JG及ZGUT型鐵塔防繞擊避雷針的應(yīng)用

楊振偉，周江波，代曉光，文曉軍，謝平，王世洪，季芳，陳鍵，黃魯洪

(江西九江供電公司，江西省九江市，332000)

0 引言

國內(nèi)外的實際運行經(jīng)驗表明，雷擊是造成輸電線路跳閘的主要原因［1-4］，而絕大部分雷擊跳閘又是由繞擊引起［5-9］。根據(jù)江西省電力公司所轄輸電線路近年來的跳閘記錄統(tǒng)計，繞擊跳閘占雷擊跳閘故障的80％以上，絕大部分發(fā)生在JG及ZGUT型鐵塔上。據(jù)統(tǒng)計，江西省電力公司所轄輸電線路在運行的JG及ZGUT型鐵塔約占全部桿塔的48％。因此，研究這2種塔型的雷電繞擊跳閘特性，對提高輸電線路運行的可靠性和穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實意義。

1 輸電線路繞擊的原因

雷電繞過避雷針直接擊中導(dǎo)線稱為繞擊，繞擊發(fā)生的概率稱為繞擊率。統(tǒng)計資料表明，大量的雷擊跳閘故障都是由相對較小的雷電流引起。故障狀態(tài)下雷電流幅值不大，一般為15～30 kA，遠(yuǎn)未達(dá)到反擊的耐雷水平［10］。文獻(xiàn)［10］的分析表明，在雷電流相對較小的狀態(tài)下，地線保護角失效、導(dǎo)線暴露弧增加而造成雷電繞擊導(dǎo)線是220 kV及以上輸電線路雷擊跳閘的主要原因。

輸電線路繞擊跳閘的特征［11］為：(1)雷電流幅值較小，一般為10～25 kA；(2)山坡桿塔的邊坡外側(cè)導(dǎo)線及山頂桿塔的繞擊率較高，平原地區(qū)桿塔也有一定發(fā)生概率；(3)接地電阻較小，大多在10Ω以下；(4)耐張轉(zhuǎn)角塔遭雷繞擊的概率較高。

2 輸電線路防繞擊雷的理論依據(jù)

根據(jù)輸電線路多年的運行經(jīng)驗、現(xiàn)場實測和模擬試驗證明，繞擊率與避雷線對邊導(dǎo)線的保護角、桿塔高度以及線路經(jīng)過的地形、地貌和地質(zhì)條件有關(guān)。平原線路為

山區(qū)線路為

式中：Pa為繞擊率；a為保護角，(°)；h為桿塔高度，m。

輸電線路走廊經(jīng)過的地形對輸電線路的繞擊耐雷性能有著顯著影響，文獻(xiàn)［12］指出：山區(qū)線路繞擊率約為平原線路的3倍。

大量的運行經(jīng)驗及計算表明，當(dāng)桿塔高度增加時繞擊率也會增加［13］。隨著桿塔高度的增加，地面的屏蔽效應(yīng)隨之減弱，繞擊區(qū)變大，使更多的雷電擊中導(dǎo)線。當(dāng)桿塔足夠高時，地面的屏蔽作用變得很弱，幾乎所有落入垂直平分線以下區(qū)域的雷都能擊中導(dǎo)線。由此可見，桿塔高度對繞擊率的影響不容忽視，因此，為提高輸電線路的耐雷水平，應(yīng)盡量降低桿塔的高度。

保護角對線路繞擊率影響的計算結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)保護角增大時，繞擊跳閘率呈非線性上升；當(dāng)保護角小于15°時，保護角對繞擊率的影響不大；當(dāng)保護角大于15°時，繞擊率呈倍數(shù)增加，這顯然對線路的防雷保護不利。從圖1的計算結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，保護角對輸電線路的屏蔽性能有相當(dāng)大的影響，保護角越大，線路的繞擊率越大；當(dāng)保護角足夠小甚至為負(fù)值時，線路的繞擊率為0，即認(rèn)為此時避雷線對導(dǎo)線完全屏蔽。

圖1 保護角對線路繞擊率的影響Fig.1 The influence of shielding angle on shielding failure rate of transm ission line

3 JG及ZGUT型鐵塔繞擊跳閘的原因

3.1 雷擊跳閘情況

根據(jù)江西省220 kV及以上輸電線路雷擊情況的調(diào)研表明，在2007—2010年，江西省500 kV線路中有11次雷擊跳閘均為繞擊所致、220 kV線路中則占82％，其中220 kV線路的繞擊大部分發(fā)生在JG型鐵塔上。

通過對其中的典型雷擊跳閘故障的分析，可以發(fā)現(xiàn)220 kV及以上同塔雙回線路雷擊跳閘共發(fā)生15次，且均為繞擊，其中：500 kV線路發(fā)生2次，為中相故障；220 kV線路發(fā)生13次，中相故障11次，上相故障2次。中相故障占總故障次數(shù)的86.7％，可見對于同塔雙回線路，中相是易遭雷電繞擊的薄弱環(huán)節(jié)。另外，在220 kV同塔雙回線路的13次雷擊跳閘中，有10次發(fā)生在ZGUT1型塔上。因此，有必要分析JG及ZGUT這2種塔型的繞擊跳閘原因。

3.2 JG型鐵塔繞擊跳閘的原因

220 kV柘葉線在線路投運后的當(dāng)年，16號鐵塔的中相跳線串多次被雷電繞擊。跳線的防雷保護角為22.6°，絕緣配置為15片防污絕緣子。其中2次繞擊的雷電流分別為－52.2、－32.1 kA，接地電阻分別為1.6、1.5Ω。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，16號鐵塔中相跳線串整串絕緣子有閃絡(luò)痕跡。該塔位于斜山坡上，山坡傾角約為45°，塔型為JG。JG型塔的塔頭在線運行情況如圖2所示。

圖2 JG型塔的塔頭在線運行Fig.2 On-line operation of JG type tower's head

絕緣子串的繞擊耐雷水平為

式中U50％為絕緣子串的沖擊放電電壓。16號鐵塔的繞擊耐雷水平為

研究分析表明，造成16號JG型鐵塔中相跳線串多次遭雷繞擊跳閘的原因是：所處的山坡地形增加了原本已經(jīng)很大的跳線保護角，雷電流幅值遠(yuǎn)超過跳線串的繞擊耐雷水平。

3.3 ZGUT型鐵塔繞擊跳閘的原因

220 kV妙市線16號鐵塔的中相導(dǎo)線多次被雷電繞擊，中相導(dǎo)線的防雷保護角為16°，絕緣配置為復(fù)合絕緣子。其中一次繞擊的雷電流為－22.6 kA，接地電阻為4Ω。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，16號鐵塔中相絕緣子串整串絕緣子有閃絡(luò)痕跡。該塔所處地形為平原，塔型為ZGUT，ZGUT型塔的塔頭在線運行情況如圖3所示。

圖3 ZGUT型塔的塔頭在線運行Fig.3 On-line operation of ZGUT type tower's head

ZGUT型塔的結(jié)構(gòu)特點是中相橫擔(dān)比上層橫擔(dān)長2.25～2.3 m，保護角為16°～17°，比上相保護角大4°左右，因此被雷電繞擊的概率比其他兩相大。

分析表明，造成220 kV妙市線16號塔中相導(dǎo)線多次遭雷電繞擊跳閘的原因是中相保護角較大、雷電流幅值遠(yuǎn)超過絕緣子串的繞擊耐雷水平。

通過對JG及ZGUT這2種塔型繞擊跳閘的原因分析表明，保護角較大是造成這2種塔型遭雷電繞擊的主要原因，而其他如桿塔高度、地形、地貌等因素，雖然對雷電繞擊也有重要的影響，但由于220 kV線路的繞擊耐雷水平僅為12 kA，只要雷電流繞過了架空地線，基本上就會造成線路跳閘。因此，減少JG型塔的中相跳線保護角和ZGUT型塔的中相導(dǎo)線保護角是解決這2種塔型繞擊跳閘的根本方法。

4 JG及ZGUT型鐵塔的防繞擊避雷針

4.1 基本目標(biāo)

安裝在導(dǎo)線懸掛點橫擔(dān)處的防繞擊避雷針，能最大限度地降低JG及ZGUT型鐵塔的繞擊跳閘率，其作用是減小JG型塔的中相跳線保護角和ZGUT型塔的中相導(dǎo)線保護角。

4.2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

防繞擊避雷針長為 1.075和 1 m，質(zhì)量大于10 kg，抗風(fēng)能力不低于35 m/s，保護范圍大于27 m，通流容量不低于1 000 kA。

4.3 運行經(jīng)驗

輸電線路近年來的雷擊跳閘數(shù)據(jù)表明，2010年在繞擊跳閘率較高的220 kV柘葉線安裝JG及ZGUT型鐵塔的防繞擊避雷針(TH型避雷針)4支，經(jīng)過1年的雷雨季節(jié)考驗，實現(xiàn)了零跳閘；2011年初通過了科技成果技術(shù)鑒定，并在220 kV潯妙Ⅰ線、潯妙Ⅱ線、潯沙Ⅰ線、潯沙Ⅱ線、妙市線、潯市線及潯港線進(jìn)行了推廣應(yīng)用。目前已在九江地區(qū)安裝了TH型避雷針約300余套，運行至今未發(fā)現(xiàn)滑移、旋轉(zhuǎn)、松動等異常現(xiàn)象，運行穩(wěn)定、狀況良好，安裝線路均未遭受雷擊。避雷針的在線運行情況如圖4所示。

圖4 避雷針在線運行Fig.4 On-line operation of lightning rod

4.4 技術(shù)經(jīng)濟分析

目前防止雷電繞擊跳閘的主要措施有：安裝線路型避雷器、側(cè)向避雷針、防繞擊避雷針及研發(fā)小保護角塔等。線路型避雷器成本較高，安裝位置難以確定；安裝側(cè)向避雷針后引雷效果增大，增加了被雷電反擊的概率；防繞擊避雷針入網(wǎng)運行時間短且安裝范圍小，防雷效果有待于逐步驗證；開發(fā)小保護角塔屬重大結(jié)構(gòu)調(diào)整，費用較大且仍會屏蔽失效，很少在實際工程中應(yīng)用。

安裝TH型避雷針，可以有效填補常規(guī)防雷方法的不足，更好地降低線路的雷擊跳閘率，并且所需費用較低，因此 TH型避雷針在經(jīng)濟上具有顯著的優(yōu)勢。

5結(jié)論

(1)避雷線屏蔽失效是造成220 kV及以上輸電線路雷擊跳閘的主要原因，因此防雷的重點是防止繞擊雷。

(2)桿塔高度越高、保護角越大，線路繞擊跳閘率也就越高。

(3)TH型避雷針的優(yōu)點在于不需要改變原有線路的布置，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，不需要停電安裝。

(4)TH型避雷針可以減小JG型塔的中相跳線保護角和ZGUT型塔的中相導(dǎo)線保護角，結(jié)構(gòu)簡單、方便加工，是一種提高JG及ZGUT型鐵塔防雷能力的經(jīng)濟、可行的方法，值得進(jìn)一步研究。

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