220kV輸電線路防雷性能研究

李良

（四川省電力設(shè)計(jì)院 四川成都 610072）

220kV輸電線路防雷性能研究

李良

（四川省電力設(shè)計(jì)院 四川成都 610072）

我國(guó)各個(gè)區(qū)域管轄的220kV輸電線路經(jīng)常發(fā)生跳閘事故，尤其是我們國(guó)家進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)發(fā)生率逐年提高，這種現(xiàn)象給我國(guó)電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)面作用，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)引來(lái)了一定的安全隱患。在本文中，通過(guò)介紹一個(gè)關(guān)于220kV輸電線路由于遭受雷擊而跳閘的安全事故，對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題找到解決的方案。此外，還通過(guò)研究關(guān)于雷擊放電這個(gè)話題，分析各個(gè)雷擊跳閘事故使用的線路的特點(diǎn)，分析各個(gè)關(guān)于防雷的安全措施的實(shí)際效果。在本文的最后，與線路的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況結(jié)合起來(lái)，提出一個(gè)更優(yōu)的綜合防雷措施。一些從事線路管理和線路設(shè)計(jì)的企業(yè)也可以通過(guò)本文獲取一些參考建議。

220kV；輸電線路；防雷性能；改進(jìn)方案

1 輸電線路防雷性能的概述

1.1 輸電線路雷擊放電的案例分析

國(guó)民經(jīng)濟(jì)正在飛速進(jìn)步，企業(yè)和人民大眾對(duì)電力的需求也日益提升。隨著電網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，才建立起來(lái)的高壓輸電線路的公里數(shù)也呈指數(shù)的趨勢(shì)增長(zhǎng)。但是，由于高壓輸電的線路非常長(zhǎng)。地區(qū)之間的跨度相對(duì)較大，地理分布范圍很廣，有著復(fù)雜的氣象情況，因此發(fā)生雷擊的比例很高。根據(jù)今年的最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電網(wǎng)總事故的百分比中。由于雷擊而導(dǎo)致線路發(fā)生跳閘事故的比例占59.3%。

我國(guó)一城市在2010年的經(jīng)濟(jì)指數(shù)在全國(guó)位列前茅，一路高歌猛進(jìn)，經(jīng)濟(jì)總值一直位于全國(guó)32個(gè)省會(huì)城市的第二位，其生產(chǎn)總值為5945.79億元，增長(zhǎng)率一直為兩位數(shù)，這種增長(zhǎng)速度持續(xù)了將近20年。在2010年12月，電網(wǎng)使用了134條220kV甚至高于220kV的輸電線路，輸電線路的總長(zhǎng)度為2648.71km，其中有16條500kV的輸電線路，它的長(zhǎng)度約為668.85km；119條220kV的輸電線路，它的長(zhǎng)度約為1978.85km。使用220kV的輸電線路成為該地電網(wǎng)行業(yè)的主導(dǎo)網(wǎng)架，它不但可以負(fù)責(zé)輸送電網(wǎng)電能的傳輸，還可以結(jié)合周?chē)貐^(qū)的電網(wǎng)一起構(gòu)成環(huán)狀的供電系統(tǒng)。所以，220kV的輸電線路能否安全穩(wěn)定的運(yùn)行關(guān)乎著廣大人民群體的利益。

輸電線路的運(yùn)行環(huán)境日益惡化引起跳閘故障的頻發(fā)，表1是統(tǒng)計(jì)的2006～2010年這五年中220kV以及高于220kV的輸電線路的跳閘原因。

表1

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以得到，在這五年中，該地區(qū)的輸電線路跳閘的最主要原因是雷擊，占總故障比例的90.52%；其次為外力破壞及其它，占總故障比例的9.53%。電壓等級(jí)為220kV的線路雷擊故障發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓等級(jí)為500kV，這樣的數(shù)據(jù)結(jié)果，一部分是因?yàn)?20kV的輸電線路的數(shù)量明顯高于500kV；另一部分原因是220kV輸電線路的絕緣配置較低，因此相應(yīng)的跳閘次數(shù)就多很多。電網(wǎng)行業(yè)頻繁發(fā)生220kV輸電線路的跳閘事故，使電網(wǎng)的供電系統(tǒng)的可靠性和電網(wǎng)的安全性降低，影響人民群眾生活用電的正常運(yùn)行，嚴(yán)重狀況下，還會(huì)降低我國(guó)國(guó)民的總體經(jīng)濟(jì)水平。因此，輸電線路的防雷性能已經(jīng)成為我們不得不重視的問(wèn)題，只有將輸電線路的防雷性能提高到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，我們才能保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行

1.2 輸電線路雷擊放電的原理

雷電出現(xiàn)的過(guò)程：雷云是一種黑色云朵，通常下雷陣雨的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)，是一類(lèi)帶有不同電荷的云朵彼此發(fā)生碰撞而產(chǎn)生雷電交加的云朵的統(tǒng)稱(chēng)。通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)，我們可以看出，正電荷一般分布在云層的上端，負(fù)電荷位于云層的下端，云層的中間通常分布的正電荷與負(fù)電荷的混合電荷。雷云的放電階段一般是對(duì)大地產(chǎn)生很多次一樣的放電過(guò)程，每一個(gè)階段的放電均可以分為兩個(gè)階段，分別為先導(dǎo)放電和主放電。帶有電荷的雷云基本上有固定的電荷分布區(qū)域，它們含有不同的電荷數(shù)。其中先導(dǎo)放電是一種高導(dǎo)電率式放電，它是通過(guò)流注放電通道后的熱電離所形成的。先導(dǎo)放電是有間隔的，雷云放電的第一級(jí)先導(dǎo)是分層次發(fā)展的，它的發(fā)展速度很快，但是，由于它的發(fā)展長(zhǎng)度為50m的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)間隔，因此它的每一級(jí)先導(dǎo)的速度僅為光速的1‰。主放電的時(shí)間極其短暫，它的移動(dòng)速度是光速的5～50%，它的電流數(shù)值區(qū)間為200～200kA。當(dāng)主放電沖向云端的時(shí)候，表示整個(gè)放電過(guò)程即將結(jié)束。由于大部分的雷云有多個(gè)電荷中心，會(huì)發(fā)生多重雷云放電，按照以前的放電通道來(lái)發(fā)展，先導(dǎo)放電是連續(xù)發(fā)生的，不分級(jí)別。

雷電的形成過(guò)程：雷電過(guò)程實(shí)際上可以看作是一個(gè)電流波順著空中通道到達(dá)雷擊點(diǎn)，擊中后可以沿著左右兩個(gè)不同的方向繼續(xù)向前前進(jìn)，同時(shí)在行進(jìn)的過(guò)程中還有電壓波的陪同，兩者一起構(gòu)成了電磁波，該電磁波的速度接近光速。這些年，由于科技的進(jìn)步和高速照相機(jī)的出現(xiàn)，長(zhǎng)空氣間隙的放電過(guò)程也清晰的映入人底，深入了人們對(duì)其根源的研究，因此就出現(xiàn)了先導(dǎo)發(fā)展理論。在多次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)空氣間隙在沖擊波的影響下，它的放電過(guò)程可以概括為主放電、電暈、先導(dǎo)發(fā)展以及流注發(fā)展等幾個(gè)步驟。在輸電線路的防雷計(jì)算過(guò)程中，我們可以首先利用先導(dǎo)發(fā)展法來(lái)判斷絕緣體的閃絡(luò)判斷依據(jù)，進(jìn)而確認(rèn)閃絡(luò)程序的運(yùn)行電壓及其運(yùn)行時(shí)間，具體計(jì)算數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1

2 輸電線路防雷性能的效果分析

伴隨著輸電線路雷擊跳閘事故的頻繁發(fā)生，給輸電線路的安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。由于天氣變化莫測(cè)，雷電天氣具有太大的不可控性，因此早些年的人們采用非常消極的態(tài)度去應(yīng)對(duì)輸電線路的抗雷活動(dòng)，輸電線路的運(yùn)行故障也是屢創(chuàng)新高。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)局先后頒布了許多指導(dǎo)性文件來(lái)面對(duì)雷擊跳閘事故，提供給各個(gè)輸電線路相應(yīng)的工作依據(jù)。但是，僅僅靠這些政策解決不了雷擊事故，因?yàn)闂U塔的影響因素有很多，比如地形、自身結(jié)構(gòu)及其地貌。桿塔不同，相應(yīng)的防雷措施也不一樣。目前，我們通常采用以下幾種方法來(lái)提高輸電線路的抗雷水平，例如：減少桿塔接地電阻的大小、優(yōu)化絕緣基準(zhǔn)以及安裝避雷器等措施。

2.1 減少桿塔的接地電阻

通過(guò)圖2的曲線我們可以得出，桿塔的反擊跳閘率與塔高呈正比關(guān)系。塔高的高度越高輸電線路發(fā)生引雷的概率就越大，從而遭受雷擊的可能性就更大。此外，線路的耐雷水平越高，相應(yīng)桿塔的高度就越低。如果桿塔的接地電阻變?yōu)?0Ω的時(shí)候，線路桿塔的反擊跳閘率會(huì)相應(yīng)地降低到2次/100km·a以下，對(duì)于被反擊的桿塔，通過(guò)降低桿塔的電阻這個(gè)途徑可以顯著地降低雷擊事故的發(fā)生率。

圖2

2.2 安裝輸電線路避雷器

利用避雷器可以顯著地提升輸電線路的抗雷標(biāo)準(zhǔn)，較少輸電線路遭受雷擊跳閘的發(fā)生率。位于不同地段的線路，安裝避雷器的地方也不完全相同。輸電線路的類(lèi)型為單回路，而且它的位置位于山頂，我們需要將避雷器安裝在輸電線路的邊坡外側(cè)段，可以有效地抑制繞擊的發(fā)生。位于山頂?shù)妮旊娋€路，一般需要將避雷器安裝在兩側(cè)，而且必須兩側(cè)都有。如果輸電線路的類(lèi)型為雙回路，我們需要在三相都安裝避雷器。

圖3為輸電線路在220kV時(shí)同塔雙回線路，不同桿塔接地電阻在不同線路避雷安裝形式下的跳閘率，當(dāng)接地電阻越大，由于輸電線路安裝了避雷器，抗雷跳閘率就會(huì)相應(yīng)減低。如果先降低桿塔的電阻，再在輸電線路安裝避雷器，最終性能效果也會(huì)更優(yōu)。

2.3 提高線路的絕緣水平

在不同的區(qū)域，所使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不同。一般，220kV的輸電線路采用13片絕緣子片，有的地方采用最低的適配標(biāo)準(zhǔn)，有的會(huì)采用最高的適配標(biāo)準(zhǔn)。

從圖4中，我們可以看到，輸電線路位于低電阻的時(shí)候，采用增加絕緣效果比不上位于高電阻時(shí)候的效果。如果接地電阻是30Ω的時(shí)候，增加絕緣子片所達(dá)到的降低反擊跳閘率的作用效果就非常明顯。在現(xiàn)實(shí)生活中，由于桿塔的奇特構(gòu)造，很難將絕緣子片的長(zhǎng)度增加到很長(zhǎng)，所以他對(duì)抗雷線所產(chǎn)生的優(yōu)化作用就很小。對(duì)于電壓為220kV的線路，絕緣子片每增加一塊，抗雷電流只會(huì)相應(yīng)的增加1kA。因此，單單采用增加絕緣強(qiáng)度這個(gè)方法想要明顯的達(dá)到降低輸電線路防雷性能的途徑是走不通的。

圖3

圖4

3 總結(jié)

防雷技術(shù)已經(jīng)升級(jí)為一個(gè)全球性話題。在16世紀(jì)末，分布在歐洲的許多國(guó)家就建立了研究雷電的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)多年國(guó)內(nèi)外的研究，許多科學(xué)家已經(jīng)形成了一個(gè)相對(duì)完整的體系，這個(gè)體系主要講述雷電發(fā)生的起因、發(fā)展進(jìn)程和結(jié)果。在我們國(guó)家，通常采用提升輸電線路的抗雷水平、減小線路的接地電阻、提升線路的絕緣度、架設(shè)避雷針等一系列措施來(lái)降低雷擊事故的發(fā)生率。

由于房地產(chǎn)的火熱進(jìn)行，城市出現(xiàn)了征地困難，因此，目前很多輸電線路都設(shè)立在高原上，該區(qū)域的雷電活動(dòng)的發(fā)生頻率處于D1級(jí)，這種嚴(yán)重的雷電情況嚴(yán)重的帶來(lái)輸電線路安全上的不便，這么多年，雷擊跳閘率始終只增不減。

進(jìn)行防雷改造的根本途徑是減小線路的接地電阻，施工班組要準(zhǔn)確無(wú)誤的周期性的去檢測(cè)桿塔的接地電阻，及時(shí)改造優(yōu)化不符合要求的接地電阻。要對(duì)經(jīng)歷雷擊的桿塔進(jìn)行特殊的詳細(xì)的分析，尤其是處在山上的桿塔，可以實(shí)施加裝接地模板以及增加降阻劑的措施來(lái)降低接地電阻。其次，我們也可以采用加裝避雷器的措施來(lái)增加輸電線路的防雷性能，安裝位置應(yīng)該結(jié)合很多因素一起考慮，而不是所有的避雷器都是一模一樣的，我們需要根據(jù)輸電線路的雷擊類(lèi)別來(lái)確定避雷器的安裝方位。

[1]柳俊.重慶雷電基本電氣參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[2]梅 貞，陳永明，顧勤煒，等.1998～2004年全國(guó)雷電災(zāi)害事故統(tǒng)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2007，33（12）：173～176.

TM862

A

1004-7344（2016）17-0062-02

2016-6-1

李 良（1981-），男，工程師，本科，主要從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。