低压架空线路感应雷击过电压的计算与防护.docx

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低压架空线路感应雷击过电压的计算与防护

目录

摘要I

引言1

1架空线路研究背景和研究意义1

1.1研究背景与意义1

1.2国内外研究现状1

1.2.1关于架空配电线路感应雷过电压计算的研究1

1.2.2关于架空配电线路感应雷过电压防护的研究2

1.3本文的研究内容及主要工作3

2雷电放电介绍以及雷电参数3

2.1雷电的物理过程3

2.1.1雷云中的电荷分布与起电机理3

2.2雷电放电过程4

2.3雷电流波形概述5

2.3.1利用冲击电流发生器模拟雷电流波形5

2.3.2雷电流波形概念6

2.4雷电流参数6

3低压架空配电线路雷电感应过电压的计算7

3.1架空线路上的雷电感应过电压7

3.3推倒公式适用范围8

3.4据落雷点小于65m时，线路感应雷过电压与各参数的关系分析9

3.5架空线路感应雷击过电压计算总结10

4感应雷击过电压防护分析10

4.1配电线路各类雷击故障分析10

4.2避雷器的介绍与应用11

4.2.1特点与分类11

4.2.2有间隙氧化锌避雷器工作原理11

4.2.3避雷器防雷效果仿真12

4.3其他防雷措施13

4.3.1防雷金具与防弧金具13

4.3.2保护间隙13

4.3.3采用绝缘塔头和横担14

4.4防护结语14

文献检索14

致谢17

Contents

AbstractI

Introduction1

1Overheadlinetheresearchbackgroundandresearchsignificance1

1.1Theresearchbackgroundandsignificance1

1.2Theresearchstatusathomeandabroad1

1.2.1Researchonoverheaddistributionlinesinductionlightningovervoltagecalculation1

1.2.2Researchonoverheaddistributionlinesinductionlightningovervoltageprotection2

1.3Inthispaper,theresearchcontentandmainwork3

2Lightningdischargeisintroducedaswellasthelightningparameters3

2.1Thephysicalprocessoflightning3

2.1.1Thechargedistributionandelectrificationmechanismthundercloud3

2.2Lightningdischargeprocess4

2.3Summaryoflightningcurrentwaveform5

2.3.1Usingtheimpulsecurrentgeneratortosimulatethelightningcurrentwaveform5

2.3.2Theconceptoflightningcurrentwaveform6

2.4Lightningcurrentparameters6

3Low-pressureoverheadpowerdistributionlinelightninginducedover-voltagecalculation7

3.1Lightninginducedover-voltageofoverheadlinesontheroad7

3.2Overheadlinelightninginducedover-voltagecalculationmodel7

3.3Thecomparisonofthederivedformulaandmaterials8

3.4Accordingtogroundlightningislessthan65m,acircuitinductionlightningovervoltageandrelationshipbetweentheparametersofpoint9

3.5Overheadlinelightningovervoltagecalculationconclusion10

4Inductionlightningovervoltageprotectionanalysis10

4.1Thefaultanalysisofallkindsoflightning10

4.2Theintroductionandapplicationofsurgearrester11

4.2.1Thecharacteristicsandclassificationof11

4.2.2Workingprincipleofthezincoxidelightningarresterclearance11

4.2.3Lightningarresterlightningprotectioneffectismeasured12

4.3Othermeasuresforlightningprotection13

4.3.1Withthelightningprotectionandpreventionwiththearc13

4.3.2Protecttheclearance13

4.3.3Insulationoftowerheadandcrossarm14

4.4Protectiveepilogue14

Literatureretrieval17

Thanks17

低压架空线路感应雷击过电压的计算与防护研究

刘峻铤

（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）

摘要：

低压架空配电线路架设高度低，绝缘相对薄弱，绝缘子闪络或线路故障频发，相关研究表明，这些故障主要引起因素为感应雷击过电压，比例甚至超过90%。

本文从自然雷电的形成作为切入点，逐步深入，结合实际分析各种雷电参数，并且研究分析了低压架空配电线路旁接闪物体及架空线路的高度，线路与雷击点间距等参数对架空线路感应过电压的影响，从而推导出架空线路雷击时感应雷点过电压的计算公式。

然后，通过对比传统文献，得出公式适用范围。

最后，从降低配电线路感应雷击过电压的角度，分析了低压配电线路感应过电压的危害，着重研究了避雷器对降低雷电过电压和提高线路耐雷水平的效果，并提出了其他有效的防雷措施，保障线路安全。

关键词：

电力系统感应雷击过电压架空配电线路防雷措施

Researchonpresentandtheprospectoftieredelectricityprice

JuntingLiu

（Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018）

Abstract：

Lowoverheaddistributionlineconstructionheightislow,insulationrelativelyweak,insulatorflashoverorfrequentlinefault,relatedstudieshaveshownthatthesefailurescausedmainlyfactorsforinductionlightningovervoltage,evenmorethan90%.Fromtheformationofnaturallightningasthebreakthroughpoint,thispaperdeepens,combinedwiththeactualanalysisoflightningparameters,andanalysistheoverheaddistributionlinesadjacenttotheheightoftheobjectandtheoverheadline,thelinewithalightningstrikepointspacingforoverheadlineparameters,suchastheinfluenceoftheinducedover-voltage,thusdeducestheoverheadlinelightninginductionlightningovervoltagecalculationformula.Then,theformulagivenintraditionalliteraturecomparing,in-depthstudypublishedapplicationsunderdifferentconditions.Finally,fromtheperspectiveofreducingdistributioncircuitinductionlightningovervoltage,analyzedtheharmof35kvpowerdistributionlinesinducedover-voltage,thispaperstudiesthelightningarrestertoreducelightningovervoltageandimprovetheeffectoflinelightningresistinglevel,andothereffectivelightningprotectionmeasuresareputforward,toensurethesafetyofline.

Keywords:

electricalpowersystemInductionlightningovervoltageOverheaddistributionlinesLightningprotectionmeasures

引言

当今社会人类的经济科技高速发展，社会的进步与电力密切相关，人类需要电力供应的可靠性更高，一旦发生停电等事故会打扰正常的生产生活秩序，给社会带来很严重的经济损失，架空线路作为电力系统的重要组成部分,它将巨大的电能输送到四面八方,是连接各个变电站、各重要用户的纽带。

架空线路的安全运行,直接影响到电力系统的稳定运行。

因此,架空线路的安全运行在电网中有着十分重要的地位。

统计资料表明,雷电是危害架空线路的重要因素。

对于架空配电线路，绝缘相对薄弱，极易遭受雷电威胁，影响供电可靠性，因此本文对于架空线的防雷与计算进行了研究，希望能够找到有效的防雷措施以保证电力系统能够的稳定运行。

1架空线路研究背景和研究意义

1.1研究背景与意义

雷电是一种极为壮观的自然现象，在大气中产生激烈的静电中和现象，有着极其强大的破坏力.雷电灾害是指直接的供电中断，人员伤亡和经济损失以及由此带来的衍生经济损失和不良社会影响。

雷电灾害是自然界中影响人类活动的最重要灾害之一，已经被联合国列为“最严重的十种自然灾害之一”。

据有关部门统计，将范围扩大为全球，时刻都发生着雷电的奇观，平均每天达多万起，每年要发生多亿起。

雷电是强电电磁脉冲的一种，闪电通道的电压很高，有极大的威力，产生强大的热效应，电动力效应等，研究表明雷电过电压甚至高达几百万伏，过电流达几万安，如此高压与大电流将严重损害输配电线路或供电设备，每年有非常多的电力系统事故来自雷电。

因此，相关供电部门一直致力于减少雷电危害，提高供电可靠性。

国内低压配电线路，绝缘水平并不是很高很易受到雷击过电压的影响，雷击过电压分为三种，分别为雷击线路产生的感应雷击过电压，雷击杆塔产生的反击过电压和雷击架空线路产生的直击雷电过电压。

雷击过电压作用容易引起线路跳闸，断线，绝缘子闪络等事故，严重影响生产生活用电。

研究表明感应过电压为三种雷击过电压中最为频发的，是导致绝缘子闪络主要原因，其导致的故障率超过90%。

因此，我们需要计算感应雷击过电压，从根本上寻求雷击危害的防护方法。

1.2国内外研究现状

1.2.1关于架空配电线路感应雷过电压计算的研究

雷击线路附近大地时，架空配电线路产生感应雷过电压。

计算感应雷击过电压需要从两部分着手，首先,计算雷电通道周围电磁场，这部分需要建立雷电回击模型。

第二部分,建立雷电通道与电磁场的耦合模型以此来计算线路感应雷过电压。

截至现在,国内外都是从以下几个方面来研究关于架空配电线路感应雷过电压计算：

（1）雷电回击模型

雷电具有随机性和复杂性,所以不可能建立一个统一的数学模型,尽管如此，雷电数学模型的建立需要很多实验观测有关的数据,如通道底部电流大小、回击传播速度、电磁场等。

（2）雷电放电通道模型

对雷电通道的建模如果按照实际去求过于麻烦。

雷电通道并不垂直于导线且表现出一定的曲折性，但是因为雷电通道的曲折性并不固定，呈现一定的随机性，为了简化计算，按照相关文献的要求都是将雷电通道简化为垂直于地面的导线，并按照天线理论来研究。

（3）雷电通道周围电磁磁场的计算

雷电通道周围电磁场的理论计算主要是根据麦克斯韦方程组进行求解。

采用单极子技术和偶极子技术求解了雷电电磁场的麦克斯韦方程组。

国内关于雷电电磁场计算的文献也很多,对雷电电磁场的计算也进行过比较深入的研究。

（4）雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型

综合前人对于雷电通道电磁场与传输线的耦合模型研究成果,电磁场与传输线耦合模型大概有以下三种①Taylor模型②Agrawal模型③Rashidi模型，第一种模型认为传输线同时受由传输线回路交链的磁链引起的分布电流源和由两导体间的电场引起的分布电压源两种源激励。

第二种模型以散射理论为基础分析电磁场与传输线耦合模型,分布电压源为唯一的激励源。

第三种模型的激励源为磁场引起的电流源。

这三种模型各物理量的定义不同,模型不同,同一入射分量引起的感应电压或电流占总电压电流比例不同，但计算出的总电压和总电流是相同的。

（5）架空配电线路感应雷过电压计算

目前国内并没有很多关于次计算的研究,防雷规程中对线路感应雷过电压幅值的计算做了如下规定：

当雷击点与线路水平距离时,计线路感应过电压计算如下式所示：

（kV）（1-1）

式中：

I为雷电流幅值，单位kA，h为线路高度，单位m。

1.2.2关于架空配电线路感应雷过电压防护的研究

架空配电线路感应雷过电压的防护需从两个方面入手，分别是限制感应雷击过电压与降低感应雷击过电压。

国内外从降低感应雷过电压角度研究防雷措施的并不多。

通过查阅资料，有关文献中提出安装“感应雷屏蔽线”是降低架空配电线路的感应雷过电压的有效措施,并在实际中证实了此研究，但并没有找到感应雷屏蔽线安装在何处最为有效的研究。

国内外当前研究最多的防雷措施是从降低感应雷击过电压入手的,相关的防护措施有安装避雷装置、加强线路绝缘、绝缘金具等。

不同的情况有不同的防雷措施。

绝缘导线的防雷问题是被研究最多的情况，最有效的措施是安装避雷器以限制感应雷过电压。

1.3本文的研究内容及主要工作

（1）介绍配电线路感应雷过电压的背景知识，包括感应雷过电压研究意义。

（2）详细概述了自然界雷电放电的物理机理，对雷电的形成及其特征，雷雨云的物体结构进行介绍，并且结合实际介绍雷电流参数.

（3）研究了负极性雷对大地或建筑物放电时，架空配电线路感应雷过电压的计算模型与方法.

（4）从配电线路上的感应雷过电压危害进行分析，研究采取各类防护措施对感应雷过电压的影响，重点分析安装线路避雷器对配电线路感应雷过电压的降低效果。

2雷电放电介绍以及雷电参数

2.1雷电的物理过程

2.1.1雷云中的电荷分布与起电机理

雷电起源与大气电场的存在有关，电流伴随着大气电场运动产生，导致大气中体电荷分布发生变化，逐渐就会有可能发生雷暴天气，出现闪电，或者称雷雨云。

图2-1雷雨云中的电荷分布的典型分布图

上图就表明了世界公认的典型雷雨云的电荷分布特征。

实测表明，正电荷的云层主要在5km到10km的高度，负电荷的云层主要在1km到5km的高度，在底部有一小部分地方聚集正电荷。

正电荷的分布不均匀，会形成很多电荷密集中心。

单个聚集中心电荷约为0.1C10C，而整块雷云所带电量可达数百库。

雷云平均场强约为，遭受雷击时，电场强度则可达340。

目前，大气物理学家提出了如下几种雷雨云起电机理：

（1）感应起电机理

研究表明，由于地球带负电，在地球上空存在正电荷的电离层，所以地球上形成了从上而下强电场。

在晴天时，大气电场方向自上而下，空气中的水滴或冰晶在大气电场作用下发生极化，形成了电场方向由上致下的降水粒子。

由于这种极化粒子的存在，降雨时，雨滴与大气离子相遇，将俘获其中负离子，中和其中正离子，从而使降水粒子具有净负电荷。

云中携带净负电荷降水粒子重力沉降，在云团下部形成一个大的负电荷区，而大气正轻离子较轻，跟随上升气流，在云团上部形成正电荷区，这样得以实现云中电荷的重力分离。

（2）温差起电机理

一些对流云在在0℃线以上云顶部高度后,可能出现在云中冰晶和过冷水滴共存的情况,在冰晶中含有大量的自由离子。

包括带正电的氧离子和带负电的氢氧根离子。

正负离子浓度随温度上升将增高,如果在维持稳定的温差，在冰晶的两端,热的一端正负离子浓度大于冷的一端,浓度不均匀会导致离子的扩散迁移,由于氢离子的重量在冰上晶格扩散速度快于重氢氧阴离子根,创造了过剩的正电荷,这样热端将带正电荷。

如果冰晶破裂,可能会导致部分的冰晶碎片带正电荷,其他一些带负电荷。

当前大气物理学的研究发现,平均的降水过程,雷雨云温差起电主要产生在降雨初期,随着当地大气电场增大,感应起电作用逐步加强，成为雷雨云主要起电方式。

（3）破碎起电机理

观察表明,雷雨云发展旺盛时期,在0℃一下云层或强烈的上升气流区,将会有一个正电荷中心,这可能是大水滴下降过程中因为气流作用,断裂从而产生电荷分离。

由于雷雨云中很强的上正下负电场,大水滴在电场极化,正在形成的上负下正的电荷。

大的水滴受到上升气流的影响,将无法保持球形,被分离成一些碎成无数的小水滴,从下方破裂的水滴带正电，从上方破裂的水滴带负电。

于是带正电的水滴重力沉淀使得云层下方带正电，而从上方破裂的水滴较轻，将使云层上方带负电，从而实现云中正负电荷重力分离。

2.2雷电放电过程

雷电放电是由带电荷的雷云引起的。

雷电放电有云云放电和云地放电两种,虽然实际上大多数雷电放电为云云放电方式，但云地放电对电力系统造成的伤害和影响更大，也更易于观察研究，所以，国内外对于云地放电的研究更多。

Berger在1978年根据雷云电荷的先导发展方向和所带电荷的极性,将雷电分为四类：

（1）向下负雷电

（2）向上负雷电（3）向下正雷电（4）向上正雷电。

如下图所示：

图2-2雷电对大地的不同放电类型

研究表明,向上雷电大多发生在高层建筑或建筑顶部,由于向下负雷电是最常见的云地放电,占全球雷电放电的90%以上。

所以负雷电的研究颇为重要。

以下为雷电放电的三个阶段（以负雷电为例）:

（1）先导放电阶段

雷云与大地由于静电感应的作用两者形成一个大电容器,大地带正电荷，空间的电场强度随着雷云中电荷积累渐渐变大。

当此电场强度高于空气击穿场强时,雷云中电荷产生强烈的碰撞游离,形成指向大地的雷电通道,这个通道即为雷电先导。

先导放电不是连续的放电，而是一段一段逐步放电。

（2）主放电阶段

下行先导与地面接触式会从突出出发出向上的迎面先导。

雷电的主放电阶段正是由于下行先导与迎面先导相遇碰撞而产生的强烈中和作用。

这阶段有以下两个特点：

（1）主放电存在时间极短，约为50到100微秒。

（2）电流极大，可达数十到数百安.

（3）余光放电阶段

经过先导放电与主放电之后，雷云中剩余的电荷量比较少，因此再次地闪的过程就称为余光放电。

余光放电阶段的特点是①对应的电流不大（约数百安）,②持续时间则较长（0.030.05s）。

雷云中电荷分布不均匀,形成多个电荷聚集中心,多个中心并不能同时放电，必须当第一个中心放电完后其他放点中心才能向第一个中心放电，并沿着原先通道流向大地。

第一次放电过后的主放电电流一般较小,不超过30kA。

2.3雷电流波形概述

2.3.1利用冲击电流发生器模拟雷电流波形

如图2-2所示，利用MATLAB电力系统仿真模块中的powergui模块模拟充电电容两端电压，原件R，L分别表示放电回路中包括电容器，分流器及连接线等器件的总电阻和总电感，R3和L4为模拟调波电阻和调波电感

图2-3冲击电流发生器smulink仿真图

双击仿真模块，直接输入R,L,C,R3,L4等的值，运行即可得到冲击电流幅值的值。

用实验室大容量8⁄20雷电波冲击电流发生器为例，c=24.496，R=0.401，电容器充电电压为60kV，仿真得到冲击电流波形图如图2-3所示

图2-4雷电流波形模拟

2.3.2雷电流波形概念

由于气象条件的影响，雷电流的幅值差异很大，但是雷电流的波形基本上是一致的。

根据测量统计，雷电流的波头时间为2～2.5µs。

按照相关规定及规程里的数据名，雷电流波头时间为2.6µs，根据有关公式，雷电流的平均波头陡度与幅值成正比关系，公式即。

根据计算，雷电流的波长一般平均约为50µs，范围是20～100µs，小于50µs的大约占70～82%。

一般计算式中雷电流的波形采用2.6/50µs的双指数波。

2.4雷电流参数

（1）雷暴日

雷暴日是指某地区一年中有雷电放电的天数，一天中只要听到一次以上的雷声就算一个雷暴日。

雷暴日表征不同地区雷电活动的频繁程度。

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，我国把年平均雷暴日数T>90的地区叫做强雷区，40

雷暴日分布在不同区域参数不同，单位为：

天数/一定区域内，比较科学的标准统计区域为采用10﹡10平方公里网格，但和现在雷暴日算法有些不同，我国以气象观测站听到雷声为统计依据，虽然此方法误差较大，受到测量者听力，雷声大小，噪声大小等等因素影响，但仍为目前最有效的判断方法。

另外我国每个县都有各自的气象监测站，可以以县级行政单位为统计区域。

下图为全国53年平均雷暴日数分布图。

图2-5全国53年（19542006）平均雷暴日数分布图

（2）地面落雷密度

地面落雷密度是指每平方千米每个雷暴日的对地落雷数量，（单位为），这是雷云对地的放电的频繁程度的体现.地面落雷密度与雷暴日有如下几种关系式：

①国内电力行业标准

式中：

Td为雷暴日数，为每雷电日每1的落雷次数，约为0.07）

②国际大电网会议

③IEEE推荐公式

（3）雷