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研究生:林彥彰
研究生(外文):Yen Chang Lin
論文名稱:架空輸電線路雷擊暫態分析
論文名稱(外文):Analysis of Lightning Transient on Overhead Transmission Lines
指導教授:王瑋民
指導教授(外文):Wei-Min Wang
口試委員:曾旭廷呂順利
口試委員(外文):Hsu Ting JengShun Li Lu
口試日期:2015-01-17
學位類別:碩士
校院名稱:崑山科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:55
中文關鍵詞:波頭時間
外文關鍵詞:front time
相關次數:
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摘 要
雷擊係自然界現象,當輸電線路遭受雷擊突波侵襲,可能致使絕緣礙子引發電弧閃絡,造成接地故障而引起斷路器跳脫,造成短暫性之停電。影響輸電線路雷擊突波暫態包括鐵塔特性、接地電阻及雷突波特性(波頭時間及峰值),為防雷設計時必須考慮的因素。
本論文採用ATP/EMTP程式模擬161kV架空輸電線路架空地線遭雷擊時逆閃絡突波暫態,模擬條件考慮多層鐵塔模型、模擬不同接地電阻及雷突波特性對雷擊暫態之結果,此外探討裝設線路避雷器對雷擊突波的響應,提供相關保護設計參考。

ABSTRACT

Lightning strike is a natural phenomenon. The insulators of transmission systems will be flashover and causing the breakers trip if the lightning surge invades. The outages of power system are then resulted. The parameters that affect lightning transients of power transmission system include tower characteristics、ground resistance and lightning surge characteristics (front time and peak values).
In this thesis, the ATP/EMTP package is used to simulate the back flashover transient voltage of 161kV overhead transmission system. tower caused by lightning strikes. The multi-story model of tower is adopted. The different ground resistance and lightning characteristics are considered in the simulations. The performances of line arresters installed are also observed. The data obtained can be used as references for lightning protection design.

目 錄
頁數
中文摘要 ------------------------------------------------------------ i
英文摘要 ------------------------------------------------------------ ii
誌謝 ------------------------------------------------------------ iii
目錄 ------------------------------------------------------------ iv
表目錄 ------------------------------------------------------------ vii
圖目錄 ------------------------------------------------------------ viii
一、 緒論------------------------------------------------------ 1
1.1 研究動機與目的----------------------------------------
1
1.2 輸電線路雷害防制對策------------------------ 2
1.3 論文內容------------------------------------------------- 3
二、 雷擊現象與統計分析---------------------------- 5
2.1 雷擊的成因及特性------------------------------------- 5
2.1.1 雷雲的形成---------------------------------------------- 5
2.1.2 前導閃擊與回覆閃擊---------------------------------- 5
2.1.3 雷擊的分類---------------------------------------------- 7
2.2 雷擊資料統計分析------------------------------------ 11
2.2.1 落雷密度------------------------------------------------- 11
2.2.2 雷擊電流峰值機率分佈模式------------------------- 14
2.2.3 CIGRE統計雷擊參數------------------------------------ 15
三、 輸電鐵塔、雷擊率及線路避雷器探討--------------- 20
3.1 線路遭雷擊分析--------------------------------------- 20
3.2 鐵塔模型探討----------------------------------------- 21
3.3 線路避雷器------------------------------------------ 29
四、 鐵塔雷擊逆閃絡模擬-------------------------------- 35
4.1 模擬電路元件--------------------------------------- 35
4.2 模擬假設與結果------------------------------------- 40
4.2.1 模擬條件假設------------------------------------------ 40
4.2.2 模擬結果-------------------------------------------
41
五、 結論及未來研究方向---------------------------------- 53
5.1 結論------------------------------------------------------ 53
5.2 未來研究方向------------------------------------------- 53
參考文獻 ------------------------------------------------------------ 54



表目錄
頁數
表2.1 直接雷擊與感應雷擊特性比較表---------------------- 10
表2.2 國外推估GFD之公式----------------------------------- 11
表2.3 台灣地區歷年IKL統計數據分析------------------- 12
表2.4 台灣地區近十年雷擊電流峰值平均機率分佈--------
14
表2.5 CIGRE統計雷擊電流之參數(負極性雷)---------- 16
表2.6 CIGRE雷擊電流參數機率統計分佈----------------- 19
表3.1 突波阻抗公式計算值與實際測量值比較------------ 22
表3.2 鐵塔模型參數表----------------------------------- 28
表3.3 線路避雷器特點比較表----------------------------------- 32
表4.1 Case 1a C相礙子電壓峰值統計表------------------ 41




圖 目 錄
頁數
圖2.1 正極性雷擊10%與負極性雷極90%-------------------- 7
圖2.2 雷電壓標準試驗電壓波形---------------------------- 10
圖2.3a 台灣地區近13年IKL統計圖---------------------------- 12
圖2.3b 台灣地區歷年平均IKL圖-------------------------------- 13
圖2.4 雷擊電流機率分佈曲線------------------------------- 15
圖2.5 波前時間(μs)分佈---------------------------------- 16
圖2.6 電流上升率 (kA/μs) 分佈------------------------------ 17
圖2.7 電流峰值(kA)分佈------------------------------------ 17
圖2.8 波尾時間(μs)分佈--------------------------------- 18
圖2.9 電荷量(庫侖)分佈---------------------------------
18
圖3.1 架空地線遭雷擊之機率----------------------------- 20
圖3.2 典型161kV鐵塔的幾何結構----------------------------- 22
圖3.3 含RL並聯多層鐵塔模型--------------------------------- 23
圖3.4 無RL並聯電路的多層鐵塔模型------------------------ 24
圖3.5 簡單分佈模型鐵塔等效半徑--------------------- 25
圖3.6 簡單的分佈模型----------------------------------- 25
圖3.7 161kV雙廻路輸電線系統鐵塔照片-------------------- 26
圖3.8 161kV雙廻路輸電線系統鐵塔模型結構圖----------- 27
圖3.9 線路避雷器----------------------------------------- 29
圖3.10 線路避雷器動作原理-------------------------------- 30
圖3.11 線路避雷器結構---------------------------------- 31
圖3.12 線路避雷器類型---------------------------------- 32
圖3.13 氧化鋅的穩定性與熱崩潰趨勢示意圖-------------- 34
圖4.1 ATP模擬電路---------------------------------------- 36
圖4.2a 雷擊電源設定功能---------------------------------------- 37
圖4.2b 雷擊電流30kA(2×50μs及4×50μs)波形------------- 37
圖4.3c LCC模組導體排列方式---------------------------------- 38
圖4.4 突波阻抗設定功能------------------------------------- 38
圖4.5a 避雷器放電特性曲線------------------------------------- 39
圖4.5b 避雷器及電壓控制開關------------------------------- 39
圖4.6a #4鐵塔三相暫態電壓(20kA)----------------------------- 43
圖4.6b #3~#5鐵塔C相暫態電壓(20kA) ------------------------ 43
圖4.6c #3 #4鐵塔接地電流及總電流比較(20kA)------------- 43
圖4.7a #4鐵塔三相暫態電壓(30kA) ----------------------------
44
圖4.7b #3~#5 鐵塔C相暫態電壓(30kA) ---------------------- 44
圖4.8a #4鐵塔三相暫態電壓(50kA) ---------------------------- 44
圖4.8b #3~#5鐵塔C相暫態電壓(50kA) ----------------------- 45
圖4.9a #4鐵塔C相電壓比較(20kA、30kA及50kA) -------- 45
圖4.9b #3鐵塔C相電壓比較(20kA、30kA及50kA) -------- 45
圖4.10a 加裝避雷器後#4鐵塔三相暫態電壓(30kA)----------- 46
圖4.10b #4鐵塔C相避雷器洩放電流--------------------------- 46
圖4.10c 加裝避雷器前/後,#4鐵塔C相電壓比較(30kA) -- 46
圖4.10d 加裝避雷器前後,#3鐵塔C相電壓比較30kA)---- 47
圖4.11a 接地電阻100歐姆,#4 鐵塔三相暫態電壓(30kA)- 48
圖4.11b 接地電阻100歐姆,#3、#4鐵塔接地電流及總電流比較-------------------------------------------------------- 48
圖4.11c #4鐵塔C相電壓比較(接地電阻100Ω及10Ω) ----- 48
圖4.11d #3鐵塔C相電壓比較(接地電阻100Ω及10Ω) ----- 49
圖4.11e #4鐵塔接地電流及總電流比較(接地電阻100Ω及10Ω) ---------------------------------------------- 49
圖4.11f #3鐵塔接地電流及總電流比較(接地電阻100Ω及10Ω) -----------------------------------------------------
49
圖4.12a 加裝避雷器後,#4鐵塔三相暫態電壓(30kA,100Ω) 50
圖4.12b 加裝避雷器後,#3鐵塔C相暫態電壓(30kA,100Ω) 50
圖4.13a #4鐵塔三相暫態電壓(4×50μs)------------------------- 51
圖4.13b #4鐵塔C相電壓比較(2×50μs及4×50μs) ---------
51
圖4.13c #4鐵塔接地電流比較(2×50μs及4×50μs) --------- 51
圖4.14a 加裝避雷器後#4鐵塔C相電壓比較(2×50μs及4×50μs) -----------------------------------------------------
52
圖4.14b 加裝避雷器後#4鐵塔C相避雷器電流比較(2×50μs及4×50μs)---------------------------------------
52
圖4.14c 加裝避雷器後#3鐵塔C相電壓比較(2×50μs及4×50μs)------------------------------------------------------
51





參考文獻
[1]顏世雄,避雷工程講義,全華出版社,民國96年5 月。
[2]陳以彥,江榮成,林建廷,「台灣雷擊分佈特性統計分析」,中華民國第23 屆電力工程研討會2002 論文,第1269-1274 頁。
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[12]Takamitsu Ito, Toshiaki Ueda, Hideto Watanabe, Toshihisa Funabashi,and Akihiro Ametani,“Lightning Flashovers on 77-kV Systems: Observed Voltage Bias Effects and Analysis”, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol.18, No.2, April 2003.
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[14]T. Yamada, A. Mochizuki, J. Sawada, E. Zaima, T. Kawamura, A. Ametani, M. Ishi, and S. Kato, “Experimental evaluation of a UHV tower model for lightning surge analysis,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 10, pp. 393–402, Jan. 1995
[15]周至如,”架空輸電線路裝設線路避雷器之雷擊特性分析”,中華民國第三十四屆電力工程研討會, 2013。
[16]http://www.ngk.co.jp/english/products/power/line/structure.html, 2014.
[17]絕緣協調及避雷器之選用參考手冊,ABB公司,2005年。


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