架空輸電線路雷電防護(hù)研究

韓璐斌

摘 要：由于架空輸電線路常以橫豎交叉的形式在大范圍空曠場(chǎng)地建設(shè)，且離地較高，因此，容易引來(lái)雷電攻擊。為保護(hù)架空輸電線路，對(duì)其加強(qiáng)雷電防護(hù)尤為重要。本文首先分析架空輸電線路的雷電過(guò)電壓的類型，然后提出架空輸電線路雷電防護(hù)措施，如架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、調(diào)整絕緣子爬電距離，以期為架空輸電線的雷電防護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路;過(guò)電壓;防護(hù)措施

中圖分類號(hào)：TM863文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）07-0148-03

Abstract： Because overhead transmission lines are often constructed in a wide range of open space in the form of horizontal and vertical cross， and they are higher off the ground， so it is easy to lead to lightning attack. In order to protect overhead transmission lines， it is very important to strengthen lightning protection. This paper first analyzed the types of lightning over-voltage of overhead transmission lines， and then put forward lightning protection measures for overhead transmission lines， such as erecting lightning wires， reducing tower ground resistance， installing line arresters， adjusting insulator creepage distance， in order to provide reference for lightning protection of overhead transmission lines.

Keywords： overhead transmission line;overvoltage;protective measures

維護(hù)架空輸電線路的穩(wěn)定及安全運(yùn)行對(duì)日常用電及工業(yè)用電有著極其重要的作用，因此對(duì)維護(hù)架空輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行方法的研究顯得尤為重要。在大多數(shù)自然災(zāi)害中，雷電打破架空輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的可能性相對(duì)較大，其對(duì)架空輸電線路造成的損害也較為嚴(yán)重。這主要是因?yàn)榧芸蛰旊娋€路通常以橫豎交叉的形式在大范圍空曠場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè)，且離地較高，容易引來(lái)雷電攻擊。雷電擊中架空輸電線路后會(huì)在其上產(chǎn)生雷電過(guò)電壓，該過(guò)電壓對(duì)輸電線路的沖擊較大。為保護(hù)架空輸電線路，當(dāng)其出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，一般會(huì)采取斷電措施，但這會(huì)打破電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)架空輸電線路承受雷擊的水平以及雷擊后跳閘概率的大小可以判斷架空輸電線路耐雷性能的高低。為了提升架空輸電線路的耐雷性能，可采取架設(shè)避雷線等措施。在選擇雷電防護(hù)措施的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)各類措施的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，從而發(fā)揮其最佳性能。

1 架空輸電線路的雷電過(guò)電壓

1.1 直擊雷過(guò)電壓

架空輸電線路的設(shè)備（桿塔、避雷線或?qū)Ь€）被雷電直接擊中而產(chǎn)生的過(guò)電壓即為直擊雷過(guò)電壓。按照雷擊線路部位的不同，可將直擊雷過(guò)電壓分為兩種類型，即反擊和繞擊。在110 kV或超過(guò)該電壓等級(jí)的架空輸電線路上通常整線配備避雷線，這是為了確保架空輸電線路的全程均能受到相應(yīng)的保護(hù)。雷直擊于有避雷線的架空輸電線路的情形主要有三種，即雷擊桿塔頂部、雷擊避雷線中央部分、繞過(guò)避雷線擊于導(dǎo)線。當(dāng)雷擊架空輸電線路桿塔頂部時(shí)，有較大電流流過(guò)桿塔進(jìn)入大地，該過(guò)程會(huì)對(duì)架空輸電線路桿塔造成一定程度的沖擊。該受擊情形在架空輸電線路中形成的過(guò)電壓遠(yuǎn)大于其他兩種情形，因此避免雷電直接擊中桿塔頂部是架空輸電線路雷電防護(hù)的重中之重。雷電繞過(guò)避雷線擊于架空輸電線路導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線上形成的過(guò)電壓越大，在其上流過(guò)的電流也就越大。

1.2 感應(yīng)雷過(guò)電壓

感應(yīng)雷過(guò)電壓是雷擊線路附近大地，雷云在對(duì)地放電過(guò)程中，放電通道周圍空間的電磁場(chǎng)發(fā)生急劇變化，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的過(guò)電壓。感應(yīng)雷分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，這兩類感應(yīng)的原理有較大的不同。若架空輸電線路導(dǎo)線上未裝配避雷線，則雷電襲擊其周圍大地時(shí)，架空輸電線路上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)雷過(guò)電壓，該感應(yīng)雷過(guò)電壓與架空輸電線路的導(dǎo)線高度以及電流大小等因素有關(guān)。架空輸電線路導(dǎo)線高度及電流增大時(shí)，感應(yīng)雷過(guò)電壓也會(huì)增大，但雷擊點(diǎn)與架空線路之間距離的增加會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)雷過(guò)電壓的降低。感應(yīng)雷過(guò)電壓的幅值比直擊雷過(guò)電壓要低得多，因此其對(duì)高電壓等級(jí)架空輸電線路的影響較小，通常只對(duì)35 kV以下的線路具有危險(xiǎn)性。除此之外，感應(yīng)雷過(guò)電壓的波形變化與直擊雷過(guò)電壓的波形變化有較大差異。感應(yīng)雷過(guò)電壓的波形變化呈現(xiàn)出較為平緩的態(tài)勢(shì)，其波頭和波長(zhǎng)較長(zhǎng)，而直擊雷過(guò)電壓的波形變化十分劇烈。

2 架空輸電線路雷電防護(hù)措施

2.1 架設(shè)避雷線

避雷線常用于電壓等級(jí)較高的架空輸電線路中，通常能有效避免雷電直接擊中架空輸電線路上的導(dǎo)線，從而削弱過(guò)大沖擊電流對(duì)架空輸電線路的直接損害。一般情況下，架空輸電線路基本都裝配有避雷線，而在電壓等級(jí)為超高以及特高的架空輸電線路上會(huì)架設(shè)兩條避雷線，該方式通過(guò)增加避雷線的數(shù)量來(lái)提高避雷線的防雷保護(hù)能力。避雷線保護(hù)角的大小會(huì)對(duì)架空輸電線路的雷電防護(hù)水平產(chǎn)生較大影響，我們需要通過(guò)對(duì)避雷線保護(hù)角的調(diào)整來(lái)提升線路的雷電防護(hù)能力。在相同條件下，避雷線的保護(hù)角越小，架空輸電線路的耐雷水平越高。降低避雷線的保護(hù)角，可以大大地降低輸電線路的雷擊繞擊率，從而較好地預(yù)防雷擊故障。

2.2 降低桿塔接地電阻

降低桿塔接地電阻對(duì)于防范雷擊有著重要的意義[1]。雷電電擊絕緣電阻較大的架空輸電線路時(shí)，架空輸電線路的桿塔頂部會(huì)形成較高的電位，絕緣子將會(huì)承受更大的電壓，更容易被擊穿，若架空輸電線路上的絕緣子被擊穿，則會(huì)破壞電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài);與此同時(shí)，在線路桿塔的絕緣電阻小的情況下，雷擊桿塔時(shí)，桿塔頂部電位更小，絕緣子將會(huì)承受更小的電壓，不容易被擊穿。降低絕緣電阻的方法較多，如延長(zhǎng)接地體長(zhǎng)度[1]，增加接地體的埋地深度，使用新型石墨烯接地體，使用降阻劑等。合理利用這些方法能夠?qū)档蜅U塔接地電阻起到較好的效果，進(jìn)而提升架空輸電線路自身的雷電防護(hù)能力。

2.3 安裝線路避雷器

跳閘事故的發(fā)生對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及人民用電保障性的破壞都是極為嚴(yán)重的，在架空輸電線路上安裝避雷器能有效減少雷電擊中線路后發(fā)生跳閘事故的次數(shù)。避雷器結(jié)構(gòu)性能的不同使得它們的應(yīng)用場(chǎng)合有所不同，因此在不同場(chǎng)合下應(yīng)選擇適宜的避雷器，才能充分發(fā)揮其防雷保護(hù)能力。避雷器的種類有很多，主要包括管型避雷器、閥型避雷器以及氧化鋅避雷器。其中，管型避雷器由兩個(gè)串聯(lián)間隙組成，一個(gè)間隙在大氣中，稱為外間隙，它的任務(wù)就是隔離工作電壓，避免產(chǎn)氣管被流經(jīng)管子的工頻泄漏電流所燒壞;另一個(gè)裝設(shè)在氣管內(nèi)，稱為內(nèi)間隙或者滅弧間隙，管型避雷器的滅弧能力與工頻續(xù)流的大小有關(guān)，且受工頻續(xù)流的影響較大。管型避雷器大多用在供電線路上作避雷保護(hù)。閥型避雷器內(nèi)部由火花間隙和碳化硅制造的非線性電阻片組成，具有較好的保護(hù)特性，因而被廣泛應(yīng)用于各種電壓等級(jí)的線路和電氣設(shè)備上。氧化鋅避雷器被廣泛應(yīng)用于架空輸電線路上，這是因?yàn)檠趸\避雷器具有其他類型避雷器所不具備的特性，這一特性對(duì)架空輸電線路的雷電防護(hù)極為適用。對(duì)于操作不當(dāng)產(chǎn)生的過(guò)電壓以及雷電在線路中形成的過(guò)電壓，氧化鋅避雷器均能發(fā)揮良好的抑制作用，這得益于氧化鋅良好的非線性伏安特性[2]。利用氧化鋅良好的非線性伏安特性，使在正常工作電壓時(shí)流過(guò)避雷器的電流極小（微安或毫安級(jí)）;當(dāng)過(guò)電壓作用時(shí)，電阻急劇下降，泄放過(guò)電壓的能量，達(dá)到保護(hù)的效果。氧化鋅避雷器在受到雷擊時(shí)，能將雷擊電流導(dǎo)入地下[3]，進(jìn)而削弱過(guò)大的電流對(duì)架空輸電線路帶來(lái)的損傷，且避雷器能在雷擊結(jié)束后快速恢復(fù)到原狀態(tài)，有效提升了架空輸電線路雷電防護(hù)的快速性。除此之外，氧化鋅避雷器對(duì)污染的抵抗能力較強(qiáng)，能較好地適應(yīng)惡劣的環(huán)境，這也符合了架空輸電線路通常所處的環(huán)境條件。與其他避雷器相比，其質(zhì)量相對(duì)較輕，這一特點(diǎn)也使得其在架空輸電線路上的裝配變得較為便利。

2.4 調(diào)整絕緣子爬電距離

調(diào)整線路絕緣子爬電距離也能對(duì)架空輸電線路的雷電防護(hù)起到一定作用，選擇合理的調(diào)整方式尤為重要。調(diào)整絕緣子爬電距離的方式為：將絕緣子上的絕緣片片數(shù)增大到一個(gè)合理的數(shù)值;改變架空輸電線路上裝配的絕緣子類型。不同類型的絕緣子對(duì)架空輸電線路絕緣子爬電距離的調(diào)整效果有著較大的區(qū)別，因此在對(duì)其調(diào)整之前應(yīng)充分了解絕緣子的相關(guān)特性。通過(guò)合理調(diào)整絕緣子爬電距離，可以提高架空輸電線路的最大擊穿電壓以及整條線路對(duì)雷擊的耐受能力，從而提高架空輸電線路的絕緣能力。需要注意的是，在利用該方法實(shí)現(xiàn)對(duì)架空輸電線路雷電防護(hù)的同時(shí)，應(yīng)使架空輸電線路及變電站的絕緣能力保持基本一致。若未達(dá)到這一條件，雷擊于架空線路后產(chǎn)生的電波有可能對(duì)變電站設(shè)備造成破壞，進(jìn)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)架空輸電線路絕緣能力的提升應(yīng)保持在合理的范圍之內(nèi)，否則將會(huì)打破電力系統(tǒng)各組成部分之間的平衡狀態(tài)，這對(duì)電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行也是極為不利的。

2.5 加裝保護(hù)間隙

對(duì)架空輸電線路的雷電防護(hù)不能只通過(guò)阻塞的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可采用“疏導(dǎo)式”防雷保護(hù)作為“堵塞式”防雷措施的有力補(bǔ)充，如在架空輸電線路上裝配并聯(lián)保護(hù)間隙。并聯(lián)間隙應(yīng)在裝配于各絕緣子之間，從而使得雷電擊于架空輸電線路時(shí)產(chǎn)生的閃絡(luò)發(fā)生在并聯(lián)間隙中，進(jìn)而使雷電對(duì)線路的損傷降到最低。在裝配保護(hù)間隙時(shí)，需要保證架空輸電線路上的絕緣子長(zhǎng)度大于招弧角。在這一條件下加裝保護(hù)間隙能對(duì)工頻電弧的疏通引導(dǎo)起到較好的作用，同時(shí)能促進(jìn)工頻電場(chǎng)的合理化改進(jìn)。由此可以看出加裝保護(hù)間隙能夠較好地以另一種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)架空輸電線路的雷電防護(hù)，且為輸電線路的雷電防護(hù)提供了一種新的思路。

2.6 安裝可控放電避雷針

可控放電避雷針是一種安裝在輸電線路桿塔頂部的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的避雷針裝置，常裝配于電壓等級(jí)為500 kV的架空輸電線路上。當(dāng)雷電擊架空輸電線路時(shí)，可控放電避雷針的應(yīng)用能降低線路的繞擊率，從而降低線路的雷擊跳閘率。當(dāng)可控放電避雷針安裝處附近的地面電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，雷云不會(huì)對(duì)避雷針保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的地面內(nèi)的地面物體發(fā)生放電，此時(shí)可控放電避雷針針頭（由主放電針、可控放電均壓環(huán)、可控儲(chǔ)能裝置組成）的可控儲(chǔ)能裝置處于儲(chǔ)存雷云電場(chǎng)能量工況，可控放電均壓環(huán)和主放電針處于同等電位且為浮動(dòng)狀態(tài)，與周圍大氣電位差小，針尖頭部的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，因此幾乎不發(fā)生電暈放電，即保證了空間電荷很少的要求。通過(guò)對(duì)可控放電避雷針在架空輸電線路受雷擊時(shí)作用過(guò)程的分析，可以得到該措施能有效降低雷擊輸電線路所帶來(lái)的損傷，其作用突出表現(xiàn)在降低跳閘率以及抑制電暈放電等方面。

2.7 架設(shè)耦合地線

架設(shè)耦合地線是一種有效降低線路反擊跳閘率的防雷措施。對(duì)于某些建成投運(yùn)后雷擊故障頻發(fā)的線段，可以采用在導(dǎo)線下方架設(shè)地線的措施。架設(shè)耦合地線在架空輸電線路的雷電防護(hù)過(guò)程中通常具有兩方面的作用，一方面增加避雷線與導(dǎo)線間的耦合作用，以降低絕緣子串上的電壓;另一方面，耦合地線還可增加對(duì)雷電流的分流作用。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，耦合地線對(duì)降低雷擊跳閘率的作用非常顯著。這一良好的特性使得耦合地線在架空輸電線路雷電防護(hù)中的應(yīng)用較為廣泛。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究可知，直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓對(duì)不同電壓等級(jí)的架空輸電線路的影響程度不同。因此，對(duì)于不同的過(guò)電壓現(xiàn)象，應(yīng)采取適宜的雷電防護(hù)措施。

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