10Kv架空线路防雷技术改造毕业论文

1配电线路感应雷防护方案设计专 业：高压输配电线路施工运行与维护学 生 姓 名：学 号：班 级：指 导 教 师： 2013年 12月2前言随着人类社会的进步，社会与电力的联系更加紧密，人们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。作为电力系统组成部分的架空线路，它将巨大的电能输配到四面八方，是连接各个变电站、各重要用户的纽带。架卒线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定和用户的可靠供电。因此，架空线路的安全运行在电网中占据着举足轻重的地位。统计资料表明，雷电是危害架空线路的重要因素。雷电是一种极为壮观的自然现象，由于其强大的威力和破坏作用，自古以来，一直吸引着人们的注意力。自从 1744 年富兰克林著名的风筝引雷实验以来，人类便展开了对雷电现象的研究。随着科技的进步，尤其是光谱学、高速光谱学、高速存储及信号处理技术在雷电研究中的应用，人们对雷电的认识取得了显著的成绩。目前，人们对雷电现象物理本质的认识还不充分，但所取得的成就己足以满足电气工群师的需要。架空线路出现的雷电过电压有两种形式：直击需过电压和感应雷过电压。由丁直击雷过电压对架空线路的影响比较大，因此，长期以来对雷电过电压的研究主要集中在直击雷过电压，对感应雷过电压的研究比较少。对于 110kV 及以上的高压架空输电线路而言，由于线路绝缘水平高，感应雷过电压对线路的影响不大：而对于 35kV 及以上的高空配电线路而言，由于线路绝缘水平低，感应雷过电压已成为线路雷害跳闸增多的主要原因。3目录第 1 章 绪论1.1 研究背景和研究意义31.2 国内外研究现状41.3 本文的研究内容及主要工作8第 2 章 雷电概述2.1 雷电放点过程 92.2 感应雷过电压的定义及其形成的物理机理102.3 雷电参数12第 3 章 计算模型与参数分析3.1 计算模型的验证143.2 参数分析15第 4 章架空配电线路感应雷过电压的计算4.1 计算感应雷过电压的几点假设164.2 雷电通道周围电磁场的计算164.3 架空配电线路感应雷过电压的计算17第 5 章架空配电线路感应雷过电压的防护分析5.1 波沿平行多导线系统的传播185.2 加装耦合导线后架空配电线路感应雷过电压的计算195.3 斟架空线路中藕合导线安装位置的分析205.4 10kV 架空线路中感应雷屏蔽线最佳安装位置的计算28第 6 章 结论与展望6.1 结论356.2 展望354摘要配电线路大都裸露在空中，极易遭受雷击产生雷电过电压，从而造成供电中断，影响了广大用户的生产和生活。对于配电线路而言，直击雷的危害远大丁-感应雷，因此，长期以来对配电线路的研究主要集中在直击雷上，对感应雷的研究相对较少。有研究表明，10kV 配电线路由雷击引起的线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应雷过电压。感应雷过电压导致的故障比例超过 90。因此本文对配电线路感应雷过电压的计算与防护进行研究具有十分重要的意义。关于配电线路感应雷过电压计算的文章很多，但是国内关于感应雷过电压计算的大多数文献中把大地视为理想导体。本文对大地为理想导体和非理想导体两种情况下雷击线路附近大地时架空配电线路感应雷过电压的计算模型进行了研究，并采用了电磁暂态仿真程序 ATPDraw 对本文研究的配电线路感应雷过电压的计算模型进行了验证。验证结果表明本文研究的配电线路感应雷过电压的计算模型适用于配电线路感应雷过电压的计算。本文还对配电线路感应雷过电压幅值和波形的影响因素进行了研究，研究结果表明雷电流的参数、线路高度、雷击点、大地电导率等参数对配电线路感应雷过电压的幅值和波形都有不同程度的影响。最后本文从降低配电线路感应雷过电压的角度，研究了在配电线路上安装耦合导线后配电线路感应雷过电压的计算。井分析了 10kV 线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下耦合导线的安装位置，分析结果表明，耦合导线安装在配电线路相导线之间可以更有效地降低配电线路上的感应雷过电压。同时对 10kV 线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下，对耦合导线的最佳安装位置进行了计算。本文的分析研究对配电线路的防雷具有指导意义。关键词：架空配电线路，感应雷过电压防护，大地电导率，感应雷屏蔽线。5第一章 绪论1.1 研究背景和研究意义随着人类社会的进步，社会与电力的联系更加紧密，人们对供电盼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。作为电力系统组成部分的架空线路，它将巨大的电能输配到四面八方，是连接各个变电站、各重要用户的纽带。架卒线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定和向崩户的可靠供电。冈此，架空线路的安全运行在电网中占据着举足轻重的地位。统计资料表明，雷电是危害架空线路的重要因素。雷电是一种极为壮观的自然现象，由于其强人的威力和破坏作用，自古以来，一直吸引着人们的注意力。自从 1744 年富兰克林著名的风筝引雷实验以来，人类便展开了对雷电现象的研究。随着科技的进步，尤其是光谱学、高速光谱学、高速存储及信号处理技术在雷电研究中的应用，人们对雷电的认识取得了显著的成绩。目前，人们对雷电现象物理本质的认识还不充分，但所取得的成就己足以满足电气工群师的需要。架空线路卜出现的雷电过电压有两种形式：直击需过电压和感应雷过电压。由丁直击雷过电压对架空线路的影响比较大，因此，长期以来对雷电过电压的研究主要集中在直击雷过电压，对感应雷过电压的研究比较少。对丁 110kV 及以上的高压架空输电线路而言，由丁线路绝缘水甲高，感应雷过电压对线路的影响不大：而对于 35kV 及以上的高空配电线路而言，由于线路绝缘水平低，感应雷过电压已成为线路雷害跳闸增多的主要原因。Kincetrics 自 1989 年至 1992 年对加拿大安大略湖配电系统的可靠性进行了长达四年的观测研究，对 40000 次故障作了分析后得出，平均每 100krn 线路的故障次数为 50 次，其中由于雷电引起的故障达 15 次。Dravtion 和 Mills 配电网的故障跳闸率分别为 55和 29，其中有 34 是由感应雷引起的。因此，对架空配电线路感应雷过电压的研究具有十分重要的意义。本文针对雷击线路附近人地时架空配电线路感应雷过电压的计算与防护展开了一系列的研究，本文的研究对丁架空配电线路的防雷具有重要的指导意义。612 国内外研究现状121 关于架空配电线路感应雷过电压计算的研究雷击线路附近大地时架空配电线路感应雷过电压的计算包括两个部分：首先，通过雷电同击的数学模型计算雷电通道周围电磁场；然后，通过建立雷电通道周围电磁场与线路的耦合模型计算线路感应雷过电压。目前，国内外关于架空配电线路感应雷过电压计算的研究主要包括以下几个方面：(1)雷电回击模型由于雷电的随机性和复杂性，建立一个统一的数学模型是不可能的，但一个可接受的雷电数学模型至少应该描述一些与实验观测有关的数据，如通道底部电流、回击传播速度、一定距离的电磁场等。在工程中往往建立雷电同击的简化模型，工应用中人多数雷电回击的电流模型是在 I-歹 U 条件 F 建立的：(a)大多数雷电回击的电流模型都是针对第一回击建立的，因为雷电第一回击是引起雷电过电压的主要原因。(b)雷电通道都是垂直于地面的。自 20 世纪 40 年代 Bruce 和 Golde 首次提出雷电回击的电流模型以来，出现了各种工程模型，主要分为西人类，即传输线(TL)类型和传输电流源(TCS)类型，每类中的各雷击模型都在不断地发展。这些模型均有各自的特点，在文献4和20 中均对这些模型进行过详细的介绍和比较，目前在架空配电线路感应雷过电压的计算中用得最多的是 TL 模型。模型的基本思想是将雷电同击电流看作是在放电通道的底部注入了一个特定的基电流，该电流沿着通道向上传播，形成回击电流。(2)雷电放电通道模型在对雷电放电通道进行建模时，虽然雷电通道并不垂直丁地面而总是表现出一定的曲折，但由于雷电通道的曲折具有随机性，因此国内外文献在计算架空配电线路感麻雷过电压时都把雷电放电通道简化为垂直于地面的导线jail61121-331，按照天线理论对其进行分析。(3)雷电通道周嗣电磁磁场的计算7雷电通道周围电磁场的理论计算主要是根据麦克斯韦(Maxwell，S) 方程组进行求解。Rubinstein 在文献22采用单极子技术和偶极子技术求解了雷电电磁场的麦克斯韦方程组。Cooray 在文献233 运用偶极子理论求解了麦克斯韦方程组。Umain 经过与实测结果对比，证实了偶极子方法具有很好的计算精度。国内关丁雷电电磁场计算的文献也很多对雷电电磁场的计算也进行过比较深入的研究。(4)雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型” 。关于雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型前人作过人量的研究，综合前人研究成果，从激励源的类型看，雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型可分为三种：(a)Taylor 模型”该模型认为传输线同时受分布电流源和分布电压源激励，其中分布电流源是由与传输线回路交链的磁链引起的，分布电压源是由两导体问的电场引起的。(b)(b)Agrawal 模型。该模型根据散射理论来分析雷电通道周围电磁场与传输线耦合的问题，传输线激励源只有沿导体日 J 向电场分量引起的分布电压源。(c)Rashidi 模型矧，该模型认为传输线的激励源只有磁场引起的电流源。以上三种模犁各物理量的定义不同，采用不同的模型，同一入射电磁场分量引起的感应电压或电流对总电压或总电流的贡献不同，但计算出的总电压和总电流是相同的。此外，还有 Rusck 模型和 Chowdhuri 模型，这两种模型在一定条件下与Agrawal 模型是等价的，但 Rusck 模型和 Chowdhuri 模型只能适用于人地为理想导体的场合，同时它们对电磁场的各分量考虑的不全面，而只有 Agrawal 模型考虑的最全而，从而也得到了广泛的应用。(5)架空配电线路感应雷过电压计算由于选取不同的雷电回击模型和雷电通道周丽电磁场与传输线的耦合模型，计算架空配电线路感应雷过电压的方法也不同。122 关于架空配电线路感应雷过电压防护的研究架空配电线路感应雷过电压的防护包括两个方面：8(1)从限制感应雷过电压的角度进行防护；(2)从降低感应雷过电压的角度进行防护。国内外目前研究较多的是从限制感应雷过电压的角度进行防护，采用的防护措施包括：安装避雷装置、加强线路绝缘、装设自动重合闸装置等口 1。针对不同的线路采取的防雷措施也不同。目前研究最多的是 10kV 架空绝缘导线的防雷问题，提出的解决方案土要有以下 4 种：(1)安装避雷装置；(2)延长闪络路径；(3)局部剥离导线；(4)提高线路绝缘水平。国内外对从降低感廊雷过电压的角度进行防护研究的不多。文献 f381 提出在架空配电线路之间安装“感应雷屏蔽线”可以降低架卒配电线路的感应雷过电压，并将这一防护措施应用于实际中收到了良好的防雷效果。但对感应雷屏蔽线安装在何处能最有效地对架空配电线路感廊雷过电压进行防护没有做过相应的研究。13 本文的研究内容及主要工作本文的研究内容及主要工作包括以下几部分：(1)研究了雷击线路附近大地时架空配电线路感应雷过电压计算的数学模型，包括大地为理想导体和非理想导体两种情况。(2)结合相关文献给的计算条件，通过电磁暂态仿真程序 ATPDraw 对本文研究的架空配电线路感应雷过电压的计算模型进行了验证：并研究了雷电流的参数、线路高度、雷击点、大地屯导率等参数对架空配电线路感应雷过电压幅值和波形的影响。(3)从降低感应雷过电压的角度，研究了在架空配电线路上安装耦合导线后架空配电线路感应雷过电压的计算；并分析了 10kV 架空线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下耦合导线的安装位置；最后对 lOkV 架空线路中导线三角形排列和垂直排列两种情况下耦合导线的最佳安装位置进行了计算。9第二章 雷电概述本章对雷电的相关知识进行了概述，这部分的内容是本文进行架空配电线路感应雷过电箍计算与防护研究的基础理论知识。21 雷电放电过程雷电放电是由带电荷的雷云引起的。雷电放电可分为云云放电和云地放电，虽然大多数雷电放电发生在雷云之间，但人们研究最多的是云地雷电。因为，云地雷电造成的伤害对电力系统和通讯系统的影响最大，云地雷电也更易于观察研究。Bergerl978 年根据雷云电荷的先导发展方向和所带电荷的极性，将雷电分为四类：(1) 向下负雷电；(2) 向上负雷电：(3) 向下正雷电；(4) 向上正雷电。向上雷电大多发生在高层建筑或位于山顶的建筑物上，又由于向下负雷电是最普遍的云地雷电，占全球云地雷屯的 90以上，因此研究最多的是向下负雷电。下面以向下负雷电为例来分析雷电放电的三个阶段：1先导放电阶段雷云对人地有静电感应，在雷云电场下，大地感应出正电荷，两者形成一个特殊的大电容器，随着雷云中电荷的逐步秘累，空间的电场强度不断增大。当雷云中电荷密集处的电磁强度达到空气击穿场强(2530kVcm)时，就产生强烈的碰撞游离，形成指向大地的一段导电通道，称为雷电先导。先导放电不是连续向下发展的，而是一段接着一段地向前推进。2主放电阶段当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的