本科毕业设计220kv输电线路的防雷设计与措施说明书.docx

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本科毕业设计220kv输电线路的防雷设计与措施说明书

说明书

　　设计题目：

220kv输电线路的防雷设计与措施

专业年级：

电气工程及其自动化2011级

学号：

姓　　名：

指导教师、职称：

年月日

目录

1引言-1-

2雷电形成和放电原理-2-

2.1雷电形成和放电原理-2-

2.2雷暴日和雷暴小时-3-

2.3落雷密度-3-

3雷电过电压分类及其原理-5-

3.1感应过电压原理-5-

3.1.1雷击线路附近大地时线路上的感应过电压-5-

3.1.2雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压-6-

3.2直击雷过电压原理-7-

3.2.1雷击杆塔时的反击过电压-7-

3.2.2雷击避雷线-8-

3.2.3雷绕击导线-9-

4输电线路的耐雷水平和雷击跳闸率-10-

4.1输电线路的耐雷水平-10-

4.1.1雷击杆塔时的耐雷水平-10-

4.1.2绕击时的耐雷水平-10-

4.2输电线路的雷击跳闸率-12-

4.2.1建弧率-12-

4.2.2有避雷线线路雷击跳闸率的计算-13-

5常见防雷措施-15-

6针对220kV输电线路选择的防雷措施-17-

6.1避雷线的设计-17-

6.2绝缘配合与防雷接地-18-

6.3设计举例-18-

7结束语-21-

参考文献-22-

致谢-23-

中文摘要

雷电是大气层中的云层的放电现象，有着巨大的声响和耀眼的光芒。

雷电对人类有着很大的影响，尤其是在进入电气时代的人类社会，雷电的出现常常会对科技产品造成影响和损伤。

其特征有高电流、高电压、变化快、放电时间短、辐射强等。

论文通过分析雷电原理，探讨其参数数据，并且给出相应的防雷措施，更直观地服务于生活。

本课题采用引用，分析，举例等方法。

论文分为三个部分，首先对雷电形成原理和放电机理，雷电过电压分类及其原理进行分析，用参数数据更加直观地进行阐述。

其次简介一些防雷措施。

最后，利用数据针对220kv输电线路选择性的给出防雷措施。

关键词：

雷电，电气线路，避雷方法

Abstract

Lightninghasagreatimpactonhumanbeings.sincehumansocietyenteringtheeraofelectricity,theapperenceoflightningoftendodamagetotechnologyproducts.Therearesomecharacteristivsforlightning,suchashigh-current,high-voltage,quick-changing,shorttimedischarging,strongradiationandsoon.

Thisthesisdiscussestheparameterdatasoflightningthroughanalyzingtheprinciplesoflightning.Themainresearchmethodsofthisthesiswillbeexposition,quotations,analysis,practiceaswellasexamples.Forastart,thethesissyntheticallyexpoundstheprinciplesofwhylightningwillcomeoutanditsdischargemechanism,thenanalyzestheclassificationandprinciplesoflightningovervoltages,afterthat,throughtheprinciplestodiscovertheparameterdatasfordescribingitmoredirectly.Inthesecondpart,theauthorpresentsabriefintroductiontothemeasuresoflightning-protection.Finally,theauthortriestodesignandgivethemeasuresoflightning-protectionto220kvtransmissionline.

Keywords:

Lightning;Electricalwiring;LightningMethods.

1引言

在进入电气时代的今天，电对人类的生产和生活都有着巨大的作用，可以说现在的社会已经离不开电，而电气传输网络的重要性也不言而喻。

现在常用的输电方式是架空输电线路为主的送电网络。

架空输电线路是将电能以高压电的形式进行远距离输送的，为了确保安全，避免高压电击事故的发生，一般将线路设置在没有遮挡、空间广阔、人烟稀少的野地，且架空高度较高，因而十分容易受到雷电的影响和损伤，影响到电能输送，进而导致大面积的停电事故发生。

因此，如何避免雷电影响，保证架空线路的送电环境安全稳定，是保证输电效果的首要任务。

本文即是对输电线路的防雷措施进行研究，进一步加强维护电网运行的安全稳定。

2雷电形成和放电原理

2.1雷电形成和放电原理

雷电现象是一种伴有雷声和闪电的常见的瞬间放电现象。

雷电的产生，是因为低空温度较高的空气上升，空气中的水蒸汽凝结成小冰晶。

当小冰晶在空气中运动时发生碰撞，形成不同重量的两部分。

较轻的部分成大块的雷云，带负电荷；较重的部分可能变成水滴下落，在下落过程中继续发生碰撞，带负电荷。

碰撞过程中，一部分粒子被水成物捕获吸收，变成水成物的一部分，仍然带负电；而另一部分粒子被反弹，漂浮在空中构成少许带正电的云区。

因为云粒子所受浮力较大，导致下降过程中与水成物的距离逐渐加大，最终导致云层上部分布着正电荷，下部分布着负电荷，使云上下两侧带有电势差，这就是目前对于雷云形成过程的比较普遍的观点。

在地面与大气电离层之间同样存在电场，且电场方向与云层之间电场方向一致，根据电场叠加原理使大气层中的电场强度增加；高温湿润地区上升气流较大，云层更容易形成，云层变厚导致正负电荷数量增多，电场强度亦增加。

当电场击穿空气时，就产生了雷电。

经过大量观测，可以确定，大多数雷击是雷云下部的负电荷对大地放电，小部分则是正电荷放电。

在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。

当今的研究认为雷电放电有三个阶段——先导放电、主放电和辉光放电。

雷云刚开始放电时，线状雷电自雷云边缘以每级10~200m的长度逐级朝地面伸展，速率大约为107m/s，级与级的间隙时间在10~100µs左右，这个阶段被称作雷电的先导放电。

先导放电将影响地面上高物体周围的空气电离水平，使其周围的空气离子带有一定的与雷云边缘电荷相反的电荷量，进而在这两端产生极大的电势差，形成极大的电流、声响和闪光，这个阶段被称作雷电的主放电；当主放电结束时，雷云中的电荷将沿着主放电时的通道导入地面当中，伴有余晖产生，这个阶段被称为雷电的辉光放电。

这便是雷电发生一次放电的主要过程，其中以主放电阶段最为激烈，时间也非常短，仅50~100µs，而速度则能达到2×107~1.5×108m/s。

以上是负电荷雷云对地放电的基本过程，而正电荷雷云放电过程基本相似。

第一次雷击将击穿空气形成一条通路，这当中的空气具备了远高于周围的电导率，而雷云当中其他的放电便会沿着这条通路进行放电，导致多重雷击的产生，但一般后续的放电电流将会小于第一次放电的电流。

图2-1所示为放电的过程和电流波形。

图2-1负雷云对地放电的过程和电流波形

2.2雷暴日和雷暴小时

在雷电产生频率的统计中，常将听到雷声的日子定义为雷暴日，并对一年当中雷暴日进行统计。

计算分析年平均雷暴日数据，可以在一定程度上反映出地区雷电活动的频繁度。

纬度及距海洋的距离影响着各地雷暴日的数目。

通过统计年平均雷暴日，我国将各地分为少雷区、多雷区、强雷区，少雷区的年平均雷暴日不超过15，多雷区和强雷区则分别超过40和90。

在防雷设计中，雷暴日也是一个重要的考虑因素，应据此因地制宜。

雷暴小时是一年中有雷暴的小时数，与雷暴日统计方法相似。

2.3落雷密度

雷暴日和雷暴小时表示的是雷云之间的放电频繁程度，而在防雷设计中我们需要考虑的是雷云对地放电的频繁程度，所以我们将每平方公里每雷暴日中对地落泪次数定义为地面落雷密度γ，用于本次研究的计算与分析。

落雷密度与雷暴日的关系为

（2-1）

其中，Td为当地年平均雷暴日。

我国有制定明文的标准，在年平均雷暴日40天的地区，γ=0.07次/（平方公里·雷暴日）。

输电线路因带有高压电能，将影响其周围的电场分布情况，较之普通高地更具备引雷效果。

在Td=40的地区，由模拟实验可得输电线路引雷区域半径为2h，每百公里年均雷击次数N计算方式为：

（2-2）

其中，b为两根避雷线之间的距离，m；

h为避雷线的平均高度，m。

3雷电过电压分类及其原理

一般电力系统和建筑物的防雷措施主要有防直击雷、防雷电感应、防雷电波入侵和电流引发高压反击等几种。

以下重点介绍感应过电压和直击雷过电压。

3.1感应过电压原理

雷电感应是由于雷电流产生的静电感应和电磁感应产生的。

雷电感应即雷电流产生所引发的静电感应与电磁感应等现象。

图3-1为感应雷过电压的形成过程示意图，图中设输电线路上空出现带负电荷的雷云。

当线路附近发生雷击，则导线上会产生感应雷过电压。

在雷电的先导放电阶段，放电通道中的电荷与输电线路发生静电感应，在放电近端电线上的电荷带正电。

当雷电主放电结束，放电通道电荷中和，电线中正电荷转变为自由电荷并由近向远扩散，产生感应过电压。

图3-1感应雷过电压的形成过程

3.1.1雷击线路附近大地时线路上的感应过电压

根据我国相关规定，在雷击位置距电线超过65m的情况时，电线所产生的感应过电压峰值Ug计算方法如下：

（3-1）

其中，IL为雷电流幅值，kA；

hd为导线高度，m；

s为雷击点离导线的距离，m。

发生雷击时考虑到地面受雷击位置的接地电阻偏大，可大致估算雷电流峰值IL不超过100kA。

通过实际测试可得感应过电压最大值大致为300kV到400kV之间。

在输电线上方若设有避雷线，可视为加大导线的对地电容，可导致导线的感应过电压降低。

设输电线离地高度平均值hd，避雷线离地高度平均值hb，在避雷线不接地的情况下可根据（3-1）式分别计算得出输电线与避雷线各自的感应过电压Ugd、Ugb：

（3-2）

（3-3）

在实际情况中，避雷线需经过杆塔接入地面，因此其电位为0。

假设避雷线上有一个电位-Ugb，导致输电线形成耦合电位k（-Ugb），因此实际情况下输电线上感应过电压Ugd为：

（3-4）

上式中k为输电线与避雷线间的耦合系数。

3.1.2雷击线路杆塔时，导线上的感应过电压

（3-1）与（3-4）仅适用于落雷距离大于65m的情况下，而实际情况中由于输电线路自身的引雷作用导致线路或杆塔上方遭受雷击。

当雷击在线路杆塔的上方情况下，主放电通道导致的磁场变化将引发输电线中过电压的产生，且其极性与雷电电压极性相反。

通过下式进行不超过40m高度的避雷线缺省线路中输电线感应过电压峰值计算：

（3-5）

上式中，a是感应过电压系数，单位：

kV/m，a≈IL/2.6。

而有避雷线时