山區(qū)線路避雷器在山區(qū)的應用和接地裝置模型

陳高波

煙臺供電公司 山東 煙臺 264000

1 線路防雷和接地的現(xiàn)狀

以往，架空電力線路接地裝置主要由接地引下圓鋼、水平接地圓鋼或扁鋼和垂直接地極組成，垂直接地極在山區(qū)線路中很少采用。文獻[1]介紹，在土壤電阻率為50～300歐·米的地區(qū)，普通圓鋼和扁鋼在沒有腐蝕性的土壤中腐蝕速度分別為0.3～0.4mm/年和0.1～0.2mm/年（指總厚度）；在土壤電阻率為300歐.米以上的地區(qū)，普通圓鋼和扁鋼的腐蝕速度分別為0.3～0.07mm/年和0.1～0.05mm/年； 熱鍍鋅圓鋼或扁鋼均為0.065mm/年，防腐效果是普通圓鋼的5～6倍，是普通扁鋼的1.5倍左右，顯然，接地體采用熱鍍鋅Φ10圓鋼是必要的，確保接地體的使用壽命在25～30年區(qū)間，熱鍍鋅扁鋼更佳。

在高土壤電阻率地區(qū)，通常采取換土、化學或物理降阻劑、導電水泥、鉆井爆破壓入泥漿等措施來降低接地電阻，而換土費時費力，工作量大，化學或物理降阻劑、導電水泥因快速腐蝕接地材料致使應用受阻，鉆井爆破壓入泥漿措施比較奏效，但成本太高，山頂處機械搬運不方便；銅包鋼接地極價格介于銅接地極和熱鍍鋅鋼接地極之間，在高土壤電阻率的地區(qū)，降阻效果也不明顯，因此未被廣泛地應用于架空電力線路中。

當土壤電阻率很高，難以降低到30歐·米時，文獻[2]規(guī)定，可采用6～8根總長不超過500米的放射形接地體或連續(xù)伸長接地體，接地電阻不受限制；但這一技術(shù)規(guī)定難以滿足防雷接地要求。另外，文獻[3]介紹，雷電流通過接地體向大地擴散時，起作用的是沖擊接地電阻，而不是工頻接地電阻；長接地體因自身的電感將阻礙雷電流通過，使接地體的末端段不能起到泄流作用，因此有“長接地體的沖擊接地電阻可能大于工頻接地電阻”之說。在防雷接地措施進展緩慢時期，線路型氧化鋅避雷器在廣東、福建等局部高土壤電阻率地區(qū)進行了嘗試，但試運多年的效果并不令人滿意，文獻[4]介紹，線路型氧化鋅避雷器只能保護桿塔前后檔的受雷范圍，存在局限性，在解決雷電反擊時將雷電流導入導線中的作法，將會抬高導線電位，從而引起相鄰桿塔上的絕緣子串閃絡，因此文獻[5，6]建議相鄰桿塔的同一相導線上同時安裝氧化鋅避雷器；文獻[7]介紹，易擊桿塔上未安裝氧化鋅避雷器的相導線仍然存在絕緣子串閃絡的可能，因此，對于同塔雙回線路，需要在三基桿塔上各安裝3支氧化鋅避雷器，成本昂貴，并且每年需要拆下作常規(guī)測試。文獻[8，9]介紹，500kV線路雷擊跳閘主要是繞擊引起，因此線路型氧化鋅避雷器在解決繞擊方面起到關(guān)鍵作用；但將雷電流導入地線、桿塔中的作法，由于沒有解決非常高的接地電阻，勢必抬高導線橫擔電位，從而引起該桿塔上的其他相絕緣子串的反擊閃絡，為了解決反擊，同桿塔地其他相導線也必須安裝氧化鋅避雷器；氧化鋅避雷器解決反擊地過程又勢必抬高導線電位，從而引起相鄰桿塔的絕緣子串閃絡。因此，無論繞擊還是反擊，降低桿塔接地電阻是必須的。尤其近幾年來，運行部門強調(diào)線路首、末端的各兩基桿塔接地電阻不大于5歐，OPGW光纜分支接頭盒處的桿塔接地電阻不大于3歐，這在高土壤電阻率地區(qū)是很難實現(xiàn)的。

2 線路型氧化鋅避雷器在煙臺地區(qū)的應用

2006年3 月中旬，煙臺地區(qū)開始嘗試交流線路用復合外套避雷器。同年3月14日在220kV沈桃線#114、#115、#116塔上安裝避雷器9支， 同年3月15日在110kV林賓線 #8、#9、#10塔 上安裝避雷器9支，同年3月16日在110kV罘賓線#44、#45、#46塔上安裝避雷器9支，根據(jù)有關(guān)文獻的研究成果，直線塔上的絕緣子串與避雷器的凈距≥1.2m。其中林賓線#8、#9、#10與罘賓線#44-#46同塔架設，如圖1和圖2。

圖1 220kV沈桃線#114、#115、#116塔上安裝9只避雷器

圖2 林賓線#8-#10與罘賓線#44-#46上各安裝9只避雷器

安裝避雷器前，2004、2005年兩年中，220kV沈桃線因雷擊跳閘3次，閃絡點都在#115塔上，當時工頻接地電阻為15歐姆；110kV林賓線、罘賓線各因雷擊跳閘 4次，閃絡點分別在#9塔上和#45塔上，工頻接地電阻為18歐姆。

安裝避雷器后，接地電阻不變，截止到2007年8月6日，三條線路一直未因該段發(fā)生雷擊跳閘事故，而計數(shù)器顯示，沈桃線#114右相避雷器動作2次，林賓線#8上相避雷器動作4次，中相避雷器動作4次，下相避雷器動作6次，#10上相避雷器動作2次，#10中相避雷器動作2次。顯然，線路型氧化鋅避雷器的應用效果明顯。

沈桃線#114和#116塔的工頻接地電阻分別為8歐姆和10歐姆，低于沈桃線#115，而導線和地線的電阻很小，因此，沈桃線#114和#116塔上的避雷器和計數(shù)器易先動作。

林賓線#8和#10塔的工頻接地電阻分別為17歐姆和6歐姆，低于林賓線#9，因此，林賓線#8和#10塔上的避雷器和計數(shù)器易先動作。林賓線#8～#10段位于下坡側(cè)，罘賓線#44～#46段位于上坡側(cè)，考慮地面傾角因素，林賓線#8和#10塔上的避雷器和計數(shù)器的動作次數(shù)多是必然的。

罘賓線的的避雷器和計數(shù)器一直未動作，說明上坡側(cè)的山體具有良好的屏蔽性，地線也一直未遭直擊雷——沒起到防雷作用；林賓線#8上、中、下相和#10塔上、中相的避雷器和計數(shù)器動作，實際上是繞擊（側(cè)擊）雷所致，雷電分岔先導也在起作用；林賓線#8為鼓型塔，中橫擔長于下橫擔，而下相避雷器動作次數(shù)最多，也說明了負保護角防雷的艱巨性。罘賓線#45安裝避雷器前的跳閘性質(zhì)實際上是地線遭直擊雷或林賓線的導線遭繞擊雷而引起的“反擊”，并且罘賓線#45塔（即林賓線#9）與相鄰塔比較，接地電阻最大，塔頂電位最高，最易發(fā)生“反擊”。

安裝避雷器前，沈桃線#115和林賓線#9塔上的絕緣子串發(fā)生多次閃絡，相鄰塔上的絕緣子串不發(fā)生閃絡，安裝避雷器后，情況正好相反，說明桿塔的接地電阻在起主要作用。如果沈桃線#115和林賓線#9塔的接地電阻低于相鄰塔，可以只在沈桃線#115和林賓線#9塔上安裝避雷器，以降低成本。

這個工程實例說明，當桿塔接地電阻不是很大時，可在易閃絡桿塔上安裝一組避雷器，并且易閃絡桿塔的接地電阻要小于相鄰桿塔；沒有必要在3基桿塔上同時安裝3組避雷器；如果易閃絡桿塔的接地電阻無法降下來，可在相鄰的2基桿塔上同時安裝2組避雷器。

3 接地裝置模型

根據(jù)文獻[9]，線路絕緣閃絡發(fā)生在火花區(qū)形成之前，因此減少沖擊接地電阻，不會減少雷擊跳閘計算次數(shù)，但國內(nèi)權(quán)威資料甚至學術(shù)、技術(shù)論文至今一直沿用“沖擊接地電阻”。

筆者認為，若絕緣閃絡由繞擊（側(cè)擊）引起，肯定發(fā)生在火花區(qū)形成之前；若絕緣閃絡由反擊引起，有必要分析雷電流、接地電阻、塔頭電位和火花區(qū)之間的時間關(guān)系。在雷電流經(jīng)接地引下線進入土壤中接地圓鋼并且未產(chǎn)生火花區(qū)的那一刻，接地電阻最大，塔頭電位最高，此時最易引起絕緣閃絡；當土壤中接地圓鋼在其周圍產(chǎn)生火花期間，接地電阻轉(zhuǎn)化成沖擊接地電阻，電阻值變小，塔頭電位也隨之下降，絕緣閃絡的概率小于塔頭電位最高時。經(jīng)過0.03～0.05秒后，發(fā)生后續(xù)放電脈沖時，沖擊接地電阻雖起到了降低塔頭電位的作用，但后續(xù)放電脈沖又在接續(xù)的工頻短路電流建立穩(wěn)定的工頻電弧方面起到一定作用。因此，在線路防雷計算中，不宜再引用“沖擊接地電阻”概念[10]。

顯然，降低工頻接地電阻是解決雷擊閃絡的主要途徑。雷電流相當于歷時很短的高頻沖擊波，一是靠接地體與土壤的接觸面散流，二是根據(jù)尖端放電現(xiàn)象，靠多根接地極末端和水平接地體末端的對大地尖端放電，而較長水平接地體的末端段因自身的電感將阻礙雷電流通過不能有效泄流，因此，在桿塔四周安裝多根垂直接地極是必要的。增加水平接地體的長度雖然不能有效泄放雷電流，但可以降低工頻接地電阻，也就是降低導線橫擔的電位，有效解決反擊。

4 降低桿塔接地電阻的措施

設計或竣工測試桿塔接地電阻是以雷季土壤干燥條件進行的，符合雷擊前情況。據(jù)文獻[1]，鹽水土壤電阻率為1～5歐·米，泥水為15～20歐·米，地下水為20～70歐·米，如何在高土壤電阻率地區(qū)充分利用水低電阻率的特點是關(guān)鍵。在雨季，雨水無法浸透到水平接地體的深度，而是隨地表流失。在自然排水溝或人工排水溝下方敷設接地體，在接地體上方沿線預埋Φ60左右的水平PVC管，并隔一定距離預埋Φ60左右的垂直PVC管，水平PVC管和垂直PVC管連通。水平PVC管上隔一定距離設置若干排水孔，滋潤接地體周圍的土壤，有效降低土壤電阻率。對于無法利用排水溝的山頂塔位，在桿塔基礎(chǔ)周圍，先將接地體周圍直徑Φ1.0m的土壤更換為20歐·米左右的泥灰?guī)r或60歐·米左右的園田土、粘土、電石渣，按一定比例混合而成；并據(jù)文獻[1]，拌有溶液濃度為5%的食鹽水，再將接地引下圓鋼、桿塔周圍的水平環(huán)形接地圓鋼、垂直接地極均改為Φ10～25的鍍銅鋼管，在水平接地鋼管、垂直接地鋼管的四周隔一定距離設置若干排水孔，浸濕接地體周圍的土壤，將有效降低接地電阻，如圖3。雷季來臨之前，人工注水是必要的。而注水后浸濕的土壤在地下會保持水分幾個月，因此一年需要管內(nèi)注水幾次。這種措施適合于高土壤電阻率地區(qū)要求接地電阻很小的桿塔。為了有效降低工頻接地電阻，對于水平輻射形接地圓鋼，仍予以保留，并與環(huán)形接地鋼管可靠電氣連接。

圖3 鋼管注水接地裝置

5 結(jié)論

綜合各種文獻的研究成果，在未有效解決很高的接地電阻情況下，1只線路型氧化鋅避雷器將閃絡點移到同塔的其他相絕緣子串（因繞擊引起），或其他桿塔上的絕緣子串（因反擊引起）上，有轉(zhuǎn)移事故地點、擴大事故范圍之嫌；同時采取降低桿塔接地電阻措施與采用線路型氧化鋅避雷器，才能達到疏導雷害的目的。但通過工程實例分析，當桿塔接地電阻不是很大，并且易閃絡桿塔的接地電阻小于相鄰桿塔時，在雷電易閃絡塔同時安裝1組線路型氧化鋅避雷器即可，相鄰塔上不必安裝避雷器。

通過PVC管或鍍銅鋼管將雨水或人工注水引致地下接地體周圍，降低土壤電阻率和桿塔接地電阻，是一種新途徑，而人工注水接地鍍銅鋼管措施更適合于電站、高層建筑、廠礦企業(yè)（取水方便）的接地設計。

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