高壓輸電線路綜合防雷措施的研究與應(yīng)用

（清遠(yuǎn)供電局）

高壓輸電線路綜合防雷措施的研究與應(yīng)用

黃偉忠

（清遠(yuǎn)供電局）

為了有效降低輸電線路雷擊跳閘率，提高高壓輸電線路的防雷水平。本文對(duì)雷擊電電壓和雷擊電流的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行闡釋，分析了高壓輸電線路防雷水平的影響因素。如桿塔接地電阻、線路檔距、桿塔波阻抗等，并逐一對(duì)原理及作用進(jìn)行分析介紹。在線路防雷的設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)具體的地區(qū)雷電情況進(jìn)行分析，采用合理的防雷手段，對(duì)于系統(tǒng)整個(gè)輸電線路的防雷水平具有很大提高，并對(duì)于減少雷電對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的具有重要作用。

高壓；輸電；防雷；耐雷水平

0 引言

高壓輸電線路是電力能源傳輸?shù)拿浇?，它是電網(wǎng)安全運(yùn)行與分配的重要組成部分，輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于電力系統(tǒng)至關(guān)重要[1]。如果輸電線路的電壓等級(jí)提高，對(duì)應(yīng)的塔桿高度和線路尺寸逐步增加，使得輸電線路越來(lái)越容易受到自然災(zāi)害的影響，尤其是雷擊現(xiàn)象。在我國(guó)因雷擊導(dǎo)致的線路跳閘占比為35%以上，在日本為50%以上，美國(guó)和俄羅斯均達(dá)到60%。因此如何防范雷擊對(duì)輸電線路的影響對(duì)于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 雷擊放電過(guò)程

1.1 放電原理

帶電荷的雷云是造成雷擊放電的主要因素。雷云是由強(qiáng)大的潮熱氣流上升到稀薄的大氣層冷凝形成的。當(dāng)穿越云層時(shí)，水滴被撞擊分裂，其中分裂出的水沫帶負(fù)電，質(zhì)量較輕，上升至云層上端形成帶負(fù)電的雷云。其余的水滴帶正電，凝聚成雨。雷云會(huì)在地面上感應(yīng)出大量的正電荷，產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)，電廠內(nèi)部的電位差較大時(shí)可以達(dá)到幾十兆伏[2]。若帶有強(qiáng)大場(chǎng)強(qiáng)的雷云繼續(xù)擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)，當(dāng)雷云覆蓋區(qū)域內(nèi)的空間電場(chǎng)強(qiáng)度大于常規(guī)情況下大氣游離放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度值時(shí)，就在云間產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電。最大可產(chǎn)生幾百千安的瞬間電流，并伴隨著強(qiáng)烈的光合熱，形成閃電雷鳴。

1.2 雷電壓和雷電流的形成

雷電現(xiàn)象可看成是瞬時(shí)電流沿空氣中游離的導(dǎo)電分子通道進(jìn)入雷擊高電勢(shì)點(diǎn)。若雷電擊中高壓導(dǎo)線，將在導(dǎo)線上沿導(dǎo)線前后兩路前進(jìn)，并在導(dǎo)線中產(chǎn)生電壓行波，示意圖如圖1所示。

圖1 雷擊電線示意圖

電壓行波u和電流行波i的比值為z=u/i通道的波阻抗，一般情況下，取值為300Ω。若雷電擊中高壓線路支撐的塔桿底部，因選用的塔腳底部接地電阻較小，在地面會(huì)出現(xiàn)雷電反射現(xiàn)象，該反射過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生對(duì)地電壓，此時(shí)線路塔頂電位為零。在被擊線路中電壓行波的運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流行波，在某一段線路上，雷擊電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向電流，并向相反方向產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向電流，對(duì)于線路來(lái)說(shuō)，其承載了相應(yīng)的兩倍正電流和值。因此對(duì)于高壓線路，此時(shí)雷擊產(chǎn)生的入侵電壓消失了，但是對(duì)應(yīng)的入侵電流值卻增加了1倍。由于電阻不會(huì)為零，因此會(huì)產(chǎn)生壓降，這就使得避雷線對(duì)地產(chǎn)生了一個(gè)電位ut，并伴隨電流行波i=ut/Z，所以測(cè)得的線路雷擊電流為Im=2I。

1.3 瓷絕緣子擊穿原理

瓷絕緣子被雷擊穿的現(xiàn)象為：當(dāng)某段高壓輸電線路被雷擊后，對(duì)應(yīng)輸電線路會(huì)生成一定強(qiáng)度的沖擊波，并引起雷擊線路附近場(chǎng)強(qiáng)值瞬間增大，導(dǎo)致高壓線路的電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)積累的數(shù)量和運(yùn)動(dòng)的速度迅速增大；若到達(dá)瓷絕緣子對(duì)應(yīng)參數(shù)的臨界值時(shí)，瓷絕緣子將失去絕緣性能，在瓷絕緣子內(nèi)部形成導(dǎo)電通路[3]。瓷絕緣子雷電擊穿包括直接擊穿和間接擊穿兩種類型，上述過(guò)程可歸為直接擊穿。間接擊穿是指線路雖然承受了一定程度的雷電流，并損壞了線路中某些電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，但并未形成足夠的擊穿電流產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。且間接擊穿只是降低了瓷絕緣子的絕緣值，并不會(huì)立刻引起高壓線路跳閘，而是降低了設(shè)備的絕緣值，為今后埋下事故隱患。此種間接擊穿更應(yīng)該受到重視。

2 提高輸電線路防雷水平措施

為了降低和預(yù)防雷電的危害，可以采取一系列的防雷措施。針對(duì)具體的輸電線路，選擇合理的布線方式，架設(shè)避雷線，減少地線保護(hù)角等，來(lái)降低輸電線路的雷擊跳閘率。

2.1 防雷影響因素

2.1.1 塔桿接地電阻

接地電阻決定了當(dāng)受到雷電電擊時(shí)的雷電沖擊電位高低。接地電阻越低，雷電沖擊電位低，雷擊對(duì)線路的影響較小。耐雷水平與接地電阻的關(guān)系如圖2所示。

圖2 耐雷水平與接地電阻的關(guān)系

2.1.2 線路檔距

當(dāng)輸電線路受到雷擊時(shí)，雷電波會(huì)沿線路傳播，線路的檔距發(fā)生變化時(shí)，線路的耐雷水平也會(huì)發(fā)生變化。不考慮其他因素的情況下，逐步增大檔距，線路的耐雷水平逐步提高，最后在固定值上下波動(dòng)[4]。兩者的關(guān)系如圖3所示。

圖3 耐雷水平與線路檔距的關(guān)系

2.1.3 塔桿高度

塔桿高度越高，被雷電擊中的幾率越大；另一方面，如果塔桿的高度較高，從塔頂向接地裝置傳播所需的時(shí)間較長(zhǎng)，容易使塔頂?shù)碾娢辉龈?，造成反擊現(xiàn)象，放大雷擊的危害，系統(tǒng)跳閘的幾率增高，降低線路耐雷水平。因此在條件允許的范圍內(nèi)盡量的降低塔桿高度，有利于提高線路的耐雷水平。兩者的關(guān)系如圖4所示。

圖4 耐雷水平與桿塔高度的關(guān)系

2.1.4 導(dǎo)線電壓

以傳輸電壓為500kV的線路為例，由于采用交流電進(jìn)行電能的傳輸，而交流電壓是周期性電壓，在不同時(shí)段的電壓，呈現(xiàn)出不同的耐雷水平，因此，設(shè)計(jì)防雷措施時(shí)，要注意在不同的相位角下，線路的耐雷水平是不一樣的。具體的兩者關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同時(shí)序下的耐雷水平

2.1.5 塔桿波阻抗

塔桿波特阻抗是整個(gè)線路耐雷水平的一個(gè)重要參數(shù)。以500kV的傳輸電壓舉例，塔桿波阻抗的變化與線路的耐雷水平呈正比，在其他因素不變的情況下，塔桿波阻抗變化10%，則線路的整體耐雷水平變化10%。關(guān)系如圖6所示。

圖6 耐雷水平與桿塔波阻抗的關(guān)系

2.1.6 避雷器

安裝避雷器的線路輸電示意圖如圖7所示。當(dāng)不安裝避雷器時(shí)，高壓線路遭受雷擊時(shí)，產(chǎn)生的雷電流部分可通過(guò)設(shè)置的避雷導(dǎo)線流向相鄰未遭受雷擊的輸電桿塔，其余部分通過(guò)該塔桿引入大地，若塔頂與輸電線路間的電位差大于設(shè)定的閃爍電壓值時(shí)，桿塔上的絕緣子閃爍[5]。當(dāng)加裝避雷器之后，受到雷擊后的雷電流去向發(fā)生了變化。如圖所示，當(dāng)雷電流較小時(shí)，仍然按之前的分流方向流。若線路中的雷電流達(dá)到一定臨界值時(shí)，避雷器發(fā)生動(dòng)作進(jìn)行雷電流分流。實(shí)際應(yīng)用中很大程度上的雷電流均是經(jīng)避雷器分流，這樣大大降低了導(dǎo)線和塔頂之間的電位差，使絕緣子不會(huì)閃爍，絕緣性不會(huì)受到影響，線路斷路器不會(huì)跳閘，增加了線路運(yùn)行的耐雷性。

2.2 輸電防雷措施

解了輸電線路防雷的影響因素后，可根據(jù)線路具體情況結(jié)合各影響因素，設(shè)計(jì)相應(yīng)的防雷措施，一般的防雷措施有，設(shè)計(jì)安全輸電路徑、設(shè)置避雷線、降低塔桿接地電阻等方式。

2.2.1 設(shè)計(jì)安全輸電路徑

過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)表明，輸電線路遭受雷擊的區(qū)域往往集中于某些特定的路段。因此設(shè)計(jì)線路架設(shè)路徑時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況合理地規(guī)避雷擊區(qū)即可。一般的雷擊區(qū)集中在山區(qū)風(fēng)口及順風(fēng)的河谷，四周為潮濕的山區(qū)，土壤電阻率有突變的地帶等處。

2.2.2 架設(shè)避雷線

圖7 安裝避雷器的線路輸電示意圖

架設(shè)避雷線是線路防雷的基本措施，輸電線路的電壓值越高，效果越好；且該方法經(jīng)濟(jì)性比較有優(yōu)勢(shì)，是線路防雷的必備措施之一。主要功能體現(xiàn)在防止雷電直接擊中輸電線路、對(duì)雷電流進(jìn)行分流、降低塔頂電位，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓。

2.2.3 降低塔桿接地電阻值

降低塔桿接地電阻值對(duì)于增加線路的防雷水平也是一種行之有效的方法，一般搭配避雷線一起使用。當(dāng)輸電線路被雷擊之后，能夠大幅度降低雷電壓。輸電電壓在110～500kV的耐雷水平與塔桿接地電阻值的關(guān)系如下表所示，根據(jù)具體的需求選擇合適的阻值即可。目前常用的減低阻值的方法有：利用降阻劑，在接地極的周圍輻射降阻劑；爆破接地技術(shù)，通過(guò)爆破技術(shù)將接地裝置炸裂，然后用壓力機(jī)將低電阻材料壓入縫隙中，將整個(gè)電阻的電導(dǎo)率降下來(lái)；擴(kuò)大接地面積；外引接地，選擇地導(dǎo)電率的土壤外界一個(gè)接地。

表 輸電電壓與接地阻值的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雷擊的機(jī)理進(jìn)行研究，總結(jié)和分析了影響輸電線路的各種影響因素，并給出了常用的防雷措施。架設(shè)避雷線是最常用、效果明顯且經(jīng)濟(jì)的方式。降低接地電阻對(duì)于降低雷電壓，減少?zèng)_擊波的危害，并給出不同輸電電壓最優(yōu)阻值。針對(duì)具體的情況，選擇合適的防雷措施，可以大大地減小雷擊帶來(lái)的危害，提高輸電的可靠性。

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2016-08-15）