1、目录 - 1 - 目录 摘要 . - 2 - ABSTRACT . - 3 - 第一章 绪论 . - 4 - 1.1 输电线路防雷设计的意义 . - 4 - 1.2 输电线路防雷设计的研究现状 . - 4 - 1.3 本文工作及章节安排 . - 5 - 第二章 输电线路的雷电防护 . - 6 - 2.1 雷击输电线路的原理 . - 6 - 2.1.1 雷电放电的过程 . - 6 - 2.1.2 雷电参数 . - 7 - 2.2 输电线路雷击过电压的计算 . - 10 - 2.2.1 感应雷过电压计算 . - 10 - 2.2.2 直击雷过电压计算 . - 12 - 2.3 输电线路耐雷水平的计
2、算 . - 14 - 2.3.1 绕击耐雷水平计算 . - 14 - 2.3.2 反击耐雷水平计算 . - 15 - 2.4 输电线路雷击跳闸率的计算 . - 15 - 2.4.1 雷击杆塔的跳闸率 . - 16 - 2.4.2 雷击导线的跳闸率 . - 16 - 第三章 输电线路的基本防雷措施 . - 17 - 3.1 架设避雷线 . - 17 - 3.2 提高线路绝缘水平 . - 18 - 3.3 降低杆塔接地电阻 . - 18 - 3.4 双回输电线路采用不平衡绝缘 . - 19 - 3.5 装设线路避雷器 . - 20 - 3.6 装设自动重合闸装置 . - 21 - 第四章 220k
3、V 输电线路的防雷设计 . - 22 - 4.1 避雷线的设计 . - 22 - 4.2 绝缘配合与防雷接地 . - 23 - 4.3 设计举例 . - 23 - 第五章 变电所的进线段保护 . - 26 - 5.1 避雷器雷电流计算 . - 26 - 5.2 侵入波陡度的衰减计算 . - 27 - 结论 . - 28 - 参考文献 . - 29 - 致谢 . - 30 - 摘要 - 2 - 摘要 架空输电线路是整个电力系统中的重要组成部分。由于架空输电线路分布在旷野， 纵横交错，且处于悬空状态 故极易受 到外界环境的影响和损害，其中，最主要的一个方面就是 雷电影响。雷击输电线路造成的跳闸事故
4、，在电网总事故中占很大比例（据统计，雷击跳闸占总跳闸次数的 40% 70%）。同时，当雷电波侵入变电所时，还会造成变电所内电气设备的损害 。 因此，为了尽可能降低输电线路因雷击 而引起跳闸停电事故 ， 避免 造成重大损失，必须采取适当的防雷措施，做好防雷设计工作。本文 通过学习防雷保护的原理和各种防雷措施，学习了各电压等级的防雷原则，专门对 220kV 电压等级的 单回输电线路和同塔双回输电线路进行了防雷设计研究， 并且 对变电所进线段的防雷也做 了 简单的 设计。 关键字：架空线路， 220kV，防雷设计 ABSTRACT - 3 - ABSTRACT Overhead transmissi
5、on line is one of the most important part of electric power system. Because the impractical transmission line distributes in wilderness, spreads across, therefore also is at the hanging condition extremely easy to receive the external environment the influence and the harm, among, a most main aspect
6、 is the thunder and lightning influence. Tripping Accident by lightning strikes the transmission line, Accounts for the very great proportion in the power grid total acciden(According to statistics, the lightning trip-accounting for 40% to 70% of the trip the number of total acciden). At the same ti
7、me, when the lightning wave invades the transformer substation, but also can create in the transformer substation the electrical equipment harm. Therefore, in order to reduce the transmission lines trip caused by lightning strikes as far as possible and avoids causing the heavy losses. Must take app
8、ropriate lightning protection measures and do a good job in mine design. Through the study of lightning protection principles and a variety of lightning protection measures, learn the principle of the voltage level of mine, mine design studies dedicated to 220kV voltage level of the single-circuit t
9、ransmission lines and tower double circuit transmission lines, andsimple design for substation line of lightning. Keywords: overhead line, 220kV, lightning protection design 第一章 绪论 - 4 - 第一章 绪论 1.1 输电线路防雷设计的意义 雷电是一种自然现象。我国雷电分布特点是：夏季多于春秋季，山区多余平原，南方多余北 方。雷电电压高达数百万伏，瞬间电流可高达十万安培。因此，一次雷电虽然只有 0.01 秒左右的放电时
10、间，但其释放出的能量和造成的破坏却是惊人的。 输电线路是电力系统的大动脉，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。输电线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定和向用户的可靠供电。因此，输电线路的安全运行在电网中占据举足轻重的地位，是实现“强电强网”的需要，也是向工农业生产、广大人民生活提供不间断电力的需要。 由于我国地处温带（部分地区属于亚热带气候），所以雷电活动比较强烈。漫长的输电线路穿过 平原、山区、跨越江河湖泊，遇到的地理条件和气象条件各不相同，所以遭受雷击的机会较多。据统计，我国电力系统各类事故、障碍统计中，输、配电线路的雷害事故占有很大的比例（大约占到 60%
11、以上）。由于输电线路对于保“网”的重要地位，如何减少输电线路的雷害事故成为电力系统安全稳定运行的一项重要课题。 输电线路雷害事故引起的条咋，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的恶落雷，雷电波还会沿线路侵入变电所。而在电力系统中，线路的绝缘最强，变电所次之，发电机最弱，若发电厂、变电所的 设备保护不完善，往往会引起其设备绝缘损坏，影响安全供电。由此可见，输电线路的防雷是减少电力系统雷害事故及其所引起电量损失的关键。做好输电线路的防雷设计工作，不仅可以提高输电线路本身的供电可靠性，而且可以使变电所，发电厂安全运行得到保障。 1.2 输电线路防雷设计的
12、研究现状 国内外高压、超高压线路运行经验表明，线路绝缘闪络主要是工作过电压及雷击闪络，而雷击闪络又占 60% 70%，即雷害是造成线路故障的主要原因。 我国输电线路防雷设计主要从以下几个方面着手进行： 1、 选择合理的输电线路架设路径 2、 架设避雷线 3、 降低杆塔接 地电阻 4、 在部分 地段装设线路避雷器 第一章 绪论 - 5 - 5、 提高线路绝缘水平 现代国内外输电线路防雷最常用的措施是架设避雷线。通常来说，线路电压越高，采用避雷线的效果越好，而且避雷线在线路造价中所占的比重越低。标准规定，220kV 及以上等级的输电线路应全线架设避雷线， 110kV 线路一般也应全线架设避雷线，
13、35kV 线路不宜全线架设避雷线，一般在变电所的进线段架设 1 2km 的避雷线，同时按照要求做好杆塔的接地。为了提高避雷线对导线的屏蔽效果，减小绕击率，避雷线对导线的保护角尽量做的小一些，一般采用 20 30。由于线路绝缘具有自恢复 性能，大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能自动消除，据统计，我国 110kV 及以上的高压线路重合闸成功率达 75% 95%，因此，各个电压等级的架空线路上都安装了自动重合闸装置。 由于雷电现象的复杂性和雷电活动的分散性，雷击几率受制约因数的多样性，它的危害不可能完全消除和避免。我们只能不断努力探索和尝试，使危害程度降到最低限度。 （ 1）雷电危害与气候、环境
14、、地质、设备等多种因素有关。因此，防雷工作应深入一线，掌握现场第一手资料，要有针对性地采取综合防雷措施； （ 2）防雷技术措施的实施，要进行技术经济综合比 较，合理选择。已运行线路还可能受杆塔结构强度、高度等条件的影响，因此应从实际出发； （ 3）任何防雷措施、设施都不能一劳永逸，要不断完善，勤于运行维护和检修，才能充分发挥其作用； （ 4）线路设计前期，对于路径沿线气候、地形地貌、地质情况、已运行线 路雷害情况应收集细致、完整的资料，对土壤电阻率等尽可能予以实测。 1.3 本文工作及章节安 排 本文从电力系统特别是输电线路防雷的重要性 和目前的防雷研究现状 出发，首先讲述了雷击输电线路的基本
15、原理，包括雷电放电的过程和常见常用的雷电参数。在第二章中，对输电线路雷击过电压、 输电线路的耐雷水平和雷击跳闸率的计算作了详细的介绍。第三章介绍了输电线路防雷设计的 常用的 方法 和各种电压等级防雷设计的原则。第四章是本设计的主要章节，在此章中对 220kV 电压等级的输电线路防雷做了详细的研究和设计，并且做了可行性分析和设计性能的计算。因为输电线路是连接在发电厂、变电所和用户之间传输部分，所以变电所的进线段的防雷设计也是本文的工作之一，在第五章中设计者也做了研究工作。 最后作者对本文做了一个设计总结，对设计的心得和研究结论做了讲述。 第二章 输电线路的雷电防护 - 6 - 第二章 输电 线路
16、的雷电防护 2.1 雷击输电线路的原理 雷电放电是一种气体放电现象，实测表明：当云中某一电荷密集中心处的场强达到 25 30kV/cm 时，就可能引发雷电放电。 雷电有几种不同的形式，例如线状雷电、片状雷电、球状雷电等。在电力系统中绝大多数雷害事故都是“云 -地”之间的线状雷电所造成的，所以，在此主要介绍此种雷电。 2.1.1 雷电放电的过程 在实际的经验和测验中，人们已获得“云 -地”之间线状雷电的大量照片和示波图，由此可以了解此种雷电发展的一般过程 ，如图 2-1所示。一般一次雷击分为先导阶段，主放电阶段 和余辉阶段三个主要阶段。 图 2-1 雷电放电的发展过程和如地电流波形 1 先导放电
17、 雷云下部伸出微弱发光的放电通道向地面的发展过程是分级推进的，每级的平均长度大于为 25 50m，每两级之间约停歇 30 90s， 下行的平均速度大约为0.1 0.8m/s。在先导放电阶段，出现的电流还不大，仅约为数十至数百安培。 2 主放电和迎面流注阶段 当先导接近地面时，因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，在地面或突出的接地物体上形成向上的迎面先导（也称迎面流注）。当它与下行先导相遇时，进入了第二个阶段，也就是 主放电 阶段， 出 现了强烈的电荷中和过程，伴随着雷鸣和闪光。主放电的时间极短 ，只有 50 100s，放电发展速度为 50100m/s。电流幅值高达数十甚至数百千安培。 3
18、余辉阶段 第二章 输电线路的雷电防护 - 7 - 主放电完成之后，云中剩余电荷沿着导电通道开始流向大地，这一阶段称放电的余辉（或余光）阶段，电流约为数百安培。持续时间约 0.03 0.15s， 云中的电荷主要是在这一阶段泄入大地。雷云放电往往是多重的，如图 2-1所示，即有重复雷击和箭状先导发生。 由于有多个电荷中心，有某一个电荷中心开始的先导放电到达地面 后，它的电位变为零电位。其余的电荷中心与它之间有很大的电位差，利用已有的主放电通道又发生对地放电，造成多重雷击，两次放电时间间隔约为 0.03s。由于原放电路径已游离，所以它无分支，不分级，自上而下地连续发展，称之为箭状先导。重复雷的持续时
19、间， 对于正确选定自动重合闸时间有着重要的意义。一般有 30%80%的雷暴至少有第二次重复雷击，第二次及以后的放电电流一般较小，不超过30kA。 2.1.2 雷电参数 在雷电过电压计算和防雷设计中，需要各种雷电参数，参数的变化也会导致计算结果的改变，人们就应该参考计算结果来改变 防雷措施。当前采用的雷电参数是建立在长时间雷电观测数据上的基础上的，这些参数有： （一） 雷暴日 (Td)、雷暴小时 (Th)和地面落雷密度 ( ) 雷暴日或雷暴小时是某一地区多年统计得出的平均值，是为了评价此地区雷电活动的强度。 定义一天中或一个小时内只要听到雷声，就算一个雷暴日或一个雷暴小时，据计测，一个雷暴日约折
20、合三个雷暴小时。 雷暴日的分布主要与地理位置有关。一般地，热而潮湿大的地区多于冷而干燥的地区，陆地多于海洋，山区多于平原。整个地球上，赤道附近是雷电最频繁的地区。在我国，全国年平均雷暴日约为 80 日。我国 相关规程 规定：雷暴日等于或少于 15 的地区称少雷区，雷暴日多于 40 的称为多雷区， 90 雷暴日以上的为特殊强雷区，在电力系统防雷措施设计中，应充分考虑此地区的雷暴日，因地制宜。 在雷暴小时或雷暴日的统计中，并没有区分雷云对地的放电与雷云之间的放电，只有雷云对地放电的落地雷会对供电系统造成过电压的危害，所以，需要另外一个表征参数，即地面落雷密度。它 定义在每一雷暴日、每平方公里地面所
21、受的平均雷击地面次数，用表示。根据我国的实测结果，规程上建议地面落雷密度取 =0.07，但不同的地理位置和条件下，的值会有所变化，在 电力系统选线选厂时，应注意尽量避开落雷密度 高的区域。 （二）雷电流 1雷电流幅值（ I） 第二章 输电线路的雷电防护 - 8 - 雷电流强度的指标用雷电流幅值表达，由于雷电流是产生雷击过电压的主因，因此它是重要的雷电参数。 雷击某一物体时，会产生电流，其值与其波阻抗有关，波阻抗越小，产生的电流越大。当波阻抗为零时，所产生的电流定义为 “雷电流 ”。但是实际上波阻抗不可能为零，因此，规程规定，雷击于接地电阻 30的物体时，流过雷击点的电流就是雷电流。 图 2-2
22、 我国雷电流幅值概率曲线 图 2-2是我国 目前一般地区根据常年实测整理出的雷电流幅值超过 I的 概率曲线，用经验公式可表示为： P = -88I （ 2-1） 式中， I 为 雷电流幅值的数值大小，单位为 kA； P 为雷电流超过幅值 I的概率。 部分地区的平均雷暴日只有 20 或者更少，则雷电流幅值也较小，此时公式为： P=-44I 2雷电流的波前时间（ T1）、波长（ T2）、陡度（ a） 据实测， 雷电流的波前时间大多为 1 4s 内，平均为 2.6s 左右，波长为20 100s 内。我国规程规定防雷设计中采用 2.6/40s 的波形，其中，波长对防雷计算几乎没有影响，一般可当做波长为
23、无限长。 雷电流上升的陡度是由其幅值和波前时间决定的，陡度即为电流随时间的变化率。雷电流的陡度对过电压计算有直接影响，是一个比较重要的参数， 雷电流波前的陡度平均计算公式为： a= 6.2I （ 2-2） 式中，雷电流陡度 a 单位是 kA/s，一般认为 陡度为 50kA/s 时是最大极限值。 3 雷电流极性及等值计算波形 各种实测结果表明： 75% 90%的雷电流为负极性的，且冲击过电压为负极性时波沿线路传播时衰减小，所以，在防雷设计的分析中一般按照负极性进行研第二章 输电线路的雷电防护 - 9 - 究 。 为了方便处理，在电力系统的防雷设计计算中，常要求用公式描述雷电流波形，经典型化和简化
24、以后，得到下面常用的三种计算波形，如图 2-3 所示。 图 2-3 雷电流的等值波形 图 2-3(a)是由双指数公式表示的标准冲击波形， )(0 tt eeIi （ 2-3） 式中， I0为某一个固定电流值； ， 为两个常数； t 为作用时间。这种等值计算波形表示虽然与实际雷电流波形最接近，但是比较繁琐。 当被击线路的阻抗是纯电阻 R 时， R上的电压和电流波形是相同的。冲击绝缘强度试验电压波形也用双指数波形，它的标准波前和波长为 1.2/50s。 图 2-3(b)是斜角平顶波，它的雷电流幅值 I 和波前时间决定了其陡度 a。 斜角波是最简单的数学表达式，便于用来研究与雷电流波前相关的波过程。
25、且发生于 10s 以内的各波过程用 此波形分析，有很好的等值性。 图 7-3(c)是等值半余弦波，雷电流波前的部分与半波余弦接近，公式表达为： )c o s1(2 tIi （ 2-4） 式中， I 雷电流幅值单位为 kA， =1T 为角频率。 此种波形用于分析雷电流通过电感支路引起的压降时 比较方便，在设计特高杆塔时为了使计算更加接近于实际，也采用此波形表示。 （三）雷道波 阻抗 0Z 雷电主放电时相当于导体的就是雷电通道，它有一个等值波阻抗，就是雷道波阻抗 0Z 。即解释为主放电过程可以看做一个电流波沿着波阻抗为 0Z 的雷电通道投射到雷击点 A 的波过程。假设电流入射波为 0I ，则电压入
26、射波对应的就是000 Ziu 。根据我国理论研究和实测分析，规程建议 0Z 取值 300 。 第二章 输电线路的雷电防护 - 10 - 2.2 输电线路雷击过电压 的 计算 输电线路在遭受雷击时产生雷击过电压，这是对线路乃至整个输配电系统产生危害的主要原因，在防雷设计中，必须进行研究分析。雷击线路产生的过电压可分为两种： 1感应雷过电压； 2 直击雷过电压。下面从这两种情况进行分析。 2.2.1 感应雷过电压计算 1感应雷过电压的产生 在雷云接近架空线路上空时，输电线路正处于地面和雷击与先导通道构成的电场中。因为静电感应，在输电线表面场强 E 的切向分量 xE 的作用下，与雷云异号的正电荷被吸
27、引 到靠近先导通道的一段导线上形成束缚电荷，而导线中的负电荷则被排斥到导线两侧的远方或经中性点流入大地，如图 2-4(a)所示。 图 2-4 感应雷过电压形成图 由于主放电的发展速度远大于先导放电的发展速度 ，这些电荷在导线中的移动速度较慢，由此引起的电流也较小，相应产生的电压波可以忽略不计，由此可见，在先导放电阶段导线上的电位基本不变。 如图 2-4(b)所示，开始主放电以后，先导通道中的负电荷自下而上被快速中和，因雷击而造成的静电场突然消失，导线上的束缚电荷此时变成了自由电荷 ，形成电压波，并且向导线两侧 迅速传播。此 时由于先导通道中突然中和电荷而引起的感应过电压就是雷击感应过电压的静电分量。此外，雷击感应过电压还有一个电磁分量，由于输电线与主放电通道基本垂直，所以，电磁分量较小，设计和计算时，只需要考虑其静电分量就可以。 2.无避雷线时的感应雷过电压 根据理论分析和实测结果，我国规程建议，当雷击点离开线路的水平距离 d 65m 时，导线上的感应过电压最大值 iU 可按下式计算
