输电线路雷击物理过程及避雷线防绕击原理

输电线路雷击物理过程及避雷线防绕击原理,省公司生产技术部2010年4月,2010年省公司输电线路管理规范细则与防雷培训讲座,2,目录,一、引言二、雷电的形成和特点三、雷击杆塔的物理过程四、避雷线防绕击原理,3,一、引言,架空输电线路往往延绵上百里，沿途经过各种地形和气候区域，一年四季暴露在大自然环境中，极易受到各种恶劣气候的侵袭，特别是遭受雷击非常频繁。,4,近年来，雷击一直是江西电网输电线路发生跳闸故障的首要原因之一，然而，由于雷电活动规律及线路防雷问题的复杂性，线路防雷工作仍然十分艰巨。,2009年全省110kV及以上线路跳闸分类（共240次）,5,了解和掌握雷电活动规律、雷击杆塔的物理过程、输电线路防雷措施的机理，乃至进一步深入研究线路设防标准与雷击故障率、各类防雷设施与雷击故障率的定量关系，使这些知识能在线路设计、运行维护中得到应用，对提高线路的可靠运行有重要的意义。,6,目录,一、引言二、雷电的形成和特点三、雷击杆塔的物理过程四、避雷线防绕击原理,7,二、雷电的形成与特点,雷电是一种壮观和复杂的大气电现象，常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。它是雷暴天气的最基本特征之一。同时，雷电活动与电力系统、电讯通信、交通运输、森林保护及人们的日常生活密切相关。,8,江西省19972003年各类雷电灾害对象统计图,9,在雷雨季节里，太阳使地面水分部分化为蒸气，同时地面空气受到热地面的作用变热而上升，成为热气流。由于太阳几乎不能直接使空气变热，所以每上升1km，空气温度约下降10。上述热气流遇到高空的冷空气，水蒸汽凝结成小水滴，形成热雷云。此外，水平移动的冷气团或暖气团，在其前峰交界面上也会因冷气团将湿热的暖气团抬高而形成面积极大的锋面雷云。,雷云的形成,10,雷云的带电过程可能是综合性的。强气流使空中水滴吹裂时，较大的水滴带正电，而较小的水滴带负电，小水滴同时被气流携走，于是云的各部带有不同的电荷。,雷云的带电,此外，水在结冰时，冰粒上会带正电，而被风吹走的剩余的水将带负电。,实测表明，在510km的高度主要是正电荷的云层，在15km的高度主要是带负电荷的云层，但在云的底部也往往有一块不大区域的正电荷聚集。雷云中的电荷分布也远不是均匀的，往往形成好多个电荷密集中心。,雷云中的平均场强约为150kV/m，而在雷击时可达340kV/m。当云中电荷密集处场强达到25003000kV/m时，就会发生先导放电。,11,雷电放电的光学照片说明，由负雷云向下发展的先导不是连续向下发展的，而是走一段停一会儿，再走一段，再停一会儿。每级的长度为10200m，平均为25m。停歇的时间平均为50s。下行先导的电流无法直接测量，但由线电荷密度及速度可估计出为100A左右。下行先导在发展中会分成数支，这和空气中原来随机存在的离子团有关。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。,雷云的放电,12,当迎面先导与下行先导的一支相遇时，就产生了强烈的“中和”过程，出现极大的电流，达数十到数百千安，这就是雷电的主放电过程，伴随着出现雷鸣和闪光。主放电存在的时间极短，约为50100s。主放电的过程是逆着负先导的通道由下向上发展的，速度约为光速的1/201/2。,迎面先导与下行先导相遇，形成雷电流释放的电离通道。,13,主放电到达云端就结束了，然后云中的残余电荷经过刚才的主放电通道流下来，称为余光阶段。由于云中的电阻较大，余光阶段对应的电流不大（约数百安），持续的时间却较长（0.030.15s）。由于云中可能存在几个电荷中心，所以在第一个电荷中心完成上述物理过程之后，可能引起第二个、第三个中心向第一个中心放电，因之雷电可能是多重性的，每次放电相隔0.6ms至0.8s，放电的平均数目平均23个。第二次及以后的放电，先导都是自上向下连续发展的（无停歇现象），而主放电仍是由下向上发展的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过30kA。,14,利用条纹相机拍摄到的一次始于云内的负地闪过程的照片。引自BergerandVolgelsange(1966)。照片开始的短亮线条或光带是由先导过程的向下传播而产生的，而后面的连续长亮线条或光带是由回击产生的。,一次击中Manasquan海滨沙滩的闪电照片。照片中除主放电通道外，还可以看到两个没有与下行先导相连接的上行先导（引自Fig.6.5,Uman,1987）。,15,高速摄像机拍摄的闪电录像,16,雷云放电大部分是在云间或云内进行的，只有小部分是对地发生的。,17,上述都是线状雷电，有时在云层中能见到片状雷电。个别情况下会出现球状雷电。后者是在闪电时由空气分子电离及形成各种活泼化合物而形成的火球，直径约20cm，个别也有达10m的，它随风滚动，存在时间约35s，个别可达几分钟，速度约2m/s。最后会自动遇到障碍物时发生爆炸。,18,几个关于雷电的参数,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。一天只要听到雷声（不管听到几次），就记为一个雷暴日。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。一般把年平均雷暴日不超过15日的地区叫少雷区，超过40日的叫多雷区，超过90日的叫强雷区。地面落雷密度用次/(km2雷暴日)表示。它表示每一雷暴日、每平方公里地面落雷次数。我国规程(DL/T6201997)推荐，在40雷暴日情况下，可取=0.07。,19,年落雷密度为每年每平方公里地面落雷次数，单位为次/(km2年)。,20,雷电流的幅值与气象及自然条件有关，是一个随机雷电流幅值的概率密度，我国现行标准DL/T620-1997规定一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式计算：,我省2000年至2009年雷电流幅度直方图和累积概率分布,21,雷电流的极性是指雷云下行到大地的电荷的极性。最常见的雷电是自雷云向下开始发展先导放电的。据统计，90%左右的雷都是负极性的。江西省雷电定位系统观测结果，我省2000和至2009年共发生落雷6402400个，其中负极性雷电6046815个，占94.4%。,22,人工观测与雷电定位系统观测雷暴日有何不同？,目前我国以气象观测站听到雷声为统计依据，国外科学家研究，听力好的人可以听到20公里以外的雷声，听力不好的人连5公里处发生的雷电都听不到，另外也和雷声大小、背景噪声及传播路径上有无障碍有关，同时，我国目前基本是1个行政县设1个气象观测站，可以依县级行政区域为雷暴日统计单位。通过雷电定位系统，以每个县市的雷暴日作为一个统计点，对全省20002009年共十年各县市的雷暴日进行平均计算，得出全省雷暴日数约为76.85，赣州地区雷暴日则达83.6，分别高于气象局提供的雷暴日数58.74和67.2。,23,用哪一个参数来表征雷电活动强度？,上述三个参数（雷暴日、落雷密度、年落雷密度）都是表示雷电活动强度的参数，关系是：年落雷密度=雷暴日地面落雷密度以往在没有更科学的观测手段时，人们用耳朵听来记录雷电活动强度，即雷暴日。而计算跳闸率最终需要的是每年单位面积的落雷数，而不是雷暴日或落雷密度，这两个参数不能完全反映雷电活动强度，为了得到年落雷密度，人们根据观测，对两者的关系进行研究，得出了一些经验公式，如国标大电网会议1980年提出的（我国行标采用了该关系）：地面落雷密度=0.023雷暴日0.3在利用雷电定位系统进行观测后，完全只用年落雷密度即可。,24,为什么山区雷电多于平原？,在山区，由于下垫面较为复杂，之间的热力状况差异也较大，容易产生空气对流，因而积雨云出现的几率较大。而起伏的山峦又使得空气运动呈现一种非常不规则的乱流状态，并能影响到相当高的高度，容易生成雷电天气。此外，不稳定的暖湿气流进入山区，受地形作用的抬升，也极易成为积雨云。,25,为什么夏季雷电多于其它季节？,形成雷雨云要具备一定的条件，即空气中要有充足的水汽，要有使湿空气上升的动力，空气要能产生剧烈的对流运动。春夏季节，由于受南方暖湿气流影响，空气潮湿，同时太阳辐射强烈，近地面空气不断受热而上升，上层的冷空气下沉，易形成强烈对流，所以多雷雨，甚至降冰雹。而冬季由于受大陆冷气团控制，空气寒冷而干燥，加之太阳辐射弱，空气不易形成剧烈对流，因而很少发生雷阵雨。但有时冬季天气偏暖，暖湿空气势力较强，当北方偶有较强冷空气南下，暖湿空气被迫抬升，对流加剧，就会形成雷阵雨。雷暴的产生不是取决于温度本身，而是取决于温度的上下分布。,26,我省雷电活动的特征,江西地势南高北低，地形复杂，全省雷暴日数分布由北向南逐渐增加。江西年平均雷暴日数为42.282.9天，最多雷暴日数出现在赣南的会昌，最少雷暴日数出现在赣北的鄱阳湖区北端湖口，最多与最少相差40.7天。江西历年中出现年雷暴日数100天的共有6个县，其中出现3年的有会昌和寻乌；出现1年的有龙南、定南和靖安。摘自中国江西新闻网(江西新闻网、中国江西网、江西网)2007-6-27,27,全国30年雷暴日数分布图中国气象局国家气象信息中心2005年发布,28,华中电网区域2006年的年落雷密度分布图,29,江西省2000-2009年年落雷密度（次/百公里年）,江西省2000-2009年各月的年落雷密度（次/百公里年）,雷电定位系统观测数据,30,江西省2000-2009年各地年落雷密度（次/百公里年）,31,目录,一、引言二、雷电的形成和特点三、雷击杆塔的物理过程四、避雷线防绕击原理,32,三、雷击杆塔的物理过程,根据过电压形成的物理过程，雷电过电压可以分为两种：直击雷过电压，是雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压；感应雷过电压，是雷击线路附近大地，由于电磁感应在导线上产生的过电压。,33,按照雷击线路部位的不同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，雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位大大升高，当雷击点与导线之间的电位差超过绝缘的冲击放电电压时，会对导线发生闪络，使导线出现过电压。因为杆塔或避雷线的电位（绝缘值）高于导线，故通常称为反击。另一种是雷电直接击中导线（无避雷线时）或绕过避雷线（屏蔽失效）击于导线，直接在导线上引起过电压。后者通常称之为绕击。,34,35,雷击地线,雷绕击导线,36,雷击袁西线杆塔引起线路绝缘闪络跳闸（宜春公司拍摄）,37,2010年02月13日220kV月梅线209#塔A相反击闪络，雷电流幅值251kA。,2009年5月12日500kV梦永回21#左相绝缘子绕击闪络，雷电流幅值-26.8kA,38,在雷击塔顶的先导放电阶段，导线、避雷线和杆塔上都会感应出异号束缚电荷。在主放电阶段，先导通道中的负电荷与杆塔、避雷线及大地中的正电荷迅速中和，形成雷电冲击电流。此时，一方面负极性的雷电冲击波沿着杆塔向下和沿避雷线向两侧传播，使塔顶电位不断升高，并通过电磁耦合使导线电位发生变化；另一方面由塔顶向雷云迅速发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使导线上出现正极性的感应雷电波。作用在线路绝缘子串上的电压为横担高度处杆塔电位与导线电位之差。这一电压一旦超过绝缘子串的冲击放电电压，反击随即发生。,反击过电压,39,对于一般高度（约40m以下）的杆塔，在工程近似计算中常采用集中参数等值电路。图中Lt为被击杆塔的等值电感，Ri为被击杆塔的冲击接地电阻，it为流经杆塔入地的电流，未考虑相邻杆塔及其接地电阻的影响；Ls为杆塔两侧一档避雷线并联的等值电感，is为流过Ls的电流。当绝缘子串闪络后，还应考虑两侧导线的分流作用，如图虚线部分所示，其中Zc为每侧导线的等值波阻抗。,40,雷电反击输电线路集中参数等值电路,41,考虑到雷击点的对地阻抗比雷电流通道波阻抗低得多，计算中略去了雷道波阻抗的影响，认为雷电流i直接由A点注入。设雷电流具有三角波形，其幅值为I，波头为f，波头陡度为。在波头部分，雷电流可表示为i=t。大部分雷电流通过被击杆塔入地，小部分流经避雷线等支路入地。近似认为各支路电流也具有斜角波头。由杆塔电流如下式所示，其中称为杆塔分流系数，即杆塔电流与雷电流之比值。,42,塔顶电位为：,杆塔分流系数可由等值电路求出。绝缘子串闪络前有：,43,工程计算中，雷电流波头可取f=2.6s，单根避雷线的等值电感约取Ls=0.67l(H)，双避雷线约取Ls=0.42l(H)，l为档距长度(m)；杆塔电感Lt可用实测值，也可采用行标推荐的平均值。,可见值与陡度无关，但随时间t而变化。为便于工程计算，行标推荐取t=f/2时的值：,44,此外，雷击有避雷线的杆塔塔顶时，由于空间电磁场的突然变化，在导线上还会出现感应雷过电压，幅值为,其中k0为导线对避雷线的几何耦合系数；hs为避雷线对地平均高度，m，hc为导线对地平均高度，m；a为感应过电压系数，kV/m，感应雷电压的极性与雷电流相反。,45,感应雷电压随时间变化的规律，与主放电的发展速度等因素有关，算式比较复杂，不同算法结果差异颇大。为简化计算，可近似认为感应雷电压随时间线性变化，当雷电流达到幅值时感应雷电压也达到最大，亦即：,46,作用于绝缘子串的电压uins为横担高度处的杆塔电位ua与导线电位uc之差，即,47,雷电绕过避雷线直击导线的示意图如下所示：,绕击过电压,48,忽略避雷线和导线的耦合作用，以及杆塔接地的影响，从A点看，雷击放电可以等值为幅值等于I/2的雷电流波，或幅值等于U0=IZ0/2的雷电压波，沿波阻抗为Z0的雷电通道传播到达A点。设导线为无限长，即不考虑导线远端返回A点的反射波，则根据彼德逊法则，可以得到电流源等值电路。其中Zc/2为导线的等值波阻抗，即A点两侧导线波阻抗Zc的并联值。,49,在近似计算中，有时假设Z0=Zc/2，即认为雷电波在雷击点未发生折、反射，则上式化为,按上图等值电路可求得雷击点A的电位为,若取Zc=400，则上式进一步简化为,50,集中参数模型等效简化了计算，但由于集中参数无法描述雷击杆塔的波过程，因而牺牲了准确度。模型由三部分组成：主干、支架、横担。各部分的波阻抗表示为其尺寸和形状的函数。HaraT.等人用实验的手段分析了垂直导体、带横担的垂直导体及多导体系统的浪涌响应特性，并建立了其波阻抗的经验公式。根据这些结果，作者建立了杆塔模型，其参数为杆塔尺寸和形状的函数。,分布参数杆塔模型,51,杆塔分布参数等值电路,52,53,ATPDraw中雷电直击杆塔模型,54,定义法：我国规程采用定义法，其判断绝缘是否闪络的方法是：电压波幅值较高时，直接与伏秒特性曲线相交就认为闪络（如下图中的t1）；而幅值较低时，如果波峰的水平延长线与伏秒特性曲线相交可以认为闪络（如下图中的t2），不相交就认为不闪络。,绝缘子闪络判据,55,相交法：波头相交法判断绝缘闪络的方式是：绝缘两端的过电压波与伏秒特性曲线相交即发生闪络，不相交则不闪络。,56,先导发展法：定义法和相交法还存在一个共同缺陷，即伏秒特性是基于标准冲击波形的测试结果，而实际上雷击杆塔时的过电压波形与标准波形差别较大，并有很大的分散性。先导发展法以气隙放电的物理过程为基础，可应用于非标准波形的判别。国内在三峡电站500kV同杆并架出线防雷研究中已开始了先导发展法的应用。,57,其中：U(t)间隙上的瞬时电压；x剩余间隙长度；d间隙长度；E0先导发展的阈值场强，由间隙和极性确定的常数,先导发展的速度是：,先导发展的必要条件是：,58,耐雷水平：能引起绝缘闪络的最小临界雷电流称为耐雷水平，单位为kA。反击和绕击的耐雷水平是不同的。根据以上分析可计算出。建弧率：建弧率即由冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率，可表示为：,跳闸率的计算,Eu为绝缘子串的平均电位梯度，kV/m。击杆率：雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值。,59,输电线路落雷次数N对于架空输电线路，由于高出地面，有引雷的作用，根据模拟试验和运行经验，一般高度的线路的等值受雷面的宽度为：W=4h+bh-线路的平均高度，m；b-两根避雷线间的距离，m。即线路愈高，则等值受雷面积愈大。当线路长度为100km时，平均每年雷击次数为：输电线路落雷次数=当地年落雷密度(4h+b)100/1000,60,雷击跳闸率反击跳闸率=线路落雷次数击杆率超过反击耐雷水平的概率建弧率绕击跳闸率=线路落雷次数绕击率超过绕击耐雷水平的概率建弧率,61,目录,一、引言二、雷电的形成和特点三、雷击杆塔的物理过程四、避雷线防绕击原理,62,四、避雷线防绕击原理,绕击是我省220kV及以上输电线路跳闸的主要原因,全省2008-2009年输电线路雷击跳闸情况,63,德国W.Peterson于1914年提出利用接地避雷线防雷的理论，认为其作用在于降低输电线路绝缘上的感应过电压。到30年代初期，避雷线虽已使用多年，对其作用仍无统一认识。苏联的B.H.L等1931年提出，对于66kV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30年代末期已经明确，100kV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。,关于避雷线的认识发展,64,避雷线作为送电线路最基本的防雷措施之一，在防雷方面具有以下功能：1）防止雷直击导线；2）雷击塔顶时对雷电流有分流作用，减少流入杆塔的雷电流，使塔顶电位降低；3）对导线有耦合作用，降低雷击杆塔时塔头绝缘上的电压；4）对导线有屏蔽作用，降低导线上的感应过电压。,65,美国西屋电气公司的工程师利用微缩模型进行了雷击输电线路的试验（图中的奶牛也是微缩模型），地线将3000kV的模拟雷电安全地引入大地，使其下的导线受到保护。,66,避雷线保护角,67,110750kV架空输电线路设计规范（报批稿）：1）对于同塔双回或多回路，220kV及以上线路的保护角均不大于0，110kV线路不大于10；2）对于单回路，500750kV线路的保护角不大于10，330kV及以下线路不大于15；单地线线路不大于25。对重覆冰线路的保护角可适当加大。国家电网公司十八项电网重大反事故措施第6.1.6条：对500kV线路及重要电源线防雷保护角应不大于10度。,关于保护角的有关规定,位于山坡、山顶的杆塔应考虑等效保护角。,68,特高压线路绝缘水平很高，雷击避雷线或塔顶发生反击闪络的可能性较低；特高压高塔高达60100m，绕击的可能性更大。前苏联特高压线路的运行经验表明,雷击跳闸是线路跳闸的主要原因。在19851994年10年期间，雷击跳闸高达16次，占总跳闸次数的84%。而雷击跳闸的主要原因是雷直接绕击于导线，主要原因是地线保护角过大(20)。我国特高压试验示范工程的导、地线之间的水平偏移按1m考虑。在平丘地形考虑直线塔（猫头塔）地线保护角5，在山区考虑直线塔（酒杯塔）地线保护角为-5。两根地线的距离不超过中相导线距离地线的4倍。耐张塔按负保护角设计。,特高压线路的防绕击设计,69,变电站出线段杆塔（采用3根地线）,猫头塔,酒杯塔,晋东南-南阳-荆门特高压铁塔照片,70,绕击率P是指一次雷击线路中出现绕击的比率。目前，用地线防止雷绕击于导线的计算方法基本上可分为两类，一类是像我国规程及苏联规程所用的方法，可以叫做经验法；另一类则是60年代才发展起来的电气几何模型法（也称击距法或华特海德法）。,绕击的分析方法,71,行标推荐的绕击率P计算公式为,对于平原线路：,对于山区线路：,式中a为避雷线对边导线的保护角，；h为地线在杆塔上的悬挂点高度，m。,72,美国20世纪50年代兴建了塔高45m的345kV线路。按传统的设计方法其雷击跳闸率小于0.3次/百千米年，但投入运行以后实际出现的跳闸率在46次/百千米年的范围内。差别如此惊人，引起了世界范围内的讨论，促使人们进一步研究线路防雷的原理。在20世纪60年代出现了一种以雷击机理的现代知识为基础的，分析避雷线（针）保护效果的电气几何分析模型。,电气几何模型法(EGM),73,电气几何模型（ElectrogeometricModel，简称EGM）法是用几何模型来分析地线对直击雷的屏蔽作用的一种方法。它是以击距(rs)的概念为基础所建立的一种新的屏蔽理论。击距是梯级先导最终一段的长度（由于其电势超过了最后一段空气的击穿电阻）。发现其与第一次回击的幅值有关。,74,击距大小与先导头部电位有关，而后者又和主放电电流有关，因此认为击距是雷电流幅值的函数。国际电气与电子工程师协会防雷工作组（IEEEWorkingGroup）在1985年给出的击距公式是：,75,用电气几何模型法分析绕击,分别以避雷线和导线为圆心，以击距为半径作两个圆弧，这两个圆弧交于F点；再在离地面高度为brs处作一水平线与以D为圆心的弧交于G点。由圆弧C1、C2和直线C3在沿线路方向形成一个曲面，此曲面叫做定位曲面。在雷电流为I的先导未到定位曲面之前，其发展不受地面物体的影响。若I的先导落在C1弧面上，则雷击避雷线；若落在C2弧面上，则雷绕击于导线上；若落在C3面上，则雷击大地。因此C2称为绕击暴露面。,b为考虑避雷针、避雷线或大地的系数，Mousa给出避雷线或大地的b为1，对避雷针的b为1.2。,地线屏蔽面,大地屏蔽面,绕击暴露面,76,不同的雷电流幅值对应不同的rs，所以可以做出一系列的定位曲面和绕击面来。可以证明，F点的轨迹为导线与避雷线连线的垂直平分线（即图中的直线EK），而G点的轨迹则为一抛物线（即图中的曲线HGK）。中垂线EK与抛物线HGK所包围的区域为绕击区。随着I的增大，C2弧段逐渐减小，当雷电流幅值增大到Ik时，C2弧段缩减为零，即此时已不可能发生绕击。相当于Ik的击距为临界击距rsk。,77,只有当雷电流大于线路绕击耐雷水平I2时才会闪络，与I2相对应的击距叫允许击距rsy，如果在某一保护角下，满足rsyrsk，则不会发生绕击闪络，这种情况称为有效屏蔽。若rsyrsk，则称为部分屏蔽的情况。,78,为什么保护角越小绕击越少？,79,为什么大雷电流不容易绕击？,80,对于同一杆塔结构，绕击率会因为地面倾角的不同而改变，架设在山坡上的线路更容易遭受雷击。由于雷电的概率密度最大值出现在与地面的垂直线上，故当地面倾角为，地线保护角为时，下山坡侧的地线有效保护角应为+，上山坡侧的地线有效保护角应为-。,为什么山区的杆塔绕