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研究生： 張文旗
Chang, Wen-Chyi
論文名稱： 架空輸電線路設計及其與雷擊特性之關係分析探討
Analysis and Investigation of Lightning Characteristics Influence on Overhead Transmission Lines
指導教授： 黃世杰
Huang, Shyh-Jier
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 電機工程學系碩士在職專班
Department of Electrical Engineering (on the job class)
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 97
中文關鍵詞： 臨界閃絡電壓 、對地落雷密度
外文關鍵詞： GFD, CFO
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    • 架空輸電線路之絕緣設計涵括考量耐雷設計、耐開關突波及耐污損設計，其中在耐雷設計方面，雖已訂定接地電阻標準，但因架空輸電鐵塔分佈範圍極廣，每一地區的地質、土壤電阻係數及受雷機率嚴重程度不一，如將每一條輸電線路均以同一標準設計，似無法完全解決雷害問題，確有部分研究改進之處。
    因此本論文即致力探討現行耐雷設計所採行之對策及規範標準，並模擬測試及分析不同接地電阻對鐵塔塔基、塔頂、礙子連等電壓變化之對應關係，同時與現行設計準則所訂定之高低絕緣側臨界閃絡電壓比較，進而探討加裝線路避雷器及提高礙子連臨界閃絡電壓之相關對策，期能有助於邁向更佳化之架空輸電線路分析設計。

    In the insulation design of overhead transmission lines, it often takes the endurable capability of lightning, switching surges and unexpected pollutions scenarios into considerations. Particularly, to resist the influences brought by the lightning, the specifications for the grounding resistance have been carefully made; yet because features of geology, soil resistance coefficients and environments are different, a standard expected to be universally suitable for every overhead transmission lines becomes difficult to cope with the problem encountered, thus motivating the research made in this study.
    In this thesis, the current standards and strategies to endure the lightning is investigated. This is followed by the simulations and analysis of the voltage at tower base, tower top and insulator strings. In the mean time, the relationships between difference insulation and critical flashover voltage are also investigated. The improvements made by the installation of line arrestors and the increment of critical flashover voltage of insulators are also prudently assessed. It is expected that the analysis and the strategies made by this study will pave the way to facilitate the realization of optimal overhead transmission lines.

    目錄 中文摘要........................................................................................ I 英文摘要....................................................................................... II 誌謝............................................................................................... III 目錄................................................................................................ IV 表目錄............................................................................................ VIII 圖目錄............................................................................................ IX 符號說明....................................................................................... XV 第一章 緒論................................................................................. 1 1.1 研究背景與動機............................................................ 1 1.2 研究目的與方法............................................................. 2 1.3 內容大綱........................................................................ 3 第二章 防雷對策及目前台電之耐雷設計.................................. 5 2.1輸電線路路徑選擇......................................................... 6 2.2施設架空地線.................................................................. 6 2.2.1雷擊中輸電線路型式............................................. 6 2.2.2遮蔽角……………………….…………………… 8 2.2.3屏蔽失敗................................................................ 8 2.2.4屏蔽失敗閃絡率.................................................... 11 2.3 降低接地電阻................................................................ 13 2.4雙回線線路採差絕緣設................................................. 15 2.5裝設線路避雷器............................................................. 16 2.6雷擊閃絡型式................................................................. 16 2.6.1逆閃絡................................................................... 16 2.6.2 屏蔽失敗閃絡...................................................... 16 2.6.3感應閃絡............................................................... 17 2.6.4 跨距中央閃絡................................................ 17 2.7目前耐雷設計及採行方式.............................................. 18 2.7.1 架空地線設計...................................................... 18 2.7.2 差絕緣設計.......................................................... 19 2.7.3 接地設計.............................................................. 21 第三章 TFLASH程式介紹及線路模型建立、參數設定......... 25 3.1研究之輸電線路.............................................................. 25 3.2 架空線路設計參數........................................................ 26 3.3 接地電阻........................................................................ 26 3.4 突波阻抗........................................................................ 27 3.4.1 輸電線突波阻抗................................................. 27 3.4.2 鐵塔突波阻抗..................................................... 29 3.5 雷擊中鐵塔之電壓…………………………………… 31 3.6 雷擊突波模擬................................................................ 34 3.6.1 線路電壓與雷擊電流參數.................................. 35 3.6.2 建立鐵塔模型...................................................... 36 3.6.3 導線資料.............................................................. 38 3.6.4 礙子...................................................................... 38 3.6.5 線路避雷器......................................................... 39 第四章 模擬結果與討論.............................................................. 44 4.1模擬接地電阻為現場量測值........................................ 44 4.1.1 雷擊發生時塔基電壓變化.................................. 46 4.1.2 塔頂之電壓.......................................................... 48 4.1.3 礙子連兩端之電壓變化..................................... 52 4.1.4發生雷擊事故預測統計...................................... 55 4.2接地電阻為10Ω............................................................. 56 4.2.1 雷擊發生時塔基電壓變化.................................. 57 4.2.2 塔頂之電壓.......................................................... 60 4.2.3 礙子連兩端之電壓變化..................................... 63 4.2.4發生雷擊事故預測統計...................................... 68 4.3接地電阻為20Ω............................................................. 68 4.3.1 雷擊發生時塔基電壓變化................................. 69 4.3.2 塔頂之電壓......................................................... 72 4.3.3 礙子連兩端之電壓變化..................................... 76 4.3.4發生雷擊事故預測統計...................................... 79 4.4模擬接地電阻為20Ω且鐵塔其中一側裝設有線路避雷器................................................................................ 80 4.4.1裝設有線路避雷器側之礙子連兩端之電壓….. 81 4.4.2經線路避雷器之電流.......................................... 85 4.4.3發生雷擊事故預測統計...................................... 88 4.5 接地電阻20Ω，再加掛絕緣礙子................................. 89 4.5.1將臨界閃絡電壓值提高至1060 kV.................... 89 4.5.2將臨界閃絡電壓值提高至1237kV..................... 91 第五章 結論與未來研究方向...................................................... 93 5.1結論............................................................................... 93 5.2未來研究方向.............................................................. 94 參考文獻........................................................................................ 95 表目錄 表2.1 導線、地線、複合光纖地線(OPGW)設計標準表.......... 19 表2.2 輸電線路高、低絕緣側弧角間隙值................................ 20 表2.3 台電輸電線路耐雷設計標準............................................ 21 表2.4 大地土壤電阻係數值簡單分類........................................ 24 表3.1 接地電阻實際量測值........................................................ 27 表4.1 路北~竹嶺161kV線塔型一覽表(接地電阻為量測值) 45 表4.2 路北~竹嶺161kV線塔型一覽表(接地電阻為10Ω)....... 57 表4.3 路北~竹嶺161kV線塔型一覽表(接地電阻為20Ω)...... 69 表4.4 路北~竹嶺161kV線鐵塔接地電阻一覽表(裝設避雷器)...................................................................................... 81 圖目錄 圖2.1 雷擊中輸電線路之型式………………………………………... 7 圖2.2 遮蔽角(Shielding Angle)的定義.................................................. 8 圖2.3 兩條地線之幾何模型................................................................... 9 圖2.4 雷擊距離示意圖........................................................................... 11 圖2.5 不同Ng與臨界閃絡電流(Ic)，地線高度與遮蔽角之關係圖.. 12 圖2.6 地電位升、接觸電壓及步級電壓關係示意圖........................... 14 圖2.7 不同基礎之接地設計圖............................................................... 23 圖2.8 接地網式接地電阻改善圖........................................................... 23 圖3.1 路北~竹嶺161KV線之線路引接系統及位置示意圖............... 25 圖3.2 雷突波在輸電線行進示意圖....................................................... 28 圖3.3 單一架空導體............................................................................... 29 圖3.4 鐵塔照片實例............................................................................... 29 圖3.5 161/161kV鐵塔簡化模型............................................................ 30 圖3.6 雷擊中鐵塔................................................................................... 31 圖3.7 雷擊中鐵塔格狀圖....................................................................... 32 圖3.8 塔頂電壓....................................................................................... 33 圖3.9 功能方塊圖................................................................................... 35 圖3.10 161/161kV鐵塔地線及各導線掛線點編號................................ 36 圖3.11 #1 4JP(26.5m)鐵塔之輸入資料.................................................... 37 圖3.12 #2 4B2鐵塔之輸入資料............................................................... 37 圖3.13 導地線之輸入資料....................................................................... 38 圖3.14 低絕緣側礙子連臨界閃絡電壓設定........................................... 39 圖3.15 高絕緣側礙子連臨界閃絡電壓設定........................................... 39 圖3.16 避雷器基本構造圖....................................................................... 40 圖3.17 線路避雷器外觀圖....................................................................... 41 圖3.18 線路避雷器動作原理................................................................... 42 圖3.19 未裝置線路避雷器，雷擊過電壓與臨界閃絡電壓之關係....... 43 圖3.20 線路避雷器建立資料................................................................... 43 圖4.1 雷擊電流波形(40kA 1.2/50μs)..................................................... 45 圖4.2 雷擊突波發生於#1鐵塔時，塔基電壓之變化(接地電阻為 量測值).......................................................................................... 46 圖4.3 雷擊突波發生於#4鐵塔時，塔基電壓之變化(接地電阻為量測值).............................................................................................. 47 圖4.4 雷擊突波發生於#9鐵塔時，塔基電壓之變化(接地電阻為 量測值)......................................................................................... 47 圖4.5 雷擊突波發生於#13鐵塔時，塔基電壓之變化(接地電阻 為量測值)...................................................................................... 48 圖4.6 雷擊突波發生於#18鐵塔時，塔基電壓之變化(接地電阻 為量測值)...................................................................................... 48 圖4.7 雷擊突波發生於#1鐵塔時，塔頂電壓之變化(接地電阻為 量測值).......................................................................................... 49 圖4.8 雷擊突波發生於#4鐵塔時，塔頂電壓之變化(接地電阻為 量測值).......................................................................................... 50 圖4.9 雷擊突波發生於#9鐵塔時，塔頂電壓之變化(接地電阻為 量測值).......................................................................................... 50 圖4.10 雷擊突波發生於#13鐵塔時，塔頂電壓之變化(接地電阻為量測值).............................................................................................. 51 圖4.11 雷擊突波發生於#18鐵塔時，塔頂電壓之變化(接地電阻為量測值).............................................................................................. 51 圖4.12 雷擊突波發生於#1鐵塔時，礙子連電壓之變化(接地電阻為量測值).......................................................................................... 52 圖4.13 雷擊突波發生於#4鐵塔時，礙子連電壓之變化(接地電阻為量測值).......................................................................................... 53 圖4.14 雷擊突波發生於#9鐵塔時，礙子連電壓之變化(接地電阻為量測值).......................................................................................... 53 圖4.15 雷擊突波發生於#13鐵塔時，礙子連電壓之變化(接地電阻為量測值).......................................................................................... 54 圖4.16 雷擊突波發生於#18鐵塔時，礙子連電壓之變化(接地電阻為量測值).......................................................................................... 54 圖4.17 #1~#18號鐵塔，因雷擊發生之閃絡件數(接地電阻為量測值).................................................................................................. 55 圖4.18 雷擊突波發生於#1鐵塔時，塔基電壓之變化.......................... 58 圖4.19 雷擊突波發生於#4鐵塔時，塔基電壓之變化........................... 58 圖4.20 雷擊突波發生於#9鐵塔時，塔基電壓之變化........................... 59 圖4.21 雷擊突波發生於#13鐵塔時，塔基電壓之變化......................... 59 圖4.22 雷擊突波發生於#18鐵塔時，塔基電壓之變化......................... 60 圖4.23 雷擊突波發生於#1鐵塔時，塔頂電壓之變化........................... 61 圖4.24 雷擊突波發生於#4鐵塔時，塔頂電壓之變化.......................... 61 圖4.25 雷擊突波發生於#9鐵塔時，塔頂電壓之變化........................... 62 圖4.26 雷擊突波發生於#13鐵塔時，塔頂電壓之變化........................ 62 圖4.27 雷擊突波發生於#18鐵塔時，塔頂電壓之變化........................... 63 圖4.28 雷擊突波發生於#1鐵塔時，礙子連電壓之變化...................... 64 圖4.29 雷擊突波發生於#4鐵塔時，礙子連電壓之變化...................... 65 圖4.30 雷擊突波發生於#9鐵塔時，礙子連電壓之變化...................... 65 圖4.31 雷擊突波發生於#13鐵塔時，礙子連電壓之變化.................... 66 圖4.32 雷擊突波發生於#18鐵塔時，礙子連電壓之變化.................... 66 圖4.33 雷擊突波(40kA 5/50μs)發生於#1鐵塔時，礙子連電壓之變化 67 圖4.34 雷擊突波(40kA 10/50μs)發生於#1鐵塔時，礙子連電壓之變化………………………………………………………………… 67 圖4.35 #1~#18號鐵塔，因雷擊發生之閃絡件數.................................. 68 圖4.36 雷擊突波發生於#1鐵塔時，塔基電壓之變化.......................... 70 圖4.37 雷擊突波發生於#4鐵塔時，塔基電壓之變化.......................... 70 圖4.38 雷擊突波發生於#9鐵塔時，塔基電壓之變化.......................... 71 圖4.39 雷擊突波發生於#13鐵塔時，塔基電壓之變化......................... 71 圖4.40 雷擊突波發生於#18鐵塔時，塔基電壓之變化........................ 72 圖4.41 雷擊突波發生於#1鐵塔時，塔頂電壓之變化.......................... 73 圖4.42 雷擊突波發生於#4鐵塔時，塔頂電壓之變化.......................... 73 圖4.43 雷擊突波發生於#9鐵塔時，塔頂電壓之變化.......................... 74 圖4.44 雷擊突波發生於#13鐵塔時，塔頂電壓之變化........................ 74 圖4.45 雷擊突波發生於#18鐵塔時，塔頂電壓之變化......................... 75 圖4.46 雷擊突波(40kA 5/50μs)發生於#1鐵塔時，塔頂電壓之變化... 75 圖4.47 雷擊突波(40kA 10/50μs)發生於#1鐵塔時，塔頂電壓之變化. 76 圖4.48 雷擊突波發生於#1鐵塔時，礙子連電壓之變化....................... 77 圖4.49 雷擊突波發生於#4鐵塔時，礙子連電壓之變化...................... 77 圖4.50 雷擊突波發生於#9鐵塔時，礙子連電壓之變化........................ 78 圖4.51 雷擊突波發生於#13鐵塔時，礙子連電壓之變化..................... 78 圖4.52 雷擊突波發生於#18鐵塔時，礙子連電壓之變化..................... 79 圖4.53 #1~#18號鐵塔，因雷擊發生之閃絡件數.................................. 80 圖4.54 線路避雷器設定參數................................................................... 82 圖4.55 鐵塔之其中一側裝設線路避雷器，當雷擊突波發生於#1鐵塔之礙子連電壓變化....................................................................... 83 圖4.56 鐵塔之其中一側裝設線路避雷器，當雷擊突波發生於#4鐵塔之礙子連電壓變化....................................................................... 83 圖4.57 鐵塔之其中一側裝設線路避雷器，當雷擊突波發生於#9鐵塔之礙子連電壓變化....................................................................... 84 圖4.58 鐵塔之其中一側裝設線路避雷器，當雷擊突波發生於#13鐵塔之礙子連電壓變化................................................................... 84 圖4.59 鐵塔之其中一側裝設線路避雷器，當雷擊突波發生於#18鐵塔之礙子連電壓變化................................................................... 85 圖4.60 雷擊突波發生於#1鐵塔，流經1號橫擔之避雷器電流.......... 86 圖4.61 雷擊突波發生於#4鐵塔，流經1號橫擔之避雷器電流........... 86 圖4.62 雷擊突波發生於#9鐵塔，流經1號橫擔之避雷器電流........... 87 圖4.63 雷擊突波發生於#13鐵塔，流經1號橫擔之避雷器電流........ 87 圖4.64 雷擊突波發生於#18鐵塔，流經1號橫擔之避雷器電流........ 88 圖4.65 #1~#18號鐵塔，因雷擊發生之閃絡件數.................................. 89 圖4.66 146mmx255mm標準礙子外觀.................................................... 90 圖4.67 #1~#18號鐵塔，因雷擊發生之閃絡件數(將臨界閃絡電壓提高至1060kV)................................................................................ 91 圖4.68 #1~#18號鐵塔，因雷擊發生之閃絡件數(將臨界閃絡電壓提高至1237kV)................................................................................ 92

    參考文獻

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