避雷线-杆塔-接地系统阻抗特性与防雷方法研究

摘要

输电线路承担着电力能源在大范围区域内运输与分配的关键任务，其安全可靠运行对整个电力系统至关重要，一次输电线路停电故障将产生巨大的经济损失。现如今，随着我国输电领域设备与技术的发展与革新，人为因素导致的输电线路跳闸停电事故极少，我国雷暴天气多发，雷击高压输电线路的概率很高，雷击跳闸已成为输电线路停电故障的主要原因。我国高压输电线路虽大多配有防雷设备，但在一些高原或山地区域，雷击跳闸事故仍频繁发生。一方面原因在于山岩地带接地电阻普遍较大，造成雷击杆塔时塔顶电位过高；另一方面原因在于当雷电波经过杆塔各部位结构、杆塔与接地装置或避雷线的连接处时，因波阻抗的突变将产生折反射现象，也会很大程度改变塔顶电位。因此，研究杆塔、避雷线及接地装置的冲击波阻抗对雷击过电压的影响，并提出针对性的防雷优化措施及方法，显得十分迫切。　　本文首先通过大型冲击试验获取典型土壤的电阻率与场强的关系函数，并基于电磁场理论与电路理论建立了冲击接地场路耦合模型，模型计算结果与高压实验结果误差在9%以内，验证了冲击接地模型的正确性。由此建立了避雷线－杆塔－接地系统整体模型，整体模型的计算结果与比例杆塔实验的测试结果误差在10%以内，验证了整体模型的正确性。所建模型为雷击暂态特性及防雷方法的研究提供了关键手段。　　然后基于所建模型，研究了避雷线－杆塔－接地系统的波阻抗特性对输电线路防雷性能的影响，研究了不同类型尺寸的杆塔、不同档距和结构尺寸的避雷线以及不同工况下的冲击接地电阻对输电线路雷击过电压及雷电流分流特性的影响，研究结果为进一步的防雷优化设计提供参考与依据。　　进一步研究了基于杆塔结构优化、避雷线合理配置的防雷优化措施，以及不同工况下的接地系统冲击降阻优化方案。研究了杆塔架设绝缘横担以及避雷线的不同架设位置与数量对线路防雷性能的影响，给出了具体的优化杆塔结构与合理配置避雷线的防雷措施。对于接地装置，研究了外引射线配合垂直接地极、外引射线配合针刺导体的冲击接地特性及最优配合方式，在使用更少接地材料的情况下，对三种典型工况提出对应的降阻优化方案。最后选取典型的杆塔接地装置完成了优化方案的现场应用，验证了优化方案的有效性。　　本文的研究丰富了高压输电线路的防雷方法，对提高山区输电杆塔的防雷性能有一定的参考价值。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 杆塔接地系统数值计算研究现状

1.2.2 输电线路防雷优化措施研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2 章避雷线－杆塔－接地系统暂态阻抗建模与实验验证

2.1 基于典型电网构架的输电杆塔多波阻抗模型

2.1.1 杆塔波阻抗理论

2.1.2 典型输电杆塔的波阻抗计算

2.2 输电线和避雷线的雷击暂态模型

2.2.1 典型输电线及避雷线模型构建

2.2.2 计及冲击电晕的输电线与避雷线雷击暂态模型

2.3 基于场路耦合理论的接地系统冲击暂态阻抗模型

2.3.1 计及火花效应与电感效应的杆塔冲击接地阻抗模型研究

2.3.2 高压冲击实验验证

2.4 避雷线－杆塔－接地系统整体暂态阻抗模型及验证

2.4.1 整体模型构建

2.4.2 比例实验验证

2.5 本章小结

第3 章避雷线－杆塔－接地系统的雷击特性仿真研究

3.1 不同输电杆塔波阻抗下的雷击特性研究

3.1.1 鼓型直线杆塔的波阻抗及其雷电暂态特性

3.1.2 酒杯型杆塔的波阻抗及其雷电暂态特性

3.1.3 猫头型杆塔的波阻抗及其雷电暂态特性

3.2 不同避雷线波阻抗下的雷击特性研究

3.2.1 线路档距的影响研究

3.2.2 避雷线结构尺寸的影响研究

3.3 不同接地系统冲击暂态阻抗下的雷击特性研究

3.3.1 低土壤电阻率地区的输电线路雷击暂态特性

3.3.2 高土壤电阻率地区的输电线路雷击暂态特性

3.4 本章小结

第4 章基于避雷线－杆塔－接地系统阻抗特性的输电线路防雷方法研究

4.1 基于杆塔结构优化的防雷方法研究

4.1.1 绝缘横担的优化配置研究

4.1.2 绝缘杆塔的结构优化研究

4.2 避雷线与耦合地线的防雷优化方案研究

4.2.1 耦合地线的架设位置研究

4.2.2 耦合地线的架设数量研究

4.2.3 特殊工况下的避雷线优化配置方案研究

4.3 综合考虑火花效应和电感效应的接地装置优化方案研究

4.3.1 典型的接地装置优化方法冲击降阻研究

4.3.2 接地装置周边部分区域存在岩石的优化方案研究

4.3.3 接地装置周边广泛区域存在岩石的优化方案研究

4.3.4 输电线路接地装置优化方案的现场应用

4.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果