（电气工程专业论文）贵州清镇35kv系统防雷综合措施研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 3 5 k v 系统是贵阳市南清镇供电局重要等级的电网系统，担负着繁重的供电任 务，系统防雷性能要求较高。因此研究提高3 5 k v 系统防雷新技术和新措施是十分 必要的。然而贵阳市南清镇供电局3 5 k v 线路所经地区多为山区，地形十分复杂， 雷电活动强烈土壤电阻率也较高，供电方式也采用单条线路供电，因此供电可靠 性较差，由于我国规程规定3 5 k v 线路不是全线架设避雷线，线路也不换位，经实 地考察发现原来进线段上的管型避雷器大都已不能正常运行，线路绝缘子串破损的 现象严重，系统中也没有采用消弧线圈，防雷形势严峻。 本文即根据贵阳市南清镇供电局3 5 k v 系统多年的防雷运行资料，对3 5 k v 系统 变电站和输电线路的防雷性能进行了分析。并深入地分析了3 5 k v 卫新线路的防雷 性能，在考虑了输电线路走廊的地形、杆塔冲击接地电阻、杆塔档距、杆塔型号等 影响因素的基础上，建立了雷击输电线路杆塔的数值计算模型。在此模型基础上进 行了大量耐雷水平和绕击输电线路耐雷水平等的计算。整个研究工作： 贵阳市南清镇供电局3 5 k v 系统所辖变电站防雷研究。重点对了侵入波的幅 值、陡度及其影响继续了计算。发现贵阳市南清镇供电局3 5 k v 变电站容量较小， 在进线段首端适当采用线路型避雷器即刻满足要求。 对贵阳市南清镇供电局3 5 k v 系统的典型线路进行了防雷性能的分析，利用 规程法对整条线路的防雷性能进行了计算，确定线路的薄弱环节。 对3 5 k v 卫新线的易击段采用计算精度高的贝杰龙法进行了仿真计算，提出 了选择性安装线路型避雷器的合理化建议。 针对贵阳市南清镇供电局3 5 k v 系统大多为架空线路的实际情况，建议系统 采用消弧线圈来降低雷击跳闸率，并对消弧线圈的运行方式进行了探讨。经过大量 仿真计算，提出了正常运行时采用中性点绝缘运行方式，在发生单相接地故障时采 用谐振接地的中性点运行方式的建议。 根据研究结果，我们对贵阳市南清镇供电局3 5 k v 线路进行了提高耐雷水平的 改造。在经常发生雷击的易击杆塔上安装线路型避雷器，采用杆塔接地引下线直接 引下接地避免以往引下线连接不牢，采用导电水泥对杆塔接地体进行处理。这些新 方法和新措施的采用在一定程度上提高了线路耐雷水平。改造后的线路经一年多运 行结果表明，所采用的措施防雷效果较明显，雷击跳闸率大为降低。 关键宇：侵入波线路防雷耐雷水平消弧线圈线路型避雷器 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h e3 5 k vs y s t e mi st h em a i np o w e rs y s t e mo fg u i y a n gs o u t hq i n g z h e np o w e r s u p p l yb u r e a u s i n c e i t sl o a di so n e r o u sa n ds i g n i f i c a n t ，ac r i t i c a lr e q u i r e m e n ti n l i g h t n i n gs h i e l d i n gp e r f o r m a n c em u s tb e 妯6 l l e da n di ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nn e w t e c h n o l o g ya n dm e a s u r et ae n h a n c et h el i g h t r a n gs h i e l d i n gp e r f o r m a n c eo f3 5 k vs y s t e m ： t h el i g h w a n gs h i e l d i n gs i t u a t i o ni sv e r yc r u c i a lf o rt h ef o l l o w i n gr e a s o n s f i r s t l y , t h el i n e c o r r i d o ro ft h e3 5 k vs y s t e mi si nm o u n t a i na r e a sw i t hc o m p l i c a t e dt e r r a i n , h i g he 筘c l r e s i s t i v i t ya n dd e n s el i g h t n i n ga c t i v i t i e s s e c o n d l y , t h es i n g l et r a n s m i s s i o nl i n ew i t hn o t r a n s p o s i t i o n ，n oa r cs u p p r e s sc o i la n dn oo v e r h e a dg r o u n dw i r ef o l l o w i n gg u i d e l i n e so n 3 5 k vs y s t e mc a r r i e st h ew e i g h to fp o w e rs u p p l yb yi t s e l f a tl a s t , a f t e ry e a r so fa g e i n g ， l i n es u r g ea r r e s t e r sl o c a t e do ni n p u ts e c t i o nc a nn o tp e r f o r mc o r r e c t l ya n di n s u l a t o rs e r i e s a r ei nd i s r e p a i r i nt h i sp a p e r , l i g h t n i n gs h i e l d i n gp e r f o r m a n c eo fs u b s t a t i o n sa n dt r a n s m i s s i o nl i n eo f g u i y a n gs o u t hq i n g z h e np o w e rs u p p l yb u r e a uw a sa n a l y s e db a s e do ny e a r s o p e r a t i o n d a t a t h o r o u g ha n a l y s i sw a sm a d eo n3 5 k vw e i x i nt r a n s m i s s i o nl i n ei nc o n s i d e r a t i o no f f a c t o r ss u c ha st r a n s m i s s i o nl i n ec o r r i d o rt e r r a i n ，i m p u l s et o w e rr e s i s t a n c e ，t o w e r p a c e a n dt y p e ，e t c n u m e r i c a lm o d e lo fl i g h t n i n gs t r i k et o w e rf o rc a l c u l a t i o nw a se s t a b l i s h e d a n dal o to f c a l c u l a t i o no nl i g h t n i j n gs h i e l d i n gl e v e l t h et o t a lr e s e a r c hp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a nb ef o u n di nt h ef o l l o w i n gl i s t ： o l i g h t n i n gs h i e l d i n gr e s e a r c ho n3 5 k vs y s t e ms u b s t a t i o n so fg u i y a n gs o u t h q i n g z h e np o w e rs u p p l yb u r e a uw a sc o m p l e t e d s p e c i a la t t e n t i o nw a sp a i dt oc a l c u l a t i o n o nt h em a g n i t u d e ，g r a d i e n ta n di n f l u e n c eo fi n v a s i o ns u r g e i ti sf o u n dt h a tt h es y s t e m c a p a c i t yi ss m a l lt h a tt h er i s eo f l i n es u r g e a r r e s to nt h eh e a do f t h ei n p u ts e c t i o nw o u n db e s u i t a b l e t h ea u t h o ra n a l y s e dt h el i g h t n i n gs h i e l d i n gp e r f o r m a n c eo ft y p i c a lt r a n s m i s s i o n l i n e ，a n dc a l c u l a t e dt h a to ft h ew h o l el i n ef o l l o w i n gt h eg u i d e l i n ep r o p o s e dm e t h o dt o l o c a t et h ew e a kp o i n t s i m u l a t i o na d o p t e dt h eh i g ha c c u r a t ea r i t h m e t i cw a sm a d eo nt h es e c t i o nw h i c hi s a p tt ob es 仃o k eo ft h e3 5 k vw e i x i nt r a n s m i s s i o nl i n e r e a s o n a b l es u g g e s t i o n so f i n s t a l l i n gs e l e c t i v e l yl i n es u r g ea r r e s t e rw a sp r o p o s e d t ot h ec o n d i t i o nt h a tm o s to ft h e3 5 k vt r a n s l n i s s i o nl i n e sa r co v e r h e a dl i n e s w e t a b l e dt h ep r o p o s a lo fu s i n ga r cs u p p r e s sc o i lt or e d u c et h el i g h t n i n gf a i l u r er a t ea n d i l 重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 d i s c u s s e dt h eo p e r a t i o nm o d e so f t h ec o i l r e s u l t so f s i m u l a t i o na n dc a l c u l a f i o ni n d i c a t e t h a tt h en e u t r a lp o i n ts h o u l db ei n s u l a t e dt og r o u n du n d e rn o r m a ls i t u a t i o n sw h i l ei t s h o u l db eg r o u n d e dt h r o u g hr e s o n a n c ei m p e d a n c ew h e ns i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a i l u r e o c c u r s r e c o n s t r u c t i o no ft h e3 5 k vt r a n s m i s s i o nl i n ew a sm a d ef o l l o w i n gt h er e s e a r c h r e s u l t si nt h i sp a p e r s o m eo ft h ed e t a i l s ，e 犯i n s t a l l i n gl i n ea r r e s t e ro nl i g h t n i n g s u s c e p t i v et o w e l s ，u s i n gt o w e rd o w nl e a dt og r o u n dd i r e c t l ya n dt oa v o i du n s o u n d g r o u n d i n ga n da d d i n gc o n d u c t i v ec e m e n tt ot o w e rb a s ea n dg r o u n d i n ge l e c t r o d e t h e s e n e wm e a s u r e se n h a n c e dt h el i g h r u i n gs h i e l d i n ga b i l i t yt oac e r t a i ne ) ( t e n ta n dt h ee f f e c t w a s p r o v e db yt h er e d u c t i o no f l i g h m i n g f a i l u r er a t ei nt h ep a s s e dy e a r k e y w o r d s ：l i f g l n i n gw a v e ，l i n el i g t n i n gp r o t e c t , l i g h t n i n g w i t h s t a n d l e v e l ，a r e s u p p r e s s i o nc o i n ，l i n em o a i i i 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题提出 随着西部大开发战略的深入，贵州省的经济水平取得了飞速发展。而清镇市作 为省会贵阳市的重要工业卫星城市，近几年的开发力度很大，辖区内工业密集，待 建项目多，但是其地方电网还停留在几十年前的水平，电网中3 5 k v 等级的线路所 占比例大，负荷繁重且多属农村电网。如何利用好现有的电力网络，提高电力系统 运行水平，保证供电的可靠性，为贵阳市经济发展再上一个台阶做好能源保障则成 了急待解决的问题。 贵阳坐落于长江水系和珠江水系分水岭，位于贵州省中部、云贵高原东斜坡上， 属于全国东部平原向西部高原过渡地带。在东经1 0 6 90 7 1 0 7 。1 7 ，北纬2 6 。1 17 2 7 。2 2 之间，总面积8 0 3 4 平方千米。其境内主要河流有乌江、鸭池河、 清水河、猫跳河、南明河、谷岔河、底寨河等，辖区内地貌特征突出，山峦重叠， 峡谷深幽，地势起伏较大，海拔在1 7 6 2 7 米5 0 6 5 米之间，相对高差1 2 5 6 2 米， 山地丘陵占总面积的8 9 7 ，市中心平均海拔为1 0 0 0 米左右，且辖区总面积的7 3 3 为喀斯特地貌，土壤覆盖薄，多为岩层。贵阳属亚热带湿润温和型气候，兼有高原 性和季风性气候特点。夏无酷暑，冬无严寒，气候温和，四季宜人，年平均气温1 5 3 ，市区平均气温为：1 月1 5 ，7 月2 0 2 4 ；年降雨量1 2 0 0 毫米，雷雨天气 较多，属多雷区，常年相对湿度大于7 7 ，无霜期2 7 0 天。贵阳能源资源丰富，境 内煤炭储量8 _ 3 亿吨，发电装机总容量达2 4 7 万千瓦，火电有清镇电厂、贵阳电厂 等两家大型企业；水电有猫跳河( 梯级) 、东风和相邻的乌江渡等3 个大型电站，已 形成了煤电并举、水火互济的格局，全市的水利电力事业经过几十年因地制宜地建 设取得了长足发展。 然而，输电线路纵横交错分布在山峦起伏的旷野上，极易遭受雷击，且我国的 农村电网大多建于五、六十年代，其线路老化。杆塔地网地线严重腐蚀，因此雷击 引起的线路雷击故障一直是影响电网安全可靠运行的较为主要的原因之- - ”】。由于 清镇供电局所辖3 5 k v 线路大多地处山区，线路往往较长，需过高山、跨深沟，所 经地区地形情况十分复杂，同时这些地区多为喀斯特地貌，土壤电阻率高，并且由 于历史原因很大一部分3 5 k v 线路不是全线架设避雷线，线路防雷措施明显薄弱， 因此普遍存在采用传统的防雷措施已难满足安全可靠运行的要求。据近几年的运 行数据表明，因雷击3 5 k v 线路造成的电力系统运行事故屡有发生，严重影响清镇 局的安全生产。为此有必要总结清镇局3 5 k v 系统的防雷现状，并结合实际情况研 究提高清镇局3 5 k v 系统防雷性能的综合措施。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 2 防雷技术发展简述 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，避雷线虽已使用多年，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、瑞典以及德国、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 千伏以上线路只有 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 年代末期 已经明确，1 0 0 k v 及以上线路，避雷线是防护直击霄的基本保护装置，应架设得足 够高，并具有良好的接地装置【i q l 。 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，造成绕击雷对线路造成的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。近年来，经过 科技工作者的努力，已经成功地将避雷器应用在线路上。3 5 k v 线路一般采用3 4 片绝缘子其绝缘水平较低，防雷的措施一般采用安装避雷线、消弧线圈等措施，很 少采用线路避雷器，综合清镇地区防雷措旌的运行经验表明，采用一般的防雷措施 还存在一些问题，因此，需要采用其它更有效防雷措施，如安装线路避雷器。这种 防雷措施将大大改善输电线路防雷性能，且性能与投资比较高。 线路型避雷器在我国是从1 9 9 3 年开始研制和应用的。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 - 1 4 1 。 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 用于线路防雷器用合成套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，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 不同间距的配置方案，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，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 年已在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 用合成套避雷器已投入运行。目前，在日本大约有3 00 0 0 套线路避雷器在电力系统 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 中运行。大多数线路避雷器使用在6 6 k v 7 7 k v 的线路z t l 6 , 3 3 , 4 0 - 4 2 1 。 目前，3 5 k v 线路上防雷措施一般很少采用线路避雷器，而在地势复杂的山区， 雷电活动极为强烈，清镇地区一些电网运行结果表明采用一般防雷措施还存在一些 问题，由此采用线路避雷器是一个值得研究的问题。 1 3 防雷现状 经过长期的不懈努力，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运行实际中， 雷害仍然是影响其安全的重要乃至主要因素。例如，1 9 9 8 1 9 9 9 年上海地区雷电活 动强烈，1 9 9 8 年8 月1 6 日晚上雷击持续3 个小时，直接雷超过3 0 次，3 5 k v 线路 的雷击频繁跳闸，且较多的雷击部位是在3 5 k v 线路合成绝缘子处。后来，统计数 据表明1 9 9 8 1 9 9 9 年3 5 k v 线路共遭雷击1 2 次，重合成功1 1 次，占9 1 6 ：重合 不成功1 次，占8 4 。1 2 起雷击中，雷击导致合成绝缘子闪络1 0 次，占8 3 3 ， 雷击故障率较高。威海3 5 k v 系统1 9 9 4 1 9 9 7 年由于雷击引起的间歇性谐振弧光接 地过电压，烧毁了1 4 台电压互感器、3 台电流互感器、4 台开关柜和6 台避雷器， 直接损失2 0 0 多万元，给电网安全运行带来很大的威胁。金华地区。1 9 9 7 年3 5 9 v 线 路共发生事故( 包括障碍) 8 次，其中7 次为雷击事故( 重合成功5 次、重合不成2 次) ， 占8 7 5 ，雷击跳闸率为3 2 1 次1 0 0 k r n 年。在所有雷击事故中，都存在着不同程度 的瓷瓶闪络现象。山西省右玉县供电局3 5 k v 右元线处于雷电活动频繁地带，从1 9 8 7 年投运以来，元堡变电站母线放电记录器的动作次数为：a 相1 1 次，b 相1 1 次，c 相1 2 次。1 9 9 1 年6 月3 0 目2 0 时4 0 分，右元线开关跳闸，重合不成功，经查发现 1 2 0 - ：t 杆三相共9 片悬式瓷瓶全部放电闪络。由此可以进一步判断确定断线原因是 1 2 0 # 杆于1 9 9 1 年6 月3 0 日2 0 时4 0 分落雷，雷电在悬瓶闪络放电的同时，击断融 化3 股股径。浙江富阳供电局3 5 k v 龙羊3 6 0 8 线山区无架空地线，线路全长 2 4 1 1 8 k m ，自投运后每年均发生2 3 次雷击跳闸事故。最初考虑架设避雷线，但因 线路杆型为拔梢杆，且跨越档距大，施工困难而未实施。后根据龙羊3 6 0 8 线的具体 情况，确定了该条线路山区段无架空地线线路的防雷方案：l 在历年的几个雷击点 挂装3 5 k v 有机复合绝缘交流无间隙金属氧化物避雷器，2 耐张及悬垂杆绝缘子串上 增加一片悬式瓷瓶。实施后，线路运行一年多未出现过跳闸情况，满足了电网安全 运行的要求。可见在3 5 kv 输电线路的事故中，雷击事故占了绝大多数。对3 5 k v 送电线路来说，考虑经济效益般不宜沿全线架设避雷线，一般在变电所或发电厂 的进线段，架设1 2 k m 避雷线。到目前为止，3 5 k v 输电线路的防雷设计均是在线 路进出变电所1 2 k 玎1 的范围内架设避雷线，其余地方的线路不架设避雷线。目前 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 不架设避雷线的3 5 k v 线路的防雷，主要有二种措施：一种是安装避雷器，另种 是降低接地电阻。 9 - 1 4 , 1 8 , 1 9 1 4 研究内容及主要工作 电力系统防雷工作是一项系统工程，牵涉到系统的方方面面。但总得来说主要 分为发、变电站防雷和输电线路防雷，而输电线路防雷是整个系统防雷工作的重点。 输电线路上出现的大气过电压有两种：一种是雷直击于线路引起的，称直击雷 过电压；另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的，称感应雷过电压。 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。雷击线路时绝缘不 发生冲击闪络的最大雷击雷电流幅值称为“耐雷水平”。在确定线路的具体防雷措施 时，应根据线路的电压等级，负荷性质，系统运行方式，雷电活动的强弱，地形地 貌的特点和土壤电阻率的高低等条件，特别要结合当地原有的运行经验，通过技术 经济比较确定。 本论文就是在收集、总结3 5 k v 系统防雷运行资料的基础上，分析其防雷现状， 重点讨论输电线路的防雷性能，对雷击输电线路所产生的雷电过电压的机理进行 分析、研究，进而找出比较经济合理的方法来提高输电线路的耐雷水平，最终降 低3 5 k v 系统的雷击跳闸率。研究中将以清镇供电局3 5 k v 系统的卫新线路作为典 型线路，通过现场勘测数据，在考虑了各种影响因素的基础上，运用波过程理论 来建立与线路实际情况极为相似的雷击线路时雷电过电压数值计算模型，并进行 大量的模拟仿真计算。通过对3 5 k v 系统输电线路的耐雷水平、雷击跳闸率的计算、 分析，对输电线路防雷性能的综合提高措施进行研究。本文拟将重点讨论线路型避 雷器使用的可靠性、经济性、优越性和3 5 k v 系统中消弧线圈的运行方式选择等问 题。 具体工作包括： 收集清镇供电局3 5 k v 卫新线路的设计参数、线路走廊地区的大气活动情 况、已有的线路防雷措施及其近几年的防雷运行资料，沿线路对每基杆塔进行大 量的现场测量，特别是与线路耐雷水平及雷击跳闸率有关的几个参数的实测：线 路杆塔接地电阻、线路走势图、线路档距。线路防雷运行资料和现场实测的数据 对分析研究线路耐雷水平和分析线路雷击跳闸率高的原因，以及为以后线路的设 计以及线路防雷运行提供了具有相当工程价值的基本数据。 在现场实测数据的基础上，建立了考虑影响耐雷水平的诸多因素，包括杆 塔接地电阻大小、档距长度变化、绝缘子冲击闪络伏秒特性、杆塔高度变化时与 实际情况极为相符的雷击线路的数值计算模型。 在建立的数值计算模型基础上对在3 5 k v 卫新线路装设线路型避雷器进行 重庆大学工程硕士学位论文l 绪论 了研究。分析研究了在线路上加装线路型避雷器前后，雷击线路时线路上的过电 压水平以及耐雷水平。还讨论了影响耐雷水平的诸多因素变化时对提高线路耐雷 水平的影响，确定3 5 k v 线路型金属氧化物避雷器经济、合理的使用方法。 由于3 5 k v 线路本身的特殊性，采用盲目提高线路的耐雷水平是不恰当的也 是不经济的。所以在3 5 k v 电网消弧线圈在保证线路因雷击单相接地后电弧能尽快 熄灭不发展成线间短路起着十分重要的作用。为此文中针对消弧线圈新型运行方 式进行了大量的仿真计算，分析研究了各种可能的过电压水平。 结合贵阳农网3 5 k v 线路的实际情况提出了具有一定工程价值的提高线路 耐雷水平、降低霄击跳闸率的综合措施。 重庆大学工程硕士学位论文2 输电线路防雷保护 2 输电线路防雷保护 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。一般3 5 k v 线路因雷击发生单相接地就会跳闸，要降低雷击跳闸率关 键就在于提高线路耐雷水平。为了提高线路防雷运行水平，降低雷击跳闸率，结合 线路走廊的具体情况，采用适当的措施，真正做到既经济又可靠地提高线路耐雷水 平是一个急需研究的问题。 2 1 雷电过电压1 1 3 】 2 1 1 雷电的形成 雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象，自古以来就为人们所关注。最早揭 示雷电现象的试验是1 7 4 4 1 7 5 0 年间，科学家富兰克林进行的关于一系列关于雷电 的实验，例如著名的举钉实验。他第一次向人们说明了雷电本质只不过是一种大气 放电现象的表现，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，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。然而关于雷电的大部分科学知识还是在本世纪以来所获得。随着电力系统的发 展，雷电及其防护问题的研究日益迫切。高速摄影、记录示波器、雷电定位系统等 现代测量技术用于雷电观测，人工雷电放电试验研究的发展，不断丰富人们对雷电 的认识。 雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象，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 1 2 电力系统雷电过电压产生的机理【3 】 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) 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。 6 重庆大学工程硕士学位论文2 输电线路防雷保护 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。 9占乙 l z 图2 1 雷电流源等值电路 f i g2 1l i g h m i n gc u r r e n ts o u r c ee q u i v a l e n te l e c t r i c a lc i r c u i t 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 i = 2 i 。竺一 ( 2 1 ) 。z o + z 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 = o 时， i = 2 i o ，事实上z 又不可能为零；但若z u 5 ( 4s “ 此时，1 w o 即为没有安装线路型避雷器时线路的耐雷水平。 4 4 1 线路耐雷水平在安装线路型避雷器前后与接地电阻的关系 线路型避雷器安装的目的就是基于提高线路的耐雷水平。因此，在输电线路上 安装线路型避雷器必须达到两个目的： 被保护线段内杆塔遭受雷击时，保证被保护线段内绝缘子不发生闪络； 被保护线段外杆塔遭受雷击时，保证被保护线段内绝缘子也不发生闪络： 为了分析线路安装了线路型避雷器前后耐雷水平与杆塔接地电阻的关系，本文 用e f r p 程序对所选定的易击段即2 1 2 5 号杆塔段，进行了仿真计算。 图4 9 显示了线路没有装设线路型避雷器时，线路的耐雷水平与杆塔冲击接地 电阻r l 之间的变化曲线，从图中可以看出，对于杆塔冲击接地电阻较大的地区，各 种杆塔的耐雷水平都比较低。 图4 9 无线路型避雷器时线路耐雷水平与杆塔冲击接地电阻的关系 f i g4 9r e l a t i o nb e t w e e nl i g h m i n g - w i t h s t a n dl e v e la n dt o w e r g r o u n d i n gr e s i s t a n c ew i t h o u tl i n e - s u r g ea r r e s t e r 图4 1 0 显示了线路装设一挚线路型避雷器后，线路的耐雷水平与杆塔冲击接地 电阻r l 之间的变化曲线。通过计算可以发现安装一组线路型避雷器后，按无线路型 避雷器时的耐雷水平作为雷电流幅值模拟雷击2 3 号杆塔时，2 3 号杆塔不再发生闪 重庆大学工程硕士学位论文4 输电线路防雷 络，雷电流一部分经2 3 号杆塔入地，另一部分流向2 2 号、2 4 号杆塔。当雷电流超 过1 w l 时，2 2 、2 4 号杆塔的绝缘子串将发生闪络，1 w 】即为装设一组线路型避雷器时 线路的耐雷水平。显然，耐雷水平不仅与绝缘子串的放电电压u 5 有关，而且很大 程度上取决于杆塔冲击接地电阻。由计算结果可知安装一组线路型避雷器耐雷水平 可提高1 2 倍。计算时相邻杆塔冲击接地电阻r 2 = 1 0q 。装设一组当雷击杆塔的冲 击接地电阻在1 0 0 5 0 q 范围时，线路可以提高1 5 2 倍。其原因在于安装线路型 避雷器后，可以提高输电线路对雷电流的分流作用。 1 0 0 1 8 r o2 03 0屠( 图4 1 0装设一组避雷器后线路的耐雷水平i 。，与杆塔冲击接地电阻的关系 f i g4 1 0r e l a t i o nb e t w e e nl i g h m i n g - w i t h s t a n dl e v e la n dt o w e r g r o u n d i n gr e s i s t a n c ew i t has e to fl i n e - s u r g ea r r e s t e r s 图4 1 1 列出了线路装设三组线路型避雷器后，杆塔冲击接地电阻r l 与此条件 下线路的耐雷水平1 w 3 。计算时相邻杆塔冲击接地电阻r 2 = 1 0q 。从计算结果可以发 现，安装3 组线路型避雷器可将线路耐雷水平提高3 4 倍。 图4 11 装设三组避雷器后线路的耐雷水平1 w 3 与杆塔冲击接地电阻的关系 f i 9 4 1 lr e l a t i o nb e t w e e nl i g h t n i n g - w i t h s t a n dl e v e la n d t o w e r g r o u n d i n gr e s i s t a n c ew i t ht h r e es e to fl i n e - s u r g ea n t s t e r s 重庆大学工程硕士学位论文4 输电线路防雷 通过对上述三种情况的仿真计算可以看出，当安装了线路型避雷器后，增加了 输电线路对雷电流的分流作用，线路的耐雷水平得到了大幅提高。而安装的线路避 雷器组数越多，其产生的分流作用越强，线路耐雷水平提高的越大，而且接地电阻 的变化对线路耐雷水平的影响有所减小。例如当接地电阻从1 0 q 上升到2 0 0 ，无氧 化锌避雷器时，线路耐雷水平下降了9 k a ，减小了3 7 ；有氧化锌避雷器时，线路 耐雷水平下降了1 7 k a ，减小了3 3 。但当接地电阻过大，及超过3 0o 后，两雹减 小的趋势相差不大。 4 4 2 线路耐雷水平在不同线路型避雷器安装方式下的变化 同样的，对线路型避雷器不同安装方式下线路的耐雷水平的分析，本文采用 e m t p 进行数值仿真计算。在仿真过程中，杆塔冲击接地电阻设为i 2 = 1 0q ，整个 过程分为六步。 第一步，假定使选定的易击段( 2 1 2 5 号杆塔) 内的每基杆塔分别遭受雷击， 那么每基杆塔所对应的耐雷水平如表4 1 1 所示。 表4 1 13 5 k v 卫新线没有采用线路型避雷器雷击杆塔时线路的耐雷水平 i被击杆塔号 2 1 号2 2 号2 3 号2 4 号2 5 号 i l被击杆塔的耐雷水平k a2 52 52 32 5 2 4 第二步，在我们所选定的易击段内的每一基杆塔上每次分别装设一组避雷器， 又假定每一基杆塔分别遭受雷击。那么经过e m t p 程序的计算，线路的耐雷水平见 表4 1 2 。 表4 1 2 装设一组线路型避雷器时雷击杆塔的耐雷水平 慕 2 1 号杆塔2 2 号杆塔 2 3 号杆塔 2 4 号杆塔2 5 号杆塔 避雷器遭受雷击遭受雷击遭受雷击遭受雷击 遭受雷击 装设位置 2 1 号杆塔 4 72 72 72 72 7 2 2 号杆塔2 74 72 7 2 72 7 2 3 号杆塔 2 72 7 、 4 72 72 7 2 4 号杆塔2 72 72 7 4 72 7 2 5 号杆塔2 72 72 72 74 7 通过上表我们可以清楚地发现，装设了线路型避雷器的杆塔在遭受雷击时，线 重庆大学工程硕士学位论文4 输电线路防雷 路的耐雷水平得到了较大的提高，比没有装设线路型避雷器时线路的耐雷水平提高 了2 倍左右。例如在2 3 号杆塔上装设了线路型避雷器，当2 3 号杆塔遭受雷击时， 线路的耐雷水平由2 3 k a 提高到4 7 k a 。但是在没有装设线路型避雷器的杆塔遭受雷 击时。线路的耐雷水平没有明显变化。例如在2 2 号杆塔上装设了线路型避雷器，当 2 3 号杆塔遭受雷击时，线路的耐雷水平仅为2 7 k a 。 第三步，在我们历选定的易击段内任选两基杆塔同时装设线路型避雷器。，盯 更好的确定线路型避雷器的装设位置，我们假定每基杆塔依次遭受雷击，经过e m r p 程序的计算，得到了在不同情况下线路的耐雷水平。在这种情况下线路的耐雷水平 见表4 1 3 。通过比较线路的耐雷水平值，我们就可以确定线路型避雷器科学合理的 装设位置。 表4 1 3 装设两组线路型避雷器时雷击杆塔的耐雷水平 - 缱罡箨耐雷水平 , q ( k a ) 2 1 号杆塔2 2 号杆塔 2 3 号杆塔2 4 号杆塔 2 5 号杆塔 避雷器 遭受雷击遭受雷击遭受雷击 遭受雷击遭受雷击 装设位置 ， 2 l 号、2 2 号杆塔 8 94 7 2 72 72 7 2 1 号、2 3 号杆塔4 72 7 4 7 2 72 7 2 1 号、2 4 号杆塔4 72 72 74 72 7 2 1 号、2 5 号杆塔4 72 72 72 74 7 2 2 号、2 3 号杆塔2 74 7 4 62 72 7 2 2 号、2 4 号杆塔2 74 72 74 72 7 2 2 号、2 5 号杆塔2 74 7 2 7 2 74 7 2 3 号、2 4 号杆塔2 72 74 74 72 7 2 3 号、2 5 号杆塔 2 7 2 74 72 74 7 2 4 号、2 5 号杆塔2 72 7 2 7 4 79 5 通过表4 1 3 我们不难发现，线路型避雷器的保护范围基本上局限于本基杆塔。 例如，虽然2 1 号、2 2 号杆塔都装设了线路型避雷器，但是当2 3 号杆塔遭受雷击时， 线路的耐雷水平也仅2 7 k a 。此外，线路型避雷器的装设位置不同时，雷击杆塔时线 路的耐雷水平也会有差异。例如，在2 4 号、2 5 号杆塔上分别装设线路型避雷器， 当雷击2 5 号杆塔时，线路的耐雷水平为9 5 k a ；在2 1 号、2 2 号杆塔上分别装设线 路型避雷器，当雷击2 l 号杆塔时，线路的耐雷水平为8 9 k a ；在2 2 号、2 3 号杆塔 上分别装设线路型避雷器，当雷击2 3 号杆塔时，线路的耐雷水平为4 6 k a 。 第四步，在菝们所选定的易击段内任选三基杆塔同时装设线路型避雷器。假定 重庆大学工程硕士学位论文4 输电线路防雷 每基杆塔依次遭受雷击，在这些不同的情况下，通过e m t p 程序的计算，我们可以 到所有情况下线路所对应的耐雷水平。如表4 1 4 所示。 表4 1 4 装设三组线路型避雷器时雷击杆塔的耐雷水平 慕 2 1 号杆塔2 2 号杆塔2 3 号杆塔2 4 号杆塔2 5 号杆塔 避雷器遭受雷击遭受雷击遭受雷击+遭受雷击遭受雷者 装设位置 2 1 、2 2 、2 3 号杆塔1 5 71 0 84 6 2 7 2 7 2 l 、2 2 、2 4 号杆塔1 2 24 72 74 72 7 2 1 、2 2 、2 5 号杆塔 9 44 7 2 7 2 7 4 6 2 1 、2 3 、2 4 号杆塔4 72 7 4 6 4 72 7 2 l 、2 3 、2 5 号杆塔4 72 74 72 74 7 2 1 、2 4 、2 5 号杆塔4 72 72 74 79 1 2 2 、2 3 、2 4 号杆塔 2 74 7 1 0 9 4 72 7 2 2 、2 3 、2 5 号杆塔 2 7 4 74 72 74 7 2 2 、2 4 、2 5 号杆塔 2 74 72 74 79 6 2 3 、2 4 、2 5 号杆塔2 72 7 4 6 9 l1 5 9 通过表4 1 4 我们可以清楚的发现，在2 2 号、2 3 号、2 4 号杆塔装设线路型避雷 器的情况下，如果2 3 号杆塔遭受雷击，那么此时线路的耐雷水平可以提高到1 0 9 k a 。 第五步，在我们所选定的易击段内任选四基杆塔同时装设线路型避雷器。假定 每基杆塔依次遭受雷击，在这些不同的情况下，通过e m t p 程序的计算，我们可以 得到所有情况下线路所对应的耐雷水平。如表4 1 5 所示。 表4 1 5 装设四组线路型避雷器时雷击杆塔的耐雷水平 t a b 4 1 5t h ew i t h s t a n dl e v e lo f s t r i c k e nt o w e rw i t hf o u rs e t so f l i n e a ra n e s t e r s 瀑 2 l 杆塔遭2 2 杆塔遭2