輸電線路的防雷研究(論文)

1、技術(shù)論文第 15 頁 共 15 頁論架空輸電線路防雷技術(shù)一、 概述電力線路是電力網(wǎng)的主要組成部分。輸電線路是發(fā)電廠向電力負荷中心輸送電能及負荷中心之間相互聯(lián)絡的線路，輸送容量大，送電距離遠，線路電壓等級高，是電力網(wǎng)的骨干網(wǎng)架。贛西供電公司位于江西電網(wǎng)的中西部，北與連南昌供電公司接壤，南與吉安供電公司毗連，處于連接江西南北電網(wǎng)的重要位置。近年來由于220KV線路故障較多，嚴重危及了電網(wǎng)的安全運行。針對輸電線路在運行過程中承受工作電壓、操作過電壓或大氣過電壓時，都可能會發(fā)生絕緣閃絡事故。近幾年來因治理污閃事故的調(diào)爬等措施使線路的絕緣水平得到提高，線路在工作電壓作用下的可靠性也明顯提高。由于輸電線路

2、所經(jīng)地區(qū)的地形、地貌、雷電活動情況（包括氣候條件）以及線路自身的防雷設(shè)計和絕緣水平不同，雷擊引起的故障率有很大的差別。我國線路防雷規(guī)程中以40日/年的雷暴日作為線路防雷設(shè)計和運行考核的標準。雷電活動與地球大氣環(huán)境密切相關(guān)，分散性和隨機性很大，只有通過長期觀測和分析，才能正確掌握某個區(qū)域范圍內(nèi)的雷電活動統(tǒng)計規(guī)律。我國電力系統(tǒng)從上個世紀六十年代開始，專業(yè)技術(shù)人員采取在線路桿塔下埋設(shè)磁鋼棒的辦法記錄線路落雷的情況。當前正在應用“雷電觀測與定位系統(tǒng)”。這個系統(tǒng)可以實時地將地閃雷電流的極性、幅值、落雷點的經(jīng)、緯度以及準確到微秒級的落雷時間等雷電參數(shù)探測并實時記錄下來。經(jīng)過分析計算和積累，可以準確地掌握該

3、系統(tǒng)所覆蓋范圍內(nèi)的雷電活動規(guī)律。桿塔的接地電阻是影響雷擊跳閘率的重要因素，計算表明：桿塔的接地電阻如增加1020，雷擊跳閘率將會增加50%100%。為此，為提高供電可靠性，投入大量的人力和財力進行桿塔接地電阻的改造，使所有線路桿塔的接地電阻滿足防雷設(shè)計的要求，保證了雷擊跳閘率滿足規(guī)程的要求。表2 桿塔耐雷水平與接地電阻的關(guān)系接地電阻（）71530交流220kV耐雷水平（kA）110.275.747.7輸電線路穿越山區(qū)時，由于地形引起線路保護角的變化，屏蔽失效的區(qū)間增大，雷擊跳閘率比平原地區(qū)的輸電線路高得多。在桿塔的保護角相同的情況下，高度愈高，雷擊跳閘率也愈高。合理配置線路桿塔的絕緣水平和布置

4、方式，會提高桿塔的耐雷水平，尤其是提高線路遭受繞擊時的耐雷水平，從而降低雷擊故障跳閘率。雷直擊塔頂或避雷線會造成對線路絕緣的反擊，我國防雷與接地規(guī)程推薦用下式計算桿塔承受反擊的耐雷水平：式中：U50%絕緣子串50%沖擊閃絡電壓，kV； K導線線間耦合系數(shù)； Ko導線與地線間的耦合系數(shù)； K1電暈效應校正系數(shù)； 桿塔分流系數(shù)； Ri桿塔沖擊接地電阻，； Lt桿塔電感，H； Hg地線平均高度，m； hc導線平均高度，m； ht桿塔高度，m； ha橫擔對地高度，m。從表2所列桿塔的耐雷水平看，當接地電阻為7時，220kV交流線路桿塔的耐雷水平為110.2kA，超過這個幅值的雷電流出現(xiàn)概率僅為1%。當

5、接地電阻相同時。因此，只要桿塔的接地電阻降低到上述水平以下，桿塔就有足夠的耐受水平防止反擊。另一方面，由于地質(zhì)條件不好，接地雖幾經(jīng)改造仍達不到設(shè)計要求或因接地腐蝕、外力破壞使接地電阻變大，桿塔的耐雷水平會因此而降低到較低水平，防止反擊造成絕緣損壞便成為需要研究采取技術(shù)措施的問題了。雷繞過避雷線的屏蔽，擊于導線稱為“繞擊”。由于影響發(fā)生繞擊的因素比反擊要復雜得多，人們對它感興趣的程度和研究深度也較反擊為多。針對這種情況，我們在輸電線路防繞擊方面做了大量的工作，如采取增強桿塔絕緣提高其繞擊耐雷水平；減小邊導線保護角，甚至采用負保護角或加裝塔頂拉線、在橫擔處裝側(cè)向避雷針、裝設(shè)耦合地線及旁路架空地線等

6、措施，增強對導線的屏蔽作用，降低繞擊概率。在避雷線上加裝側(cè)向短針的方法，其機理是適當將可能發(fā)生的繞擊引向避雷線，如能引發(fā)雷擊短針，則可將繞擊轉(zhuǎn)化為反擊。二、 輸電線路的幾種常見過電壓架空輸電線路中常見的過電壓有以下兩種，第一種是：架空線路上的感應過電壓即雷擊發(fā)生在架線路的附近，通過電磁感應在輸電線路上產(chǎn)生的過電壓；第二種是直擊雷過電壓，即雷電直接打在避雷線或是導線上時產(chǎn)生的過電壓。1、架空輸電線路上的感應過電壓當雷擊線路附近的地面時，會在架空線路的三相導線上出現(xiàn)感應過電壓（感應雷）。這種感應過電壓的形成過程如下。在雷電放電的先導階段，在先導通道中充滿了電荷，它對導線產(chǎn)生了靜電感應，在負先導通道

7、附近的導線上積累了異號的正束縛電荷，而導線上的負電荷則被排斥到導線的遠端。因為先導的發(fā)展速度很慢，所以在上一過程中導線的電流不大，可以忽略不計，而導線將通過系統(tǒng)的中性點或泄漏電阻而保持其零電位（如果不計工頻電壓的話）。2 架空輸電線路上的直擊雷過電壓雷直擊于有避雷線的輸電線路分為三種情況，a、雷擊桿塔頂部；b、雷擊避雷線中央部分；c繞過避雷線擊于導線。a、當雷擊于導線時，導線的電位可按下式計算：式中的是雷擊點左右兩則導線波阻并聯(lián)的結(jié)果，是雷擊于波阻（）近似于等于雷電通道波阻（Z0）時的雷電流比雷擊零歐時減半的緣故。即使以絕緣很強的330500kV線路來說，不難算出在1015kA的雷電流下也將發(fā)

8、生閃絡，而出現(xiàn)等于及大于這一電流的概率是很大的（8173%），因此，采用避雷線來大大減少雷擊于導線的情況是很重要的措施。b、雷擊線路桿塔頂部雷擊線路桿塔頂部時，有很大的電流igt流過桿塔入地。對一般高的桿塔，塔身可用等值電感Lgt代替，其沖擊接地電阻為Rch，于是塔頂電位為在一般情況下沖擊接地電阻Rch對Ugt起很大的作用，而在山區(qū)或高阻區(qū)，Rch可達上百歐，此時它對Ugt的值將起決定性的作用。至于桿塔電感只有在特高塔或大跨越時才會起決定作用。c、雷直擊于檔距中央的避雷線。當雷直擊于檔距中央的避雷線會產(chǎn)生很高的過電壓，可用下式計算：式中Lb為半檔避雷線的電感，a為雷電流陡度。從世界各國運行的情

9、況看在檔中發(fā)生相地線間的閃絡是很少見的。三、 架空輸電線路防雷的基本原則及措施線路防雷的基本任務是采用技術(shù)上與經(jīng)濟上合理的措施，將雷擊事故減少到可以接受的程度。以保證供電的可靠性與經(jīng)濟性。為此，一般設(shè)有四道防線：第一道防線是保護導線不受或少受雷直擊，為此可采用避雷線、可控放電避雷針、消雷器或改用電纜。目前采用避雷線仍然是架空線路防雷的首選措施，這已是被長期工程實踐所證實了的行之有效的防雷措施，當然在某些線段由于特殊的地理環(huán)境造成繞擊率偏高，或是由于接地電阻降不下來造成雷擊跳閘率偏高，為提高線路的安全運行水平可采用可控放電避雷針（它的原理將在下節(jié)中詳細說明），改用電纜在經(jīng)濟上是難以接受的。第二道

10、防線是雷擊塔頂或避雷線時不使或少使絕緣發(fā)生閃絡。為此需提高線路的耐雷水平或線路的絕緣水平。最經(jīng)濟實用的辦法是降低接地電阻來提高線路的耐雷水平。在山區(qū)當降低接地電阻很困難時，可采用可控放電避雷針，加裝耦合地線、接地拉線，或適當加強絕緣，或是在個別桿塔上采用線路型避雷器。采用可控放電避雷針時由于繞擊率很低，而且主放電電流很?。ㄆ骄鶠?kA）一般線路桿塔的耐雷水平都大于此值，所以它能大大降低線路的雷擊跳閘率，提高線路的安全運行水平。加裝耦合地線在山區(qū)實施時難度很大，一般情況下很少采用。加裝接地拉線，就是在塔頂?shù)谋芾拙€處并聯(lián)一接地拉線，這樣可以提高雷擊時的分流系數(shù)從而實現(xiàn)降低雷擊跳閘率，但這種措施的效

11、果不是很顯著（有計算表明，接地拉線可提高分流系數(shù)約10%）.任何一種加強線路絕緣水平的措施，都是一種實施起來很困難的措施。最近幾年在部分線路上使用線路型避雷器，從防雷效果上看是肯定的，但它也存在以下問題：1、它的造價較高，特別是在超高壓線路，更是如此，如在220kV線路每基塔的費用達6-7萬元，2、它的運行維護是一大問題，由于它的安裝地點都在叢山峻嶺之中，而且是在線路塔上，它的運行工況不易被監(jiān)測，每年的預放性試驗是一個大問題，現(xiàn)場無法做，只能是拆下運回，做完試驗后重新安裝，這樣運行部門的運行維護工作量將成倍地增加。3、它的保護范圍也很有限，只能有效地保護本基桿塔。第三道防線是當絕緣發(fā)生閃絡時，

12、盡量減少由沖擊閃絡轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定電力電弧的概率，從而減少雷擊跳閘率，為此應減少絕緣上的工頻電場強度，或電網(wǎng)中性點采用不直接接地方式。采用這種方法應謹慎，因為改變中性點的接地方式，將改變系統(tǒng)的運行方式和系統(tǒng)參數(shù)，搞不好會出大事故。第四道防線是即使跳閘也不中斷電力的供應，可用自動重合閘或用雙回線以及環(huán)網(wǎng)供電。當然，不是所有線路都要具備以上四道防線，而是要因地制宜，合理采用，把雷害引起的停電事故次數(shù)減少到可以接受的程度。四、桿塔的接地對架空線路桿塔的接地電阻和型式在電力行業(yè)標準DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合、DL/T621-1997交流電氣裝置的接地中都提出了具體的要求。是設(shè)

13、計、安裝和改造架空線路桿塔接地的依據(jù)。1、 桿塔的接地電阻有避雷線線路桿塔的接地電阻。有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線時的工頻接地電阻，在雷季干燥時，不宜超過表4所列數(shù)值。雷電活動強烈的地方和經(jīng)常發(fā)生雷擊故障的桿塔和線段，應改善接地裝置，適當提高絕緣水平或架設(shè)耦合地線。表4 有避雷線的線路桿塔接地電阻 土壤電阻率（·m）100>100500>5001000>10002000>2000接地電阻（）1015202530注：如土壤電阻率超過2000·m，接地電阻很難降低到30時，可采用68根總長不超過550m的放射形接地體，或采用連續(xù)伸長接地體，其接地電

14、阻不受限制。無避雷線線路桿塔的接地電阻。對于中雷區(qū)及多雷區(qū)35kV及66kV無避雷線線路，宜采取措施，減少雷擊引起的多相短路和兩相異地接地引起的斷線事故，鋼筋混凝土桿和鐵塔宜接地，其接地電阻不受限制，但多雷區(qū)不宜超過30。鋼筋混凝土桿和鐵塔應充分利用其自然接地作用，在土壤電阻率不超過100·m或有運行經(jīng)驗的地區(qū)，可不另設(shè)人工接地裝置。需要說明的是，作為通用行業(yè)標準，對桿塔接地電阻的要求是比較寬松的。在多雷區(qū)，如是聯(lián)絡線路或重要線路，桿塔接地電阻最好能處理到10以下，因為只有這樣才能提高線路的耐雷水平，有效地限制雷擊跳閘率，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。2、 桿塔接地型式DL/T6211

15、997交流電氣裝置的接地的6.3條還對高壓架空線路桿塔接地裝置的型式做了具體的要求如下：在土壤電阻率的潮濕地區(qū)，可利用桿塔和鋼筋混凝土桿自然接地。對發(fā)電廠、變電站的進線段應另設(shè)雷電保護接地裝置。在居民區(qū)，當自然接地電阻符合要求時，可以不設(shè)人工接地裝置。在土壤電阻率的地區(qū)，除利用鐵塔和鋼筋混凝土桿的自然接地外，并應增設(shè)人工接地裝置，接地極埋設(shè)深度不宜小于0.6m。在土壤電阻率的地區(qū)，可采用水平敷設(shè)的接地裝置，接地極埋設(shè)深度不宜小于0.5m。在土壤電阻率地區(qū)，可采用68根總長不超過500m的放射形接地極或連續(xù)伸長接地極。放射形接地極可采用長短結(jié)合的方式。接地極埋設(shè)深度不宜小于0.3m。居民區(qū)和水田

16、中的接地裝置，宜圍繞桿塔基礎(chǔ)敷設(shè)成閉合環(huán)形接地裝置。放射形接地極的最大長度，應符合表5的要求。表5 桿塔放射形接地極每根的最大長度方式 土壤電阻率（·m）500100020005000最大長度（m）406080100在高土壤電阻率地區(qū)采用放射形接地裝置時，當在桿塔基礎(chǔ)的放射形接地極每根長度的1.5倍范圍內(nèi)有土壤電阻率較低的地帶時，可部分采用引外接地或其他措施。雷電活動強烈的地方和經(jīng)常發(fā)生雷擊故障的桿塔和線段，應改善接地裝置，架設(shè)避雷線，適當加強絕緣或架設(shè)耦合地線。鋼筋混凝土桿鐵橫擔和鋼筋混凝土橫擔線路的避雷支架、導線橫擔與絕緣子固定部分或瓷橫擔固定部分之間，宜有可靠的電氣連接并與接地

17、引下線相連。主桿非預應力鋼筋如上、下已用綁扎或焊接連成電氣通路，則可兼作接地引下線。利用鋼筋兼作接地引下線的鋼筋混凝土電桿，其鋼筋與接地螺母，鐵橫擔間應有可靠的電氣連接。35KV及以上線路相互交叉或與較低電壓線路、通信線路交叉時，交叉檔兩端的鋼筋混凝土桿或鐵塔（上、下方線路共4基）不論有無避雷線，均應接地。3、 降低桿塔接地電阻的措施在土壤電阻率高的山區(qū)，由于受地質(zhì)、地勢等條件的限制，架空線路的桿塔接地裝置的工頻接地電阻往往達不到要求，而桿塔接地電阻對提高線路耐雷水平，降低雷擊跳閘率又十分重要，需要把接地電阻降下來，這時要根據(jù)每基桿塔的實際情況，認真查看地質(zhì)、地勢、測試桿塔周圍各個不同深度的土

18、壤電阻率，然后根據(jù)每基桿塔的實際情況經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟對比之后，采取有效的降阻措施。要降低桿塔的工頻接地電阻，首先要做好以下工作：做好地質(zhì)、地勢調(diào)查，了解桿塔工頻接地電阻超標的原因，看桿塔所處的位置是處在什么樣的地形，實地勘測土層的情況和土質(zhì)情況。測試桿塔周圍的土壤電阻率，看四周是否有土壤電阻率低的地方可以利用，再測試不同深度的土壤電阻率，看地下有無可以利用的低電阻率的地層。根據(jù)實地調(diào)查勘測的情況，采取經(jīng)濟有效的降阻措施。降低工頻接地電阻的措施主要有以下幾種方式：水平外延接地體，如桿塔所處的地方允許水平放射接地體時應盡量采用水平放射的方式，因為水平放射接地體不但可以降低工頻接地電阻，更重要的是可以有效

19、的降低沖擊接地電阻，起到有效的防雷作用，關(guān)于水平放射的形狀和方位可根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定，水平放射的長度可按表4要求??；但如在水平放射長度的1.5倍范圍內(nèi)有較低土壤電阻率的地方，可以采用外引接地的方式。深埋式接地極如地下較深處的土壤電率較低，可用豎井式，或深埋式接地極。在選擇埋設(shè)地點時應注意以下幾點：1） 選擇地下水位較豐富及地下水位較高的地方。2） 桿塔附近如有金屬礦體，可將接地體插入礦體上，利用礦體來延長或擴大人工接地體的幾何尺寸。3） 利用山巖的裂縫，插入接地極并灌入降阻劑。4） 在北方凍土區(qū)，深埋接地體應在凍土層以下。5） 深埋接地體的間距宜大于20m，可不計互相屏蔽的影響。填充電阻率較

20、低的物質(zhì)（降阻劑、接地模塊）1） 如附近有可以利用的低電阻率的物質(zhì)，可以因地制宜、綜合利用，但這些物質(zhì)的性能應具備：電阻率低、不易流失、性能穩(wěn)定、易于吸收和保持水分、無腐蝕作用、施工簡便、經(jīng)濟合理。2）施加降阻劑進行降阻，實踐證明，在水平接地體周圍施加長效防腐降阻劑，對降低桿塔的接地電阻效果明顯。另外還可采用深井爆破制裂壓力灌注降阻劑的方法。3）采用接地模塊進行降阻，由于接地模塊具有吸收和保持水分的作用，無腐蝕且施工簡便，經(jīng)濟耐用。不流失、不易被盜，接地電阻穩(wěn)定。鋪設(shè)水下接地裝置如桿塔附近有水源，而水的電阻率又較低，可以考慮利用這些水源，布置水下或水邊接地極，這樣也可以收到一定的降阻效果。究竟

21、采用哪種方法降阻要根據(jù)實際情況做認真的技術(shù)經(jīng)濟比較，從中篩選出經(jīng)濟、有效、合理的方法，一般情況下水平接地體施加降阻劑的方法，比較經(jīng)濟且效果好，如采用深井，地下一定要有低電阻率的地層才有明顯效果，如若沒有，采用深井爆破制裂壓力灌注降阻劑的方法費用較大，而效果并不明顯。若受地形、地勢和土壤電阻率的限制把工頻接地電阻降到合格（30）以內(nèi)較困難時，可以考慮用68根長為80m的水平射線的方法來降低沖擊接地電阻，可把若干基桿塔的接地用耦合地線連接起來，在這若干基塔中找出便于處理的，把接地電阻降到較低值，一般在10以下，這樣也可以起到很好的防雷作用。4、 桿塔接地裝置的運行及維護架空線路桿塔的接地裝置，因運行環(huán)境惡劣，極易受到腐蝕和外力破壞，經(jīng)對架空輸電線路桿塔接地的多年追蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)輸電線路的接地主要存在以下問題：腐蝕問題。容易發(fā)生腐蝕的部位主要有：1）接地引下線與水平或垂直接地體的連接處，由于腐蝕電位不同，極易