特高压架空输电路防雷保护分析.docx
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特高压架空输电路防雷保护分析
特高压架空输电路防雷保护分析
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目录
摘要、引言…………………………………………………3-4
特高压输电技术的发展……………………5-7
特高压输电系统的分类……………………7
特高压直流输电系统概述…………………7-8
特高压交流输电系统概述…………………8-9
课题研究内容………………………………9-11
输电线路受雷的影响后果…………………11-16
特高压输电线路的防雷保护措施…………16-20
参考文献………………………………………………………20
摘要：
1000千伏特高压交流输电线路输送功率约为500千伏线路的4至5倍；正负800千伏直流特高压输电能力是正负500千伏线路的两倍多。
同时，特高压交流线路在输送相同功率的情况下，可将最远送电距离延长3倍，而损耗只有500千伏线路的25%至40%。
输送同样的功率，采用1000千伏线路输电与采用500千伏的线路相比，可节省60%的土地资源。
到2020年前后，国家电网特高压骨干网架基本形成，国家电网跨区输送容量将超过2亿千瓦，占全国总装机容量的20%以上。
届时，从周边国家向中国远距离、大容量跨国输电将成为可能。
在当今社会，特高压输电线路的防雷保护势在必行，线路的雷害事故的形成主要经历这样几个阶段：
首先是在过电压的作用下，线路绝缘发生闪络，然后从冲击闪络转变为稳定的工频电弧，引起线路跳闸，如果在跳闸后线路不能迅速恢复正常，就会造成供电中断。
因此我们可以从文章中的几个方面来讨论防雷保护方法。
关键词：
输电线路防雷保护措施雷击危害
引言
特高压输电线路的形成和发展的基本条件是用电负荷的持续增长以及大容量、特大容量电厂的建设和发展，其突出特点是大容量、远距离输电.用电负荷的持续增长以及大容量、特大容量电厂的建设和发展呼唤特高压电网的发展建设。
那么，在世界范围内，虽然特高压输变电技术的储备是足够的，但取得的运行经验是初步的，还存在风险和困难，有些技术问题还需要进行深入的研究，同时累积运行经验。
特高压交流输电线路具有输送容量大、输电损耗低、节约线路走廊等优点，特高压电网的建设可很好地解决超高压线路输送能力不足、损耗大、经济发达地区线路走廊紧张以及超高压系统短路容超标等问题，在发电中心向负荷中心远距离大规模输电、超高压电网互联等情况下具有明显的经济、环境优势，是我国电网发展的方向。
随着我国电力需求的快速增长，建设特高压电网已成为解决电网发展需求的必然选择。
为了特高压输电工程的安全运行和经济性，构成特高压输电网的输电线路的防雷保护是我们必须研究的课题之一。
其次随着社会的发展，特高压输电线路的过电压保护要求也越来越高，其特点是大容量、远距离输电。
一方面由于架空输电线路长度大，分布广，遭受雷击的机会很多。
据统计，架空输电线路的雷害事故在电力系统中占有很大的比重。
事故跳闸势必影响着系统的正常供电，给整个国民经济造成损失。
另外由于雷击线路所出现的过电压波，可以沿线路侵入变电所，危及所内电气设备绝缘，因此我们必须重视输电线路的防雷保护。
高压输电技术的发展
一、国际特高压输电技术的发展现状
（1）美国的特高压技术研究美国在AEP、和通用电力公司等于1974年开始在皮茨菲尔德的特高压输电技BPA术研究试验站进行了可听噪声、无线电干扰、电晕损失和其他环境效应的实测。
美国邦纳维尔电力公司从1976年开始在莱昂斯试验场和莫洛机械试验线段上进行特高压输电线路机械结构研究，并进行了电晕和电场研究，生态和环境研究、噪声和雷电冲击绝缘研究等。
美国电力研究院（EPRI）于1974年开始建设1000～1500kV三相试验线路并投入运行，进行了深入的操作冲击试验和污秽绝缘子工频耐压试验，测量了电磁环境指标，并进行了特高压输电线路电场效应的研究，以及杆塔的安装试验、特大型变压器的设计和考核的试验研究。
（2）前苏联的特高压技术研究20世纪60年代，前苏联为了解决特高压输电的工程设计、设备制造问题，国家组织动力电气化部技术总局、全苏电气研究所、列宁格勒直流研究所全苏线路设计院等单位济宁特高压输电的基础研究。
从1973年开始，前苏联在白利帕斯特变电站建设特高压三相试验线段，长度1.17km，开展特高压实验研究。
1150kV设备由白利帕斯特变电站的500kV开关站通过一组1150/500/10kV，3×417MVA自耦变压器供电。
（3）特高压电网在我国的发展前景主要取决于我国能源资源的地理分布、能源传输需求和变化趋势。
我国能源以煤炭、水电、石油和天然气为主，但我国能源产地和需求地分布极不均衡，煤炭资源大部分集中在西北地区，其中新疆、内蒙古、山西、陕西四省（区）占全国资源量的81.3﹪，而需求大量能源的用户集中在我国沿海、京津唐和中部地区。
我国原煤需求量巨大，2020年可能达到30亿t/年。
如果将大量的煤炭从西北煤炭基地远距离运送到上述能源匮乏地区，每年需要消耗大量运输燃料油和电力。
从长远的发展趋势看，随着全球石油资源哦日渐稀缺，未来的运输成本将逐步上升，并最终影响到煤炭运输能力。
因此，在我国有条件建设矿口电站的地区发展煤电，将部分煤炭转变成电能，再通过特高压电网向远方的负荷中心输送，实现输煤和输电两种输能途径并举，是十分必要的。
此外，我国水利资源主要集中在西部，据统计，我国可开发水力资源约2/3分布在西部的四川、云南、西藏三省区，大量的水能需要转换成电能向我国东部、中部和南部负荷中心输送。
为了减少输电损耗和输电走廊占地面积，西电东送输电工程也需采用输电能力强、输电损耗低的特高压交流或直流输电线路。
因此发展特高压输电网是符合我国能源传输和供给的基本需求的，是应对未来石油危机的一项重大举措。
到2020年，全社会用电量和装机容量预计分别达到56723亿kWh和9.51亿kW，煤电容量6.71亿kW，装机所占比例高达70﹪，发电量所占比例75﹪以上。
水电装机容量2.46亿kW，装机所占比例为25.9﹪。
中国发电能源的基本条件决定了以煤电和水电为主的电源结构在很长时期内难以改变。
今后25年，我国风能、太阳能、生物质能、氢能、煤层气等发电机组装机容量占总装机容量的比例很小，对我国主干电网结构影响很小。
建设以特高压电网为骨干网架的国家电网，是电力工业可持续发展的科学选择。
该网架应具有强大的输电网络功能和灵活的可扩展性，可适应远景能源流的变化，促进电力市场的发展，为实现跨大区、跨流域水火电互济和全国范围能源资源优化配置提供充分支持，满足我国国民经济发展的需要。
二、特高压电网的发展目标
发展特高压输电有三个主要目标:
（1）大容量、远距离从发电中心向负荷中心输送电能。
（2）超高压电网之间的强互联，形成坚强的互联电网，目的是更有效地利用整个电网内各种可以利用的发电资源，提高互联的各个电网的可靠性和稳定性。
（3）在已有的、强大的超高压电网之上覆盖一个特高压输电网目的是首端和末端之间大容量输电的主要任务从原来超高压输电转到特高压输电上来，以减少超高压输电的距离和网损，是整个电力系统能继续扩大覆盖范围，并更经济更可靠运行。
建设这样一个特高压电网的必然结果是以特高压输电网为骨干网架，形成特高压、超高压和高压多层次的分层、分区，结构合理的特高压电网。
发展特高压输电的三个目标，实际上也是特高压输电的三个主要作用。
如何发挥特高压的输电作用，由国家电力工业的的发展环境决定，同时也受到环境的制约。
国家特高压骨干网正在逐渐形成。
根据超高压电网形成的过程、规律和特高压输电的作用，以及中国发电资源和负荷中心的地理分布特点，中国特高压输电预计将从特高压远距离大容量输电工程或跨省区电网的强互联工程开始，随着用电负荷的持续增长，更多高效率的特大型发电机组投入运行、更多大容量规模发电厂和发电基地的建设，“西电东送、南北互供”输电容量的持续增加，将逐渐发展成为国家特高压骨干网，从而逐步形成国家特高压电网。
三、发展特高压的意义
从中长期来看，我国能源消费仍将以煤炭为主，而我国煤炭资源多分布在西部和北部地区。
与此相对应，东中部地区已经基本没有环境空间。
考虑到东西部地区在环境空间、人口密度、电源装机密度等方面的差异，通过发展特高压电网，加大西部、北部煤炭产区燃煤电厂建设和电力外送力度，将煤炭资源更高比例地转化成电力，并远距离输送至东中部地区，既可以缓解东中部地区的环境压力，充分利用西部、北部地区的环境容量空间，又可以减少全国的环境损失，具有较大的环境效益。
提升社会效益增强能源供给安全性，相较于超高压输电，特高压输电还能够大量节省输电走廊，节约宝贵的土地资源。
我国西部地区地广人稀，建设燃煤电厂的土地使用条件较为宽松。
东中部地区经济发达、人口密集，土地价值高，资源十分稀缺。
通过扩大跨省跨区电力输送规模，可以大量节约东中部土地资源，在西部、北部利用价值较低的土地资源建设电厂，替代东中部建厂的土地占用，通过产业布局在全国范围内的优化，进一步提高土地资源的整体利用效率。
发展特高压电网，实际上还节约了燃煤运输资源，能够更好地保障电力供应。
未来，随着东中部地区煤炭资源的逐渐枯竭和环境条件制约，煤炭生产建设重点逐步西移、北移，煤炭运输距离将越来越远，规模将越来越大。
发展特高压电网，“输煤输电并举、加快发展输电”是解决我国煤电运综合平衡难题的关键举措，对提高能源生产、转换、输送和利用效率，优化利用全国环境资源，增强能源供给的安全性意义重大。
特高压输电系统的分类
特高压输电技术是指在500kV以及750kV交流和±500kV直流之上采用更高一级电压等级的输电技术，包括交流特高压输电技术和直流特高压输电技术两部分,由特高压骨干网架、超高压、高压输电网、配电网及高压直流输电系统共同构成的分层、分区,结构清晰的大电网。
特高压输电是在超高压输电的基础上发展的，其目的仍是继续提高输电能力，实现大功率的中、远距离输电，以及实现远距离的电力系统互联，建成联合电力系统。
其具体分为特高压直流输电系统和特高压交流输电系统。
特高压直流输电系统概述
特高压直流输电的电压等级概念与交流输电不一样。
对于交流输电来说，一般将220kV及以下的电压等级称为高压，330～750kV的称为超高压,1000kV及以上的称为特高压。
直流输电则稍有不同，±100kV以上的统称为高压；±500kV和±600kV仍称为高压，一般不称为超高压；而超过±600kV的则称为特高压。
项直流输电工程而言，通常根据其送电容量、送电距离等因素进行技术、经济方面的综合比较，对工程进行个性化设计而确定相应的直流电压等级。
我国对特高压直流输电的电压等级进行研究和论证时，考虑到我国对直流输电技术的研发水平和直流设备的研制能力，认为确定一个特高压直流电压水平是必要的，并把±800kV确定为我国特高压直流输电的标称电压。
这有利于我国特高压直流输电技术和设备制造的标准化、规范化、系列化开发，有利于进行我国特高压直流输电工程的规划、设计、实施和管理。
特高压直流输电的特点：
①电压高，高达±800kV。
对与电压有关的设备，如高压端（±800kV）的换流变压器及其套管、穿墙套管、避雷器等研发提出了高要求；对承受±800kV的外绝缘，如支持瓷柱、线路绝缘子等需要进行新的研发。
②送电容量大。
规划的特高压直流输电工程的送电容量高达5GW和6.4GW，相应的直流额定电流将达到3125A和4000A。
③送电距离长，长达1500km，甚至超过2000km。
目前，特高压直流输电技术在全世界都还没有成熟的应用经验，在可行性研究阶段不仅需要对电磁环境影响、绝缘配合和外绝缘特性等关键技术进行研究，而且还需要结合特高压的特点对输电方案拟定、换流站站址选择、线路路径选择以及系统方案比较等主要技术原则进行充分论证，才能为项目业主和政府主管部门提供可靠的决策依据。
在全世界范围内，20世纪80年代前苏联曾动工建设哈萨克斯坦—中俄罗斯的长距离直流输电工程，输送距离为2400km，电压等级为±750kV，输电容量为6GW；巴西和巴拉圭两国共同开发的伊泰普工程采用了±600kV直流和765kV交流的超高压输电技术，第一期工程已于1984年完成，1990年竣工，运行正常；1988-1994年为了开发亚马逊河的水力资源，巴西电力研究中心和ABB组织了包括±800kV特高压直流输电的研发工作，后因工程停止而终止了研究工作。
特高压交流输电系统概述
特高压交流输电是指1000千伏及以上的交流输电，具有输电容量大、距离远、损耗低、占地少等突出优势。
特高压交流输电线路具有输送容量大、输电损耗低、节约线路走廊等优点，特高压电网的建设可很好地解决超高压线路输送能力不足、损耗大、经济发达地区线路走廊紧张以及超高压系统短路容量超标等问题，在发电中心向负荷中心远距离大规模输电、超高压电网互联等情况下具有明显的经济、环境优势，是我国电网发展的方向。
特高压交流输电系统具有如下的优势：
按自然传输功率计算，1条特高压线路的传输功率相当于4～5条500kV超高压线路的传输功率（约4000～5000MVA），这将节约宝贵的输电走廊和大大提升中国电力工业可持续发展的能力。
技术的角度看，采用特高压输电技术是实现提高电网输电能力的主要手段之一，还能够取得减少占用输电走廊、改善电网结构等方面的优势；从经济方面的角度看，根据目前的研究成果，输送10GW水电条件下，与其它输电方式相比，特高压交流输电有竞争力的输电范围能够达到1000～1500公里。
如果输送距离较短、输送容量较大，特高压交流的竞争优势更为明显。
特高压交流输电的发展前景：
电力系统和输电规模的扩大，世界高新技术的发展，推动了特高压输电技术的研究。
从上世纪60年代开始，前苏联、美国、日本和意大利等国，先后进行基础性研究、实用技术研究和设备研制，已取得了突破性的研究成果，制造出成套的特高压输电设备。
前苏联已建成额定电压1150kV（最高运行l200kV）的交流输电线路1900多公里并有900公里已经按设计电压运行；日本已建成额定电压l0OOkV（最高运行电压llOOkV）的同杆双回输电线路426公里。
百万伏级交流线路单回的输送容量超过5000MW，且具有明显的经济效益和可靠性。
课题研究内容
输电线路雷击后果的学习是为了防止线路绝缘闪络、防止线路跳闸、保证供电持续，我们应该采取防雷措施。
例如：
架设避雷线、降低杆塔接地电阻、埋耦合地线、采用中性点非有效接地方式、加强线路绝缘、装设自动重合闸等。
前苏联从上世纪60年代开始研究特高压输电防雷技术，集中了政府、科研、设计和大专院校等庞大的技术力量，按照理论研究、实用技术研究和试验、电气设备研制和工业性试验运行考核三大步骤进行了大量的工作，研究取得了突破性的进展，获取的数据和资料可以满足工程建设的需要[5]。
为了研究1150kV线路的雷击特性以及雷电跳闸的概率，前苏联对于杆塔上雷电流的测量、雷击线路的位置等的综合研究从1985年就已经开始了，下表是俄罗斯500kV,1150kV两种输电线路从1985到1994十年间按跳闸原因分类的跳闸数和自动重合闸后线路的稳定跳闸数[1]。
由表1可以看出，随着线路额定电压的增加，雷电跳闸占跳闸总数的比例上升，从500kV的17.5%增加到1150kV的84.2%，雷电事故跳闸占事故跳闸总数的比例也从500kV的12.23％增加到1150kV的75%；但是线路每百公里的平均跳闸率却随着线路额定电压的增加而减少，1150kV的每百公里的平均跳闸率仅为500kV的三分之一左右。
表一：
前苏联500KV、1150KV两种输电线路1985-1994年按原因分类的跳闸数
跳闸原因
500KV线路（73531KM）
1150KV线路（12124KM）
跳闸数
稳定跳闸数
跳闸数
稳定跳闸数
运行、检修、设计缺陷
19
13
2
1
设备制造及材料性能变化
19
14
0
0
外界干扰、自然因素
175
81
1
1
其他原因
103
14
0
0
雷害
67
17
16
6
跳闸总数
383
139
19
8
雷击占跳闸总数的百分比
17.49%
12.23%
84.21%
75%
该结果方面说明了由于1150kV特高压输电技术要求较高，因而线路的设计、建造、调试都是由具有专业技能的运行人员专门负责的，从而使得1150kV线路的稳定性大大提高，线路平均跳闸率大大降低；另一方面也表示由于特高压输电线路结构的增大，在人为因素对系统的影响可以忽略的前提下，使得不能控制的自然界的影响显得更加巨大，其中雷害在自然界对特高压线路的跳闸影响中又占主要地位。
运行数据分析通常把雷击线路跳闸归结为两部分：
雷击杆塔引起的绝缘子串反击闪络跳闸及雷电绕击到避雷线保护范围内击中相导线的绕击跳闸。
借鉴前苏联特高压输电线路防雷运行经验，我国发展特高压线路可采取以下措施降低雷击跳闸率：
（1） 杆塔高度越高、地面倾角越大、线路保护角就越大,线路绕击跳闸率也就越高，增加绝缘子片数可以降低绕击跳闸率。
采用悬挂式避雷器，以降低线路上的雷电过电压，减小绝缘子串闪络次数。
或者降低保护角，以减小边相导线的绕击率。
如日本的1000kV高压线路采用双回路自立式铁塔，保护角设计为负值，则其绕击率非常小。
（2）改进导线布置，减小中间导线绕击率。
可将三相导线按倒三角形排列以降低中间导线的高度，减小绕击率。
（3）随着输电电压的升高，杆塔高度对绕击率的影响明显增加，因此，要求尽可能降低杆塔高度。
同时, 为了减少雷击造成反击，可限制杆塔冲击接地电阻在10Ω以下。
（4） 特高压输电线路杆塔上较高的绝缘强度,使其具有较良好的承受雷电反击的能力。
但杆塔较高的同塔双回线路比单回路要差。
如特高压架空输电线路采用此种塔型,需要遵循线路雷击选择性规律,妥善作出因地制宜的良好防雷设计。
（5）特高压输电线路雷电绕击闪络是雷击跳闸主要起因。
若进一步减小绝缘子串长度，降低绝缘冲击强度，同时使得避雷线与导线之间垂直距离缩短，将会增大雷电绕击率。
这对避雷线正保护角线路，是一个最不利的影响因素，可采取增高避雷线支持高度或防止档中避雷线移动。
特高压输电线路防雷技术是一项技术十分复杂的系统工程,需要解决的问题很多。
正确的设计应该可以解决特高压线路的防雷击问题。
如通过降低杆塔的接地电阻减小反击率，全线采用负屏蔽角、三相导线倒三角形排列等措施来降低绕击率等。
前苏联在特高压线路防雷方面开展了大量卓有成效的工作，这些科研成果都可以作为我国特高压工程建设参考资料。
同时，前苏联特高压交流工程整体运行情况良好，积累了丰富的运行经验。
国内进行防雷技术的研究,既要考虑难度问题,也要把握方向,应吸收国外的先进经验,加强理论的研究,积极进行新技术新工艺的研究, 提高设备的制造技术，提高设备质量和技术水平。
输电线路受雷的后果
1、输电线路的感应过电压
感应雷过电压是指在电气设备（例如架空电力线路）的附近不远处发生闪电，虽然雷电没有直接击中线路，但在导线上会感应出大量的和雷云极性相反的束缚电荷，形成雷电过电压。
在输电线路附近有雷云，当雷云处于先导放电阶段，先导通道中的电荷对输电线路产生静电感应，将与雷云异性的电荷由导线两端拉到靠近先导放电的一段导线上成为束缚电荷。
雷云在主放电阶段先导通道中的电荷迅速中和，这时输电线路导线上原有束缚电荷立即转为自由电荷，自由电荷向导线两侧流动而造成的过电压为感应过电压。
2、雷击过电压
雷击的三种主要形式：
直击雷：
带电的云层与大地上某一点之间发生猛烈的放电现象，称直击雷。
避雷针并不能百分之百的拦截上空来的雷电，有的雷电并不是经最短的路径泄放电流，有时绕过避雷针，对建筑物产生侧击或绕击。
据外国有关资料介绍，一个直击雷不仅仅影响到被击中的对象，而且对周围半径1.5km范围内都有影响。
感应雷：
强大的脉冲电流对周围的导线或金属物体产生电磁感应发生高电压，以致发生闪击的现象，也叫二次雷。
当感应到导线时传输的距离更远。
一小女孩雨淋后，跑回家，欲打开金属大门，结果被击倒，抢救无效死亡。
球形雷：
在雷电频繁的雷雨地区，偶尔会发现紫色、殷红色、灰红色、蓝色的“火球”。
这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平移，有时滚动。
这些火球一般直径10几cm，大的超过1m，存在的时间从几s到几min，一般为几s的居多。
而雷电过电压指雷云放电时，在导线或电气设备上形成的过电压。
由于特高压输电线路杆塔高度高，导线上工作电压幅值很大，比较容易产生从导线向上先导，从而引起避雷线屏蔽性能变差。
雷击是造成输电线路跳闸停电事故的主要原因输电线路雷害事故引起的跳闸，不但影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上落雷，雷电输电线路的雷害事故引起的跳闸，不断影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且由于输电线路上的落雷引起的雷电波可能会沿着线路侵入变电所，造成不可估量的财产损失和人员伤亡。
2、
（1）输电线路雷电绕击的计算方法
用电气几何模型，采用EGM进行特高压直流线路绕击雷电性能的评估。
EGM的基本原理为：
由雷云向地面发展的先导头部到达距被击物体临界击穿距离（简称击距）的位置以前，击中点是不确定的，先到达哪个物体的击距之内，即向该物体放电，击距同雷电流幅值有关。
且采用了IEEE标准所推荐的击距公式，见式（2-1）、（2-2）。
………………（2-1）
………………（2-2）
式中：
I—雷电流，kA；
rs—雷电对避雷线的击距，m；
rg—雷电对大地的击距，m；
yc—导线平均高度，m。
对于导线的击距首先还需考虑其上的工作电压，雷电对导线的击距可由下式确定。
………………（2-3）
式中：
rc—雷电对其上有工作电压的导线的击距，m；
Uph—导线上工作电压瞬时值，MV。
其次是地势影响，将地形分成三类：
平原、丘陵和山岳。
对于这三类地形，在确定导线高度的参数时采用不同的原则，如：
平原的导线高度取导线平均对地高度，即考虑了导线弧垂；丘陵的导线高度取导线悬挂高度；山区的导线高度取2倍的导线悬挂高度。
导线对地的平均高度
因地形而异，计算方法见下公式：
………………（2-4）
各种地形下避雷线对地的平均高度
计算方法见公式（2-5）：
………………（2-5）
式中：
—杆塔上导线高度；
—杆塔上避雷线高度；
Sd—导线弧垂；
Sb—避雷线弧垂。
再次是雷电入射角，以往在进行常规的输电线路雷电绕击计算中，雷电先导是按垂直大地考虑的，但实际上也有雷电先导侧向击中导线的情况发生，所以在本次绕击计算中考虑了雷电先导和垂直大地平面成一定入射角（Ψ）的情况，入射角概率密度（g（Ψ））采用日本的研究成果，如式（2-6）所示。
………………（2-6）
（2）、输电线路雷电反击计算方法
输电线路雷电反击计算采用行波法计算。
运行经验证明，雷击避雷线的档距中间且与导线发生闪络引起闪络的情况是极罕见的，可不予考虑。
故在反击计算中仅考虑了雷击杆塔的情况。
雷击塔顶时，导线上的电压uc有如下3个电压分量：
uc＝
（1－ko）＋
kco＋Uphsinωt………………（2-7）
式中：
uR—雷击塔顶在导线上形成的感应过电压分量；
—雷击点（塔顶、避雷线）的电压；
Uph—导线上工作相电压峰值；
ko—避雷线与导线间的几何耦合系数；
kco—避雷线与导线间考虑避雷线上冲击电晕影响后的耦合系数。
雷击杆塔时，导线上的感应过电压的磁分量比电分量要小得多，故仅考虑后者。
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