（电气工程专业论文）邢台西部电网输电线路防雷改进措施研究.pdf

华北电力人学：j ：程硕十学位论文摘要 摘要 邢台西部电网处在河北省典型的雷电活动频繁地区，并且其电压等级范围 广，输电线路雷击事故突出，严重影响邢台西部电网的安全稳定运行。本论文 从邢台西部电网输电线路实际雷击情况出发，对输电线路雷击类型和形式进行 统计和分析，找出邢台西部电网输电线路的雷害规律、特点和存在问题，并对 现有防雷措施的效果进行总结分析和评价，最后提出有建设性的邢台西部电网 输电线路改进的防雷措施。此论文研究具有重要的研究价值和工程实际意义。 关键词：电力系统，输电线路，防雷，改进措施 a b s t r a c t w e s tx i n g t a ip o w e rg r i dl o c a t e si nc l a s s i c a ll i g h t n i n ga r e ao fh e b e ip r o v i n c e ， a n do p e r a t e sa td i f f e r e n tw i d ev o l t a g ed e g r e e t h el i g h t n i n gs t r i k e si nt r a n s m i s s i o n l i n e so c c u rf r e q u e n t l y ，w h i c hl a r g e l ya f 俺c t st h es e c u r ea n ds t a b l eo p e r a t i o no fw e s t x i n g t a ip o w e rg r i d i nt h i s p a p e r ，b e g i n n i n gw i t h t h er e a l l i g h t i n gs t r i k e so n t r a n s m i s s i o nl i n e so fw e s tx i n g t a ip o w e rg r i d ，t h et y p e sa n dm o d e so fl i g h t n i n g s t r i k e sa r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h er u l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t i n gi s s u e so f l i g h t n i n gs t r i k e so nt r a n s m i s s i o nl i n e so fw e s tx i n g t a ip o w e rg r i da r ei n v e s t i g a t e d ， a n dt h ec o n c l u s i o n sa n de v a i u a t i o n so ft h ee f f e c t so fc u r r e n tl i g h t n i n gp r o t e c t i o n m e a s u r e sa r eg i v e n ，t h ec o n s t r u c t i v ei m p r o v e di i g h t n i n g - p r o t e c t i o nm e a s u r e so n t r a n s m i s s i o nl i n e so fw e s tx i n g t a ip o w e rg r i da r ep r e s e n t e di nt h ee n d t h ew o r k so f t h i sp a p e rh a sg r e a tr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e z h a n gz h a n b i n ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l il i n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，t 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 ，i m p r o v e d m e a s u r e s 华北电力人学：j ：程硕十学位论文摘要 摘要 邢台西部电网处在河北省典型的雷电活动频繁地区，并且其电压等级范围 广，输电线路雷击事故突出，严重影响邢台西部电网的安全稳定运行。本论文 从邢台西部电网输电线路实际雷击情况出发，对输电线路雷击类型和形式进行 统计和分析，找出邢台西部电网输电线路的雷害规律、特点和存在问题，并对 现有防雷措施的效果进行总结分析和评价，最后提出有建设性的邢台西部电网 输电线路改进的防雷措施。此论文研究具有重要的研究价值和工程实际意义。 关键词：电力系统，输电线路，防雷，改进措施 a b s t r a c t w e s tx i n g t a ip o w e rg r i dl o c a t e si nc l a s s i c a ll i g h t n i n ga r e ao fh e b e ip r o v i n c e ， a n do p e r a t e sa td i f f e r e n tw i d ev o l t a g ed e g r e e t h el i g h t n i n gs t r i k e si nt r a n s m i s s i o n l i n e so c c u rf e q u e n t l y ，w h i c hl a r g e l ya f f e c t st h es e c u r ea n ds t a b l eo p e r a t i o no fw e s t x i n g t a ip o w e rg r i d i nt h i s p a p e r ，b e g i n n i n gw i t ht h er e a ll i g h t i n gs t r i k e so n t r a n s m i s s i o nl i n e so fw e s tx i n g t a ip o w e rg r i d ，t h et y p e sa n dm o d e so fl i g h t n i n g s t r i k e sa r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h er u l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t i n gi s s u e so f l i g h t n i n gs t r i k e so nt r a n s m i s s i o nl i n e so f 、 ，e s tx i n g t a ip o w e rg r i da r ei n v e s t i g a t e d ， a n dt h ec o n c l u s i o n sa n de v a i u a t i o n so ft h ee f f e c t so fc u r r e n tl i g h t n i n gp r o t e c t i o n m e a s u r e sa r eg i v e n ，t h ec o n s t r u c t i v ei m p r o v e di i g h t n i n g - p r o t e c t i o nm e a s u r e so n t r a n s m i s s i o nl i n e so fw e s tx i n g t a ip o w e rg r i da r ep r e s e n t e di nt h ee n d t h ew o r k so f t h i sp a p e rh a sg r e a tr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e z h a n gz h a n b i n ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l il i n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，t 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 ，i m p r o v e d m e a s u r e s 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文邢台西部电网输电线路防雷改进措施 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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：獬日期：卿 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： 日 期： 导师签名：趟 日 期：号p 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 第一章引言 1 1 邢台西部电网输电线路防雷改进措施研究的目标和意义 电力工业在国民经济发展中占据着非常重要的地位，其安全稳定可靠运行与产 业发展和人民生活质量息息相关。作为电力系统的纽带，输电线路的安全运行保证 电网的稳定可靠电力供应，具有重要地位。而架空输电线路的雷击跳闸事故是引起 输电线路故障的一个重要因素之一，是电力供应安全所面临的一个难题l i 。j 。 由于地形地貌的影响，当较长的输电线路穿过平原、山区、跨越江河湖泊时， 根据地理条件和气象条件等，所遭受的雷击几率较大。据统计，全世界范围内电力 系统各类事故、障碍统计中，配电线路的雷害事故占有很大的比例，电力系统事故 中雷害事故一般占5 0 以上。由国际大电网会议公布的结果可得1 6 j ：美国、前苏 联等1 2 个国家的输电线路电压等级为2 7 5 5 0 0 k v ，输电线路长度可达3 2 7 力k m ， 并在输电线路连续运行3 年的资料中，雷害事故占总事故的6 0 。另外，瑞典1 9 8 6 年由雷击而引起的事故占所有输电线路事故的5 1 ，而同本5 0 以上的电力系统事 故是由于输电线路雷击造成的。 根据文献【5 7 】，美国、俄罗斯及同本等国输电线路的雷击跳闸率统计值见表1 1 。 表1 1 美、俄、日输电线路的雷击平均跳闸率次( 1 0 0 k m a ) 我国地处温带( 部分地区属于亚热带气候) ，雷电活动相对比较强烈。在我国高 压输电线路的总跳闸次数中，由雷击引起的线路跳闸事故约占4 0 7 0 1 2 训。例如在 三峡等西部电网覆盖地区，因强烈雷电活动、高土壤电阻率及复杂地形等因素，使 得输电线路雷击所引起的事故率很高。输电线路的电压等级越高，电能输送容量的 增大在系统中所占的重要性相对增加，且杆塔高度也增加，线路走廊的尺寸也随之 增大，引雷半径自然也增大，从而遭受自然雷害的机率也增加 6 l 。从我国5 0 0 k v 线 路的总体运行情况看，在华东或者华中电网5 0 0 k v 输电线路上遭受雷击故障率都在 华北电力人学i ：科硕十学位论文 o 2 次( 10 0 k m a ) 雷同以下；但在我国南部地区，如广西、广东两省的5 0 0 k v 线路雷 击故障率有些偏高( 因为这些地区为8 0 9 0 雷只的多雷区) 约在o 4 左右，高的年 份达o 6 3 8 1 【2 0 1 。 根据文献 5 7 】，我国2 0 0 1 年输电线路雷击跳闸率标准值、目标值及实际运行统 计值见表1 2 。 表1 2 我国关于线路雷击跳闸率的各种数据次( 1 0 0 k m a 4 0 雷日) 2 2 00 4 3 0 9 50 3i5 5 0 00 17 一( ) 4 2( ) 14 ( ) ，4 8 ( 、f 坞i ) 湖北) o 9 4 ( i l i l k ) ( 椭缱) 0 2 8 f 双避需线) 0 3 6 ( 瞥避j ? 线，一中原) 1 16 单避前线，l f j | x j 0 2 1 3 f 陕i jl i l 0 17 3 3 ( ) k v 系统) ( ) 1l i # l ij i 乜h ) ( ) 3 7 7 i 入、f i 、i li l i l 我国经济建设近几年快速增长，电能的生产和输送得到了迅猛发展，输电线路 的电压等级也不断提高，东北、华北、华东、华中、西南、华南和山东各省区均建 设有多条5 0 0 k v 输电线路，随着生产生活的不断提高，用电量逐渐增大，逐渐形成 “西电东送的全国大联网的局面。长距离高压输电线路的普及，遭受雷击的机会 较多，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。 邢台西部山区属典型的雷电活动频繁地区之一。邢台谣部电网电压等级范围较 广，从3 5 k v 到2 2 0 k v ，并且邢台、内邱、临城等县山区中以3 5 k v 和llo k v 输电 线路为主。从2 0 0 4 至2 0 0 9 年5 年中，邢台西部电网年平均雷暴同数为4 5 天，极 值达6 2 天，在全国属较强雷暴区域。由雷害事故引起的输电线路跳闸，既影响电 网的正常供电，又增加输电线路及丌关设备的维修工作量。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。 因此，从邢台西部电网输电线路实际雷击情况出发，通过国内外输电线路防雷 2 华北电力人学l ：科硕十学位论文 技术及方法的现状分析，结合相关防雷原理和经验，根据邢台西部电网的实际调查 数据，对雷击类型和形式进行统计和分析，找出邢台西部电网输电线路的雷害规律、 特点和存在问题，将典型输电线路雷击作为研究对象，研究其造成雷击的影响因素 和关键问题，对邢台西部电网输电线路提出有建设性的改进防雷措施，此论文研究 具有重要的科学意义和工程实际意义。 1 2 输电线路防雷改进措施简介 输电线路防雷方法较多，并取得了一些经验和成果。先从如下几个方面来说明： i 常规防雷技术 经多年摸索，输电线路防雷基本形成了一系列行之有效的常规防雷方法，如架 设架空地线、采用负角保护、降低接地电阻、架设耦合地线、提高线路绝缘水平、 采用中性点非有效接地方式、安装自动重合闸、安装线路避雷器、采用不平衡绝缘 方式等： ( 1 ) 输电线路防雷的第一道防线 第一道防线是保护导线不受或少受雷直击。为此可采用避雷线( 架设架空地 线) ，个别情况下可用独立避雷针或改用电缆。 避雷线是输电线路防雷保护的最基本和最有效的措施，保护导线不受或少受雷 直击，其主要作用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用：分流作用，以减小 流经杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位：通过对导线的耦合作用可以减小线路绝 缘子的电压；对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。 ( 2 ) 输电线路防雷的第二道防线 第二道防线是雷击塔顶或避雷线时不使或少使绝缘发生闪络。为此，需改善杆 塔的接地电阻，特殊情况下可以加耦合地线、或适当加强绝缘、或在个别杆塔上用 避雷器。 1 ) 改善杆塔接地电阻 一般是采取降低杆塔接地电阻的方法，它是配合架设架空地线所采取的一项最 经济、有效的措施。线路的接地电阻与耐雷水平成反比，降低杆塔接地电阻可以减 小雷击杆塔时的电位升高，这是提高线路耐雷水平的基础。在土壤电阻率低的地区， 应充分利用杆塔的自然接地电阻；在土壤电阻率高的地区，改善接地装置的措施是 很困难的，应通过在地表面沿线路方向敷设与线路走向一致的延伸接地线，以提高 接地线与线路的电磁耦合和分流作用。 2 ) 架设耦合避雷线 在改善杆塔接地电阻有困难时，可采用架设耦合地线的措施，即在导线下方再 架设一条地线。它的作用主要有以下方面：加强架空地线与导线间的耦合，使线 华北电力人学：l ：程硕十学位论文 路绝缘上的过电压降低：增加对雷电流的分流作用。运行经验表明，耦合地线对 减小雷击跳闸率的效果是显著的，尤其在山区的输电线路，其效果更为明显。 3 ) 加强线路绝缘 线路的绝缘水平与耐雷水平成正比，由于输电线路个别地段需采用大跨越高杆 塔( 如：跨河杆塔) ，这就增加了杆塔落雷的机会。高塔落雷时塔顶电位高，感应过 电压大，而且受绕击的概率也较大。为降低线路跳闸率，可在高杆塔上增加绝缘子 串片数，加大大跨越档导线与地线之间的距离，以加强线路绝缘。在3 5 k v 及以下 的线路可采用瓷横担等冲击闪络电压较高的绝缘子来降低雷击跳闸率。 4 ) 安装线路避雷器 即使在全线架设架空地线，也不能完全排除在导线上出现过电压的可能性，安 装线路避雷器可以使由于雷击所产生的过电压超过定的幅值时动作，给雷电流提 供一个低阻抗的通路，使其泄放到大地，从而限制了电压的升高，保障了线路、设 备的安全。因此，无论在防止雷直击导线方面，还是在雷击塔顶或架空地线时的反 击方面，安装线路避雷器都非常有效的。但线路避雷器仅能解决某个点的雷害。 5 ) 采用不平衡绝缘方式 在现代高压及超高压线路上，同杆架设的双回路线路同益增多，对此类线路在 采用通常的防雷措施尚不能满足要求时，可考虑采用不平衡绝缘方式来降低双回路 雷击同时跳闸率，以保障线路的连续供电。不平衡绝缘的原则是使双回路的绝缘子 串片数有差异，这样，雷击时绝缘子串片数少的回路先洲络，闪络后的导线相当于 地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了线路的耐雷水平，使之不发生闪 络，保障了另一回路的连续供电。 ( 3 ) 输电线路防雷的第三道防线 第三道防线是当绝缘发生冲击闪络时，尽量减小由冲击闪络转变为稳定电力电 弧的概率，从而减少雷击跳闸率次数。为此应减少绝缘上的工频电场强度，或电网 中性点采用不直接接地的方式。在我国3 5 k v 及以下电力系统中采用中性点不接地 或经消弧线圈接地的方式。这样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动消 除，不致引起相间短路和跳闸。而在二相或三相落雷时，由于先对地闪络的一相相 当于一条架空地线，增加了雷电流分流和对未闪络相的耦合作用，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。 ( 4 ) 输电线路防雷的第四道防线 第四道防线为即使发生跳闸也不中断电力的供应。由于线路绝缘具有自恢复性 能，大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能够自行消除。为此，可采用自动重 合闸装置，或用双回路以及环网供电。据统计，我国l lo k v 及以上的高压线路重合 闸成功率达7 5 9 5 ，3 5 v k 及以下的线路成功率约为5 0 一8 0 。因此，各级电压 等级的线路均应尽量安装自动重合闸装置。 4 华北l 乜力人学l ：样硕十学位论文 i i 目前热门的防雷技术 目前正流行的线路避雷器防雷技术并不是什么新技术，早期的线路用的保护间 隙和管型避雷器就是线路避雷器防雷技术。保护问隙的灭弧能力较差，有时不能自 行熄灭，虽然保护问隙限制了过电压、保护了设备，但将造成线路跳闸故障，这是 保护间隙的主要缺点，因此我国目自订使用不多，仅用于低电压等级线路的防雷保护。 管型避雷器灭弧能力与短路电流有关，伏秒特性较陡、分散性大、放电特性受大气 条件影响很大等缺点，另外管型避雷器多次动作后，管内径会逐渐增大，熄弧能力 会下降甚致消失，因此管型避雷器仅用于大跨越和交叉档距以及发变电所的进线段 保护。由于近些年l l o k v 及以上电压等级的合成绝缘外套线路金属氧化物避雷器的 研制成功，为解决线路的防雷提供了一种新的手段，使线路避雷器防雷技术成为目 前热门的防雷技术。 i i i 非常规防雷技术 ( 1 ) 消蓄器和提前发射接闪器 消雷器包括半导体消雷器、导体消雷器。各种消雷器的设计思想是企图中和雷 云电荷，把雷电荷消灭掉或限制放电电流：各种提前发射接闪器的设计思想是企图 把避雷针的接闪效果提高，即扩大保护范围。 2 0 世纪7 0 年代中后期，我国曾兴起消雷器热，并在武汉、莫干山、北华山等 地试用。19 81 年，国内防雷专家曾进行了热烈的大讨论，除个别专家外。几乎一致 认为：消雷技术是研究中的技术，不能在工程中使用，尤其不能在国防重大工程中使 用；绝大多数人通过科学论证，认为消雷器不能消雷，或只能消除雷云能量极小的 一部分，而避雷针却是极可靠的直击雷防护措施。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着市场经济的发展，有关公司和研究所将各式各样的 消雷器推向市场，又掀起了新的消雷器热。从1 9 9 6 年起到现在，我国的学术界和 工程技术界围绕消雷器进行过多次讨论并发表了许多文章。 在国外，消雷器从来没有得到工程技术界的承认，世界各国标准化组织都拒绝 将这类方法或产品列入防雷标准和规范。国内外防雷专家关于“消雷技术”之争， 己成为防雷领域最大争论的焦点。“消雷技术”是一发展中的防雷技术，是对传统 的防雷理论的创新，就其理论仍有待于进一步的去研究、完善和探讨。雷电是一自 然现象，引雷防雷和“消雷”防雷都必须遵循雷电规律，顺应客观规律，实事求实 的去研究和完善防雷技术【2 7 瑚】。 ( 2 ) 其它引雷装置 其它引雷装置包括激光引雷装置、火箭引雷装置和水柱引雷装置等，目自玎仅用 于试验研究，应用于工程实践尚需时同。 2 0 0 8 年，由武汉大学周文俊教授主持，湖北省电力试验研究院、国网武汉高压 研究院和湖北省电力公司成宁供电公司联合完成的“线路绝缘子串闪络路径及监测 气 华北电力人学1 ：程硕十学位论文 装置研究 项目获得国家电网公司组织的专家委员会的验收。该系统可成功监测出 雷击导地线、杆塔等相关参数，并为进一步丌展输电线路遭受雷击的理论分析和现 场防雷技术措施的研究奠定了基础。据国家电网公司专家委员会的评定，该项目整 体技术己达到国际领先水平。 1 3 国内外电网输电线路防雷改进措施研究现状 由于雷击对于输电线路安全运行的重要影响作用，故寻求有效的线路防雷击措 施，提高输电线路的耐雷水平，降低输电线路雷击跳闸率，是世界各国电力工作和 科研人员一直关注的课题，并且随着科技进步，国内外在此方面已经取得了一些成 果和经验。 1 3 1 国外研究状况简介 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，避雷线虽己使用多年， 对其作用仍无统一认识。美国f w p 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 o 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。苏联的 b h r j i a 3 y h o b 等学者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。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 年代术期已经明确，l0 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f 33 1 。 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，难以达到规程要求。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，即使方案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，经过山坡的线路绕击 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【3 3 1 。 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。近年来，经过 6 华北电力人学i ：程硕十! 学位论文 科技工作者的努力，已经成功地将避雷器应用到线路上。通过雷电定位系统对辖区 内雷电活动的监测，分析所得数据，将线路避雷器安装在线路雷电活动强烈、土壤 电阻率很高、降低杆塔接地电阻有困难的易击段与易击杆塔上，可以提高线路的耐 雷水平，降低雷击跳闸率，并实时监测输电线路运行情况与雷击次数，做到状念维 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 资比比较高。 2 0 世纪8 0 年代开始，美国、同本先后成功地将线路型避雷器在各种电压等级 线路上使用。1 9 8 0 年美国a e p 和c e 公司丌始丌发线路防雷用m o a 。7 5 支1 3 8 k v 避雷器于1 9 8 2 年丌始在杆塔接地电阻一般为l o o q ( 最大的1 9 4 q ) 的2 5 个杆塔上运 行。取得了在这些杆塔上从未出现过的防雷击i 为络的良好效果f 2 2 。2 6 1 。 在同本，l9 8 6 年丌发出带串联间隙的线路m o a 。19 8 8 年2 7 5 k v 合成绝缘子线 路m o a 也已在双回线路上运行。为防止同杆双回5 0 0 k v 线路的双回路线同时雷击 闪络，从1 9 9 0 年丌始5 0 0 k v 线路m o a 安装在双回线路的某一回线上运行。据统 计，截止到1 9 9 3 年，在6 6 、7 7 2 7 5 和5 0 0 k v 线路上运行的线路m o a 己达3 0 0 0 0 支，且均取得良好的效果。同本在分析7 7 k v 线路各种措施的效果时指出：增加绝 缘、架设耦合地线和减少杆塔接地电阻，只能使跳闸次数分别降至6 2 、5 6 和4 5 。 在安装了线路金属氧化物避雷器后则可消除雷击跳闸事故【2 2 粕j 。 前苏联列宁格勒工业大学从8 0 年代中期丌始进行了系列的线路型避雷器的 研究，现已研制出1lo ll5 0 k v 系列线路用避雷器，用于一般输电线路和紧凑型输 电线路。 1 3 2 国内研究状况简介 我国是从1 9 9 3 年丌始研制和应用线路型避雷器的。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 和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 7 华北电力人学i ：程硕十学位论文 寿遵1 1 0 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，l9 9 8 年的o 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 韶郭线上安装线路用线路型避雷器，以提高线路的耐雷水平。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 1o 、2 1 l 、 2 0 6 、2 4 6 、2 4 8 号塔安装了共计l6 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p 川。 1 4 本论文主要研究工作 通过调查分析找出邢台西部电网输电线路的雷害规律特点和存在问题，并对现 有输电线路上的防雷效果进行总结分析和评价，对邢台西部电网输电线路提出有针 对性的防雷击措施。 首先对邢台西部电网的近年来的一些输电线路雷击现象进行调查，包括输电线 路所采用的防雷措施和历年防雷改造和验收情况、输电线路的雷害情况( 包括雷击杆 塔、相别) 及绝缘子更换情况、线路沿线的落雷情况( 如雷电r ) 和气候情况、输电线 路沿线的地形地貌等，调查输电线路单避雷线加耦合避雷线、加强绝缘、安装线路 避雷器、加避雷线的附加引流线的防雷效果等情况。 然后，根据雷击情况和地形地貌情况确定易击杆塔，并根据雷击相别、雷电流 大小并结合地形地貌确定雷击类型是反击还是绕击，比较邢台西部电网3 5 k v 、 1 1 0 k v 线路雷害情况和防雷措施，比较杆塔土壤电阻率、接地电阻值与设计的接地 型式和要求值以确定线路设计是否存在问题等。 最后，在对邢台西部电网实际雷击情况的统计和分析并找出规律的基础上，给 出其防雷改进措施的解决方案。 本论文的结构安排如下。第一章指出研究邢台西部电网输电线路防雷击的意 义，并给出国内外输电线路防雷击的研究现状；第二章主要介绍输电线路防雷理论 和技术；第三章对邢台西部电网输电线路雷击数掘调查和分析；第四章结合第三章 的分析结论，给出可行的改进措施和解决方案。第五章对本论文进行总结和展望。 华北电力人学i ：释硕十学位论文 第二章输电线路防雷理论 输电线路一般纵横交错，分布范围很广，有些往往穿越地形气象条件复杂的山 区，杆塔本身又高出地面数米，线路绵延数十乃至上百公罩，沿线落雷密度较大， 遭雷击的概率自然较高。输电线路因雷击造成的事故在电网输电线路总事故的比例 较大。而且输电线路落雷后，沿输电线路传入变电站后又威胁变电站内的电气设备， 往往又会造成变电站事故。因此，加强输电线路防雷是非常必要的，它不仅可以减 少输电线路的雷击跳闸次数，而且有利于保障变电站内电气设备的安全运行，从而 增强电力系统供电的可靠性。 输电线路的防雷涉及因素较多，与地形、地貌、地质、气象和系统运行水平等 诸因素有关。对于输电线路防雷措施，应依据“因地制宜，多层防御”的原则，采 取多种有效措施在输电线路上形成一道道强有力的防御管卡，防止雷击及其侵入， 提高输电线路的耐雷能力，尽量避免或减轻线路绝缘发生闪络。为了提高邢台西部 电网输电线路防雷能力，降低输电线路上的雷击跳闸率，结合邢台西部电网的具体 地理及已有防雷情况，采用适当的强化和改进措施，真正做到经济、可靠、高效的 输电线路安全运行，提高线路耐雷水平，这是一个亟待研究的问题。 2 1 雷电的形成与发展过程 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 上感应出大量的正电荷。这样，雷云和大地之间就形成了强大的电场( 雷云平均电场 强度为1 5 k v c m ，实测到在雷云雷击前的最大电场强度为3 4k v c m ，而在稳定下 雨时，大约只有4 0v c m ) ，随着雷云的发展和运动，当空i 日j 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l 日j 或雷云对地的放电，形成雷电。雷电按 其发展方向可分为下行雷和上行雷。下行雷是在雷云产生并向大地发展的，上行雷 是接地物体顶部激发起，并向雷云方向发起的。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o 0 ls 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1 3 0 1 。 9 华北电力大学j l ：程硕十学位论文 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i 日j 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。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 ) 就有一个间隔。因此，它的平均速度较慢，约为光速 的l 1 0 0 0 左右。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，地面的高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l 日j 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。游离后产生的币、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，这时便丌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 l0 0us ，移动速度为光速的l 2 0 l 2 ；主放电时电流可 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o 0 3 o 15 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 = 0 ， 1 0 华北电力人学i ：稗硕十学位论文 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j 下值电流，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，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i m ，即目前常用的雷电流。 2 3 瓷瓶击穿放电的原理 输电线路受雷击后，会产生冲击波沿输电线路传输，在输电线路周围产生瞬变 高电场。瓷瓶的雷电击穿原理可以简单这样认为：类似于气体电介质，由于电场的 作用使电介质中的某些带电质点积聚的数量和移动的速度达到一定程度时，使电介 质( 瓷瓶) 失去了绝缘的性能，形成导电通道。 瓷瓶所遭受的雷电击穿又可分为直接击穿和问接击穿。直接击穿是指瓷瓶在受 到雷电流作用后，形成导电通道，完全失去绝缘的性能；i 日j 接击穿是指在受到雷电 流作用后，电介质中的某些质点的排列结构受到一定的破坏，但终究还没有形成导 电通道。直接击穿和间接击穿的危害都是相当大的：直接击穿会令到输电线路短路 跳闸或单相接地；间接击穿会令到瓷瓶受到一定的伤害，但不是立即令到瓷瓶完全 击穿、使线路跳闸，而是留下事故隐患，降低了设备绝缘电阻，容易引发热c i j 络或 水闪络等事故。这种间接击穿事故的重视更应受到重视。 2 4 雷电参数 2 4 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，可用该地区的雷暴同或雷暴小时来表示。雷暴同是一年中有 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) ，就记为一个雷暴闩或雷暴小时。由于各年的雷暴同( 或雷暴小时) 变化 较大，所以应采用多年的平均值。 华北电力人学j ：科硕十学位论文 表2 1 我国雷暴日与雷暴小时的比值 年平均j l ? 黎门数m 琳小时数川? 拣f 1 数 2 0 一2 52 2 3 3 0 4 0 2 5 3 5 5 0 一6 03 4 7 0 8 0 以卜 3 3 4 3 从表2 1 可以看出，雷暴小时数与雷暴同数之比随雷暴同数增加而增大。大致 看来，二者的比值在3 左右。一般把年平均雷暴同不超过l5 同的地区叫少雷区， 超过4 0 同的叫多雷区，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。 2 4 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。地面落雷密度丫( 次平方公罩雷暴同) 表示。它表示每 一雷暴日、每平方公晕地面落雷次数。我国一般取y = 0 0 1 5 。 2 4 3 雷电流的幅值 雷电流的幅值i m 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j 下确估算其概率分布的规律。根据我国实测数据，雷电流幅值的概率计算可用 下式： l gp = 一i m 1 0 8( 2 1 ) 式中：i m 为雷电流幅值，k a ； p 为超过雷电流幅值i m 的概率。 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 5 雷电过电压产生的机理 云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放。尽管雷云有很高的初始电位 ( 估可达几百兆伏) 彳可能使大气击穿，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。 1 2 华北电力人学l ：稃硕十学位论文 雷电放电的物理过程虽然是很复杂的，但是从地面感受到的实际效果和防雷保 护的工程角度，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。 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i ，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，有： 7 ，= 2 厶二兰一 ( 2 2 ) z o + z i 显然i 与z 有关。当z = z o 时，恰好，i = i o ，这种巧合是不可能的；当z = 0 时， i = 2 i o ，事实上z 又不可能为零；但若z ：遵 3 弋 o 口下臀! ? 8 褰鼙、a 鼢、哆。 q 1 ： 口 o ，： 融，一h ；q 。 5 9 4 d 口 口 、 i 图3 2 邢台西部典型地形图 一般年份多集中在7 、8 、9 三个月，占全年的7 0 。平均雷暴同数为4 5 天， 极值达6 2 天，在全国属较强雷暴区域。 邢台西部电网以3 5 k v 和1 1 0 k v 电网为主，线路大部分处于丘陵山区地带，跨越高 山大岭，塔位选择和施工都很困难，有的杆塔处于山顶，档距较大，同时接地体不易施 1 9 华北电力人学l ：挫硕十学位论文 工，接地电阻较大。比如苏亭一浆水1 l o k v 线路就处于邢台县西部的山区中，大多级杆 塔处于山顶或半山坡，垂直档距和水平档距大，见图3 2 ，图中线路即为该线路，从图 中可以看出，该线路跨越山谷和河流，杆塔地网多处于山石之中，周围土壤较少，接 地电阻高，高差大、档距大，地形条件决定了线路保护角偏大，屏蔽效果差，线路易 遭受雷击，且反击率高。 3 1 2 邢台西部电网的目前防雷情况简介 目f j 邢台西部电网的防雷措施主要采用以下几种方法： 一是架设避雷线，避雷线主要是保护导线不受或少受雷直击，11 0 k v 线路一般 是全线架设避雷线，保护角一般为2 0 0 左右，3 5 k v 线路一般不是全线架设避雷线， 为节省投资一般只在线路两侧距变电站l k m 2 k m 内架设避雷线。为防止雷电流侵 入站内对站内设备造成损害，一般在变电站两侧线路刀闸外侧按照一组避雷器。线 路杆塔上安装避雷针和避雷器的方式几乎没有采用。 二是改善杆塔的接地电阻，邢台西部电力线路的杆塔接地电阻一般按1 0 q 设 计，对于大土壤电阻率地段，接地电阻不能满足要求的，设计界要求应采用基础坑 回填“良土”、敷设加长接地体或添加降阻剂形式来降低杆塔的接地电阻，一般接 地电阻最大不超过3 0q 。但是随着一些线路运行年限的增加，有的杆塔接地体锈蚀 严重，平时不加强监测和维护，有很多杆塔的接地电阻不满足要求。 三是加强绝缘，随着合成绝缘子技术的成熟，目自，j 新架设的3