输电线路防雷研究报告第二版.docx
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输电线路防雷研究报告第二版
输电线路防雷研究报告第二版
燕山石化防雷研究报告
华北电力大学
高电压与电磁兼容北京市重点实验室
2012年2月
1概述3
2线路防雷现状分析3
2.1线路情况简介3
2.2线路落雷及事故情况7
2.3已安装线路避雷器（重点线路）8
3线路防雷措施建议11
3.1常用防雷措施简介11
3.2燕化电网防雷措施建议12
3.3线路避雷器选型建议12
4防雷效果分析13
4.16~10kV线路13
4.235~220kV线路18
4.3小结19
5线路防雷方案20
5.16kV线路21
5.210kV线路21
5.335kV~220kV线路22
6结论22
1概述
针对北京燕山石油化工集团有限公司的电网多次发生雷击输电线路引起的跳闸事故，2004年11月我们对35kV~220kV线路防雷保护进行了全面整改，提出了有效的防雷方案。
通过近年来线路运行情况和计数器的动作记录，验证出该防雷成果提出的安装线路避雷器的方案是切实可行的。
尽管存在个别特殊情况，但整体上提高了35kV~220kV燕化电网的耐雷水平，保证燕化电网的稳定运行。
然而，从近年来6~10kV线路落雷及事故情况来看，配电网的雷害事故也是不能忽略的。
在国内，配网防雷一直以感应雷为主要对策，普遍认为感应雷过电压是配电线路跳闸的主要原因。
而在实际运行中造成系统永久接地事故的雷害，绝大部分是由直接雷引起的。
当雷击线路时，巨大的雷电流在线路对地阻抗上产生很高的电位差，导致瓷瓶炸裂、导线断线等事故；线路上形成的幅值很高的雷电波还会通过耦合或转移到配电网中的设备上，造成设备损坏。
因而，从防止雷害的角度，配网的防雷应以防止直接雷和感应雷为中心，保证电网安全运行，减少雷击跳闸率。
为此，对该电网6~10kV的线路情况和线路历年落雷及事故情况进行了统计，计算配电线路的耐雷水平，并建立相应的ATP仿真模型，通过对安装线路避雷器前后的线路过电压水平的仿真计算，验证其能够有效提高配电线路的防雷性能，为工程设计提供有价值的基本数据。
同时，根据历年事故情况，对该电网35~220kV的线路防雷进行了进一步的补充，完善了整个燕化电网的防雷方案。
2线路防雷现状分析
2.1线路情况简介
燕山石化地处燕山脚下，燕化电网线路多为几公里的短线，线路走廊密集，线路大部分为同杆双回架设。
线路经过的地区地形地貌较为复杂，近年来雷电活动十分频繁。
线路走廊的分布情况统计如下：
1）220kV线路
220kV线路如表1所示。
表1220kV线路
线路名称
线路长度
（公里）
杆塔总数
（基）
所处地形
处于相应地形的
杆塔数（基）
房燕线
8.989
28
平地
24
山地、山坡
4
房东线
14.856
50
平地
30
山地、山坡
20
芦东线
87.549
107
平地
75
山地、山坡
32
芦燕线
31.865
85
平地
67
山地、山坡
18
2）110kV线路
110kV线路如表2所示。
表2110kV线路
线路名称
线路长度
（公里）
杆塔总数
（基）
所处地形
处于相应地形的
杆塔数（基）
东一Ⅰ线
东一Ⅱ线
4.159
19
平地
5
山地、山坡
8
山顶
6
燕东线
5.018
24
平地
7
山地、山坡
12
山顶
5
燕岗线
2.127
11
山地、山坡
9
山顶
2
东岗线
3.140
18
平地
9
山地、山坡
6
山顶
3
燕三Ⅰ线
燕三Ⅱ线
2.764
13
平地
4
山地、山坡
7
山顶
2
燕前Ⅰ线
燕前Ⅱ线
1.418
10
山地、山坡
7
山顶
3
燕前Ⅲ线
燕前Ⅳ线
1.418
10
山地、山坡
6
山顶
4
燕南Ⅰ线
燕南Ⅱ线
3.765
14
平地
11
山地、山坡
3
燕新Ⅰ线
燕新Ⅱ线
8.974
37
平地
31
山地、山坡
6
东栗Ⅰ线
东栗Ⅱ线
2.540
9
山地、山坡
2
山顶
7
3）35kV线路
35kV线路如表3所示。
表335kV线路
线路名称
线路长度
（公里）
杆塔总数
（基）
所处地形
处于相应地形的
杆塔数（基）
栗牛Ⅰ线
栗牛Ⅱ线
7.902
38
山地、山坡
34
山顶
4
二栗Ⅰ线
3.200
17
平地
10
山地、山坡
3
山顶
4
二栗Ⅱ线
2.837
15
平地
13
山地、山坡
2
4）10kV线路
10kV线路如表4所示。
表410kV线路
线路名称
线路长度
（公里）
杆塔总数
（基）
导线型号
牛粮一线（211）
10.994
111（1#~20#为铁塔，21#~111#为杆）
LGJ-150（塔）
牛粮二线（221）
12.894
139（1#~20#为铁塔，21#~139#为杆）
LGJ-70（杆）
5）6kV线路
6kV线路如表5所示。
表56kV线路
线路名称
线路长度
（公里）
杆塔总数
（基）
导线型号
配水站（636）
6
102（全部为杆）
LGJ-240
配水站（611）
2.4
77（全部为杆）
LGJ-70
东万线
2
53（全部为铁塔）
LGJ-120
一电站（624）
2.5
缺数据
LGJ-150
栗园站（6317）
2.5
13（全部为铁塔）
LGJ-185
栗园站（6417）
2.5
13（全部为铁塔）
LGJ-185
清万一线（615）
7.0
58（1#~26#为铁塔，27#~58#为杆）
LGJ-150
清万二线（626）
7.0
58（1#~26#为铁塔，27#~58#为杆）
LGJ-150
牛周一线（612）
2.608
10（全部为铁塔）
LGJ-150
牛周二线（622）
2.608
10（全部为铁塔）
LGJ-150
路南站（623）
1.0
缺数据
LGJ-240
路南站（627）
1.1
14（全部为杆）
LGJ-70
一开616
1.5
19（全部为杆）
LGJ-120
一开628
1.4
28（全部为杆）
LGJ-70
一开627
1.8
36（全部为杆）
绝缘导线
二开623
0.9
18（全部为杆）
LGJ-70
二开624
2.60
48（全部为杆）
LGJ-95
二开614
1.2
25（全部为杆）
绝缘导线
三开612
1.8
10（全部为杆）
LGJ-95
三开623
4.5
28（全部为杆）
绝缘导线
三开624
5
34（全部为杆）
LGJ-95
六开616
4.8
缺数据
缺数据
六开626
1.2
19（全部为杆）
LGJ-240
春光站6102
6
34（全部为杆）
LGJ-150
春光站6109
6
34（全部为杆）
LGJ-150
机械厂631
1
13（全部为杆）
绝缘导线
6）备注
6~10kV线路均为铁横担，线路绝缘为两片瓷绝缘子；水泥杆的高度为12米，档距为40~50米；铁塔的高度为15~18米，档距为100~200米。
一部分杆塔有接地体，一部分杆塔为自然接地。
从所给的6~10kV线路杆塔参数来看，清万二线（626）为78基杆塔，与线路长度相等的清万一线（615）的杆塔基数有所不同，请复查一下。
2.2线路落雷及事故情况
1）事故情况
表66kV线路历年落雷及事故情况（标注红色的为发现有明显雷击损伤）
序号
线路名称（调度编号）
故障次数
故障情况
1
牛口峪站611线路（至牛口峪污水场）
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
2
牛口峪站621线路（至牛口峪污水场）
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
3
牛口峪站601
1
牛周一线9#上线、中线盘式瓷质绝缘子遭直击雷，612开关拒动
4
东风泵站615（清万一线）
3
雷雨天气下线路瞬间短路。
5
东风泵站626（清万二线）
2
雷雨天气下线路瞬间短路。
6
东风泵站615/626（清万一、二线）
1
清万一、二线3#-4#遭直击雷
7
东万线（后接入清万二线）
1
雷雨天气，东万线绝缘子遭雷击损坏。
8
一开628线路
1
T接用户避雷器故障
9
一开627线路
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
10
一开616线路
1
线路避雷器有两相遭雷击损坏。
11
一开616线路
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
12
二开623线路
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
13
二开614线路
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
14
二开624线路
2
雷雨天气下线路瞬间短路。
15
栗园站6417线路（至二开602）
1
6#杆上有两个瓷瓶被雷击碎。
16
三开612线路
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
17
配水站636线路
2
雷雨天气下线路瞬间短路。
18
配水站636线路
1
配水站636线路一避雷器被雷击穿造成接地。
（C相接地）
19
配水站611线路
2
雷雨天气下线路瞬间短路
20
路南站623线路（至四开602）
1
路南623线路遭雷击断线。
21
化建配电室613（海天物流212）
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
表710kV线路历年落雷及事故情况
序号
线路名称（调度编号）
故障次数
故障情况
1
牛口峪站221（牛粮一线）
5
雷雨天气下线路瞬间短路。
2
牛口峪站211（牛粮二线）
1
雷雨天气下线路瞬间短路。
表835kV-220kV线路事故情况
序号
线路名称（调度编号）
故障
次数
电压等级
故障情况
1
栗牛I线、栗牛II线
1
35KV
栗牛I线、栗牛II线同时跳闸，5#、7#、8#三基塔绝缘子被雷击损伤；当时这三基塔都没装避雷器
2
燕前二线
1
110KV
4#塔下线遭雷击，线路重合闸动作。
当时4#塔无避雷器；
2）需重点关注的线路
110KV线路有：
东前线、燕前II线、燕前III线、燕前IV线
35KV线路：
栗牛线
10KV线路：
牛粮线
6KV线路：
清万线、栗园至二开（6317、6417）线路、牛周线
3）小结
由上述统计结果看，发生雷害事故次数较多的主要是6~10kV线路，占6~10kV整个线路的82.1%，可见出现雷害的的概率还是很高的。
所以本次方案设计主要针对6~10kV配电网线路，同时对35kV~220kV线路做一补充。
2.3已安装线路避雷器（重点线路）
表9110kV线路
线路编号
安装位置
安装相别
型号
燕前II线2#塔
上、中、下
A、B、C
HY10WZ2-108/218S
燕前II线3#塔
上、中、下
A、B、C
HY10WZ2-108/218S
燕前II线5#塔
下
C
HY10WZ2-108/218S
燕前II线7#塔
中、下
B、C
HY10WZ2-108/218S
表1035kV线路
线路编号
安装位置
安装相别
型号
栗牛I线2#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线3#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线4#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线9#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线10#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线11#塔
上、下
A、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线12#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线13#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线14#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线26#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线27#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线28#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛I线37#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线2#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线3#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线4#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线9#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线10#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线11#塔
上、下
A、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线12#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线13#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线14#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线26#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线27#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线28#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
栗牛II线37#塔
上、中、下
A、B、C
HY10CX1-90/235
表1110kV线路
线路编号
位置（标注主线避雷器安装位置，T接用户均装有避雷器）
型号
现有安装占总杆数的百分比
牛粮线
1#、10#、11#
HY5WS-10/30
2.7%
表126kV线路部分
线路编号
位置（标注主线避雷器安装位置，T接用户均装有避雷器）
型号
现有安装占总杆数的百分比
清万一线
1#、15#、28#、31#、36#、39#
HY5WS-10/30
10.3%
清万二线
1#、15#
HY5WS-10/30
2.6%
青光站6109、6102
1#、30#
HY5WS-10/30
2.9%
配水站611
1#
HY5WS-10/30
1.3%
配水站636
1#、38#、39#、40#、48#、49#、71#、72#
HY5WS-10/30
7.8%
牛周线
1#、10#
HY5WS-10/30
10%
栗园站6317、6417
1#、13#
HY5WS-10/30
7.7%
路南站627
1#、10#
HY5WS-10/30
14.3%
一开627
1#、36#
HY5WS-10/30
5.6%
一开616
1#
HY5WS-10/30
5.3%
一开612
1#
HY5WS-10/30
3.6%
二开614
1#
HY5WS-10/30
4%
二开623
1#
HY5WS-10/30
5.6%
二开624
1#、9#、10#
HY5WS-10/30
6.25%
三开612
1#
HY5WS-10/30
10%
三开623
1#
HY5WS-10/30
3.6%
三开624
1#、19#
HY5WS-10/30
5.9%
六开616
1#
HY5WS-10/30
缺少数据
六开626
1#
HY5WS-10/30
5.3%
机械631
1#
HY5WS-10/30
7.7%
海天物流612
1#、10#
HY5WS-10/30
7.7%
3线路防雷措施建议
3.1常用防雷措施简介
一般线路防雷措施包括减少线路绕击概率（减小保护角、采用负角保护针等）；提高耐雷水平，减少反击概率（如改善接地电阻、加设耦合地线、适当加强绝缘等，在个别杆塔上装设线路避雷器等）；采用重合闸提高可靠性等。
而国内外常用降低配电线路雷击跳闸率的主要措施有：
加强线路绝缘、架设避雷线、加装线路避雷器和绝缘子并联保护间隙。
为了提高10kV配电线路的耐雷水平，需加强线路绝缘。
瓷横担的耐雷水平是铁横担针式绝缘子的3倍多，因此，在配电线路中应尽量选择瓷横担。
对于现有铁横担线路，应更换成高一级的复合绝缘子。
避雷线是通过自身的引雷作用产生对导线的屏蔽，使大部分雷电不直接击中导线，使雷尽量落在避雷线本身上，并通过杆塔上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电流流入大地。
线路架设避雷线后绝缘子的闪络形式大多是反击闪络，线路的反击耐雷水平高于线路直接落雷的耐雷水平，因此线路的闪络次数将得到有效的控制。
避雷线的保护效果还同它下方的导线与它所成的角度有关，该角度称为“保护角”，一般情况下，保护角越小，保护效果越好。
线路避雷器是利用金属氧化物电阻的非线性伏安特性限制绝缘子两端的电位差，从而使绝缘子不发生闪络。
其优势在于直接限制作用在绝缘子上的过电压从而达到对绝缘子的可靠保护，无论是绕击、反击还是雷电感应均有保护效果。
线路型避雷器分为带串联间隙型和不带串联间隙性两种，目前较多采用的是带串联间隙的线路型避雷器。
与以往带串联间隙的碳化硅阀式避雷器不同，它的串联间隙并不起到灭弧的作用，其作用是隔离了导线的工作电压，从而解决避雷器阀片长期承受线路工作电压而带来老化问题，基本上不需要定期试验和定期维护。
配电网防雷推荐采用带串联间隙型金属氧化物避雷器，下文中所提到的“避雷器”均指带串联间隙型金属氧化物避雷器。
绝缘子并联保护间隙又称为“招弧角”，线路雷击闪络后的工频续流是导致绝缘子永久性损坏的主要原因，绝缘子安装并联保护间隙后将对工频续流电弧起到疏导作用，减少其对绝缘子的烧蚀，防止绝缘子永久性损坏，提高线路重合闸成功的概率。
绝缘子并联保护间隙的优势是成本较为低廉，不足是线路雷击闪络率并不会降低。
目前绝缘子并联间隙已在我国220kV以下线路均有采用，在国外，尤其是日本绝缘子并联间隙采用的更为广泛。
3.2燕化电网防雷措施建议
燕化电网220kV、110kV、35kV线路多为同塔双回线路，所带负荷大多为重要的生产负荷，线路单回跳闸或双回同时跳闸都会造成严重后果，不主张采用差绝缘方式来降低事故率。
由于线路普遍较短，采用在线路部分容易遭受雷击或耐雷水平较低的杆塔装设线路避雷器的方案具有经济上的可行性。
借鉴电力系统中线路防雷的成功经验，结合燕山石化配网防雷的特殊性，6~10kV线路目前可采用下列措施：
安装线路避雷器和架设避雷线。
1、考虑到加强线路绝缘和并联保护间隙对提高线路的耐雷水平有限，并且更换绝缘子和横担的工作量和安装避雷器的工作量是等同的，并且并不能有效的减少线路的闪络率。
所以，在不确定雷害故障具体在哪一个杆塔时，首先考虑在重点线路安装避雷器是保证线路安全运行最可靠的措施。
2、同时为了减少避雷器在系统中由于雷害造成的损坏率以及安装维护等限制，可考虑在全线架设避雷线，这里避雷线的作用主要不是屏蔽效应，而是为了改善避雷器的工作环境，对于流过避雷器的雷电流起了分流的作用，减少避雷器的通流容量，从而减小其损坏率。
3.3线路避雷器选型建议
带串联间隙型金属氧化物避雷器在正常工作电压下和电网隔离，不承受工频电压的作用，只有在雷电过电压及工频续流时才动作。
这样延长了避雷器的使用寿命，减少了事故率，确保避雷器的安全运行。
因此建议采用带串联间隙的线路避雷器。
避雷器选型中额定电压的选择很关键，在6~10kV中性点非接地系统中，电力部门规程规定在单相接地情况下允许运行两小时，有时甚至在断续的产生弧光接地过电压情况下运行2小时才能发现故障，这样的系统运行电压对氧化锌避雷器的安全运行构成严重威胁，实践中氧化锌避雷器出现热崩溃甚至爆炸事故。
同时，带串联间隙氧化锌避雷器各生产厂的参数不完全一致。
所以优选原则是：
在保证避雷器承载能力参数前提下，尽量选用保护特性较好的产品，即各项残压参数值较小者，越小则对被保护设备裕度越大，保护可靠性更高。
另外一个重要依据就是MOA的V-I曲线，伏安特性越好的避雷器保护性能越好。
1）110kV线路避雷器
表13110kV避雷器选取参数
型号
额定电压（kV）
系统标称电压（kV）
持续运行电压（kV）
标称放电电流（kA）
HY10CX-90
90
110
72
10
2）35kV线路避雷器
表1435kV避雷器选取参数
型号
额定电压（kV）
系统标称电压（kV）
持续运行电压（kV）
标称放电电流（kA）
HY5CX-42
42
35
33.6
5
3）6~10kV线路避雷器
表156~10kV避雷器选取参数
型号
额定电压（kV）
系统标称电压（kV）
持续运行电压（kV）
标称放电电流（kA）
HY5CX-17
17
10
12
5
4防雷效果分析
4.16~10kV线路
1）感应雷
雷击线路附近大地时，线路上产生感应雷过电压，对于绝缘水平较低的35kV及以下水泥杆线路会引起一定的闪络事故，感应过电压同时存在于三相导线，相间不存在电位差，故只能引起对地闪络，如果二相或三相同时对地闪络即形成相间闪络事故。
对于感应雷事故，不能用模型仿真测得线路的耐雷水平，且当雷击事故不明确是直击雷还是感应雷事故时，都需要计算出其耐雷水平，并用该值与仿真所得值比较用以确定是何种雷击事故。
当雷击点离开线路的距离S>65m时，导线上的感应雷过电压最大值
可按下式计算：
（1）
则推导出感应雷击事故耐雷水平
（雷电流幅值kA）为
（2）
式中，
为感应雷过电压（kV）；
为导线悬挂平均高度（m）；S为雷击点离线路的距离（m）。
燕山石化6~10kV线路一部分为铁塔，另一部分为水泥杆。
铁塔高度在15~18米之间，取18米；水泥杆高度为12米。
可取为绝缘子50%放电电压230kV，所以根据
（2）式可得铁塔的感应雷耐雷水平为33kA，水泥杆的感应雷耐雷水平为49.8kA.。
如果采取全线安装线路避雷器的措施，则大部分感应过电压对6~10kV线路已不构成威胁。
如果全线架设避雷线，则由于其屏蔽效应，导线上的感应电荷就会减少，导线上的感应过电压就会降低。
避雷线的屏蔽作用可用下法求的，设导线和避雷线的对地平均高度分别为
和
，若避雷线不接地，则可求的避雷线和导线上的感应过电压分别为：
则
（3）
实际上，避雷线与大地连接保持地电位，电位为0，可以假设为避雷线上再叠加了-Ub的感应电压。
此电压在导线上耦合，因此导线上的实际感应电压：
（4）
式中k为避雷线与导线的耦合系数。
所以由上式可得加了避雷线后铁塔的感应雷耐雷水平提高到41.25kA，水泥杆的感应雷耐雷水平提高到62.25kA.。
所以，对于有避雷线线路，
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