关于当前电力线路防雷措施的不足原因研究

丁佳

（贵州省兴义供电局，贵州 兴义 562400）

1 线路防雷措施的不足

《省近年10kV线路雷击跳闸情况统计与地形参数分析报告》(以下简称《报告》)对省2000～2005年间的10kV线路106次，雷击跳闸事件中塔型、故障的相位、杆塔的地理位置等资料进行统计分析。《报告》按照以往的一般经验,确定反击性闪络故障判断原则:将三相、两相同时闪络的雷击故障归结为反击性闪络故障,同时在反击性的单相闪络中,大致认为左、中、右三相均等,而单纯性中相闪络也归结为反击性闪络,且左、右两相的单纯性闪络中分别有与中相闪络一样次数归结为反击性闪络。《报告》主要相关结论如下。

1.1 在10kV雷击故障中。单回水平或三角排列的,约有2/3是反击性故障,而约1/3是绕击性故障;双回垂直、鼓形排列的,绕击率在50%～60%。说明同杆双回线路的绕击性雷击故障占到雷击故障的1/2以上。

1.2 在10kV雷击跳闸事件中。单回水平或三角分布的,约4/5是反击性故障,而1/5是绕击性故障;双回垂直分布的绕击率在60%～70%。说明同杆双回线路的绕击性雷击故障占雷击跳闸事件的2/3以上。

2 传统防雷措施存在不足的原因分析

2.1 击距的计算

雷云中电荷密集处的电场强度达到2500～3000kV/km时,将首先出现向下发展的放电,这种放电称为先导放电。先导放电中心的线电荷密度约为(0.1～1)×10-3C/m,先导放电的电晕半径约为0.6～6m,相应先导放电发展时的电流约为100A。当先导放电接近地面时,地面较突出的部分会开始迎着它发出向上的放电,这种放电称为迎面先导。迎面先导可以是一个,也可以有几个。当迎面先导的一个与先导放电的一支相遇时,就会产生强烈的中和效应,出现极大的电流(数十千安培到数百千安培),并伴随着雷鸣和闪光,这就是雷云放电的主放电阶段。先导放电首先由地面发生并向上发展到雷云的上行雷,一般是在当地面有较高耸的突出物时,不论雷云极性的正负都可能发生。由雷云向地面发展的先导放电通道的头部到达与被击物体之间的临界击穿距离为临界击距(简称击距)的位置以前,击中点是不确定的,如对某个物体先达到其相应的击距时,即对该物体放电。击距同雷电流幅值、雷电极性、被击点的电位有关,而并非以往所认为的“在一定半径范围内雷电打击基本上是打击在较高点”。由于土地的综合利用要求(如线路下方种植林木、修造建筑物),以及大跨越需要,目前,输电线路杆塔高度都很高(30m以上,甚至100m以上),导线上工作电压幅值很大,较易由导线上产生迎面先导。

2.2 无法覆盖、包络暴露弧

把杆塔的塔身、头部、横担等与架空地线连接的地电位部分视同地线电位。在先导电流值为100A、rs为2.23m时,得出击距与导线平均高度的关系如表1所示。

表1 击距与导线平均高度的关系

由表1可知,导线平均高度为20～40m时,rg仅为1.23～2.0m,rs仅为2.23m,这说明了雷电先向较高耸突出物放电的原因。而一般rs与rc两者相差不大,在0.5m以内。

2.3 线路本身存在工频电场

雷电弧及其通道不是纯金属线性的,而是具有一定半径的电荷通道囊,既使不使输电线路因过电压而发生故障,也可能因电荷通道囊跨接输电线路的导、地线间,再叠加上导、地线间本来已有的工频电场,而造成线路单相(导地线间)、多相(两相或三相导线间、且可能同时加上地线)空气击穿而短路。

3 输电线路防雷措施的改进与完善

3.1 减小雷电保护角直至采用负保护角

传统的雷电保护角指避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角,其保护目的主要是保护导线不被雷击中,实际上,这不但没有把绝缘子串纳入保护范围,对导线也仍存在一定的绕击可能,更无法对由侧面击来的“侧击”雷起到保护作用。

3.2 改变塔头结构,增大导线间及其对构架部件间的空气间距

在不改变杆身、杆塔基础的情况下尽可能适度改变塔头结构,扩大导线间、导地线间、导线对杆塔构件间的净空距离,尽可能减少建弧率。

3.3 杆塔横担末端装设避雷针

绝缘子是电力线路防雷的重点环节和部位,最容易受到雷电伤害且难以或无法恢复,应重点保护。可与杆塔上端的避雷针和导线上方的避雷线防范来自上方的“云-地”雷直接打击同理,在横担端部的外侧装设防侧击避雷针,将杆塔金属构件特别是横担端部产生的rs的中心往外移,使rs所形成的包络弧最大限度地包络、覆盖rc所形成的暴露弧,扩大了其包络、覆盖面积,将导线、绝缘子串、相关金具及杆塔空气间隙纳入保护范围,可起到防范“侧击”雷的作用。

3.4 装设线路避雷器

装设线路避雷器以设置雷电快速释放通道。对易受雷击且较为重要的线路区段或修复较为困难的杆塔(如大跨越或高塔杆塔)等,安装线路避雷器。目前的氧化锌线路避雷器性能稳定可靠,能较好地发挥释放雷电过电压的作用,有效地保护线路绝缘子和导线不被雷电电弧损坏。

3.5 加强线路绝缘

增加绝缘子串的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间距,可提高线路的耐雷水平、降低建弧率,同时可提高线路的防污闪水平。

3.6 在导线下方装设架空耦合地线或架设复合地线光缆

因耦合地线具有一定的分流作用和增大导地线之间耦合系数的作用,在架空输电线路导线下方加设耦合地线,能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。利用架空输电线路通道杆塔加挂通信光缆,光缆悬挂在钢绞线上,或使用光纤复合架空地线(OPGW),将钢绞线或复合地线与杆塔有效电气连接,就可起到耦合地线的作用。

3.7 绝缘子串的首末端使用大直径绝缘子

绝缘子串处在极不均匀电场中,如在绝缘子串的首末端使用大直径绝缘子,尤如在绝缘子串两侧设置两个“屏障”来阻碍工频及雷电压在两侧电极叠加,产生的电晕放电电荷形成的带电粒子运动并调整空间电荷分布,就如一般的“均压环”作用,使绝缘子串所处电场较为均匀,不易击穿,减少建弧率。如果端部大外径绝缘子采用自爆式玻璃绝缘子,在受强电弧烧、灼损伤时会自爆,非常容易被发现,便于故障点的查找;如果在端部使用“可拆换大外径硅橡胶合成绝缘片”,既可起到“屏障”作用,又可在强电场引发建弧,电弧烧、灼损后只更换“可拆换大外径硅橡胶合成绝缘片”,而不需整根合成绝缘子更换。

4 几点结论

4.1 基于传统电力线路防雷观念下的防雷措施存在防雷效果不足的问题。

4.2 基于“雷电先导放电临界击距和暴露弧”机理的防雷观念,提出了电力线路防雷的改善措施,对传统的防雷措施进行完善,防雷效果良好。

4.3 对于雷电对输电线路的各种危害,不可能仅采取一种措施就能完全有效防止,也没必要为防止各种雷电伤害而在线路同一位置采取相应的所有防雷措施。应根据电力线路设备所处的周围环境及可能受到雷电伤害的主要种类,相应采取一种或几种防范措施组合。

[1]陆尉初.如何做好配电系统的防雷与接地[J].山西建筑，2008，05，01.