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1、同塔双回路的防雷设计和计算I前言21.l研究背景21.2研究意义21.3本次论文主要工作32地理环境和导线分析32.1 该地区线路雷电情况32.2 线路工程背景43高压架空输电线路进线防雷保护64高压架空输电线路的防雷与接地64.1 接地系统发生故障分析64.2 同塔双回路的防雷设计74.3 防雷措施74.4 接地设计84.5 耐雷水平和跳闸率94.6 OPGW抗雷击设计104.7 导线绝缘子串防雷设计H4.8 空气间隙防雷设计125总结136结语144.9 献141前言1.1 研究背景雷暴在自然界中经常发生,并伴有闪电现象。雷雨造成各种事故,造成各种危害，比如，大范围出现火灾，会发生爆炸的情
2、况。闪电的出现也会产生很大的破坏性，闪电产生的电压以及电流都会影响到整个高压输电线路的稳定，此外，闪电高温也很容易造成火灾的出现，所以，如何防雷，这是接地系统设计人员必须要考虑的问题，接地是防雷技术的重要组成部分，必须要设计的科学合理。反之，就不可以针对防雷保护。如果高压架空输电线路受到雷电的攻击，就会造成线路损坏,就会大面积的停电，使得人们的生活受到影响，导致经济的严重受损。本文主要以50OkV柳东一桂林线路为背景，对该工程进行研究，设计防雷措施，接地措施，研究高压架空输电线路耐雷水平和跳闸率。1.2 研究意义接地对于避雷来讲，发挥出来的作用是非常重大的，不管任何形式的雷电，都是要通过接地的
3、方式，才能够最终实现防雷的管理和防雷的布局的。基于这样的一个现实原因，在接地装置配备的时候，如果不能够很好的实现合理精准的接地装置的配置,最终的防雷效果肯定是得不到有效的保证的。从避雷器这样的一种设备的使用角度上来讲，使闪光器与地之间的电气连接良好的装置称为接地装置。接地装置在整个过程中，他发挥出来的主要的作用是最大程度的揩雷电中的负荷传输至地面，然后实现其内部的能量的释放，以中和地面上的不均匀电荷。如果在实际接地的过程中，其承受的阻力相对是较大的值，在整个高压输电线路接地的过程中，如果发生故障，或者是受到了其他的诸多的电流较大的外部电路的干扰和影响的时候，最终是会导致整个电路中得电位是处于不
4、平衡得状态，电位会飙升得很高，这样的一种状态显然是不正常得；如果接地网在具体得设计过程中，没有按照相关的规定和具体得要求进行设计得话，最终是会导致整个接地系统，在分布上,不能够实现均衡得分布得局势得，局部电位超过了规定得数值，这样的一种状态，是会给相关的工作人员的人身安全带来较大得威胁和隐患得，造成高压进入到实际的控制保护系统中、高压输电线路和保护设备会发生误动、拒动，最终造成不可补救的恶果和不良的影响，严重的话，还是会导致整个不良的事故的延续和扩大的，进而不管是从经济的层面上，还是从整个社会的和谐发展的层面上，都是会造成很大的不良的影响的。1.3 本次论文主要工作以50()kV柳东桂林线路为
5、背景，对同塔双回路的防雷进行设计和计算，主要包含以下内容：一、研究同塔双回路的防雷方案二、研究高压架空输电线路的防雷措施三、研究高压架空输电线路的防雷接地四、研究高压架空输电线路耐雷水平和跳闸率2地理环境和导线分析该地区分为高山大岭、低山、丘陵、冲洪积准平原及河流阶地地貌，少量岩溶洼地及残丘地貌，不良地质作用主要有少量的小型崩塌、滑坡、岩溶漏斗、落水洞等，线路施工图设计时应注意避开或采取相应处措施，总体而言线路塔基工程地质条件良好。沿线主要的地貌问题有：丘陵及低山地段主要为边坡稳定性问题，尤其岩层为顺向坡或两组断裂结构面构成的块体；对于泥岩、石山等有一定的风化；对山坡的稳定造成一定的影响，冲洪
6、积准平原及河流阶地地段可能有软土地基存在问题，地下水位下砂层有流砂问题；线路塔基定位时注意避让或者进行适当处理。2.1 该地区线路雷电情况广西在我国是属于雷雨暴风经常发生的地区，它的特点就是在雨季频繁发生活动,密集程度大，雷的强度大。据沿线各地气象台站提供的记录资料，本线路所经地区的平均年雷暴日数在80左右，这表明本线路所经地区属多雷区，防雷是设计重点之一。另据当地运行部门反映，本地区线路遭遇雷害比较严重，线路运行往年跳闸次数中雷击跳闸占绝对多数。根据运行部门对历次雷击跳闸事故的调查研究和分析，认为大多数雷击跳闸都是由于绕击引起的。这与国内其他多雷暴地区雷害事故的统计结果基本一致。表明绕击就是
7、500kV送电线路雷击跳闸的重要原因。2.2 线路工程背景在柳东变桂林变双回500kv线路工程中它所需要的电压等级为500KV,这个工程的线路从柳东50OkV变电所开始到桂林5(X)kv变电所结束。在这段线路中大多以丘陵和山地为主，所以需要考虑到山坡的牢固性，它所用到的回路是双回路，该线路总长度为139km,结合了实际情况所使用的导线型号是4*LGB-40035型号和4*LGJ-40050钢芯铝绞线，在地线的选择中需要两根地线：一根为普通的地线，而另一根需要使用OPGW复合光缆，在柳东变电站出线用到的普通地线大概是15km,桂林500kv变电站进线则使用的是一条LBGJ-IOo-30AC(YB
8、fT124-1997)铝包钢绞线，其他路段使用的是GJXO镀锌钢绞线，另外一条使用的是24芯OPGW光纤复合光缆地线，该线的型号是OPGW-115o2.3 气象条件根据数据亚热带季风气候区，气候温和，严寒天气比较少，全线导地线均有覆冰现象.在烂木冲一狮子岭(大崇山区)和四塘镇骆家桂林5(X)kV变电所段，沿线气温变化范围小。按照架空线路建设的有关规定，参考当地送电线路的方案，本工程最高气温采用四十摄氏度，最低气温分段采用负十摄氏度和负五摄氏度，平均气温采用十五摄氏度。沿线地区雷电活动较频繁。据气象统计资料，桂林、临桂、永福、鹿寨多年平均年雷暴日数为65.374.7天，历年最多雷暴日数在88.0
9、天103.0天。本工程设计取平均年雷暴日数80天。结合了参考文献和气候的条件，得出以下天气气候表：表2-1天气气候气象条件烂木冲狮子岭（大崇山区）四塘镇骆家桂林500kV变电所（11la厚冰弱风区）柳东变一烂木冲狮子岭四塘镇骆家（Ha轻冰弱风区）大Q1111度（匕）最高气温4040最低气温-10-5年平均气温1515导地线覆冰-5-5最大风速1515安装条件05大气过电压2020内过电压1515风速(ms)最高气温00最低气温00年平均气温00导地线覆冰1010最大风速3030安装条件IO10大气过电压1010内过电压1515覆冰厚度（mm）105冰的比重（kgm3）0.9线路长度（km）40
10、99年平均雷暴日803高压架空输电线路进线防雷保护高压输电线路由于雷电的入侵导致事故出现概率有百分之五十，这是由于雷击的范围和高压输电线距离太紧导致的，有百分之七十一的事故是因为雷击导致三千米内的路线出现了问题，必须要对避雷器的雷电电流幅度值以及雷波的波动性进行限制，来保护高压输电线的线路。若是线路上的电压出现波动，且波动的幅度是绝缘的百分之五十，那么就很容易发生闪络电压，从而影响到电线线路，比如，雷电以雷波的方式侵入到导线中，那么就会导致导线出现损耗。这是由于线路和高电压输电线距离过远，传送距离越远的时候，那么它的损耗也就越多，从而坡陡度以及幅值都会大范围的减小。增设避雷线这是预防雷击的关键
11、措施，否则若是被在高压输电线的进出线四周增设避雷线，一旦被雷击中后，整个路线都会受到相应的影响，高压输电线的保护主要是得在1-2千米的位置出就需要开始迸行防护，因为通过1-2千米的冲击电晕影响，可以将入侵电波的波动性减弱，还可保护避雷器。4高压架空输电线路的防雷与接地整个电力系统是否可以安全运行和接地装置的设计是息息相关的，高压输电线路接地系统是否合理化，会直接影响到人身和设备的安全，特别是当电力系统的规模愈发的庞大后，接地系统的设计也愈发的繁琐化，变电所变压器的接地工作涉及范围很广，不但包含了工作接地、保护接地，还包含了防雷接地。工作接地为了使电力系统上的设备运转它的功能接地。其目的是保护人
12、员和设备的安全，防雷接地是指防雷装置对地释放雷电电流的接地。高压输电线路接地网的安全不但需要确保可以将接地阻抗的要求给满足，还得确保其使用寿命久，安全程度高。4.1 接地系统发生故障分析接地网能不能得到认证的主要部分取决于接地网电流阻力的大小，测试接地网上的电阻时，通常用电压和电流的方法。需要使用到接地棒和辅助接地上的三角形，接地体上的电阻不大于IOQ。通过接地的装置电流需要大于30A,电压一定要是交流工频的电压，电压的大小需要控制在65220V之间，这样可以保证测试的安全性，此外电压表也需要运用高内阻的表计，避免无法测试到一些云支路的分流。这种测试方式就是可以不被测量范围所局限，尤其是对于超
13、过IIOKV以上系统来讲是最合适的测量方式，结果也非常接近准确数值4.2 同塔双回路的防雷设计本文全线应用同塔双回路，它的最大问题是两回一起受到雷击闪络的概率。因为超高压线路输送量比较大，双回路一起跳闲对系统的冲击大，会严重影响系统运行的稳定性。所以，必须采取措施尽量减少双回路同时发生雷击跳闸的可能性，提高同塔双回路运行的可靠性。目前，国内对500kV双回路塔采取的绝缘方式有：常规绝缘、不平衡高绝缘（差绝缘）、平衡高绝缘（六相加强）、逆相序排列中相高绝缘（中相加强）等。清华大学和武高所为三峡电站送出工程对双回路防雷问题从理论与方法上进行了较深入的研究，通过对不同塔型、不同绝缘方案雷击反击跳闸率
14、的计算和比较，得出无论采用哪种计算方法，差绝缘或加强绝缘方案都可以减少同塔双回线路的单回跳闸率跟双回同时跳闸率。当中以鼓型塔采用双回路不平衡高绝缘、逆相序排列的方案效果最好，其耐雷水平最高，总跳闸率与其他方案相同，但双回一起跳闸的概率较低。这个方案已应用于三峡电站送出工程。本工程地处广西多雷区，绕击矛盾突出，既要尽量降低双回同时跳闸率，还要尽可能的提高线路整体的耐雷水平，提高防绕击水平，降低双回线路的总跳闸率。考虑按不平衡绝缘设计时，虽然双回事故次数在总事故次数中所占的比例减少，但随着一回线事故增多也造成总事故次数增多。为此，结合本工程的特点，从提高双回线路整体的绝缘水平和防雷性能，提高双回线
15、路运行的可靠性，本工程同塔双回路拟采用平衡高绝缘方案，同时在双回路相序排列上考虑采用异相序（包括逆相序）的方式，以降低双回同时跳闸率。在资料计算结果表明，采用平衡高绝缘方式能显著增加线路耐雷水平，相序对单回闪络耐雷水平影响不大，但采用异相序（包括逆相序）能显著降低双回跳闸率，一般能降低20%左右。4.3 防雷措施根据以上分析，为确保本线路具有足够的耐雷水平和较低的雷击跳闸率，拟采取以下措施：D全线设置双地线作为主要防雷措施。由于双回路塔的垂直布置，塔的全高比单回路塔的水平布置高出约20m。即使达到零保护角，地线也不能完全屏蔽导线，特别是导线中下层裸露较多，屏蔽失效概率远高于单回铁塔。为尽可能降
16、低屏蔽故障率,上下导线均设计负保护角，地线对中导线的保护角不大于5。2）针对双回塔耐雷水平低的特点，通过防雷计算，选择了六相高绝缘方案。悬垂绝缘子串采用31片16OkN级绝缘子或结构高度485050mm复合绝缘子（重污染地区）能有效提高线路的耐雷水平。基本塔型的耐雷水平满足过电压规定的要求。一般来说，平坦地区不小于175kA,山区不小于125kA3）双回铁塔和双回线路的导线按不同的相序排列。根据计算，ABC,BAC或ABC,cab是各种排列的最佳组合。4）塔架上两根地线之间的距离不得超过导线与地线垂直距离的5倍。5）为避免雷击地线档距中央反击导线，导线与地线在档距中央的距离（15匕，无风时）应
17、满足下式要求：S0.012L+l式中：s一一导线与地线在档距中央的距离，m;1.实际档距，mo5.1） 当档距为50Om时：S-导线与地线在档距中央的距离为S0.012*500+1S7m当档距为60Om时：S-导线与地线在档距中央的距离为S0.012*600+1S8.2m当档距为700m时：S-导线与地线在档距中央的距离为S0.012*700+1S9.4m当档距为80Om时：S-导线与地线在档距中央的距离为S0.012*800+lS10.6m6）每座塔均接地，接地装置的工频电阻应符合规范要求（表4-1）。对于距高塔2km以内的杆塔及两端变电所进线段，按一级配置接地装置，尽量降低杆塔接地电阻。4
18、.4 接地设计本线路地形约57.6%为丘陵及山地，14.6%为高山大岭,其余27.8%为平地和水田。沿线平地和缓坡地大多已被开发为旱地和水田。，分为岩溶洼地及残丘、冲积平原、河流阶地地貌，土层覆盖土层厚度一般在21m10m7m不等之间。，土壤电阻率按当地以往工程勘测数据判断一般在4015。2（XX）1500Qm之间，以800Qm以下者居多，少部分覆盖层薄、基岩出露地段则超过2000Qmo山丘、林地地段土层覆盖厚度一般在0.5m3m之间，土壤电阻率较平地高，一般在1000m以上，大于2000m的地段约占30%。它的特点一般是耕种区少，山区多。在风化岩、岩溶地区和覆盖层薄、基岩出露的某些地方土壤电
19、阻率很高，超过2(X)0mo降低铁塔接地电阻是提高线路耐雷水平花钱少、效果好的方法。本工程接地装置采用环绕塔基的方框形加放射形水平接地体。为使接地装置有较好的散流作用，接地引下线采用812热镀锌圆钢，接地体采用SlO圆钢。为提高可靠性，接地引下线采用四点引下方式。土地的电阻率为现场实测值经季节系数换算后的设计值，在干旱的季节，每座无地线杆塔的工频接地电阻都不能高于表4-1所列数值。表4-1工频接地电阻值土壤电阻率(m)100-500500-10001000-20002000工频接地电阻(C)1015202530如果土地的电阻率不小于2000Qm,接地电阻就不能降到30Q,能运用6-8根总长度不
20、大于500m的放射形接地体，也可以运用连续伸长接地体，它的接地电阻就不会受到限制。离杆位近距离有土地电阻率很低的区域，也可应用从外部接地。接地体埋深不可以小于00.6m0.8m,在山地不可以小于0.3m0.5mo4.5 耐雷水平和跳闸率耐雷水平的计算分为两种：一是绕击耐雷水平、二是反击耐雷水平。在此工程中需要用到的计算方法是绕击耐雷水平，雷电绕击一般是指在地闪的下面先绕过地线跟杆塔的截断直接被攻击到相导线的一直发电现象，在高压架空输电线路中表示的是电力线路可以被雷电冲击电流的最高值。是由杆塔的接地电阻的大小来决定，如果接地电阻比较大的话，耐雷水平就低，接地电阻小的话，耐雷水平就会高。一般对于要
21、求比较的高线路，耐雷水平也按要求的会相应增加，对于普通的线路就会低一些。跳闸率表示的是在雷电暴雨天气的日数，在IoOkm的线路每一年被雷电攻击所发生的跳闸次数。跳闸率是用来表示高压架空防雷线路性能的数据。J-_50%耐雷水平计算公式：2Z公式中4o%50%放电冲击电压Z波阻抗跳闸率的计算公式：NXPIXV式中，N-线路上的总落雷数P1-是雷电流幅值等于或大于耐雷水平的概率建弧率根据计算方法和资料，本工程采用的主塔型耐雷水平及跳闸率（雷暴日40d年）见表4一2。表4-2主要铁塔耐雷水平和跳闸率表塔型耐雷水平（kA）跳闸率（次100kma）Ri=7Ri=15Ri=7Ri=15SZT20-33147
22、.75125.710.1840.482SZT30-33146.57125.000.1920.498SJl-27163.58137.730.1210.349依据地形的比例和铁塔使用的情况按每年80雷暴日来计算，本工程预期跳闸率为0.924次/年。4.6 OPGW抗雷击设计在高压架空输电线路中OPGW抗雷击设计是至关重要的组成部分，当线路受到雷电的攻击或者发生短路的故障的时候，大多数的电流会回到发电站，这些电流就会使得接地体发热氢至有可能会因为温度过高从而引发火灾烧断电路，这几年来我国出现了OPGW被雷电攻击之后烧断的事故，而且柳东变桂林变双回500kv线路工程经过的路段全年有四分之一的时间是雷暴
23、天气,所以对于OPGW型号的选择特别关键。雷电攻击OPGW的时候，在被攻击的点上会瞬间出现的高温是外面那层单丝断裂开的主要原因，外面那层单丝产生熔蚀时所吸收的能量称被为熔蚀能量。当前OPGW外面那层单丝基本都应用铝合金线跟铝包钢线这两种材料，经过资料对比，-样的路线铝包钢单丝的熔蚀能量为铝合金单丝的2.13.4倍（对应不同导电率的铝包钢线），从国内OPGW雷电击断线路的事故的统计来看，产生断裂的绝大多数为铝合金线，所以，选择外层铝包钢的OPGW有利于避免发生雷电击断线路。此外，外层单丝直径也是一个影响OPGW抗雷击水平的重要因素，根据国内线路的设计运行经验，OPGW外层铝包钢单丝直径应该大于3
24、.0mmo国内一般使用的OPGW可以分成为铝管结构和钢管结构这两个种类，众多的运行经验证明，两种结构的OPGW都可以满足工程应用的标准。考虑目前国内绝大多数厂家的产品均为钢管结构，为了使工程建设的更加容易，本工程推荐采用钢管结构的OPGW。综上所述，本工程OPGW的选型原则确定为采用外层铝包钢的结构，且要求外层铝包钢的单丝直径大于3.0mmo4.7 导线绝缘子串防雷设计绝缘子大概分为四种：盘形瓷质、玻璃、合成绝缘子和瓷长棒形绝缘子，然而它们都各自有着自己的优点和缺点。D盘形瓷质：它是在使用时间最长的一种，也是应用最广的绝缘子。不过在使用年限久了就会出现老化，它的绝缘效果就会慢慢下降。2）玻璃绝
25、缘子：它的稳定性比较好，不会那么容易老化，耐脏性能好。具有零值自爆的原因，不需要经常去检查零值，所以在一些地区应用的比较多。3）合成绝缘子：它是一种新型防污绝缘子，不仅仅强度高、重量较轻、抗冲击、耐污性能好、结构比较简单、方便运输和安装，不足的地方就在于容易老化，需要经常更换。4）瓷长棒形绝缘子：它的优点在于机械强度高，不能被击穿，输电损耗比较低，维修经费少等。不过因为流质烧结体是不均匀材料，所以在长时间的使用中，遭到不同的机械冲击力和震动力作用，对该瓷体损坏，致使性能降低。在经过查阅资料了解到在柳东变桂林变双回500kv线路工程中II污秽区需要应用盘形瓷质跟坡璃绝缘子，IH级污秽区悬垂串应用
26、合成绝缘子，耐张串应用盘形瓷质绝缘子或耐脏玻璃绝缘子。4.8 空气间隙防雷设计柳东变桂林变双回5OOkv线路工程中该路段经过的海拔大都是在500m之下，很少有5001000m之间的海拔，依据相关的规定在相应风偏的条件下，导线跟带电的部分与铁塔构件的空气间隙，需要大于表4-3的数据。表4-3带电部分与铁塔构件最小空气间隙值工况同时风速相应海拔高度H的最小空气间隙（m）H500m500mH100Om雷电过电压104.104.10操作过电压152.502.70工频电压301.201.30带电检修103.203.20注：带电检修空气间隙不包括人体活动范围，所以对操作人员需要停留工作的部位，还应该考虑人
27、体活动范围0.3m0.5m（本工程取0.5m）,相应的气象条件为：气温t=15,C,风速V=Iorns,无冰。表4-3中雷电过电压的空气间隙，按31片160kN悬垂绝缘子串的正极性雷电冲击电压波50%放电电压的0.85倍配合。设计和检验塔头间隙时，应用的风速不均匀系数如下表4-4.表4-4风速不均匀系数工况风速不均匀系数雷电过电压1.0操作过电压0.75工频电压0.61带电检修1.05总结这段线路所经过的地区天气大都是经常发生雷暴天气，所以在该工程使用的是同塔双回路防雷设计，虽然在总的跳闸率跟其他的方法相同或者稍微高一点，但是这样也能有效的降低双回同时跳闸的概率，还能尽可能的提高线路整体的耐雷
28、水平，提高防绕击水平。在文中绕击耐雷水平跟跳闸率的计算可以反应出在该段线路中雷电攻击对该线路的影响，从而设计出降低这些所发生的事故。在线路中对于OPGW的选择也需要考虑到改地理位置的雷暴环境，当它在被攻击的时候那一个点上会瞬间出现的高温能把外面那层单丝烧断裂开，所以在需要选择外层铝包钢的结构，而且外层铝包钢的单丝直径不得小于3.0mmo对导线绝缘子的选择也是相当重要的，它是安装在导体跟地电位原件中间的一个器件，它可以承受电压跟机械力作用的器件，在高压架空输电线路有着至关重要的作用，也能在不同的恶劣的环境下保证机电应力能够安全的运行，还能更好的保护线路的安全性。针对在柳东变桂林变双回500kv线
29、路工程中II污秽区需要应用盘形瓷质跟玻璃绝缘子，UI级污秽区悬垂串应用合成绝缘子，耐张串应用盘形瓷质绝缘子或耐脏玻璃绝缘子。6结语本文在分析和研究柳东变桂林变双回500kv线路工程雷电过电压放电过程及其机理的基础上，重点迸行了柳东变桂林变双回5OOkv线路工程高压输电线路的防雷设计。根据各种防雷装置的保护原理，设计安装高压架空输电线路直击雷保护用避雷器，设计安装高压架空输电线路雷电侵入波保护。同时，结合基础接地知识和高压输电线路接地标准，对500kV高压架空输电线路进行了接地保护设计。参考文献1刘强.某地区50OkV线路防雷对策研究J.科技传播,2012,4(21):154+141.李中秋.5
30、00kV柳东桂林线路设计及相关问题研究D.广西大学,2013.3宋鑫佳.黑龙江电网线损影响因子研究D.华北电力大学,2013.4文艺.特高压交流输电线路绕击耐雷性能及其防雷措施研究D.西华大学,2014.易军.高压输电线路设计与施工技术探析J.中国高新技术企业,2010(13):104-105.邹建明,蒋静坪,李阳春.大型地网接地电阻测试方法的探讨J.电力建设,2003(03):23-26.7张涛,马晓炜.油田电网中提高线路安全运行措施的分析J.仪器仪表用户,2017,24(06):93-96.8张光利.浅谈IOkV配电线路山区防雷管理J.科技创新导报,2013(35):179.91周虹霞,梁海生.采用丁字横担解决导线间距偏小的实践JL电力与能);g,2012,33(06):587-589.10、柴玉华，王艳君主编.架空线路设计，北京：中国水利水电出版社，200111、国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册.北京：中国电力出版社，200312、110500kV架空送电线路设计规范,GB50545-2010.201013、交流电气装置的过电压和绝缘配合设计规范,GB/T50064-201414、绝缘配合第1部分：定义、原则和规则，GB311.115、交流电气装置的过电压保护和绝缘配合,DL620-1997
