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输电线路,防雷
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谈谈输电线路的防雷

March 30, 2017 • Columns, Commentary from Professor Zhang, 最近文章汇总

由于输电线路长度大,暴露在旷野或高山,所以受雷击的机会很多。对于一条100公里的110kV输电线路,在中等落雷地区,每年平均受雷击次数大约为十几次。运行经验也证明:电力系统中的雷害事故以线路占大部分。所以输电线路如果不采取防雷措施,是不能保证安全运行的。
输电线路的防雷一般应该遵循以下四项基本原则:
1、保证导线不受雷击。为此可以采用避雷针、避雷线或改用电缆;
2、如果第一道防线失败,导线遭受雷击,则要保证线路绝缘不发生闪络。为此需要改善避雷线的接地、适当加强线路绝缘、个别杆塔可使用避雷器;
3、如果第二道防线失败,线路绝缘发生闪络,则要保证这种闪络不会转变为稳定的工频电弧,即保证线路不发生短路故障,不跳闸。为此需要减少绝缘子上的工频电场强度或电网中性点采用不直接接地的方式;
4、如果第三道防线失败,线路发生跳闸,则要保证线路运行不中断。为此需要采用自动重合闸装置、用双回路或环形供电。以上四条基本原则并不是所有线路都应该具备。在确定输电线路的防雷方式时,应该全面考虑线路的重要程度,雷电活动的强弱,地形地貌的特点,土壤电阻率的高低等条件,再根据技术经济比较的结果,因地制宜,采取合理的保护措施。
因此,输电线路防雷只是相对的安全,即允许有一部分雷击引起线路绝缘子闪络。然后再想办法减少在绝缘子上建立工频电弧的概率,然后再采用自动重合闸把雷害的停电次数减少到可以接受的程度。
为了研究输电线路防雷,需要掌握以下理论知识:
1、雷击导线的规律。雷击导线意味着突然有大量的电荷加到导线上,由于导线是导体,电荷会沿导线流动,所以我们研究雷击导线的规律,实质就是研究一个电源合闸以后,电荷沿导线流动的规律。电源合闸会产生过渡过程,因此必须考虑下面的因素。
2、时间。过渡过程是时间的函数,而且雷电标准波的波头时间和波尾时间均以微秒计,比工频要快5000倍到10000倍,所以在这种时候,时间的因素就显得非常重要。此外在这种高频下,电容和电感的作用骤起,在工频下的1mm导线,在冲击下相当于5m到10m,即导线对地电容的极板增大了,导线电感的长度增大了,因此必须考虑一种新的思维方式。
3、分布参数电路的研究方法。对于输电线,它对地有电容;输电线有电流通过时,有磁力线交链导线,所以输电线有电感。在比工频要快5000倍到10000倍的高频作用下,实质上可以认为在输电线上的每一个点上,都有不能忽略的对地电容和电感。这就是说,在工频下的一根架空导线,在受到雷击时,必须用一个分布参数电路来表示。分布参数电路与集中参数电路的共同点是两者都必须符合基尔霍夫电路第一和第二定律,不同点是前者具有无穷多个回路而后者只具有有限个回路。雷击到一个分布参数电路时,对于接近雷击点的回路以及远离雷击点的回路,它们在感受雷击的影响时,是遵循先来后到的原则的,因此必然得出下面的结论。
4、电荷在导线上流动需要时间。由于雷电波的时间以微秒计,所以电源合闸瞬间,第一个回路中的电容立即充电,而由于该回路中的电感上的电流不能突变,所以没有电流,后面第二个回路的电容也就没有电荷,必须要经过一段时间才能充满。同理,电容离起始端越远,则被电荷充满的时间延时也越大。这就是说,电荷在输电线上的传递需要时间,即雷电冲击波存在传播速度。由于输电线的参数仅是每一点的对地电容C0和每一点的电感L0,所以传播速度一定是C0和L0的函数。又由于C0和L0分别又是空气的介质系数ε0和空气的导磁系数μ0的函数,所以传播速度也一定只与ε0和μ0有关。
5、电荷在导线上的流动形式是电磁波。电荷在导线上流动时,单位长度C0上的电压会逐个建立,单位长度L0中的电流会逐个通过。电压伴随着电场,电流伴随着磁场,而这些电场和磁场分别以波动的形式存在,也就是说,电荷在导线上流动时出现了电磁波。
6、影响电磁波传播的是波阻。在研究电荷沿导线流动的规律时,与集中参数回路一样,需要研究回路中电压与电流的比例关系。在集中参数回路中,这种关系由阻抗来体现。由于在分布参数回路中,仅有每一点的对地电容C0和每一点的电感L0,所以这种回路中的电压与电流的比例关系仅
与C0和L0有关,为了与集中参数回路中的阻抗叫法尽量接近,称这种比例关系为波阻。
实际上,集中参数回路的阻抗与分布参数回路中的波阻是两种完全不同的概念。
可以这样认为:同样的一根导线,对工频波呈现出阻抗,而对极短的雷电波则呈现出波阻。
再举两例,以加深对波阻的理解。在假定架空线为无穷长的情况下,其波阻Z=500欧。如果架空线为有限长,则在有限长部分,其波阻为500欧,到了有限长终端,电磁波在无路可走的情况下,只能往有限长部分反射,这个时候的波阻就不是500欧了。
输电线路,防雷 输电线路的防雷 谈谈输电线路的防雷 INMR CHINA 15 Final ForPrinter杆塔的电感和对地电容形成了150欧的波阻。杆塔每米的对地电容一般为10微微法。根据来波变化率可以计算出杆塔的电容电流为每米6安培,如果是10米杆塔,则有60安培的电容电流。而雷电流为千安级,所以杆塔的电容电流可以忽略。即雷电流不愿意从空气中走,而愿意从杆塔和接地电阻走。
7、用集中参数电路来等效分布参数电路—彼得逊法则。以上分析了雷击输电线的时候,电荷沿导线流动的规律,为了更方便地应用这种规律,可以用一个集中参数的等值电路来等效分布参数回路,从而把分布参数抛开,然后通过求解该等值电路的方程,就可以计算出电荷沿导线流动时候的电压、电流关系,这就是彼得逊法则。
8、用彼得松法则来分析雷击导线时电荷沿导线流动的几种特殊情况。
1)雷击无穷长的架空线。根据彼得逊法则,电磁波在这种架空线上会一直传播下去,永不回头。在架空线为无穷长的情况下,其波阻Z=500欧,所以对电源来说,无穷长的导线可以用等值电阻R=500欧代替。
2)雷击末端开路的架空线(这时我们关心的是电压)。根据彼得逊法则,来波电压会增加2倍。这个概念在技术上很重要,如果雷击架空线,然后传播到空载的变压器,则变压器上的电压为来波的2倍。
3)雷击末端短路的架空线(这时我们关心的是电流)。根据彼得逊法则,短路点的电流(一般称为雷电流)为沿雷电通道来波的2倍,这个概念在技术上也很重要。
4)雷击架空线和电缆线路(这时我们关心的是电缆上的电压)。根据彼得逊法则,电缆的存在会使来波电压大大下降。这个概念在技术上同样重要,可以利用这个概念将电缆作为防雷元件。
张德赛
武汉大学电气工程学院
 

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