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(jì)的迅速發(fā)展，電力需求日益增長，帶動(dòng)了我國電力產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。目前，我國的電力供應(yīng)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(yùn)行過程中易受當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響，特別是在雷雨天氣下，線路經(jīng)常會(huì)被雷擊，當(dāng)高壓電線承受不住雷電的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生短路，造成一大片地區(qū)的電力供應(yīng)中斷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)高壓設(shè)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(guān)注的焦點(diǎn)，本文就此展開深入的研究，探索其防雷對(duì)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(duì)流。云中的帶電分布比較復(fù)雜，但整體來看，云的上半部分是正電荷，下半部分是負(fù)電荷。這樣，在云的上下之間就形成了一個(gè)電勢差。當(dāng)電位差達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)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(dāng)雷云靠近地表的凸出物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧。在放電時(shí)，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(zāi)害的嚴(yán)重程度在于其破壞力強(qiáng)，其特征是：雷電的放電電壓高、電流幅大、變化迅速、放電時(shí)間較短，且電弧波形較大。閃電具有強(qiáng)烈的電流、高溫和強(qiáng)烈的沖擊波等破壞性效應(yīng)以及電磁場的劇烈變化，電磁輻射等物理現(xiàn)象對(duì)人類社會(huì)造成了巨大的破壞。人類社會(huì)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、建筑、電力、通訊、航空、運(yùn)輸、石油、化工、金融、證券等行業(yè)，應(yīng)有盡有。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(yīng)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(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因?yàn)槠渎懵对谕猓?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(huì)遭到閃電襲擊。雷云向下引導(dǎo)，當(dāng)導(dǎo)線達(dá)到一定的高度時(shí)，線路鐵塔、地線、導(dǎo)線、地面上的其他東西都會(huì)有一個(gè)正面的引導(dǎo)，它們會(huì)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(diǎn)。2500kV輸電線路防雷擊的重要性在當(dāng)代社會(huì)，閃電以其毀滅性的力量給人類社會(huì)帶來了嚴(yán)重的災(zāi)害。根據(jù)不全面的數(shù)據(jù)，每年由閃電引起的經(jīng)濟(jì)損害達(dá)到幾十億元。由于500kV輸電線路是人類最大的人工引雷對(duì)象，是我國國民經(jīng)濟(jì)的主要支撐，長久以來由于雷電而導(dǎo)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(jí)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(fù)雜的區(qū)域,由于雷電的幅值高、高頻、高瞬間等特點(diǎn)，其產(chǎn)生時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生力學(xué)作用和電作用。2.1機(jī)械效應(yīng)當(dāng)被雷電擊中時(shí)，因受焦耳熱的影響，導(dǎo)致導(dǎo)線的屈服點(diǎn)會(huì)下降，產(chǎn)生的徑向自壓力會(huì)超出金屬絲的屈服點(diǎn)，進(jìn)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(xué)性能下降，出現(xiàn)斷線、斷股事故。2.2電氣效應(yīng)電力系統(tǒng)中的避雷主要是對(duì)因電力作用而引起的雷擊進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)閃電過電壓超出電線的耐壓等級(jí)時(shí)，電線與地面就會(huì)產(chǎn)生短路，隨后，工頻電流沿著該閃絡(luò)通路持續(xù)放電，形成一種工作電流，電網(wǎng)的保護(hù)性設(shè)備會(huì)導(dǎo)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(duì)電力系統(tǒng)的影響較大。隨著電力系統(tǒng)的建設(shè)，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(xiǎn)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(dǎo)致設(shè)備損壞、線路中斷、大范圍斷電，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響。在當(dāng)前的全球氣候條件越來越嚴(yán)峻的情況下，近年來，我國的閃電事件越來越多，對(duì)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(jì)損失每年都在增長，雷電引起的兩相閃絡(luò)，同塔雙回線同時(shí)閃絡(luò)，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(diǎn)地進(jìn)行有關(guān)的防范和監(jiān)控工作，對(duì)確保電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的作用。3500kV輸電線路防雷設(shè)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(chǔ)的防護(hù)手段，安裝在線路桿塔尖，其防護(hù)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(qiáng)度的集中區(qū)域，以影響閃電的發(fā)展趨勢為導(dǎo)向，由地面引下導(dǎo)線及接地設(shè)備將雷電流導(dǎo)入地面，防止被防護(hù)對(duì)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(shè)置有絕緣子串，其功能是電力隔離、機(jī)械支持，并承受覆冰、風(fēng)偏、舞動(dòng)。由于惡劣天氣狀況如地震所造成的嚴(yán)重的機(jī)器負(fù)載，同時(shí)也會(huì)造成閃電和作業(yè)造成的超壓，導(dǎo)線絕緣子的形式有盤形懸玻璃絕緣子、棒形懸式復(fù)合絕緣子等。在電網(wǎng)遭遇閃電時(shí)，只要有較好的隔離能力，就能夠保護(hù)導(dǎo)線不被擊破，從而保證導(dǎo)線與鐵塔的電隔離，這樣才能確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)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(shè)備，它的主要功能是把雷電導(dǎo)入地面并快速蔓延，防止導(dǎo)線受到過電壓的傷害。架空地線在降下閃電時(shí)，會(huì)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(diǎn)，防止輸電線路的電弧擊穿。接地設(shè)備的組成主要有：接地導(dǎo)線。地線是一種將地線、桿塔相結(jié)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(dǎo)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(gòu)件、導(dǎo)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(shè)的金屬導(dǎo)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(dá)到這種目的，必須安裝人工接地設(shè)備，也就是對(duì)地面進(jìn)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(shè)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(dǎo)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(luò)的避雷器。線路避雷器在工作時(shí)與線路絕緣子并聯(lián)，可在遭受雷擊時(shí)，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?yàn)樯a(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(yùn)行過電壓的，采用帶外串聯(lián)空隙的線路避雷器，包括復(fù)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(yīng)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(hù)等級(jí)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(yàn)，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(yùn)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(gè)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(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，在工作頻率過電壓和工作過電壓時(shí)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(dāng)避雷器本體出現(xiàn)故障時(shí)，采用串聯(lián)式空隙結(jié)構(gòu)，能有效地分離出故障的電容器，避免因絕緣子短接而導(dǎo)致線路跳閘。3.5并聯(lián)間隙并聯(lián)間隙技術(shù)是通過將一對(duì)金屬電極并聯(lián)在一起形成一個(gè)空隙，以防止在雷電線路上出現(xiàn)閃絡(luò)，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(jié)構(gòu)和復(fù)合絕緣子的并聯(lián)式空隙結(jié)構(gòu)。一對(duì)金屬電極并聯(lián)在絕緣子串的末端形成防護(hù)間隔，一般情況下，保護(hù)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(jié)構(gòu)起到了均勻的工作頻率電場的功能，當(dāng)架空線遭遇閃電時(shí)，絕緣子串聯(lián)會(huì)發(fā)生較高的閃電過載，但由于防護(hù)間隙中的閃電放電比隔離子串聯(lián)的放電要小，所以會(huì)先發(fā)生保護(hù)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(huì)經(jīng)過平行的空隙而產(chǎn)生的放電通路，然后被導(dǎo)向到電極端，緊固在電極端上進(jìn)行點(diǎn)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(shù)原理簡單、安裝方便、經(jīng)濟(jì)性能好，為目前的防雷電防護(hù)技術(shù)提供了很好的支持，與減少接地電阻、減少架空接地保護(hù)角、架設(shè)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(shù)是一種“疏導(dǎo)型”的防雷技術(shù)，它是指當(dāng)一條電線不能承受的閃電時(shí)，在規(guī)定的并聯(lián)空隙內(nèi)出現(xiàn)一次閃絡(luò)，疏通電弧，能有效地保護(hù)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(luò)化、重合閘、SF6開關(guān)、微機(jī)化繼電等設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。一旦這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展起來，就不需要再去找故障地點(diǎn)，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(shè)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。可控放電避雷針由主針、動(dòng)態(tài)環(huán)和儲(chǔ)能元件組成，其技術(shù)原則是：采用該結(jié)構(gòu)，使動(dòng)態(tài)環(huán)、主針分別由一個(gè)非線性電阻器和一個(gè)蓄能器與地面隔離，使針的電壓在一個(gè)漂浮的位置，分布更加均勻。在雷云降臨時(shí)，能量儲(chǔ)存設(shè)備會(huì)利用雷云產(chǎn)生能量，在超出一定的閾值時(shí)，能量儲(chǔ)存設(shè)備會(huì)對(duì)主針體進(jìn)行放電，從而導(dǎo)致主電極的電勢瞬間變化，這時(shí)，動(dòng)圈的電勢仍然不改變，導(dǎo)致了針尖的電場瞬時(shí)畸變，以誘導(dǎo)上升的前驅(qū)，阻止閃電的下落，防止受保護(hù)的對(duì)象遭受閃電襲擊。（2）側(cè)向避雷針。側(cè)向避雷器有兩種類型：塔尖側(cè)引腳和架空地線側(cè)引腳，它是將水平側(cè)針置于鐵塔或架空地線上，以提高鐵塔及架空地線對(duì)弱雷的吸收，提高防護(hù)距離，從而減少電線的繞擊率。高架接地導(dǎo)線的側(cè)針固定和維修困難，在操作時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)