线路避雷器在架空线路防雷中的研究与应用

　　摘要：雷击为影响输电线路的主要因素，本文阐述了雷电的形成及雷击对架空线路的危害，提出了减少输电线路的雷击故障应采取的主要措施，重点介绍了线路型合成绝缘氧化锌避雷器防雷的基本原理和使用方法。针对山东铝业公司输电线路的实际情况，对挂网运行的避雷器进行了跟踪统计分析，对线路避雷器的防雷效果进行了综合评估。
　　关键词：输电线路；杆塔；线路避雷器；雷击
　　
　　安全送电，防止因线路故障而跳闸是当前输变电工业的重要课题之一。雷击引起的输电线路掉闸故障日益增多，不仅影响设备的正常运行，而且极大地影响了日常的生产、生活。山东铝业公司主要电源线路处于山区和树林集中带，且周围环境较为恶劣，雷击已成为影响输电线路安全可靠运行的最主要因素。
　　
　　一、雷击对架空输电线路的故障分析
　　
　　雷电的种类较多，可分为直击雷，感应雷、球形雷。雷电的破坏作用主要是雷电流引起的，雷电的具体放电过程是：雷云对地之间的电位很高，可达1亿伏，当雷云中的某部分积聚的电荷密度足够大（电场强度达到25～30kV/cm），使附近的电场强度超过空气的绝缘强度，该处空气被击穿，迅速形成一个导电通道，成为雷电先导。雷电先导进展到离地面100～300米距离时，地面上感应出的异性电荷也在相对集中，形成迎雷先导，向空中迅速发展，二者相遇时，正负电荷强烈中和，出现了极大的电流，这一过程称为主放电过程，温度可达约2万度，使周围的空气猛烈膨胀，出现耀眼的光亮和巨响，即“打闪、打雷”，主放电完成后，雷云中剩余电荷沿着导电的通道继续流向大地，为放电的余晖阶段。
　　通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛地放电。其中，云层对大地的放电，属于雷电中的一种感应雷，即闪电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，则对电力线路、电气设备危害甚大。
　　架空输电线路在附近出现对地雷击时极易产生感应过电压，当雷云出现在线路上方时，线路上由于静电感应而积聚大量异性的束缚电荷，当雷云对地放电时，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷向线路两端释放，形成高电位的过电压，可高达几十万伏，低压线路的感应过电压也可达几万伏，对供电系统危害极大。
　　为了减少输电线路的雷击故障，我们采取了各种综合防雷措施，如架设避雷线，降低杆塔接地电阻、提高线路绝缘水平、装设自动重合闸装置、架设耦合地线等，取得了一定的效果。但对于分布在高土壤电阻率的部分线路，降低杆塔接地电阻难度较大，对于防治雷电绕击导线而引起的闪络事故仍没有好的对策。
　　
　　二、线路避雷器在架空输电线路中的应用
　　
　　目前，国外已广泛使用线路型合成绝缘氧化锌避雷器用于输电线路的防雷，取得了很好的效果。从2003年开始，中铝山东分公司使用该避雷器应用在110kV峪铝线、峪流线及35kV电南Ⅰ线，经过4个雷雨季节的考验取得了明显的效果。
　　1.线路避雷器的基本原理
　　(1)氧化锌ZnO避雷器结构特征。氧化锌ZnO避雷器主要由氧化锌压敏电阻构成。每一块压敏电阻从制成时就有它的一定开关电压，称压敏电阻，在正常的工作电压下（即小于压敏电压）压敏电阻值很大，相当于绝缘状态，但在冲击电压作用下（大于压敏电压），压敏电阻呈低值被击穿，相当于短路状态。然而压敏电阻被击状态，是可以恢复的，即当高于压敏电压的电压撤销后，它又恢复了高阻状态。因此，在电力线上安装氧化锌避雷器后，雷击时雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电源线上的电压控制在安全范围内，从而保护了电器设备的安全。
　　(2)氧化锌ZnO避雷器工作原理。在额定电压下，流过氧化锌避雷器阀片的电流仅为10～5A以下，相当于绝缘体，因此，它可以不用火花间隙来隔离工作电压与阀片。当作用在金属氧化锌避雷器上的电压超过定值（起动电压）时，阀片“导通”将大电流通过阀片泄入地中，此时其残压不会超过被保护设备的耐压，达到了保护目的。此后，当作用电压降到动作电压以下时，阀片自动终止“导通”状态，恢复绝缘状态，因此，整个过程不存在电弧燃烧与熄灭的问题。
　　当雷击杆塔时，一部分雷电流通过避雷线流到相临杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地，杆塔接地电阻呈暂态电阻特性，一般用冲击接地电阻来表征。
　　雷击杆塔时塔顶电位迅速提高，其电位值为
　　Ut=iRd+L.di/dt
　　式中i——雷电流；
　　Rd——冲击接地电阻；
　　L.di/dt——暂态分量。
　　当塔顶电位Ut与导线上的感应电位U1的差值超过绝缘子串50%的放电电压时，将发生由塔顶至导线的闪络。即Ut-U1＞U50，如果考虑线路工频电压伏值Um的影响，则为Ut-U1+Um＞U50。因此，线路的耐雷水平与3个重要因素有关，即线路绝缘子的50%放电电压、雷电流强度和塔体的冲击接地电阻。一般来说，线路的50%放电电压是一定的，雷电流强度与地理位置和大气条件相关，不加装避雷器时，提高输电线路耐雷水平往往是采用降低塔体的接地电阻。
　　加装避雷器以后，当输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部分雷电流从避雷线传入相临杆塔，一部分经塔体入地，当雷电流超过一定值后，避雷器动作加入分流。大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相临杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和避雷线上产生耦合分量。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络，因此，线路避雷器具有很好的钳电位（即钳制、控制电位）作用，这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。
　　(3)线路避雷器防雷效果。在平原地带，采用降低塔体接地电阻的方法相对较容易，而对于山区杆塔，则往往在4个塔脚部位采用较长的辐射地线或打深井加降阻剂，以增加地线与土壤的接触面积降低电阻率，在工频状态下接地电阻会有所下降。但遭受雷击时，因接地线过长会有较大的附加电感值，雷电过电压的暂态分量L.di/dt会加在塔体电位上，使塔顶电位大大提高，更容易造成塔体与绝缘子串的闪络，反而使线路的耐雷水平下降。因为线路避雷器具有钳电位作用，对接地电阻要求不太严格，对山区线路防雷比较容易实现。
　　2.线路避雷器应用情况
　　中铝山东分公司管辖的110 kV峪铝线和35 kV电南Ⅰ线位于山地和树林中，多年来经常发生雷击跳闸故障，据统计110 kV峪铝线在2000—2003年共发生3次雷击掉闸，35 kV电南Ⅰ线分别在1997—2001年发生2次雷击掉闸，虽然采取了各种措施，效果均不明显。2003年在峪铝线和电南Ⅰ线部分杆塔装设了9组共27只线路型氧化锌避雷器，经过4个雷雨季节的考验，线路未再发生故障及掉闸事故。
　　3.线路避雷器的选型及安装维护
　　线路避雷器有两种类型，即带串联间隙和无串联间隙，因运行方式不同和电站避雷器相比在结构设计上是有所区别的。线路避雷器安装时应注意：①选择多雷区且易遭雷击的输电线路杆塔，最好在两侧相临杆塔上同时安装，可以提高线路的耐雷水平；②垂直排列的线路可只装上下2相；③安装时尽量不使避雷器受力，并注意保持足够的安全距离；④避雷器应顺杆塔单独铺设接地线，其截面不小于25 mm，尽量减小接地电阻的影响。
　　投运后进行必要的维护：①停电定期测量绝缘电阻，历年结果不应有明显变化；②检查并记录计数器的运作情况；③对其紧固件进行拧紧，防止松动；④5A拆回，进行1次直流1 mA及75%参考电压下泄漏电流测量。
　　
　　三、结束语
　　
　　线路避雷器能够有效地降低跳闸率，我国在此领域的研究起步较晚，是目前中国避雷器发展方向之一。中铝山东分公司尝试应用线路氧化锌避雷器防止线路雷害故障取得了很好的效果，装设线路避雷器的杆段均未发生雷击掉闸，在此基础上，中铝山东分公司于2003年批复了安全隐患整改项目，对所管辖的110kV、35kV线路进行了整改，重点是氧化锌避雷器防止线路雷害故障，建议在同行业中推广应用。
　　作者单位：孙翰英淄博职业学院机电工程系
　　 李玉民山东铝业公司装备部
　　
　　参考文献：
　　[1]