防绕击和负角避雷针在输电线路

1 防绕击和负角避雷针在输电线路中 的应用情况 2008 年 6 月 16 日 2 防绕击和负角避雷针 在输电线路 中的 应用 情况 一 输电线路防雷指标 输电线路防雷性能的优劣，工程上主要用耐雷水平和雷击跳闸率这两个指标来衡量。在分析输电线路对雷击的响应（包括雷击跳闸率）时，一般都依靠现有线路运行经验数据。但是，现代电力系统的发展，要求用现代化的技术评价设计线路的耐雷性能，要求我们对设计中的下列几个因素的影响做出评价： 1、线路上的雷击次数、绕击率和绕击次数，雷电流的幅值、陡度和波头时间； 2、新型杆塔结构和尺寸； 3、绝缘水平和工频电压对雷击事故率的影响； 4、高土壤电 阻率对 杆塔接地电阻的影响。 防雷原则 根据技术经济比较的结果，因地制宜采取合理的保护措施。而线路本身的实际运行经验，是衡量其防雷保护是否可靠的最好指标。过电压保护设计规范中所推荐的各种防雷保护方法，系根据全国一般地区大多数线路的运行经验以及技术经济的合理性而制定的，所以在选择每一条线路具体的防雷技术措施时，必须从实际出发，具体情况具体分析，做到区别对待，因地制宜，以便在节约的原则下做好防雷工作。 制定输电线路的防雷保护措施时，主要应该考虑以下几个方面： 1、 防止直接雷击。线路直击雷事故有绕击和反击两种，线路的绕击耐雷水平是远低于其反击耐雷水平的。 2、 防止发生反 击 3、 防止雷击闪络后建立工频短路电弧。 4、 保证线路不间断供电。 5、 特殊杆塔的保护。 “绕击”的特点是：定位高度比反击低；只在满足绕击充要条件时发生。现在提出一种输电线路绕击防护的新思路。输电线路的屏蔽系统由地线、杆塔和大地三者构成输电线路发生绕击跳闸事故可归咎于屏蔽系统的引雷能力不够对于具体情况，增强某一屏蔽体的引雷能力，可有效 3 地防止绕击跳闸 事故的发生。模拟试验和仿真计算研究的结果证明了它的可行性。 二 输电线路防绕击 1，国内外绕击跳闸 概况 “绕击”的特点是：定位高度比反击低；只在满足绕击充要条件时发生。现在提出一种输电线路绕击防护的新思路。输电线路的屏蔽系统由地线、杆塔和大地三者构成输电线路发生绕击跳闸事故可归咎于屏蔽系统的引雷能力不够对于具体情况，增强某一屏蔽体的引雷能力，可有效地防止绕击跳闸事故的发生。模拟试验和仿真计算研究的结果证明了它的可行性。 随着我国电力事业的蓬勃地发展，我国电网的电压等级越来越高，高压及超高压输电线路越 来越多。而雷击却是高压及超高压输电线路事故的主要原因之一。在我国实际的 220kV的线路的观测中绕击跳闸次数占了整个跳闸事故的 60%左右，而在 500kV 的输电线路中绕击的事故就更加严重了，俄、美、加等国的735 765kV 的线路防雷的经验表明，超高压的雷击跳闸事故中，绕击跳闸是主要的原因。因此对线路绕击的研究对保证电网的安全可靠的运行是非常重要的 。事故分析 发现绕击率高的分布点主要集中在离输电导线较近的中间部位，这和理论计算是一致的：在高于一定高度后的空间是属于避 雷线的吸引半径范围之内，其绕击概率是很低或不发生 绕击，而在低于这 一高度之后，即至地面的吸引半径之后，如果此处落雷的话，绕击的概率也是很低或是不绕击。 “绕击”的特点是：定位高度比反击低；只在满足绕击充要条件 发生。现在提出一种输电线路绕击防护的新思路。输电线路的屏蔽系统由地线、杆塔和大地三者构成输电线路发生绕击跳闸事故可归咎于屏蔽系统的引雷能力不够对于具体情况，增强某一屏蔽体的引雷能力，可有效地防止绕击跳闸事故的发生。模拟试验和仿真计算研究的结果证明了它的可行性。 减少绕击故障的对策： 接地电阻的改善； 尽可能降低铁塔高度； 增强线路的绝缘 ； 采用分裂导线； 减小边导线保护角（山区线路可采用负保护角）； 杆塔横担上加装侧向避雷针； 避雷线上加装侧向短针； 加装塔顶拉线； 加装旁路架空地线。 2， 绕击的原因 4 什么是 绕击 ， 绕击就是一种不和常规，不按人们予定的路经，天空雷云对地发生的一种放电，此处主要是指雷云应该对架空地线放电，雷云却绕过地线对导线放电而发生绕击。 它的机理如下： 高空带电雷云激励地面接地体，使其快速、强烈响应，自顶端产生迎面先导与之交汇。装有雷电接闪装置的接地体，将把雷云先导发展方向引向自身。有些接地体在顶端装设避雷针 、线等，用以控制接地体上部高空雷电先导对建筑物的危害。但并不是所有的高场强雷云在不断向下分级发展的过程中，都恰好被装在高接地体顶端的雷电接闪装置所吸引。装设在接地体顶端的雷电接闪装置能否接闪，不仅与接闪装置产生异性电荷的能力和异性电荷迁移速率有关，也与雷电先导头部电场游离范围即先导对接地体迁移异性电荷的吸引半径有关；同时也和接地体产生迎面先导的能力有关。雷云在随风向快速移动的过程中，受到雷云与雷云之间，雷云与大地之间各种不断变化的随机因素影响。雷云先导在接受各种影响的同时，不断地调整先导头部分级发展的方向， 从而使先导头部向接地体定向发展时的定位高度并不一定恰在接地体的上部空间。发展到接地体侧面低空的雷电先导，将向便于泄放自己能量的方位 最后阶跃 ，这是雷电先导有可能向接地体绕击的原因，而接地体自身是否存在易于遭受绕击的条件，也是绕击能否发生的重要原因。 它的机理有另一种说法， 绕击 的发生是 由于雷电流小于所选滚求半径对应的最小雷电流而产生的一种雷击现象。 避雷针即接闪器的作用是形成一个接收雷击的确定点以避免雷击点失控，防止被保护空间受直接雷击。接闪器的种类有避雷针、避雷带和避雷线，接闪器的位置常用 “滚求 法 ”确定。建筑防雷规范 GB50057 94 中规定首次雷击的雷电流参数：一类 200KA；二类 150KA；三类 100KA。 国际电工委员会标准IEC61312“雷电电磁脉冲防护 ” 将第一级防护的雷电流威胁值定为 200KA，波形为 10/350s，超过该值的概略为 1，就是说， 99的的雷电闪击都包括了。 拿第一类防雷建筑来说，首次雷击的雷电流参量为 200KA，由闪电数学模型（电气几何模型） hr =2I+30(1 e-i/6.8) 简化为 hr=10I0.65 5 hr雷闪的最后 闪击距离，也是规范当中的滚求半径 I与 hr 相对应的得到保护的最小雷电流幅值。即比该电流小的雷电流可能击到被保护空间。 将 200KA 带入上式中得 I 5.4KA，即对于一类防雷建筑（ hr 30m），如果雷电流小于 5.4KA，就可能发生绕击现象 绕击率的计算 关于绕击率，我国的物理意义是：每年雷电绕过避雷线直击于导线的次数对（总的）线路雷击次数（均按单位长度）的比值，可表示为： NNPa 2式中 2N 每年每单位长度线路的雷绕击次数（次 /100km a或次 /100km 40雷暴日）； N 线路雷击次数（次 /100km a或次 /100km 40雷暴日）。 前苏联 M.B. 根据实验模拟试验结果，以及对较高杆塔系统运行经验的分析提出了绕击计算的经验公式： 490lg haPa式中，为地线对边导线的保护角， h为避雷线的悬挂高度。 1.规程方法 我国电力行业标准 DL T620-1997交流电气装 置过电压保护与绝缘配合，根据运行经验推荐用下列分式计算绕击率： 对平地线路 9.386lg haPa对于山区线路 35.386lg haP a从公式可以看出，山区的绕击率是平原的 3倍，或者相当于保护角增大。规程中的计算式，是运行经验的总结，具有简单明了的特点，对一般线路的设计及防雷复算十分便捷。但是它也存在十分粗略的缺点，最明显的是， 对于山区不同的边坡角度无法区别开来。于是便有了其他一些计算方法。如： EMTP 方法 ，统计模拟法 ， 蒙 特卡络法 等等。 防绕击预放电避雷针 工作原理： 试验表明，普通避雷针的引雷能力大约是架空地线的 46 倍。架空地线上装设短针的措施，能有效提高地线的引雷能力，对高压输电线路而言，在架空地线上装设防绕击预放电避雷针，其作用有： 1.减少了雷击跳闸率； 2.降低线路保护 6 角，进而减少线路的绕击率； 3.具有较强的引雷作用； 4.具有较小的雷电流； 5.较大的保护范围。 由于反击耐雷水平远高于绕击耐雷水平，此时，将可能绕击于导线的低幅值雷击引到架空地线上。而此雷电流幅值小于其反击耐雷水平，从而防止绕击跳闸事故的发生。 防绕击预放电 避雷针具有一般侧针所没有的 技术 特点 ， 防绕击预放电避雷针可得到比传统避雷针提前的放电先导 ，它能将 动态雷闪所产生的高频脉冲电压重复不间断的送达针尖，以触发针尖 空气 电离提前放电，击穿空气介质，形成向上先导，在 空中 与雷云所产生的下行先导闪接，达到防 绕击的 目的 。 防绕击预放电避雷针的安装位置及适用范围： 防绕击避雷针 如： HFG-LR 系列防绕击避雷针采用国内外对绕击雷机理的最新研究成果，在产品结构、材料选择以及安装方式等方面均创新和突破，可有效防止绕击雷对线路的损害。 产品由夹线装置、防振装置、平衡装置、侧针及安装组 件等构成。 安装在架空输电线路的架空地线上，用于防止雷电绕击输电线路导线，适用于有架空地线的各种型式的架空输电线路，对应的架空地线是型号为 GJX35 GJX180 的钢绞线或其它类型的铝包钢绞线、良导体绞线、 OPGW 光缆等特殊地线。 使用时先打开夹盖，选定安装部位扣上夹盖，然后将拉杆顺时针旋转 90，再 将压座底端螺丝取出或将卡簧抽出即可。以上操作可在塔杆顶部配合地面操作完成（即可不上线）也可在地线上完成安装。 输电线路的防雷实质上归结为杆塔头部的防雷，即高耸物的防雷。在国内外运行经验中，雷击档距中央避雷线及附近 引起闪络跳闸的几率发生极小，故只要使输电线路的杆塔塔头及其附近不遭雷击，输电线路雷击跳闸的几率就会大大下降。 根据模拟试验、运行经验和分析计算认为，由于输电线路杆塔的引雷作用和档距中间的弧垂效应，沿输电线路的档距，雷电绕击可划分为三个区域，依次为安全、危险和正常区。危险区约在距离杆塔 10 50m 的区域，这一区域需重点防护。 输电线路绕击区一般在距杆塔 10 50m 区域。针对这一薄弱区域，分别离 7 杆塔 20 m、 40 m 的架空地线上各布置一支防绕击预放电避雷针，同时，针对耐张转角塔跳线多次遭受绕击的情况，在地线支架 加装一支长 60 100cm 的防绕击预放电避雷针。 因此， 主要安装在距离杆塔 10 30m 的危险区域，等距离平均布置 2 套侧针就能够起到有效的保护作用（即在距离杆塔 15 米和 30 米处安装）。 另外，在杆塔顶部两侧适当位置应安装杆塔侧针，以防护进入杆塔侧面地线屏蔽失效区的低空雷电先导，补充地线及其侧针屏蔽的不足。 在绕击严重区域或经统计发现绕击频发的具体杆塔上，可根据实际情况，在杆塔地线一边（ 2 只）或两边（ 4 只）加装第三组侧针，安装位置在距离杆塔 50 5m米处。 图 2.1 防绕击 避雷针结构示意图 不停电不出线安装 防绕击 预放电避雷针 性能特点 防绕击预放电避雷针可以不停电不出线安装 ，用机器人安装，它具有下列特点： 1. 运用自主创新技术， 在 GJX35、 GJX50 等地线上可不停电不出线安装，操作更安全； 2. 产品可满足不同规格地线的需要，实用性强； 3. 采用在杆塔两侧安装侧针的方式，可显著减少杆塔附近绕击雷的发生； 4. 产品握力在顺线方向和旋转方向都大于标准值， 抗不均匀覆冰， 可保证长期稳定运行； 6. 全金属结构，通流量大，可承受大电流的冲击； 7. 设计精巧，外型美观 三 负角保护针 1 负保护 角在防止绕击上有着绝对的优势。 山区输电线路的杆塔大都处于山坡或山顶，由于地形起伏较大，气流多变活动强烈，导致雷击活动频繁，落雷密度高，是雷电的多发地带。同时山区的土壤 8 避 雷 线 保 护 角 / ( 度 ）绕击跳闸率0 5 10 15 2000.050.100.150.200.250.30电阻率较高，边坡角度大，加上雷电发生时常常伴有大风天气，使得较大档距中央的避雷线 对边导线的保护角失效，装设避雷线的线路经常出现雷绕过避雷线而击于导线的现象。 在线路多雷区和易击点的杆塔上安装负角保护针，能够有效减少输电线路遭受雷电绕击，降低雷击跳闸率，提高输电线路安全运行水平 。 负角保护针可看试装在线路边导线外侧的避雷针，其目的是改 善屏蔽，减小临界击距。 试验研究成果报告 ： 护角为 0度的 时候，绕击概率为 0， 如下图所示， 可以看出，负保护角在防止绕击上有着绝对的优势。 从 实验数据看来负角保护针 中 -5的保护角在防绕击性能上，跟其他的保护角相比有着绝对的优势，无论在哪个比例模型和那个杆塔型号得出的结论都是如 此。 通过一些试验表明 负保护角在防止绕击上有着绝对的优势。 （ 1）通过典型的 500kV输电线路（ ZB6T 型杆塔）在保护角为 +12下的 1:40比例模型试验，试验得出了空间各点绕击概率的分布规律：在离输电线路越近的空间，其绕击的空间便越大，其 绕击的雷电幅值便越小，随着距离输电线路越远，其绕击空间便越小，且绕击空间慢慢上升。这和电气几何模型计算分析时的绕击空间分布规律是一致的。 （ 2）在不同的地形及来雷方向的条件下，通过对不同保护角进行绕击试验，验证了绕击概率随着保护角的减小而减小，实验数据结果尤其突显了负保护角在防止绕击性能上的优越性。 保护角 绕击跳闸率 9 （ 3）导线上有无电压对引雷的影响研究表明：在雷击瞬间，输电导线上所处的电压值对引雷影响很大，随着导线上与雷电的相反极性电压值的升高，其引雷的能力就越来越 强。在平原地区，即使考虑导线上的运行电压，采用 -5的保护角对边相导线也不会发生绕击。 （ 4）斜山坡地形对输电线路绕击概率的影响研究表明：无论是发生绕击的空间还是许多具体空间落雷点的绕击概率都随着地面的倾斜角度的增大而增大。总之，整体看来，试验数据都清楚地表明随着地面倾斜角度的增大，线路的绕击概率明显增加。当采用 -5的保护角时，对于电流较大的时候绕击无明显增加，但在电流较小时，参考 0的试验数据，绕击也应有所增大。 （ 5）山区跨越深山涧线路绕击概率的变化规律，实验数据表明，大跨距时由于弧垂的不一样而导致避 雷线与输电线之间的垂直距离增大，本身垂直距离的变化对绕击概率本无明显影响，只是由于其垂直距离变化而水平距离没变从而保护角变小，因此才导致绕击概率变小；跨越深山谷时，由于地面的屏蔽性能急剧减弱甚至没有，此时无论是发生绕击的空间还是许多具体空间落雷点的绕击概率都随着山谷的深度的增大而增大，输电线路的绕击率明显增大。大跨距和大弧垂对于 -5保护角的绕击无明显影响 。 2 负角保护针的理论依据 电气几何理论是 60 年代后期由美国人提出来的，以 “闪 击距离”的概念为基础。所谓闪击距离就是雷电先导头部与地而目标间的临界击穿 距离。此击穿距离与先导头部电位有关，先导头部电位与先导中的电荷有关，先导中的电荷决定了随后出现的雷电流幅值。因此，闪击距离与雷电流幅值的关系可表示为 = K Ie 式中： -闪击距离（ m） I 对零电阻地面的雷电流 （ KA） K、 e - 待 求系数，由经验和模型试验得出。 目前已有的经验公式为： = 7.1I0.75 或 = 9.4I2/3 电气几何模型是以解决绕击为基木出发点提出来的，基木要点归纳为： ， 当雷云趋 近地而时 ，雷云先导与地而突出物之间达到闪击距离时，才会发生 击穿，形成迎面 流光，雷电流便向目标泄放； ， 线路是否发生绕击事故，除了取决于雷电流幅值外，还决定于线 路木身的几 何参数 （ 即导线、避雷线的高度，其间的保护角）和耐雷水平 ， 雷击既可 以来自正上方，也可来自线路侧面，而且受地形和杆塔有效高度的影响 按电气几何模型，可画出线路避雷线和负角保护针的保护范围如图 1 所示。虚弧线 为避雷线保护范围，实弧线为负角保护针保护范围，扇形阴影部分及以下 10 范围为避雷线屏蔽失效区， 而扇形阴影部分对地距离大于导线对地距离 rsc，因此形成雷电绕击区。 杆塔设置了负角保护针后，杆塔边相导线周围的雷电闪击距离 （ 即雷电先导头部与地 而目标间的临界击穿距离） rsm小于导线对地距离 rsc负角保护针的屏蔽失效区均在导线下 方，因此，雷电先导只可能对负角保护针或地而放电，避免了雷电绕击区的形成。山此可看出，装设合适的负角保护针可消除雷电绕击区，从而避免绕击现象。因此当杆塔的平均高度增加到一定高度时，必须降低避雷装置的保护角，甚至要求保护角达到负值。降低保护角是防止绕击的重要措施之一，而增设负角保护 针更是一种行之有效的方法。 3 负角保护针的构造和技术参数 负角保护针成品呈园棒形，由针尖、主管、和底座三部分组成，采用铆钉将三部分连为一体。 Z11 螺栓型水泥杆负角保护针加工图如图 2 所示： 11 其基木技术参数及构造如下： 针尖：由 直径为必 16mm长度为 500 mm的钢管加工而成 . 主管：山直径为 18mm 长度为 2 400mm铝合金管加工而成。 底座： 根据负角保护针与杆塔导线横担头部的连接方式不同，在保证负角保护针始终与横担水平面 成 35角的原则下 ，可分为单板式螺栓连接和双板式夹板连接。对于杆塔导 线横担头部结构便于用原有连接螺栓固定底座，则优先选择单板式螺栓连接方式的底座。如 Z11 杆、 H 杆和酒杯型塔头的铁塔的底座，由5mmX150 mmXll5mm 的热镀锌扁铁上焊接直径为 20mm长度为 350mm 镀锌钢管组成， ZII 杆、 H 杆的底座扁铁与钢管的焊接角度为 35，酒杯型塔头的铁塔底座扁铁与钢管的焊接角度为 0 ,镀锌扁铁上加工两个直径为 13.5mm 的孔，孔距的尺寸位置与导线横担头部挂线点上方的包铁连接螺栓的孔距相对应。对于杆塔导线横担头部结构不便于用原有连接螺栓固定底座，如猫头型塔头的铁塔和杆塔导线横担结构为电焊连接的情况，则优先选择为双板式螺栓连接方式的底座。ZII杆的底座扁铁与钢管的焊接角度为 35 ，酒杯型塔头的铁塔底座扁铁与钢管的焊接角度为 90 。 4 负角保护针的特点和试用情况 加强线路绝缘，提高杆塔的耐雷水平，是减少线路雷击的重耍措施，但实际上，随着电压等级的提高和自然条件、技术经济的综合因素考虑，不可能无限制的加强绝缘。 一些电力 公司在 2002 年底将负角保护针的研制和开发列为科研计划，把 220kV 线 路 多雷区和易击点的 120 基杆塔作为实施防雷改进措施的试点。凡是雷击闪络过的杆塔继续 实施降低杆塔的接地 电阻工作，为了减少反击闪络塔的分流，对邻塔的接地电阻也要降下 来 .为防止水泥杆的杆项至接地孔之间导通道不畅，采用 4mmx40mm 扁铁自杆顶引自接地装置，并安装负角保护针装置，用以防止在杆塔附近雷电绕击导线，即在多雷区杆塔的边相安装长 24m 上翘 30的屏蔽针，防止绕击。将该装置作为 22OkV 山区线路的基木保护，从 2003 年至今运行 5 年来，防