输电线路雷电绕击跳闸率计算方法分析.doc

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输电线路雷电绕击跳闸率计算
摘要
经济的快速发展离不开电力系统的不断扩展和完善,随着电力系统容量的不断扩大,拓扑结构日趋复杂,对输电线路故障的研究和防止成为追求系统安全稳定运行这一目标的重要课题。输电线路的雷击跳闸事故占输电线路事故的60%以上,尤其是在山区的输电线路,由于特殊的地理环境和多变的气候条件导致雷击成为线路故障的主要原因。
根据国内外输电线路的运行统计结果,雷电绕击事故是雷击线路故障中的比例最高,也是输电线路跳闸事故的主要原因。因此,开展输电线路雷电绕击跳闸率计算研究,对于制定有效地防雷保护措施,指导我国输电工程线路防雷设计,提高电力系统安全可靠性具有重要的意义。
本课题主要研究雷电绕击的机理,输电线路雷电绕击对输电可能产生的影响。在此基础上开展输电线路雷电绕击跳闸率计算方法分析,掌握几种不同计算方法的优缺点以及适用范围,并利用其中的一种计算方法对某一实例进行验证分析。最后为输电线路制定有效地防雷保护措施以及指导我国输电工程线路防雷设计提供理论依据。
关键词:输电线路,跳闸率,雷电绕击
Abstract
Rapid economicdevelopmentis inseparable fromthecontinuous expansionandimprovementof thepowersystem,with thegrowing capacity ofthe powersystem andthe topologyincreasinglycomplex,researchingandpreventing faults ontransmissionlines topursuesystemsafe andstableoperationbecameanimportantsubject ofthegoal。LightningAccidenttransmissionaccounts thetransmissionlineaccidentsformorethan 60%, especiallyinthemountainsoftransmission lines,due tothespecialgeographicalenvironmentandchanging climateconditionsthatcauselightningtobecomethemain reasonfor
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thefaultintheline.
Accordingtothe statistical results athomeandabroadto runtransmissionlines, lightning shieldingfailurewasthehighest proportionofLightning strokefault,whichis also themainreasonfortripping , developingthecalculation researchof transmission linelightningflashoverrateofshieldingfailureforeffectivelightning protectionmeasurestoguidethedesignofthe transmissionlinelightningprotection engineering,improvepowersystemsecurityandreliabilityisofgreatsignificance.
Themainsubjectofthisarticle istostudy the mechanismoflightningshielding,andtheeffect oflightningshielding transmissionlinesontransmission。On the basisofittodevelopthetransmissionlinelightningstriketrip out ratecalculationmethod analysis,to graspthe scopeof theadvantages anddisadvantagesaswellasseveral differentcalculationmethods,andtheuseofacalculation ,thedevelopmentofeffectivelightning protectionmeasures,andguideourengineering lightningprotectiondesignoftransmissionlinestoprovidea theoretical basisforthetransmissionlines.
Keywords: transmissionlines,tripping rate ,lightningshieldingfai
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1。1课题研究的背景和意义 1
2

第二章 雷电绕击的机理 4

2。2雷电绕击的机理 4
4
5
2。 8
第三章输电线路雷电绕击跳闸率计算方法ﻩ9
3。1规程法 9
10

-EMPT仿真计算方法ﻩ14
第四章 电气几何模型法ﻩ15

15
。2地面落雷密度ﻩ15

4。2 电气几何模型 16
4。 16
4。 19

第五章案例分析ﻩ25
案例分析一 25
5。2案例分析二 28
第六章总结与展望 37
参考文献ﻩ38
谢辞ﻩ40
33/36
第一章绪 论

随着我国国民经济的快速发展,我国电力系统发展的步伐日益加快,电力系统容量不断增长,网络结构不断扩大,系统发生故障的可能性也日趋增加。总所周知,故障的发生往往导致各种不同严重程度的后果,最终可能导致用户供电的中断。而随着技术的发展和人民生活水平的提高,用户对电网的安全可靠性以及电能质量的要求不断提高,因此提高输电线路的安全性和可靠性,降低输电线路发生故障的可能性是当前电力系统努力追求的目标。
输电线路是电力系统的重要组成部分,输电电路的各项性能指标都是衡量电力系统安全可靠运行的主要参数,因此为了持续可靠地给用户输送电量,必须保证输电线路的正常运行,避免故障发生。电力系统的输电线路一般设置在旷野,由于地理位置的特殊性以及自身结构特点使得输电线路容易遭受雷击,而雷击会感应过电压,破坏输电线路的绝缘性能,甚至可能造成较大的短路电流,损坏相应的电气设备,这一系列都很有可能导致跳闸,从而会危及电力系统的安全运行。
据大量的数据调查统计,雷击是高电压及超高压输电线路的主要事故之一。2003年国家电网公司跨区电网输电线路发生雷击跳闸故障占输电线路总事故数的45%,2004年占总事故数的34%,即使在2005年,冰雪灾害导致了电力系统大批量的事故,雷击事故仍占到了17%;其中,在110KV-500KV高压输电线路事故统计中,%。从这些数据中,很明显可以看到雷击跳闸故障在输电线路各类故障位居前列,而在220KV及超高压输电线路的运行中,雷电绕击是导致线路跳闸最主要的原因,雷电绕击跳闸约占雷击跳闸的60%以上,尤其在山路地区,所占比例更是达到了80%-90%.
雷电绕击引起的输电线路的跳闸,不仅影响电力系统的持续供电,无法满足用户用电需求,还有可能导致输电线路上相应的电气设备遭受破坏,增加电力系统维修的工作量和运行费用,而且雷击产生的过电压引起的过电流会输电线路进入发电站,引起电气设备绝缘破坏,进一步扩大了事故的范围,对系统造成的危害不容忽视。
雷击主要分为直击雷和感应雷,直击雷是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象,直击雷的电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏,电流峰值可达几十KA乃至几百KA, 雷云所蕴藏的能量在极短的时间(其持续时间通常只有几us到几百us)就释放出来,从瞬间功率来讲,是巨大的
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,因此其破坏性很强,直击雷直接作用到杆塔或者绕过避雷线直接作用到输电线路上,称为绕击,,雷电到达距离输电线路一定距离时,输电线路会感应出高电压,进而产生过电流,导致系统跳闸。
雷电绕过避雷针或避雷线直接作用到输电线路,称为雷电绕击,雷电绕击是导致系统跳闸的主要原因。因此对输电线路雷电绕击的现象的研究以及对雷电绕击跳闸率的计算研究讲对于采取相应的防雷措施,降低输电线路事故雷击可能性,对电力系统的安全可靠运行具有重要的意义。

在上个世纪60年代之前,由于电力系统电压等级较低,输电线路的主要雷害形式是雷击地面感应雷过电压和雷击杆塔反击,对于输电线路雷电绕击特性的分析主要是通过现场观测和统计,在此之上建立的分析方法被称为经验公式法或规程法。
20世纪60年代之前,,Golde最早提出将雷电强度与闪击距离联系起来,得出了不同强度雷的保护半径。随后,Wagn—er等提出了回击电流与先导通道电荷分布的关系,并得出离地不同高度的雷先导头部电位的计算方法,成为发展电气几何模型(EGM)的基本手段。1963年,—1971年,Whitehead、Brown等人进行了线路雷闪机制的大规模现场试验研究,根据计算分析和现场试验结果,完善和发展了分析线路绕击的电气几何模型,被称为Whitehead理论(简称W’SEGM)。Sargent、Eriksson等人在EGM的改进和推广应用方面作了大量工作。改进的EGM进一步考虑了杆塔高度、弧垂等各种因素的影响,成为分析雷击性能的基本模型。
近年来,随着研究的不断深入,Dellera和Garbagnati结合长空气间隙放电的研究成果提出新的一种计算模型,即先导发展模型,引入了侧面距离和屏蔽失效宽度的基本参数,并且分段对线路和杆塔出的雷电屏蔽情况进行分析,大大提高了该模型在输电线路雷击跳闸了计算的适应性。但是计算中所用到的一些参数以目前的手段还不容易确定,虽然这种模型具有一定的先进性和发展前景,但是还尚不成熟,还需要做大量的研究来不断完善该模型.
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得益于计算机技术的快速发展,研究者们通过计算机技术在基于架空线路的实际布线结构和杆塔参数基础上,以及考虑运行电压、雷电参数和波传播过程等建立计算模型,提出了EMTP仿真计算法,以绝缘子闪络电压值为判断依据模拟雷击过程,计算杆塔的耐雷水平。
我国关于输电线路雷电绕击计算方法的相应参数的相关规定,如DL/T620—《交流电气的过电压保护和绝缘配合》等都随着计算方法的不断改进而得到完善,输电线路雷电绕击计算方法的多样性和不确定性还有待进一步研究。
1。3本文主要工作
第一章了解输电线路雷电绕击对输电可能产生的影响,介绍雷电绕击跳闸率的发展历程和现状。
第二章 介绍雷电绕击对输电线路造成的危害,以及雷电绕击具体的作用方式和原理。
第三章熟悉输电线路雷电跳闸率计算的几种方法,并分析其原理、优缺点和适用范围.
第四章详细介绍一种基于改进的电气几何模型计算输电线路雷电绕击跳闸率的计算。
第五章结合具体的案例对第三章的改进的电气几何模型进行分析验证
第六章对输电线路雷电绕击跳闸率的计算以及其意义和重要性进行总结,同时对计算方法的不断优化和完善进行展望。
第二章雷电绕击的机理

雷电是很普遍的自然现象,本质上是气体放电的过程,雷电对人类的自然资源和物质文明造成的损失是自古以来人们都很重视的问题,雷电引发的森林火灾,电力系统输电线路的破坏等等都给人类带来的极大的损失,对于输电线路以及电网的安全考虑,雷电的危害主要体现以下
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两个方面:第一方面是雷电在距离输电线路一定距离时,就会引起很高的过电压,导致相应的电气设备动作,即跳闸,以切断运行线路,隔离故障区域,避免造成更大的损失;但是这过电压导致的停止供电以及对周围设备的绝缘水平和耐受能力都受到破坏,对人员、,导致雷电击中的部位炸毁、燃烧等,使得导线损毁或熔断,除此之外巨大电流产生的强大电动力会造成杆塔等电力设备的机械损伤。雷电对输电线路的损害主要通过感应雷和直击雷两种形式,其中直击雷有分为直接雷击到输电线路杆塔部分和绕过避雷线或避雷针直接雷击到输电线路上,称绕击。根据大量线路雷电跳闸故障统计资料,对于电压等级为500kV及以上的超高压、特高压输电线路,雷电绕击是雷电对输电线路的影响最主要的部分,也是导致线路跳闸最主要的原因.

2。
云层中的冰晶等物质经过一些复杂的过程带上正电荷或者负电荷,一般情况下,负电荷积聚在云层的下部,反之,,带有这些带电中心的云就称为雷云。负电荷中心距离地面为500—10000米,电压约为100MV流注停顿形成先导,先导分级向前发展,流注最后一次停顿后形成主放电,主放电阶段产生了闪电和雷声,但仅有30%的电荷复合掉,70%的电荷在余辉阶段复合。-,电流为数百安.
雷电先导会随着各种各样的随机因素不断接近地面,,同时雷电先导在这过程中通过各种方式寻找最佳释放能量的途径,因此像地面发展的方向是随机的,根据先导头部附近空气的电场的最大值不断调整方向,最终雷电击中的位置由先导前方的电场分布情况决定。雷电先导头部的电场的大小主要决定了接地体产生迎面的先导的大小。雷电先导不断逼近物体的同时,物体会产生相应的迎面先导(也称为上行先导)以拦截雷电先导,物体的材质和形状以及所处的地理位置特征都会影响迎面先导的大小,进而影响其拦截雷电先导的能力,从而决定了雷电先导是否向该物体发展。
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雷电先导头部的电荷游离区的半径大小直接决定了先导也就是雷电所能接触到的物体范围,也就决定了击中物体的位置的方位和距离。雷电先导最终对地面击中的位置,,影响雷电头部的电位和电流幅值的大小。绕击指雷电先导绕过避雷线或避雷针等保护设施直接作用到被保护物(如导线)上。雷电先导闪击根据先导头部的电荷量大小和电位高低分为高幅值雷电先导和低幅值雷电先导。
2。
根据其概念就可以知道,高幅值雷电先导指的是雷云先导具有较高的电荷量和电位,头部电荷产生的电场强度较大,使得地面上的较高的建筑物容易产生迎面先导也就是上行先导。大部分的雷云先导在未到达地面建筑或其他物体时就会被感应的迎面先导给拦截住,,速度快,因此定位雷击位置时间快,同时被雷击的定位高度也高,也就是说大部分的高幅值雷电先导会被相对较高的物体所吸引,击打到物体的顶部。因此高幅值雷电先导更容易击中物体顶部,这不仅仅与自身所带电荷量的多少有关,还与雷电先导头部的电位有紧密联系。但这不意味着高空高幅值雷电先导都直接击中顶部,也有可能发展成绕击,也就是越过这个顶部,击打到其他位置,如绕过避雷针或避雷线,,高空高幅值先导头部发展方向是随机的,在向下发展的过程中,能量不断在损耗,幅值也按一定的规律衰减,这个过程受到多种因素的影响,比如气候条件,地形特征,接地体的材质等。在其向下发展的过程中,如果受到了迎面先导的拦截,从而向其闪击或者绕击,见图2-1所示。
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图2-1 低空雷电先导的特性
特别是在雷电先导已经进入到了输电线路杆塔的侧面时,到达避雷线或避雷针的屏蔽失效区域内的雷电先导(见图2—2)在输电线路产生的电磁场以及本身带的电荷量才生的雷电场的共同作用下,,由于距离较长,先导的幅值大大降低,使得雷电流的幅值也较低。
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图2-2进入杆塔侧面屏蔽失效区的先导
先导头部电位幅值的大小决定了是否会发生绕击现象。先导头部的电位往往足够足够击穿几十米空气间隙,如果再增加几片绝缘子,空气间隙也只是增加了一点点,起不了特别明显的作用。所以说,如果只是增加杆塔绝缘的配置,如增加绝缘子的数目,对防止绕击现象的发生起不了太大的作用。
高压幅值的雷电先导发展到低空的时候产生绕击必须同时满足以下三个条件:首先,低空接地体顶部产生的迎面先导不足以拦截雷电先导。其次,,雷电先导应发展到距离接地体一定的距离内,而且雷电先导的幅值足够大到击穿空气间隙.
低空高幅值的雷电先导由于运动速度快,距离短,因此到达接地体的时间也很短,使得接地体附近范围感应的电场强度较大。接地体顶端最容易产生迎面先导与之交汇,而且,高幅值先导前端游离区域广,雷电先导能击中较高的位置,也就是避雷线,避雷针等,因此在高度较低的地带,,在山区,山坡这些高度较高的地方,不但可能发生绕击,绕击雷电流的幅值也相对较大,而且会很有可能感应雷过电压。
2。2。3低幅值雷电先导闪击的特性
雷电头部所带的电荷量较少,电位较低时,称为低幅值雷电先导。低幅值雷电先导易于向产生迎面先导能力较强的金属尖端或者带有电压的输电线路导线发展。在地理形势,气候环境以及杆塔固有参数等条件相同的情况下,,比如绝缘配置等决定反击情况,,根据杆塔的绝缘水平和雷电先导的幅值判断是否会发生闪络。
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