（电气工程专业论文）220kv高压输电线路的防雷接地技术研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( 2 2 0 k v 高压输电线路的防雷接地技术 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力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：么垒呈塞 日 期：盈丝：点： 旦 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：么缝 导师签名：氇丝 日期：塑丝：j0 日期：乒，d 、t r 爹q9、i ，fj 。 、卅 q j 华北电力人学一i ：程硕十学位论文 摘要 内蒙电网已仞步形成以2 2 0 k v 5 0 0 k v 为主要电压等级的骨干网架。但是，由于其 绝缘水平较低，部分地区运行环境恶劣，网络结构复杂，防雷措施不尽完善，而且在技 术管理和运行维护上还有很多不足，以至于输电线路雷击事故突出，严重影响内蒙电网 的安全稳定运行。本论文从内蒙电网输电线路实际雷击情况出发，对雷击类型和形式进 行统计和分析，找出了内蒙电网输电线路的雷害规律、特点及主要原因。最后，针对内 蒙电网2 2 0 k v 输电线路现有防雷措施存在的不足，提出了有建设性的防雷接地改进措 施。 关键词：2 2 0 k v 输电线路，防雷，接地技术，改善措施 a b s t r a c t i n n e r m o n g o l i ap o w e r 鲥di sm a i n l yc o m p o s e db y2 2 0 k v 5 0 0 k vh i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e s h o w e v e r , d u et oi t sl o wi n s u l a t i o nl e v e l ，c o m p l e xn e t w o r ks t r u c t u r e ，h a r s h o p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，i m p e r f e c t i o ni 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 ，a sw e l la s s o m e d e f i c i e n c yi nt h et e c h n i c a lm a n a g e m e n ta n do p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，t h el i g h t n i n gs t r i k e s i nt r a n s m i s s i o nl i n e so c c u rf r e q u e n t l y , w h i c hg r e a t l ya f f e c tt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fi n n e r m o n g o l i ap o w e rg r i d b a s e do nt h ea c t u a ll i g h t i n gs t r i k e ss t a t i s t i c so f t h et r a n s m i s s i o nl i n e si n i n n e rm o n g o l i ap o w e rg r i d ，t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h et y p e sa n dm o d e so fl i g h t n i n gs t r i k e s t h e nt h er u l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc a u s e so ft h el i g h t i n gs t r i k e sa r ep o i n t e do u t f i n a l l y , i n t e r m so ft h ee x i s t i n gi s s u e so ft h e2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e si ni n n e rm o n g o l i ap o w e rg r i d ， c o n s t r u c t i v em e a s u r e st oi m p r o v el i g h t n i n g p r o t e c t i o na r ep r o p o s e d ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f k e yw o r d s ：2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e ，l 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 gt e c h n i q u e ， i m p r o v e dm e a s u r e s ， 一 ，、， 华北电力大学 j 程硕十学位论文 中文摘要 英文摘要 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景：1 1 2 国内外研究现状l 1 3 本文主要工作3 第二章输电线路雷击放电原理5 2 1 雷电的形成：一5 2 2 雷电参数5 2 3 雷电流和雷电压6 2 4 雷击跳闸率与耐雷水平1 0 第三章输电线路防雷接地方法分析1 2 3 1 合理选择输电线路路径_ 1 2 3 2 降低杆塔接地电阻1 2 3 2 1 杆塔接地电阻标准。：l3 3 2 2 降低杆塔接地电阻的主要措施1 3 3 3 架设耦合地线1 4 3 4 安装线路型避雷器15 3 5 安装侧向避雷针一1 6 3 6 增加避雷线并减小保护角1 6 3 7 装设自动重合闸装置17 3 8 采用并联保护问隙技术1 7 3 9 优化绝缘配合1 8 3 9 1 绝缘子串片数的选择1 9 3 9 2 塔头空气间隙和绝缘的选择2 0 3 9 3 加强线路绝缘2 0 3 9 4 双回输电线路不同回路采用不平衡绝缘方式2 0 第四章内蒙电网防雷运行分析2 1 4 1 内蒙电网概况2 1 4 2 内蒙古雷电强度特点2 2 4 3 输电线路雷击故障及原因分析2 4 4 3 1 输电线路雷击故障2 4 4 3 2 输电线路雷击故障及原因分析2 5 4 4 线路防雷存在的问题2 9 第五章内蒙电网防雷接地改善措施3 0 5 1 内蒙电网现有防雷措施及效果分析3 0 华北电力人学l ：程硕十学位论文 5 2 防雷接地改善措施3 0 5 2 1 加强绝缘3 0 5 2 2 接地装置改善措施3 2 5 2 3 做好防雷技术管理工作3 5 5 2 4 加强运行维护工作3 6 5 2 5 对雷电易击区进行重点防护3 7 5 2 6 坚持输电线路的防污工作3 7 5 2 7 大力推广雷电定位系统3 8 5 3 防雷方案实施需注意的问题3 9 第六章结论4 0 参考文献4 1 致 射4 4 在学期间发表论文和参加科研情况4 5 华北电力人学j i ：程硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 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越来越高，突然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 5 0 0 k v 的高压输电网，是内蒙电力系统 的骨干电网，承担着电能传输和向广大电力用户分配电能的重任，它的安全稳定运 行与广大人民群众息息相关。但是，由于历史原因，内蒙电网基础还比较薄弱，在 防雷方面存在较大的局限性，电网由于绝缘水平较低，部分地区运行环境恶劣，网 络结构复杂，防雷措施不尽完善，易受雷电的影响，而且在技术管理和运行维护上 还有很多不足，以至于电网故障频繁发生，尤其是在雷雨、大风等恶劣天气时电网 故障更易发生，极大地影响了电网安全和供电可靠性，影响了人民群众的生产、生 活用电。虽然该网络经过农网和城网改造后状况有所好转，但在防止雷害事故，特 别是防止雷击跳闸事故方面部分地区仍没有发生根本的好转。在雷电活动频繁的地 区，雷害事故仍经常发生，极大地影响了电网的安全稳定运行和供电可靠性。 内蒙古自治区电网( 简称内蒙古电网) 由内蒙古西部电网( 简称蒙西电网) 、 呼伦贝尔电网和兴安电网( 简称呼兴电网) 组成。内蒙古电网2 2 0 k v 供电网络向西 延伸至阿拉善盟额济纳旗、向东延伸至呼伦贝尔满洲罩市，从东到西跨越东北、华 北、西北三大经济区。 截止到2 0 0 7 年底，内蒙古电网2 2 0 k v 线路2 2 0 回，线路总长9 1 7 5 8 9 4 k m 。2 0 0 7 年内蒙古电网最大发电负荷1 4 7 2 4 m w ，最大供电负荷1 1 0 8 6 m w ( 不包括外送) ， 内蒙古电网向京津唐电网最大送电潮流2 4 0 8 m w 。2 0 0 7 年内蒙古电网供电量为 7 8 0 2 4 3 1 0 8 k w h ( 不包括外送电量) ，东送京津唐电量为1 4 3 9 1 7 1 0 8 k w h 。 因此，为保证内蒙电网的安全稳定运行、保证电力输送，需要对内蒙高压电网 雷害事故发生的原因进行认真分析，对雷击放电导致电网故障所涉及的关键技术和 理论进行分析探讨，找出内蒙高压电网输电线路在防雷接地措施上存在缺陷和不 足，设计并建设成具有较高防雷接地的高压输电线路是非常必要的，这对提高电网 的安全稳定运行和提高供电可靠性具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 目前的高压输电线路防雷接地应用中运用得非常多的方法【1 。4 1 有：合理选择线路 路径、架设避雷线、降低杆塔接地电阻、在部分地段装没避雷器、提高线路整体绝 华北电力人学j i ：样硕士学位论文 缘水平。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接地技术采用的主要方 法。 为了减少电力线路的雷击事故，提高电网稳定运行和供电可靠性，国内外采取 了各种综合防雷措施【5 西】。德国于1 9 1 4 年提出利用避雷线防雷的理论，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，避雷线虽己使用多年，对其作用 仍无统一认识。，架设避雷线，首先是防护感应雷，而英国、瑞典、德国以及瑞士的 一些学者，则认为感应雷对高压线路并无危险。苏联1 9 3 1 年提出，对于6 0 k v 以上 线路只有直击雷是危险的，避雷线应着眼于防止直接雷击。到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 年代木期己经明确，1 0 0 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。 经过长期的不懈努力，我国电力部门在雷电观测、雷电形成机理研究及防雷保 护等方面已经取得了一系列科技成果。这些科技成果广泛运用于架空输电线路的设 计施工中，对线路防雷保护起到有效作用。但是在相当一些架空输电线路的实际运 行中，雷害仍然是影响其安全性的重要因素。例如，1 9 9 9 年绵阳电业局1 1 0 2 2 0 k v 送电线路故障及事故记录中【7 】，查明由雷击引起的故障及事故有3 起，可能由雷击 引起的事故有l 起，占全部事故的2 5 , - , 3 3 ；在2 0 0 4 2 0 0 6 年跨区电网共计6 5 次雷 击跳闸、累计4 次重合不成功中，重庆境内共发生1 8 次，其中1 次重合不成功， 在8 个省区1 3 个运行维护单位中最为突出。2 0 0 4 年至2 0 0 7 年重庆5 0 0 k v 输电线路 共发生3 0 次跳闸的一类送电障碍，其中雷击跳闸2 7 次，雷击跳闸占历次线路跳闸 总数的9 0 ，说明雷击跳闸是造成重庆2 2 0 5 0 0 k v 线路故障的主要原因。应引起重 视，加强输电线路的防雷措施。 除了架设避雷线以外，现在对输电线路的防雷保护措施还有降低杆塔接地电 阻、提高线路绝缘水平、采用负保护角保护，减小地线屏蔽角、多重屏蔽等，这些 都取得了一定效果。但对于分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，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，经过山坡的线路绕击率高，雷电对线路造成的绕击故障率高的问题没有好的 对策。 长期以来，避雷器一直是电力系统限制大气过电压的主要措施瞪“3 1 。近年来， 经过科技工作者的努力，己经成功地将避雷器应用在线路上。 线路型避雷器的研制欧美与日本较早。美国a e p 和g e 公司1 9 8 0 年开始研制 用于线路防雷的合成套z n o 避雷器，1 9 8 2 年1 0 月有7 5 只在1 3 8 k v 线路上投入运 行。结构上采用了环氧玻璃筒包裹z n o 阀片，筒外套上e p d n 橡胶群套。1 9 9 3 年， 华北电力大学i ：程硕士学位论文 在p o r tw a s h i n g t o n 和p e c o n g i c 地区的三回线路上加装了线路避雷器，并采用了不同 i 丑j 距的配置方案，连续观察了三年，取得了大量的实用资料和安装、运行经验。日 本自1 9 8 6 年开始研制输电线路限制雷电过电压的合成套避雷器【i 引，年底研制出 7 7 k v 线路避雷器，1 9 8 8 年研制出2 7 5 k v 线路避雷器，到1 9 9 0 年己在3 3 2 7 5 k v 系 统的6 1 0 k m 线路上运行了4 6 7 0 相线路避雷器，1 9 9 2 年5 0 0 k v 系统输电线路防雷的 合成套避雷器己投入运行。目前，在日本大约有3 0 0 0 0 套线路避雷器在电力系统中 运行。大多数线路避雷器使用在6 6 k v 一7 7 k v 的线路上。 线路型避雷器在我国是从1 9 9 3 年开始研制和应用的。昌房5 0 0 k v 紧凑型线路 经过山区，山区的土壤电阻率高，要降低杆塔接地电阻比较困难，安装了国外引进 的线路型避雷器后的耐雷水平、避雷器的雷电放电电流及吸收的雷电放电能量都达 到了规程要求。1 9 9 7 年，淄博电业局与原电力部中能公司合作，使用该公司生产的 线路型避雷器，并分别在3 5 k v 、1 1 0 k v 线路上运行，经过2 个雷雨季节的考验取得 了较好的效果。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，对雷害比较严重的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。实际安装后，经过一年的运 行该线路未发生雷击跳闸，而处于同一区域，地形、气象条件基本相同的另几条 l l o k v 线路均发生多次雷击跳闸，甚至击碎瓷瓶。1 9 9 8 年通过在华北电网雷电活动 频繁地区的寿遵l l o k v 线路上采用线路型避雷器改进防雷措施的研究，经过试验和 实际运行，证明此改进是成功、经济和有效的，雷击跳闸次数由1 9 9 6 年的7 次， 降为1 9 9 7 年的1 次，1 9 9 8 年的0 次。1 9 9 8 年西安电瓷研究所与广州电力工业局合 作，提出在多雷的2 2 0 k v 韶郭线上安装线路防雷用线路型避雷器，以提高线路的耐 雷水平【l5 1 。根据对不同安装方式下的耐雷水平进行了计算，结果选择在2 2 0 k v 韶郭 线2 0 9 ，2 1 0 ，2 1 1 ，2 0 6 ，2 4 6 ，2 4 8 号塔安装了共计1 6 相线路型避雷器。经过两年 的跟踪运行，证实防雷的效果较好。 1 3 本文主要工作 本文将结合内蒙电网2 2 0 k v 高压输电线防雷接地技术的设计和建设，对防雷接 地技术所涉及的相关问题进行深入分析研究。在已有防雷接地技术的相关理论和成 果基础上，结合最新防雷接地技术相关的研究成果，设计和建设出先进、可靠的 2 2 0 k v 高压输电线示范工程，并对高压防雷接地技术的关键技术和设计方案作进一 步探讨。所做的研究重点如下： ( 1 ) 阐述了输电线路雷击放电的原理，介绍雷电放电的发展过程，给出了雷暴 f 1 、雷暴小时、地面落雷密度等雷电参数的定义，建立了雷电流等值模型，并给出 了耐雷水平、感应雷和直击雷的主要计算方法。 ( 2 ) 论述目前我国输电线路防雷接地设计中常用的几种方法，并对几种方法分 华北电力大学：i j 程硕十学位论文 别进行了深入阐述、定量分析。提出输电线路特殊地段的防雷设计方法。 ( 3 ) 介绍了内蒙电网的概况，根据内蒙地区的地形地貌特征以及气候环境特点， 在广泛收集、总结内蒙电网线路防雷运行情况的基础上，总结了内蒙电网输电线路 发生雷击的特点和规律。并以内蒙电网呼和浩特市2 2 0 k v 高压线路为研究对象，通 过现场测量得到杆塔接地电阻、避雷器接地电阻、绝缘子损坏情况、线路及变电站 单相接地电容电流的测试参数，分析引起线路雷击事故的主要原因。根据故障原因， 指出了内蒙电网线路防雷存在的问题。 ( 4 ) 结合内蒙电网2 2 0 k v 高压线路建设的实施情况，在现有电网线路防雷措施 的基础上，提出综合运用多种防雷接地技术，使高压线路得到全线保护，从设计、 建设和管理的角度对如何提高输电线路的防雷水平提出新的建议。 4 华北电力大学一 稃硕士学位论文 2 1 雷电的形成 第二章输电线路雷击放电原理 雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象。在某种大气和大地条件下，潮湿的 热气流进入大气层冷凝而形成雷云，大气层中的雷云底部大多数带负电，它在地面 上感应出大量的j 下电荷，这样雷云和大地之间就形成了强大的电场，随着雷云的发 展和运动，当空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就会发生雷云之 间或雷云对地的放电，形成雷电【i 们。 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( 约2 5 3 0 k v c m ) 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。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1 0 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。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。 雷电的电压很高，瞬时电流强度很大。因此，一次雷电的放电时间虽然只有0 0 1 s 左右，但其释放出的能量却大得惊人。我国电力行业的工作者经过几十年的研究工 作，根据实际收集到的资料总结出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。 2 2 雷电参数 ( 1 ) 雷暴日与雷暴小时 在进行防雷设计和采取防雷措施时，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- 4 , 时内只要听到雷声( 不 管听到几次) ，就记为一个雷暴日或雷暴小时。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。 从表2 1 可以看出，雷暴小时数与雷暴同数之比随雷暴f 1 数增加而增大。大致 华北电力人学。t ：程硕+ 学位论文 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 同的叫强雷区，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 52 2 3 3 0 - 4 02 5 3 5 5 0 6 0 ， 3 4 7 0 8 0 以上 3 3 4 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、每平方公罩地面落雷次数。我国一般取y = o 0 1 5 。 2 3 雷电流和雷电压 雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放。尽管雷云要有很高的初始 电位才可能使大气击穿，形成先导一主放电，但是地面被击物体的电位并不取决于 这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积( 被击物体阻抗是指被击 点与大地零电位参考点之间的阻抗) 。所以，从电源的性质看，这相当于一个电流 源的作用过程。雷电现象虽然十分复杂但从分析其后果的角度看，还是可以把它看 成是一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程，据此建立计算 模型【l7 1 。 图2 - 1 雷电流源等值电路 在雷电放电过程中，人们能够测知的电量，主要是雷击地面时流过被击物体的 电流f ，然后再根据计算模型反推出雷电波的参数。由图2 1 的电流源等值电路，得 到下式： 6 华北电力大学f ：稃硕十学位论文 待2 乇麦 ( 2 - 1 ) 式中：z 0 为雷电通道波阻抗；z c 为导线的波阻抗。显然f 与z o 有关。当z c = z o 时，恰好有，i = i o ，但这种巧合是不可能的；当乃= o 时，i = 2 i o ，事实上乙不可能 为零；但若互z o ，仍可测得i = i o 。所以国际上都习惯把雷击低接地阻抗物体时， 流过该物体的电流定义为雷电流。因而在防雷保护计算的彼德逊等值电路中，如图 2 1 所示，等值雷电流源通常就直接用雷电流来表示。 雷电流是单极性的脉冲波。对一般地区，我国现行标准推荐雷电流幅值分布的 概率如下式： l g p = - 面i ( 2 - 2 ) 式中：，为雷电流幅值( k a ) ；p 为幅值大于，的雷电流概率。根据国内外的实测 统计，7 5 - - 9 0 的雷电流是负极性的，因此电气设备的防雷保护和绝缘配合一般 都按负极性雷进行研究。 根据雷电过电压形成的物理过程，雷击线路的雷电过电压主要可以分成两种： 1 感应雷过电压。就是雷击线路附近大地或杆塔时，由于电磁感应在导线上产生的 过电压。一般感应过电压只对3 5 k v 及以下的线路有威胁；2 直击雷过电压，是雷直 接击中杆塔，避雷线或导线引起的线路过电压。直击雷过电压又分为两种情况：一 种是雷击线路杆塔或避雷线时，雷电流通过杆塔和杆塔接地电阻使塔顶对地电位大 大升高，当塔顶与导线之间的电位差超过线路绝缘子串的5 0 冲击放电电压时，绝 缘子串就会闪络。因为杆塔或避雷线的电位( 绝对值) 高于导线，故通常称为反击 ( 如图2 2 所示) 。另一种是雷闪直接击中无避雷线线路的导线或绕过避雷线( 屏蔽 失败) 而击中导线，直接在导线上引起过电压。又通常称之为绕击( 如图2 3 所示) 。 运行经验表明，反击和绕击雷过电压对2 2 0 k v 线路危害最大【1 8 。2 3 】。 图2 2 雷击杆塔或避雷线图2 3 雷绕击导线 ( 1 ) 感应雷过电压 1 无避雷线时的感应雷过电压 华北电力大学- 1 - 1 r t 硕+ 学位论文 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铁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。 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。 距架空线路s 6 5 m 处，雷云对地放电时，线路上产生的感应过电压按下式计算： u = 2 5 x l x h a s ( k v ) ( 2 _ 3 ) 式中：u l 为雷击大地时感应过电压最大值k v ；九一为导线平均高度m ；卜 雷电流幅值k a ；卜为雷击点与线路的距离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 1 0 0 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6 6 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。 更多的雷击，则因线路的吸引，而击于线路本身。当雷直击于铁塔或线路附近 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 = a x 吃( k v ) ( 2 4 ) 式中口一感应过电压系数，k v m ，其值等于以k a , us 为单位的雷电流平均陡度 值，其由给定的雷电流幅值，和波头时间决定，取a = i 2 6 。 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 3 ) 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( ，这个电 压由于耦合作用在导线上产生的电压为红( 一u ) = 一恕x u 。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。 ( 2 ) 直击雷过电压 1 无避雷线时的直击雷过电压 8 华北电力人学jr = 程硕十学位论文 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 0 q ) 。则 雷击点过电压= ( 耽) x ( 耽) 可俐= 1 0 凹。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 i = v s o , 1 0 0 ( k a ) ( 2 5 ) 当雷击线路塔顶时，雷电流i 将流经铁塔及其接地电阻流入大地。假设铁塔的 电感为耵，铁塔的冲击电阻为r c h ，导线悬挂点高度为也，雷电流为斜角平项波， 且工程计算取波头为2 6 us ，则作用在绝缘子串上的电压为 u ，= i x ( 如+ 毛2 6 + 凰2 6 ) ( k v ) ( 2 6 ) 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。 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只。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 ，铁塔高度 h 和地形条件等有关，建议用下式计算： 对平原线路：l g = a 4 h 8 6 - 3 9 对山区线路：l g = a 4 h 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铁塔入地，小部分电流则经过避雷线由相邻铁 塔入地。流经被击铁塔入地的电流，和总电流，的关系可以用下式表示： i 矗= p iq 一 式中铁塔的分流系数，它小于1 。 雷击输电线路档距中央避雷线时，由于雷击点距铁塔有一段距离，由两侧接地 铁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i = 口f ，则 u o = 1 2 x l x a 。 a 点与导线空气间隙绝缘上所承受的电压u 为： u = u o ( 1 _ k 。) = 1 2 x l x a ( 卜k 。) ( k v ) ( 2 _ 8 ) 其中以为导线与避雷线间的耦合系数。 9 华北电力人学1 ：程硕十学位论文 2 4 雷击跳闸率与耐雷水平 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 个雷电同的情况下，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，在相导线上就要祸合出一个相应的电压。真正作用在绝缘子的电压是它f l j - 者 之差，即一u = ( 1 一k ) ，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u 。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。 雷电流可以根据乙= ( 厶2 ) ( 1 一c o s c o t ) 计算( 如图2 4 ) ，从而可算出塔顶电位： u ，= 乙r ，其中r 为铁塔的接地电阻值。再乘上一个考虑耦合的系数( 1 一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 4 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： r = ( 4 5 e0 7 5 1 4 ) ( 2 - 9 ) 其中叩一建弧率；e 一绝缘子串的平均工作电压梯度；( 单位：k v m ) 1 0 华北电力人学i ：程硕：卜学位论文 对中性点有效接地电网 e = 虬1 4 5 ( l ，+ o 5 乙) 对中性点非有效接地的电网 e = u e ( 2 l j + 厶) 式中u 一额定电压，k v ；t 一绝缘子串长度， 铁横担和钢筋混凝土横担线路，厶= o ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) m ；厶线路的线间距离，i n ( 对 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。 华北电力人学in 硕+ 学位论文 第三章输电线路防雷接地方法分析 衡量线路防雷性能优劣重要指标一般有两个，一是线路雷击跳闸率，另一个是 线路的耐雷水平。线路的耐雷水平越高，雷击跳闸率就会越低，说明线路的防雷性 能越好。所以如何提高线路的耐雷水平，减低雷击跳闸率是输电线路防雷的两个重 要方面。在确定线路的防雷方式时，应综合考虑系统的运行方式，线路的电压等级 和重要程度、线路经过地区的雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率的高低 等自然条件，参考当地原有线路的运行经验，根据技术经济比较的结果，采取合理 的保护措施【2 4 。z 引。 3 1 合理选择输电线路路径 大量运行经验表明，线路遭受雷击往往集中于线路的某些地段。我们称之为选 择性雷击区，或称为易击区。线路若能避开易击区，或对易击区线段加强保护，则 是防止雷害的根本措施。实践表明，下列地段易遭受雷击： ( 1 ) 雷暴走廊，如山区风口以及顺风的河谷和峡谷等处； ( 2 ) 四周是山丘的潮湿盆地，如铁塔周围有鱼塘、水库、湖泊、沼泽地、森林 或灌木、附近又有蜿蜒起伏的山丘等处； ( 3 ) 土壤电阻率有突变的地带，如地质断层地带，岩石与土壤、山坡与稻田的 交界区，岩石山脚下有小河的山谷等地，雷易击于低土壤电阻率处； ( 4 ) 地下有导电性矿的地面和地下水位较高处； ( 5 ) 当土壤电阻率差别不大时，例如有良好的土层和植被的山丘，雷易击于突 出的山顶、山的向阳坡等。 3 2 降低杆塔接地电阻 降低杆塔接地电阻技术是通过降低杆塔的冲击接地电阻来提高输电线路反击 耐雷水平的一种输电线路防雷技术。 首先，先对一些相关概念做一基本解释： ( 1 ) 接地电阻。是人工接地体或自然接地体对地电阻、接地引线及其与接地体 连接电阻和流散电阻之和。 ( 2 ) 流散电阻。与土壤电阻率、接地体的形状、尺寸、数量和相互位置有关。 ( 3 ) 接触电阻。接地引下线与引雷设备以及与接地体相连部位的电阻。 ( 4 ) 接地体电阻。埋入地中并直接与大地接触的金属导体。 ( 5 ) 工频接地电阻。按通过接地体流入地中的工频电流求得的电阻。 ( 6 ) 冲击接地电阻。流过雷电冲击电流时所表现的电阻值，称为冲击电阻。由 华北电力人学【：程硕十学位论文 于雷电冲击电流流过接地装置时，电流密度大，波头陡度高，会在接地体周围土壤 中产生局部火花放电，其效果等同于增大了接地体尺寸，使接地电阻数值降低，所 以冲击接地电阻比工频接地电阻小。 通过降低杆塔接地电阻来降低输电线路雷击跳闸率的原理是：当杆塔接地电阻 降低时，雷击塔顶时塔顶电位升高的程度降低，绝缘子所承受的过电压程度也降低， 从而使线路的反击耐雷水平提高，有效降低线路的雷击跳闸率。 降低杆塔接地电阻各种措施的技术原理是：接地电阻与接地电极的形式和土壤 电阻率有关，通过改变接地电极的形状、尺寸、埋深以及土壤电阻率可以改变杆塔 接地电阻。 对于平原地区，特别是土壤电阻率较低的区域，按照常规的设计，接地电阻值 即能达到要求，而在山区、高土壤电阻率地区，如何有效地降低接地装置的接地电 阻值，如何用较少的投资获得较好的降阻效果，目前仍然是电力系统中广大工程技 术人员面对的主要技术难题。 3 2 1 杆塔接地电阻标准 雷击杆塔时塔顶电位与杆塔接地电阻和土壤电阻率密切相关，降低杆塔接地电 阻或土壤电阻率是提高线路耐雷水平，防止反击的最基本最有效的措施。架空线路 杆塔的接地电阻和型式在电力行业标准d l t 6 2 0 1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护 和绝缘配合、d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地中都提出了具体的要求，这 些标准是设计、安装和改造架空线路杆塔接地的依据【2 9 。2 1 。 有避雷线的线路，每基杆塔不连避雷线时的工频接地电阻，在雷季干燥时，不 宜超过表3 1 所列数值。 表3 1 有避雷线输电线路铁塔的工频接地电阻 l 土壤电阻率( q )1 0 0 及以+ 卜 1 0 0 5 0 05 0 0 l0 0 010 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 以上 1 频接地电阻 1 0 1 52 02 53 0 3 2 2 降低杆塔接地电阻的主要措施 降低杆塔接地电阻的措施主要有： ( 1 ) 水平外延接地，如杆塔所在的地方有水平放射的地方。因为水平放射施工 费用低，不但可以降低工频接地电阻，还可以有效地降低冲击接地电阻。 ( 2 ) 深埋式接地极，如地下较深处的土壤电阻率较低，可用竖井式，或深埋式 接地极。这种方法在工程并中不常用。 ( 3 ) 填充电阻率较低的物质( 降阻剂) 1 如附近有可以利用的低电阻率的物质，可以因地制宜、综合利用，但这些物 质的性能具备：电阻率低、不易流失、性能稳定、易于吸收和保持水分、无腐蚀作 用、施工简便、经济合理。 华北电力人学1 ：稃硕十学位论文 2 施加降阻剂进行降阻， 降阻剂具有较低的电阻率( 不大于0 1 3 5 竹) ，加水后有较大的膨胀倍数( 3 5 倍) 。实践证明，在水平接地体周围施加高效膨润土降阻防腐剂，相当于增大了接 地体的有效截面，消除了接地体与周围土壤的接触电阻；具有较强的吸水性和保水 性以及随时间推移不断向土壤中渗透和扩散，降低了接地体周围的土壤电阻率，因 而具有较好的降阻性能，特别是对山区、高土壤电阻率地区以及北方干旱地区的降 阻效果最为明显。 ( 4 ) 采用接地模块 对山区受地质、地形影响，接地电阻难以降低的地区，可采用接地模块等方法 来降低接地电阻。 ( 5 ) 采用爆破接地技术 爆破接地技术是近年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术，通过爆破制 裂，再用压力机将低电阻率材料压入爆破裂隙中，从而起到改善很大范围的土壤导 电性能的目的，相当于大范围的土壤改性。 究竟采用那种方法降阻要根据实际情况做认真的技术经济比较，从中筛选出经 济、有效、合理的方法，一般情况下水平接地体施加降阻剂的方法，比较经济且效 果好，如采用深井，地下一定要有低电阻率的地层才有明显效果，如若没有，采用 深井爆破制裂压力灌注降阻剂的方法费用较大，而效果并不明显。若受地形、地势 和土壤电阻率的限制把工频接地电阻降到合格( 3 0 q ) 比较困难时，可以考虑用6 8 根长为8 0 m 的水平射线的方法来降低冲击接地电阻，或把若干基杆塔的接地用耦合 地线连接起来，在这若干基塔中找出便于处理的，把接地电阻降到较低值，一般在 1 0 q 以下，这样也可以起到很好的防雷作用。 3 3 架设耦合地线 架设耦合地线是在降低杆塔接地电阻有困难的时候，在导线下方加设一条接地 线，以提高线路的反击耐雷水平，降低反击跳闸率的防雷技术，一般应用在接地电 阻较高的线路。 架设耦合地线提高线路反击耐雷水平的机理包括两个方面，一方面耦合地线可 以增加导线和地线之间的耦合作用，雷