输电线路防雷技术应用与探讨

输电线路防雷技术应用与探讨摘要：本文介绍了输电线路雷击故障的几种情况，分析雷击故障的原因，结合近年来针对线路防雷采取的一些技术措施及应用情况进行了探讨，同时对下一步防雷技术应用研究和完善提出了一些见解。关键词：输电线路；雷击；防雷；技术措施一、 前言2007-2011 年*输电线路雷击跳闸情况汇总时间类型 2007 年 2008 年 2009 年 2010 年 2011 年跳闸总数 26 21 36 40 41雷击跳闸次数 9 7 22 15 20雷击跳闸率（%） 34.62 33.33 61.11 37.50 48.78从上表可以看出，近年来输电线路雷害引起输电线路跳闸故障一直占有较高的比例，也是困扰输电线路运行维护单位一个重要难题。因此，有必要对输电线路防雷技术的应用进行研究、探讨，减少因雷害引起输电线路跳闸次数，确保油田电网安全、可靠运行。二、输电线路遭受雷击的几种情况雷击，实际上就是雷云电荷向大地的突然渲泄，当雷电作用于输电线路上，将造成冲击过电压。因这种过电压是由于大气中的雷电作用引起的，故称之为大气过电压，又由于这种过电压的能量是来自电力系统外部，故又称之为外部过电压 1。大气过电压可分为两种，一种是雷电直击于输电线路为直击雷过电压，另外一种是雷电击于输电线路附近，由于电磁场的剧烈变化，在电力线路或电力设备上因感应而形成的感应雷过电压。感应过电压的幅值通常不超过 500kV，因此只对 35kV及以下输电线路的绝缘有危险。而 110kV 输电线路绝缘的 50%冲击放电电压 u50%已经达到 700kV，其本身已可承受感应过电压的作用，故*管辖内 110kV 输电线路发生雷害时一般为直击雷过电压。直击雷过电压通常发生于杆塔顶部、避雷线档距中央、导线上。直击雷过电压按照雷击线路的部位不同，又可分为反击、绕击雷电过电压两种情况。1、反击雷电过电压雷击线路杆塔或避雷线时，雷电流通过雷击点阻抗使得该点对地电位大大升高，当雷击点与导线之间的电位差超过线路绝缘的冲击放电电压时，会对导线发生闪络，使导线出现过电压，由于杆塔或避雷线的电位（绝对值）高于导线，因此称之为反击。当雷电流击中输电杆塔塔顶时，大部分雷电流沿杆塔流入大地，由于杆塔、避雷线波阻抗及接地电阻的存在，雷电流流过杆塔进入大地时，会在杆塔上产生很大的压降，使塔顶、横担的电位陡升。当绝缘子串两端所承受的电位差超过其冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导致输电线路发生接地故障。2、绕击雷电过电压雷电直接击中导线（无避雷线）或绕过避雷线（屏蔽失效）击中导线，直接在导线上引起过电压，这种形式的雷击通常称为绕击。当雷电流直接击中输电导线时，由于大量雷电流注入，导致输电线路对地电压陡升。当绝缘子串两端承受的电位差大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导线通过杆塔对地放电。绕击发生时，雷电流首先直接作用于导线。因此绕击时导线的电流行波全部为雷电流分量，不存在类似反击的电磁耦合分量。三、目前电网防雷技术措施的应用（一）全线架设避雷线架设避雷线是输电线路最基本的防雷措施，避雷线可降低输电线路绝缘所承受的过电压幅值。当雷电直击于输电线路时，避雷线将雷电流引入大地，由于接地电阻值大小有所不同，因而在杆塔顶造成不同的电位 2。雷云放电将引起线路感应过电压 Ug，Ug 与主放电点电流幅值 I 及挂线高 hd成正比，于雷击点的距离成反比。无避雷线的输电线路感应雷为：Ug=ahd当有避雷线时，对导线就有屏蔽作用。雷电波在避雷线中传播时，与避雷线平行的导线在避雷线的电压波磁场内，由于耦合作用获得一定的电位 U2，U 2=KU,K 为耦合系数。由于避雷线的屏蔽作用，输电线路上的感应电压为：Ug=ahd（1-K）,式中：a系数，其值等于以 kA/s 为单位的雷电流平均陡度。K线间耦合系数。从上两个公式可以看出，在 a、h d为固定值时，装设避雷线可降低感应过电压 Ug，因此*从 1989 年开始对管辖内所有 35kV 线路的避雷线全线路封闭，减少雷电直击率。避雷线保护导线范围用保护角表示，通常将避雷线与外侧导线的连线和避雷线对地垂直线之间的夹角 a 成为保护角。单根避雷线保护角 两根避雷线保护角单根避雷线保护范围可由作图法确定:（1）由避雷线向下作与其铅垂面成 25的斜面构成上部空间；（2）在 h/2 处转折，在地面上水平距为 h 的直线端相连的斜面构成下部空间；（3）空间中高度为 hx的水平面即为对应的避雷线两侧保护范围。当 hxh/2 时，r x=0.47（h-h x）P当 hx h/2 时，r x=（h-1.53h x）P式中：r x保护宽度；h 避雷线悬挂高度；P 高度影响系数，h30m, ；30mh120m，1p。h5.单根避雷线的保护范围两根平行避雷线除对两避雷线外侧用保护角决定其保护范围外，对两线之间的部分采用以下公式计算： 4pD-h0式中：h 0两避雷线间保护范围边缘最低点的高度，m；D两避雷线间距离，m；h避雷线高度，m。两根平行避雷线的保护范围目前*多使用砼杆，占全部杆塔总数的 68.17%，以 35kV电-4610 定型图纸为例，通过计算其砼杆型号、保护角数值、保护宽度值如下：为了提高避雷线对导线的屏蔽效果，减少绕击率，避雷线对边导线的保护角应尽量小，一般范围在 2030之间 2。中相导线 双导侧导线 单导侧导线 序号 砼杆型号 保护角 保护宽度值 保护角 保护宽度值 保护角 保护宽度值1 35S2321-25（21 米直线杆） 20.7 1.058 米 13.9 2.233 米 21.5 2.233 米2 60SA1924-12.9（24 米 SA 型杆） 31.1 1.152 米 23.4 2.327 米 28.1 2.327 米360NA3021-30（21 米 30转角杆） 45.2 0.846 米 21.7 2.585 米 26.2 2.585 米460NA3021-60（21 米 60转角杆） 45.2 0.846 米 21.7 2.585 米 26.2 2.585 米560NA3021-90（21 米 90转角杆） 45.2 0.846 米 21.7 2.585 米 31.6 2.585 米6 Ab-5（门型杆） 28.31 1.528 米高 1.1 米 24.7 1.528 米 24.7 1.528 米从以上数值分析可以看出，直线杆、门型杆在装设避雷线后保护角及保护宽度均达到要求，而 SA 型杆与转角杆的中相导线保护角值均超出 30，特别是 90转角杆的中相、单导侧导线均超出保护角范围。因此易落雷地区输电线路应多使用直线杆及门型杆，以到达保护输电线路防止雷击的目的。（二）降低杆塔接地电阻输电线路的耐雷水平随杆塔接地电阻的增加而降低，是最显著的防雷效果之一 3。为实现有效的防雷，现*全部杆塔均设有接地极。输电线路杆塔的工频接地电阻在无雨干燥季节数值应如下表。土壤电阻率 （.m） 100 及以下 100500 5001000 10002000 2000 以上接地电阻值（） 10 15 20 25 30降低杆塔接地电阻的方法主要有：一是充分利用架空线路的自然接地；二是外引接地装置；三是深埋式接地极；四是填充电阻率较低的物质。*针对管辖内输电线路杆塔规定五年为一个测试周期，针对不合格的接地电阻杆塔进行降阻工作，部分不合格的杆塔已列入接地极改造工程。在 2007 年*开始引进具有防盗、防腐和降阻功能的长效型非金属石墨接地极，并针对高土壤电阻率和易被盗地区的线路杆塔进行新型接地极更换维修。截止到目前已经将 35kV*线等 46 条线路共计1513 组接地极改造为新型石墨属接地。通过实际测试对比，在同土壤电阻率地区使用新型石墨接地极的接地电阻比传统角钢接地极和接地网小 46，有效降低了杆塔的接地电阻。（三）安装线路氧化锌避雷器线路氧化锌避雷器分为串联间隙型和无间隙型两种，*在 1997 年推广使用，目前挂网运行 575 组，取得了丰富的运行经验和良好的防雷效果。带串联间隙复合外套氧化锌避雷器不承受工频电压的作用，只在雷电过电压作用下串联间隙动作后避雷器本体才处于工作状态，因此电阻片荷电率较高，雷电冲击残压降低，可靠性较高，运行寿命长。无串联间隙型避雷器是直接与导线连接，利用氧化锌电阻片的非线性特性保护绝缘子串，与带串联间隙型相比具有吸收冲击能量可靠，无放电延时和无分散性的优点。由于两种线路型避雷器其防护范围和特点各不相同，我们针对油田实际情况，两种形式的避雷器都运用到线路上，通过加装避雷器可以有效地减少线路跳闸事故，此外在常断点安装了避雷器可有效保证输电线路安全平稳运行。然而对于整条线路来说，衡量杆塔耐雷水平的改变并不应只针对安装了避雷器的杆塔。在某一基杆塔安装避雷器，加大雷击该杆塔的雷电流到一定程度后，本基杆塔并不发生闪络，而邻近杆塔有可能先闪络了，因而杆塔安装避雷器前后的反击耐雷水平实际上包含了两处情况，即:雷击该杆塔时，该杆塔不发生闪络；雷击该杆塔时，该杆塔所在的线路上其它杆塔不发生闪络。因此，对于一个具有固定冲击接地电阻值和土壤电阻率的杆塔来说，安装避雷器后对于整条线路反击耐雷水平的改善程度会受到邻近杆塔的影响，这种影响在杆塔安装两相以上线路避雷器后更加显著，线路避雷器安装方案的主要目的并不是仅仅为提高线路整体的反击耐雷水平，而是针对于保护重点杆塔来说，尤其是对那些杆塔接地电阻值已达到规程要求的线路。避雷器的局限性：因需要定期拆卸进行试验，随着数量增多，维护工作量越来越大。总结多年运行经验，发现氧化锌避雷器保护范围较小，只对本杆或附近几基杆塔有较好的防雷效果。另外，由于安装位置较高，很难在地面看清计数器动作情况，所以动作记录不完整。（四）加强线路绝缘根据规程 35kV 线路绝缘子片数为 3 片，但是为了降低雷击跳闸率，*将所辖 35kV 线路绝缘子片数增加到 4 片，使 U50%冲击放电电压由 353kV 增到 438kV，以提高线路绝缘水平。由于增加了绝缘子片数，相应减小了避雷线对边相的保护角，降低了绕击跳闸率。通过数学模型计算可以证明，取大庆油田雷暴日为 30.5 日，加强绝缘后，雷击杆塔时跳闸率下降33.43%，绕击跳闸率下降 24.12%，总的线路雷击跳闸率下降31.10%。四、电网防雷新技术和防雷改进措施（一）采用不平衡绝缘方式防雷1、单回三角排列线路采用差绝缘技术。 “差绝缘”技术是利用 35kV 系统是小电流接地系统，允许短时间单相接地运行的性能，让三相绝缘子串中的某一相（以下称“差异相” ）绝缘子串数量少于另外两相，构成相间绝缘差异。在线路受到雷击时，如果雷电强度超过线路耐雷水平，差异相一定会首先闪络，引发单相接地。此时可以把闪络相导线当做一条避雷线，也就是说雷击瞬间，线路的避雷线和差异相导线都处于接地状态，同时拥有两条避雷线。耦合系数必将增大，分流系数必将减小，线路的耐雷水平就得到了提升。在闪络的差异相和避雷线双重的分流及耦合作用下，另外两相导线上感应出的过电流将会被迅速耦合掉，发生闪络的几率大大降低，不至于发生相间短路引起跳闸。雷电流消失后，闪络相一般