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电力线路雷电感应过电压的时域积分方程法分析-电磁场与微波技术专业论文
华北电力大学硕士学位论文
华北电力大学硕士学位论文
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第 1 章 绪论
1.1 选题的背景与意义
人类从 19 世纪就开始对雷电这一自然现象进行研究了,雷 电在很 多 方面对 人类生活造成危害,其中在 电力系统领域主要表现为发热、机械电动 力和 电 磁干扰等。电力系统的输配 电线路大部分裸露在空气中,极易遭受雷 击, 引 起的供电中断、供用电设备损坏等事故 [1]给国家经济及人民生产生活带来巨 大的损失与影响。雷击过电 压分为直击雷过电压和感应雷过电压两个 方面 , 直击雷过电压是指雷电直接 击中电气设备、电力线路或者建筑物时引 起强 大 的雷电流,这些物体流过雷 电流会引起整个系统过电压;感应雷过电 压是 指 雷云在对地放电时,在放电 通道周围空间,其对应的电磁场大小会发 生急 剧 变化,导致附近的导体上产 生感应过电压现象。长期以来,研究主要 集中 在 直击雷上 ,对感应雷的研究较少 ,因为对于传统的电力系统和用电设备来说, 直击雷的危害远远大于感应雷 。对于 110kV 及以上的高压输电线路而言,直击 雷过电压对线路绝缘的威胁最为严重,但直击雷只占雷击率的 10%。由于杆塔高 度增加使得感应过电压增大,虽然不会造成线路的直接跳闸,但也会使线路绝缘 受到破坏,严重情况下会使雷击跳闸率明显增大。而对于低压配电系统来说,由 于绝缘水平较低,感应雷过电压引起的雷害故障次数和线路跳闸率明显增加,尤 其是在地形复杂的雷电现象多发区或者电阻率较高的土壤地带,架空线路遭受的 雷击概率一般是最高的。研究发现,在我国 6~35kV 中低压配电系统中,除了在 变电站进线 1~2km 范围内架设有避雷线外,绝大多数没有采用避雷线及避雷器 保护,大部分线路杆塔和线路在绝缘水平较低的情况下完全暴露在雷击环境中, 最容易发生雷击现象,造成雷击事故。感应雷过电压是引起 6kV 或 10kV 架空配 电线路闪络或故障的主要因素,故障比例超过 90%。从 1989 年至 1992 年四年的 时间里,Kincetrics 对加拿大安大略湖配电系统的可靠性程度进行连续地观察记 录,在 40000 次故障分析研究中,得出每 100km 线路的平均故障次数为 50 次, 其中由雷电原因引起的故障次数达 15 次。Dravtion 和 Mi11s 配电网的故障跳闸 率分别为 55%和 29%,其中有 3/4 是由感应雷引起的。运用电气几何模型法和 Eriksson 模型计算的直击雷及感应雷下的过电压发生率,对于每 100km 线路高度 为 10m 的输电线路,在每年的直击雷过电压发生率小于 10,而感应过电压发生
率与电压等级的大小成反比,即随电压等级的减小而增大,当电压等级小于 100kV 时,感应过电压发生率均大于 10,且随电压等级的降低而快速增加。感 应雷引起的线路过电压有时会造成线路对地或相间闪络,入侵雷电波过电压会损 坏变压器及开关设备等。
近年来,随着我国电力行业的迅速发展,特高压输电技术也日益成熟。在 2009 年初,从晋东南至南阳至荆门的 1000 千伏特高压交流试验示范工程开始正 式投入运行,标志着我国从此进入了特高压输电时代,这项工程是由我国自主研 究、开发设计而成的,它具有建设性的自主知识产权。伴随着我国工业规模的扩 大和用户对电能质量的要求,电力方面的技术也由此不断地得到提高,例如,电 网规模越来越大,电压等级越来越高,气体绝缘开关在线路上得到广泛使用,变 电站综合自动化技术在电力系统中得到不断推广,由于考虑到经济因素,继电保 护装置和二次控制设备等也将越来越多地安装到变电站高压开关场内(即保护或 二次设备下放),电磁状态受电力设施的影响也日益显著[2]。
在电网自动控制系统中,有大量的精密性电子设备,这些电子设备通常是由 超大规模的集成电路所组成,容易受到周围环境的电磁干扰,在电力系统中,电 磁兼容问题是确保电力系统安全、经济、可靠运行的一个重要环节。因此,越来 越多的工程技术人员对电磁兼容问题进行了大量的深入研究。一般的数据采集、 系统控制以及信号通讯都要用到弱电设备,而这些弱电设备的电压信号很低,对
各种电磁干扰都很敏感。当一次回路受到强电磁干扰时,或者二次回路本身受到 电磁干扰时,会通过信号传导、电磁感应和辐射等途经传达到电子元件上。当干 扰水平超过保护装置允许值时,会引起保护装置误动或者拒动,甚至会破坏保护 装置。而长期以来,电力系统传统的控制保护设备主要以电磁式装置为主,感应 雷对控制保护设备的影响并不严重,人们对雷电的研究重点集中在直击雷上,也
造成了对感应雷的研究的缺失。因此,对感应雷的电磁干扰及其防护的研究也显 得越来越重要。
雷击线路附近大地时,导线上的感应过电压可根据防雷规程建议近
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