【《输电线路雷击过电压原理分析》6500字】

输电线路雷击过电压原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u11300输电线路雷击过电压原理分析 1193751.1雷电放电的过程 1245481.2雷电参数 3255931.1.1雷电流的幅值 325781.1.2雷电流的波形 4254501.1.3雷暴日与雷暴小时 431711.1.4地面落雷密度 5273041.3输电线路大气过电压 571011.3.1感应雷过电压 5241961.3.2直击雷过电压 799901.4输电线路耐雷水平的计算 1187441.4.1雷击塔顶 12238671.4.2雷击档距中央的避雷线 13264431.4.3雷绕过避雷线击于导线 1354311.5输电线路的雷击跳闸率 14279831.5.1反击雷跳闸率 14114891.5.2绕击雷跳闸率 1536601.6雷击跳闸故障的判别 15252391.6.1雷击故障的辨识 15126101.6.2闪络类别的判别 161.1雷电放电的过程雷电的形成及构造十分复杂，到目前为止还没有一个统一的理论解释，比较普遍的解释是：空气中的水蒸气不断上升到稀薄的大气层形成冰晶，在强烈上升穿过云层过程中，水蒸气相互碰撞发生电离，轻微的水蒸气带负电，上升形成大块带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中形成一些局部带正电的雷云区[[]徐航航.架空电力线路防雷与接地的研究[D].东北石油大学,2013:1-3.]。随着极性的积累，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间、雷云和大地之间形成了很强的电场，一旦空间电场强度超过大气电离的临界电场强度，就会发生火花放电。放电形式有：云内放电、云对云放电、云对地放电，这三种放电形式中，对地放电概率小，但是一旦发生对人们的日常生活危害极大。三种放电形式如图1.1所示。[]徐航航.架空电力线路防雷与接地的研究[D].东北石油大学,2013:1-3.图2-1三种放电形式（1）云内放电（2）云对云放电（3）云对地放电Fig.2-1Figure2-1Threetypesofdischarge.(1)Clouddischarge.(2)Cloud-to-clouddischarge.(3)Cloud-to-grounddischarge.目前人们主要研究的是雷云对地放电，其有三个阶段：先导放电、主放电、余辉放电。图2-2所示是雷云对地方放电的过程和电流波形。（1）先导放电阶段：随着云层中极性电荷的积累，当雷云中的某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强（25~30kV/cm，有水滴时仅为10kV/cm）时，空气便开始电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道；因雷云中分布不均匀的电荷，会有多个密集电荷的雷云，就会产生多道放电。（2）主放电阶段：先导靠近地面时，进入主放电阶段，强烈的电荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。主放电的时间极短，只有50~100微秒，放电发展速度50~100m/µs。电流幅值高达数十甚至数百千安；（3）余辉阶段：主放电完成后，云中剩余电荷沿着导电通道开始流向大地，这一阶段称放电的余辉阶段。通常余辉放电只会维持30~150毫秒，其电流数百安左右。图2-2雷云对地方放电的过程和电流波形图Fig.2-2Theprocessofthundercloud'sdischargetothelocalareaandthecurrentwaveform.1.2雷电参数人们通过对雷电现象的观察和测试，收集到描述雷电活动规律和雷电流的统计参数，这些数据主要包括雷电流幅值波形、雷暴日和雷暴小时、地面落雷密度和输电线路落雷次数等，可一定程度说明雷电活动的规律及相关参数，客观上说这些对于制定合理的措施应对大气过电压均具有重要的意义。1.1.1雷电流的幅值雷电流幅值是指雷击于低接地阻抗的物体时流过该物体的电流。据实测可知，雷电流幅值I的变动范围很大，最小只有几千安，最大可达200kA以上，因此，在进行防雷分析时必须考虑其统计规律。雷电流幅值概率为：(2-1)式中，I为雷电流，单位为kA，P为雷电流超过I的概率。《规程》(DL/T620-1997(2))综合了我国十几年观测的结果，对雷暴日超过20天的地区，雷电流幅值的概率分布推荐为[[][]苏邦礼等．雷电与避雷工程[M]．广州:中山大学出版社,1996:49-84.(2-2)1.1.2雷电流的波形雷电流波形中，波头是随机变量，波尾同样时随机变量。根据实测表明，雷电流幅值增加时，雷电流陡度也随之增加，波头变化不大。我国在直击雷防雷设计中取1.6/40µs的波形。规程建议计算用波头取1.6µs，雷电流的平均上升陡度为：kA/µs(2-3)式中为雷电流的平均上升陡度，I为雷电流。无数研究及观测结果显示很难仅以数学表达式表达雷电波形。考虑到工程计算以及定时分析防雷设计的要求，人们通过分析、总结雷电波，并具体规定了雷电波等值波形，其通常可结合（2-3）确定波形斜率。另外对等值斜角波波尾部分并没有特别要求，其有可能是固定斜率衰位或者无限延长波尾。设计特殊的高塔防雷时，可基于半个余弦波完成等值分析，具体可用如下表达式说明波头范围内雷电流：（其中ω=1.2）(2-4)1.1.3雷暴日与雷暴小时雷暴日是某一天有出现雷声，即为一个雷暴日。雷暴小时是在某一个小时内有听到雷声，就算一个雷暴小时。雷暴日是表征各地区雷暴强度的重要参数。根据雷电活动的频度和雷害的严重程度，依据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-20123.1.3）规定，雷暴日划分为：年平均雷暴日数T>90的地区叫做强雷区；40<T≤90的地区为多雷区；25<T≤40的地区为中雷区；T≤25的地区为少雷区。表2-1全国主要城市的平均雷暴数Table2-1Averagenumberofthunderstormsinmajorcitiesacrossthecountry.地名雷暴日数（d/a）地名雷暴日数（d/a）北京35.2长沙47.6天津28.4广州73.1上海23.7南宁78.1重庆38.5海口93.8石家庄30.2成都31.5太原31.5贵阳49.0呼和浩特34.3昆明61.8沈阳25.9拉萨70.4长春33.9兰州21.1哈尔滨33.4西安13.7南京29.3西宁29.6杭州34.0银川16.5合肥25.8乌鲁木齐5.9福州49.3大连20.3南昌53.5青岛19.6济南24.2宁波33.1郑州20.6厦门36.5武汉地面落雷密度地面落雷密度是在每平方千米、每个雷暴日中，云对地的放电次数。表现了雷云对地的放电的频繁程度。1.3输电线路大气过电压输电线路上出现的雷电过电压有：感应雷击过电压和直击雷过电压。感应雷过电压是雷击线路附近地面，由于电磁感应在到线上引起的过电压。而另一种直击雷过电压则是由雷直接击于线路引起的过电压。1.3.1感应雷过电压感应雷过电压由静电感应成分和电磁感应成分组成[[][]MJMasterandMAUman,"Lightninginducedvoltagesonpowerlines:Theory[J]",IEEETransactionsonpowerapparatusandsystems,vol.1984,no.9,pp.2502-2518.感应雷过电压的形成如图2-3所示，带有负电荷雷云的先导放电阶段，先导通道中允满负电荷，它产生的空间电场使地面导线上感应出异号的正束缚电荷，导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。如图2-3（a）所示。雷击大地后，主放电开始，形成放电通道。主放电速度是有限的，导线上束缚电荷也是逐步释放的，由于对称关系，被释放的束缚电荷将向导线两侧同时流动，如图2-3（b）所示。图2-3感应雷过电压的形成Fig.2-3Theformationofinducedlightningovervoltage.雷击线路附近大地时的感应雷过电压无避雷线时经过理论分析、模拟实验，我国现行行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（以下简称规程）给予的经验公式，即当S>65m时，可用下面公式计算：(2-5)式中Ug—导线上感应雷过电压幅值；Im—雷电流的幅值，单位kA；hd—导线悬挂的平均高度，单位为m；S—雷击点至线路的距离，单位为m。由式（2-5）可看出，感应雷过电压幅值Ug与雷电流的幅值Im及导线悬挂的平均高度hd成正比关系，导线挂点越高，其对地电容就越小，感应电荷产生的电压就越高；与雷击点到线路的距离S成反比关系，距离越远，感应过电压越小。据实测，线路感应雷过电压最大值可达400kV左右，它对35kV以下的线路绝缘有较大的威胁，对110kV及以上的线路，威胁性会比直击雷的较小。有避雷线时线路上有避雷线时，需要考虑避雷线屏蔽电磁的作用。假设避雷线没有接地，则导线和避雷线的感应过电压分别为：(2-6)(2-7)式中Ugd为导线的感应过电压幅值，Ugb为避雷线的感应过电压幅值。但实际上避雷线是接地的，因此，为保持避雷线的零电位，避雷线上相当于有一个-Ugb来抵消感应过电压Ugb，这个-Ugb将会在导线上产生耦合电压为k（-Ugb），k为导线与避雷线间的耦合系数。若导线与避雷线挂点高差不大，则Ugd-kUgd近似等于Ugd（1-k）。则作用在绝缘子链两端的感应雷过电压为：(2-8)雷击杆塔塔顶时到线上的感应雷过电压雷击杆塔时，不能用上式（2-5）和（2-8）来计算感应雷过电压。无避雷线时根据相关规程建议，雷击无避雷线杆塔塔顶时，导线上的感应雷过电压Ug为：(2-9)式中，a为感应过电压系数，单位为kV/m；hd—导线悬挂的平均高度，单位为m。有避雷线时根据相关规程建议，雷击有避雷线杆塔塔顶时，导线上的感应雷过电压Ug为：(2-10)1.3.2直击雷过电压直击雷过电压形成过程可分为两种：（1）雷电反击：雷击杆塔或避雷线时，高幅值的雷电流通过它们的对地阻抗（或波阻抗）使被击点电位大大升高，此电位作用在绝缘链上，幅值大于绝缘链的冲击放电电压，则绝缘闪络，被击点的高电位转移至导线上，使之突然出现高幅值的雷电过电压，这一过程称为反击或逆闪络，如图2-4所示；（2）雷电绕击：雷电绕过避雷线直接击于导线，使之形成雷电过电压，这一过程称为绕击，如图2-5所示。图2-4雷电反击示意图Fig.2-4Schematicdiagramoflightningcounterattack.图2-5雷电绕击示意图Fig.2-5Schematicdiagramoflightningshieldingstrike.对于复杂的直击雷过电压，以下主要分析带有避雷线及中性点直接接地系统的输电线路的直击雷过电压，从雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中央、雷电绕过避雷线直击导线这三种情况来分析。雷击输电线路杆塔时的过电压雷击塔顶前，雷电通道的负电荷在杆塔及架空地线上产生感应正电荷；当雷击塔顶时，雷通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流，如图2-6（a）所示。对于一般高度（40m以下）的杆塔，在工程近似计算中采用图2-6（b）的集中参数等值电路进行分析计算，考虑到雷击点的阻抗较低，故略去雷电通道波阻的影响。图2-6（a）雷击塔顶时雷电流的分布（b）雷击塔顶时等值电路Fig.2-6(a)Distributionoflightningcurrentwhenlightningstrikesthetopofthetower.(b)Equivalentcircuitwhenlightningstrikesthetopofthetower.流经杆塔电流为：(2-11)式中igt—流过杆塔的雷电流幅值；β—分流系数；il—雷电流幅值。计算β值，可根据下表2-2求得：表2-2分流系数β值Table2-2Shuntcoefficientβvalue.线路额定电压（kV）避雷线根数β11010.9020.8822010.9220.8833020.8650020.86~0.82塔顶电压幅值：(2-12)式中，Utd—塔顶电压幅值；Rch—冲击接地电阻；Lgt—杆塔电感；t—波前时间。杆塔电感可由下式（2-13）求得，(2-13)式中，h为杆塔高度，单位为m；Lt为单位杆塔电感，µH/m，其取值见表2-5。表2-3典型杆塔的波阻抗和电感Table2-3Waveimpedanceandinductanceofatypicaltower.杆塔型式杆塔波阻抗（Ω）杆塔电感（µH/m）无拉线钢筋混泥土单杆2500.84有拉线钢筋混泥土单杆1250.42无拉线钢筋混泥土双杆1250.42铁塔1500.50门型铁塔1250.42取，塔顶电压幅值为：(2-14)式中，I1为反击耐雷水平。避雷线与塔顶有同电位Utd，导线上产生耦合电压kUtd与雷电流同极性；雷直击时，感应雷过电压与雷电流反极性，导线电位的幅值由下列计算：(2-15)式中，Ud—导线电位幅值；k—电晕下的耦合系数；hd—导线对地平均高度；α—波前的陡度。则线路绝缘上的电压幅值由下列计算得出：(2-16)式中，Uj—绝缘子链是电压幅值；k—电晕下的耦合系数；β—分流系数(β<1)；Rch—冲击接地电阻；Lgt—杆塔电感。雷击避雷线档距中央时的过电压如图2-7所示，雷击点A的电位计算式为：(2-17)式中，UA—雷击A点的电压幅值；Zb—导线波阻；Z0—雷电通道等值波阻；iL—雷电流的幅值；图2-7雷击避雷线档距中央时雷电流的分布Fig.2-7Thedistributionoflightningcurrentwhenlightningstrikesthecenterofthelightningprotectionwirespan.在档距中央，避雷线与导线的空气间隙S的50%冲击放电电压可取750kV/m，为避免雷击档距中央时反击导线，在运行经验中可知，即使S值比上式小得多，雷击档中时发生反击闪络的次数也是甚少的，即实际S值可适当减小。因此，我国现行过电压保护设计规范规定S值按下列公式选取，即(2-18)雷电绕过避雷线直击导线的过电压雷击点的电压Ud可由下列计算得出：(2-19)可取，且Zd约为400欧，则。1.4输电线路耐雷水平的计算耐雷水平是指雷击线路时，线路绝缘不会发生闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。如果线路耐雷水平小于雷击电流，线路会产生绝缘闪络。在冲击闪络通道上，导线上的运行工频电压有可能建立工频电弧，使继电保护装置动作，线路断路器跳闸。线路的耐雷性通常取决于线路耐雷水平，耐雷水平高，线路耐雷性就好。1.4.1雷击塔顶当雷击于塔顶时，雷电流主要通过杆塔流入地面，另一部分通过两侧的避雷线流道相邻杆塔而后通过杆塔流入地面。由上式（2-15）可知，冲击闪络电压的50%反求可以求得杆塔的耐雷水平I1：(2-20)式中，I1—反击耐雷水平；U50%—冲击放电电压；k—电晕下的耦合系数；β—分流系数(β<1)；Rch—冲击接地电阻；Lgt—杆塔电感；hd—导线对地平均高度；当输电线路架设了避雷线后，避雷线电位会影响耦合系数，需对导线和避雷线几何尺寸求得的耦合系数加以修正。其中电晕下的耦合系数可由下式计算而得：(2-21)式中，k1—雷击塔顶时的电晕校正系数；k0—导线与地线间的几何耦合系数。电晕校正系数k1参见表2-3所列，几何耦合系数k0参见表2-4取值。表2-4电晕校正系数k1表Table2-4Coronacorrectioncoefficientk1table.额定电压（kV）20~3560~110220~330500双地线51.2单地线双地线有耦合地线1.25单地线有耦合地线5表2-5几何耦合系数k0表Table2-5Geometriccouplingcoefficientk0table.额定电压（kV）线路型式几何耦合系数k035无地线，消弧线圈接地或不接地0.238110单地线0.114单地线、单耦合线0.275双地线、双耦合线0.438220单地线0.103双地线0.237500双地线0.20双地线、双回路塔0.124我国对于输电线路杆塔的耐雷水平有一定的要求，如下表2-6所示：表2-6有避雷线线路的耐雷水平Table2-6Lightningwithstandleveloflineswithlightningprotectionwires.线路额定电压（kV）35110220330500耐雷水平（kA）20~3040~7580~120100~140125~1751.4.2雷击档距中央的避雷线在上式（2-18）式子中，可知S值符合式中的条件时，输电线路中档距符合要求，则可不考虑雷击档距中央的避雷线的现象。1.4.3雷绕过避雷线击于导线雷绕过避雷线击于导线，使之形成雷电过电压，这一过程称为绕击。相应的耐雷水平I2为：(2-22)装设避雷线，可大大降低线路绝缘闪络的概率。雷击绕过避雷线而击于导线的概率—绕击率Pa，根据实验测试表明，Pa与杆塔上避雷线对外侧导线的保护角α、杆塔高度h和地形等条件有关，可通过下列公式计算：平原地区线路：(2-23)山区线路：(2-24)结合上式（2-23）和（2-24）可知，增加杆塔高度后相应的增加线路发生绕击的机率，另外增加雷线保护角，其发生绕击的机率也较高。相较于平原地区，山区更易发生绕击事故。减少保护角可使同等情况下发生绕击的机率变小。1.5输电线路的雷击跳闸率雷击跳闸率指每100km线路每年由雷击引起的线路跳闸次数。在工程设计中，雷击跳闸率是衡量线路耐雷性能的综合指标。雷电压持续时间很短（100μS左右），绝缘子冲击闪络时间相应很短，继电保护来不及动作，所以仅有冲击闪络并不会引起开关跳闸只有当冲击闪络火花转变为稳定工频电弧，才会引起线路开关跳闸，因此一条线路的雷击跳闸数，不仅与耐雷水平有关，而且与冲击闪络之后弧道建立工频电弧的可能性、也就是建弧率有关，建弧率可用η表示，根据运行经验可知η可按下列计算方式求得：(2-25)式中，η为建弧率；E为平均工频电位梯度，单位为kV/m。由公式（2-25）可知，建弧率主要受到作用于电弧路径的平均工频电位梯度E影响。对于平均工频电位梯度E的计算，需要分中性点直接接地电网和中性点非直接接地电网这两种情况。在中性点直接接地电网中，平均工频电位梯度E的计算见公式（2-26），在中性点非直接接地电网中，平均工频电位梯度E的计算见公式（2-27）.(2-26)(2-27)式中，ue—额定电压，单位为kV；l—绝缘子链的长度，单位为m。架空线路雷击跳闸率n是由反击雷跳闸率n1与绕击雷跳闸率n2之和而得到的。1.5.1反击雷跳闸率影响反击雷跳闸率的因素有雷击次数N、击杆率g、建弧率η等[[]杨秋霞,朱立波.基于ATP-EMTP的输电线路反击耐雷性能计算与仿真[J].电气开关,2010,48(04):47-50.[]杨秋霞,朱立波.基于ATP-EMTP的输电线路反击耐雷性能计算与仿真[J].电气开关,2010,48(04):47-50.(2-28)式中，—大于或等于雷击杆塔耐雷水平I1的概率。雷击次数N会受地面落雷密度和线路等值受雷密度的影响。我国根据模拟实验和实际统计提出击杆率数值表见表2-7。表2-7击杆率表Table2-7Hitratetable.避雷线数量012山地7平原1