防繞擊和負角避雷針在輸電線路

1、防繞擊和負角避雷針在輸電線路中的應用情況2008年6月16日防繞擊和負角避雷針在輸電線路中的應用情況一 輸電線路防雷指標輸電線路防雷性能的優(yōu)劣，工程上主要用耐雷水平和雷擊跳閘率這兩個指標來衡量。在分析輸電線路對雷擊的響應（包括雷擊跳閘率）時，一般都依靠現(xiàn)有線路運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)。但是，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，要求用現(xiàn)代化的技術評價設計線路的耐雷性能，要求我們對設計中的下列幾個因素的影響做出評價： 1、線路上的雷擊次數(shù)、繞擊率和繞擊次數(shù)，雷電流的幅值、陡度和波頭時間； 2、新型桿塔結構和尺寸； 3、絕緣水平和工頻電壓對雷擊事故率的影響；4、高土壤電阻率對桿塔接地電阻的影響。防雷原則根據(jù)技術經(jīng)濟比較的結果，

2、因地制宜采取合理的保護措施。而線路本身的實際運行經(jīng)驗，是衡量其防雷保護是否可靠的最好指標。過電壓保護設計規(guī)范中所推薦的各種防雷保護方法，系根據(jù)全國一般地區(qū)大多數(shù)線路的運行經(jīng)驗以及技術經(jīng)濟的合理性而制定的，所以在選擇每一條線路具體的防雷技術措施時，必須從實際出發(fā)，具體情況具體分析，做到區(qū)別對待，因地制宜，以便在節(jié)約的原則下做好防雷工作。 制定輸電線路的防雷保護措施時，主要應該考慮以下幾個方面：1、 防止直接雷擊。線路直擊雷事故有繞擊和反擊兩種，線路的繞擊耐雷水平是遠低于其反擊耐雷水平的。2、 防止發(fā)生反擊3、 防止雷擊閃絡后建立工頻短路電弧。4、 保證線路不間斷供電。5、 特殊桿塔的保護。 “繞

3、擊”的特點是：定位高度比反擊低；只在滿足繞擊充要條件時發(fā)生?，F(xiàn)在提出一種輸電線路繞擊防護的新思路。輸電線路的屏蔽系統(tǒng)由地線、桿塔和大地三者構成輸電線路發(fā)生繞擊跳閘事故可歸咎于屏蔽系統(tǒng)的引雷能力不夠對于具體情況，增強某一屏蔽體的引雷能力，可有效地防止繞擊跳閘事故的發(fā)生。模擬試驗和仿真計算研究的結果證明了它的可行性。二 輸電線路防繞擊1，國內外繞擊跳閘概況“繞擊”的特點是：定位高度比反擊低；只在滿足繞擊充要條件時發(fā)生?，F(xiàn)在提出一種輸電線路繞擊防護的新思路。輸電線路的屏蔽系統(tǒng)由地線、桿塔和大地三者構成輸電線路發(fā)生繞擊跳閘事故可歸咎于屏蔽系統(tǒng)的引雷能力不夠對于具體情況，增強某一屏蔽體的引雷能力，可有效

4、地防止繞擊跳閘事故的發(fā)生。模擬試驗和仿真計算研究的結果證明了它的可行性。隨著我國電力事業(yè)的蓬勃地發(fā)展，我國電網(wǎng)的電壓等級越來越高，高壓及超高壓輸電線路越來越多。而雷擊卻是高壓及超高壓輸電線路事故的主要原因之一。在我國實際的220kv的線路的觀測中繞擊跳閘次數(shù)占了整個跳閘事故的60%左右，而在500kv的輸電線路中繞擊的事故就更加嚴重了，俄、美、加等國的735765kv的線路防雷的經(jīng)驗表明，超高壓的雷擊跳閘事故中，繞擊跳閘是主要的原因。因此對線路繞擊的研究對保證電網(wǎng)的安全可靠的運行是非常重要的。事故分析發(fā)現(xiàn)繞擊率高的分布點主要集中在離輸電導線較近的中間部位，這和理論計算是一致的：在高于一定高度后

5、的空間是屬于避雷線的吸引半徑范圍之內，其繞擊概率是很低或不發(fā)生繞擊，而在低于這一高度之后，即至地面的吸引半徑之后，如果此處落雷的話，繞擊的概率也是很低或是不繞擊?！袄@擊”的特點是：定位高度比反擊低；只在滿足繞擊充要條件發(fā)生?，F(xiàn)在提出一種輸電線路繞擊防護的新思路。輸電線路的屏蔽系統(tǒng)由地線、桿塔和大地三者構成輸電線路發(fā)生繞擊跳閘事故可歸咎于屏蔽系統(tǒng)的引雷能力不夠對于具體情況，增強某一屏蔽體的引雷能力，可有效地防止繞擊跳閘事故的發(fā)生。模擬試驗和仿真計算研究的結果證明了它的可行性。減少繞擊故障的對策： 接地電阻的改善； 盡可能降低鐵塔高度； 增強線路的絕緣； 采用分裂導線； 減小邊導線保護角（山區(qū)線路

6、可采用負保護角）； 桿塔橫擔上加裝側向避雷針； 避雷線上加裝側向短針； 加裝塔頂拉線； 加裝旁路架空地線。2，繞擊的原因什么是繞擊，繞擊就是一種不和常規(guī)，不按人們予定的路經(jīng)，天空雷云對地發(fā)生的一種放電，此處主要是指雷云應該對架空地線放電，雷云卻繞過地線對導線放電而發(fā)生繞擊。它的機理如下：高空帶電雷云激勵地面接地體，使其快速、強烈響應，自頂端產(chǎn)生迎面先導與之交匯。裝有雷電接閃裝置的接地體，將把雷云先導發(fā)展方向引向自身。有些接地體在頂端裝設避雷針、線等，用以控制接地體上部高空雷電先導對建筑物的危害。但并不是所有的高場強雷云在不斷向下分級發(fā)展的過程中，都恰好被裝在高接地體頂端的雷電接閃裝置所吸引。裝

7、設在接地體頂端的雷電接閃裝置能否接閃，不僅與接閃裝置產(chǎn)生異性電荷的能力和異性電荷遷移速率有關，也與雷電先導頭部電場游離范圍即先導對接地體遷移異性電荷的吸引半徑有關；同時也和接地體產(chǎn)生迎面先導的能力有關。雷云在隨風向快速移動的過程中，受到雷云與雷云之間，雷云與大地之間各種不斷變化的隨機因素影響。雷云先導在接受各種影響的同時，不斷地調整先導頭部分級發(fā)展的方向，從而使先導頭部向接地體定向發(fā)展時的定位高度并不一定恰在接地體的上部空間。發(fā)展到接地體側面低空的雷電先導，將向便于泄放自己能量的方位最后階躍，這是雷電先導有可能向接地體繞擊的原因，而接地體自身是否存在易于遭受繞擊的條件，也是繞擊能否發(fā)生的重要原

8、因。它的機理有另一種說法，繞擊的發(fā)生是由于雷電流小于所選滾求半徑對應的最小雷電流而產(chǎn)生的一種雷擊現(xiàn)象。 避雷針即接閃器的作用是形成一個接收雷擊的確定點以避免雷擊點失控，防止被保護空間受直接雷擊。接閃器的種類有避雷針、避雷帶和避雷線，接閃器的位置常用“滾求法”確定。建筑防雷規(guī)范gb5005794中規(guī)定首次雷擊的雷電流參數(shù)：一類200ka；二類150ka；三類100ka。 國際電工委員會標準iec61312“雷電電磁脈沖防護” 將第一級防護的雷電流威脅值定為200ka，波形為10/350s，超過該值的概略為1，就是說，99的的雷電閃擊都包括了。 拿第一類防雷建筑來說，首次雷擊的雷電流參量為200k

9、a，由閃電數(shù)學模型（電氣幾何模型） hr =2i+30(1e-i/6.8) 簡化為 hr=10i0.65 hr雷閃的最后閃擊距離，也是規(guī)范當中的滾求半徑 i與hr相對應的得到保護的最小雷電流幅值。即比該電流小的雷電流可能擊到被保護空間。 將200ka帶入上式中得i5.4ka，即對于一類防雷建筑（hr30m），如果雷電流小于5.4ka，就可能發(fā)生繞擊現(xiàn)象繞擊率的計算關于繞擊率，我國的物理意義是：每年雷電繞過避雷線直擊于導線的次數(shù)對（總的）線路雷擊次數(shù)（均按單位長度）的比值，可表示為： 式中 每年每單位長度線路的雷繞擊次數(shù)（次/100kma或次/100km40雷暴日）； n 線路雷擊次數(shù)（次/10

10、0kma或次/100km40雷暴日）。前蘇聯(lián) m.b. 根據(jù)實驗模擬試驗結果，以及對較高桿塔系統(tǒng)運行經(jīng)驗的分析提出了繞擊計算的經(jīng)驗公式： 式中，為地線對邊導線的保護角，h為避雷線的懸掛高度。1.規(guī)程方法我國電力行業(yè)標準dlt620-1997交流電氣裝置過電壓保護與絕緣配合，根據(jù)運行經(jīng)驗推薦用下列分式計算繞擊率：對平地線路 對于山區(qū)線路 從公式可以看出，山區(qū)的繞擊率是平原的3倍，或者相當于保護角增大。規(guī)程中的計算式，是運行經(jīng)驗的總結，具有簡單明了的特點，對一般線路的設計及防雷復算十分便捷。但是它也存在十分粗略的缺點，最明顯的是，對于山區(qū)不同的邊坡角度無法區(qū)別開來。于是便有了其他一些計算方法。如：

11、emtp方法，統(tǒng)計模擬法，蒙特卡絡法等等。防繞擊預放電避雷針工作原理：試驗表明，普通避雷針的引雷能力大約是架空地線的46倍。架空地線上裝設短針的措施，能有效提高地線的引雷能力，對高壓輸電線路而言，在架空地線上裝設防繞擊預放電避雷針，其作用有：1.減少了雷擊跳閘率；2.降低線路保護角，進而減少線路的繞擊率；3.具有較強的引雷作用；4.具有較小的雷電流；5.較大的保護范圍。由于反擊耐雷水平遠高于繞擊耐雷水平，此時，將可能繞擊于導線的低幅值雷擊引到架空地線上。而此雷電流幅值小于其反擊耐雷水平，從而防止繞擊跳閘事故的發(fā)生。防繞擊預放電避雷針具有一般側針所沒有的技術特點，防繞擊預放電避雷針可得到比傳統(tǒng)避

12、雷針提前的放電先導，它能將動態(tài)雷閃所產(chǎn)生的高頻脈沖電壓重復不間斷的送達針尖，以觸發(fā)針尖空氣電離提前放電，擊穿空氣介質，形成向上先導，在空中與雷云所產(chǎn)生的下行先導閃接，達到防繞擊的目的。防繞擊預放電避雷針的安裝位置及適用范圍：防繞擊避雷針如：hfg-lr系列防繞擊避雷針采用國內外對繞擊雷機理的最新研究成果，在產(chǎn)品結構、材料選擇以及安裝方式等方面均創(chuàng)新和突破，可有效防止繞擊雷對線路的損害。產(chǎn)品由夾線裝置、防振裝置、平衡裝置、側針及安裝組件等構成。安裝在架空輸電線路的架空地線上，用于防止雷電繞擊輸電線路導線，適用于有架空地線的各種型式的架空輸電線路，對應的架空地線是型號為gjx35gjx180的鋼絞

13、線或其它類型的鋁包鋼絞線、良導體絞線、opgw光纜等特殊地線。使用時先打開夾蓋，選定安裝部位扣上夾蓋，然后將拉桿順時針旋轉90，再將壓座底端螺絲取出或將卡簧抽出即可。以上操作可在塔桿頂部配合地面操作完成（即可不上線）也可在地線上完成安裝。輸電線路的防雷實質上歸結為桿塔頭部的防雷，即高聳物的防雷。在國內外運行經(jīng)驗中，雷擊檔距中央避雷線及附近引起閃絡跳閘的幾率發(fā)生極小，故只要使輸電線路的桿塔塔頭及其附近不遭雷擊，輸電線路雷擊跳閘的幾率就會大大下降。根據(jù)模擬試驗、運行經(jīng)驗和分析計算認為，由于輸電線路桿塔的引雷作用和檔距中間的弧垂效應，沿輸電線路的檔距，雷電繞擊可劃分為三個區(qū)域，依次為安全、危險和正常

14、區(qū)。危險區(qū)約在距離桿塔1050m的區(qū)域，這一區(qū)域需重點防護。輸電線路繞擊區(qū)一般在距桿塔1050m區(qū)域。針對這一薄弱區(qū)域，分別離桿塔20 m、40 m的架空地線上各布置一支防繞擊預放電避雷針，同時，針對耐張轉角塔跳線多次遭受繞擊的情況，在地線支架加裝一支長60100cm的防繞擊預放電避雷針。因此，主要安裝在距離桿塔1030m的危險區(qū)域，等距離平均布置2套側針就能夠起到有效的保護作用（即在距離桿塔15米和30米處安裝）。另外，在桿塔頂部兩側適當位置應安裝桿塔側針，以防護進入桿塔側面地線屏蔽失效區(qū)的低空雷電先導，補充地線及其側針屏蔽的不足。在繞擊嚴重區(qū)域或經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)繞擊頻發(fā)的具體桿塔上，可根據(jù)實際情

15、況，在桿塔地線一邊（2只）或兩邊（4只）加裝第三組側針，安裝位置在距離桿塔505m米處。圖2.1 防繞擊避雷針結構示意圖不停電不出線安裝防繞擊預放電避雷針性能特點防繞擊預放電避雷針可以不停電不出線安裝，用機器人安裝，它具有下列特點：1.運用自主創(chuàng)新技術，在gjx35、gjx50等地線上可不停電不出線安裝，操作更安全；2.產(chǎn)品可滿足不同規(guī)格地線的需要，實用性強；3.采用在桿塔兩側安裝側針的方式，可顯著減少桿塔附近繞擊雷的發(fā)生；4.產(chǎn)品握力在順線方向和旋轉方向都大于標準值，抗不均勻覆冰，可保證長期穩(wěn)定運行；6.全金屬結構，通流量大，可承受大電流的沖擊；7.設計精巧，外型美觀三 負角保護針1負保護角

16、在防止繞擊上有著絕對的優(yōu)勢。山區(qū)輸電線路的桿塔大都處于山坡或山頂，由于地形起伏較大，氣流多變活動強烈，導致雷擊活動頻繁，落雷密度高，是雷電的多發(fā)地帶。同時山區(qū)的土壤電阻率較高，邊坡角度大，加上雷電發(fā)生時常常伴有大風天氣，使得較大檔距中央的避雷線對邊導線的保護角失效，裝設避雷線的線路經(jīng)常出現(xiàn)雷繞過避雷線而擊于導線的現(xiàn)象。在線路多雷區(qū)和易擊點的桿塔上安裝負角保護針，能夠有效減少輸電線路遭受雷電繞擊，降低雷擊跳閘率，提高輸電線路安全運行水平。負角保護針可看試裝在線路邊導線外側的避雷針，其目的是改善屏蔽，減小臨界擊距。試驗研究成果報告：護角為0度的時候，繞擊概率為0，如下圖所示，可以看出，負保護角在防

17、止繞擊上有著絕對的優(yōu)勢。從實驗數(shù)據(jù)看來負角保護針中-5的保護角在防繞擊性能上，跟其他的保護角相比有著絕對的優(yōu)勢，無論在哪個比例模型和那個桿塔型號得出的結論都是如此。通過一些試驗表明負保護角在防止繞擊上有著絕對的優(yōu)勢。（1）通過典型的500kv輸電線路（zb6t型桿塔）在保護角為+12下的1:40比例模型試驗，試驗得出了空間各點繞擊概率的分布規(guī)律：在離輸電線路越近的空間，其繞擊的空間便越大，其繞擊的雷電幅值便越小，隨著距離輸電線路越遠，其繞擊空間便越小，且繞擊空間慢慢上升。這和電氣幾何模型計算分析時的繞擊空間分布規(guī)律是一致的。（2）在不同的地形及來雷方向的條件下，通過對不同保護角進行繞擊試驗，驗

18、證了繞擊概率隨著保護角的減小而減小，實驗數(shù)據(jù)結果尤其突顯了負保護角在防止繞擊性能上的優(yōu)越性。保護角 繞擊跳閘率（3）導線上有無電壓對引雷的影響研究表明：在雷擊瞬間，輸電導線上所處的電壓值對引雷影響很大，隨著導線上與雷電的相反極性電壓值的升高，其引雷的能力就越來越強。在平原地區(qū)，即使考慮導線上的運行電壓，采用-5的保護角對邊相導線也不會發(fā)生繞擊。（4）斜山坡地形對輸電線路繞擊概率的影響研究表明：無論是發(fā)生繞擊的空間還是許多具體空間落雷點的繞擊概率都隨著地面的傾斜角度的增大而增大?？傊?，整體看來，試驗數(shù)據(jù)都清楚地表明隨著地面傾斜角度的增大，線路的繞擊概率明顯增加。當采用-5的保護角時，對于電流較大

19、的時候繞擊無明顯增加，但在電流較小時，參考0的試驗數(shù)據(jù)，繞擊也應有所增大。（5）山區(qū)跨越深山澗線路繞擊概率的變化規(guī)律，實驗數(shù)據(jù)表明，大跨距時由于弧垂的不一樣而導致避雷線與輸電線之間的垂直距離增大，本身垂直距離的變化對繞擊概率本無明顯影響，只是由于其垂直距離變化而水平距離沒變從而保護角變小，因此才導致繞擊概率變??；跨越深山谷時，由于地面的屏蔽性能急劇減弱甚至沒有，此時無論是發(fā)生繞擊的空間還是許多具體空間落雷點的繞擊概率都隨著山谷的深度的增大而增大，輸電線路的繞擊率明顯增大。大跨距和大弧垂對于-5保護角的繞擊無明顯影響。2負角保護針的理論依據(jù)電氣幾何理論是60 年代后期由美國人提出來的，以“閃擊距

20、離”的概念為基礎。所謂閃擊距離就是雷電先導頭部與地而目標間的臨界擊穿距離。此擊穿距離與先導頭部電位有關，先導頭部電位與先導中的電荷有關，先導中的電荷決定了隨后出現(xiàn)的雷電流幅值。因此，閃擊距離與雷電流幅值的關系可表示為 = k ie 式中：-閃擊距離（m） i對零電阻地面的雷電流（ka） k、e - 待求系數(shù)，由經(jīng)驗和模型試驗得出。 目前已有的經(jīng)驗公式為：= 7.1i0.75 或= 9.4i2/3電氣幾何模型是以解決繞擊為基木出發(fā)點提出來的，基木要點歸納為：，當雷云趨近地而時，雷云先導與地而突出物之間達到閃擊距離時，才會發(fā)生 擊穿，形成迎面流光，雷電流便向目標泄放；，線路是否發(fā)生繞擊事故，除了取

21、決于雷電流幅值外，還決定于線路木身的幾 何參數(shù)（即導線、避雷線的高度，其間的保護角）和耐雷水平，雷擊既可以來自正上方，也可來自線路側面，而且受地形和桿塔有效高度的影響按電氣幾何模型，可畫出線路避雷線和負角保護針的保護范圍如圖1 所示。虛弧線為避雷線保護范圍，實弧線為負角保護針保護范圍，扇形陰影部分及以下范圍為避雷線屏蔽失效區(qū)，而扇形陰影部分對地距離大于導線對地距離rsc，因此形成雷電繞擊區(qū)。 桿塔設置了負角保護針后，桿塔邊相導線周圍的雷電閃擊距離（即雷電先導頭部與地而目標間的臨界擊穿距離）rsm小于導線對地距離rsc負角保護針的屏蔽失效區(qū)均在導線下方，因此，雷電先導只可能對負角保護針或地而放電

22、，避免了雷電繞擊區(qū)的形成。山此可看出，裝設合適的負角保護針可消除雷電繞擊區(qū)，從而避免繞擊現(xiàn)象。因此當桿塔的平均高度增加到一定高度時，必須降低避雷裝置的保護角，甚至要求保護角達到負值。降低保護角是防止繞擊的重要措施之一，而增設負角保護針更是一種行之有效的方法。3負角保護針的構造和技術參數(shù)負角保護針成品呈園棒形，由針尖、主管、和底座三部分組成，采用鉚釘將三部分連為一體。z11 螺栓型水泥桿負角保護針加工圖如圖2 所示：其基木技術參數(shù)及構造如下： 針尖：由直徑為必16mm長度為500 mm的鋼管加工而成. 主管：山直徑為18mm長度為2 400mm鋁合金管加工而成。 底座：根據(jù)負角保護針與桿塔導線橫

23、擔頭部的連接方式不同，在保證負角保護針始終與橫擔水平面成35角的原則下，可分為單板式螺栓連接和雙板式夾板連接。對于桿塔導線橫擔頭部結構便于用原有連接螺栓固定底座，則優(yōu)先選擇單板式螺栓連接方式的底座。如z11 桿、h 桿和酒杯型塔頭的鐵塔的底座，由5mmx150 mmxll5mm 的熱鍍鋅扁鐵上焊接直徑為20mm長度為350mm鍍鋅鋼管組成，zii 桿、h 桿的底座扁鐵與鋼管的焊接角度為35，酒杯型塔頭的鐵塔底座扁鐵與鋼管的焊接角度為0,鍍鋅扁鐵上加工兩個直徑為13.5mm的孔，孔距的尺寸位置與導線橫擔頭部掛線點上方的包鐵連接螺栓的孔距相對應。對于桿塔導線橫擔頭部結構不便于用原有連接螺栓固定底座

24、，如貓頭型塔頭的鐵塔和桿塔導線橫擔結構為電焊連接的情況，則優(yōu)先選擇為雙板式螺栓連接方式的底座。zii桿的底座扁鐵與鋼管的焊接角度為35，酒杯型塔頭的鐵塔底座扁鐵與鋼管的焊接角度為90。4負角保護針的特點和試用情況加強線路絕緣，提高桿塔的耐雷水平，是減少線路雷擊的重耍措施，但實際上，隨著電壓等級的提高和自然條件、技術經(jīng)濟的綜合因素考慮，不可能無限制的加強絕緣。一些電力公司在2002 年底將負角保護針的研制和開發(fā)列為科研計劃，把220kv 線路多雷區(qū)和易擊點的120 基桿塔作為實施防雷改進措施的試點。凡是雷擊閃絡過的桿塔繼續(xù)實施降低桿塔的接地電阻工作，為了減少反擊閃絡塔的分流，對鄰塔的接地電阻也要降下來.為防止水泥桿的桿項至接地孔之間導通道不暢，采用4mmx40mm 扁鐵自桿頂引自接地裝置，并安裝負角保護針裝置，用以防止在桿塔附近雷電繞擊導線，即在多雷區(qū)桿塔的邊相安裝長24m 上翹30的屏蔽針，防止繞擊。將該裝置作為22okv山區(qū)線路的基木保護，從2003 年至今運行5 年來，防雷效果十分顯著，凡是在桿塔上