輸電線路雷電防護技術(shù)研究

楊國峰 張帥 張文瀚

摘 要：雷擊事故威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，為此，應(yīng)逐基桿塔建立微地形特性，結(jié)合雷電參數(shù)的地域特性，綜合評估線路的防雷特性和防雷措施的有效性，保障輸電線路的安全運行。

關(guān)鍵詞：輸電線路 雷電防護措施 線路避雷器

1.線路防雷措施的決定因素

輸電線路遭雷擊閃絡(luò)時，經(jīng)自動重合閘裝置消除工頻續(xù)流后繼續(xù)運行。只有自動重合閘無法消除的永久性故障時線路才退出運行。輸電線路采用哪一類防雷措施主要是由電力運行部門對雷害事故的核方式?jīng)Q定的。我國目前考核的是雷擊閃絡(luò)率。而歐美、日本等國際上大多數(shù)國家考核的都是雷擊故障率。因此，由于考核方式的不同，我國的防雷措施的出發(fā)點是盡量不讓線路雷擊閃絡(luò)，即采用“阻塞型”方法。雖然雷擊閃絡(luò)后我國也是經(jīng)自動重合閘裝置來排除閃絡(luò)故障，但絕緣子表面在工頻電弧作用下會發(fā)生燒蝕。因此，每次雷擊閃絡(luò)后需要派線路工尋線來查找燒損的絕緣子。而國外采用的是“疏導型”方法，即允許線路雷擊閃絡(luò)，閃絡(luò)后經(jīng)自動重合閘排除閃絡(luò)故障，由于工頻電弧一般被引導到與絕緣子并聯(lián)的保護間隙燃燒，而絕緣子表面基本不會有燒傷，因此一般不用巡線來查找燒損的絕緣子。

2.“阻塞型”防雷方法

“阻塞型”方法的主要措施包括：安裝避雷線和耦合地線；提高線路絕緣水平；雙回輸電線路采用不平衡絕緣；降低桿塔接地電阻；安裝線路避雷器等。

2.1安裝避雷線、耦合地線、避雷針

安裝避雷線、避雷針，其作用相當于撐起了一把防雷的傘。降低桿塔接地電阻有困難時，在導線下方架設(shè)一條接地線（耦合地線），耦合地線既具有分流作用，又加強了避雷線對導線的耦合。目前，有單位在線路上加裝普通及非常規(guī)避雷針，增加了線路的引雷效率，對于500 kV以下電壓等級的線路可能會增加線路雷擊閃絡(luò)率。

目前國內(nèi)已開始在避雷線上隔一定距離安裝水平側(cè)針來減少線路的雷電繞擊事故。其基本出發(fā)點是以期通過側(cè)針對雷電的吸引作用來減少雷擊導線的概率。但從物理概念出發(fā)，如果側(cè)針過短，雷電下行先導產(chǎn)生時，側(cè)針強烈的電暈產(chǎn)生的電荷“籠罩”在避雷線和側(cè)針附近，從而抑制了從避雷線產(chǎn)生的迎面先導，而導線上迎面先導并沒有太大的變化，這相當于“增強”了導線上的迎面先導，從而導致線路雷電繞擊概率增加。因此，避雷線上安裝的水平側(cè)針存在一個臨界長度，只有當水平側(cè)針超過此臨界長度時，側(cè)針電暈產(chǎn)生的電荷才不會抑制側(cè)針產(chǎn)生迎面先導的效果，從而加強從避雷線上產(chǎn)生的迎面先導，實現(xiàn)對雷電的“攔截”作用，但由于側(cè)針附近避雷線容易疲勞斷裂，影響線路安全，故此方式已被淘汰。

2.2提高線路絕緣水平

提高線路絕緣水平相當于筑高線路防雷的“堤壩”。如我國過去就對輸電線路進行過調(diào)爬，110kV輸電線路從原來的7片絕緣子調(diào)整到現(xiàn)在的8片絕緣子，500kV線路從原來的25片絕緣子，調(diào)整為現(xiàn)在的27片、28片。這當然對于減少污閃有顯著效果，但客觀上也起到增強線路防雷性能的作用。

2.3桿塔接地技術(shù)

降低桿塔接地電阻的功能相當于疏通雷電流入地的通道。接地裝置在雷電流作用下，存在電感效應(yīng)和火花效應(yīng)，電感效應(yīng)導致阻抗增加，而火化效應(yīng)導致阻抗降低。降低桿塔接地電阻應(yīng)該降低的是沖擊接地電阻，一般來說，接地裝置的沖擊接地電阻低于工頻接地電阻。但我國經(jīng)常出現(xiàn)工頻接地電阻很低的桿塔而雷擊閃絡(luò)事故頻繁的現(xiàn)象。其原因是，在一些高土壤電阻率地區(qū)采用較長的水平伸長接地體可以有效降低工頻接地電阻，但由于接地體具有雷電沖擊有效長度，沖擊接地電阻卻不會隨之降低。

2.4雙回輸電線路采用不平衡絕緣

雙回輸電線路采用不平衡絕緣，低絕緣水平的一回線路在雷擊時將率先閃絡(luò)來保護另一回線路，這相當于為一回輸電線路提供了一個泄散雷電流的“泄洪區(qū)”。過去日本的不平衡絕緣線路采用降低一回線路的絕緣水平的差絕緣方式，結(jié)果導致線路總體雷擊閃絡(luò)率增加，目前我國采用的是加強一回線路絕緣水平的方式。

2.5安裝線路避雷器

線路避雷器與絕緣子串并聯(lián)并不能限制線路桿塔電位，其工作的基本原理是雷擊避雷線或塔頂時，一部分雷電流通過避雷器流入相導線，導致相導線的電位升高，達到“水漲船高”的目的，這樣絕緣子串兩端的電位降低，不會發(fā)生閃絡(luò)。運行經(jīng)驗表明，線路避雷器可達到100%防止被保護線段雷擊閃絡(luò)的效果，要消除線路雷擊閃絡(luò)，需要在易擊段每個桿塔上安裝線路避雷器，如日本就在某500kV線路上全線安裝了線路避雷器。線路避雷器最早由美國AEP和GE公司于1982年10月在138kV線路上安裝了75只，結(jié)構(gòu)上采用環(huán)氧玻璃筒包裹ZnO閥片，筒外套上橡膠裙套。日本1986年5月開始在Kansai電力公司雷電活動嚴重地區(qū)的輸電線路上安裝線路避雷器。安裝線路避雷器后，被保護線路沒有出現(xiàn)任何雷擊閃絡(luò)事故，而同塔雙回沒有安裝避雷器的線路側(cè)則仍有雷擊故障出現(xiàn)。由于線路避雷器的良好效果，日本認為安裝避雷器是防止線路故障最有效的措施，進一步在其他線路上推廣。到1999年已有不同電壓等級的47 000多只線路避雷器在運行中，其中99%帶串聯(lián)外間隙，在各種電壓等級的線路上都有成功動作的記錄。

3.“疏導型”防雷方法

所謂“疏導型”防雷方法是指在絕緣子串上并聯(lián)保護間隙（在絕緣子串兩端并聯(lián)的一對金屬電極，又稱招弧角或引弧角）。當架空線路遭受雷擊時，并聯(lián)間隙因沖擊放電電壓低于絕緣子串的放電電壓，故首先放電，隨后產(chǎn)生工頻短路電弧。

3.1并聯(lián)保護間隙在我國應(yīng)用存在的問題

在架空輸電線路上安裝并聯(lián)保護間隙，為了確保雷擊時放電在間隙處發(fā)生，需要間隙長度小于絕緣子串的長度，即并聯(lián)間隙會短接部分絕緣子，從而造成線路絕緣水平降低。因此，為了保證安裝并聯(lián)間隙后絕緣水平不降低，需要增加絕緣子串的長度。國外由于采用并聯(lián)間隙防雷方式，一般采用比我國更多的絕緣子，并且其絕緣配合規(guī)程也都涵蓋了并聯(lián)間隙的因素。而目前我國架空輸電線路上并未安裝并聯(lián)間隙裝置，如果直接照搬國外并聯(lián)間隙設(shè)計經(jīng)驗，則會造成絕緣子串短接較多，絕緣水平降低，導致線路的雷擊跳閘率增加。而目前我國不大可能增加線路絕緣子的片數(shù)來安裝并聯(lián)放電間隙，因為增加絕緣子片數(shù)一則對于已有輸電線路是不現(xiàn)實的，二則會導致我國現(xiàn)有的絕緣配合規(guī)程的改變，三則會導致輸電線路建設(shè)費用增加。因此，目前在我國輸電線路上安裝并聯(lián)間隙必須基于目前輸電線路的絕緣子配置，并聯(lián)間隙的長度須與絕緣子串長度基本接近。

3.2防雷保護間隙的優(yōu)化設(shè)計

架空線路絕緣子串表面產(chǎn)生的工頻短路電弧屬于在空氣中自由燃燒的長間隙交流電弧，其從絕緣子串表面沿著并聯(lián)間隙電極運動的過程是一個復雜的物理現(xiàn)象。近年來，清華大學與中國電力科學研究院合作，通過觀察試驗拍攝得到的長間隙交流電弧運動過程的圖像，從物理規(guī)律上揭示了長間隙交流電弧的運動特性，并給予物理解釋。結(jié)合多種物理理論，建立了長間隙交流電弧的空間模型、時間模型和運動仿真模型以及長間隙交流電弧的運動仿真流程，從而建立了長間隙交流電弧的運動仿真方法，可實現(xiàn)對滿足我國目前絕緣子結(jié)構(gòu)的并聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

結(jié)束語：

防雷分析及防雷措施的選擇是一項“細致活”，應(yīng)逐基桿塔建立微地形特性，結(jié)合雷電參數(shù)的地域特性，綜合評估線路的防雷特性和防雷措施的有效性。因地制宜，提出不同區(qū)域線段的防雷措施。

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