浅析500kV高压输电线路雷电干扰成因及措施

分类：电力论文发表 时间：2012-04-06 09:58 关注：(1)

万 敏
摘要：本文作者从超高压架空输电线路防雷的原则和方法入手，通过对500kV高压输电线路雷电干扰的成因及防雷计算分析，主要就当前500kV高压输电线路防雷的新措施进行探究。
关键词：500kV；输电线路；雷电干扰成因；防雷措施
Abstract: in this paper the author ultrahigh pressure from overhead transmission lines lightning protection principle and method of obtaining, through the 500 kV uhv transmission lines of its formation and lightning interference lightning protection calculation and analysis, and mainly the current 500 kV uhv transmission lines of new measures for lightning protection to explore.
Keywords: 500 kV; Transmission lines; Lightning disturbance causes; Lightning protection measures
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

0．前言
近年来，随着电力建设的迅速发展，500kV高压输电线路供电可靠性的要求越来越高。由于输电线路纵横均暴露在空旷的野外，具有线路长、分布广且易受各种地形条件及各种气候的影响，遭受雷击的情况时有发生。因此，加强500kV高压输电线路的防雷性能，提高线路安全可靠的运行水平，是当前超高压输电线路的保护研究重点。
1、超高压架空输电线路防雷的基本原则和方法
超高压架空输电线路防雷的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施，将雷击事故减少到可以接受的程度，以保证供电的可靠性与经济性为此，一般设有四道防线。
1.1保护导线不受或少受雷直击
为此可采用避雷线、可控放电避雷针、消雷器及侧向避雷针。目前采用避雷线仍然是架空输电线路防雷的首选措施，这是被长期工程实践所证实了的行之有效的防雷方法，当然在某些线段由于特殊的地理环境造成绕击率偏高，或是由于接地电阻降不下来造成雷击跳闸率偏高时，为提高线路的安全运行水平可采用可控放电避雷针及在地线上加装侧向避雷针。
1.2雷击塔顶或避雷线时不使或少使绝缘发生闪络
为此需提高线路的耐雷水平或线路的绝缘水平。最经济实用的办法是降低杆塔接地电阻来提高线路的耐雷水平，在山区当降低接地电阻很困难时，可采用可控放电避雷针，加装耦合地线、在地线上加装侧向避雷针，或适当加强绝缘。采用可控放电避雷针时由于绕击率很低，而且主放电电流很小(平均为7kA)，一般线路杆塔的耐雷水平都大于此值，所以它能大大降低线路的雷击跳闸率，提高线路的安全运行水平。
1.3当绝缘发生闪络时尽量减少由冲击闪络转变为稳定性电弧放电
为减少由线路绝缘子的雷电冲击闪络变为稳定性电弧的概率，从而减少雷击跳闸率，为此应减少绝缘上的工频电场强度，或电网中性点采用不直接接地方式。采用这种方法应谨慎，因为改变中性点的接地方式，将改变系统的运行方式和系统参数，稍有不慎将引起严重后果。
1.4即使跳闸也不中断电力的供应方式
提高供电可靠性，可用自动重合闸或用双回线以及环网供电加强电网结构。当然，不是所有线路都要具备以上四道防线，而是要因地制宜，合理采用，把雷害引起的停电事故次数减少到可以接受的程度。
2．输电线路雷电干扰成因分析
一切对电气设备的绝缘有破坏性的电压升高，均称为过电压，大气过电压是指电力系统内的电气设备和地面上的建筑物与构筑物遭受直接雷击或雷电感应时产生的过电压，大气过电压的能量源于电力系统外部，故又称外部过电压。雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象，前者称为云闪，后者称为地闪。地闪对电力系统，特别是对输电系统造成威胁，输电线路当遭受雷击时使其绝缘被击穿，造成相与地或相与相间短路，因500kV电网是中性点直接接地系统，将造成线路跳闸，引起线路停电或电网稳定事故，给国民经济带来严重损失。
3．500kV输电线路防雷计算分析
雷电绕击导线引起绝缘闪络对应的雷电流幅值较小，如500kV线路绕击耐雷水平为22kA～24kA。理论分析和国内外实践经验表明超高压线路尤其是山区线路存在明显的绕击现象。雷电绕击故障一般有下列特征：(1)雷电绕击一般只引起单相故障；(2)导线上非线夹部位有烧融痕迹(有斑点或结瘤现象或导线雷击断股)的，一般是雷电绕击引起：(3)水平排列的中相或上三角排列的上相导线一般不可能雷电绕击跳闸；(4)水平或上三角排列的边相或鼓形排列的中相有可能雷电绕击；(5)雷电绕击电流与导线保护角和塔高度有关，当雷电流幅值较大时，绕击的可能性较小。
3.1输电线路绕击率计算
绕击就是一种不按常规的发生方式。正常情况下雷电对有架空地线的输电线路发生放电作用主要是指雷电对架空地线放电，然而雷电却绕过架空地线对输电导线进行放电，这就是通常说的绕击。根据输电线路长期运行、现场实测和模拟试验等获得数据进行分析，雷电绕过避雷线直击导线的概率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度等条件有关，具体表现为：
输电线路为平原线路：
lgPɑ=ɑ√h1 -3.9
86 (1)
输电线路为山区线路：
lgPɑ=ɑ√h1 -3.35
86 (2)
式(1)及式(2)中：ɑ一避雷线对边导线的保护角。
山区线路的绕击率约为平地线路的3倍，或相当于保护角增大8。的情况。
3.2输电线路建弧率计算
输电线路发生雷电冲击时绝缘子串发生冲击闪络的过程，雷冲击电压过去后，弧道仍有一定程度的游离，在工频电压的作用下，将有短路电流流过闪络通道，形成工频电弧。建弧率的大小，主要与工频电压作用下弧道平均运行电压的大小有关，根据实验及运行经验，建弧率与平均运行电压梯度的关系也可用式3表示：
η=(4.5E0.75— 14)×10-2 (3)
式中：E— —绝缘子串的平均运行电压梯度，kV／m。
输电线路上的雷电过电压按其形成分两种情况：一种是雷云直接击于线路(包括导线、杆塔，或许还有避雷线)，在其上产生危害绝缘的电压，称为直击雷过电压；另一种是雷击输电线路附近地面，在输电线路的三相导线上，因感应而出现的高电压，称为感应雷过电压，在雷电高频干扰下，现有的各种暂态保护判据都有可能出现误判。对于暂态保护来说，除了直击雷会造成严重影响外，感应雷击同样会在线路上产生高频的暂态量，而且由于其发生的频率高，所产生的危害甚至比直接雷电冲击更严重。
4．防雷新措施
4.1绕击雷对500kV输电线路的危害
雷电对输电线路造成危害的形式主要有感应雷与直击雷，对于220kV及超高压输电线路，由于自身绝缘水平较高，感应雷不会构成威胁，雷电危害主要是直击雷的影响。随着雷电定位系统的广泛采用，人们对输电线路雷击故障有了更加清晰的认识，大量的雷击跳闸故障都是由相对较小的l5～30kA左右雷电流绕击引起的。现场数据分析表明，220kV和500kV线路雷电绕击跳闸率占雷击跳闸总数的50％和85％以上，线路绕击呈现如下规律：雷击闪络故障以杆塔边相为主；雷电流幅值较低，一般在l5～30kA左右；耐张转角塔遭雷击比例较高；平原地区也有一定的概率。
4.2防绕击雷避雷针的技术原理
当雷电云层形成时，云层与地面之间产生一个电场，此电场强度达一定值时会使地面凸起部分或金属部件上开始出现电晕放电，当雷电云层内部形成一个下行先导时，雷击放电过程便开始了，下行先导电荷以阶梯形式向地面移动，下行先导携带着的电荷使地面建立起电场。此时，从地面上的建筑物或物体产生了一个上行的先导，此上行先导向上传播一直到与下行先导会合，此时，闪电电流便流过所形成的通道，地面上的其他建筑物可能会生成好几个上行先导，与下行先导会合的第一个上行先导决定了雷击点的位置。而输电线路自控防绕击避雷针串联了小间隙，间隙的存在相当于在避雷针上串联了一个电容，在足够高的雷云场强下，小间隙两极积累电荷，当场强超过小间隙的击穿场强时将小间隙击穿，产生一个比普通避雷针更快的上行先导，因而能够比普通针更加容易吸引雷击。
4.3防绕击雷避雷针的设计与结构
防绕击避雷针的设计，首先最大限度地满足防雷击的电气特性以外，还尽量考虑到其安装于架空电力线路所必需的各项机械性能，满足防雷电绕击的电气特性主要是指降低绕击率。满足安装于架空线路所必需的机械性能主要是指避雷针安装于架空地线应具备：足够的握力；通流能力：抗振动疲劳的能力；抗不均匀覆冰扭转的能力；其频率特性及线夹出口振动角应符合有关标准要求。
4.4防绕击雷避雷针的安装使用
目前的防绕击雷避雷针按不同型号可适用于35～500kV直至lO00kV输电线路地线、截面在35～250mm钢绞线，铝包钢绞线，良导体绞线，光纤复合架空地线等，安装位置主要在架空地线上距铁塔横担中心15m、30m各装1个，每基塔装8个。防绕击雷避雷针的安装步骤是：将避雷针杆安装于线夹下孔(注意对好定位槽)，依次装上平垫圈、套管、平衡球、平垫圈、弹簧垫圈、螺母、螺母拧紧力矩36Nm、插上开口销、掰开销口；在架空地线上安装配套的护线条：将线夹安装于护线条中部，螺栓拧紧力矩65N·m；避雷针杆朝向线路地线外侧，防振锤大锤头朝向铁塔，塔头侧针是防绕击避雷针的配套金具，每基塔装两个。它在铁塔羊角靠最上侧和最外侧的螺栓上水平安装，针杆上扬，并至少伸出羊角外300mm。
四、结束语
总之，对于雷电反击故障，降低接地电阻、加强线路绝缘、加装耦合地线、安装线路避雷器比较有效，对于雷电绕击故障，减小避雷线保护角、安装线路避雷器、加装耦合地线比较有效。对于双回路或多回线路，差绝缘配置有一定效果。
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