（电气工程专业论文）基于pscademtdc的泸州500kv变电站雷击过电压分析.pdf

装投运的必要性和技术要求，为变电站的工程设计和安全运行提供正确的理 论依据。 关键词：过电压5 0 0 k v 变电站雷电侵入波p s c a d e m t d c 数值计算 t h e l i g h t n i n go v e r - v o l t a g ec a l c u l a t i o no f l u z h o u 5 0 0 k vs u b s t a t i o nb a s e do hp s c a d e m t d c g r a d u a t e ：w a n g j i n g a d v i s o r ：y a n gh o n g g e n g l i g h m i n go v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nh a sa l w a y sb e e no n eo ft h em a j o r c o n c e r n so ft h ep o w e rs y s t e mr e s e a r c h e r s 5 0 0 i r vs u b s t a t i o ni st h el o a d - c e n t e r s u b s t a t i o ni np o w e rs y s t e m i t sa b i l i t yt op r o t e c tt h en g h 幽go v e r - v o l t a g ei s v e r yi m p o r t a n tt ot h es a f eo p e r a t i o no fl a r g ee l e c t r i cn e t w o r ka n dm a i nd e c t r i e n e t w o r k t h e r ea r et w os o u f c eo fu g h t 血gs t r o k ed a m a g ei nas u b s t a t i o n ：d i 删 n g h t n i n gs t r o k ea n di i 庐蛐gi n c o m i n gs u r g e b e c 锄】s et h ec h a n c e so fd i r e c tt i g h u x i n gs t r o k eo nf i n e s 躺m o t h a nt h e c h a n c e so f d i r e c tl i 曲m i n gs t r o k eo ns u b s t a t i o n , n g h t u i a g9 1 1 r g c st h a tt r a v e la l o n g t h et r a n s m i s s i o nl i n et ot h es u b s t a t i o na r em o s tc , o m l l l o i ll i g h m i n go v e r - v o l t a g e i so r eo ft h em a j o rt h r e a t st ot h ee q u i p m e n t so ft h es u b s t a t i o n s t h e r e f o r e , a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t so fk g h 缸i n go v e r - v o l t a g et ot h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t s o fs u b s t a t i o n s w ec 缸f i n do u tt h er u l e so fo v e r - v o l t a g e s d i s t r i b u t i o ns oa st oe o n f l r mt h ei n s u l a t i o nc o o p e r a t i o no fi n v o l v e de l e c t r i c a l a p p a r a t u si nt h ed e s i g n i n g 牟n 溉a n dr e s t r i c tn g h m i n go v e r - v o l t a g el e v e li n b o t ht e c h n i c a la n de c o n o m i c a la s p e c t s ，t h i n , w ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e i n s u l a t i o nl e v e l ，m a n u f a a 啦c o s to f e q u i p m e n t s , a n do v e r a l li n v e s t m e n to f t h e o 咂l s l m c t i o np r o j e c t t b i sp a p e rt a k e5 0 0 k vl u z h o us u b s t a t i o na sa l le x a m p l e , a n dt a k e s i n t e r n a t i o n a lu n i v e r s a la d v a n c e de l e c t r o m a g n e t i ct x a n s i e n tc a l c u l a t i o np r o g r a m p s c a d e m t d ct o g e t h e r 谢l ht h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ne h vp o w e rs y s t e m t oa n a l y z ea n ds t u d yt h el i g h t i n gp r o t e c t i o np r o b l e m s b yc o m b i n i n gt h eb u sc o n n e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u b s t a t i o ne l e c t r i c a l a p p a r a t u sa n dn g h m i n g $ u l g ei n s u l a d o nl e v e lo fa l lk i n d so fe l e c t r i c a la p p a r a t u s i nt h ef i r s tp h a s ep r o j e c t , t h ep o s s i b l ym a x i m u mo v e r - v o l t a g ea p p e a r e do n d i f f e r e n te q u i p m e n t su n d e rs i xk i n d so f o p e r a t i o nm e t h o d sa r ec a l c u l a t e d ，a n dt h e p o s s i b i l i t yo fl e a v i n go u tt w og r o u p so fb u s - b a ra r r e s t e | tw h e nt h ei n s u l a t i n g c o o p e r a t i o no fa lk i n d so fe l e c t r i c a la p p a r a t u sf u l f i l l e dt h ed e m a n d su n d e ra n y p o s s i b l yo p e r a t i o nm e t h o d so fs u b s t a t i o ni sa l s oa n a l y z e d o u rr e s e a r c ho f f e r s c o r r e c tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r o j e c td e s i g n i n ga n do p e r a t i n gs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y o f t h es u b s t a t i o n k e y w o r d s ：o v e r - v o l t a g e 5 0 0 k vs u b s t a t i o n l i g h t n i n gi n c o m i n gs u l 苫e 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师杨洪耕教授的指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 获得四川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谢 意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论 文成果归四川大学所有，特此声明。 研究生：指导老师： 2 0 0 6 年1 0 月 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 1 绪论 1 1 选题背景和研究意义 随着社会经济的发展，电能的需求量日益增大，从而加速了大型火电 站及核电站的发展建设。由于一次能源地理位置的限制以及环境保护方面的 需要，这些大型电站的建立往往远离负荷中心，从而促使了电力系统向大容 量、长距离、超高压方向发展。电网的发展，必然会打破历史形成的地方电 力系统疆域，逐渐连成大区域或跨区域的现代电力网络。不论从长距离大容 量输电、维持系统稳定水平的需要，还是从节省基建投资和运行费用的角度， 大跨络闯的连接必须采用超高压等级的5 0 0 k v 或7 5 0 k v 系统，有些国家如 俄罗斯甚至采用了1 1 5 0 k v 的特高压系统【l , r l 。在一些先进国家，5 0 0 k v 电网 在各种等级的电网中占有的比重较大，我国也预计将在2 0 1 5 年前，实现 5 0 0 k v 系统的全国联网。与此同时，为了节省输电通道，少占土地，减少送 电损耗，增加送电容量，也需要尽早建设特高压工程。2 0 0 5 年国家发展和改 革委员会办公厅发改办能源 2 0 0 5 1 2 8 2 号文件国家发展改革委办公厅关于 开展百万伏特级交流和8 0 万伏级直流输电技术前期研究工作的通知，对 特高压交、直流输电技术前期研究工作进行了全面部署，由国家发改委牵头 组织国家电网公司等单位开展百万伏特级交流、8 0 万伏级直流输电技术前 期研究工作1 3 1 。 2 0 世纪6 0 年代，我国的一条5 0 0 k v 超高压输电工程平( 平顶山) 武( 武汉) 工程首先在华中电网建成。目前我国已经建成的华中、华东、华 北、东北四大电网，都是以5 0 0 k v 网络作为其主干网络，跨大区电网还采用 了5 0 0 k v 直流输电技术；广东、广西、山东等省的5 0 0 k v 电网也初具规模； 在西南地区，随着天生桥、漫湾和二滩等大型水电站的相继投产发电，西南 地区的5 0 0 k v 输变电设备容量将超过1 0 0 0 0 m v a ，而且西南地区的水力资源 丰富，还有很强的发展后劲。 5 0 0 k v 变电站的主要特点为：线路和设备的电压等级高，工作电流大， 设备本身外形尺寸均很大。5 0 0 k v 变压器和并联电抗器套管的对地距离近 9 m ，断路器和隔离开关的本体高度近7 m ，避雷器高度近6 5 m 。 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 对5 0 0 k v 超高压系统，变电站电气设备的绝缘造价占比例较大，过电 压与绝缘配合的问题是比较突出的问题之一。因此绝缘配合要从限制过电 压，降低设备绝缘水平入手。5 0 0 k v 系统采用中性点直接接地方式，将最大 长期工作电压限制为相电压，用并联电抗器限制远距离输电的电容效应，用 带并联电阻的断路器限制操作过电压等限制措施来限制内部过电压。这样， 变电站中的雷电过电压水平比内部过电压水平高，因此耐雷性能在所用电压 系统中仍然是主要的，而避雷器的残压成为确定设备绝缘水平的基础【l l 。 敞开式5 0 0 k v 变电站由于电气设备多，各种电气设备距离较远，对于 防雷击侵入波保护方案来讲，规程中没有完全固定的模式。因此从可靠性和 经济型的角度考虑，需对雷电侵入波过电压进行研究，建立变电站遭受雷击 时的计算模型，通过计算机计算出站内设备的过电压水平，进而确定5 0 0 k v 变电站的防雷保护方案，以确保有雷电侵入时各种运行方式下站内各电气设 备的过电压水平不超过其绝缘水平，流过避雷器( m o a ) 的最大雷电流不超 过1 0 k a 或者2 0 k a l 4 1 。 在进行雷电侵入波的分析以及数值计算时，需要考虑的因素很多：输 电线路的冲击电晕、杆塔绝缘子串冲击伏秒特性、线路上产生的感应过电压、 线路上的工频电压、进线段杆塔模型、杆塔冲击接地电阻等。 在过去，雷电侵入波计算方法受条件限制，主要依靠防雷分析仪来确 定侵入波过电压。模拟在2 k m 处施加一个幅值等于绝缘子串雷电放电电压 u 。的直角波，测量变电所内设备上的过电压【5 1 。由于防雷分析仪存在无法 考虑变电站进线段的波过程，无法研究变压器的波过程等一系列缺点，使用 各种电磁暂态程序在计算机上进行侵入波防雷计算和分析成为主流1 6 - 。目 前，对分析过电压来说模拟实验和数值计算可以看作相互补充的手段。 模拟装置的优点在于能形象地深入了解现象的发展过程，但由于受到 设备限制，很难广泛的改换系统的接线和调节元件的特性。对于计算机而言， 则不像模拟装置那样，它没有改变系统的接线和参数的困难，一旦建立了比 较准确的计算方法，就能有意思地改变某些参数，从而进行过电压对一些影 响因素的敏感分析。 近年来有关雷电侵入波方面的研究很多，因建立的数学模型的不同， 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 所用到的方法多种多样。有使用电磁暂态计算程序e m t p 、e m t d c ，有i e e e 防雷工作组的防雷计算程序f l a s h 0 3 1 ，有清华大学编制的防雷计算分析程 序f l f x 以及复杂变电所波过程通用计算程序c e t s p ，有西安交通大学研 究的变电所侵入波保护程序s s p p ，有天津大学的交直流系统数字仿真软件 a d c m x ，这些计算程序由于考虑的因素和侧重点不同，计算出的结果也有 一定的差异。 本文以泸州5 0 0 k v 变电站为例，采用国际通用先进的图形化电磁暂态 计算程序p s c a d e m t d c ，将变电站和迸线段结合起来，雷击点分为近区雷 击和远区雷击，并考虑工频电压、进线段杆塔冲击接地电阻等因素的影响， 对雷电侵入波进行系统的计算和研究，以供变电站设计时参考，对于同类的 计算问题，也有一定的参考价值。e m t d c 程序中的模型虽然很多也较精确， 但目前还没有开发出考虑冲击电晕因素的输电线路模型【1 4 1 ，为可靠起见，本 论文不考虑输电线路的冲击电晕的影响。所以，计算出的结果略偏安全侧。 1 2 选题的意义 5 0 0 k v 变电站是电力系统的枢纽站，在电网中的地位极为重要。一旦 被雷击损坏，将直接影响大网、主网的安全可靠的运行，造成严重的后果， 因此要求可靠的防雷措施【5 域峥堋。变电站雷害来源有三：一是雷直击变电 站；二是沿路传过来的雷电波；三是变电站落雷时产生的感应过电压。因为 雷击线路的机会远比雷直击变电站多，所以沿线路侵入变电站的雷电过电压 是常见的，是对变电站电气设备构成威胁的主要方式之一。 因此，对雷电侵入波在变电站电气设备上所产生的过电压迸行仿真计 算，找出过电压的分布、变化规律，对防雷电过电压、保护电气设备提供了 有价值的参考依据，进一步优化变电站的工程设计。 电力变压器是连续运行的电力设备，特别是5 0 0 k v 变压器，其工作电 压高、容量大、造价高、检修难度大，且大多数是由单相变压器构成，安装 在户外，对电力系统的安全稳定影响甚大。对波头很陡的行波而言，变电站 各点电压超过保护水平的数量取决于各该点与避雷器安装地点的距离、波前 的陡度以及变电站的各电气设备的技术参数。所以适当地选择避雷器的数目 和安装地点，可以使总体造价最低。在较高电压范围内，通常是在变压器及 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 其断路器之间安装避雷器，以便保护变压器。使之不受雷电造成的过电压危 害。由于变压器等设备价格昂贵，所以避雷器紧靠变压器的安装可以获得人 们最期望得到的经济效果。 1 3 国内外研究现状 1 。3 1 过电压计算方法 对于变电站的雷电过电压的保护，一般都需要根据变电站过电压的预 测结果来检验测定，也就是根据侵入波条件，对设计提出的保护方案和电气 设备绝缘水平进行雷电冲击模拟和计算，检查变电站电气设备上可能出现的 最高过电压是否超过设备的雷电冲击绝缘水平。工程上计算变电站雷电过电 压的方法主要有：防雷分析仪、补偿法以及在贝杰龙法基础上发展起来的 e m t p 、p s c a d e m t d c 等各种电力系统暂态仿真软件【坞彻。 ( 一) 防雷分析仪 变电站雷电侵入过电压的预测，过去主要是靠防雷分析仪进行模拟试 验。由于变电站内有电容、电感、连接用线段以及非线性元件( 例如避雷器) 等，所以要求出变电站中各点电位，就要解包括分布参数、集中参数及非线 性参数组成的回路中的过渡过程，而且在过渡过程中回路参数还会突变( 例 如火花间隙放电) ，计算非常困难。实际上我们还要求计算逆反问题，即已 知变电站中各点允许电位值去求相当的侵入波的大小和形状，以便对变电站 进行过电压保护，这当然更加复杂。到现场做实验就需要电压甚高的人工雷 发生器，而且因为雷电波的时间不过几十微秒，测量这种为时甚短的过程需 要复杂的高压一次示波技术，这都是不容易的应用几何相似的变电站模型 进行实验也不容易，因为：1 ) 还是需要用复杂的高压一次示波技术；2 ) 模 型本身电容、电感很小、受寄生电容及连线电感的影响很大。1 9 4 8 年柯勤琴 科等人提议应用模拟法则制成链式等效回路来研究变电站的防雷问题，并将 所制仪器命名为防雷分析仪，使实验技术大为简化。其模拟方法是： 模拟线路中任意时刻t l 任意坐标x 1 处的电流 和电压砘和实际线路中 相当时刻f 相当坐标，处的电流f 和电压”满足下列关系式：， 而= m x , t l = s t ，i l = a i , u 1 = 袱 ( 1 1 ) 式中j ，i ，毛a 及v 为常数，分别为模型的长度、时间、电流和电压的比例尺。 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) ( 1 ) 模型电路的各集中常数元件r l ，工i ，g 1 及c 1 为： rl = 二r 工l = 生工 gl = 生g c1 = 生c ( 1 2 ) 式中是厶g c 分别为实际电路中的相对应的元件。 ( 2 ) 实际电路中的分布参数元件( 如母线) 以t 型回路的集中参数元 件组成的链形电路代替，然后按式( 1 2 ) 的条件制造模型。 ( 3 ) 实际电路中的非线性电阻v ：哟，在模型中以特性为堕：烈马的非 v口 线性电阻代替。 ( 4 ) 实际电阻中的绝缘伏秒特性u ，= 幽，在模型中以伏秒特性为 口 一 u j _ z ：杩的元件来代替。 y ， ( 5 ) 实际电路中的波阻抗为z 无穷长导线在模型中以电阻焉来代替 r i = 二z( 1 3 ) 口 ( 6 ) 实际电路中沿无穷长线路导线袭来的冲击波u ( o 在模型中可以用冲 击电源来代替，后者的电压应满足下式： ”l ( s t ) = 2 v u ( t ) ( 1 4 ) ( 7 ) 模型线路中元件连接的相互次序应与实际电路中的各元件连接的相 互次序相同 应用防雷分析仪可以很容易地求出各种电压等级变电站内部的危险点， 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 避雷器的保护范围，变电站的危险曲线，必须的进线长度，变电站的耐雷水 平或指标，从而改进其防雷情况。但防雷分析仪存在难于准确模拟和调整元 件特性，模拟对象的复杂程度受到设备条件的限制。 ( 二) 补偿法 其基本原理及计算过程是：先将避雷器置于开路，应用戴维南定理把 剩下部分简化为一个线性有源二端网络，即等值为一个开路电压和等值阻 抗，然后用牛顿一拉夫逊迭代法求解避雷器支路的放电电流，最后利用叠加 原理求得含有避雷器支路网络的真解。 变电所雷电侵入波过电压保护计算的基本过程与输电线路的雷电过电 压计算大同小异，主要的区别在于计算电路中含有避雷器非线性电阻支路。 在计算每一步时，都需要如上述先求解出线性部分电路的开路电压，检查避 雷器是否动作，若已动作则接入避雷器支路，迭代求解出避雷器放电电流， 然后修正各节点电压。此外，变电所的等值计算电路能含有较多的电气设备 的入口电容接地支路。节点和线路较多，计算量显然要大得多。 ( 三) 电力系统数字仿真 电力系统数字仿真是对实际系统进行分析，建立电力系统的数学模型， 再用数字计算机对模型进行实验，以获得我们所需要结果的过程。随着电力 系统的发展，电源不断增多，电网扩大，自动化程度提高，许多计算和控制 问题日益复杂，无论从现有技术上，还是从供电可靠性及设备安全性考虑， 直接在实际电力系统中进行各种试验，可能性很小，因此运用电力系统数字 仿真进行研究无疑是一种经济可行的手段。 电力系统数字仿真对系统过电压进行分析，需要建立在定的模型之 上，而模型的好坏取决于对雷电机理和雷电波作用下杆塔避雷线导 线系统波过程的认识。由于雷电现象具有很强的随机性，过程又非常短暂， 使得人们难以对雷击过程的物理现象有非常清楚的认识，这就是防雷研究中 之所以问题较多的原因。通常只能通过对许多问题建立简化模型，得到理论 结果后通过运行实践检验，再不断优化模型，得到与运行实践最接近的理论 模型。 目前国际通用的研究结果，影响反击跳闸率估计的主要因素有输电线路 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 模型、绝缘子串伏秒特性问题、冲击电晕问题、工频电压问题、感应过电压 问题、杆塔模型问题、杆塔冲击接地问题等等。 目前国内外多用电力系统暂态仿真程序e m t p 、p s c a d e m i y c 等进行 雷击过电压的仿真计算。随着研究的不断深入，实际运行经验的不断积累， 这类仿真软件中的各种元件模型也日趋完善，更加符合实际情况，计算精度 不断提高，所计算出的结果满足实际工程需要，在实践中得到了检验。 1 3 1 绝缘配合 电力系统绝缘配合，长期以来被广泛采用的方法是惯用法。惯用法要求 设备绝缘的最低抗电强度高于可能作用于设备的预期过电压值，并留有一定 的裕度。 应用惯用法时，先要确定设备安装点作绝缘配合的过电压值，再根据运 行经验乘以考虑各种影响过电压的因素以及有一定裕度的配合系数，得出电 气设备需具有的耐受电压值。于是，要求设备绝缘抗电强度务必不低于此耐 受电压。由于实际的过电压值和绝缘强度都是随机变量，很难准确确定其上 下限，为安全运行，采取留有较大裕度的办法解决。因此，惯用法确定的绝 缘水平是偏严格的。 如上文所述，采用惯用法，对绝缘要求偏严。因此2 0 世纪7 0 年代以来， 国内外推荐采用统计的方法对自恢复绝缘进行绝缘配合。 绝缘配合的统计法是根据电压幅值和绝缘的耐压强度都是随机变量的 实际情况，在已知过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性后，用计算方法求 出绝缘闪络的概率和线路跳闸率，在技术经济比较的基础上，正确地确定绝 缘水平。 这种方法不仅定量地给出设计的安全程度，并能按照使每年设备折旧 费、运行费及事故损失费最小的原则进行优化设计。目前研究得较多的是以 过电压幅值的概率分布为基础的统计法。 惯用法与统计法在目前都广泛地被应用在国内外的绝缘配合计算中，本 文按照设计单位的要求，采用惯用法进行绝缘配合计算。 1 4 本文所做的工作 针对电力系统输电线路经常遭受雷击，而雷击入侵波会对配电设备产生 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 严重的影响，引起严重后果，所以需要对线路雷击过电压进行计算，确定设 备的绝缘水平。本文从实际出发，根据西南电力设计院提供的泸州5 0 0 k v 变 电站设计资料，建立相关仿真模型，验算分析在该变电站一期工程电气主接 线的各种运行方式下，各设备上可能出现的最大过电压，具体工作包括以下 几点： ( 1 ) 通过分析雷电产生机理和雷击输电线路雷电波的各项特征，阐述 了线路上遭受不同形式的雷击时过电压的形成和特点，介绍了超高压变电站 防雷分析的主要特点。 ( 2 ) 分析在防雷计算时，变电站内各种设备等值数学模型的特点，运 用p s c a d k e m t d c 电力系统暂态仿真程序建立输电线路和变电站内其他设 备的等值模型，对现有泸州5 0 0 k v 变电站的雷击过电压进行计算。 ( 3 ) 考虑雷击点对雷电侵入波过电压的影响，计算变电站进线段1 # 6 # 杆塔分别遭受雷击时和不同运行方式下，变电站内设备的过电压数值。 通过对泸州5 0 0 k v 变电站母线和高抗回路加装避雷器和不加避雷器的计算 结果进行比较分析，提出该变电站的防雷保护建议。 ( 4 ) 根据泸州变电站雷击过电压计算结果，运用惯用法对变电站内设 备进行绝缘配合，按照规程确定设备的绝缘水平，并校验其绝缘裕度。 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 2 输电线路雷电过电压概述 高压输电线路纵横交错，绵延万里，很容易遭受雷击，引起停电事故， 给国民经济和人民生活带来严重损失。统计资料表明，雷害是造成高压输电 线路停电事故的主要原因 3 8 , 4 6 1 。为了确保电力系统的安全运行，必须了解雷 电放电过程，研究雷电特性，设法与雷害作斗争。 雷击严重损坏电气设备，是由于强大的雷电冲击电流，产生巨大的电磁 效应、机械效应、热效应所致。 雷击作为一种强大的自然力的爆发，难以控制。人们力所能及的是设法 预防和限制它的破坏性。这就需要在了解雷电特点的基础上装设防雷保护装 置，采取防雷保护措施。 2 1 雷电波的形成 、 雷电产生的载体是雷云，其带电过程可能是综合性的。实验表明，在距 离地面5 k m l o k m 的高空主要是正电荷云层，1 5k m 的高空主要是负电荷 的云层。但在云的底部也往往形成好几个电荷密集中心每个电荷中心的电 荷约为o 1 1 0 c 。而一大块雷云同极性的总电荷可达到数百库。雷云中的平 均场强约为1 5 0 k v m ，而在雷击时可达到3 4 0 k v m ，雷云下地表的电场一般 为l o k v m , - 4 0 k v m ，最大可达1 5 0 k v m ，当云中电荷密集处的场强达到 2 5 0 0 k v m 3 0 0 0 k v m 时，就会发生先导放电，雷云放电的大部分是在云间 或云内进行的，只有小部分是对地发生的，雷云对地的电位可高达数千万到 上亿伏 雷电的极性是指雷云下行到地的电荷极性，最常见的雷云是自雷云向下 开始发展先导放电的。据统计，无论就放电的次数来说，还是就放电的电荷 来说，9 0 左右的雷电是负极性的。由于大地的总电荷量是长期保持不变的 ( 约4 5 1 0 5 c ) ，因此相当大的正雷云电荷必定通过“悄悄的放电”的形式 运送到大地的。即大量的正电荷是以地表电晕放电的形式消散的。 在雷电放电过程中，由于负雷云向下发展的先导不是连续向下发展的。 而是走一段停一段，再走一端，再停一端。当先导接近地面时，会从地面较 突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时，就产生了 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 强烈的“中和”过程，出现极强的电流，这就是雷电的主放电阶段。主放电 存在的时间极短，约为5 0 = 1 0 0 卢。主放电的过程是逆着负先导的通道由 下向上发展的，到达云端时就结束了。由于雷电主放电会产生极大电流和极 大功率，电力系统中的电力设备必须防止雷电的破坏。 2 2 雷电参数的统计数据 雷电放电涉及气象、地形、地质等许多自然因素，有很大的随机性，因 而表征雷电特性的诸参数也就带有统计的性质。许多国家都选择典型地区建 立雷电观测站，并在输电线路和变电站中附设观测装置，进行长期的系统的 雷电观测，将观测所得数据进行统计分析，为防雷保护的设计研究提供依据。 现将主要雷电特性参数分述如下。 2 2 1 雷电流的波形和极性 实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波，这与前述雷电放电过程的原 理解释是一致的。许多雷电流波形都是在峰值附近出现明显的双峰，波尾部 分也有不太大的隆起。 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通常都是取负极性的雷电冲击波进行研究分析。 2 2 2 雷电流的幅值、波头、波长和陡度 对于脉冲波形的雷电流，需要三个主要参数来表征。这三个参数为：幅 值、波头和波长。幅值是指脉冲电流所达到的最高值；波头是指电流上升到 幅值的时间；波长是指脉冲电流的持续时间。 幅值和波头又决定了雷电流随时间上升的变化率，称为雷电流的陡度。 雷电流陡度对过电压有直接影响，也是常用的一个重要参数。 ( 1 ) 雷电流幅值的概率分布 我国现行标准推荐按下式计算 l g 尸= 一丽i ( 2 1 ) 式中j 是雷电流幅值，k a ；p 是幅值等于大于，的雷电流概率。例如幅值等 于和超过5 0 k a 的雷电流，计算可得概率为3 3 。 上述雷电流幅值累积概率计算公式适用于我国大部分地区。对于雷电活 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 动很弱的少雷地区( 年平均雷电活动2 0 日以下) ，例如陕南以外的西北地区 及内蒙古自治区的部分地区，雷电流幅值概率可按以下公式求得： r 1 9 p = - 云 ( 2 2 ) ( 2 ) 雷电流的波头和波长 虽然雷电流幅值随各国的自然条件不同而差别很大，但是各国测得的雷 电流波形却基本一致。据统计，波头长度大多在1 牌5 芦的范围内，平均 2 , m ，2 5 a 。我国在防雷保护设计中建议采用2 6 z ，的波头长度。 至于雷电流的波长，实测表明在2 0 , m 1 0 0 a 范围之内，平均约为5 0 z ， 大于5 0 加的仅占1 8 3 0 。 根据以上分析，在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用2 6 5 0 口。 ( 3 ) 雷电流陡度 由于雷电流的波头长度变化范围不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密 切相关。我国采用2 6 m 的固定波头长度，即认为雷电流的平均陡度二和幅值 线性相关： 一 ， a = 古k a j s ( 2 3 ) 二口 即幅值较大的雷电流同时也具有较大的陡度。 雷电流的各项主要参数幅值、波头、波长和陡度的实测数据具有很 大的分散性。许多研究者发表过各种结果，虽然基本规律大体相近，但其具 体数值却有差异。其原因一方面在于雷电放电本身的随机性受到自然条件多 种因素的影响；另一方面也在于测量条件和技术水平的不同。我国幅员辽阔， 各地自然条件千差万别。雷电观测工作的基础还比较薄弱，有待于进一步加 强。 2 2 3 雷电放电重复冲击次数和总持续时间 如前所述，一次雷电放电常常包含多次重复冲击放电，根据世界各地约 6 0 0 0 个实测记录的统计：5 5 的落雷包含两次以上的冲击，( 3 5 ) 次冲击占 2 5 。l o 次冲击以上占4 ；平均重复3 次；最高记录可达4 2 次。一次雷 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 电放电的总持续时间( 包含多次重复冲击放电时间) ，据统计，有5 0 d 、于 0 2 s ，大于0 6 2 s 的只占5 。 2 2 4 雷电日和雷电小时 为了表征不同地区雷击活动的频繁程度，通常采用年平均雷电日作为计 量单位。我国亦是如此雷电日是指该地区一年四季中有雷电放电的天数， 一天中只要听到一次以上雷声就算一个雷电日。由于不同年份的雷电日数变 化较大，所以要采用多年平均值年平均雷电日。 我国各地年平均雷电日数的多少和所处的纬度及距离海洋的远近有关。 北回归线( 北纬2 3 5 。) 以南，平均雷电日数一般在8 0 以上；广东的雷州半岛 和海南岛雷电活动频繁而强烈，高达1 0 0 1 3 3 北纬2 3 5 。至长江以南大部 分地区在4 0 8 0 之间。长江以北大部分地区，包括华北东北地区，多在2 0 4 0 之问。西北地区多数在2 0 以下。根据雷电活动的颓度和雷害的严重程 度我国把年平均雷电日数超过9 0 的地区称为强雷区，超过4 0 的称为多雷 区，不足1 5 的称为少雷区，以便防雷设计因地制宜。 为了区别不同地区每个雷电日内雷电活动持续时间的差别，也有用雷电 小时数作为雷电活动频度的统计单位。一个小时以内听到一次以上雷声就算 一个雷电小时。每一个雷电日平均大约有3 个雷电小时。西北一些少雷区一 个雷电日稍少于2 个雷电小时；而像广东那样的强雷区，一个雷电日至少4 个雷电小时以上。 要做好防雷保护工作，还要注意观察当地雷电活动季节的开始和终了日 期，我国南部雷电季节从2 月开始长江流域一般在3 月，华北、东北在4 月，西北较迟到5 月。1 0 月以后，除江南以外，雷电活动就几乎停止了。 2 2 5 地面落雷密度 雷电日和雷电小时的统计，并没有区分雷云之间的放电和霄云对地的放 电。实际上云间放电远多于云地放电。雷电日数越多，云间放电的比重越大， 云间放电与云地放电之比，在温带约为1 5 3 0 ，在热带约为3 6 。对防雷 保护设计研究更有实际意义的，还是雷云对地放电的年平均次数。可惜目前 还缺乏这方面的比较充分可靠的统汁资料，观测手段也还未能准确区分出对 地雷击。 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 雷云对地放电的频繁和强烈程度，由地面落雷密度，来表示，是指每 个雷电曰每平方公里地面上的平均落雷次数。实际上，y 值与年平均雷电日 数有关。一般，较大的地区，其，值也较大。 关于地面落雷密度与雷电日数的关系，我国标准推荐采用国际大电 网会议( c i g r e ) 1 9 8 0 年提出的以下关系式： 虬= 0 0 2 3 t ：。 ( 2 4 ) 式中。为每年每平方公里地面落雷数；为雷电日数；由此可以推得 y = 0 0 2 3 1 # o 3 ( 2 。5 ) 根据式( 2 5 ) ，对乃- - - - 4 0 的地区，按我国标准取值r = 0 0 7 。 2 3 雷电流的等值波形 电力设备的绝缘强度试验和电力系统的防雷保护设计，都要求将雷电流 波形等值为典型化的可以用解析表达的波形。常用的等值波形有以下3 种。 2 3 1 标准冲击波 标准冲击波形由双指数式表示： f = 1 0 p 一“一e - 肛) ( 2 6 ) 式中如为某一固定电流值；以户是两个常数；t 为作用时间。其波形如图2 1 ( a ) 所示。 标准冲击波的波头和波长按下述方法规定。波头f ，是指d l 的时间( 见图 2 1 ( b ) ) 。o l 由0 31 。和0 9 1 。两点连成的斜线与时间坐标轴的交点决定；t l 由 该斜线与电流幅值j 。水平线的交点决定波长q 是指o l f ：的时间。f 2 是冲击 波下降至幅值的一半时，所经历的时间。 当被击物体的阻抗只是电阻r 时，作用在r 上的电压波形“与电流波形f 同相双指数波形也用作冲击绝缘强度试验的标准电压波形，对它定出标准 的波头和波长。我国将采用i e c 国际标准：波头f ，= l - 2 4 m ，波长f f = 5 0 芦， 记作1 2 5 0 z ，。 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) | ? 厶 二、 添二二篡多 ! j 、忙一 0 ， 一渡头一凌长 图2 1 雷电流的标准波形( 双指数波) 2 3 2 等值斜角波 为简化防雷计算，常将雷电流用等值斜角波来表示，如图2 2 。其波头 陡度“由给定雷电流幅值j 。和波头时间r ，决定：a = i m i r f 。其波尾部分可以 是无限长( 图中实线) ，此时又称为斜角平顶波；若有一定波长( 图中点划线) ， 又称为三角波。 斜角波的数学表达式简单，用以分析雷电流所引起的波过程比较方便。 0 t | 图2 2 雷电流的等值：斜角波 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 2 。3 。3 等值余弦波 雷电流的等值余弦波如图2 3 ，由下式表示： f = 二暑o - c o s 耐) ( 2 7 ) 式中酊= x f f 这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用，因为用余弦函数波头计算 雷电流通过电感支路时所引起的压降比较方便。此时最大陡度出现在波头中 间f = f ，1 2 处，其值为 口。= 。= 半 晓s ， 口一2 恼j 。2 亍 ( 2 名) 已知tur=z，因此在给定雷电流幅值，。和最大陡度口一的情况下，可以求出， 余弦波头对应的等值波的角频率z 和波头r ，。 留：孕 ( 2 - 9 ) 留= o f o 、 朋 f ，- 老 包 圈2 3 雷电流的等值余弦波 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 2 4 雷电放电的计算模型 了解雷电放电的基本过程和雷电波参数后，还需要建立计算模型以便定 量分析它所引起的影响。雷击导线由先导放电发展为主放电过程，先导放电 z o ( b 图2 4 雷电放电计算模型 尽管是不规则的树枝状，而且是脉冲式地发展；但研究表明，它还是具有分 布参数的特征，可以近似假定它是一个具有电感、电容等均匀分布参数的导 电通道，称为雷电通道，其波阻抗为z o 。再把主放电过程看作是沿着波阻抗 为z 。的无限长的雷电通道，白天空向地面传来的前行波z 0 ，i o ( u 。= i o z 。) 到达a 点的过程，如图2 4 ( a ) 。这样，从地面感受的实际效果和工程实用的角度出 发，把雷电放电过程简化为一个数学模型，从而得出它的彼德逊等效电路， 如图2 4 ( b ) 、( c ) 所示，其中为电压源等值电路，( c ) 为电流源等值电路。 雷电通道波阻抗z 0 的数值通常取为3 0 0 a 。 综上所述，应当注意理解以下几点： 雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放。尽管雷云有很高 的初始电位( 估计可达数百兆伏) 才能使大气击穿，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( 被击物体阻抗系指被击点与大地零电位参考点之间的阻抗) 。 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 所以，从电源的性质看，这相当于个电流源的作用过程。 雷电放电的物理过程虽然很复杂，但是从地面感受到的实际效果和防 雷保护的工程实用角度，还是可以把它看作是一个沿着一条有固定波阻抗的 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f ，然后再根据计算模型反推出雷电波的参数，以供工程应用。 由图2 4 ( c ) 的电流源等值电路，有 f - 2 f o 南 ( 2 1 1 ) 显然i 与z 有关。当z = z 。时，恰好i = i o ，这种巧合实际上是不可能的；当z = o 时，i ：2 o ，事实上z 又不可能为零；但若z “z 。，仍可测得i * 2 i o 。在雷电 流的实际测量中，一般都能满足条件z “z o ，例如，磊估计为3 0 0 f l ，z 3 0 f l 即可。所以国际上都习惯把雷击低于接地阻抗( z * o 或z 6 5 m 时，导线上的感应雷 过电压最大值可以按下式计算： l “g = 2 5 x i l 。百r j d ( k v ) ( 2 1 2 ) u ，雷电流幅值取a ) b ：导线悬挂的平均高度( 聊) s ：雷击点离线路的距离 有避雷线时，由于避雷线与导线间有耦合作用，因此导线上的电位将为； “g k u g ( 1 一目 ( 2 1 3 ) 式中j 【为耦合系数 当雷击线路杆塔时，迅速向上发展的主放电引起周围空间电磁场的突然 变化，也会在导线上感应出与雷电流极性相反的过电压在导线一大地回路 中由于雷电通道电流所产生的电磁感应远小于杆塔电流所产生的电磁感应， 而后者将杆塔电感压降的形式计及，故在感应过电压中主要考虑静电分量。 规程建议对一般高度的线路，无避雷线时的导线上的感应过电压的最大 值可按下式计算： u i = 以 ( 2 。1 4 ) 仉：为感应过电压( k v ) h c ：为导线的平均高度( m ) a ：是感应过电压系数k v m ，其值等于以k 伽为单位的雷电流平均陡度值。 有避雷线时，由于它的屏蔽作用，导线上的感应过电压将降低为 配= o k o x = 哦( 1 一k o ) ( 2 1 5 ) 式中k 为导线与避雷线间的耦合系数。 四川大学工程硕士专业学位论文( 2 0 0 6 ) 2 5 2 直击雷绕击过电压 我国l l o k v 及以上的高压输电线路一般都有避雷线保护，以免导线直接 遭受雷击。但是由于各种随即因素，如遇避雷线的屏蔽保护失效，还有可能 发生雷绕过避雷线击中导线的情况，通常称为绕击，如图2 7 所示。显然绕 一一， 一- k 乏迁21 3 ：= 天 z ， z ， 图2 7 雷绕击导线 击的概率很低，发生绕击时的雷电流幅值较小，但是一旦绕击形成很高的冲 击过电压，就可能使线路绝缘子串闪络，或侵入变电站危及电气设备的安全。 忽略避雷线和导线的耦合作用，以及杆塔接地的影响，导线着雷点a ( 图 2 刀的电位计算，可简化如图2 8 ( a ) 。由彼德逊等效电路可知，从a 点看， 雷击放电可以等值为幅值等于1 2 的雷电流波，或