kv输电线路的防雷设计与措施毕业设计说明书.docx
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kv输电线路的防雷设计与措施毕业设计说明书
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
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
Lightninghasagreatimpactonhumanhumansocietyenteringtheeraofelectricity,theapperenceoflightningoftendodamagetotechnologyaresomecharacteristivsforlightning,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
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~×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
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。
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=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。
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
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。
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/。
而有避雷线时，导线上的感应过电压相应为
（3-6）
其中，k为耦合系数。
直击雷过电压原理
在某些情况下，雷电将直接击中建筑物和电气设备，这种雷便是直击雷。
直击雷将对建筑物和电气设备造成直接的电、热和机械力方面的损害。
为了使电力设备、建筑物及其内部设施减小或避免受到雷击的伤害，必须采取一定的防护措施。
。
输电线路可能遭遇以下几种直击雷：
杆塔顶端雷击、避雷线档距中心雷击、绕过避雷线对输电线进行雷击（即常说的绕击）。
雷击杆塔时的反击过电压
当杆塔顶端遭遇雷击时，部分大小为iL的负电流沿杆塔主体向下流动，余下大小为ib均分为二流向相邻的杆塔；而与负电流大小相同的正电流igt则由塔顶沿主放电通道向上流动。
雷击塔顶雷电流的等值电路如图3-2所示。
图3-2雷击塔顶雷电流的等值电路
由于避雷线的分流作用，igt小于iL，则
（3-7）
其中，β为塔杆的分流系数。
塔顶电位Utd由下式计算，取，
（3-8）
其中，Lgt为杆塔的等值电感，Lb为避雷线的等值电感，单位：
μH/m；
Rch为杆塔的冲击接地电阻，Ω。
避雷线与塔顶相连，其电位等于塔顶电位为Utd，引起输电线所出现的耦合电位kUtd，极性与雷电电压一致。
输电线上存在极性相反的感应过电压ahd（1-k）。
则输电线总电位值计算如下：
（3-9）
塔顶电位和导线电位之差即是线路绝缘子上两端电压，取
，代入（3-8）则线路绝缘子上的电压值Uj的计算如下：
（3-10）
低于220kV的电路中，工作电压在总电压中比例较小，影响也较小，可直接忽略，因此计算当中忽略输电线的工作电压。
雷击避雷线
如图3-3，Z0是主放电通道的波阻抗，Zb是避雷线的波阻抗。
电压波UA从雷击点A沿避雷线向相邻杆塔传去，A的最高电位出现在，l为档长距离，vb为避雷线中的波速时刻。
雷击点A的最高电位UA可按下式进行计算：
（3-11）
图3-3雷击避雷线档距中央
输电线因与避雷线间耦合作用所形成kUA，因此遭受雷击避雷线档距中央线路间隙s所受电压峰值US根据下列式子进行计算：
（3-12）
当此电压Us超过空气间隙S的放电电压时，间隙将发生击穿。
则可知为确保间隙不被击穿，空气间距s需满足下列条件：
（3-13）
雷绕击导线
输电线路中避雷线的安装并不能百分百的避免输电线直接遭受雷击事故的发生，绕击将有较低的几率发生，具有较大的危害性。
图3-4雷电绕过避雷线击于导线和等效电路
绕击时的电压UA为
（3-14）
4输电线路的耐雷水平和雷击跳闸率
输电线路的耐雷水平
雷击杆塔时的耐雷水平
在式（3-10）中显示了线路上绝缘承受的电压与雷电流之间的正比关系。
在绝缘子串的U50%小于Uj的情况下，绝缘将出现闪络。
实际情况中90%以上的雷电流为负极性电流，且绝缘子串下端为正极性时U50%较低，因此需U50%取下端为正极性时的值作为标准。
取式（3－10）中Uj的值为U50%时，雷击杆塔时的耐雷水平I1便可计算得到：
（4-1）
根据（4-1）可得出k越小越容易出现反击，因而计算对象需选择距离避雷线较远的输电线。
根据我国明文制定的有关条例，不同电压等级的线路在遭遇雷击杆塔时，其最低耐雷水平如表4-1。
额定电压
（kV）
35
110
220
330
500
耐雷水平
（kA）
20～30
40～75
75～110
100～150
125～175
表4-1有避雷线线路的耐雷水平
从式（4-1）可知，线路的耐雷水平受到分流系数β、杆塔电感Lgt、杆塔接地电阻Rch、导地线间的耦合系数k和绝缘子串的冲击闪络发生电压U50%等因素的限制。
在实际的防雷操作中，减小冲击接地电阻Rch和增加导地线间的耦合系数k是目前较为主流的提升线路耐雷水平的手段。
而降低杆塔接地阻Rch亦可以对一般高度杆塔的输电线路的耐雷水平有较大的提高。
绕击时的耐雷水平
通过模拟实验、实地测试和传统经验来看，绕击率Pα主要受到避雷线对外侧导线的保护角α、杆塔高度和线路经过地区的地形地貌和地质条件等条件的影响。
根据我国明文制定的有关条例，建议根据下式对绕击率Pα计算求得：
对平原地区
（4-2）
对山区
（4-3）
其中，h为杆塔高度（m）。
由式（4-2）（4-3）可得出结论，山区线路的绕击率约为平原线路的3倍，效果等同于保护角增大了8°。
忽略避雷线和输电线间发生的耦合与杆塔接地的影响，可认为当绕击发生时，雷电流波取值i/2，通过波阻抗为Z0的主放电通道传到点A。
图4－1是绕击导线示意图与等效电路图。
图中Zd为导线的等值波阻。
设导线为无穷长，则根据彼得逊法则，得到如图4－1（b）所示的等值电路。
图4－1绕击导线的等值电路
流经雷击点A的电流iA为
（4-4）
导线上的电压uA为
（4-5）
其幅值UA为
（4-6）
由式（4-6）可得出，绕击时雷电流同输电线上的电压之间成正比例关系，两者将同时增大。
当输电线上的电压大于绝缘子串的闪络电压时，绝缘子串将出现闪络现象，取UA值为绝缘子串的50％闪络电压U50%，则绕击时的耐雷水平I2的计算如下式所述：
（4-7）
我国技术规程认为
，则
（4-8）
根据规程法，35kV线路绕击耐雷水平约为；110kV线路绕击耐雷水平约为7kA；220kV线路绕击耐雷水平约为12kA；330kV线路绕击耐雷水平约为16kA；
输电线路的雷击跳闸率
输电线路在受到雷击后，需满足两点才会导致跳闸事故发生：
其一，雷击电流必须大于输电线路设计的耐雷水平，从而导致绝缘子串发生冲击闪络。
但是这一过程的的持续时间往往只有几十微秒，这一时间还不足以使线路动作导致跳闸。
而将冲击闪络转变为稳定的工频电弧则是实现跳闸的第二要素，同时满足这两个条件才会引发雷击跳闸事故。
建弧率
建弧率η是冲击闪络成功转变成稳定工频电弧的几率。
通过模拟实验、实地测试和传统经验可得知η计算为：
（4-9）
其中，E为绝缘子串的平均运行电压（有效值）梯度（kV/m）
对中性点有效接地系统
（4-10）
而针对中性点非有效接地系统，必须由两相输电线闪络出现，形成相间闪络，才能导致跳闸的发生，因此计算过程如下：
（4-11）
在式（4-10）、（4-11）中，ue为线路额定电压（输入电压有效值，单位：
kV）；l1为绝缘子串长度（m）；l2为木横担线路的线间距离（m），而对于铁质和钢筋混凝土材质的横担的线路而言，其l2=0。
在实际测试中，在绝缘子串的平均运行电压不超过6kV/m的情况下，其建弧率极其微小，可近似地认为η＝0。
有避雷线线路雷击跳闸率的计算
以下是用规程法近似计算线路雷击跳闸率。
（1）雷击杆塔时的跳闸率
每百公里线路年均（40个雷电日为一周期）所受的雷击次数N为
（4-12）
其中，γ＝次/（平方公里·雷暴日）；
h为避雷线平均高度。
取N次雷电击于杆塔塔顶从而导致跳闸事故发生的次数n1：
（4-13）
其中，g为击杆率，见表4－2；
P1即发生雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平I1的几率。
。
地形
避雷线根数
0
1
2
平原
1/2
1/4
1/6
山区
1
1/3
1/4
表4-2击杆率g
（2）雷绕击导线时的跳闸率
设n2为线路绕击跳闸率，则
（4-14）
其中，N的意义与前式相同；
Pα为绕击率；
P2为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率。
（3）线路跳闸率
由以上分析可得知，若线路总跳闸率为n，则线路的总跳闸率计算结果为：
（4-15）
5常见防雷措施
为了保证输电过程的安全有效，避免雷电灾害对输电的影响，针对雷害产生的各个因素所采取的相应措施即输电线路的防雷措施。
这些措施的应用，旨在提升线路的耐累能力，防止因雷击而导致的跳闸事故等各类雷害事故。
如图5－1所示。
以下是一些常见的线路防雷措施。
图5-1线路雷害事故的发展过程及防护措施
（1）架设避雷线
架设避雷线是当今主要防雷措施中最基本的方法之一，采用避雷线的引流和分流，保护输电线免于受到直接雷击，减少进入杆塔的雷击电流，并使塔顶电位下降，减小绝缘子上的过电压，是较为有效的一种手段，已经受到了广泛的使用。
在我国制定的相关条例中规定，110kV以上线路应当在全线路中设置保护角在20到30度之间的避雷线，且500kV线路应当设置小于等于15度保护角的双重避雷线，仅部分较少受到雷电灾害的110kV线路可不强制要求。
（2）降低杆塔接地电阻
通常高度的杆塔为了提升线路的耐雷水平，可以采用减小杆塔接地电阻的方式进行。
在大多数情况下，虽然杆塔的混凝土地基可作为接地体，但是这种接地体的导电情况并不理想，常常无法满足防雷的要求，尤其在土壤电阻率大于1000Ω·m的地区，所以需要另外添加人工接地装置。
（3）架设耦合地线
架设耦合地线由于可在线路架设完毕后进行，且设置方便，常作为对线路防雷设计的补偿措施。
这种方法以提升耦合系数的方式提高输电线的耐雷水平，且也可对雷击电流进行一定程度的分流，较为方便、有效，十分适合线路设置后的后续防雷设计。
（4）采用不平衡绝缘方式
输电线路在尽量节省线路走廊用地的前提下，逐渐的采用双回线路架设在同一杆塔上的架设方法。
这种情况下，仅需保证一条回路不发生跳闸，于是便出现了不平衡绝缘的措施，即使其中一条回路的三相绝缘子片数较少。
这种设计在发生雷击线路时，将使绝缘子片数较少的回路发生冲击闪络，然后该回路的输电线即等同于地线，可提高与另一回路的耦合作用。
这种措施结合其他的防雷设计，可极大的提高线路的防雷水平。
（5）装设自动重合闸
装设自动重合闸是一种比较恰当的防雷措施。
这不仅是因为线路绝缘具有自恢复功能，同时，线路绝缘也不会发生永久性的损坏或者老化。
我国的输电线路重合闸效率高达75%以上，因此装设自动重合闸可作为一种防止跳闸事故发生的有效手段。
（6）采用消弧线圈接地方式
针对雷电频发的地区，可用中性点经消弧线圈接地的措施来提高线路的耐雷水平。
该措施以破坏冲击闪络转变为稳定工频电弧的过程为防雷原理，通过消弧线圈可极大降低建弧率与跳闸率。
该方法多用于单相线路，而多相线路中，由于单相导线的闪络并不能引起线路跳闸，而闪络的输电线亦可作为地线提升未闪络线路的耐雷水平。
在我国，此方式的运行减少了约三分之一的雷击跳闸率。
（7）加强绝缘
加强绝缘亦可以提升线路的耐雷水平，减少雷击跳闸事故的发生，然而实际操作中这种方式受到许多因素的限制，可操作性较小。
常见的有增加绝缘子串片数等方法。
（8）安装线路避雷器
线路避雷器常用于雷电过电压极大或线路绝缘极弱的线路中。
这种装置可消去线路遭受雷击时的冲击闪络，并避免稳定工频电弧的形成。
随着氧化锌避雷器的发展，复合外套氧化锌避雷器因其重量轻、安全性能好，已成功用于多处线路上。
防雷措施的设计涉及到许多方面的因素，包括当地的雷电活动频繁程度，线路所经的地形地貌特点，线路的重要程度，系统运行方式，土壤的电阻率和材料的选用等等，在选择防雷措施时应当根据这种种因素进行考虑，借鉴当地其他线路的防雷经验，权衡经济与技术，以切合实际情况为大前提的条件下进行选择。
6针对220kV输电线路选择的防雷措施
根据传统的运行经验，雷击跳闸事故占到架空输电线路所发生的跳闸事故总数的十分之一到五分之一。
随着线路额定电压等级的升高，雷击跳闸次数会减少，但是其重要地位上升了，因此，做好高电压输电线路的防雷设计工作非常重要。
避雷线的设计
220kV输电线路采用全线架设避雷线，避雷线对边导线的保护角采用20°～30°。
避雷线在每基杆处接地，架设双根避雷线，将避雷线经过一个小间隙与杆塔绝缘起来，当雷击过电压过高时就可击穿间隙，起到降压的作用。
（a）保护范围（b）保护角
图6-1两根等高避雷线的保护范围和保护角
220kV架空线路一般架设双避雷线。
两根等高避雷线的保护范围如图4-1（a）所示：
避雷线两边外侧的保护范围用下面公式确定
（6-1）
（6-2）
两避雷线之间的保护范围横截面，是通过两线及保护范围上部边缘最低点
的圆弧确定。
点的高度为
（6-3）
式中，
——为避雷线的高度
——为两根避雷线见的水平距离
——为高正修正系数
——为导线高度
架空输电线路中避雷线对输电线的保护度以保护角α的大小来体现，α值越小，则雷电越难以击中输电线，避雷线对输电线的保护越可保证。
图6-1所示为等高避雷线的保护范围和保护角。
导线与避雷线的应力配合。
导线最大使用应力按我国相关条例规定，其安全系数应不小于，避雷线的使用应力需根据避雷线档距中央的配合要求进行计算。
在避雷线档距中央导线的距离
在档距
不超过500m的情况下，通常满足：
（6-4）
绝缘配合与防雷接地
合适的绝缘子可以极大的提升线路的耐雷水平，保证线路不发生跳闸事故。
棒类复合绝缘子的结构确保其无法被击穿，且爬距系数较大，自清洗能力较强，同等环境条件下较之盘形绝缘子，其积污更少，污闪电
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