【正文】 東北電力大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文輸電線路的防雷設(shè)計(jì)專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 學(xué)生姓名： 尤忠寶學(xué) 校： 東北電力大學(xué)日 期： 2013年3月輸電線路的防雷設(shè)計(jì) 東北電力大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 32 頁(yè) 共 33 頁(yè) 黑龍江 綏化目 錄一、前言 3二、輸電線路雷電的原因及危害的種類 3三、線路防雷的主要措施 4四、與線路雷電性能有關(guān)的參數(shù)和線路耐雷水平的計(jì)算方法 5五．輸電線路防雷改造方案 12六．山區(qū)輸電線路防雷綜合措施研究及實(shí)施方案 13七、輸電線路防雷改進(jìn)措施的研究 19八、淺談?shì)旊娋€路中的防雷保護(hù) 27九、結(jié)論 31十、參考文獻(xiàn) 31輸電線路的防雷設(shè)計(jì)摘要近年來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，雷擊引起輸電線路跳閘故障也逐年增多，嚴(yán)生影響線路設(shè)備安全運(yùn)行。從輸電工程伊始，架空輸電線路的雷擊跳閘一直是困擾安全供電的一個(gè)難題，雷害事故幾乎占線路全部跳閘事故的1/3或更多。因此，尋求更有效的線路防雷保護(hù)措施，一直是世界各國(guó)電力工作者關(guān)注的課題。為了減少輸電電路的雷擊故障，近年來(lái)，我們采取了多種防雷措施，如降低桿塔接地電阻，提高線路絕緣水平，采用負(fù)角保護(hù)，架設(shè)耦合地線，安裝線路避雷器等，這對(duì)維護(hù)好備單位的輸電線路起到了一定的作用。本文從分析我國(guó)輸電線路雷擊跳閘事故的經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)研究入手，重點(diǎn)討論了線路雷擊次數(shù)、雷電流幅值概率、線路常規(guī)防雷保護(hù)措施的效果，以及近年來(lái)涌現(xiàn)的線路防雷用金屬氧化物避雷器卓越的保護(hù)性能等有關(guān)問(wèn)題，并對(duì)線路避雷器的應(yīng)用提出了建議，供有關(guān)部門參考。一、前言隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，輸電線路覆蓋面不斷擴(kuò)大，超高壓輸電線路的延伸，因雷擊輸電線路而引起的跳閘事故日益增多，據(jù)國(guó)內(nèi)外輸電線路故障在近十幾年來(lái)的分類統(tǒng)計(jì)表明，由于雷擊引起輸電線路的跳閘次數(shù)占輸電線路總故障跳閘次數(shù)的50%—70%，尤其是在多雷，土壤，電阻率高，地形復(fù)雜地區(qū)的輸電線路雷擊事故率更高，這將給社會(huì)帶來(lái)世大的經(jīng)濟(jì)損失。二、輸電線路雷電的原因及危害的種類1 雷電的產(chǎn)生雷電是自然界中一種常見(jiàn)的放電現(xiàn)象。關(guān)于雷電的產(chǎn)生有多種解釋理論，通常我們認(rèn)為由于大氣中熱空氣上升，與高空冷空氣產(chǎn)生摩擦，從而形成了帶有正負(fù)電荷的小水滴。當(dāng)正負(fù)電荷累積達(dá)到一定的電荷值時(shí)，會(huì)在帶有不同極性的云團(tuán)之間以及動(dòng)云團(tuán)對(duì)地之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，從而產(chǎn)生云團(tuán)對(duì)云團(tuán)和云團(tuán)對(duì)地的放電過(guò)程，這就是通常所說(shuō)的內(nèi)電和響雷。具體來(lái)說(shuō)，冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的凍結(jié)、云體的碰撞等均可使云粒子起電。一般云的頂部帶正電，底部帶負(fù)電，兩種極性不同的電荷公使云的內(nèi)部或云與地之間形成強(qiáng)電聲場(chǎng)，瞬間劇烈放電爆發(fā)出強(qiáng)大的電火花，也就是我們看到的閃電。在閃電通道中，電極強(qiáng)，溫度可驟升至2萬(wàn)攝氏度，氣壓突增，空氣劇烈膨脹，人們便會(huì)聽(tīng)到爆炸似的聲波振蕩，這就是雷聲。2 雷電危害的種類雷擊的危害主要有三方面：第一是直擊雷。是指雷云對(duì)大地某點(diǎn)發(fā)生的強(qiáng)烈放電。它可以直接擊中設(shè)備，雷電擊中架空線，如電力線，電話線等。雷電流登便沿著導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備，從而造成損壞。第二是感應(yīng)雷。它可分為靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)。當(dāng)帶電雷云（一般帶負(fù)電）出現(xiàn)在導(dǎo)線上空時(shí)，由于靜電感應(yīng)作用，導(dǎo)線上束縛了大量的相反電荷。一旦雷云對(duì)某目標(biāo)放電，雷云上的負(fù)電荷便瞬間消失，此時(shí)導(dǎo)線上的大旦正電荷依然存在，并以雷電波的形式沿著導(dǎo)線經(jīng)設(shè)備入地，引起設(shè)備損壞。當(dāng)雷電流沿著導(dǎo)體流入大地時(shí)，由于頻率高，強(qiáng)度大，在導(dǎo)體的附近便產(chǎn)生很強(qiáng)的交變電磁場(chǎng)，如果設(shè)備在這個(gè)場(chǎng)中，便會(huì)感應(yīng)出很高的電壓，以致?lián)p壞。對(duì)于靈敏的電子設(shè)備，尤需注意。第三是地電位提高。當(dāng)10KA的雷電流通過(guò)下導(dǎo)體入地時(shí)，我們假設(shè)接地電阻為10Ω，根據(jù)歐姆定律，我們可知在入地點(diǎn)A處電壓為100KV。因A點(diǎn)與B、C、D點(diǎn)相連，所以這幾點(diǎn)電壓都為100KV。而E點(diǎn)接地，其電壓為0，設(shè)備的D點(diǎn)與E點(diǎn)間有100KV的電壓差，足以將設(shè)備損壞。據(jù)有差統(tǒng)計(jì)表明：直擊雷的損壞僅占15%，感應(yīng)雷與地電位提高的損壞占85%。目前，直擊雷造成的災(zāi)害已明顯減少，而隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，感應(yīng)雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加。一般建筑物上的避雷針只能預(yù)防直擊雷，而強(qiáng)大的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)雷和脈沖電壓卻能潛入室內(nèi)危及電視、電話及聯(lián)網(wǎng)微機(jī)等弱電設(shè)備。三、線路防雷的主要措施在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的今天，雖然人類不可能完全控制暴烈的雷電，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的摸索與實(shí)踐，已積累起很多有關(guān)防雷的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，形成一系列對(duì)防雷行之有效的方法和技術(shù)。1 接閃接閃就是讓在一下范圍內(nèi)出現(xiàn)的閃電能量按照人們?cè)O(shè)計(jì)的通道泄入到大地中去。把一定保護(hù)范圍的內(nèi)電放電捕獲到，納入預(yù)先設(shè)計(jì)的對(duì)地泄入的合理途徑之中。避雷針是一種主動(dòng)式接閃裝置，其功能就是把閃電電流引導(dǎo)入大地。避雷線和避雷帶是在避雷針基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。采用避雷針是最首要、最基本的防雷措施。2 接地接地就是讓已經(jīng)納入防雷系統(tǒng)的閃電能量泄放入大地、良好的接地才能有效地降低引下線上的電壓，避免發(fā)生發(fā)擊。過(guò)去有些規(guī)范要求電子設(shè)備單獨(dú)接地，目的是防止電網(wǎng)中雜散電流或暫態(tài)電流干擾設(shè)備的正常工作。接地是防雷系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能發(fā)揮出來(lái)。防雷勢(shì)頭地是防雷設(shè)施安裝驗(yàn)收規(guī)范中最基本的安全要求。3 均壓連接接閃裝置在捕獲雷電時(shí)，引下線立即升至高電位，會(huì)對(duì)防雷系統(tǒng)周圍的尚處于地電位的導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)，并使其電位升高，進(jìn)而對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成危害。為了減少這種閃絡(luò)危險(xiǎn)，最簡(jiǎn)單的辦法是采用均壓環(huán)，將處于地電位的導(dǎo)體等電位連接起來(lái)，一直到接地裝置。金屬設(shè)施、電氣裝置和電子設(shè)備，如果其與防雷系統(tǒng)的導(dǎo)體，特別是接閃裝置的距離達(dá)不到規(guī)定的安全要求時(shí)，則應(yīng)該用較粗的導(dǎo)線把它們與防雷系統(tǒng)進(jìn)行等電位連接。這樣在閃電電流通過(guò)時(shí)，所有設(shè)施立即形成一個(gè)“等電位島”，保證導(dǎo)部件之間不產(chǎn)生有害的電位差，不發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)放電。完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊。4 分流分流就是在一切從室外來(lái)的導(dǎo)線與接地線之間并聯(lián)一種適當(dāng)?shù)谋芾灼?。?dāng)直接雷或感應(yīng)雷在線路上產(chǎn)生的過(guò)電壓波沿著這些導(dǎo)線進(jìn)入室內(nèi)或設(shè)務(wù)時(shí)，避雷器的電阻突然降到低值，近于短路狀態(tài)，將閃電電流分流入地。分流是現(xiàn)代防雷技術(shù)中迅猛發(fā)展的重點(diǎn)，是防護(hù)各種電氣電子設(shè)備的關(guān)鍵措施。由于雷電流在分流之后，仍會(huì)有少部分沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備，這對(duì)于不耐高壓的微電子設(shè)備來(lái)說(shuō)仍是很危險(xiǎn)的，所以對(duì)于這類設(shè)備在導(dǎo)線進(jìn)入機(jī)殼前應(yīng)進(jìn)行多級(jí)分流。采用分流這一防雷措施時(shí)，應(yīng)特別注意避雷器性能參數(shù)的選擇，因?yàn)楦郊釉O(shè)施的安裝或多或少地會(huì)影響系統(tǒng)的性能。5 屏蔽屏蔽就是用金屬網(wǎng)、箔、殼、管等導(dǎo)體把需要保護(hù)的對(duì)象包圍起來(lái)，阻隔閃電的脈沖電磁場(chǎng)從空間入侵的通道。屏蔽是防止雷電電磁脈沖輻射對(duì)電子設(shè)備影響的最有效方法。四、與線路雷電性能有關(guān)的參數(shù)和線路耐雷水平的計(jì)算方法1 雷電流幅值累積概率分布1979年我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)就線路防雷計(jì)算的基本參數(shù)雷電流幅值累積概率分布給出了計(jì)算式。該式是基于我國(guó)各地實(shí)測(cè)的1205個(gè)雷電流數(shù)據(jù)整理出來(lái)的。限于當(dāng)時(shí)條件，其絕大多數(shù)雷電流數(shù)據(jù)是利用磁鋼記錄器由多塔電流相加而得，但實(shí)際上各塔雷電流峰值并非在同一時(shí)刻出現(xiàn)，這就使得相加結(jié)果明顯偏大。我國(guó)220KV新杭線經(jīng)20多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得了非常寶貴的數(shù)據(jù)。由106個(gè)雷擊塔頂?shù)睦纂娏鞣禍y(cè)試數(shù)據(jù)推出的概率分布公式為lgP=I/ (1)式中，I為雷電流，kA。P為雷電流超過(guò)I的累積概率。參照上式,1997年的標(biāo)準(zhǔn)采用以下公式作為我國(guó)雷電流幅值概率分布的計(jì)算公式：lgP=I/88 (2)對(duì)除陜南以外的西北地區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)的部分地區(qū)（這類地區(qū)的平均年雷暴日數(shù)一般在20及以下）的雷電流幅值的累積概率分布公式，參照以前標(biāo)準(zhǔn)的處理方法：在式（2）的基礎(chǔ)上，對(duì)等概率的雷電流值減半。用圖可以表示國(guó)外發(fā)表的雷電流概率數(shù)據(jù)曲線。圖中，畫曲線表示ANDERSONERIKSSON的對(duì)數(shù)正態(tài)分布[4]，曲線為IEEE《輸電線路雷電性能工作組報(bào)告》推薦曲線[5]，曲線1為對(duì)應(yīng)本文式（2）的曲線。由圖可見(jiàn)，當(dāng)雷電流在50KA以下時(shí)，曲線1與曲線3的差異較大；在50KA以上時(shí)則三條曲線相當(dāng)接近。由于我國(guó)雷電流數(shù)據(jù)直接取自線路桿塔塔頂上測(cè)雷專用小避雷針，因而數(shù)據(jù)是相當(dāng)可信的。1．1 地面落雷密度和線路收集雷擊寬度以前的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)地落雷密度r（即每km2每個(gè)雷暴日D平均雷擊地面的次數(shù)）D[1]。近年來(lái)我國(guó)一些單位的雷電定位系統(tǒng)（LLS）的測(cè)量表明，多數(shù)情況下r=～。實(shí)際上，r值與年平均雷暴日數(shù)Td有關(guān)[6]。一般來(lái)說(shuō)，若Td變大，則r也隨之變大。由于我國(guó)幅員遼闊，Td的變化很大，而海南省的澄邁高達(dá)133。因此，在標(biāo)準(zhǔn)中仍取用同一r值是不妥當(dāng)?shù)?。?jīng)過(guò)對(duì)我國(guó)35～220KV共9400kma架空線雷害事故統(tǒng)計(jì)得出的Td和r之間的非線性關(guān)系[6]進(jìn)行比較（參見(jiàn)圖2），本文認(rèn)為采用國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議33委員會(huì)推薦的計(jì)算式較為合理。該計(jì)算式為Ng= (3)式中Ng為在年平無(wú)援雷暴日為Td的條件下，每1km2大地1年的雷擊數(shù)。用圖表示圓點(diǎn)，是根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的r值推算出的相應(yīng)的Ng可見(jiàn)它們與按式（3）計(jì)算出的結(jié)果相當(dāng)接近。線路每年受雷擊次數(shù)取決于Ng和線路收集雷擊的等值面積。等值面積取決于線路長(zhǎng)度和線路收集雷擊的等值寬度W。W一般可用下式描述：W=b+Khhb (4)式中，b為避雷線間寬度，m。Kh為系數(shù)，一般取2～4；hb為避雷線平均高度，m。我國(guó)以前的標(biāo)準(zhǔn)沿襲前蘇聯(lián)的規(guī)定，取b=0和Kh=10。該值與模擬試驗(yàn)和直擊雷保護(hù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相比，似乎偏大。從原理及其，與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的對(duì)照關(guān)系考慮，本文推薦采用IEEE《輸電線路雷電性能工作組報(bào)告》使用的線路收集雷擊寬度公式[5]，即W=b+ (5)該式經(jīng)與根據(jù)我國(guó)110KV平原單桿線路4683kma雷擊跳閘次數(shù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]反推出的線路收集雷擊寬度確定的Kh（～）比較，表明式（5）是可用的。1．2 有避雷線線路雷擊塔頂時(shí)線路絕緣上所受電壓的計(jì)算方法以前的標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)雷擊有避雷線線路桿塔塔頂時(shí)，絕緣上所愛(ài)的最大雷電過(guò)電壓按下式計(jì)算：Uj=(Utd+Ug)(1K) (6)式中，Uj為絕緣上受到的最大電壓；Utd為桿塔頂部電壓最大值；Ug為導(dǎo)線上感應(yīng)過(guò)電壓最大值；K為導(dǎo)線與避雷線之間考慮避雷線電暈的耦合系數(shù)。式（6）中有兩點(diǎn)值得注意：其一，絕緣子串懸掛于桿塔橫擔(dān)處，所以絕緣子串的反擊電壓應(yīng)取橫擔(dān)處的桿塔電壓，而不應(yīng)取塔頂入電壓；其二，避雷線對(duì)導(dǎo)線上與反擊電壓異號(hào)的感應(yīng)過(guò)電壓的屏蔽作用應(yīng)采用Ug（1k0hb/hd計(jì)算式中hd為導(dǎo)線平均高度；K0為導(dǎo)線與避雷線之間的幾何耦合系數(shù)）。由此，式（6）宜修改為Uj=Utd（ha/htk）+Ug（1ha/htk0） (7)式中，ht為塔桿高度。據(jù)此，可計(jì)算出線路的耐雷水平等指標(biāo)。式（7）已被新標(biāo)準(zhǔn)[3]采用。1．3 線路雷擊跳閘次數(shù)的計(jì)算結(jié)果與討論除上述各點(diǎn)外，以前的標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于輸電線路雷擊跳閘率計(jì)算的其他參數(shù)（如繞擊率Pa、建弧率η、擊桿率g等）在新標(biāo)準(zhǔn)[3]中均未作變化。（該值與文獻(xiàn)[5]）。按式（7）計(jì)算出的我國(guó)110～500KV線路耐雷水平和雷擊跳閘次數(shù)的結(jié)果與運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)已在文獻(xiàn)[8]中發(fā)表。從其基本勢(shì)頭近的結(jié)果可以看出，按本文提出的線路絕緣所受最大電壓計(jì)算方法、所取的雷電參數(shù)（雷電流幅值累積概率分布、對(duì)地落雷次數(shù)和線路雷擊次數(shù)等）以及線路雷擊跳閘次數(shù)計(jì)算方法計(jì)算出的跳閘次數(shù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值基本相當(dāng)。這說(shuō)明本文的計(jì)算方法是合理、可