500kV 輸電線路雷電干擾及防雷措施分析

近年來，隨著我國市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電力需求日益增長，帶動了我國電力產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。目前，我國的電力供應主要集中在500kV高壓線路上，高壓線路經(jīng)常處于野外，線路長、分布廣，運行過程中易受當?shù)貧夂驐l件的影響，特別是在雷雨天氣下，線路經(jīng)常會被雷擊，當高壓電線承受不住雷電的時候，就會發(fā)生短路，造成一大片地區(qū)的電力供應中斷，嚴重時還會對高壓設備造成傷害。因此，500kV輸電線路的防雷工作歷來是國內(nèi)電力工作者關注的焦點，本文就此展開深入的研究，探索其防雷對策。1雷電概述1.1雷電現(xiàn)場在雷暴云中存在聚集和形成極性的前提下，才能產(chǎn)生閃電。在云中形成了電荷，如冰晶的附著、水珠的破裂和空氣的對流。云中的帶電分布比較復雜，但整體來看，云的上半部分是正電荷，下半部分是負電荷。這樣，在云的上下之間就形成了一個電勢差。當電位差達到某個臨界點時，就會發(fā)生放電，即所謂的“閃電”。閃電的平均電流為3萬安培，最大電流為30萬。當雷云靠近地表的凸出物時，會產(chǎn)生強烈的電弧。在放電時，由于閃道內(nèi)的溫度突然升高，使得氣體的體積迅速增大，形成了一種激波，造成了一聲巨大的雷聲。1.2雷電的危害形式雷電災害的嚴重程度在于其破壞力強，其特征是：雷電的放電電壓高、電流幅大、變化迅速、放電時間較短，且電弧波形較大。閃電具有強烈的電流、高溫和強烈的沖擊波等破壞性效應以及電磁場的劇烈變化，電磁輻射等物理現(xiàn)象對人類社會造成了巨大的破壞。人類社會活動、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、建筑、電力、通訊、航空、運輸、石油、化工、金融、證券等行業(yè)，應有盡有。隨著科學技術的進步，雷擊的危害日益突出。1.3雷擊分類根據(jù)其產(chǎn)生的成因，將其劃分為感應雷過電壓和直擊雷的過電壓，雷過是指電線因受雷擊線或接地線而形成的過載。而直擊雷通過閃電的方式，即由閃電擊中桿塔、地線或電線而造成的。在電網(wǎng)中，架空傳輸是一個非常關鍵的環(huán)節(jié)。因為其裸露在外，經(jīng)過的地方多是荒原、丘陵和高山，而且線路的長度的高度也比較高，因而極有可能會遭到閃電襲擊。雷云向下引導，當導線達到一定的高度時，線路鐵塔、地線、導線、地面上的其他東西都會有一個正面的引導，它們會和雷云的主干相連，從而影響最后的攻擊路線和閃電的落點。2500kV輸電線路防雷擊的重要性在當代社會，閃電以其毀滅性的力量給人類社會帶來了嚴重的災害。根據(jù)不全面的數(shù)據(jù)，每年由閃電引起的經(jīng)濟損害達到幾十億元。由于500kV輸電線路是人類最大的人工引雷對象，是我國國民經(jīng)濟的主要支撐，長久以來由于雷電而導致的輸電線路短路給電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定帶來極大的危害。根據(jù)電網(wǎng)的失效分級數(shù)據(jù)顯示，在高電壓線路的短路事故中，有40%～70%是由于電擊造成的，特別是在多雷、土壤電阻率高、地形復雜的區(qū)域,由于雷電的幅值高、高頻、高瞬間等特點，其產(chǎn)生時常常會產(chǎn)生力學作用和電作用。2.1機械效應當被雷電擊中時，因受焦耳熱的影響，導致導線的屈服點會下降，產(chǎn)生的徑向自壓力會超出金屬絲的屈服點，進而引起金屬芯鋁合金的變形,最后造成各種材料之間的脫層,鋼絲的力學性能下降，出現(xiàn)斷線、斷股事故。2.2電氣效應電力系統(tǒng)中的避雷主要是對因電力作用而引起的雷擊進行保護。當閃電過電壓超出電線的耐壓等級時，電線與地面就會產(chǎn)生短路，隨后，工頻電流沿著該閃絡通路持續(xù)放電，形成一種工作電流，電網(wǎng)的保護性設備會導致斷路器短路。在電力系統(tǒng)中，由于電擊單相、相間短路等原因，對電力系統(tǒng)的影響較大。隨著電力系統(tǒng)的建設，架空線路的桿塔數(shù)量不斷增加，線路通道也日益稠密，從而使輸電系統(tǒng)受到雷擊的危險也隨之增加。一旦線路上的跳頻失效，將給電網(wǎng)帶來很大的干擾，導致設備損壞、線路中斷、大范圍斷電，嚴重時可能會帶來巨大的經(jīng)濟和社會的影響。在當前的全球氣候條件越來越嚴峻的情況下，近年來，我國的閃電事件越來越多，對電能的需求量也越來越大，雷電引起的電力系統(tǒng)失效所帶來的經(jīng)濟損失每年都在增長，雷電引起的兩相閃絡，同塔雙回線同時閃絡，同一輸電通道內(nèi)多回線連續(xù)短路等重大事故顯著增多。因此，有重點地進行有關的防范和監(jiān)控工作，對確保電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)具有重要的作用。3500kV輸電線路防雷設備分類3.1架空地線架空地線的安裝是高壓、超高壓線路最基礎的防護手段，安裝在線路桿塔尖，其防護原則是：雷云釋放到地表附近，引起地表電場變形，在架空地線頂部產(chǎn)生局部電場強度的集中區(qū)域，以影響閃電的發(fā)展趨勢為導向，由地面引下導線及接地設備將雷電流導入地面，防止被防護對象受到雷電傷害，高架地線材通常采用鍍鋅鋼絞絲，在某些特定條件下，還可采用鐵心或鎂鋁絲。3.2絕緣子在輸電線路和鐵塔間設置有絕緣子串，其功能是電力隔離、機械支持，并承受覆冰、風偏、舞動。由于惡劣天氣狀況如地震所造成的嚴重的機器負載，同時也會造成閃電和作業(yè)造成的超壓，導線絕緣子的形式有盤形懸玻璃絕緣子、棒形懸式復合絕緣子等。在電網(wǎng)遭遇閃電時，只要有較好的隔離能力，就能夠保護導線不被擊破，從而保證導線與鐵塔的電隔離，這樣才能確保電力系統(tǒng)的安全運行。3.3接地裝置地線是一種埋在地下，與各塔間的架空地線和塔身有電聯(lián)系的金屬設備，它的主要功能是把雷電導入地面并快速蔓延，防止導線受到過電壓的傷害。架空地線在降下閃電時，會產(chǎn)生較高的雷電壓力，架空地線與地面連接，并在地面上快速地傳播、排出，因此，可以減少輸電塔點，防止輸電線路的電弧擊穿。接地設備的組成主要有：接地導線。地線是一種將地線、桿塔相結合的金屬線。接地體是一種在地下與地表直接相聯(lián)系的金屬導線，它可以分成兩類：天然接地和人造接地。天然接地體系金屬構件、導線和鐵塔底座等與地面有直接的聯(lián)系，人造接地裝置是一種特殊鋪設的金屬導線，天然接地層僅適用于土壤電阻值較小的區(qū)域。通常，僅憑天然接地器無法達到這種目的，必須安裝人工接地設備，也就是對地面進行改造，人造接地裝置可分為兩類：橫向接地和縱向接地。橫向接地體常選用圓形或扁形鋼板，按電阻值的規(guī)定，其深度不得低于0.8m?？v向接地通常為鋼筋，在地面上豎向埋置。接地設備的規(guī)范必須符合耐腐蝕性和耐高溫的規(guī)定，并與地導線的接合必須牢固、可靠。3.4線路避雷器線路避雷器一般是一種在架空輸電線路上安裝的用于防止線路絕緣子閃絡的避雷器。線路避雷器在工作時與線路絕緣子并聯(lián)，可在遭受雷擊時，避免因閃電直接擊中或繞線而造成的故障。線路避雷器按其類別劃分如下，根據(jù)間隙特性，一般可將線路避雷器分為有間隙式避雷器和無間隙式避雷器，而有間隙式避雷器也有外部串式和內(nèi)部式，因為生產(chǎn)和操作上的綜合因素，內(nèi)隙式避雷器在線路中很少使用，所以一般都是采用外串式的避雷器。有間隙線路避雷器是目前最常用的線路避雷器，它分為純空氣間隙避雷器和絕緣子支承間隙避雷器，無縫隙式線路避雷器是用來控制雷電過電壓和運行過電壓的，采用帶外串聯(lián)空隙的線路避雷器，包括復合外殼式MOS避雷器主體和串聯(lián)間隙，其作用是限制雷電過電壓和/或局部工作過電壓。近年來，帶外串聯(lián)間隙的MOA在國內(nèi)外的應用越來越廣泛，不僅使MOA抗電網(wǎng)電壓的能力得到了極大的改善，而且防護等級也得到了改善，EGLA是目前國內(nèi)使用最多的線路避雷器，國內(nèi)研制成功的帶離式無間隙避雷器，35～500kV線路型避雷器都有多年的使用經(jīng)驗，最長使用10余年，具有很好的防雷性能。但考慮到在不方便運輸?shù)沫h(huán)境下，尤其是在山區(qū)，維修無縫隙的避雷器是一個很常見的問題。此外，由于我國大部分的脫離器性能、質(zhì)量和可靠性都很差，多次出現(xiàn)過的情況?；谝陨戏N種原因，近年來，在線路避雷器的安裝中，一般都是采用有串聯(lián)間隙的避雷器。與之相比，帶串聯(lián)間隙的避雷器具有更大的優(yōu)勢，其主要表現(xiàn)為：（1）通過合理地選取間隔間距，僅當雷擊發(fā)生時，在工作頻率過電壓和工作過電壓時不工作，避免了避雷器的工作次數(shù)。（2）串聯(lián)間隙可使避雷器電阻極少受到工頻電壓影響，延長其使用壽命，降低其日常維修工作量。（3）當避雷器本體出現(xiàn)故障時，采用串聯(lián)式空隙結構，能有效地分離出故障的電容器，避免因絕緣子短接而導致線路跳閘。3.5并聯(lián)間隙并聯(lián)間隙技術是通過將一對金屬電極并聯(lián)在一起形成一個空隙，以防止在雷電線路上出現(xiàn)閃絡，以及電弧燒毀絕緣子。并聯(lián)式縫隙和它們的電極稱為并聯(lián)式縫隙，也稱為“招弧角度”或“引弧角度”。按絕緣子的類型，可將其劃分成陶瓷及玻璃絕緣子的并聯(lián)式空隙結構和復合絕緣子的并聯(lián)式空隙結構。一對金屬電極并聯(lián)在絕緣子串的末端形成防護間隔，一般情況下，保護間隔比絕緣子串的串聯(lián)長要短。在常規(guī)工作中，該空隙結構起到了均勻的工作頻率電場的功能，當架空線遭遇閃電時，絕緣子串聯(lián)會發(fā)生較高的閃電過載，但由于防護間隙中的閃電放電比隔離子串聯(lián)的放電要小，所以會先發(fā)生保護間隔的短路。在電流和溫度的雙重影響下，連續(xù)工作的電弧會經(jīng)過平行的空隙而產(chǎn)生的放電通路，然后被導向到電極端，緊固在電極端上進行點燃，最后利用電磁力將其吹離并在電弧末端消失，以防止電弧燃燒。常用的平行間隙型有棒型、球拍型、環(huán)型等，該技術原理簡單、安裝方便、經(jīng)濟性能好，為目前的防雷電防護技術提供了很好的支持，與減少接地電阻、減少架空接地保護角、架設耦合接地線相比，有較大的優(yōu)越性。輸電線并聯(lián)式空隙技術是一種“疏導型”的防雷技術，它是指當一條電線不能承受的閃電時，在規(guī)定的并聯(lián)空隙內(nèi)出現(xiàn)一次閃絡，疏通電弧，能有效地保護絕緣子。隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、重合閘、SF6開關、微機化繼電等設備得到了廣泛應用。一旦這項技術發(fā)展起來，就不需要再去找故障地點，也不需要再找絕緣體，就能排除其他原因引起的工作電流。3.6避雷針（1）可控放電避雷針?？煽胤烹姳芾揍樖且环N在電力電纜桿塔尖上設置的一種特制的避雷針?？煽胤烹姳芾揍樀哪康脑谟跍p少繞組電流?？煽胤烹姳芾揍樣芍麽?、動態(tài)環(huán)和儲能元件組成，其技術原則是：采用該結構，使動態(tài)環(huán)、主針分別由一個非線性電阻器和一個蓄能器與地面隔離，使針的電壓在一個漂浮的位置，分布更加均勻。在雷云降臨時，能量儲存設備會利用雷云產(chǎn)生能量，在超出一定的閾值時，能量儲存設備會對主針體進行放電，從而導致主電極的電勢瞬間變化，這時，動圈的電勢仍然不改變，導致了針尖的電場瞬時畸變，以誘導上升的前驅(qū)，阻止閃電的下落，防止受保護的對象遭受閃電襲擊。（2）側向避雷針。側向避雷器有兩種類型：塔尖側引腳和架空地線側引腳，它是將水平側針置于鐵塔或架空地線上，以提高鐵塔及架空地線對弱雷的吸收，提高防護距離，從而減少電線的繞擊率。高架接地導線的側針固定和維修困難，在操作時，有時會發(fā)