山區(qū)地形架空供電線路防雷研究

王印峰

(冀中能源集團(tuán)有限公司，河北 邢臺 054201)

山西大遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司位于山西省靜樂縣北部，四周環(huán)山，屬于強(qiáng)雷暴區(qū)。每到夏雨季節(jié)，由于雷電活動強(qiáng)烈，礦井二趟敷設(shè)在山上的架空供電線路經(jīng)常遭受雷擊，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失且嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。

1．雷電危害

雷電是由于云層和大地以及云和云之間的電位差達(dá)到一定程度時(shí)發(fā)生劇烈放電現(xiàn)象。常用年平均雷暴天數(shù)、地面平均落雷密度和年雷閃頻數(shù)，描述雷電活動的頻繁程度和強(qiáng)度。當(dāng)雷電擊中接閃器(避雷線)，電荷沿引下線向大地泄放時(shí)對地電位升高，可能引起向臨近的物體跳擊。雷電直擊在輸電線路上方的避雷線上，如接地電阻過大，就會對線路造成損害，引發(fā)線路斷路或擊穿絕緣造成短路跳閘事故。山區(qū)地形的特點(diǎn):地形復(fù)雜，巡線困難，雷電強(qiáng)烈多發(fā)，接地電阻大等因素，極易造成雷擊事故。2012年8月山西大遠(yuǎn)煤業(yè)一次雷電事故中，雖然礦井地面變電所進(jìn)線避雷器動作，但仍造成礦井正在運(yùn)行的一臺8000KVA主變遭受雷電侵入，高壓主繞組內(nèi)部對空放電擊穿，被迫退出運(yùn)行，礦井雙回路供電系統(tǒng)破壞，造成全礦井停電重大事故，直接經(jīng)濟(jì)損失80萬元。

2．預(yù)防雷擊事故的防范措施

針對山區(qū)地形雷電侵害特點(diǎn)，經(jīng)調(diào)研論證，我們采取了兩項(xiàng)架空線路防雷措施:架空供電線路加裝線路避雷器和降低線路塔桿接地電阻。

2．1 加裝線路避雷器

輸電線路避雷器可以在每個(gè)桿塔上一相、兩相和三相分別安裝，本文采取三相分別安裝方式。

2．1．1 線路避雷器防雷的基本原理

雷擊桿塔時(shí)，一部分雷電流通過避雷線分流到相鄰桿塔，另一部分雷電流經(jīng)塔桿引下線流入大地，桿塔接地電阻呈暫態(tài)電阻特性，用沖擊接地電阻表示。此時(shí)雷擊桿塔時(shí)塔頂電位急劇升高，其電位值為:Ut=iRd+Ldi/dt

式中:Ut塔頂電位，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(shí)，將發(fā)生由塔頂至導(dǎo)線的閃絡(luò)。即Ut－Ul＞U(50)，如果考慮線路工頻電壓幅值Um的影響，則為Ut－Ul+Um＞U(50)。因此，線路的耐雷水平與三個(gè)因素相關(guān):線路絕緣子的50%放電電壓、雷電流強(qiáng)度和塔體沖擊接地電阻。一般線路的50%放電電壓基本不變，雷電流強(qiáng)度與天氣氣象相關(guān)。未裝避雷器時(shí)，提高輸電線路耐雷水平一般通過降低塔體的接地電阻實(shí)現(xiàn)。由于山區(qū)地形的土壤特點(diǎn)，降低接地電阻通常很困難，造成輸電線路防雷水平降低。

加裝線路避雷器后，雷擊時(shí)雷電流的分流情況:一部分雷電流由避雷線傳入相臨桿塔，一部分經(jīng)塔體引下線入地。當(dāng)雷電流超過一定值，避雷器動作加入分流，大部分雷電流由避雷器流入導(dǎo)線，分流到相鄰桿塔。雷電流在流經(jīng)避雷線和導(dǎo)線時(shí)，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)生渦合電壓。因?yàn)楸芾灼鞯姆至鬟h(yuǎn)大于避雷線中分流的雷電流，這種分流的渦合作用將使導(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，不產(chǎn)生雷擊閃絡(luò)。線路避雷器起鉗電位作用，這是線路避雷器防雷原理。

2．1．2 線路避雷器安裝注意事項(xiàng)

(1)注意避雷器與被保護(hù)絕緣子的距離

避雷器與被保護(hù)絕緣子之間保持一定的距離，因?yàn)榫€路避雷器的電容大電阻小，而串聯(lián)間隙電容小電阻大，在正常情況下線路避雷器承擔(dān)著很小電壓，線路避雷器的下端電位近似為零，而線路絕緣子下端為高電位，若線路避雷器安裝靠近線路絕緣子，就可能發(fā)生線路絕緣子下端對線路避雷器下端放電。因此兩者的最小距離應(yīng)為串聯(lián)間隙的放電電壓等于或略高于線路絕緣子下端對線路避雷器下端的放電電壓。經(jīng)過試驗(yàn)認(rèn)為的這一最小距離為35kV/45CM較合適，考慮風(fēng)偏實(shí)際安裝時(shí)距離應(yīng)適當(dāng)加大。

(2)注意線路避雷器承受的負(fù)荷

雖然線路避雷器具有一定的抗拉強(qiáng)度，但仍要避免將導(dǎo)線負(fù)荷傳遞到線路避雷器上，考慮在最大風(fēng)偏下線路避雷器不承擔(dān)額外負(fù)荷。

2．2 降低塔桿接地電阻

輸電線路桿塔接地裝置通過桿塔或引下線與避雷線相連，其主要作用是將直擊于輸電線路避雷線上雷擊電流引入大地。在雷電沖擊電流作用下，接地裝置的沖擊接地電阻一般低于工頻接地電阻。沖擊接地電阻因土壤性質(zhì)、沖擊電流峰值與波形、接地裝置的幾何形狀相差很大。常以工頻電阻值作為接地設(shè)計(jì)依據(jù)并考慮一定的裕度，實(shí)際運(yùn)行中要求不大于10歐姆。

2．2．1 供電線路塔桿接地電阻

接地系統(tǒng)通常采用放射狀接地線來降低接地電阻，適用于土壤條件較好的區(qū)域，但對于接地電阻率高的區(qū)域效果較差。一般來說，當(dāng)水平接地體長度增大，電感的影響隨之增大。當(dāng)接地體達(dá)到一定長度，增加長度時(shí)沖擊接地電阻基本不變。

據(jù)對山區(qū)各種地形及土壤成分分析，主要有巖石層、風(fēng)化和泥土夾雜碎石層、顆粒較大堅(jiān)硬的風(fēng)化巖顆粒層，通常保水性差，接地電阻率高。供電塔桿建在這類地形上，接地電阻大，難于滿足雷電釋放的要求，從而使線路防雷水平低。

接地網(wǎng)的電阻由以下幾部分構(gòu)成:a．接地引線電阻，與引線幾何尺寸和材質(zhì)相關(guān);b．接地體電阻，與接地體的幾何尺寸和材質(zhì)相關(guān);c．接地體與土壤的接觸電阻，與土壤的性質(zhì)、含水量、土壤與接地體的接觸面積及接觸緊密程度相關(guān);d．接地體向外擴(kuò)散電流所經(jīng)過的路徑土壤電阻。接地電阻的構(gòu)成中，起主要作用的是接地體接觸電阻及散流電阻。

2．2．2 降低接地電阻的措施

(1)改變接地極材料

采用非金屬模塊作接地體材料。原理是接地模塊的非金屬材料使電阻率相差懸殊的金屬與土壤之間形成一變化平緩的低阻區(qū)，當(dāng)雷電流沖擊時(shí)，可降低接地體、接地線暫態(tài)電位梯度，降低跨步電壓和接觸電壓，減少發(fā)生反擊的機(jī)率。模塊室溫電阻率為0．0013歐·m，埋設(shè)地面下60－100cm的深度，模塊間用鍍鋅圓鋼連接。該接地模塊既能有效降低接地電阻，提高接地效率，亦可保持接地體長期穩(wěn)定工作。

接地模塊用量確定:根據(jù)使用接地模塊建造接地網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合山區(qū)地形土壤特點(diǎn)，每塔桿使用數(shù)量13塊，考慮安全裕度確定模塊的使用量為每塔桿15塊。

(2)接地長效降阻劑

降阻劑降低接地電阻，有三方面的作用:a．把降阻劑施工在接地體周圍，降阻劑本身的電阻率很低，這就相當(dāng)于把接地體尺寸加大，從而降低接地電阻。b．降阻劑增大了接地體與土壤的接觸面積，減少了接觸電阻。c．在接地體周圍的降阻劑，敷設(shè)時(shí)的液態(tài)狀降阻劑漿液會在土壤一定范圍內(nèi)滲透，并向外擴(kuò)散，使?jié)B透區(qū)的土壤電阻率降低。

降阻劑以有機(jī)高分子材料與強(qiáng)電解質(zhì)的無機(jī)物相混合，加引發(fā)劑發(fā)生化學(xué)變化，生成固液共存狀態(tài)的硬化樹脂凝膠體，不易溶解和流失，具有良好的導(dǎo)電性。降阻劑凝固后形成的凝膠體具有吸水保濕、滲透能力強(qiáng)、高導(dǎo)電性等特點(diǎn)。由于降阻劑具有液體一樣的流動性，在施工澆注后，形成一個(gè)導(dǎo)通良好的聯(lián)通體，擴(kuò)大了模塊和周圍介質(zhì)的有效接觸區(qū)域，使電流能夠通暢地泄放入地。

降阻劑用量確定:降阻劑的配套用量為每塊接地模塊/25KG，25KG降阻劑可以完成4．5延長米澆注，視現(xiàn)場情況每基桿塔用量在350KG－400KG為宜。

(3)施工方法

a．先在桿塔附近布置可以埋設(shè)模塊的地形，挖出深度0．6～0．8m，寬度0．3m的深溝，將降阻劑調(diào)好后澆入溝底作第一次澆注。

b．模塊敷設(shè)與連接。將接地模塊全部浸濕，充分吸水豎直埋設(shè)，回填土壤僅留出金屬連接頭，將金屬連接頭和鍍鋅圓鋼焊接連接到接地引線。

c．覆蓋層及放電區(qū)澆注。調(diào)和快凝降阻劑，澆注將扁鋼和接頭全部包裹，待降阻劑凝固后再回填，然后調(diào)好緩釋降阻劑，澆在回填土上及溝兩邊，形成良好的導(dǎo)電泄放區(qū)。

d．?dāng)U大區(qū)降阻劑澆注。調(diào)好緩釋降阻劑，沿溝邊下行澆注，通過降阻劑的沉積凝固，將沿途分散的低阻區(qū)域連接成一個(gè)整體。

高壓輸電線桿塔接地改造，采用接地模塊替代傳統(tǒng)接地極，采用降阻劑澆注處理降低山地土壤電阻，通過液態(tài)降阻劑的流動產(chǎn)生的滲透擴(kuò)大地網(wǎng)接觸面積。經(jīng)過改造的地網(wǎng)阻值穩(wěn)定持久，在實(shí)際的施工中也得到驗(yàn)證，杜家村線106、107塔桿原來接地電阻是239歐姆。經(jīng)過施工改造，接地電阻降為7歐姆，15天后測量結(jié)果是4．5歐姆。

3．結(jié)論

經(jīng)過對山西大遠(yuǎn)煤業(yè)礦井兩條架空供電線路進(jìn)行線路避雷器安裝及對塔桿接地系統(tǒng)兩項(xiàng)改造，經(jīng)常遭受雷電侵害供電線路避雷水平大大提高，效果良好。經(jīng)過一年運(yùn)行，未出現(xiàn)雷電侵害造成停電事故，消除了礦井供電系統(tǒng)一項(xiàng)重大隱患。