1、山区配电网防雷保护的研究毕业设计（论文）题 目 : 山区配电网防雷保护的研究班 级 : 姓 名 : 指导教师 : 摘要 目前山区输电线路雷击跳闸率很高，雷击配电网线路造成的电力系统运行事故屡有发生，严重影响供电可靠性和电网安全，本文主要对目前解决线路防雷跳闸的一些技术手段如线路避雷器、降低杆塔接地电阻等进行了总结、分析，并根据工作实际提出了一些建议。为了减少雷击对输电线路的伤害，将线路避雷器安装在输电线路的易击段，可以提高线路的耐雷水平。鉴此，介绍了线路避雷器防雷的基本原理和安装前的准备工作。如何加强山区线路的防雷保护问题进行了论述，还对提高供电可靠性的其它技术措施作了分析。关键词：输电线路
2、雷击 防雷 线路避雷器 目录 目录.1 引言.2 1.1 认识雷电.3 1.2 综合防雷.3 1.3 背景和意义.4 2.1 雷电及其放电过程.6 2.2 雷暴日、雷电小时及地面落雷密度.8 2.3 雷电流副值波前时间波长及陡度.9 2.4 线路防雷性能指标.10 2.5 线路雷击跳闸条件.11 3.1 避雷针和避雷线.14 3.2 接地电阻的计算.15 3.3 对接地电阻的要求.18 3.4 避雷器：.27 4 防雷保护措施.28 4.1 线路防雷保护的第一道防线.29 4.2 线路防雷保护的第二道防线.29 4.3 线路防雷保护的第三道防线.30 4.4 线路防雷保护的第四道防线.30 4
3、.5 小结.31 5 线路避雷器在山区的应用.315.1 国内外输电线路防雷技术发展简述.315.2 国外线路型避雷器的发展运用情况.325.3 国内线路型避雷器的发展运用情况.325.4 线路避雷器的原理.335.5 避雷器的安装使用.34 6 结论.35 7 参考文献.36 引言雷电是严重的自然灾害之一。每年因雷击所造成的人员伤亡、财产损失不计其数，雷电导致的火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生。目前，测量控制、电子信息等技术已渗透到人类社会生产和生活的各个领域，各种电子信息设备应用的范围之广、品种之多、数量之大前所未有。以微电子技术为基础的电子信息设备由于集成度高、工作电压低、运算速度
4、快，而耐过电压、耐过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差，极易遭受雷电的危害。特别是雷电电磁脉冲造成的损害更为严重。从卫星通信、导航到计算机网络、通信系统、监控、安全防范系统、工业测量控制系统等都已成为雷电灾害的重大灾区。这些设备都属于微电子设备（即弱电设备），其耐过电压冲击的能力很弱，而由电源线、信号传输线、地线侵入的雷电冲击波强度却很大。通过电源线、信号传输线引入的雷电感应冲击大电流，足以使许多微电子设备遭受不同程度的损坏，并危及人身安全，造成巨额的直接经济损失。而更重要的是会导致整个网络瘫痪失控，重要数据丢失，间接经济损失不可估量。随着社会经济建设的高速发展，平安城市建设活动的普遍开展，城市报警
5、与监控联网系统建设已在各地普及，安全防范系统已在各行业（如火药炸药库、金融系统、交通、码头、小区、库房管理等）得到广泛应用。由于这些系统的设备分布广，线路长，不少设备置于露天，极易受到雷电的袭击，系统的防雷问题显得尤为重要和紧迫。安防系统自身的安全，特别是雷电防护的问题已成为一个急需解决的重要问题。就视频监控系统而言，大量的前端设备暴露在室外，极易受到雷电闪击或雷电电磁脉冲的侵入和感应。因此，安全防范系统的防雷问题要特别予以重视。雷电是小概率大损害事件，虽然有系统没有雷电防护运行很长时间也没有雷击事件，但一旦有雷击，造成的损失将是严重的。国家出台了许多相关标准，规范防雷产品在各种系统中的应用。
6、雷电电流持续的时间虽然短暂，但它巨大的破坏性是目前人类所无法控制的，现阶段通过人力主动去化解雷电的危害，还是不现实的，只可提前预防，无法事后弥补。只有努力将雷击的能量引导并将其泄放入大地，以避免所带来的灾害。而且高电压对低电压信号系统的感应，操作过电压，等干扰也都可以通过防雷系统有效防护。1.1认识雷电雷电是由天空中云层间的相互高速运动、剧烈磨擦，使高端云层和低端云层带上相反电荷。此时，低端云层在其下面的大地上也感应出大量的异种电荷，形成一个极大的电容，当其场强达到一定强度时，就会产生对地放电，这就是雷电现象。 雷电的表现形式主要有两种：一种是直击雷，是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放
7、电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化。通常在建筑物顶部安装避雷针或避雷带等来防直击雷。另一种是雷电感应，是指当直击雷发生以后，带电云层迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压；或由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物因电磁感应而产生高电压以致发生闪击的现象。1.2综合防雷电子信息系统（含测量控制、安全防范系统）防雷包括对直击雷的防护和对雷电电磁脉冲（感应雷）的防护。对雷电电磁脉冲的防护应综合考虑雷电成灾的多种物理因素，针对雷电的各种耦合途径、耦合通道及其危害机理，采用相应的综合防雷技
8、术和措施。对于电子信息设备而言，雷电电磁脉冲能量的耦合主要通过以下三个通道侵入：一是雷电电磁脉冲能量通过各种多发管线通道（多发管道、多发构件、各种线缆等）的传导耦合；二是通过地线通道的传导耦合（地电位反击）；三是通过空间通道的电磁辐射耦合。由于雷电的侵袭是无孔不入的，因此电子信息系统防雷应是综合性的系统工程，所采取的技术措施也是多方面的。任何单一的防护措施，其效果都是有限的。这些防护措施和技术可概括为两个部分：外部防护和内部防护，它们都有其重要作用，相互之间紧密联系，不能将它们割裂开来，也不具有替代性。 1.3本课题的提出背景和意义电力工业是国民经济的重要部门之一，它既为现代工业、现代农业、现
9、代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系，国民经济要高速发展电力工业必须先行，架空输电线路是电力工业发输变三大主要组成部分之一，架空输电线路纵横交错延绵不断地分布在旷野上，而自然界气候千变万化使得输电线路极易遭雷击，如果防雷措施采用不当可能引起绝缘子损坏、架空地线和输电线路断线、并造成线路跳闸雷击时产生的侵入波过电压传入变电站，还可能引起站内设备损坏造成更大的设备事故，因此输电线路的防雷一直是影响电力系统安全可靠运行的一个重要环节。据统计电网中的事故以输电线路的故障占大部分，输电线路的故障又以雷击跳闸占的比重较大，尤其是在山区的输电线路中线路故障基本上是
10、由于雷击跳闸引起的，据运行记录架空输电线路的供电故障一半是雷电引起的，所以防止雷击跳闸可大大降低输电线路的故障进而降低电网中事故的发生频率。武隆山区属于多雷地带，随着经济的发展，社会与电力的联系更加紧密，人们对电能的依赖越来越强，对供电的可靠性要求越来越高，突然的停电事故将给社会带来巨大的经济损失，也直接影响到供电企业的直接经济效益和企业形象，因而提高电网的安全运行水平，提高供电可靠性是电力系统的首要任务。6-35kV配电网络，是武隆电力系统的基础，直接向广大电力用户分配电能，配电网的安全稳定运行与广大人民群众息息相关。但是，由于历史原因，武隆配电网基础还比较薄弱，在防雷方面存在很大的局限性，
11、配电网由于绝缘水平较低，运行环境恶劣，网络结构复杂，防雷措施不完善，易受雷电的影响，而且在网络结构、技术管理和运行维护上还有很多缺陷，不但直击雷能造成雷害事故，感应雷也能造成较大的危害，以致于配电网故障频繁发生，尤其是在雷雨、大风等恶劣天气时配电网故障更是频繁，经常发生配电变压器、柱上开关、刀闸被雷击坏的事故，雷击跳闸率居高不下，极大地影响了供电可靠性和电网安全，影响了人民群众的生产、生活用电。虽然该网络经过农网和城网改造后状况有所好转，但在防止雷害事故，特别是防止雷击跳闸事故方面并没有发生根本的好转。在雷电活动频繁的地区，雷害事故仍经常发生，极大地影响了配电网的供电可靠性，影响了电网的安全稳
12、定运行。因此，对武隆配电网雷害事故频发的原因进行认真分析，找出漯河配电网在防雷措施上存在缺陷和不足，提出符合武隆山区配电网实际情况的防雷措施是非常必要的。长期以来，为了减少电力线路的雷击事故，提高供电的可靠性，人们采取了各种综合防雷措施。德国于1914年提出利用避雷线防雷的理论，认为其作用在于降低绝缘上的感应过电压。到30年代初期，避雷线虽己使用多年，对其作用仍无统一认识。架设避雷线，首先是防护感应雷，而英国、瑞典、德国以及瑞士的一些学者，则认为感应雷对高压线路并无危险。苏联1931年提出，对于60kV以上线路只有直击雷是危险的，避雷线应着眼于防止直接雷击。到30年代中期，德国研究了雷击输电线
13、路时雷电流在各相邻杆塔的分布，实际上引入了分流系数的概念。到30年代末期己经明确，100kV及以上线路，避雷线是防护直击雷的基本保护装置，应架设得足够高，并具有良好的接地装置。经过长期的不懈努力，我国电力部门在雷电观测、雷电形成机理研究及防雷保护等方面已经取得了一系列科技成果。这些科技成果广泛运用于架空输电线路的设计施工中，对线路防雷保护起到有效作用。但是在相当一些架空输电线路的运行实际中，雷害仍然是影响其安全的重要乃至主要因素。例如，1998-1999年上海地区雷电活动强烈，1998年8月16日晚上雷电持续3个小时，直击雷超过30次，35kV线路的雷击频繁跳闸，且较多的雷击部位是在35kV线
14、路合成绝缘子处。后来，统计数据表明1998-1999年35kV线路共遭雷击12次，重合成功11次，占91.6%，重合不成功1次，占8.4%，12起雷击中，雷击导致合成绝缘子闪络10次，占83.3%，雷击故障率较高。山东威海35kV系统1994-1997年由于雷击引起的间歇性谐振弧光接地过电压，烧毁了14台电压互感器、3台电流互感器、4台开关柜和6台避雷器，直接损失200多万元，给电网安全运行带来很大的威胁。浙江金华地区，1997年35kV线路共发生事故(包括障碍)8次，其中7次为雷击事故（重合成功5次、重合不成2次），占87.5%，雷击跳闸率为3.21次/100km.a。在所有雷击事故中，都存
15、在着不同程度的瓷瓶闪络现象。山西省右玉县供电局35kV右元线处于雷电活动频繁地带，从1987年投运以来，元堡变电站母线放电记录器的动作次数为：A相11次，B相11次，C相12次。1991年6月30日20时40分，右元线开关跳闸，重合不成功，经查发现120#杆三相共9片悬式瓷瓶全部放电闪络。由此可以进一步判断确定断线原因是120#杆于1991年6月30日20时40分落雷，雷电在悬瓶闪络放电的同时，击断融化3股股径。浙江富阳供电局35kV龙羊3608线山区无架空地线，线路全长24.118km，自投运后每年均发生2-3次雷击跳闸事故。最初考虑架设避雷线，但因线路杆型为拔梢杆，且跨越档距大，施工困难而
16、未实施。后根据龙羊3608线的具体情况，确定了该条线路山区段无架空地线线路的防雷方案：1、在历年的几个雷击点挂装35kV有机复合绝缘交流无间隙金属氧化物避雷器；2、耐张及悬垂绝缘子串上增加一片悬式瓷瓶。实施后，线路运行一年多未出现过跳闸情况，满足了电网安全运行的要求。可见在35kV输电线路的事故中，雷击事故占了绝大多数。对35kV送电线路来说，考虑经济效益一般不宜沿全线架设避雷线，一般在变电所或发电厂的进线段，架设1-2km避雷线。到目前为止，35kV输电线路的防雷设计均是在线路进出变电所1-2km的范围内架设避雷线，其余地方的线路不架设避雷线。除了架设避雷线以外，现在对输电线路的防雷保护措施
17、还有降低杆塔接地电阻、提高线路绝缘水平、采用负保护角保护，减小地线屏蔽角、多重屏蔽等，这些都取得了一定效果。但对于分布在山区高土壤电阻率的易击段与易击杆塔所在线路，降低杆塔接地电阻难度较大，对于采用负角保护、减小屏蔽角与多重屏蔽的方法将受到杆塔结构的限制，对于一些老线路的改造难以进行，且由于山区线路地形限制，经过山坡的线路绕击率高，雷电对线路造成的绕击故障率高的问题没有好的对策。长期以来，避雷器一直是电力系统限制大气过电压的主要措施。近年来，经过科技工作者的努力，己经成功地将避雷器应用在线路上。35kV线路一般采用3-4片绝缘子，其绝缘水平较低，防雷的措施一般采用安装避雷线、消弧线圈等措施，很
18、少采用线路避雷器，综合武隆山区防雷措施的运行经验表明，采用一般的防雷措施还存在一些问题，因此，需要采用其它更有效防雷措施，如安装线路避雷器。这种防雷措施将大大改善输电线路防雷性能，且性能与投资比较高。线路型避雷器在我国是从1993年开始研制和应用的。1997年，淄博电业局与原电力部中能公司合作，使用该公司生产的线路避雷器，并分别在35kV和110kV线路上运行，经过2个雷雨季节的考验取得了较好的效果。线路型避雷器的研制欧美与日本较早。美国AEP和GE公司1980年开始研制用于线路防雷的合成套ZnO避雷器，1982年10月有75只在138kV线路上投入运行。结构上采用了环氧玻璃筒包裹ZnO阀片，
19、筒外套上EPDN橡胶群套。日本自1986年开始研制输电线路限制雷电过电压的合成套避雷器，年底研制出77kV线路避雷器，1988年研制出275kV线路避雷器，到1990年己在33-275kV系统的610km线路上运行了4670相线路避雷器，1992年500kV系统输电线路防雷的合成套避雷器己投入运行。目前，在日本大约有30000套线路避雷器在电力系统中运行。大多数线路避雷器使用在66kV-77kV的线路上。目前，35kV线路上防雷措施一般很少采用线路避雷器。但在地势复杂、雷电活动较为强烈的山区，电网运行结果表明采用一般防雷措施还存在一些问题，由此采用线路避雷器是一个值得研究的问题。2.1雷电及其
20、放电过程雷电是一种恐怖而又壮观的自然现象，这不仅在于它那划破长空的耀目闪电和令人震耳欲聋的雷鸣，重要的是它给人类生活带来巨大的影响。且不说雷电促成有机物质的合成可能在地球生命起源中占有一定的地位，以及雷电引起的森林火灾可能启发了远古人类对火的发现和利用；仅在现代生活中，雷电威胁人类的生命安全，常使航空、通讯、电力、建筑等许多部门遭受破坏，就一直引起人们对于雷电活动及其防护问题的关注。雷电放电是一种气体放电现象，由其引起的过电压，叫做大气过电压。它可以分为直击雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。雷电放电是由于带电荷的雷云引起的。雷云带电原因的解释很多，但还没有获得比较满意的一致的认识。一般认为雷
21、云是在有利的大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升，进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电，轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成一些局部带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过了大气游离放电的临界电场强度（大气中约30kV/cm，有水滴存在时约10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电；放出几十乃至几百安的电流；产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000至2
22、0000），使空气急剧膨胀振动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣，叫做雷电之故。大多数雷电发生在雷云之间，它对地面没有什么直接影响。雷云对大地的放电虽然只占少数，但是一旦发生就有可能带来严重的危险。这正是我们主要关心的问题。实测表明，对地放电的雷云绝大多数带负电荷，根据放电雷云的极性来定义，此时雷电流的极性也为负电荷。雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附近地面上感应出正电荷。当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展。这一放电阶段称为先导放电。先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并继续向地面延伸，地面上的感应正电荷也逐渐增多，先导
23、通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，称为迎面先导。当先导通道到达地面或者与迎面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，这就是主放电过程。与先导放电和主放电对应的电流变化同时表示时，先导放电发展的平均速度较低，约1.5105m/s，表现出的电流不大，约为数百安。由于主放电的发展速度很高，约为21071.5108m/s，所以出现甚强的脉冲电流，可达几十乃至二、三百千安。以上描述的是雷云负电荷向下对地放电的基本过程
24、，可称为下行负闪电。在地面高耸的突起处（如尖塔或山顶），也可能出现从地面开始的上行正先导向云中的负电荷区域发展的放电，称为上行负闪电。与上面的情况类似，带正电荷的雷云对地放电，也可能是下行正闪电，或上行正闪电。雷电观测表明，先导放电不是一次贯通全部空间，而是间歇性的脉冲发展过程，称为分级先导。每次间隙时间大约几十微秒。而且，人们眼睛观察到的一次闪电，实际上往往包含多次先导-主放电的重复过程，一般为2-3次，最多可达40多次。发生多重雷电放电的原因可作如下解释。雷云是一块大介质，电荷在其内部不容易运动，因此如前所述，在雷云积聚电荷的过程中，就可能形成若干个密度较高的电荷中心。第一次先导主放电冲击
25、，主要是泄放第一个电荷中心及其已传播到先导通道中的负电荷，这时第一次冲击放电过程虽已结束，但是雷云内两个电荷中心之间的流注放电已开始，由于主放电通道仍然保持着高于周围大气的导电率，由第二个及多个电荷中心发展起来的先导主放电以更快的速度沿着先前的放电通道发展，这就出现了多次重复的冲击放电。实际观测表明，第二次及以后的冲击放电的先导阶段发展时间较短，没有分叉。观测还表明，第一次冲击放电的电流幅值最高，第二次及以后的电流幅值都比较低，但对GIS变电站的运行可能造成一定程度的危险；而且它们增加了雷云放电的总持续时间，对电力系统的运行同样会带来不利的影响。带有大量电荷的雷云（实测表明多为负极性），在其周
26、围的电场强度达到使空气绝缘破坏的程度（约2530kV/cm），空气开始游离，形成导电性的通道，通道从云中带电中心向地面发展。在先导通道发展的初级阶段，其方向受偶然的因素影响而不定。但当距离地面达某一高度时，先导通道的头部至地面某一感应电荷的电场强度超过了其它方向，先导通道大致沿其头部至感应电荷的集中点的方向连续发展，至此放电发展才有方向。如果配电网中的线路或设备遭受雷击时，将通过很大的电流，产生的过电压称为直击雷过电压。带有负电荷的雷云接近输电线路时，强大的电场在导线上产生静电感应。由于带有负电荷雷云的存在，束缚着导线上的正电荷。当雷云对导线附近地面物体放电后，雷云电荷被中和而失去对导线上电荷
27、的束缚作用，电荷便向导线两侧流动，由此而产生的过电压称为感应过电压，其能量很大，对供电设备的危害也很大。2.2雷暴日、雷电小时及地面落雷密度：为了评价某地区雷电活动的强度，常用该地区多年统计所得到的平均出现雷暴日或雷电小时来估计。在每一天内(或一小时内)只要听到雷声就算一个雷暴日(或雷电小时)。据统计，每一雷暴日大致折合为三个雷暴小时。雷暴日的分布与地理位置有关。一般热而潮的地区比冷而干燥的地区多，陆地比海洋多，山区比平原多。就全球而言，雷电最频繁的地区在赤道附近，雷暴日数平均约为100150日，最多者达300日以上。我国年平均雷暴日分布，西北少于25日，长江以北2540日，长江以南4080日
28、，南方大于80日。我国规程规定，等于或少于15日雷暴日的地区称为少雷区，40雷暴日以上的称为多雷区，超过90日的地区为特殊强雷区。在防雷设计中，应根据雷暴日分布因地制宜。雷暴日和雷电小时的统计中，并没有区分雷云之间的放电与雷云之间对地的放电。只有落地雷才可能产生对电力系统造成危害的过电压，因此需要引入地面落雷密度这个参数，它表示每一雷暴日每平方公里地面受到的平均落雷次数，记为r。根据世界各国及我国的实测结果，有关规程建议取r=0.07，但在雷云经常经过的峡谷，易形成雷云的向阳或迎风的山坡，土壤电阻率突变地带的低电阻率地区的r值比一般地区大很多，在选厂选线时应注意调查易击区，以便躲开或加强防护措施。2.3雷电流幅值、波前时间、波长及陡度：雷电流幅值是表示雷电强度的指标，也是产生雷电过电压的根源，所以是最重要的雷电参数。雷击任一物体时，流过它的电流值与其波阻抗有关，波阻抗愈小，电流值愈大。流过被击物的电流定义为“雷电流”。实际上，波阻抗是不为零的，因而规程规定，雷电流是指雷击于低接地电阻物体时，流过雷击点的电流。它显然近似等于传播下来的电流入射波的2倍。据统计，雷电流的波前时间多在14s内，平均为2.6s左右，波长在20100s内。我国规定在防雷设计中采用2
