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      桿塔雷擊跳閘原因分析及預(yù)防

      2015-03-22 05:09:48張曉東朱明偉張希蔚
      電力勘測設(shè)計 2015年4期
      關(guān)鍵詞:耐雷檔距桿塔

      張曉東,朱明偉,張希蔚

      (1. 海南電力設(shè)計研究院,海南 ???571100;2. 中南大學(xué),湖南 長沙 410012)

      高壓架空輸電線路多處野外、崇山峻嶺之中,運行條件惡劣。220 kV及以上電壓等級的輸電線路綿延幾十萬公里,覆蓋了廣袤國土面積,不可避免經(jīng)過高土壤電阻率、多雷區(qū)以及地形復(fù)雜地區(qū)。在山區(qū)沿山脊、山坡迎風(fēng)面、山腰走線的線路桿塔容易遭受雷擊,如果桿塔較高、防雷保護(hù)角較大,處在較陡邊坡桿塔外側(cè)迎風(fēng)面導(dǎo)線在桿塔附近更易遭受雷擊。有的桿塔經(jīng)過降低接地電阻以后,雷擊跳閘仍然沒有得到改善;甚至有些桿塔加裝線路避雷器后,本基桿塔不再跳閘,卻導(dǎo)致相鄰桿塔跳閘。

      1 繞擊和反擊

      在110kV及以上輸電線路雷擊跳閘不外乎反擊和繞擊,現(xiàn)在就根據(jù)這兩大問題具體分析成因找到解決的辦法。

      1.1 反擊

      (1)例:220 kV雙避雷線線路,正極性U50%=1410 kV,桿塔沖擊接地電阻分別Rch=7Ω,,Rch=15Ω,避雷線和導(dǎo)線的弧垂為7 m和12 m,桿塔處在不同的山坡,θ =0°,20°,30°,35°,45°,55°。桿塔頭部尺寸見圖1。

      圖1 桿塔頭部尺寸

      當(dāng)桿塔處在山坡時,傾角θ =30°,以地線2作垂線與地面 交點作水平線,則:ΔH/S=tgθ則ΔH= tgθ×S=7.7m

      各計算結(jié)果見表1~圖3。

      表1 計算過程

      續(xù)表1

      表2 沖擊接地電阻7Ω

      表3 沖擊接地電阻15Ω

      依據(jù)雷擊桿塔時的耐雷水平公式:

      (2)在雙回路某相導(dǎo)線絕緣被擊穿后,可能導(dǎo)致其它回路任意相導(dǎo)線的反擊,這種情況只是相當(dāng)于三根地線對任意導(dǎo)線的耦合系數(shù)問題,其他參數(shù)不變。

      圖2 雙回路導(dǎo)線耦合系數(shù)示意圖

      這個計算在輸電線路采用不平衡絕緣方式防雷設(shè)計中有重要的價值,耦合系數(shù)的公式:

      式中:Z11,Z22,Z12,Z13為自波阻抗和互波阻抗,按式(3)、(4)計算。

      線i的自波阻抗Zii(Ω),計算公式為:

      式中:ri為線i的半徑(m);hi為線i的平均高度(m)。線i與線j的互波阻抗Zij(Ω),計算公式為:

      式中:dij為線i與線j間的距離(平均距離,下同);dij'為線i和j的鏡像的距離。

      (3)在山坡耦合系數(shù)隨著坡度的增加而增大,理論計算的耐雷水平卻減小。

      雷電流流動特性,一般會像水一樣沿節(jié)點數(shù)少、電阻小的地方流動,從大量的雷擊現(xiàn)場可以看到以迎風(fēng)面邊導(dǎo)線被繞擊后,雷電流會沿外側(cè)兩塔腿主材向下流動入地,幾乎不會從內(nèi)側(cè)兩腿流入大地,這樣就會使雷電流在鐵塔的塔身上流過較長的距離,電感加大,盡管在山坡導(dǎo)地線的耦合系數(shù)隨著坡度的增加而增大,但是理論計算的耐雷水平卻降低。

      (4) 提高反擊耐雷水平的經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的措施:

      ①降低接地電阻,理論上講,提高耐雷水平,最方便最經(jīng)濟(jì)的就是降低接地電阻。在高土壤電阻率地區(qū),當(dāng)接地電阻降低到一定程度,如果想繼續(xù)往下降盡管花很大成本也難顯著降低接地電阻,性價比不合理。

      ②減小桿塔電感,提高耐雷水平。在雷擊鐵塔兩側(cè)將地線用兩導(dǎo)體并聯(lián),用特制夾具將鋁排與鐵塔主材連接,在鐵塔內(nèi)側(cè)用專用的接地鋁排接地,在高塔防雷設(shè)計中占有很重要的位置。

      ③架設(shè)耦合地線,增大耦合系數(shù),提高耐雷水平,但在臺風(fēng)防止混線、重冰區(qū)防止融冰時電線跳躍需要仔細(xì)規(guī)劃。

      ④在計算反擊時。分流系數(shù)的取值是很重要的,如果相鄰檔距桿塔高度相差很大,檔距較大應(yīng)該具體計算,計算方法見文獻(xiàn)[2],不可以采用規(guī)程值。

      1.2 繞擊

      1.2.1 繞擊成因分析

      繞擊是針對一定的雷電流幅值而言,針對確定的情況下幅值小的雷電流比幅值大的雷電流更容易繞擊導(dǎo)線。

      根據(jù)作者在湘西地區(qū)近三十年防雷設(shè)計觀察,具有典型案例是湖南沅陵縣有寶塔三座,最為奇特是高踞縣城東,位沅江左岸陡峭鹿鳴山頂?shù)穆锅Q塔。清前修建,同治沅陵縣志記載:鹿鳴塔,七級,半塔殘破,屢修屢塌。雷擊屢次削其塔頂部弱一半,至今仍呈半塔狀,頂尖尚在,應(yīng)該是世界上遭受雷擊最多的寶塔。

      (1)從這個個案看:①特定地方的雷電流幅值大致一致,否則剩下的半邊應(yīng)該也遭受到雷擊了。②形成的機(jī)理一致,因雷擊每次都是在相同的方位。

      根據(jù)H.Armstrong、E.Whitehead的理論提出幾何模型見圖,導(dǎo)線、地線的擊距

      地面繞擊距離

      其中Rsg=1。不同雷電流幅值下,同一種塔型在不同邊坡度數(shù)下的導(dǎo)地線的屏蔽情況表4。

      表4 不同雷電流幅值及邊坡度數(shù)的導(dǎo)地線屏蔽情況

      (2)通過模型圖3~圖7可以看出:一般認(rèn)為導(dǎo)線裸露面越大,導(dǎo)線可能遭受到比作圖時假設(shè)的雷電流更大的雷電流所繞擊。當(dāng)然導(dǎo)線沒有裸露面可能雷電流都會擊中地線,但在文獻(xiàn)[3]中列舉了導(dǎo)線水平排列雙地線,保護(hù)角為-15°,屏蔽弧段-27.7m。每百公里,在40個雷暴日下仍然有0.19%雷電跳閘率。同時,也列出了保護(hù)角為+14°,屏蔽弧段-4.6m。每百公里,在40個雷暴日下仍然有0.09%雷電跳閘率。

      圖3 不同邊坡時的雷電流

      圖4 不同桿塔高度時的雷電流

      圖5 繞擊桿塔頭部和檔距中央的雷電流

      圖6 不同導(dǎo)地線間距時的雷電流

      圖7 不同坡度時的雷電流

      (3)從圖3~圖7中可以得出結(jié)論如下:

      ①防雷保護(hù)角越大,繞擊的雷電流越大,見圖6。

      根據(jù)模型可以看出減小保護(hù)角確實可以減少繞擊率。在山地用避雷線的平均高度代替塔高,模擬導(dǎo)地線的在空間的真實情況。當(dāng)造價增加不多,且導(dǎo)線覆冰厚度不超過10 mm時,應(yīng)盡量采用小的保護(hù)角,不應(yīng)該片面強(qiáng)調(diào)減小保護(hù)角,使得避雷線與導(dǎo)線間的水平錯位移太小,在脫冰或舞動時導(dǎo)致當(dāng)中混線短路,重冰區(qū)應(yīng)該遵循其設(shè)計規(guī)程設(shè)計,在容易遭受臺風(fēng)襲擊的地方也該引起高度重視。即降低防雷保護(hù)角來抑制繞擊作用也有限。

      ②桿塔越高,繞擊的雷電流越大,見圖4。

      同一種塔型桿塔高度越高,對地閃擊距離增大,大地接閃能力降低,所以大部分會擊中地線和繞擊導(dǎo)線。

      ③桿塔頭部比檔距中央,更容易受到繞擊,繞擊的雷電流更大,見圖5。

      在桿塔頭部尺寸一定情況下,在檔距中央導(dǎo)地線距離較大,則保護(hù)角減小了,保護(hù)角減小繞擊雷電流變小。

      ④地形坡度越大、繞擊的雷電流越大,見圖3。

      地形坡度越大相當(dāng)于增加了桿塔高度裸露了導(dǎo)線部分。

      ⑤迎風(fēng)面容易受到雷擊。

      ⑥繞擊與雷電流大小和保護(hù)角沒有必然聯(lián)系。

      在莫斯科附近一座537m電視塔上對閃擊觀察指出,在四年半內(nèi)有兩次閃電打在塔頂以下約200 m的地方。周圍的地面在距塔基200 m以外會受到雷擊,保護(hù)角20°。

      1.2.2 提高繞擊耐雷水平的措施

      設(shè)計時要調(diào)查雷雨季節(jié)的風(fēng)向,在山區(qū)沿山脊、山腰走線的線路高塔,特別是山的邊坡較陡時更容易會被雷繞擊中跳閘:

      (1)正確配合導(dǎo)地線間距減少繞機(jī)可能性;一般的講防雷保護(hù)角越小,則屏蔽性能越好,但是間距太大反而容易發(fā)生繞擊,間距過小容易擊穿,規(guī)程規(guī)定導(dǎo)地線檔距中央在雷擊過電壓下滿足:S=0.012l+1;

      (2)桿塔絕緣配置:增加絕緣子片數(shù)、可以一定程度提高繞擊水平,因為鐵塔頭部間隙有限,增加的程度有限需要論證性價比的合理性;

      (3)在山區(qū)容易遭受繞擊的桿塔裝設(shè)迎風(fēng)側(cè)單相線路避雷器,繞擊的電流不會很大不足以引起其他相的反擊;平地則要三相加裝避雷器;

      (4)桿塔加裝避雷器以后會不會引起相鄰桿塔絕緣擊穿的問題;當(dāng)改造易受雷擊桿塔加裝避雷器后,鄰桿塔需要改造加裝絕緣子個數(shù):

      (5)由于桿塔頭部容易受到繞擊,則在橫擔(dān)上垂直線路水平裝設(shè)避雷針,避雷針長度保護(hù)范圍在桿塔橫擔(dān)兩側(cè)20 m范圍內(nèi)。

      2 總結(jié)

      輸電線路防雷是一個系統(tǒng)工程,對于雷區(qū)的高壓輸電線路設(shè)計,技術(shù)上應(yīng)按照地形地貌、土壤電阻率、桿塔頭部尺寸、絕緣配置、桿塔高度、并結(jié)合已有的防雷措施,來制定不同的防雷設(shè)計方案,以降低桿塔的跳閘率;經(jīng)濟(jì)上應(yīng)根據(jù)所耗工程費用、改造和維護(hù)難易程度、運行壽命,反復(fù)試算、模擬,仔細(xì)推敲設(shè)計,最終確定最優(yōu)的防雷措施。通過以上措施,達(dá)到在很大程度上減少雷擊跳閘率的目的。

      [1]DL/T620—1997,交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].北京:中國電力出版社,1997.

      [2]劉繼.電氣裝置的過電壓[M].北京:水利水電出版社,1981.

      [3]英]R.H.Golde.雷電.北京:水利電力出版社,1983.

      [4]張曉東.架空線路良導(dǎo)體地線的選型和施工弧垂觀測檔的確定[J].廣東電力,2012,(07).

      [5]趙淳,阮江軍,李曉嵐,等.輸電線路綜合防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價[J].高電壓技術(shù),2011,(2).

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