三相高壓加空線電源的引雷防護技改方案

楊福貴 張漢明 王仕華 李啟宏 楊光榮

（作者單位：貴州省新聞出版廣電局七六四臺）

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三相高壓加空線電源的引雷防護技改方案

楊福貴 張漢明 王仕華 李啟宏 楊光榮

（作者單位：貴州省新聞出版廣電局七六四臺）

摘 要：貴州省新聞出版廣電局764臺的高壓架空線路從海拔800 m到2 178 m，屬于特別嚴重雷電活動頻繁區(qū)。山上春夏秋冬都有雷暴日，年平均雷暴日達50天以上。電視臺因為高壓架空線路引起雷擊的故障率占全年各種設備故障率的90%以上，每年雷擊引起特別嚴重事故高達30次以上，為此采用在低壓電源沿線加接多級避雷器來防雷，但不起作用。為降低每年電源引起的雷擊事故，必須進行高壓線防雷技改，讓高頻雷電波在高壓變壓器的前端徹底消除。

關(guān)鍵詞：高壓線防雷技改；雷擊事故；雷電波

雷電波是一種強電磁沖擊現(xiàn)象，是時域電磁學問題。雷電波防護又是工程實現(xiàn)性很強的技術(shù)。純粹的理論研究方法很難直接指導實際防雷工程設計。為滿足實際高壓線防雷工程的需要，本文采用的方法是用1.8 km高壓電纜（電纜埋地50 cm以上，電纜鎧裝外皮接地電阻約為4 Ω）將國家電網(wǎng)與變電站之間連接起來。長度1.8 km的高壓電纜就是一個LC防雷濾波網(wǎng)絡，能夠完全濾除雷電波頻率。利用長電纜的單位電容足夠大能夠應對高頻短路的特點，達到消除雷電波的目的。

1 雷電波的主要性質(zhì)

天上雷云之間閃電的雷電波能量很大，網(wǎng)絡上說平均電流是30000A，最大電流可達300000A。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特，一個中等強度雷暴的功率可達1000萬瓦。

但是，高壓線上產(chǎn)生雷電波，是在天上雷雨云下方正電荷電場的作用下，高壓線上才聚集了大量負電荷形成的高壓靜電場。一旦天上雷雨云之間閃電發(fā)生后，雷雨云的電場為0V。這時，高壓線上聚集的高壓負靜電場立即發(fā)生正負電荷中和而在高壓線上產(chǎn)生沖擊脈動雷電流波。

高壓線上的雷電波能量是有限的，因為高壓線的直徑很小，高壓線上產(chǎn)生的雷電波能量不可能燒毀高壓線。一般1mm2鋁線能通過4 A電流，在10kV高壓線路的線經(jīng)為1.6cm2時，能通過最大電流0.74kA。又因為輸電線路本身存在電阻，10kV高壓線線路在雷擊時產(chǎn)生的雷電波脈沖電流遠小于0.74kA。

1.1 10kV高壓線雷電波能量頻譜

雷電波的能量如圖1所示。

圖1 雷電波的能量圖

由圖1可知：雷電波最大能量基本集中在0～30 kHz。而且頻率越低，能量越大。圖1說明雷電波的能量分部是：1～10 kHz，占總能量的60.44%。

0～100Hz工頻附近只占總能量的2.66%。由于雷電波是脈沖函數(shù)電流波，LC防雷濾波網(wǎng)絡是不讓脈沖函數(shù)電流波通過的。頻率為工頻（50Hz）的脈沖雷電波分量同時被LC防雷濾波網(wǎng)絡濾除了，唯一有電網(wǎng)工頻（50 Hz）能量到達變電站的高壓變壓器。

1.2 雷電波的幅頻特性

具有一定代表性的雷電波主要有10 ／350μs電流波、8／20μs電流波、1.2 ／50μs電壓＋8／20μs電流組合波及10／700μs電壓通信波四種波形等。雷電波的幅頻特性如圖2所示。

從圖2雷電波的幅頻特性可知，雷電波頻率從0～1MHz。

2 技術(shù)改造方案能達到電源防雷目的分析

為減少每年的雷擊事故，必須進行高壓線防雷技改。技術(shù)改造的目的，是使高頻雷電波必須在（變電站）高壓變壓器的前端徹底消除。

圖2 雷電波的幅頻特性圖

最有效的方法是用2 km高壓（埋地）電纜將本單位的變電站和國家電網(wǎng)相連接。長度近2 km的高壓電纜就是1個LC防雷濾波網(wǎng)絡，能夠完全濾除雷電波頻率。貴州省新聞出版廣電局七六四臺使用的高壓電纜長度實際為1.8 km。

2.1 高壓電纜的單位電容和單位電感

工程上，需要計算LC的參數(shù)值。就需要根據(jù)如圖3所示的數(shù)據(jù)進行。

圖3 計算LC的參數(shù)值參考圖

工程實際測量：高壓電纜單相金屬護套內(nèi)導體直徑：D=28 mm。高壓電纜單相線的直徑：d=13 mm，聚氯乙烯：ε'=2.7。

根據(jù)公式：

電纜的特性阻抗：

電纜單位電容：

在直流和低頻電纜中，電纜的單位電感值：

其中：

L：同軸電纜的電感[H]

l：同軸電纜線的長度[m]

d：同軸電纜內(nèi)導體外徑[m]

D：同軸電纜外導體內(nèi)徑[m]

μ0：真空導磁率，μ0=4π10-7[H/m]

七六四臺選擇1800 m長的電纜作防雷施工，1800 m電纜總的單位電容、單位電感值為：

C=1800m×196pf/m=0.353uF

L=1800m×1.42×10-1uH/m=255.6uH

2.2 架空導線與電纜連接處引起反射

雷電波在高壓電網(wǎng)架空導線上傳輸時，常常會遇到線路突然改變的情況而發(fā)生折射和反射。例如，雷電過電壓波從波阻抗較大的高壓架空線進入波阻抗較小的高壓電纜，以及在線路中間或末端接有集總參數(shù)（電阻、電感、電容或非線性元件）的元件。當出現(xiàn)這些情況時，波將在參數(shù)突變邊界處發(fā)生折射和反射。特別是末端開路（高阻抗）或短路時，雷電過電壓波將被全反射。

電網(wǎng)架空導線的特性阻抗計算如圖4所示。

在圖4中，三相高壓架空線之間的距離為D=1.7 m，高壓架空線的線徑為d=1.6 cm。則高壓架空線與線之間的特性阻抗Z01為：

國家電網(wǎng)高壓架空線與高壓電纜（的始端或輸入端）相連接，高壓架空線與線之間的特性阻抗為643Ω，高壓電纜與電纜之間的特性阻抗為28Ω+28Ω。所以在高壓架空線與高壓電纜連接處形成駐波比可以簡單計算為：

將s=11.5代入反射系數(shù)公式得：

反射功率：

P反的數(shù)值說明，在高壓電纜與高壓架空線路的連接處，因為阻抗不匹配，導致雷電波總功率能量的70%被反射。

2.3 電纜的單位電容對50KHz以上頻率短路

電纜總的單位電容和單位電感：

C=0.353uF

L=255.6uH

從表1中看出，1800m長的電纜，根據(jù)容抗阻值，能夠?qū)?0kHz以上的雷電波頻率衰減掉。

圖4 電網(wǎng)架空導線的特性阻抗計算圖

表1 電纜容抗和感抗對比圖

表1中的重要特性是：1800m長的電纜，在雷電波頻率為16.75kHz時，容抗、感抗相等而形成串聯(lián)諧振，16.75kHz雷電波頻率分量及與16.75kHz相鄰的頻率分量被短路入地。

2.4 變壓器初級線圈對低頻呈現(xiàn)高阻抗

貴州省新聞出版廣電局七六四臺工作時，變電站的高壓變壓器初級線電流為3 A，線電壓為12 kV，可以認為高壓變壓器初級線圈的阻抗為：

初級線圈的高阻抗j4K Ω與1800m長度的高壓電纜（的末端）連接，電纜長度1 00m的數(shù)字與低頻50Hz的波長（波長為6000000m）相比，1800m電纜長度可以略去不計。1800m與雷電波低頻率相比同樣如此。那么，感抗為j4KΩ經(jīng)過阻抗規(guī)劃（傳輸線理論分析略），最后體現(xiàn)在1800m電纜的輸入端（電網(wǎng)高壓架空線與高壓電纜線的連接處）的阻抗仍然為j4kΩ。也就是說，1800m電纜的輸入端對雷電波的低頻分量呈高阻抗。這個高阻抗與電網(wǎng)高壓架空線連接產(chǎn)生的高駐波比（VSWR），使雷電波的低頻分量完全被反射，雷電波的低頻分量無法進入高壓電纜到達變電站。

3 結(jié)語

經(jīng)過以上分析得出：第一，國家電網(wǎng)與高壓電纜線連接因為不匹配而使70%的雷電波能量被反射；第二高壓電纜線的單位電容將50kHz以上的頻率短路了；第三計算出1800m長度的電纜對16.75kHz雷電波頻率分量及與16.75kHz相鄰的頻率分量被短路；第四用傳輸線理論說明雷電波的低頻分量無法進入高壓電纜到達變電站，而雷電波的能量分布基本上集中在低頻。

總之，用1800m（埋地）高壓電纜將國家電網(wǎng)與變電站連接，能夠使高壓電源引起的雷擊事故實現(xiàn)每年0次。筆者統(tǒng)計，近五年貴州省新聞出版廣電局七六四臺使用1540m高壓埋地電纜供電，發(fā)生電源引起的雷擊事故基本為0。為達到防雷效果最優(yōu)，電視臺又將另一路高壓架空線與單位變電站連接，改變成用1800m（埋地）高壓電纜將國家電網(wǎng)與單位變電站連接，這樣與已經(jīng)使用的1540m高壓埋地電纜比較，一定能夠?qū)崿F(xiàn)每年電源引起的雷擊事故為0的目標。