几种防雷措施分别进行了深入阐述和定量分析。文中还 给出了输电线路特殊地段的防雷设计方法；并指出电力系统可以通过中性点非有效 接地、重合闸装置等来提高线路雷击跳闸情况下的供电可靠性。 在采用线路型避雷器时输电系统防雷计算中，需要考虑的因素有杆塔、避雷 器、雷电流、输电线路，本文阐述了其具体的等效计算方法，并对采用避雷器后 线路耐雷水平进行了研究。 本文还阐述了胶济线接触网雷电防护的设计考虑，通过常用雷电防护措施在 胶济线接触网中的应用分析，对即将建设的胶济客运专线提出了很好的参考建议。 最后得出结论：降低杆塔接地电阻、安装线路避雷器、装设自动重合闸装置、合 理选择绝缘配合这四项方法是胶济线接触网广泛采用且收效显著的雷电防护措 施，值得在胶济客运专线推广应用。 关键词：输电线路；防雷设计：雷电放电：雷电压：雷电流；避雷器。 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ： l j g h t n i n gi sak i n do fn a t u r a lp h e n o m g n a t h el i g h t n i n gh a st h eh o tb r e a k a g e e f f e c t i fi tg o e si n t ot h ec o m b u s t i b l ea r t i c l ei tw i l lr e s u l ti nt h ed a n g e ro faf i r e t h e l i g h t n i n gw i l la l s oc a u s et h em a c h i n eb r e a k a g e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h et r o u b l et h a tt h el i g h t i n gr e s u l t si ni sm o r ea n dm o r e t h e t r i p - o u tr a t ec a u s e db yl i g h t i n gi sf r o mf o r t yp e r c e n t st os e v e n t yp e r c e n t so ft h et o t a l t r i p p i n gr a t eo nh i g ht r a n s m i s s i o nl i n e i tb r i n g sh u g eo f e c o n o m yl o s st os o c i e t y t h ep r i n c i p l eo f l i g h t n i n gd i s c h a r g et oat r a n s m i s s i o nl i n ei sd e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h ef o r m i n ga n dd e v e l o p i n gp r o c e s s e so fl i g h t n i n ga r ei n t r o d u c e d a l s oi n t r o d u c e da r e t h ef o r m i n ga n dd e v e l o p i n gp r o c e s s e so fl i g h t n i n gv o l t a g ea n dl i g h l n i n gc u r r e n t t h e m a i nc a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h el i g h t n i n gp a r a m e t e r st h el i g h t n i n g - r e s i s t a n c el e v e l ，t h e l i g h t n i n gt r i p - o u tr a t e ，t h ei n d u c i n gl i g h t n i n ga n dt h ed i r e c ts t r i k i n gl i g h t n i n ga r ep u t f o r w a r d s e v e r a lp r a c t i c a lw a y so fi i g h n l i n g s h i e l d i n gd e s i g no fat r a n s m i s s i o nl i n e i no u r c o u n t r y a r ea n a l y z e d t h e s ew a y si n c l u d et h er e a s o n a b l ec h o i c eo fr i g h t - o f - w a yo fa t r a n s m i s s i o nl i n e ，t h er a t i o n a ld e s i g no fl i g h t h i n gc o n d u c t o r s ，t h el o w e r i n go ft o w e r s g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，t h ei n s t a l l a t i o no fl i g h t h i n ga r r e s t e r s ，t h ei n s t a l l a t i o no fc o u p l i n g l i g h t n i n gc o n d u c t o r s ，a n dt h ei m p r o v i n go fl i n ei n s u l a t i o nl e v e l ，a n ds of o r t h s o m eo f t h e ma r ea n a l y z e di nd e t a i la n ds t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y as p e c i a ll i g h t n i n g - s h i e l d i n g d e s i g nm e t h o df o rs p e c i a lr i g h t - o f - w a yi sa l s og i v e ni nt h i st h e s i s i ti sp o i n t e do u tt h a t t h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ym a yb ei m p r o v e db yn e u t r a lp o i n t sn o n - s o l i d - g r o u n d i n g ， r c c l o s ee q u i p m e n t ，a n ds of o r t h i nt h ec a l c u l a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no fl i n em o at or e d u c et h et r i p p i n gr a t eo n g h v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e ，t r a n s m i s s i o nt o w e r , l i n em o a 1 i g h t n i n gc u r r e n ta n d t r a n s m i s s i o nl i n ea r et h ef a c t o r st h a tn e e dt ob ec o n s i d e r e d t h i st h e s i se x p o u n d e dt h e m e t h o d so fe q u i v a l e n tc a l c u l a t i o na n da n a l y z e dh o wm u c ht h es u r g ea n ；e s t e rc a n i n c r e a s el i g h t n i n gw i t h s t a n dl e v e l c o n t a c tn e tl i g h t n i n g s h i e l d i n gd e s i g no ft h er a i l w a yj i a o - j ii se x p a t i a t e d g o o d c o n s u l ta d v i c eo ft h eb u i l d i n gj i a o d i s p e c i a lr a i l w a yl i n e i sa d v a n c e db yt h e l i g h l a f i n g s h i e l d i n gm e a s u r e si n c o m m o nu s ei nt h ea p p l i c a t i o na n a l y s eo fj i a o - j i c o n t a c tn e t a tl a s tac o n c l u s i o ni sr e a c h e d ，t h a ti s ，d e p r e s s i n gt h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e o f p o l ea n dp o w e r , f i x i n gl i n es u r g ea r r e s t e r , f u r n i s h i n ga u t o m a t i s ms u p e r p o s i t i o nb r a k e ， a n dl o g i c a l l yc h o o s i n gi n s u l a t e da l et h ef o u rm e a n st h a ta r ea b r o a da d o p t i o no fj i a o j i c o n t a c tn e ta n dt h en o t a b l es t e p so fl i g h t n i n g - s h i e l d i n g , a n dw h i c hi sd e s e r v e ds p r e a d a p p l i c a f i o no fj i a o j is p c c i mr a i l w a yl i n e k e yw o r d ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；l i g h t n i n g - s h i e l d i n gd e s i g n ；l i g h t n i n gd i s c h a r g e ；l i g h t n i n g v o l t a g e ；l i g h t n i n gc u r r e n t ；s u r g ea t t e s t e r c l a s s n 0 ：t m 7 1 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：万平导师签名：张小青 签字日期：2 0 0 7 年1 i 月1 5 日签字日期：2 0 0 7 年月日 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和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，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j 匕京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：万平签字日期：2 0 0 7 年1 1 月1 5 日 致谢 本论文的研究工作是在我的导师张小青教授的悉心指导下完成的。导师严谨 的治学作风、渊博的学识、精益求精的工作态度和科学的研究方法给我留下了深 刻的印象，同时给了我很大的帮助和启发。在导师的帮助下，我不仅提升了专业 知识素养，也学到了做人的道理。在此，向我所尊敬的张教授表示最诚挚的谢意。 同时也非常感谢三年来电气工程学院的老师们对我的关心和指导。 在调查研究工作及撰写论文期间，还得到了济南铁路局机务处、调度所及济 南供电段同事的大力支持，他们对我的论文提出了许多宝贵的意见和建议，在此 我表示衷心的感谢。 另外也感谢我的家人和未婚妻，她们的理解和支持使我能够专心完成我的学 业和进行研究撰写完成论文。 感谢在毕业设计中所有帮助过我的人 1 引言 雷电是一种自然现象【1 2 。我国雷电的分布特点是：夏季多于春秋季，陆 地多于海洋，山区多于平原，南方多于北方。雷电电压高达数百万伏，瞬间电流 可高达数十万安培。因此，一次雷电的放电时间虽然只有o o l s 左右，但其释放 出的能量却大得惊人。雷电如果击到人或动物身上，由于雷电电流很大，电压很 高，能使人或动物的心脏和大脑发生麻痹而造成伤亡。由于雷电流很大会产生大 量的热能，雷电具有热的破坏效应，如果碰到易燃物品，就有造成火灾的危险。 雷电流还会引起显著的机械性破坏，如各种砖的烟囱、高塔、钟楼、房屋、树木 及其它建筑物遭到直接雷击时，往往会引起严重的倒坍和劈裂等现象，每年全国 各地都有这种情况发生，造成很大的损失。 雷电的主要危害有以下几种： 1 、电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的电 压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾 害。 2 、电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流，并产生大量热能，在雷击 点的热量会很高，可导致金属熔化，引发火灾和爆炸。 3 、雷电流机械效应主要表现为彼雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现 象导致财产损失和人员伤亡。 4 、雷电流静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电荷，当雷 电消失来不及流散时，即会产生很高电压发生放电现象从而导致火灾。 5 、雷电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场，其感生出的电流 可引起变电器局部过热而导致火灾。 6 、电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置 或电气线路断路而燃烧导致火灾。 7 、雷电流能破坏电力系统的各个元件，有可能造成发电机、电力变压器、断 路器和其它电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘子也会因雷击而发生闪络或碎裂、 导线烧断和木质电杆被雷劈裂等事故。 随着电力系统的发展，雷击造成的事故越来越多。高压线路运行的总跳闸次 数中，由雷击引起的次数占4 0 7 0 ，尤其在雷电活动强烈、土壤电阻率高的 地区，因雷击引起的跳闸率更高，这给社会带来巨大的经济损失。为了减小输电 线路的雷击故障，目前采取了各种防雷措施，如降低杆塔接地电阻、提高输电线 路绝缘水平、采用负角保护等，取得了一定效果。但对于分布在高土壤地区的部 分线路，降低杆塔接地电阻难度较大，对于防治雷电对线路造成的故障仍没有好 的决策。 1 1输电线路防雷设计的重要意义 输电线路是电力系统的大动脉，它将巨大的电能输送到四面八方，是连接各 个变电站、各重要用户的纽带。输电线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定 和向用户的可靠供电。因此，输电线路的安全运行在电网中占据举足轻重的地位， 是实现“强电强网”的需要，也是向工农业生产、广大人民生活提供不问断电力 的需要。 由于我国地处温带( 部分地区属于亚热带气候) ，所以雷电活动比较强烈。漫 长的输电线路穿过平原、山区、跨越江河湖泊，遇到的地理条件和气象条件各不 相同，所以遭受雷击的机会较多。据统计，我国电力系统各类事故、障碍统计中， 输、配电线路的雷害事故占有很大的比例。由于输电线路对于保“网”的重要地 位，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。 输电线路雷害事故引起的跳闸，不但影响电力系统的的正常供电，增加输电 线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上落雷，雷电波还会沿线路侵 入变电所。而在电力系统中，线路的绝缘最强，变电所次之，发电机最弱，若发 电厂、变电所的设备保护不完善，往往会引起其设备绝缘损坏，影响安全供电。 由此可见，输电线路的防雷是减少电力系统雷害事故及其所引起电量损失的关键。 做好输电线路的防雷设计工作，不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性，而且 可以使变电所、发电厂安全运行得到保障。 1 2 输电线路防雷设计方法的发展及研究现状 长期以来，为了减少输电线路的雷击事故，提高供电的可靠性，人们采取了 各种综合防雷措施。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绝缘上的感应过电压。到3 0 年代初期，避雷线虽已使用多年， 对其作用仍无统一认识。美国f wp e e k 认为，威胁线路绝缘的不仅是直击雷，还 有感应雷。架设避雷线，首先是防护感应雷。而a t h e r t o n 和英国的s i m p s i n 瑞典 的n o r r i n d e r 以及德国、瑞士一些学者，则认为感应雷对高压线路并无危险。3 0 年代中期，德国研究了雷击输电线路时雷电流在各相邻杆塔的分布，实际上引入 了分流系数的概念。到3 0 年代末期已经明确，l o o 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。 j e 塞室垫太堂童些亟堂僮监室!i i 直 目前，我国输电线路防雷设计主要从以下几个方面着手进行： 1 、合理选择线路路径； 2 、架设避雷线； 3 、降低杆塔接地电阻： 4 、在部分地段装设避雷器； 5 、提高线路整体绝缘水平。 这几种方法在目前的输电线路防雷设计中运用得非常多，在线路路径受地形 和投资限制，选择范围不大的情况下，架设避雷线、降低杆塔接地电阻、装设避 雷器、提高线路绝缘水平成为防雷设计的主要方法。避雷线、杆塔接地电阻、避 雷器、线路绝缘的设计标准在各类规程和技术规范都有较为详细的阐述。 在选择设计输电线路的防雷设施时，应按照当地的雷电活动情况、系统的中 性点接地方式、输电线路的绝缘情况、有无自动重合闸或备用自投装置、负荷的 重要程度等各项条件来综合考虑，并按照技术经济比较的结果来作出决定采用最 佳保护方案。 在输电线路防雷设计中，必须紧密结合当前电力生产和建设中的课题，不断 收集和积累各种数据和资料，经常总结防雷保护工作中的经验教训，提出新的更 加有效的保护技术措施，制造相应的保护装置，以满足不断发展的电网的需要。 输电线路防雷保护工作必须一切从实际出发，要充分听取各种意见，科研、 设计、篪工和运行部门应紧密结合，通力协作，根据当地雷电活动情况和电力网 的具体特点等，进行充分的技术经济论证，保证防雷保护的设计方案技术先进、 方案合理。 1 3 本文的主要工作 本文首先提出了输电线路雷电防护的重要意义，阐述了输电线路雷击放电的 原理，介绍了雷电放电的发展过程，雷电压和雷电流形成过程，并提出了雷电参 数、耐雷水平、雷击跳闸率、感应雷和直击雷的主要计算方法。 本文还论述了目前我国输电线路防雷设计中常用的几种方法，并对几种方法 分别进行了深入阐述、定量分析。文章还提出了输电线路特殊地段的防雷设计方 法；并通过运用备用自投装置、重合闸装置等来提高线路跳闸情况下的供电可靠 性。 对影响输电线路耐雷水平的因素进行详细的探讨，提出相应的防雷措旋：介 绍了杆塔、雷电流、避雷器及输电线路等模型的计算方法，并提出应用线路型避 雷器对输电线路耐雷水平的分析，其中包括在采用不同支数避雷器时接地电阻、 j e 衷銮强友堂童些亟堂僮监童!i l 直 线路档距对线路耐雷水平的影响。 本文还阐述了胶济线接触网雷电防护的设计考虑，通过常用雷电防护措施在 胶济线接触网中的应用分析，对即将建设的胶济客运专线提出了很好的参考建议。 最后得出结论：降低杆塔接地电阻、安装线路避雷器、装设自动重合闸装置、合 理选择绝缘配合这四项方法是胶济线接触网广泛采用且收效显著的雷电防护措 施，值得在胶济客运专线推广应用。 4 韭夏窑垣丕堂童些亟茎焦迨塞 2捡生缮整的重生鲑能 2 输电线路的雷电性能 2 1 雷电放电的发展过程 雷云就是积聚了大量电荷的云层 3 8 。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。测量数据表明，一般云块的上部带正电荷，下部 带负电荷，而在中间处出现正负电荷的混合区域。雷云平均电场强度为l k v c m ， 实测到在雷云雷击前的最大电场强度为3 4 k v c m ，而在稳定下雨时，大约只有 4 0 v c m 。 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 们间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。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l o l o o p 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 o l 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。 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，地面的商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间发展。也可以说，放电通道的 发展具有定向性，或者说雷击有选择性，上述使先导通道具有定向性的高度，称 之谓定向高度。 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i o 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，这时便开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 l o o p s ，移动速度为光速的1 2 0 1 2 ；主放电时 j e 基窑堡丕茔童些亟堂鱼迨塞2箍鱼缮堕鲍重虫挂篚 电流可达数千安，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 雷电压和雷电流的形成 雷电现象虽然十分复杂但从分析其后果的角度看，又可简单将其看成是一个 电流行波沿空中通道注入雷击点，在击中导线后即分为左右两路继续前进。伴随 着电流行波一同前进的还有电压行波，它们构成了以接近光速传播着的电磁波。 当雷击杆塔顶部时，由于塔脚接地电阻r 很小，于是出现反射现象。如果r = o ， 则无论如何塔顶都不会出现对地电压。这时随同电流波一同侵入的电压行波，就 只好改变其极性后再由原通道反射回去，才能正负抵消，保证塔顶的零电位状态。 但伴随这个向回反射的电压行波还有一个电流行波返回去，入侵一个正值电流， 又返回一个负值电流，其结果相当于二倍的电流迭加在一起。故从被击物看来， 电压消失了，电流增加了一倍。当然，实际上r 不会真的为零，故这种转化不会 十分完善：而且这时r 上的压降，还要使避雷线对地获得一个电位，从而于其上出 现电压行波，并伴随一个电流行波。但由于r 通常只有1 2 0q ，因此这个避雷线 上产生的电流行波是可以忽略的。因此，我们一般在塔顶或避雷针上用磁钢棒所 测得的雷电流，已经包括了这种理论上的反射在内，所以我们一般所测的雷电流 1 m ，即目前常用的雷电流。 2 3 雷电参数 2 3 i 雷暴日与雷暴小时 在进行防雷设计和采取防雷措旌时，必须考虑到该地区的雷电活动情况。某 一地区的雷电活动频度，可用该地区的雷暴日或雷暴小时来表示。雷暴日是一年 中有雷电的日数。雷暴小时是一年中有雷电的小时数。一天或一小时内只要听到 雷声( 不管听到几次) ，就记为一个雷暴目或雷暴小时。由于各年的雷暴日( 或雷暴 小时) 变化较大，所以应采用多年的平均值。 从下表可以看出，雷暴小时数与雷暴日数之比随雷暴日数增加而增大。大致 6 些立銮适盔堂童些亟堂焦j 盆塞2捡虫缮堕笪重虫焦篚 看来，二者的比值在3 左右。一般把年平均雷暴日不超过1 5 日的地区叫少雷区， 超过4 0 日的叫多雷区，超过9 0 日的叫强雷区，在防雷设计上要因地制宜区别对 待。 表2 1 我国雷暴日与雷暴小时的比值 年平均雷暴日数 雷暴小时雷暴日数 2 0 2 5 2 2 3 3 0 4 02 5 3 5 5 0 6 03 4 7 0 8 0 及以上 3 3 4 3 2 3 2 地面落雷密度 雷暴日或雷暴小时虽反映出该地区雷电活动的频度，但它未能反映出是云间 放电或是云对地放电。测试表明，云间放电远多于云对地放电。我们最关心的是 云对地的放电，也就是地面落雷。地面落雷密度y - ( 次平方公里 雷暴日) 表示。 它表示每一雷暴日、每平方公里地面落雷次数。世界各国取值不同，我国各地平 均年雷暴日数( 瓦) 不同的地区y 值也不相同。一般，死较大的地区，其y 值也随之 变大。我国对t d = - 4 0 的地区y 值取0 0 7 。 2 3 3 雷电流的幅值 雷电流的幅值i ，与气象及自然条件有关，是一个随机变量，只有通过大量实 测才能正确估算其概率分布的规律。根据我国实测数据，雷电流幅值的累积概率 计算可用下式： l o g p = 一l 8 8 ( 2 1 ) 式中，1 m 雷电流幅值，k ： p 一超过雷电流幅值的概率。 对于我国的少雷地区，雷电流的累积概率可表示为下式 l o g p = 一i 。 4 4 测试还表明，雷电流幅值与海拔高度及土壤电阻率的大小关系不大。 2 4 输电线路防雷计算 7 2 4 1 输电线路耐雷水平的计算 输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平及雷击跳闸率来衡量。其中雷击跳 闸率通常是假定在每年4 0 个雷电日的情况下，每百公里线路每年因雷害而可能跳 闸的次数，它可用来衡量不同设计方案的相对优劣，并不能代表线路实际运行中 真实遮断情况。 由于平等导线之间存在着互感和线间电容，因此一旦在避雷线上出现电压行 波时，在相导线上就要耦合出一个相应的电压。真正作用在绝缘子的电压是它们 二者之差，即 u ，一= u ，( 1 一k ) f ，9 、 耦合系数k 通常约在0 2 左右。耦合作用使绝缘所受到的电压低于塔顶电位 “。耦合系数在不考虑电晕的情况下，可根据导线的几何尺寸算出，又可称为几 何耦合系数。 雷电流可以根据 i = u 。2 ) ( 1 一c o s 埘) ( 2 3 ) 计算( 见图2 1 ) ，从而可算出塔顶电位u ，2 r ，其中r 为杆塔的接地电阻 值。“r 再乘上一个考虑耦合的系数( 卜k ) ，就是实际作用于导线绝缘上的电压。如 果它超过绝缘子的5 0 闪络电压，就可以认为要造成闪络，雷电对线路放电引起绝 缘闪络时的雷电流l 临界值，称作线路的耐雷水平。线路的耐雷水平愈高，线路绝 缘发生闪络的机会就愈小。 图2 1 雷电流波形图 但是，当雷电流超过线路的耐雷水平时，虽然会导致一次雷电闪络，却并不 一定意味着一次故障。这时候，雷电流沿击穿通道入地，但时间只有几十微秒， 线路开关来不及动作。只要在雷电过程迅速消逝后，在闪络点不随之建立工频电 弧，就仍然可以照常供电。只有当沿击穿通道流过的工频短路电流的电弧持续燃 烧，引起相间短路线路才会跳闸停电。雷电闪络后是否会使工频电流乘虚而入， 这是一个机会问题，通常用建弧率来表示。它是一个随机变量，与单位长度的绝 缘上所实际作用的工频电压有关，也就是同绝缘的工作电位梯度有关，这个电位 梯度越大，建弧的机会也越大。因此，当绝缘子串发生闪络后，应尽量使它不转 化为稳定的工频电弧，因为如果工频电弧建立不了，线路则不会跳闸。由运行经 验与试验数据得出，冲击闪络转化为稳定工频电弧的概率( 建弧率) 的计算公式如 下： 7 7 - - ( 4 5 e ”一1 4 ) ( 2 4 ) 其中玎建弧率： e 绝缘子串的平均工作电压梯度；( 单位：k v , 一，m ) 对中性点有效接地电网 e = u 。 4 3 ( l j + o 5 三。) 】 ( 2 5 ) 对中性点非有效接地的电网 占2 u t ( 2 l j + 三一) ( 2 6 ) 式中u 一额定电压，k v 。 。，绝缘子串长度，i u ： 工，线路的线间距离，m ( 对铁横担和钢筋混凝土横担线路，三一2o ) 显然，降低建弧率可采取的措施是：适当增加绝缘子片数，减少绝缘子串上 工频电场强度，电网中采用不接地或经消弧线圈接地方式，防止建立稳定的工频 电弧。 2 4 2 线路感应雷过电压和直击雷过电压的计算 通常将雷电引起的电力系统过电压， 产生的过电压，是由于雷云影响产生的， 称为大气过电压。雷云放电在电力设备 所以也叫做雷电过电压，它可分为感应 雷过电压及直击雷过电压。感应雷过电压是由于电磁场的剧烈变化，电磁耦合而 产生的；而直击雷过电压是由于流经被击物很大的雷电流所造成的。 l 、感应雷过电压 当雷云接近输电线路上空时，根据静电感应的原理，将在线路上感应出一个 与雷云电荷相等但极性相反的电荷，这就是束缚电荷，而与雷云同号的电荷，则 通过线路的接地中性点逸入大地，对中性点绝缘的线路，此同号电荷将由线路泄 漏而逸入大地。 此时如雷云对地( 输电线路附近地面) 放电，或者雷击塔顶但未发生反击( 它们 之间的差别仅在于后者以杆塔代替部分雷电通道) ，由于放电速度很快，雷云中的 电荷便很快消失，于是输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷，分别向线路左 右传播。 9 j e 壅銮垣厶堂童些亟堂僮丝塞2箍电线墅殴重皇挂篮 设感应电压为u ，当发生雷电主放电以后，由雷云所造成的静电场突然消失， 从而产生行波。根据波动方程初始条件，可知，波将一分为二，向左右传播。感 应过电压是由雷云的静电感应而产生的，雷电先导中的电荷q 形成的静电场及主 放电时雷电流i 所产生的磁感应，是感应过电压的两个主要组成部分。 ( 1 ) 无避雷线时的感应雷过电压 根据理论分析和实测结果，有关规程建议，当雷击点距输电线路的距离s 大 于6 5 m 时，导线上产生的感应过电压最大值可按下式计算： u = 2 5 i h a 扣 ，k v ) ( 2 7 ) 式中，雷电流幅值，l ( a 导线悬挂平均高度，m s 雷击点至线路的距离，m 感应过电压的幅值与雷电流幅值i 及导线平均高度成正比；与雷击点到线路 的距离s 成反比。感应过电压的极性与雷电流极性相反。由于雷击点的自然接地 电阻较大，所以最大电流值可采用i 一 l o o k a 进行估算。实测表明，感应过电压峰 值一般最大可达3 0 0 4 0 0 k v 这对3 5 k v 及以下的水泥杆线路将可能引起闪络事故； 对1 l o k v 及以上的线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络事故，且感应过 电压同时存在于三相导线上，故相间不存大电位差，只能引起对地闪络，如果两 相或三相同时对地闪络，才可能形成相间闪络事故。 更多的雷击，则因线路的吸引，而击于线路本身。当雷直击于杆塔或线路附 近的避雷线时，周围迅速变化的电磁场将在导线上感应出相反符号的过电压。在 无避雷线时，对一般高度的线路，这一感应过电压的最大值可由下式计算 u 2 a 。( k v )( 2 8 ) 式中a 一感应过电压系数，k v m ，其值等于以k a g s 为单位的雷电流平均陡 度值，其由给定的雷电流幅值i 和波头时间决定，取 口= 2 6 ( 2 9 ) ( 2 ) 有避雷线时的感应雷过电压 如果线路上挂有避雷线，则由于其屏蔽作用，导线上的感应过电压将会下降。 假定避雷线不接地，在避雷线和导线上产生的感应过电压可用公式( 2 7 ) 来进行计 算，当二者悬挂高度相差不大时，可近似认为两者相等。但实际上避雷线是接地 的，其电位为零，这相当于在其上叠加了一个极性相反，幅值相等的电压( 一u ) ， 这个电压由于耦合作用在导线上产生的电压为o r 【叫j 2 川c 。“。因此，导线上的 感应过电压幅值为两者叠加，极性与雷电流相反，即： u 5 “一k 。“= ( 1 一t 。) “ ( 2 1 0 ) 0 韭塞窑适盔堂童些亟堂僮迨塞 2捡虫缮堕的重虫世篚 式中，8 c 避雷线与导线之闻的耦合系数。其值只决定于导线间的相互位 置与几何尺寸。线间距离越近，则耦合系数“c 愈大，导线上感应过电压愈低。 2 、直击雷过电压 电力系统的防雷的重点是直击雷防护，它也可分为无避雷线和有避雷线两种 情况。 ( 1 ) 无避雷线时的直击雷过电压 输电线路未架设避雷线的情况下，雷击线路的部位只有两个，一是雷击导线， 二是雷击塔顶。 当雷直击导线后，雷电流便沿着导线向两侧流动，假定z 为雷电通道的波阻 抗，z 2 为雷击点两边导线的并联波阻抗( 若计及冲击电晕的影响，可取z = 4 0 0q ) 。 则雷击点过电压 u 。= ( i 2 ) x ( z 2 ) 2 1 x z l 4 2 1 0 0 1 ( 2 1 1 ) 雷击导线的过电压与雷电流的大小成正比。如果此电压超过线路绝缘的耐受 电压，则将发生冲击闪络。由此可得线路的耐雷水平为 ，= 【，1 0 0 ( k 矗)( 2 1 2 ) 当雷击线路塔顶时，雷电流i 将流经杆塔及其接地电阻流入大地。假设杆塔 的电感为l f ，杆塔的冲击电阻为胄“，导线悬挂点高度日一，雷电流为斜角平顶波， 且工程计算取波头为2 6 p - s ，则作用在绝缘子串上的电压为 u ，2 ，。俾d + 工2 6 + 日j 2 6 ) ( k v )( 2 1 3 ) 由此可知，加在线路绝缘子串上的雷电过电压与雷电流的大小、陡度，导线 与杆塔的高度及杆塔的接地电阻有关。如果此值等于或大于绝缘子串的5 0 雷电冲 击放电电压时，塔顶将对导线产生反击。在中性点直接接地的电网中，有可能使 线路跳闸，此时线路的耐雷水平为 ，5 u “r d + 葺r 2 6 + h s 2 6 ) ( 1 a )( 2 1 4 ) 6 0 k v 及以下电网采用中性点非直接接地方式，雷击塔顶时若雷电流超过耐雷 水平，会发生塔顶对一相导线放电由于工频电流很小，不能形成稳定的工频电 弧，故不会引起线路跳闸，仍能安全送电。只有当第一相闪络后，再向第二相反 击，导致两相导线绝缘子串闪络，形成相间短路时，才会出现大的短路电流，引 起线路跳闸。此时，线路的耐雷水平为 ，= u 5 0 4 0 一七，) ( 如+ f 2 6 + h 2 6 ) 1 ( k a ) ( 2 1 5 ) 其中c 两相导线间的耦合系数 ( 2 ) 有避雷线时直击雷过电压 有避雷线时直击雷击线路的部位有三种：一是雷绕过避雷线而击于导线，二 是雷击塔顶，三是雷击档距中央的避雷线。 韭鏖窑逼友堂童些亟堂焦盈塞2捡皇缮堕的重皂性能 雷绕过避雷线击于导线的过电压及耐雷水平必须先得出绕击率。所谓绕击 率就是指绕过避雷线而击中导线的概率，它随着保护角的减小而迅速下降。根据 模拟试验和多年现场运行经验表明，绕击率和避雷线对外侧导线的保护角a ，杆塔 高度h 和地形条件等有关，建议用下式计算： 对平原线路：l g 只2 口 8 6 3 9 对山区线路：l g 只。口 8 6 3 3 5 发生绕击后线路上的过电压及耐雷水平可按无避雷线时雷击导线时进行计 算。雷击塔顶时，雷电流大部分经过被击杆塔入地，小部分电流则经过避雷线由 相邻杆塔入地。流经被击杆塔入地的电流。和总电流，的关系可以用下式表示： ，f2 ( 2 1 6 ) 式中杆塔的分流系数，它小于1 。 对于一般长度的档距，户可由表2 2 查出。 表2 2 分流系数6 额定电压k v 1 1 02 2 03 3 05 0 0 单避雷线 0 9o 9 2 双避雷线 o 8 6o 8 8 o 8 80 8 6 5 0 8 2 2 因此，雷击有避雷线线路杆塔顶时的耐雷水平i 为： ，5 u s o 0 一k c ) 【( 吒+ l v1 2 6 ) + h j l 2 6 ) ( k a ) ( 2 1 7 ) 雷击输电线路档距中央避雷线时，由于雷击点距杆塔有一段距离，由两侧接 地杆塔处发生的负反射需要一段时间才能回到雷击点而使该点电位降低。在此期 间，雷击点地线上会出现较高的电位。这可用近似的集中参数的等值电路来分析， 求得雷击点的过电压。设档距避雷线电感为2 l ，雷电流取斜角波，即= a t ，则 u 。= 1 1 2 l 4 f ，1 r 、 a 点与导线空气间隙绝缘上所承受的电压u 为： u 2 u 。( 1 一k 。) 2 1 1 2 x l x a x o k 。) ( k v ) ( 2 1 0 ) 其中“c 为导线与避雷线间的耦合系数 7 。 2 4 3 输电线路雷击跳闸率的计算 通常将雷电引起的电力系统过电压， 产生的过电压，是由于雷云影响产生的， 称为大气过电压。雷云放电在电力设备 所以也叫做雷电过电压，它可分为感应 雷过电压及直击雷过电压。感应雷过电压是由于电磁场的剧烈变化，电磁耦合而 产生的：而直击雷过电压是由于流经被击物很大的雷电流所造成的。 1 2 j e 哀銮适太堂童些亟堂僮论塞 2捡虫缝蹬笪重虫世篚 雷击输电线路的跳闸次数与线路可能受雷击的次数有密切的关系。而线路可 能受雷击的次数与线路的等值受雷击宽度，每个雷暴日每平方公里地面的平均落 雷次数，线路长度及线路所经过地区的雷电活动程度有关。根据模拟试验和运行 经验一般将避雷线或导线对地面的遮蔽宽度取l u 爿一，也就是说- - i 弛j 宽度为爿d 。 这样1 0 0 k i n 长的输电线路对地面的遮蔽面积，或受雷害面积为： a = i o h d o 0 0 1 1 0 0 = 也( k m2 1 ( 22 0 ) 通常地面落雷密度y = 0 0 t ，如果取每年4 0 个雷暴日作为标准值，此时，每 年i 0 0 l i f l 输电线路受到的雷击次数为： n = 4 0 x 0 0 7 日。= 2 8 x 日。次( 1 0 0 k m 4 0 雷电日) ( 2 2 1 ) 雷击塔顶及杆塔附近避雷线的次数由运行经验可以得出，雷击杆塔次数与雷 击线路总数的比例称为击杆率6 ，见表2 3 表2 3 击杆率 避雷线根数 ol2 平原 1 21 41 6 山区 1 3l ，4 线路因雷击而跳闸，有可能是由反击引起的，也可能是由绕击造成的，这两 部分之和即是线路总的雷击跳闸率。 ( 1 ) 反击跳闸率彳- 由雷击点部位来看，反击包括两部分，一部分是雷击塔顶及杆塔附近的避雷 线，雷电流经杆塔入地，造成塔顶较高电位，使绝缘子闪络，另一部分是雷击避 雷线档距中央。只要空气间隙符合规程要求，雷击避雷线档距中央一般不会发生 闪络，当然不会引起反击跳闸。因此，可以认为反击跳闸主要是由第一种情况决 定的。 由表2 3 可查出击杆率，即每百公里线路在4 0 个雷电日下，雷击杆塔的次数 为n 。= 2 8 日，雷电流幅值大于雷击塔顶的耐雷水平，的概率为p 。，建弧率为1 ( 两者均由公式求得) 。那么，每百公里线路，4 0 个雷电日，每年因雷击塔顶造成 的跳闸次数为： 编= 2 8 x 日j x 万。，7 。a ( 次1 0 0 k m 4 0 雷电e 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 ) 绕击跳闸率r ， 线路绕击率为只，每百公里每年绕击次数为 帜= 2 8 x h dx 只， ( 2 2 3 ) 雷电流超过耐雷水平，：的概率p ：，建弧率为r ，则每百公里线路因绕击跳闸 次数r ，为： j e 夏銮迪太堂童些亟堂焦迨塞2捡垒垡堕丝重生性能 1 2 = 2 8 x h d e o r x p 2 ( 次1 0 0 k m 。4 0 雷电日) ( 2 。2 4 ) 综上所述，对于中性点直接接地，有避雷线的线路跳闸