500kV 输电线路雷电干扰及防雷措施分析

近年来，随着我国市场经济的迅速发展，电力需求日益增长，带动了我国电力产业的迅速发展。目前，我国的电力供应主要集中在500kV高压线路上，高压线路经常处于野外，线路长、分布广，运行过程中易受当地气候条件的影响，特别是在雷雨天气下，线路经常会被雷击，当高压电线承受不住雷电的时候，就会发生短路，造成一大片地区的电力供应中断，严重时还会对高压设备造成伤害。因此，500kV输电线路的防雷工作历来是国内电力工作者关注的焦点，本文就此展开深入的研究，探索其防雷对策。1雷电概述1.1雷电现场在雷暴云中存在聚集和形成极性的前提下，才能产生闪电。在云中形成了电荷，如冰晶的附着、水珠的破裂和空气的对流。云中的带电分布比较复杂，但整体来看，云的上半部分是正电荷，下半部分是负电荷。这样，在云的上下之间就形成了一个电势差。当电位差达到某个临界点时，就会发生放电，即所谓的“闪电”。闪电的平均电流为3万安培，最大电流为30万。当雷云靠近地表的凸出物时，会产生强烈的电弧。在放电时，由于闪道内的温度突然升高，使得气体的体积迅速增大，形成了一种激波，造成了一声巨大的雷声。1.2雷电的危害形式雷电灾害的严重程度在于其破坏力强，其特征是：雷电的放电电压高、电流幅大、变化迅速、放电时间较短，且电弧波形较大。闪电具有强烈的电流、高温和强烈的冲击波等破坏性效应以及电磁场的剧烈变化，电磁辐射等物理现象对人类社会造成了巨大的破坏。人类社会活动、农业、林业、畜牧业、建筑、电力、通讯、航空、运输、石油、化工、金融、证券等行业，应有尽有。随着科学技术的进步，雷击的危害日益突出。1.3雷击分类根据其产生的成因，将其划分为感应雷过电压和直击雷的过电压，雷过是指电线因受雷击线或接地线而形成的过载。而直击雷通过闪电的方式，即由闪电击中杆塔、地线或电线而造成的。在电网中，架空传输是一个非常关键的环节。因为其裸露在外，经过的地方多是荒原、丘陵和高山，而且线路的长度的高度也比较高，因而极有可能会遭到闪电袭击。雷云向下引导，当导线达到一定的高度时，线路铁塔、地线、导线、地面上的其他东西都会有一个正面的引导，它们会和雷云的主干相连，从而影响最后的攻击路线和闪电的落点。2500kV输电线路防雷击的重要性在当代社会，闪电以其毁灭性的力量给人类社会带来了严重的灾害。根据不全面的数据，每年由闪电引起的经济损害达到几十亿元。由于500kV输电线路是人类最大的人工引雷对象，是我国国民经济的主要支撑，长久以来由于雷电而导致的输电线路短路给电网的安全和稳定带来极大的危害。根据电网的失效分级数据显示，在高电压线路的短路事故中，有40%～70%是由于电击造成的，特别是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的区域,由于雷电的幅值高、高频、高瞬间等特点，其产生时常常会产生力学作用和电作用。2.1机械效应当被雷电击中时，因受焦耳热的影响，导致导线的屈服点会下降，产生的径向自压力会超出金属丝的屈服点，进而引起金属芯铝合金的变形,最后造成各种材料之间的脱层,钢丝的力学性能下降，出现断线、断股事故。2.2电气效应电力系统中的避雷主要是对因电力作用而引起的雷击进行保护。当闪电过电压超出电线的耐压等级时，电线与地面就会产生短路，随后，工频电流沿着该闪络通路持续放电，形成一种工作电流，电网的保护性设备会导致断路器短路。在电力系统中，由于电击单相、相间短路等原因，对电力系统的影响较大。随着电力系统的建设，架空线路的杆塔数量不断增加，线路通道也日益稠密，从而使输电系统受到雷击的危险也随之增加。一旦线路上的跳频失效，将给电网带来很大的干扰，导致设备损坏、线路中断、大范围断电，严重时可能会带来巨大的经济和社会的影响。在当前的全球气候条件越来越严峻的情况下，近年来，我国的闪电事件越来越多，对电能的需求量也越来越大，雷电引起的电力系统失效所带来的经济损失每年都在增长，雷电引起的两相闪络，同塔双回线同时闪络，同一输电通道内多回线连续短路等重大事故显著增多。因此，有重点地进行有关的防范和监控工作，对确保电力系统的安全和稳定运转具有重要的作用。3500kV输电线路防雷设备分类3.1架空地线架空地线的安装是高压、超高压线路最基础的防护手段，安装在线路杆塔尖，其防护原则是：雷云释放到地表附近，引起地表电场变形，在架空地线顶部产生局部电场强度的集中区域，以影响闪电的发展趋势为导向，由地面引下导线及接地设备将雷电流导入地面，防止被防护对象受到雷电伤害，高架地线材通常采用镀锌钢绞丝，在某些特定条件下，还可采用铁心或镁铝丝。3.2绝缘子在输电线路和铁塔间设置有绝缘子串，其功能是电力隔离、机械支持，并承受覆冰、风偏、舞动。由于恶劣天气状况如地震所造成的严重的机器负载，同时也会造成闪电和作业造成的超压，导线绝缘子的形式有盘形悬玻璃绝缘子、棒形悬式复合绝缘子等。在电网遭遇闪电时，只要有较好的隔离能力，就能够保护导线不被击破，从而保证导线与铁塔的电隔离，这样才能确保电力系统的安全运行。3.3接地装置地线是一种埋在地下，与各塔间的架空地线和塔身有电联系的金属设备，它的主要功能是把雷电导入地面并快速蔓延，防止导线受到过电压的伤害。架空地线在降下闪电时，会产生较高的雷电压力，架空地线与地面连接，并在地面上快速地传播、排出，因此，可以减少输电塔点，防止输电线路的电弧击穿。接地设备的组成主要有：接地导线。地线是一种将地线、杆塔相结合的金属线。接地体是一种在地下与地表直接相联系的金属导线，它可以分成两类：天然接地和人造接地。天然接地体系金属构件、导线和铁塔底座等与地面有直接的联系，人造接地装置是一种特殊铺设的金属导线，天然接地层仅适用于土壤电阻值较小的区域。通常，仅凭天然接地器无法达到这种目的，必须安装人工接地设备，也就是对地面进行改造，人造接地装置可分为两类：横向接地和纵向接地。横向接地体常选用圆形或扁形钢板，按电阻值的规定，其深度不得低于0.8m。纵向接地通常为钢筋，在地面上竖向埋置。接地设备的规范必须符合耐腐蚀性和耐高温的规定，并与地导线的接合必须牢固、可靠。3.4线路避雷器线路避雷器一般是一种在架空输电线路上安装的用于防止线路绝缘子闪络的避雷器。线路避雷器在工作时与线路绝缘子并联，可在遭受雷击时，避免因闪电直接击中或绕线而造成的故障。线路避雷器按其类别划分如下，根据间隙特性，一般可将线路避雷器分为有间隙式避雷器和无间隙式避雷器，而有间隙式避雷器也有外部串式和内部式，因为生产和操作上的综合因素，内隙式避雷器在线路中很少使用，所以一般都是采用外串式的避雷器。有间隙线路避雷器是目前最常用的线路避雷器，它分为纯空气间隙避雷器和绝缘子支承间隙避雷器，无缝隙式线路避雷器是用来控制雷电过电压和运行过电压的，采用带外串联空隙的线路避雷器，包括复合外壳式MOS避雷器主体和串联间隙，其作用是限制雷电过电压和/或局部工作过电压。近年来，带外串联间隙的MOA在国内外的应用越来越广泛，不仅使MOA抗电网电压的能力得到了极大的改善，而且防护等级也得到了改善，EGLA是目前国内使用最多的线路避雷器，国内研制成功的带离式无间隙避雷器，35～500kV线路型避雷器都有多年的使用经验，最长使用10余年，具有很好的防雷性能。但考虑到在不方便运输的环境下，尤其是在山区，维修无缝隙的避雷器是一个很常见的问题。此外，由于我国大部分的脱离器性能、质量和可靠性都很差，多次出现过的情况。基于以上种种原因，近年来，在线路避雷器的安装中，一般都是采用有串联间隙的避雷器。与之相比，带串联间隙的避雷器具有更大的优势，其主要表现为：（1）通过合理地选取间隔间距，仅当雷击发生时，在工作频率过电压和工作过电压时不工作，避免了避雷器的工作次数。（2）串联间隙可使避雷器电阻极少受到工频电压影响，延长其使用寿命，降低其日常维修工作量。（3）当避雷器本体出现故障时，采用串联式空隙结构，能有效地分离出故障的电容器，避免因绝缘子短接而导致线路跳闸。3.5并联间隙并联间隙技术是通过将一对金属电极并联在一起形成一个空隙，以防止在雷电线路上出现闪络，以及电弧烧毁绝缘子。并联式缝隙和它们的电极称为并联式缝隙，也称为“招弧角度”或“引弧角度”。按绝缘子的类型，可将其划分成陶瓷及玻璃绝缘子的并联式空隙结构和复合绝缘子的并联式空隙结构。一对金属电极并联在绝缘子串的末端形成防护间隔，一般情况下，保护间隔比绝缘子串的串联长要短。在常规工作中，该空隙结构起到了均匀的工作频率电场的功能，当架空线遭遇闪电时，绝缘子串联会发生较高的闪电过载，但由于防护间隙中的闪电放电比隔离子串联的放电要小，所以会先发生保护间隔的短路。在电流和温度的双重影响下，连续工作的电弧会经过平行的空隙而产生的放电通路，然后被导向到电极端，紧固在电极端上进行点燃，最后利用电磁力将其吹离并在电弧末端消失，以防止电弧燃烧。常用的平行间隙型有棒型、球拍型、环型等，该技术原理简单、安装方便、经济性能好，为目前的防雷电防护技术提供了很好的支持，与减少接地电阻、减少架空接地保护角、架设耦合接地线相比，有较大的优越性。输电线并联式空隙技术是一种“疏导型”的防雷技术，它是指当一条电线不能承受的闪电时，在规定的并联空隙内出现一次闪络，疏通电弧，能有效地保护绝缘子。随着电力系统的迅速发展，电力系统的网络化、重合闸、SF6开关、微机化继电等设备得到了广泛应用。一旦这项技术发展起来，就不需要再去找故障地点，也不需要再找绝缘体，就能排除其他原因引起的工作电流。3.6避雷针（1）可控放电避雷针。可控放电避雷针是一种在电力电缆杆塔尖上设置的一种特制的避雷针。可控放电避雷针的目的在于减少绕组电流。可控放电避雷针由主针、动态环和储能元件组成，其技术原则是：采用该结构，使动态环、主针分别由一个非线性电阻器和一个蓄能器与地面隔离，使针的电压在一个漂浮的位置，分布更加均匀。在雷云降临时，能量储存设备会利用雷云产生能量，在超出一定的阈值时，能量储存设备会对主针体进行放电，从而导致主电极的电势瞬间变化，这时，动圈的电势仍然不改变，导致了针尖的电场瞬时畸变，以诱导上升的前驱，阻止闪电的下落，防止受保护的对象遭受闪电袭击。（2）侧向避雷针。侧向避雷器有两种类型：塔尖侧引脚和架空地线侧引脚，它是将水平侧针置于铁塔或架空地线上，以提高铁塔及架空地线对弱雷的吸收，提高防护距离，从而减少电线的绕击率。高架接地导线的侧针固定和维修困难，在操作时，有时会发