波阻式防雷設備在中山輸電線路的應用

[摘 要]本文對中山地區(qū)兩條典型輸電線路的雷害進行了總結分析，介紹了波阻式防雷設備的工作機理，通過該防雷設備在中山地區(qū)的應用，對比了防雷改造前后的輸電線路雷擊跳閘數(shù)據(jù)，證實了波阻式防雷設備在中山地區(qū)輸電線路應用的有效性。

[關鍵詞] 輸電線路；防雷；雷擊跳閘

中圖分類號：TG377 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0246-02

一、緒論

雷擊一直以來是造成輸電線路跳閘的主要原因，占輸電線路事故危害的60%以上，嚴重影響了輸電線路的供電可靠性[1]。近年來我國惡劣氣候增多，輸電線路建設加快，使得雷擊輸電線路事故更加突出。

雷電產(chǎn)生過程具有較大隨機性，但雷電發(fā)展過程與空間電場分布聯(lián)系緊密，其落雷點選擇與一定范圍內(nèi)的地形地貌、區(qū)域設置直接相關。近年來我國在輸電線路防雷方面進行了大量的研究，并取得了一定的成果，但目前對復雜氣象條件和地形條件下的防雷措施還研究得不夠[2]。

為研究波阻式防雷設備對輸電線路防雷效果分析，本文選取了廣東中山地區(qū)1條110kV輸電線路及1條220kV輸電線路，收集了近幾年2條線路的跳閘數(shù)據(jù)，分析了安裝波阻式防雷設備前后的雷擊跳閘原因及防雷效果。

二、地區(qū)狀況及線路情況

2.1中山地區(qū)地理氣候分析

中山市位于廣東省中南部，地處珠江出?？?， 市境三面環(huán)水，境內(nèi)主要水道從西北流向東南，經(jīng)過漫長的氣候變化和風雨侵蝕，形成了現(xiàn)在以沖積平原為主，低山丘陵臺地錯落其間的水鄉(xiāng)地形地貌。中山處于北回歸線以南，熱帶北緣，光照充足，熱量豐富，氣候溫暖。太陽輻射角度大，終年氣溫較高，臺風是影響最嚴重的災害性天氣，據(jù)統(tǒng)計，造成損失的臺風年均3至7次，損失嚴重的年平均1.3次。中山特殊的地理氣候特征，造成了多惡劣氣候，多雷害事故。

2.2中山地區(qū)輸電線路雷害概況

中山市地處雷電高發(fā)區(qū)，雷電災害天氣頻繁，雷害造成的損失巨大。目前中山地區(qū)的500kV線路大多在平原地帶，雷擊跳閘率很低，發(fā)生繞擊的可能性不大；220kV及以下主網(wǎng)線路繞擊和反擊的幾率各占約一半。

中山北部地區(qū)是以沖積平原為主的水鄉(xiāng)地貌，潮濕的水蒸氣上升產(chǎn)生劇烈的對流運動，易發(fā)生閃電，地面落雷密度大，但是北部地區(qū)發(fā)生雷擊跳閘的次數(shù)較少，相反在中山中南部的低山丘陵地區(qū)，地閃強度相對較弱，地面落雷密度低，但是線路的雷擊跳閘主要就集中在中南部的三個區(qū)域：區(qū)域1為大涌鎮(zhèn)卓旗山與西江交界處，主要線路有500kV桂香甲乙線、110kV涌元甲乙線、涌欄線等；區(qū)域2為五桂山區(qū)馬嶺水庫周邊一帶，主要線路有220kV旗卓甲乙線、桂旗甲乙線，110kV旗板甲乙線、環(huán)板線、旗桂線等；區(qū)域3為三鄉(xiāng)站周邊山區(qū)，主要線路有220kV桂三甲乙線、110kV寶三甲乙線、三谷甲乙線、三坦線、寶坦乙線等。 [3]總體來講，這三個區(qū)域存在兩個共同點：（1）地面的落雷密度較大；（2）山地地形。

2.3雷擊輸電線路危害分析

雷電被聯(lián)合國列為最嚴重的十種自然災害之一。雷電對輸電線路系統(tǒng)（線路、桿塔、變電站）的危害，除極強雷電造成的熱效應、機械效應將導線擊斷、變電站設備爆裂等極小概率事件外，主要體現(xiàn)在以下兩點：一是導致線路跳閘。雷電過電壓引起絕緣子閃絡，繼電保護裝置來不及響應（雷電過電壓持續(xù)時間短），工頻續(xù)流沿放電通道繼續(xù)放電，繼電保護裝置控制斷路器跳閘，正常供電中斷； 二是雷電波侵入變電站導致變電站一、二次設備損壞。對輸電線路系統(tǒng)而言，只要雷擊沒有造成線路跳閘和變電站設備損壞，就沒有形成雷擊危害。[4]

三、線路歷史跳閘分析

本文選取中山地區(qū)1條110kV輸電線路及1條220kV輸電線路各一基鐵塔數(shù)據(jù)作為對比分析，分別為110kV旗桂線N28號塔和220kV翠旗乙線N38號塔。選取的線路及鐵塔具有典型特征，即不同的塔架結構，單回與多回線路，全線安裝避雷線，同時都處于山區(qū)且地理環(huán)境復雜，如下圖所示。

3.1統(tǒng)計線路歷史跳閘數(shù)據(jù)

中山地區(qū)從2010年至今，每年雷電數(shù)及雷擊跳閘總數(shù)統(tǒng)計，如下表。

從歷史數(shù)據(jù)分析可知，2010年雷擊跳閘次數(shù)較多，2011年至2013年雷擊跳閘次數(shù)相對穩(wěn)定，2014年跳閘數(shù)有明顯增長。通過在2014年年末進行了防雷措施改造，統(tǒng)計結果顯示防雷改造后至2015年7月數(shù)據(jù)跳閘次數(shù)有明顯的減少。

110kV旗桂線N28號塔和220kV翠旗乙線N38號塔，從2010年至2014年7月的跳閘數(shù)據(jù)，如下表。

3.2線路跳閘分析

本文選取的110kV旗桂線中N28和220kV翠旗乙線N38鐵塔造成多次雷擊跳閘。雷電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如下表：

表中數(shù)據(jù)以110kV旗桂線為例，全線經(jīng)過山區(qū)地形，110kV輸電線路的抗反擊雷電流在40kA—70kA范圍內(nèi)。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)2011年至2014年最大雷電流幅值不超過42kA，線路部分鐵塔的接地電阻為25Ω，因此造成選取線路雷擊跳閘的原因主要包括以下幾點：（1）鐵塔附近的繞擊雷，繞擊雷形成的過電壓遠大于同樣雷電流幅值反擊雷形成的過電壓；（2）接地電阻過大；（3）山區(qū)地形提供了雷電地閃上行先導形成的良好條件；（4）廣東地區(qū)惡劣氣象條件和多雷的特征。

四、避雷波阻器在中山地區(qū)的應用

4.1線路防雷的核心思想

輸電線路防雷的核心就是不跳閘，不跳閘的前提就是不產(chǎn)生工頻續(xù)流，同時能在雷電流到達線路終端變電站前將雷電流安全泄放。

對于110kV及220kV輸電線路的防雷，要實現(xiàn)上述兩種情況就是要保護絕緣子能夠在雷電波沖擊中不閃絡，不擊穿，同時輸電線路要有良好的接地條件和泄放通道。

在主網(wǎng)上常規(guī)的防雷措施有架設避雷線，安裝線路避雷器，降低接地電阻等。降低接地電阻是一切防雷措施的先決條件，是防雷措施和設備工作性能是否能穩(wěn)定發(fā)揮的首要因素。而架設避雷線和安裝線路避雷器等方法，則是從雷電能量上著手，通過疏與堵的方式將雷電的能量在屏蔽體上完全泄放。

由于安裝傳統(tǒng)防雷設備的許多輸電線路雷擊跳閘率不斷上升，近幾年出現(xiàn)了一些可靠且有效的新型線路防雷設備，如波阻式防雷設備等。

4.2波阻式防雷設備工作機理

雷電波是一個前沿極陡、后沿平緩的大功率電磁脈沖，其脈沖前沿是導致絕緣子串閃絡最主要的原因。波阻式防雷設備基于傅里葉變換，通過數(shù)學分析，并對線路雷電災害建模，仿真雷電波的傳輸特性及其對線路危害的貢獻度，設計出阻礙雷電波最大損害成份傳輸?shù)牟ㄆ骷?，通過濾波、色散等手段，實現(xiàn)濾除危害頻率、阻礙尖峰傳輸、加強向外輻射、增大內(nèi)部衰減，達到對雷電災害“避其害而順其勢”的防護，突破常規(guī)線路防雷能量對抗的桎梏，創(chuàng)造了“信息對抗”的防雷新模式，豐富和拓展了雷電防護理念[5]。

波阻式防雷設備遵循了輸電線路的防雷核心思想，從雷電波傳輸通道入手，降低雷電波的沖擊危害，以保護絕緣子為目的，使雷電流與線路傳輸電流安全隔離，實現(xiàn)絕緣子不閃絡不續(xù)流，同時其良好的引流裝置能將雷電流安全泄放至大地。

波阻式防雷設備主要部件為避雷波阻器，如圖2。避雷波阻器的接入，一方面提高了避雷針針尖高度，擴大了絕緣子被保護的范圍；另一方面，絕緣子不再與避雷針針尖直接相連，沖擊電流經(jīng)過避雷波阻器的波器件后才作用于絕緣子，雷電流將不再直接沖擊絕緣子。由于避雷波阻器的分壓，避雷波阻器為系統(tǒng)承擔了部份雷電沖擊電壓。

4.3應用方案及效果分析

針對本文選取線路歷史跳閘原因分析，結合波阻式防雷設備工作機理，在2014年下半年實施了對110kV旗桂線和220kV翠旗乙線以下改造措施：（1）對引起輸電線路跳閘次數(shù)多的鐵塔塔安裝波阻式防雷設備；（2）對處于迎陽面山坡，山頂，潮濕地段等危險區(qū)域的鐵塔安裝波阻式防雷設備；（3）全線檢測接地電阻，對接地電阻不達標的區(qū)域進行接地系統(tǒng)改造；（4）對明顯老化或有缺陷的絕緣子進行更換。

改造后的選取線路有以下幾個明顯的優(yōu)點：（1）安裝的避雷波阻器是一個同時防反擊和繞擊，且和塔頂電氣絕緣的防雷裝置，可將鐵塔附近的繞擊雷吸引至避雷波阻器上轉(zhuǎn)化為反擊雷，同時降低雷電流幅值和沖擊強度；（2）改善接地電阻可大幅度降低雷擊過電壓；（3）更換老舊缺陷絕緣子，恢復線路設計絕緣水平。

本文選取了表2中線路和具體桿塔作為對比，從安裝波阻式防雷設備起至2015年8月的跳閘數(shù)據(jù)如下表。

從表4中可以看出安裝波阻式防雷設備改造后，雷擊跳閘有了明顯的降低，實現(xiàn)了良好的防雷效果，介于安裝運行時間約一年，其防雷改造的優(yōu)化有待更長時間的考察分析。

五、結論

山區(qū)輸電線路所處地區(qū)皆為崇山峻嶺，地質(zhì)條件惡劣，雷電活動頻繁，雷擊跳閘事故頻頻發(fā)生。山區(qū)輸電線路的防雷應該結合雷電活動規(guī)律、地區(qū)地理氣候特征采取有針對性的防雷措施。本文介紹了一種波阻式防雷設備，提供了一種新的防雷思想，闡述了其在中山地區(qū)輸電線路的應用情況，分析對比了該防雷設備在中山地區(qū)輸電線路安裝前后雷擊跳閘率。通過雷擊跳閘統(tǒng)計分析得出波阻式防雷設備在中山地區(qū)的應用中能明顯降低線路跳閘率，實現(xiàn)了良好的防雷效果，對復雜的山區(qū)輸電線路防雷研究提具有指導意義。

參考文獻

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[5] 李平.波阻式線路防雷設備在重雷區(qū)域的應用研究[J]. 云南電力技術，2013，41（5） ：22–24

作者簡介

劉文韜（1984-），男，從事安全監(jiān)督、輸電線路運行、管理工作。