雍文濤 安徽省黃山市供電公司線路工區(qū)
1、概述
1.1項目背景
輸電工程伊始，架空輸電線路和雷擊跳閘一直是困擾安全供電的一個難題，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(hù)措施，一直是電力工作者關(guān)注的課題。
黃山電網(wǎng)處于安徽電網(wǎng)末端的皖南山區(qū)，山巒起伏、地形劇變、峰高谷深，現(xiàn)有的35-220KV線路長度達(dá)650余km、桿塔2022基，約85%均分布在山區(qū)。線路所經(jīng)地區(qū)為多雷區(qū)，黃山地區(qū)年均雷暴日達(dá)55-70之間。由于黃山電網(wǎng)處于系統(tǒng)未端，主電源線路為兩條220KV寧萬2895、2896線及110KV陳太484、績金916線路，黃山市作業(yè)國際性的旅游都市，每年政治保電、接待任務(wù)繁重，其特殊性對黃山電網(wǎng)的安全運行提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。而地處皖南的黃山電網(wǎng)，線路雷擊跳閘是整個電網(wǎng)跳閘的重要原因，經(jīng)常占到跳閘總數(shù)的80-90%。且由于線路大多處于高山大嶺，降低雷擊跳部率對于日常線路設(shè)備的運行維護(hù)人員來說將大大降低勞動強(qiáng)度，因此如何有效防止雷擊故障的發(fā)生，對防雷措施進(jìn)行綜合研究，盡量降低雷擊跳閘率，其效益是不僅僅用金錢來衡量的。山區(qū)線路防雷綜合措施主要分成三個方面，它們是：安裝線路避雷器、桿塔接地電網(wǎng)改造和安裝可控放電避雷針。這些措施將從防止直擊雷跳閘、反擊雷跳閘兩個方面對線路防雷起到綜合作用。
1.2行業(yè)現(xiàn)狀
目前輸電線路本身的防雷措施主要依靠架設(shè)在桿塔頂端的架空地線，其運行維護(hù)工作中主要是對桿塔接地電阻的檢測及改造。由于其防雷措施的單一性，無法達(dá)到防雷要求。而以前所推行的安裝耦合地線、增強(qiáng)線路絕緣水平的防雷措施，受到一定的條件限制而無法得到有效實施，如通常采用增加絕緣子片數(shù)或更換為大爬距的合成絕緣子的方法來提高線路絕緣，對防止雷擊塔頂反擊過電壓效果較好，但對于防止繞擊則效果較差，且增加絕緣子片數(shù)受桿塔頭部絕緣間隙及導(dǎo)線對地安全距離的限制，因此線路絕緣的增強(qiáng)也是有限的。而安裝耦合地線則一般適用于丘陵或山區(qū)跨越檔，可以對導(dǎo)線起到有效的屏蔽保護(hù)作用，用等擊距原理也就是降低了導(dǎo)線的暴露弧段。但其受桿塔強(qiáng)度、對地安全距離、交叉跨越及線路下方的交通運輸?shù)纫蛩氐挠绊�，因此架設(shè)耦合地線對于舊線路不易實施。因此研究不受條件限制的線路防雷措施就顯得十分重要，將安裝線路避雷器、降低桿塔接地電阻、安裝可控放電避雷針進(jìn)行綜合分析運用，從它們對防止雷擊形式的針對性出發(fā)，真正做到切實可行而又能收到實際效果。
1.3項目目標(biāo)
通過進(jìn)行安裝線路避雷器、降低桿塔接地電阻、安裝可控放電避雷針三種措施的綜合運用，有效降低線路跳閘率。從而大大提高黃山電網(wǎng)的安全可靠運行水平，確保城市旅游業(yè)及工農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)生活用電。
1.3.1雷擊跳閘分析
高壓送電線路遭受雷擊的事故主要與四個因素有關(guān)：線路絕緣子的50%放電電壓；有無架空地線；雷電流強(qiáng)度；桿塔的接地電阻。高壓送電線路各種防雷措施都有其針對性，因此，在進(jìn)行高壓送電線路設(shè)計時，我們選擇防雷方式首先要明確高壓送電線路遭雷擊跳閘原因。
1)高壓送電線路繞擊成因分析
根據(jù)高壓送電線路的運行經(jīng)驗、現(xiàn)場實測和模擬試驗均證明，雷電繞擊率與避雷線對邊導(dǎo)線的保護(hù)角、桿塔高度以及高壓送電線路經(jīng)過的地形、地貌和地質(zhì)條件有關(guān)。對山區(qū)的桿塔，計算公式是：
山區(qū)高壓送電線路的繞擊率約為平地高壓送電線路的3倍。山區(qū)設(shè)計送電線路時不可避免會出現(xiàn)大跨越、大高差檔距，這是線路耐雷水平的薄弱環(huán)節(jié)；一些地區(qū)雷電活動相對強(qiáng)烈，使某一區(qū)段的線路較其它線路更容易遭受雷擊。
2)高壓送電線路反擊成因分析
雷擊桿、塔頂部或避雷線時，雷電電流流過塔體和接地體，使桿塔電位升高，同時在相導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。如果升高塔體電位和相導(dǎo)線感應(yīng)過電壓合成的電位差超過高壓送電線路絕緣閃絡(luò)電壓值，即Uj ＞ U50%時，導(dǎo)線與桿塔之間就會發(fā)生閃絡(luò)，這種閃絡(luò)就是反擊閃絡(luò)。
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序號 |
對照項目 |
反擊 |
繞擊 |
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1 |
雷電流測量 |
電流較大(結(jié)合電流路徑) |
電流較小(結(jié)合電流路徑) |
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2 |
接地電阻 |
大 |
小 |
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3 |
閃絡(luò)基數(shù)及相數(shù) |
一基多相或多基多相 |
單基單相或相臨兩基同相 |
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4 |
塔身高度 |
較高 |
較低 |
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5 |
地形特點 |
一般，不易繞擊 |
山坡及山頂易繞擊處 |
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6 |
閃絡(luò)相別 |
耐雷水平低相(如下相) |
易繞擊的相(如上相) |
由以上公式可以看出，降低桿塔接地電阻Rch、提高耦合系數(shù)k、減小分流系數(shù)β、加強(qiáng)高壓送電線路絕緣都可以提高高壓送電線路的耐雷水平。在實際實施中，我們著重考慮降低桿塔接地電阻Rch和提高耦合系數(shù)k的方法作為提高線路耐雷水平的主要手段。
2 .高壓送電線路防雷措施
清楚了送電線路雷擊跳閘的發(fā)生原因，我們就可以有針對性的對送電線路所經(jīng)過的不同地段，不同地理位置的桿塔采取相應(yīng)的防雷措施。
�、� 加強(qiáng)高壓送電線路的絕緣水平。高壓送電線路的絕緣水平與耐雷水平成正比，加強(qiáng)零值絕緣子的檢測，保證高壓送電線路有足夠的絕緣強(qiáng)度是提高線路耐雷水平的重要因素。我們在設(shè)計高壓線路時充分比較各種絕緣子的性能，分析其特性，認(rèn)為玻璃絕緣子有較好的耐電弧和不易老化的優(yōu)點，并且絕緣子本身具有自潔性能良好和零值自爆的特點。特別是玻璃是熔融體，質(zhì)地均勻，燒傷后的新表面仍是光滑的玻璃體，仍具有足夠的絕緣性能，所以設(shè)計中我們多考慮采用玻璃絕緣子。
2.1 線路避雷器安裝
運用高壓送電線路避雷器。由于安裝避雷器使得桿塔和導(dǎo)線電位差超過避雷器的動作電壓時，避雷器就加入分流，保證絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。我們在雷擊跳閘較頻繁的高壓送電線路上選擇性安裝避雷器。
線路避雷器一般有兩種：一種是無間隙型；避雷器與導(dǎo)線直接連接，它是電站型避雷器的延續(xù)，具有吸收沖擊能量可靠，無放電時延、串聯(lián)間隙在正常運行電壓和操作電壓下不動作，避雷器本體完全處于不帶電狀態(tài)，排除電氣老化問題；串聯(lián)間隙的下電極與上電極（線路導(dǎo)線）呈垂直布置，放電特性穩(wěn)定且分散性小等優(yōu)點；另一種是帶串聯(lián)間隙型，避雷器與導(dǎo)線通過空氣間隙來連接，只有在雷電流作用時才承受工頻電壓的作用，具有可靠性高、運行壽命長等優(yōu)點。一般常用的是帶串聯(lián)間隙型，由于其間隙的隔離作用，避雷器本體部分(裝有電阻片的部分)基本上不承擔(dān)系統(tǒng)運行電壓，不必考慮長期運行電壓下的老化問題，且本體部分的故障不會對線路的正常運行造成隱患。
線路避雷器防雷的基本原理：雷擊桿塔時，一部分雷電流通過避雷線流到相臨桿塔，另一部分雷電流經(jīng)桿塔流入大地，桿塔接地電阻呈暫態(tài)電阻特性，一般用沖擊接地電阻來表征。
雷擊桿塔時塔頂電位迅速提高，其電位值為
Ut=iRd+L.di/dt(1)
式中 i——雷電流；
Rd——沖擊接地電阻；
L.di/dt——暫態(tài)分量。
當(dāng)塔頂電位Ut與導(dǎo)線上的感應(yīng)電位U1的差值超過絕緣子串50%的放電電壓時，將發(fā)生由塔頂至導(dǎo)線的閃絡(luò)。即Ut-U1＞U50，如果考慮線路工頻電壓幅值Um的影響，則為Ut-U1+Um＞U50。因此，線路的耐雷水平與3個重要因素有關(guān)，即線路絕緣子的50%放電電壓、雷電流強(qiáng)度和塔體的沖擊接地電阻。一般來說，線路的50%放電電壓是一定的，雷電流強(qiáng)度與地理位置和大氣條件相關(guān)，不加裝避雷器時，提高輸電線路耐雷水平往往是采用降低塔體的接地電阻，在山區(qū)，降低接地電阻是非常困難的，這也是為什么輸電線路屢遭雷擊的原因。
加裝線路避雷器以后，當(dāng)輸電線路遭受雷擊時，雷電流的分流將發(fā)生變化，一部分雷電流從避雷線傳入相臨桿塔，一部分經(jīng)塔體入地，當(dāng)雷電流超過一定值后，避雷器動作加入分流。大部分的雷電流從避雷器流入導(dǎo)線，傳播到相臨桿塔。雷電流在流經(jīng)避雷線和導(dǎo)線時，由于導(dǎo)線間的電磁感應(yīng)作用，將分別在導(dǎo)線和避雷線上產(chǎn)生耦合分量。因為避雷器的分流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從避雷線中分流的雷電流，這種分流的耦合作用將使導(dǎo)線電位提高，使導(dǎo)線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡(luò)電壓，絕緣子不會發(fā)生閃絡(luò)，因此，線路避雷器具有很好的鉗電位作用，這也是線路避雷器進(jìn)行防雷的明顯特點。鑒于上述原理，在分析黃山電網(wǎng)雷擊跳閘資料的基礎(chǔ)上，有選擇的在110kV陳太484線29#、110kV苦太911線17#、110kV萬巖922線22#塔共計安裝了9只帶串聯(lián)間隙的YH10CX-95/300型金屬氧化物避雷器、在110kV黟祁941線2#、110kV巖金918線77#塔安裝了6只無間隙的HY10WZ-108/281型金屬氧化物避雷器掛網(wǎng)同時運行。線路工區(qū)結(jié)合巡視工作，每年雷季前進(jìn)行避雷器動作情況檢查，雷季結(jié)束進(jìn)行記錄。自掛網(wǎng)運行以來，黟祁941線2#無間隙避雷器發(fā)現(xiàn)有動作次數(shù)記錄，分別是：A相動作一次、C相動作兩次。說明避雷器對防止雷擊跳閘起到了一定的作用，但由于其費用較高，且安裝區(qū)段與歷年來的雷擊記錄點密切聯(lián)系，故綜合考慮后未進(jìn)行行推廣運用。
2.2桿塔接地網(wǎng)改造
降低桿塔的接地電阻。高壓送電線路的接地電阻與耐雷水平成反比，根據(jù)各基桿塔的土壤電阻率的情況，盡可能地降低桿塔的接地電阻，這是提高高壓送電線路耐雷水平的基礎(chǔ)，是最經(jīng)濟(jì)、有效的手段。對于土壤電阻率較高的疑難地區(qū)的線路，則應(yīng)跳出原有設(shè)計參數(shù)的框框，特別是要強(qiáng)化降阻手段的應(yīng)用，如增加埋設(shè)深度，延長接地極的使用，就近增加垂直接地極的運用
由于我局部分線路是七八十年代投運的老線路,桿塔接地網(wǎng)在建設(shè)時使用的材料質(zhì)量差、截面小和埋設(shè)深度不夠等原因，接地電阻值長期以來偏大，特別是經(jīng)歷了多年的運行，大部分接地體銹蝕嚴(yán)重，降低了線路的耐雷水平。因此在2002年進(jìn)行安全性評價的機(jī)會，對35-220kV線路桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行行了一次普測接地電阻，并與設(shè)計資料進(jìn)行比較，分析總結(jié)進(jìn)行了244基桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一改造。為確保改造工作方便實施，對不同的桿塔型式我們采用φ12的園鋼進(jìn)行了接地網(wǎng)統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一加工，并熱鍍鋅，避免了高山大嶺上進(jìn)行施工焊接造成工藝質(zhì)量不合格等的可能，同時也減少了野外工作量，大大降低勞動強(qiáng)度，加快改造速度。通地改造使桿塔地網(wǎng)的接地電阻值大幅度降低，從而使線路的耐雷水平從理論上得到大大提高。特別是一次性對110kV績金918線路8-77#全線七十年代的桿塔進(jìn)行了統(tǒng)一改造，對提高該線路整體防雷水平起到了一定的作用。該線路在改造后的2004年至今近兩個雷雨年度里未發(fā)生過雷擊故障。這次改造是很成功的，也說明了降低地網(wǎng)接地電阻是防雷較為有效的措施。
2.2.1設(shè)計接地網(wǎng)改造型式
方案：利用絕緣搖表采用四極法進(jìn)行土壤電阻率的測試，以及采用智能接地電阻測試儀,直測土壤電阻率。根據(jù)測試的土壤電阻率的結(jié)果進(jìn)行比較再根據(jù)設(shè)計時所給予的接地裝置的型式，確定最終的接地體的敷設(shè)方案。
有架空地線路的線路桿塔的接地電阻
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土壤電阻率（歐·米） |
100及以下 |
100以上至500 |
500以上至1000 |
1000以上至2000 |
2000以上 |
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工頻接地電阻（歐） |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
（一）、接地放射線
1、土壤電阻率在1000歐·米及以下的桿塔：采用四根放射線不小于27米的φ12圓鋼（熱鍍鋅）進(jìn)行敷設(shè)并焊接。
2、土壤電阻率在1000~2000歐·米的桿塔：采用四根放射線不小于55米的φ12圓鋼（熱鍍鋅）進(jìn)行敷設(shè)并焊接
3、土壤電阻率在2000歐·米以上的桿塔：采用六至八根放射線不小于80米的φ12圓鋼（熱鍍鋅）進(jìn)行敷設(shè)并焊接。
（二）、桿塔接地裝置埋深：在300<ρ≤2000歐·米的地區(qū)，一般采用水平敷設(shè)的接地裝置，接地體埋深不得小于0.5米；在ρ>2000歐·米的地區(qū)，可采用6~8根總長度不超過500米放射形接地體，或連續(xù)伸長接地體，放射形接地體可采用長短結(jié)合的方式，接地體埋深不得小于0.3米。
（三）、接地電阻值不能滿足要求時，可適當(dāng)延伸接地體射線，直至電阻值滿足要求為止，個別山區(qū)，如巖石地區(qū)，當(dāng)射線已達(dá)8根80米以上者，可不再延長。
（四）、放射形接地體每根的最大長度，應(yīng)根據(jù)土壤電阻率確定：
ρ（歐·米）≤500≤2000 ≤5000
最大長度（米）4080100
（五）、接地體的連接：采用搭接方式，兩接地體搭接長度不得小于75mm。
（六）、防腐：焊接部位必須處理干凈再做防腐處理。
（七）、為了減少相鄰接地體的屏蔽作用，水平接地體之間的接近距離不得小于5米。
四、采取的措施：
1、對110kV巖草915線路安評中測出的接地電阻不合格的桿塔的接地電阻進(jìn)行重新測試；并測試土壤電阻率。
2、對安評中查出的接地電阻不合格的桿塔接地放射線進(jìn)行開挖檢查，如只有兩根放射線，應(yīng)重新對本桿塔的未敷設(shè)放射線側(cè)進(jìn)行重新敷設(shè)，并進(jìn)行焊接。
3、對檢查中發(fā)現(xiàn)已爛斷或無接地引下線的桿塔接地裝置進(jìn)行焊接，并對接地電阻重新測試，不符合規(guī)定的重新進(jìn)行敷設(shè)。
4、對被澆灌在保護(hù)帽內(nèi)的接地引下線，采取的方式可為將引下線從保護(hù)帽內(nèi)敲出，再重新澆灌保護(hù)帽或?qū)⒁戮�鋸斷重新進(jìn)行焊接。
5、對重新敷設(shè)的接地電阻不合格的桿塔,再次使用降阻劑進(jìn)行改造。
3.3 使用可控放電避雷針
該針以變化緩慢的小電流上行雷閃放形式釋放雷云電荷，避免強(qiáng)烈的下行雷閃放電危害為設(shè)計基礎(chǔ)。通過數(shù)千次高壓放電試驗證實它引發(fā)的是上行雷，具有保護(hù)可靠性提高、范圍大，且不受保護(hù)物高度影響等特點。經(jīng)專家評議認(rèn)為：原理正確，設(shè)計思想新穎，保護(hù)性能好，是一種有廣泛應(yīng)用前景的直擊雷保護(hù)設(shè)置。
可控放電避雷針的保護(hù)原理
雷云對地面物體放電不外乎以下兩種方式：上行雷閃和下行雷閃。
一般來說，下行雷閃時，先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過程發(fā)生在地面附近，所以電荷供應(yīng)充分，放電過程來的迅猛，造成雷電流副值大，陡度高；上行雷閃，一般沒有自上相下的主放電，它的放電電流由不斷向上發(fā)展的先導(dǎo)過程產(chǎn)生，即使有主放電因雷云向主放電通道供應(yīng)的電荷困難，所以放電電流副值小，且陡度低。
系統(tǒng)特色
根據(jù)尾部帶金屬線的火箭比高層建筑更容易引發(fā)上行雷的經(jīng)驗分析得出，要成功地引發(fā)上行雷，針頭需要達(dá)到以下要求：在引發(fā)的上行雷發(fā)生之前，針頭附近的空間電荷應(yīng)盡量少，以便于自主針針尖向上發(fā)展放電脈沖。當(dāng)需要引發(fā)上行雷時，針尖處的電場強(qiáng)度應(yīng)足夠高，以迅速產(chǎn)生放電脈沖。
保護(hù)特性
為了驗證可控放電避雷針是否達(dá)到設(shè)計目的，我們用正極性操作波和直流分別進(jìn)行了一系列試驗。
在等同條件下用正極性操作波放電獲得的可控放電避雷針與富蘭克林避雷針的保護(hù)曲線。試驗時模擬雷云電極離地面高度為8.5m為了嚴(yán)格的考核可控避雷針的保護(hù)性能，操作波試驗時沒有附加直流電場，可控放電避雷針的保護(hù)特性明顯優(yōu)于富蘭克林避雷針，就主要參數(shù)繞擊概率和保護(hù)范圍而言，是令人滿意的。
1、繞擊方面
可控放電避雷針有一個相當(dāng)大的幾乎不遭受繞擊的保護(hù)區(qū)域。例如當(dāng)繞擊概率不大于0.001%時(顯然在這樣的繞擊概率下,被保護(hù)對象遭繞擊的可能性時相當(dāng)相當(dāng)小的)保護(hù)角高達(dá)55°,相比之下富蘭克林避雷針實際上幾乎沒有不受繞擊的區(qū)域。
2、保護(hù)范圍
當(dāng)被保護(hù)對象遭受繞擊概率允許達(dá)到0.1%(目前規(guī)程規(guī)定的允許值)時,可控放電避雷針的保護(hù)角達(dá)到66.4°,而富蘭克林避雷針保護(hù)的保護(hù)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此值(因此,在雷電活動強(qiáng)的地方沿用富蘭克林避雷針保護(hù)是筆經(jīng)濟(jì)的,被保護(hù)物遭雷擊的可能性也還存在)
通過實驗表明:
1）可控放電避雷針的放電時間比富蘭克林避雷針平均提前13.3us。
2）在模擬電場比較低時,可控放電避雷針的電暈電流比富蘭克林避雷針低的多,幾乎處于完全抑制狀態(tài)。
3）在模擬電場增加盜能夠啟動可控放電避雷針時,可控放電避雷針產(chǎn)生的脈沖式電暈放電電流,其電暈電流幅值比富蘭克林避雷針大好幾十倍,但電暈電流的平均值比后者小,這有利于從電暈向先導(dǎo)電弧的轉(zhuǎn)化。
5 結(jié)束語
在總結(jié)了送電線路防雷工作存在的問題和如何運用好常規(guī)防雷技術(shù)措施的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為雷電活動是小概率事件，隨機(jī)性強(qiáng)，要做好送電線路的防雷工作，就必須抓住其關(guān)鍵點。綜上所述，為防止和減少雷害故障，設(shè)計中我們要全面考慮高壓送電線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動強(qiáng)弱程度、地形地貌特點和土壤電阻率的高低等情況，還要結(jié)合原有高壓送電線路運行經(jīng)驗以及系統(tǒng)運行方式等，通過比較選取合理的防雷設(shè)計，提高高壓送電線路的耐雷水平。雷電活動是一個復(fù)雜的自然現(xiàn)象，需要電力系統(tǒng)內(nèi)各個部門的通力合作，才能盡量減少雷害的發(fā)生，將雷害帶來的損失降低到最低限度。
