輸電線路雷擊架空地線斷線的原因分析及防雷措施

摘 要:本文對輸電線路雷擊架空地線斷線的原因分析及防雷措施進行了探討。可為工程技術人員參考。

關鍵詞:輸電線路雷擊斷線架空地線

中圖分類號:TM862文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0139-01

架空輸電線路的雷擊跳閘一直是困擾安全供電的一個難題。電網中的事故以輸電線路的故障占大部分，輸電線路的故障又以雷擊跳閘占的比重較大，尤其是在山區的輸電線路中，線路故障基本上是由于雷擊跳閘引起的，雷害事故幾乎占線路全部跳閘事故1/3或更多，因此，尋求更有效的線路防雷保護措施，降低輸電線路的故障，一直是世界各國電力工作者關注的課題。

1 雷擊架空地線斷線原因分析

雷擊引起導地線斷股或在懸垂線夾處斷線的故障比較常見，雷直擊架空地線斷線的故障亦時有發生。究其原因，值得探討。

1.1 雷電流的熱效應

雷擊架空地線時，雷擊點的電流密度最大，溫度最高，雷電弧的溫度可達數千K。雖然雷電流在通過導體時，其熱效應是不大的，但是當雷擊導體時，在直接與放電通道相接觸的地方卻可能受到高溫的作用，有時可以使金屬熔化達幾毫米的深度。這個現象很可能是有些架空地線不正常斷股的原因。雷電流的電弧熱效應可看作為絕熱過程。由于雷電流的電弧熱效應引起導地線的溫升可以通過熱平衡方程式(1)計算:

i(t)2Rθdt=Cθmdθ (1)

式中i(t):雷電流或短路電流(A);

Rθ:雷電流雷擊點附近電弧的電阻或短路電流通過的溫度為θ℃的導體的電阻(Ω);

Cθ:溫度為θ℃時導體的比熱容(焦/kg℃);

M:導體的質量(kg)。

由于雷電流的大部分能量集中在電弧上，而電弧作用點很小(即m很小)，因此雷電流的電弧引起導地線的溫升很高。研究發現，在用29-57kA的振蕩波(相當于48-95kA20/40微秒的雷電波)沖擊于Ф1.8股徑的GJ-50鋼絞線時鋼絲雖不致熔斷，但已受到程度不同的燒傷;用57kA的振蕩波沖擊中3.0鋼絲時，僅鍍鋅層受損;沖擊中Ф1.8鋼絲時立即熔斷。這說明，僅用雷電流的熱效應仍難以解釋雷直擊導線斷線的原因;但說明了，不同大小的鋼絲，Cθm是不同的，這就是為什么細股的鋼絞線容易斷股的原因。

1.2 雷電流的沖擊效應

曾有記載雷電劈開百年大樹和將鋼筋混凝土擊出一個大洞的現象，這說明雷電有較大的機械沖擊力(即雷電流的沖擊效應)，當導地線遭受雷擊時，如果雷電沖擊波的沖量大于導地線所能耐受的沖量，導地線將被打斷。雷電沖擊波的沖量決定于雷電流的幅值和波長，導地線所能耐受的沖量決定于它的結構和狀態。設沖擊雷電流的沖量為A，則

A=M∫0i(t)dt=MQ (2)

式中A:雷電流的沖量(N·S);

M:測定常數，其物理意義為每千安的沖擊雷電流所形成的沖擊波壓力(N/kA);

i(t):雷電流的瞬時值(kA);

Q:電量即Q=∫0i(t)dt。

1.3 工頻短路電流的熱效應

雷擊架空地線斷線的同時幾乎伴隨著絕緣子閃絡放電，由于地線一桿塔系統的阻抗(電阻)遠小于被雷擊放電接地的桿塔，在雷擊放電接地的桿塔，大部分的工頻續流分流到架空地線上。設桿塔平均接地電阻Rav=15Ω，地線平均檔距電阻rav=3.7/1000*300=1.1Ω，則每側桿塔數大于20每側的地線一桿塔系統的的接地電阻R=(Rav*rav)1/2=4.1Ω，有44%的短路電流流過雷擊點架空地線。由于雷擊瞬間使架空地線的溫度驟升，電阻大為增加(即Rθ增加)，進一步使溫升提高。由于短路電流的作用時間長(0.2s以上)，雖然短路電流值比雷電流小，但作用時間長，能量大于雷電流能量，在其共同作用下，進一步提高了雷擊點的溫升。鍍鋅鋼絞線的短路允許溫度為+400℃。

短路電流熱穩定計算公式:

I=C/(0.24*α0*R0*T)*In((α0*(t2-20)+l)/(α0*(t1-20)+l))(3)

I:地線驗算短路熱穩定允許電流，A;

C:載流部分的熱容量，cal/℃/cm;

α0:載流部分20℃時的電阻溫度系數，l/℃;

R0:載流部分20℃時的電阻，Ω/cm;

T:計算短路熱穩定的時間，s;

t1:地線的初始溫度，℃;

t2:地線短路熱穩定允許溫度，℃。

地線的初始溫度取最高氣溫40℃，并考慮雷擊造成的升溫分別取100℃、150℃、200℃進行計算，對于GJ-25、GJ-35的鋼絞線的短路熱穩定允許電流，在取短路熱穩定的時間為.04s時，只有3kA、4kA，難以滿足熱穩定要求，尤其在雷電流同時作用加熱時，其短路熱穩定允許電流更小。在用GJ-50以上較大的鋼絞線時，在變電站進線段短路也難以滿足要求，應采用措施。架空地線短路熱穩定允許電流小是雷擊架空地線斷線的主要原因，而懸垂線夾處為薄弱環節，則更容易斷線。

1.4 設計規程和設計考慮欠妥

設計規程只對短路電流的熱穩定作出要求，沒有對雷電流和短路電流共同作用下的熱穩定作出要求。而設計部門在設計時，通常按照地線與導線的最小配合進行地線設計，沒有認真按照規程進行地線的熱穩定校驗。

2 預防雷擊架空地線斷線的建議

(1)預防雷擊永久性故障的有效措施。①防止雷擊絕緣子掉串的有效措施:把好設計關，優先選用玻璃絕緣子，禁止采用瓷絕緣子，防止絕緣子設計不合要求;按周期檢測瓷零值絕緣子并通過火花間隙試驗和檢查以提高其零值檢出率;逐步更換瓷絕緣子為玻璃絕緣子，以減少測零工作;②防止架空地線斷線的有效措施:安裝避雷線的附加引流線以增加分流，減少流過懸垂線夾的電流，防止架空地線在線夾處斷線;把好設計關，選用GJ-50及以上的鋼絞線，禁止采用GJ-35及以下的鋼絞線和細股的鋼絞線，以提高架空地線的熱穩定性。對懸垂線夾與耐張線夾、聯結金具等金具的熱穩定作出要求，規定其應能耐。(2)提高耐雷水平，減少雷擊的有效措施。①對于220kV線路，在山區，以繞擊雷擊為主，所占比例約為80%～90%;在平原、丘陵地區，以反擊雷擊為主，繞擊所占比例約為10%～30%。混有30%左右山區線路，繞擊率與反擊率基本相等。選擇良好的具有自然屏蔽的防雷走廊、降低接地電阻、減少保護角、加強絕緣是最有效的防雷措施。②加強絕緣是見效快投資省，也是可行的防雷措施。③降低接地電阻的改造，要嚴格進行管理，提高工程質量，新舊地網必須多點連接，山區、雷擊頻繁區的改造，不能照搬原設計，必須采用最大多射線、多閉環、垂直集中接地，以達到在降低接地電阻的同時，減少地網的電感。④由于繞擊占很大比例，尤其在山區，占絕對多數，因此在眾多防雷措施中，減少保護角是最有效的。在運行線路，要調查其雷擊頻繁段，在雷擊頻繁段考慮進行單改雙避雷線、減少雙避雷線的保護角的改造。在無法進行改造的線路，可考慮采用桿頭局部加強屏蔽的形式減少保護角。⑤雷擊頻繁桿較少、接地電阻大的的線路，投資資金加足夠的線路避雷器，可以有效防止雷擊跳閘。

3 結語

輸電線路發生雷擊跳閘的原因是多方面的，在選擇線路防雷措施前必須先查明線路遭受雷擊的原因，再對癥下藥，采取一些有針對性的措施，防雷工作才能起到實效，線路雷擊跳閘率才有可能從根本上得到控制。