同桿多回路雷電防護研究文獻綜述

1、電能與安全用電公選課論文學(xué)生姓名 學(xué) 號 所屬學(xué)院 專 業(yè) 班 級 日 期 2014. 05 同桿多回路雷電防護研究摘要：輸電線路的防雷設(shè)計對于電力系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)意義重大。本課題在分析雷電產(chǎn)生的基本原理，對雷擊過電壓進行了分類，并針對同桿雙回、四回路并架輸電線路的防雷保護問題，建立了適合同桿雙回并架線路和同桿四回并架線路的防雷計算模型，通過分析得出了降低反擊跳閘率及其危害的措施，最后針對雙回路、四回路的輸電線路提出了合理的防雷保護措施。關(guān)鍵詞：雷電感應(yīng)；輸電線路；防雷設(shè)計；1 前言隨著全球氣候的異常狀況加劇，雷電活動也異常頻繁。雷害作為影響電力系統(tǒng)正常運行的主要因素之一，對電力安全傳送影響及危

2、害非常大。輸電線路雷害事故引起的跳閘，不但影響電力系統(tǒng)的正常供電，增加輸電線路及開關(guān)設(shè)備的維修工作量，還可能造成重大的事故，致使國家和人民的財產(chǎn)受到損失，人身受到傷害。因此研究輸電線路的防雷設(shè)計具有重要的實際意義。在實際工程當(dāng)中，有很多地方采用同桿雙回路、同桿四回路乃至同桿多回路的并架輸電線路，進行電力傳輸。由于同桿多回線路桿塔高度比單回線路高，桿塔電感和感應(yīng)過電壓都較大，故此發(fā)生故障時，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。但它可以提高線路走廊單位面積的傳輸容量，因此研究同桿多回輸電線路的耐雷性能具有重要的科學(xué)意義和工程實際意義。2輸電線路雷擊過電壓成因分析及分類雷云就是積聚了大量電荷的云層。迄今為

3、止，關(guān)于雷電產(chǎn)生原因的學(xué)說有很多，通常認(rèn)為是:在含有飽和水蒸氣的大氣中，當(dāng)有強烈的上升氣流時，就會使空氣中的水滴帶電，這些帶電的水滴被氣流所驅(qū)動，逐漸在云層的某些部位集中起來，這就是我們平時所說的帶電雷云。測量數(shù)據(jù)表明，一般云塊的上部帶正電荷，下部帶負(fù)電荷，而在中間處出現(xiàn)正負(fù)電荷的混合區(qū)域。雷云平均電場強度為1.5kV/cm，實測到在雷云雷擊前的最大電場強度為3.4kv/cm，而在穩(wěn)定下雨時，大約只有40V/cm。雷云對大地的放電通常包括若干次重復(fù)的放電過程，而每次放電又可分為先導(dǎo)放電與主放電兩個階段。在雷云帶有電荷后，其電荷集中在幾個帶電中心，它們間的電荷數(shù)也不完全相等。當(dāng)某一點的電荷較多，

4、且在它附近的電場達到足以使空氣絕緣破壞的強度(約25-30kV/cm)時，空氣便開始游離，使這一部分由原來的絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電性的通道。這個導(dǎo)電性通道的形成，稱為先導(dǎo)放電。如圖2.1（a）所示。先導(dǎo)放電是不連續(xù)的，雷云對地放電的第一先導(dǎo)是分級發(fā)展的，每一級先導(dǎo)發(fā)展的速度相當(dāng)高，但每發(fā)展到一定長度(平均約50m)就有一個10-l00us的間隔。因此，它的平均速度較慢，約為光速的1/1000左右。先導(dǎo)放電的不連續(xù)性，稱為分級先導(dǎo)，歷時約0.005-0.01s。分級先導(dǎo)的原因一般解釋為:由于先導(dǎo)通道內(nèi)游離還不是很強烈，那么它的導(dǎo)電性就不是很好，由于雷云下移的電荷需要一段時間，待到通道頭部的電荷增多，電

5、場超過空氣游離場強時，先導(dǎo)將又繼續(xù)發(fā)展。 圖2.1 雷電感應(yīng)過電壓形成示意圖(a)先導(dǎo)放電階段 (b)主放電階段在先導(dǎo)通道形成的初階段，其發(fā)展方向仍受一些偶然因素的影響，并不固定。但當(dāng)它距地面一定高度時，地面的高聳物體上出現(xiàn)感應(yīng)電荷，使局部電場增強，先導(dǎo)通道的發(fā)展將沿其頭部到感應(yīng)電荷集中點之間發(fā)展。也可以說，放電通道的發(fā)展具有定向性，或者說雷擊有選擇性，上述使先導(dǎo)通道具有定向性的高度，稱之謂定向高度。當(dāng)先導(dǎo)通道的頭部與帶異號電荷的集中點間距離很小時，先導(dǎo)通道端約為雷云對地的電位(可高達10MV)，而另一端為地電位，故剩余的空氣間隙中的電場強度極高，使空氣間隙迅速游離。游離后產(chǎn)生的正、負(fù)電荷將分

6、別向上、向下運動，中和先導(dǎo)通道與被擊物的電荷，這時便開始了放電的第二階段，即主放電階段。如圖2.1（b）所示。主放電階段的時間極短，約50-100us，移動速度為光速的1/2O-1/2；主放電時電流可達數(shù)千安，最大可達200-300KA。主放電到達云端時，意味著主放電階段結(jié)束。此時，雷云中剩下的電荷，將繼續(xù)沿主放電通道下移，此時稱為余輝放電階段。余輝放電電流僅數(shù)百安，但持續(xù)的時間可達0.03-0.15s。由于雷云中可能存在多個電荷中心，因此，雷云放電往往是多重的，且沿原來的放電通道，此時先導(dǎo)不是分級的，而是連續(xù)發(fā)展的。2.2 雷擊過電壓的種類供配電系統(tǒng)在正常運行時，電氣設(shè)備或線路上所受電壓為其

7、相應(yīng)的額定電壓。但由于某些原因，使電氣設(shè)備或線路上所受的電壓超過了正常工作電壓要求，并對其絕緣構(gòu)成威脅，甚至造成擊穿損壞，這一高電壓稱為過電壓（over voltage）。在輸電線路上產(chǎn)生的大氣過電壓主要有兩種1,一種是由于雷擊線路附近地面由電磁感應(yīng)引起的,稱之為雷電感應(yīng)過電壓;另一種是雷直擊線路或桿塔引起的,稱為直擊雷過電壓。雷電感應(yīng)是因為直擊雷放電而感應(yīng)到四周的金屬導(dǎo)體中的，雷電感應(yīng)可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體，一是靜電感應(yīng)：當(dāng)雷云中的電荷積聚時，四周的導(dǎo)體也會感應(yīng)上相反的電荷，當(dāng)雷擊放電時，雷云中的電荷迅速釋放，而導(dǎo)體中原來被雷云電場束縛住的靜電也會沿導(dǎo)體流動尋找釋放通道，就會在電路

8、中形成電脈沖。二是電磁感應(yīng)：在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其四周產(chǎn)生強大的瞬變電磁場，在其四周的導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。直擊雷過電壓是指當(dāng)雷擊桿、塔頂部或避雷線時，雷電電流流過塔體和接地體，使桿塔電位升高，同時在相導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。如果升高塔體電位和相導(dǎo)線感應(yīng)過電壓合成的電位差超過高壓送電線路絕緣閃絡(luò)電壓值，即Uj U50%時，導(dǎo)線與桿塔之間就會發(fā)生閃絡(luò)。3常見雷電繞擊計算方法目前，國內(nèi)輸電線路防雷設(shè)計工作的主要依據(jù)是規(guī)程法2。規(guī)程根據(jù)模擬實驗與運行經(jīng)驗指出，繞擊率即繞擊概率與避雷線對導(dǎo)線外側(cè)導(dǎo)線的保護角、桿塔高度及沿線路的地

9、形地貌地質(zhì)條件有關(guān)，給出平原線路與山區(qū)線路的經(jīng)驗公式。輸電線路的雷過電壓分為感應(yīng)雷過電壓和直擊雷過電壓。感應(yīng)雷過電壓對電壓為110kV及以上的線路，由于絕緣水平高，不至于引起閃絡(luò);對于直擊雷過電壓，只考慮雷直擊桿塔和雷繞過避雷線擊于線路(繞擊)兩種情況，不考慮雷擊檔距中央的情況，認(rèn)為不會發(fā)生閃絡(luò)。·a，但投入運行后實際出現(xiàn)的跳閘率在(4-6)/10Okm·a的范圍內(nèi)3。差別如此大，促使人們進一步研究線路防雷原理。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了一種以雷擊機理為基礎(chǔ)的經(jīng)典電氣幾何分析模型法3.2經(jīng)典電氣幾何模型(EGM)所謂經(jīng)典電氣幾何模型(electric-geometry mode

10、l，簡稱EGM)是指將雷電的放電特征以及線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種幾何分析計算模型。該模型的核心是“whitehead-Brown”的繞擊模型” 4，見圖3-1圖3-1雷擊輸電線路的電氣幾何模型其原理是：由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)放電通道頭部到達被擊物體的臨界擊穿距離擊距以前，擊中點是不確定的，先到達哪個物體的擊距之內(nèi)，即向該物體放電;擊距僅同雷電流幅值有關(guān);先導(dǎo)對桿塔、避雷線、導(dǎo)線的擊距相等。根據(jù)以上原理，輸電線路周圍的空間被劃分為3個區(qū)域(見圖3-1)：0直線形成的斜面以上是雷擊避雷線區(qū)； 0斜面與A拋物線所包圍的區(qū)域是雷繞擊導(dǎo)線區(qū)；A曲面以下是雷擊地面區(qū)。擊距是指先導(dǎo)發(fā)展的最終階段，

11、即先導(dǎo)與地面被擊目標(biāo)之間的平均電場強度達到臨界擊穿值時的距離，它僅與雷電流幅值有關(guān)：雷電流愈大，擊距越大。擊距 (m)與雷電流幅值I(kA)的關(guān)系為: （3-1）式(3-1)中，k、p是兩個常數(shù)，不同的研究者給出的參數(shù)不同，但是幾何模型圖形及原理是相同的。whitehead的取值為：k=7.1，p =0.75。電氣幾何模型有以下幾個特點：l)雷電先導(dǎo)到達被擊物體臨界擊距前是不確定的，到達哪一物體的擊距內(nèi)即向其放電；2)擊距是雷電流的函數(shù)，大小與雷電流幅值相關(guān)；3)不考慮雷擊物體的形狀效應(yīng)和其它因素的影響，假定對地面、避雷線和導(dǎo)線擊距相等；4)先導(dǎo)接近地面時入射角概率分布密度以余弦的平方變化，其

12、變化關(guān)系如(3-2)式，以及不存在雷電先導(dǎo)從線路側(cè)面(水平方向)及下面擊向?qū)Ь€的可能。 (3-2)經(jīng)典電氣幾何模型提出了擊距的概念，假設(shè)雷電先導(dǎo)對導(dǎo)線、對避雷線及對大地三者的擊距相等。將雷電的放電特性與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來。在考慮繞擊率與桿塔的高度及避雷線保護角的關(guān)系之外，更為細(xì)致地考慮了雷擊線路的過程，引入了繞擊率與雷電流幅值有關(guān)的理論，比規(guī)程法前進了一步。經(jīng)典電氣幾何模型在應(yīng)用中也存在著問題。如當(dāng)線路額定電壓上升時，由于絕緣加強，所以耐雷水平石上升，允許擊距也隨之上升。這樣就得出了有效屏蔽角可以隨著額定電壓的上升而加大的結(jié)果。但這一點與運行經(jīng)驗恰恰相反，運行經(jīng)驗說明，隨著額定電壓的上升，

13、其保護角應(yīng)下降。等擊距模型的優(yōu)點及其科學(xué)性顯而易見，為了完善它存在的缺點，不等擊距模型隨之提出。經(jīng)典電氣幾何模型法(whiteheads EGM)雖然引入了繞擊率凡與雷電流幅值相關(guān)的觀點，考慮了線路結(jié)構(gòu)和雷電流參數(shù)對繞擊率的影響，但在推導(dǎo)的求最大擊距公式中，沒有考慮雷擊于導(dǎo)線的平均電場強度與雷擊于地面的平均電場強度之不同5。事實上，雷(負(fù)極性)擊導(dǎo)(地)線時，雷電通道的臨界電場強度一般要比雷擊地面時的雷電通道的臨界電場強度小，雷擊導(dǎo)線與雷擊地面時的平均臨界場強之比系數(shù)K的取值就值得討論。IEEE導(dǎo)則推薦5 6，當(dāng)避雷線高度小于40m時，雷擊導(dǎo)線與雷擊地面時的平均臨界場強之比例系數(shù)K取0.8；在

14、流注理論中，根據(jù)氣隙放電特性，雷電屬于棒狀電場，地面屬于平板電場(不考慮特殊情況)，而導(dǎo)線和架空避雷線就屬于棒電場，根據(jù)棒棒，負(fù)棒(負(fù)極性雷90%)板電場擊穿電壓的不同，K可以取到0.33，然而這個系數(shù)沒有考慮到長氣隙時，擊穿距離與擊穿電壓之間的飽和效應(yīng)，因此，李如虎先生在文獻7中討論提出了K取0.53。K的取值會影響到繞擊率的計算，K值越小，繞擊率越大。不等擊距模型的建立，為等擊距模型進行了必要的完善，為擊距模型的改進指引了方向，然而，不等擊距模型只是在流注理論的基礎(chǔ)上進行了探討，只引進了擊穿場強與電極的幾何形狀有關(guān)的理論，缺乏進一步分析，失去了將不等擊距模型完善的機會。事實上，導(dǎo)線與架空地

15、線(避雷線)的擊距是否相等的問題沒有得到嚴(yán)格地分析和論證。導(dǎo)線與避雷線的擊距問題的討論就是完善擊距模型的關(guān)鍵。4同桿多回路桿塔模型驗證用的算例采用鼓型塔，桿塔參數(shù)、導(dǎo)線和避雷線坐標(biāo)如表4-1、表4-2所示：以三峽電站500kV交流出線線路的代表性參數(shù)為計算參數(shù)8。導(dǎo)線采用LGJ-630/55，分裂導(dǎo)線間距450mm；避雷線采用LHAGJ-150/25，檔距長450m，導(dǎo)線弧垂15m，地線弧垂11.5m；共考慮5級桿塔,水平擋距450m;年雷電日40d，尺寸如圖4-1所示，單位：mm。圖4-1同桿雙回路桿塔模型（a）桿塔尺寸 (b)桿塔計算模型表4-1算例用的桿塔、檔距參數(shù)表4-2算例用導(dǎo)線、避

16、雷線參數(shù)注：為簡單起見，本算例導(dǎo)線采用單根導(dǎo)線以大連電業(yè)局南雁線同桿500/220kV混合四回路的代表性參數(shù)為計算參數(shù)：500kV導(dǎo)線采用4×LGJ400/35；避雷線采用LHAGJ-150/25，檔距長450m，導(dǎo)線弧垂15m，地線弧垂11.5m；220kV導(dǎo)線采用2×LGJ-300/40，桿塔波阻抗的選取采用清華的計算方法9，桿塔橫擔(dān)波阻抗都取160，塔身波阻抗都取140。此外，還考慮了立柱間支架等值波阻抗（K=1，2，3，4）的影響，計算中取立柱間支架等值波阻抗為塔身波阻抗的9倍，其分布線段的長度取為1.5倍的立柱長度。桿塔尺寸如圖4-2、4-3所示，單位：mm。圖4

17、-2桿塔尺寸4-3桿塔模型表4-3算例用的桿塔、檔距參數(shù)表4-4算例用導(dǎo)線、避雷線參數(shù)5同桿多回路防雷措施輸電線路防雷設(shè)計的目的是提高線路的耐雷性能，降低線路的雷擊跳閘率，在確定線路防雷方式時，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的運行方式，線路的電壓等級和重要程度、線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動的強弱、地形地貌特點、土壤電阻率的高低等自然條件，參考當(dāng)?shù)卦芯€路的運行經(jīng)驗，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟比較的結(jié)果，采取合理的保護措施。通過對500kV同桿雙回線路及四回線路耐雷性能的計算、分析和研究，結(jié)合國內(nèi)外多年運行經(jīng)驗，為提高線路的耐雷水平，可以采取以下措施：這是高壓超高壓線路防雷的基本措施,其作用主要是防止直接雷擊導(dǎo)線，同時還有分流作用以

18、減小流經(jīng)桿塔入地的電流，從而降低塔頂電位。通過對導(dǎo)線的耦合作用可以減小線路絕緣承受的電壓，對導(dǎo)線還有屏蔽作用，可以降低感應(yīng)過電壓。500kV及以上的超高壓、特高壓線路都架設(shè)雙避雷線，保護角在15度及以下。國外許多超高壓線路還根據(jù)電氣幾何模型確定保護角，要求繞擊閃絡(luò)區(qū)為零。對于接地電阻難以降低的區(qū)域，甚至可以采取3根避雷線的方式來提高線路的耐雷水平。為了降低正常運行時避雷線中感應(yīng)電流的附加損耗和利用避雷線兼作高頻通道，超壓線路作將避雷線通過一個小間隙接地，正常運行時避雷線對地絕緣雷擊時間隙被擊穿，使避雷線接地。對于一般高度的桿塔，降低桿塔沖擊接地電阻是提高線路耐雷水平降低雷擊跳閘率的有效措施。在

19、降低桿塔接地電阻有困難時，可采用架設(shè)耦合地線的措施，即在導(dǎo)線下方加設(shè)一條接地線。它具有分流作用，又加強了避雷線對導(dǎo)線的耦合，可使線路絕緣上的過電壓降低。運行經(jīng)驗證明，耦合地線對降低線路的雷擊跳閘率效果顯著，約可降低50%左右。對于同桿雙回及四回輸電線路的個別大跨越高桿塔地段，落雷機會增多；塔高等值電感大；塔頂電位高；感應(yīng)過電壓也高；這些都增高了線路的雷擊跳閘率。為降低跳閘率，可在高桿塔上增加絕緣子串的片數(shù)，加大大跨越檔導(dǎo)，地線之間的距離以加強線路絕緣來達到提高線路耐雷水平的目的。采用逆相序排列，雙回同時跳閘率占總反擊跳閘率的比例非常小，兼顧到線路電磁不平衡度和線路地面場強等因素，同桿多回線路導(dǎo)

20、線應(yīng)采用逆相序排列方式。為了減少雙回同時跳閘率，日本一度采用不平衡絕緣，想利用弱絕緣回路導(dǎo)線先閃絡(luò)后，加強了另一回路的屏蔽作用，從而達到降低雙回同時跳閘的目的。但運行結(jié)果是總的跳閘率增加太多，降低雙回跳閘率的效果不明顯。目前日本500kV線路基本上均采用平衡高絕緣，日本所走過的彎路，不能簡單地歸結(jié)為是采用不平衡絕緣所致。當(dāng)然，由于增加了絕緣子片數(shù)，成本也就較高。采用何種絕緣方式，應(yīng)當(dāng)進行全面的技術(shù)經(jīng)濟比較。加裝避雷器后，當(dāng)輸電線路遭受雷擊時，雷電流的分流將發(fā)生變化，一部分雷電流從避雷線傳入相臨桿塔，一部分經(jīng)塔體入地，當(dāng)雷電流超過一定值后，避雷器動作加入分流。大部分的雷電流從避雷器流入導(dǎo)線，傳播

21、到相臨桿塔，雷電流在流經(jīng)避雷線和導(dǎo)線時，由于導(dǎo)線間的電磁感應(yīng)作用，將分別在導(dǎo)線和避雷線上產(chǎn)生耦合分量，因為避雷器的分流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從避雷線中分流的雷電流，這種分流的耦合作用將使導(dǎo)線電位提高，使導(dǎo)線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡(luò)電壓，絕緣子不會閃絡(luò)。因此，線路避雷器具有很好的防雷效果。同桿多回線路一個比較突出的特殊問題是雙回同時閃絡(luò)可能引起雙回同時跳閘，對系統(tǒng)造成嚴(yán)重的沖擊。為了解決此問題，可以在桿塔結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線排列上想辦法，但是只能減少雙回同時閃絡(luò)的次數(shù)，不能杜絕。所以要拓寬思路來尋找解決辦法，國外運行的經(jīng)驗表明：在繼電保護上找出路，采用多相重合閘，以十分有效地限制雙回閃絡(luò)對系統(tǒng)的危害，即使雙回同時閃絡(luò)，雙回路分別對故障相跳閘，重合閘，一般不會引起雙回路同時甩負(fù)荷，此措施從根本上解除同桿多回線路雙回同時跳閘的威脅。6結(jié)論根據(jù)以上的一些綜述，輸電線路的防雷主要從以下方面考慮。對于易擊