输电线路防雷设计

此处看到的是页眉幻灯片标题输电线路防雷设计主讲人：杨博会议室：第一会议室参加人员：线路电气室人员此处看到的是页眉幻灯片标题-2-汇报目录一．防雷及接地概述二．线路走廊的雷电活动调查三．耐雷性能计算模型四．绕击耐雷性能的计算方法五．反击耐雷性能的计算方法此处看到的是页眉幻灯片标题-3-一、概述国内外运行经验表明，雷击是造成输电线路跳闸的主要原因。对于500kV超高压输电线路，线路防雷设计已经成为建设“坚强电网”的重要环节，以下从几个方面对线路防雷设计作了全面的研究工作：1）线路走廊网格法统计雷电参数；2）对于“反击耐雷性能”建立铁塔多波阻抗模型，并采用EMTP程序分析计算；3）对于“绕击耐雷性能”采用电气几何模型（EGM）进行分析计算；4）根据防雷性能的计算结果，提出防雷害应采取的措施。5）根据本工程的地质条件及林区占多数的特点，接地装置推荐采用“潜深接地技术”并配合“无腐蚀组合垂直接地极”。此处看到的是页眉幻灯片标题二、线路走廊的雷电活动调查线路的雷击跳闸率与当地的雷电气象条件有着非常密切的联系。我国幅员辽阔，各地的地理环境、气候条件差异巨大，相应的雷电气象条件也有巨大差异。如下图所示，为中国气象局国家气象信息中心在2005年正式发布的、对我国30年雷电资料进行统计整理而制作的全国雷暴日数分布图。此统计数据的整理依据国际气象组织（WMO）规定，根据我国2600多个气象站实际观测资料经过反复对比分析和校准得出的结果，具有较高的准确性和权威性。此处看到的是页眉幻灯片标题由全国雷暴日数图可以清楚地表明我国雷暴日数的分布具有非常明显的区域性，全国大致可以分成三大区域：西南和华南地区是雷暴最多的区域，年平均雷暴日大多数在70-90天左右，雷暴最多的滇南等部分地区年平均雷暴日甚至在100天以上；长江中下游、华北及东北地区属于雷暴较多区域，年平均雷暴日大致在30-80天之间；而东北黑龙江东部地区则属于雷暴较少区域，年平均雷暴日基本上在30天之内。传统的雷电参数仅能以区域(省、地区或县)为表示对象，而无法准确表示像输电线路这样跨度大、区域仅为线路走廊的特殊对象，这就无法满足输电线路防雷设计的要求。本报告采用了一种全新的统计方法—线路走廊网格法，对特高压线路走廊的雷电参数进行统计。将500kV线路走廊宽度取0.1°(约10km)，径向按0.2°(约20km)等间隔划分网格，即每个网格的大小为0.2°×0.2°，从西北到东南沿线路方向将这些网格依次编号为0～6#（图略）。线路走廊网格法不仅完全改变了用全区域代替线路走廊粗略估算，而且对线段进行等距离分隔，能详尽地表示沿线随地理及气候变化的雷电活动特征，即每段雷电参数统计值。此处看到的是页眉幻灯片标题三、耐雷性能计算模型1.杆塔的多波阻抗模型超高压输电线路杆塔较高（一般在50m以上），波沿杆塔传播时，沿塔身的单位长度电感L0和单位长度电容C0是变化的，沿杆塔分布的波阻抗也应该是变化的。因此，用简单的集中参数模型计算杆塔的波阻抗，并用来评估超高压输电线路的耐雷性能将带来较大的误差。目前，国外一些学者在试验基础上提出了超高压线路杆塔的多波阻抗模型，该模型可用于进行超高压输电线路反击耐雷性能仿真研究。由波阻抗的特性可知，垂直圆柱体的波阻抗值仅依赖于该圆柱体的半径和高度，因此可用下式描述单根垂直导体的波阻抗2260ln2ThZr此处看到的是页眉幻灯片标题2.雷电屏蔽模型基于长空气间隙放电理论建立的输电线路雷电屏蔽的先导发展模型如下图所示。图中：为避雷线高度，m；为输电导线高度，m；为线路保护角，（°）；为下行雷电先导与避雷线或其上行先导间的距离，m；为下行雷电先导与导线或其上行先导间的距离，m；为下行雷电先导与地面的垂直距离，m；为雷云高度，取2500m。此处看到的是页眉幻灯片标题目前，超高压输电线路绕击耐雷水平的计算方法仍然是沿用高压及超高压输电线路绕击耐雷水平的计算方法，主要有：规程法；电气几何模型法（EGM）；改进电气几何模型法；先导模型法；概率模型法。本专题采用电气几何模型法（EGM）常规计算方法进行计算。1.500kV双回输电线路EGM电气几何模型采用EGM模型分析500kV超高压双回输电线路的绕击现象，如下图所示本工程的电气几何模型。我们分别以避雷和导线为中心，以“闪击距离”（击距）、为半径作两圆弧，此两圆弧AiBi、BiCi和直线CiDi形成的曲线在沿线路方向组成一曲面，此曲面称为定位曲面，雷电流幅值为的先导到达定位曲面前，其发展不受地面物体的影响，仅当它下行到定位曲面时才受地面物体的影响而定位。若的先导落在AiBi弧上，则将雷击避雷线；若落在BiCi弧上，则将雷击导线（即发生绕击）；若落在CiDi线上，则将雷击大地；因此由AiBi弧和BiCi弧组成的曲面分别称为避雷线和导线对雷电流的捕雷面，而水平面CiDi为地面的捕雷面。雷电先导落在某一物体的捕雷面上，雷就必然击中该物体，这是因为先导到该物体的击穿距离比到其它物体的距离为小的缘故。不同的雷电流幅值有不同的击距，所以可画出一系列的定位曲面。四、绕击耐雷性能的计算方法此处看到的是页眉幻灯片标题500kV双回路线路绕击的电气几何模型此处看到的是页眉幻灯片标题可以证明，由于避雷线击距和导线击距近似相等，AiBi弧与BiCi弧交点的轨迹为导线与地线连线的垂直平分线，BiCi弧与CiDi线交点轨迹为一抛物线，中垂线与抛物线将整个空间分为三部分，中垂线经上部分是击中地线区，中垂线与抛物线所包围的区域为击中导线区（即绕击区），抛物线以下部分是击中地面区。随着雷电流幅值的增大，BiCi弧逐渐减小，雷电流幅值增大至值时，BiCi弧则缩减为零，相当于的闪击距离为临界闪击距离，雷击时若雷电流大于值，则不可能发生绕击。研究表明，超高压输电线路导线上的工作电压对避雷线的屏蔽性能的影响很大。对于绝大多数的负极性雷击而言，虽然雷击时刻导线上的工作电压极性可能是正的或负的且概率相同，但前者因强烈吸引雷击的作用，而导致的相应的绕击闪络率与无工作电压时相比的增量部分，要比工作电压下的绕击闪络率减少部分大得多。不同工作电压下相应的绕击闪络率如表4-2所示，表中数据是对同一呼高在相同保护角下杆塔的绕击计算结果。从该表也可看出考虑工作电压与不考虑工作电压的绕击闪络率相比高出97%。这表明本研究中在防雷绕击计算考虑工作电压对雷电的吸引是必要的。此处看到的是页眉幻灯片标题五、反击耐雷性能的计算方法雷击跳闸由反击（雷击杆塔和档中避雷线）和绕击跳闸组成，与标称电压等级和架空线路结构（杆型、避雷线根数和布置，接地电阻）等有关。在电压等级较低的线路，反击跳闸占总的雷击跳闸率的大部分，随着电压等级的提高，绝缘水平增强，反击跳闸的机率愈来愈小。在超、超高压输电线路上，绕击才是线路跳闸的主要原因。但随着杆塔高度增高，引雷面积增大，落雷次数增加，同时雷击塔顶后沿塔传播至接地装置时引起的负反射波返回到塔顶或横担所需时间也变长，使得塔顶或横担电位增高，易形成反击。所以计算超高压输电线路耐雷性能仍具有重要的意义。此处看到的是页眉幻灯片标题1）双回路耐雷水平的分析和计算以一般220kV跨越塔为例，如果hav=150米，hgv=160米，Ko=0.3，Im取75kA，则Uic为2940kV，扣除地线耦合电压，至少要求33片绝缘子。还有加上杆塔横担上的电压升高，即使接地电阻为0，也超过700kV（杆塔电感仅按0.3H考虑），绝缘子片数至少要求42片。这和实际情况不相符合。根据国内外大跨越设计经验，杆塔每升高10米加1片绝缘子是比较保守的耐雷设计，这时全高160米的跨越塔也只要24片绝缘子。由此可以证明导线感应过电压明显偏大。对于山地线路，导线平均对地都有几百米高，用该公式就更无法解释。前苏联半个世纪前的研究成果，已落后于时代。尤其不适合高杆塔的线路（如同杆双回线路和大跨越线路）和山区线路。欧美、日本承认有感应过电压，也提出计算公式，他们计算的比我国规程法计算的要小得多。他们在防雷计算中不考虑雷击塔顶时导线上的感应过电压，和前苏联、中国的做法是走了相反的极端，相差甚远。此处看到的是页眉幻灯片标题对雷击铁塔时迎面先导的长度Z的不同估计，严重影响感应过电压的计算值。我国规程法的计算公式可能源于z=r/3，r为击距。而ERWhitehead等人认为，也是目前国际比较流行的看法，z=r/2。武高所和武汉大学在《雷击杆塔塔顶时导线上的感应电压敏感性分析》研究中，基于场抵消法，利用感应电荷产生的电场与强迫电荷及电流波产生的电场相抵消以满足导体表面电场切向分量为0的边界条件，用数字计算离散化求阶跃波电荷与电流波作用下的系统响应和卷积分得到任意波形下绝缘子串两端电压。推导出经验公式：由于500kV双回路输电线路杆塔很高，而且雷电过电压不但控制线路绝缘子片数的选择，也关系到配合后的空气间隙，因此取值是否合理将直接影响工程的安全性和经济指标。本工程将应用该研究结果，同时考虑导线工作电压的影响，对500kV双回路输电线路的耐雷水平进行计算分析。另外，由于双回路导地线间距非常大，对于几何耦合系数，我们都按矩阵法求解。本报告取500kV双回路层高20米，档距430米，计算得上中下三相导线的耐雷水平，请见本报告“500kV超高压双回输电线路反击及绕击性能分析”。此处看到的是页眉幻灯片标题本报告计算中取雷电日为40个，导线采用线采用高强铝合金线4×JLHA2-400，导线分裂等效半径为450mm，同塔双回线路架设；避雷线采用GJ-100或JLB27-150；导线悬垂串为V串，V串在垂直方向投影高度为4.55m，线路平均档距取500m。1.绕击耐雷性能避雷线与导线间的保护角对输电线路绕击耐雷性能（即雷电屏蔽性能）有显著影响，基于本报告前节中介绍的雷电屏蔽模型，采用不同保护角、不同地面倾角及杆塔呼高，对同塔双回线路绕击跳闸率进行了计算，计算结果如表5.3所示，双回路大地屏蔽效应要比一般的单回路相对弱一些，在相同的保护角下，其绕击跳闸率要高一些。由表5.3可见，保护角对线路雷电屏蔽性能影响明显。取杆塔呼高54m、地面倾角=10°为例，可见随着保护角的增大，绕击跳闸率均明显增大。当保护角从-5°增加到0°时，绕击跳闸率增加了2.6倍；当保护角由0°增加到5°时，绕击跳闸率增加了90%。另一方面，输电线路的运行经验表明，山坡地段线路的绕击率大于平原地区线路的绕击率。靠近上坡侧的线路，雷电下行先导与大地的距离变短，下行先导与上山坡间更易满足最后跃变条件，更易发生雷击山坡，山坡对雷电屏蔽作用加强，该侧线路绕击率降低；而对于靠近下坡侧的线路，情况相反；但线路的总绕击率上升。由表5.3也可证明，取保护角=-5°，随着地面倾角的增加，绕击跳闸率明显增大。此处看到的是页眉幻灯片标题由以上分析可知，随着保护角的增大，绕击跳闸率明显增大，即使在负保护角下仍可能发生雷电绕击导线的情况，造成输电线路故障且发生这种情况概率还比较大，说明500kV超高压输电线路在地形为丘陵和山区的地区，杆塔有必要采用负保护角。建议500kV双回输电线路的防雷设计时应采用0°及负保护角：在平原地区或地面坡度不大（小于10°）输电线路保护角可为0°，在坡度较大（10°～30°）或是雷电活动比较强烈的地区及高海拔地区输电线路保护角选取负保护角。按照全寿命周期成本理论，从减少雷击损失的角度，在工程项目建设阶段，提高设计防范标准，结论如下：（1）500kV超高压输电线路反击耐雷水平很高，反击闪络率较低，防止绕击将是超高压防雷的主要工作。（2）杆塔采用双地线，直接通过杆塔接地。杆塔上两根地线之间的距离，不超过地线与导线间垂直距离5倍，以保证两地线联合保护作用；需要特别注意耐张塔跳线的保护不要超标，降低绕击率。（3）根据土壤电阻率参数的不同选择接地装置型式，建议接地装置采用“潜深接地技术”并配合“无腐蚀组合垂直接地极”,有效降低接地电阻的同时，保护森林植被不受破坏。此处看到的是页眉幻灯片标题谢谢Thankyou