基于行波理论的输电线路防雷保护

摘要

随着科技的发展，电力已成为最重要的资源之一，如何保证电力的供应对于国民经济发展和人民生活水平的提高都有非常重要的意义。输电线路的防雷保护就是重点之一。架空输电线路分布很广，地处旷野，易遗受雷击，线路的雷害事故在电力系统总的雷害事故中占很大比重。因此要研究防雷原则，及时做好相应措施。

根据输电线路防雷保护为研究方向，根据输电线路的原始数据设计其电气接线图、雷电行波保护、输电线路雷击故障行波分析、进线端防雷保护、继就电保护方案设计以及防雷接地设计等相关研究。

关键词：输电线路；行波保护；防雷保护

Abstract

With the development of science and technology, electricity has become one of the most important resources. How to ensure the supply of electricity is of great significance to the development of national economy and the improvement of people's living standards.Lightning protection of transmission lines is one of the key points.Overhead transmission lines are widely distributed, located in the wilderness, easy to be struck by lightning, lightning accidents in the line in the power system of the total lightning accidents account for a large proportion.Therefore, the principle of lightning protection should be studied and corresponding measures should be taken in time.

According to the 110kV substation as the research direction, according to the original data of the substation, the design of its electrical wiring diagram, transformer type selection, incoming line protection, load calculation, short-circuit current calculation, relay electrical protection scheme design and lightning protection grounding design and other related research.

Key words: Transmission line;Traveling wave protection;Lightning protection

目录

摘要............................................................................................................................ 2

第一章 绪论............................................................................................................. 1

1.1 概述............................................................................................................ 1

1.2 输电线路技术的现状............................................................................... 3

1.2.1防雷保护技术................................................................................. 4

1.2.2行波理论技术................................................................................. 5

1.3 输电线路的防雷保护方案...................................................................... 5

1.4 输电线路设计的内容及原则.................................................................. 6

1.5 课题的研究内容及章节安排.................................................................. 6

第二章 雷电行波保护............................................................................................. 7

2.1 雷电冲击行波特征和短路行波特征...................................................... 7

2.2 雷电行波对输电线路的影响.................................................................. 8

2.2.1 电力线路故障诊断....................................................................... 8

2.2.2 故障性雷击和普通短路故障智能诊断...................................... 8

2.3 输电线路的防雷保护措施...................................................................... 9

2.3.1 架设避雷装置................................................................................ 9

2.3.2 做好进线防护................................................................................ 9

2.3.3 做好防雷接地工作....................................................................... 9

2.3.4 采取防雷感应措施....................................................................... 9

2.2.1 主变压器容量和台数的确定.................................................... 10

2.2.2 主变压器型式的确定................................................................. 10

2.2.3 主变压器保护.............................................................................. 11

第三章 输电线路雷击故障行波特性分析......................................................... 12

3.1 行波基础理论......................................................................................... 12

3.1.1 行波的定义.................................................................................. 12

3.1.2 线路中的波过程......................................................................... 13

3.2 雷击故障行波的产生原理.................................................................... 14

3.3 小结.......................................................................................................... 15

第四章 输电线路主接线设计.............................................................................. 16

4.1 输电线路主接线的要求及原则............................................................ 16

4.1.1 设计要求...................................................................................... 16

4.1.2 设计原则...................................................................................... 17

4.2 电气主接线的选择................................................................................. 18

4.2.1 110kV 侧主接线方案选取......................................................... 18

4.2.2 35kV侧主接线方案选取............................................................ 20

第五章 进线端防雷保护设计.............................................................................. 22

5.1 架空地线保护......................................................................................... 22

5.2电缆进线的过电压保护.......................................................................... 23

5.3做好输电线路过电压保护的技术管理工作........................................ 23

5.4  小结........................................................................................................ 24

第六章  电气设备的选择.................................................................................... 24

6.1 电气设备选择的一般原则.................................................................... 24

6.2 载流导体的选择..................................................................................... 25

6.3 断路器和隔离开关的选择.................................................................... 26

6.4 电流互感器的选择................................................................................. 30

6.5 电压互感器的选择................................................................................. 32

6.6 高压熔断器选择..................................................................................... 32

第七章  防雷保护................................................................................................. 33

7.1 防雷保护.................................................................................................. 33

7.1.1 输电线路防雷保护的必要性.................................................... 33

7.2.1 防雷保护措施.............................................................................. 33

7.2 选择避雷器的型号................................................................................. 34

第八章  总结展望................................................................................................. 35

参考文献................................................................................................................. 35

致    谢................................................................................................................. 37

第一章 绪论

1.1 概述

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，它既是现代工业、农业、科学技术和现代国防发展不可或缺的动力，又与人们的日常生活、社会稳定密切相关。架空输电线路是电力系统发电、输电与变电的主要组成部分。架空线路常年暴露在大气环境中，而由于自然气候条件的变化，架空输电线路极易遭受雷击。若输电所采用线路的防雷措施不当，可能引起输电线路断线、架空地线断线和绝缘子损坏等，同时会导致线路跳闸的发生。此外，输电线路遭受雷击时产生的侵入波过电压，可能会传入输电线路而引起输电线路站内设备的损坏，造成更为严重的设备事故。因此输电线路的防雷工作是关系到电力系统安全可靠稳定运行的重要环节[1]。

输电线路担负着传输电能的重任，分布范围广泛、穿越地形复杂，在电网构成中所占比例最大，同时也是电网中发生故障最多的元件，纵观国内外的大停电事故，大多数都是由线路故障引起的[2]。输电线路能否正常运行直接关系到整个电力系统的安全和稳定，伴随着现代电力系统规模的不断壮大，高压远距离输电线路日益增多，电网之间的互联也在逐渐加强，输电线路发生故障的概率将会随么加大。线路故障测距的研究具有重要的经济价值和现实意义。

常见的输电线路在对电能的接受和发送，降压和升压转换，电流的方向等方面进行控制，高压和低压电网的连接也是通过变压器来转换的。输电线路的设计规划在电力系统的整体设备中是至关重要的，要实现电网的稳定运行和供电，不影响用户和发电厂之间电量转换的关系。

日常中的输电线路主要用途在于转换电压，将发电厂输出的高压电进行降压处理，转换成用户可以直接使用的220V低压电，发电厂端的输电线路主要是用来将发电厂输出的电进行升压转换，其一是为了方便进行远程传输，除此之外能够有效地降低传输线上的电阻等产生的消耗；另外一种使我们经常见的降压变压器，主要是将电缆中的高压线通过降压处理传输给用户使用，达到220V电压。针对不同的状况，变压器进行升压和降压的程度完全不同，因此输电线路的种类多种多样，例如在进行远距离传输时，电压将会升至千伏以上，甚至达到更高；当为近距离传输时，电压会升至一千伏左右，经过降压变压器转换后，将高压电转换成220V用户电。

1.2 输电线路技术的现状

电力行业的快速发展直接影响着我国的社会经济发展，我们只要将电力设备保证稳定运行，才能完成城镇化的发展目标。相比国外而言，我国的电网设备的发展革新相对较晚，现如今在一线大中城市的输电线路已经跟换为最新的设备，然而在相对比较落后的偏远地区还在使用比较老旧的输电线路设备，并且输电线路需要人为操作；而在发展比较先进的地区，输电线路基本实现无人化，交流电输出逐渐转换成比较稳定的直流电输出。国外的输电线路设计发展相对比较先进，已基本实现无人化，正在向直流电方向普及。同时，全世界科学家及电力事业工作者逐渐将数字智能输电线路作为研究发展的方向。
　　我们的输电线路技术在20世纪70年代中期也取得了前所未有的进步。不同的输电线路，如春季雨后的青笋，逐渐应用于国家的所有企业及输电线路。欧美等发达国家在输电线路技术方面有先进的水平，他们在20世纪60年代开始对输电线路技术控制系统方面展开深入的研究，在1980年之后，研究人员就基本实现了对输电线路系统交流输出的控制，在20世纪末期，开始对交流输出输电线路技术的控制模块进行批量生产，但因为生产成本过高，这种最新的研发项目只用在了少数输电线路上。然而现如今，输电线路控制系统已经成功地与电子技术相结合，而且逐渐走向成熟，由于购买成本有所减少，越来越多的企业和输电线路开始购买数字输电线路控制系统。

我国在直流输出的输电线路技术控制系统方向的研发力度不够，而且很晚，然而随着近几年来我国输电线路行业的蓬勃发展，直流输出的输电线路技术的数量也在快速增加，同样的对直流输出的输电线路控制数字化的需求量也急剧增加。即使国外在数字直流输出的输电线路技术控制方面研究比较突出，但我国的实际需求情况比较复杂，并不能完全的应用此项技术，输电线路种类较多，没有一致规范，而且消费习惯也不一样，达到数字直流输出的输电线路控制还有一定的距离，但是数字直流输出的输电线路控制系统在国内的还是有宽广的未来。

1.2.1防雷保护技术

通常情况下，雷击就会引发暂态行波的产生, 所以可以利用行波测距技术来对电力线路上的雷电冲击问题进行监测, 并对输电线上雷击点位置进行精确定位，以便检修人员及时进行检修，提高故障检修效率。但是，目前国内正在使用的行波测距设备还无法准确区分出电力输电线路上的非故障性雷击、故障性雷击以及普通短路故障[8]。因此，研究输电线路直击雷的暂态行波特性, 有助于找到与普通短路故障区分开来的有效方式，具有十分重要的研究价值。

目前，我国输电线路防雷设计主要从以下几个方面着手进行:

1、合理选择线路路径;

2、架设避雷线;

3、降低杆塔接地电阻;

4、在部分地段装设避雷器;

5、提高线路整体绝缘水平。

这几种方法在目前的输电线路防雷设计中运用得非常多，在线路路径受地形和投资限制，选择范围不大的情况下，架设避雷线、降低杆塔接地电阻、装设避雷器、提高线路绝缘水平成为防雷设计的主要方法[9]。避雷线、杆塔接地电阻、避雷器、线路绝缘的设计标准在各类规程和技术规范都有较为详细的阐述。在选择设计输电线路的防雷设施时，应按照当地的雷电活动情况、系统的中性点接地方式、输电线路的绝缘情况、有无自动重合闸或备用自投装置、负荷的重要程度等各项条件来综合考虑，并按照技术经济比较的结果来作出决定采用最佳保护方案[10]。

1.2.2行波理论技术

纵观电力系统的保护发展史，输电线路保护原理主要有基于电流和基于距离保护两种，如差动、方向、距离、单元保护及广域保护等，它们都涉及到从复杂的故障后电压和电流波形中通过滤波来提取工频分量以检测故障。虽然基于上述保护原理的设备随着现代技术的发展得到不断的改进，但上述保护原理并没有多大的变化，在当今的继电保 护领域仍起着主导作用[12]。

行波保护的研究可以追溯到上世纪50年代，但直到1976年，第1套行波保护装置才由瑞典通用电气公司研制成功，并投入美国bonneville电力局5OOkV输电线路试运行：同时，日本东京电力公司基于Takagi等研发的行波差动继电器研制成功行波差动保护，其他国家也先后开始了行波保护的研究[14]。

我国于1978年开始行波保护的研究, 并于80年代初从瑞典引进2套RALDA型行波保护装置分别安装在东北5OOkV电网（锦辽线）和华中电网（平武线）。70年代末 80 年代初是行波保护研究的一个高潮，这个阶段的理论研究和装置研制奠定了行波保护的基础，也为今后的行波保护研究积累了重要的经验。但是，由于行波本身的高频暂态性质、早期的保护原理缺陷以及数学工具、传感器方式和技术条件的限制，该阶段所研制的保护装扰性能不够稳定，可靠性较差。

1.3 输电线路的防雷保护方案

1. 架设避雷装置

避雷针的作用以及避雷的基本原理是：

当发生雷电天气时，将雷电吸引到避雷针的上面，并同时将电流导入至大地中，从而避免设备受到雷电流的损害．对设备起到良好的保护作用。在进行避雷针的架设工作时，需要注意的是：必须使输电线路内的所有设备都处在避雷针的保护范围内。另外，还要充分的考虑到雷电击到避雷针上时的容易引起的反击事故，并在预先加强相关的防范工作。

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