论述高压输电线路防雷方法分析

论述高压输电线路防雷方法分析
摘要:为保证电网安全供电，除了应做好电网设备管理以外，同时还应对电网采取可靠的防雷保护措施。

本文着重对装设避雷线,降低接地电阻、减少雷击跳闸等方法。

关键词:输电线路装设避雷线防雷措施
一、输电线路防雷通常从以下几个方面着手
第一道防线是保护线路导线不遭受直接雷击,因此,可采用避雷线、避雷针或将架空线路改为地下电缆。

第二道防线是杆塔或避雷线受到雷击后不使线路绝缘发生闪路,因此,需改善避雷线的接地或适当加强线路绝缘。

第三道防线是使绝缘受到冲击发生闪络也不会转变为两相短路故障,避免导致线路跳闸,因此,将电网中性点采用非直接接地方式。

第四道防线是即使线路跳闸也不中断供电,因此,可采取自动重合闸装置或用双回路式环网供电。

二、装设避雷线,降低接地电阻
架空输电路装设避雷线,可防止雷电直击导线,在导线上产生过电压危及线路绝缘。

装设避雷线后,当线路被雷击时,雷电流即沿避雷线经接地引下线进入大地。

雷电流经杆塔接地电阻流入大地时,会产生压降,当接地电阻值小时,反击电压也小,从而可保证线路安全运行。

对于装设避雷线的输电线路,在一般土壤电阻率地区,其耐雷水
平不宜低于表1中数据。

2.1降低接地电阻方法
为了降低杆塔接地电阻,首先应尽可能用杆塔金属基础、钢筋水泥基础、混凝土杆的底拉、卡盘等自然接地。

当接地电阻不能满足需求时,再增加人工接地体。

接地体尽可能埋设土壤电阻率较低的土层内,可以用接地带引接,长度不宜超过60 m。

此外,对于土壤电阻率极高处,可考虑采用换土方法,或用化学处理法、用长效降阻剂(长效降阻剂属于有机类降阻剂)及用无机类降阻剂、木质素降阻剂等。

有避雷线的线路,每基杆塔的工频接地电阻在雷雨季干燥时不
宜超过表2中数值。

表1有避雷线的架空线路杆塔的工频接地电阻
2.2装设避雷线方式
过电压保护规程规定: 330 ～500 kv 线路应采取双避雷线, 220 kv线路也采用双避雷线。

杆塔上避雷线对边导线的保护角通常采取20°～30°, 330 kv及220 kv 双避雷线的保护角通常采取20°左右。

表2有避雷线的输电线路的耐雷水
位置额定电压
35 kv 66 kv 110 kv 220 kv 330 kv 500 kv
一般线路 20～30 30～60 40～75 75～110 100～150 125～175
大跨越中央和进线保护段30 60 75 110 150 175
110 kv及以上线路,通常应沿全线装设避雷线，在雷电活动特殊强烈的地区,宜装设双避雷线。

66kv线路,当经过地区年平均雷暴月在30日以上时,也宜沿全线装设避雷线,保护角通常应在25°左右。

对于35 kv及以下的水泥杆或铁塔线路,通常不沿全线架设避雷线,但仍然需要逐基杆塔接地。

三、分析计算
一般认为, 对于自恢复绝缘的破坏性放电, 其放电电压服从正态分布, 在雷电冲击下, 放电电压为u～n(u 50, r2)。

空气间隙雷电冲击击穿电压分散性比较小,击穿电压的标准偏差可取为3% , 即r= 3%u 50。

对于绝缘子串:
u i～n (u i50, 0. 032u 2 i50)(1)
式中, u i 为绝缘子串的闪络电压, u i50 为绝缘子串的50% 闪络电压。

对于线路避雷器:
um～n (um 50, 0. 032u 2m50)(2)
式中,um 为避雷器的放电电压; u m 50为避雷器的50%放电电压。

当线路遭受到雷击时, 若避雷器的放电电压u m小于绝缘子串的闪络电压u i, 则避雷器动作, 将雷电能量通过避雷器释放掉, 绝缘子串免遭闪络, 保护有效。

反之, 若um > u i, 则保护失效。

设um、u i 相互独立, 则:
um - u i～n (um 50- u i50, 0. 032u 2 m50)0+ 0. 032u2i50)(3) 令t= um —u i(4)
u m 50= ku 50(0 u i时, 保护失效, 其概率为:
(8)
当u m 50 u i) = p (z > 2. 47) = 0. 676% (9)
同理, 可得到表3。

表3值与保护效果
由表3可知, 当要求保护有效性超过99. 99% 时,u m 50应低于0. 85u i50。

四、线路避雷器本体的基本参数
线路避雷器本体的基本参数包括额定电压u m, 直流ima 和参考电压u ima 等。

避雷器本体直流ima 和参考电压u ima涉及到避雷器过电压耐受能力。

在电力系统中, 由于单相接地突然甩负荷的长线效应及其它原因会产生工频过电压, 如果健全相遭雷击而使避雷器放电(串联间隙击穿) , 则避雷器同时还会承受工频过电压负载。

工频过电压常常发生在操作过电压之后,使得避雷器在承受工频过电压前, 吸收了初始操作过电压能量, 这部分初始能量加上工频过电压能量都
作用于避雷器上, 避雷器必须具备耐受这种工频过电压并保持热
稳定的能力。

在工频过电压下, 避雷器的能量损耗可用下述公式计算。

避雷
器的伏安特性方程:
i= ku a (10)
式中k、a 是与材料有关的常数。

设作用于避雷器的工频过电压u= u m sinxl, 流过避雷器的电流:
ir = k (u m sinxl) a= im sin a xt (11)
避雷器上的功率损耗:
在工频过电压持续时间t 内, 避雷器上的能量损耗w = p t, 此能量转换成热量, 使得避雷器电阻片上的温度升高, 考虑到电阻
片周围是环氧管和硅橡胶等复合材料介质, 可按绝热过程计算,
其温升可用下式求得:
(13)
p为电阻片的密度, 单位kg/m 3； v 为电阻片的体积, 单位m 3；
c 为电阻片的比热容, 单位j/kg·c; zno非线性电阻片具有较大的比热容, 约29. 9j/k g·c。

当持续时间t 一定时, 避雷器所吸收的能量取决于工频过电压幅值和u ima, 它们之间的关系可用经验式表示为:
e b= au t/uima(14)
式中b 和a 均为常数; e 为避雷器所吸收的能量;u t为工频过电压幅值。

由式(14) 可知, 当u t相同时, 避雷器u ima越高, 避雷器所吸收的热能量越少, 避雷器对工频过电压耐受能力将更强。

因避雷器的残压远小于绝缘子串的50%闪络电压, 故提高u ima不会影
响其保护性能。

u ima 越高, 过电压通过避雷器后, 其串联间隙通过的工频续流越小, 避雷器越容易熄弧。

额定电压u r 按照不小于系统工频过电压的原则确定。

五、减少雷击跳闸的保护措施
3.1线路交叉跨越时的保护措施
对线路互相交叉跨越电压较低的线路,为保证雷击交叉档距使交叉点不发生闪络,交叉距离应符合规程要求。

对交叉档一般需采取以下保护措施:
a. 交叉档两端的水泥杆或铁塔,不论有无避雷线,均应将杆塔接地。

b. 交叉档两端为木杆或木横担的水泥杆且无避雷线,应在杆上装设管型避雷器或保护间隙。

c. 交叉档两端为杆的低压线路或通讯线路时,应在杆上装设保护间隙。

3.2装设线路自动重合闸
线路绝缘子在雷击闪络后,通常能在线路跳闸后自动恢复绝缘性能,所以自动重合闸的成功率可达75%～95% ,35 kv及以下输电线路略低些。

少雷区的110 kv线路通常不沿全线架设避雷线,但应装设自动重合闸,以防万一雷击跳闸时停电。

高土壤电阻率地区的输电线路雷击后容易产生绝缘子闪络,因此也必须装设自动重合闸。

3.3加强线路绝缘
加强线路绝缘可提高耐雷水平和直接降低建弧率,这对于降低线路跳闸率有利的。

对于个别高杆塔,在充分降低接地电阻前提下,再考虑由于高杆塔本身电感增大而使雷击杆塔顶电位升高的因素,适当增加绝缘进行补偿。

设计规程规定,对有避雷线保护的线路,标杆塔高度超过40 m,每超过10 m高度,应增加1片绝缘子；对无避雷线保护杆塔高度超过40 m,若采用保护间隙或管型避雷保护的也应增加1片绝缘子。

3.4采用中性点消弧线圈接地
宜采用电力网中性点经消弧线圈接地或自动重合装置,以减少停电次数。

3.5增加耦合地线
耦合地线虽然不能减少绕雷率,但在雷击杆顶时能起分流作用和耦合作用。

经验证,增加耦合作用地线的线路,雷击跳闸率约降低1 /2。

但目前运行的线路上装设耦合地线时,要验算杆塔强度,对导线和地面的距离,还应验算平时耦合地线与导线不同摆动后的距离。

因此,在装设单避雷线和双避雷线或降低接地电阻有困难时,才架设耦合地线。

3.6加装避雷器
线路上装避雷器后,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。

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作用,这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。

以往输电线路防雷主要采用降低塔体接地电阻的方法,在平原
地带相对较容易,对于山区杆塔,则往往在4个塔角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。

因线路避雷器具有钳电位作用,对接地电阻要求不严,对山区线路防雷比较容易实现。

加装避雷器前后线路的耐雷水平与杆塔冲击接地电阻的关系如图1所示。

在图1中,不难发现加装线路避雷器对防雷效果是十分明显的。

根据电业局山区杆塔逐年增多的实际情况,采用加装避雷器对山区防雷的方法是十分必要的。

图1线路耐雷水平iw与杆塔冲击接地电阻的关系
六、结束语
在架设高压输电线路中,防雷措施是必不可少的环节,可以减少
雷击机会,提高线路耐雷水平,降低线路雷击跳闸次数,确保线路畅通,从而提高线路安全运行的可靠性,保证连续供电。

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