電力系統(tǒng)防雷工程設(shè)計(jì)研究

郭仲愷 楊國嶺

摘 要： 隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，加速了電力改革的發(fā)展進(jìn)程，輸電線路管網(wǎng)有了較明顯的改善。隨著人們生活水平的日益提高，電能已成為人們生產(chǎn)生活的重要能源之一。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電能有了更高的需求，在不斷開發(fā)電力能源的同時(shí)，建設(shè)者對于電力超系統(tǒng)防雷工作的重視力度也逐年提高，由于科技的進(jìn)步，防雷設(shè)計(jì)上得到了有效的發(fā)展和創(chuàng)新，但雷電做為一種自然現(xiàn)象，對電力系統(tǒng)的危害將長期存在，所以為了保證人民群眾的用電安全，電力系統(tǒng)還應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)防雷工程設(shè)計(jì)工作，及采取相關(guān)的技術(shù)措施，保證電網(wǎng)的正常運(yùn)行。本文從雷電的危害進(jìn)行分析，提出了防雷的重要性及在電力系統(tǒng)弱電裝置中對防雷措施的具體運(yùn)用。

關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng)；防雷工程；設(shè)計(jì)

一、雷擊的危害

自然界每年都有幾百萬次閃電。雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。最新統(tǒng)計(jì)資料表明，雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災(zāi)害的第三位。全球每年因雷擊造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國每年因雷擊以及雷擊負(fù)效應(yīng)造成的人員傷亡達(dá)3000～4000人，財(cái)產(chǎn)損失在50億元到100億元人民幣。 雷電災(zāi)害所涉及的范圍幾乎遍布各行各業(yè)。雷擊是指打雷時(shí)電流通過人、畜、樹木、建筑物等而造成殺傷或破壞。云層之間的放電對飛行器有危害，對地面上的建筑物和人、畜影響不大，但云層對大地的放電，則對建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大。一但對萬物造成危害都可以稱為被雷擊。其危害主要有四種：

1、直擊雷。帶電的云層對大地上的某一點(diǎn)發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱為直擊雷。它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物體、建筑物、設(shè)施、人畜遭受嚴(yán)重的破壞或損害——火災(zāi)、建筑物損壞、電子電氣系統(tǒng)摧毀，甚至危及人畜的生命安全。

2、雷電波侵入。雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動(dòng)化控制等各個(gè)系統(tǒng)。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等可能已經(jīng)損壞。

3、感應(yīng)過電壓。雷擊在設(shè)備設(shè)施或線路的附近發(fā)生，或閃電不直接對地放電，只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。閃電釋放電荷，并在電源和數(shù)據(jù)傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應(yīng)生成過電壓。 雷擊放電于具有避雷設(shè)施的建筑物時(shí)，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或避雷針）、引下線泄放到大地的過程中，會(huì)在引下線周圍形成強(qiáng)大的瞬變磁場，輕則造成電子設(shè)備受到干擾，數(shù)據(jù)丟失，產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓；嚴(yán)重時(shí)可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓。

4、系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓。因斷路器的操作、電力重負(fù)荷以及感性負(fù)荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生內(nèi)部過電壓，即操作過電壓。操作過電壓的幅值雖小，但發(fā)生的概率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷電感應(yīng)過電壓。實(shí)驗(yàn)證明，無論是感應(yīng)過電壓還是內(nèi)部操作過電壓，均為暫態(tài)過電壓（或稱瞬時(shí)過電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設(shè)備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數(shù)據(jù)庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。

5、地電位反擊。如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會(huì)在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。同時(shí)，在未實(shí)行等電位連接的導(dǎo)線回路中，可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險(xiǎn)。

二、電力系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1、選擇合理的輸電線路

雷擊現(xiàn)象的發(fā)生一部分是受環(huán)境條件、地理?xiàng)l件、氣候狀況等的影響，某些地區(qū)在輸電線路的設(shè)計(jì)上應(yīng)該避開雷擊多發(fā)區(qū)，如高山、縱深山谷地帶、傾斜山坡等，來降低輸電線路受到雷擊的概率。

2、避雷裝置的安裝

（1）搭設(shè)避雷線。避雷線具有效率高、分流效果好、屏蔽作用明顯等優(yōu)點(diǎn)，被泛應(yīng)用在電網(wǎng)建設(shè)當(dāng)中，取得了不錯(cuò)的避雷效果。避雷線能減少桿塔的雷擊電流，使得塔頂?shù)碾娢唤档?，并能禍合?dǎo)線降低輸電線路、絕緣子的電壓，減輕雷擊的破壞。實(shí)際建設(shè)中，一般20kV的輸電線路不需要裝設(shè)避雷線，200kV以上的需要全程搭設(shè)避雷線，在500kV以上的高壓線則需要兩條避雷線才能確保其屏蔽功能。

（2）安裝負(fù)角保護(hù)針。負(fù)角保護(hù)針是架裝在桿塔的頂部的導(dǎo)線上方的一種側(cè)向避雷針，主要是為了改善屏蔽和減少臨界擊距。負(fù)角保護(hù)針的屏蔽作用在導(dǎo)線的上方，所以雷電只能對地面放電，以此來避免雷電繞擊區(qū)的形成。負(fù)角保護(hù)針多用于山坡和山頂?shù)臈U塔上，其多采用長度為2. 5m或2. 8m的鋼針，針頭做成尖錐狀。

（3）可控放電避雷針。該裝置是通過動(dòng)態(tài)環(huán)和儲(chǔ)能裝置來控制針頭電場，使它能夠在雷擊發(fā)生前產(chǎn)生向上的先導(dǎo)，引發(fā)上行累閃，針尖出的電場強(qiáng)度較高，能迅速產(chǎn)生脈沖放電。該裝置可有效降低雷電繞擊的機(jī)率。該裝置由四個(gè)部分組成，即針頭、儲(chǔ)能裝置、金屬支架、接地裝置?？煽胤烹娧b置可在塔頂?shù)鼐€支架上方安裝，其安裝個(gè)數(shù)和位置可根據(jù)桿塔的形狀、地形進(jìn)行調(diào)整，來確?？煽蒯樀谋Ｗo(hù)范圍滿足安裝要求。

（4）雷電接閃器。雷電接閃器有避雷的作用，但其本體是一個(gè)感抗，其在雷擊發(fā)生時(shí)能夠?qū)U塔過電壓進(jìn)行消減，其對雷電流波峰消減幅度可達(dá)到30%以上。該裝置能記錄桿塔落雷的數(shù)據(jù)，為對雷電研究提供了數(shù)據(jù)支持。

3、自動(dòng)重合閘裝置的安裝

自動(dòng)重合閘是當(dāng)線路當(dāng)線路出現(xiàn)故障，繼電保護(hù)使斷路器跳閘后，自動(dòng)重合閘裝置經(jīng)短時(shí)間間隔后使斷路器重新合上。被泛應(yīng)用于架空線輸電和架空線供電線路上，該類裝置可分為四種狀態(tài)：單相重合閘、綜合重合閘、三相重合閘、停用重合閘。該裝置可以提高供電的可靠性，減少線路停電的次數(shù)，還能保持電力系統(tǒng)的運(yùn)行的穩(wěn)定性，該裝置本身投資很低，工作可靠，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一般的，線路故障跳閘后重合閘越快，效果越好。資料表明，輸電線路中重合閘成功率較高，使得它已經(jīng)成為一種行之有效的防雷措施。

4、改善接地電阻

當(dāng)合理匹配接地地阻和避雷線可有效地實(shí)現(xiàn)降低過電壓的功能，常規(guī)設(shè)計(jì)采取的延長或增加接地射線的方式降低桿塔接地電阻，對于土質(zhì)不良的地區(qū)效果有限。目前應(yīng)用在實(shí)際中的降低輸電線電路接地電阻的方法有：（1）延長或增加接地射線，針對接地材料腐蝕的老舊線路，往往采取增加接地線的方式，是新建和改造線路中常用的降阻方法；（2）垂直接地體法，該方法是在接地裝置的射線上，每隔3m增設(shè)長度0. 6m左右的垂直接地體，一般用角鋼，并與接地線進(jìn)行焊接；（3）集中接地法，是指在桿塔的基礎(chǔ)外挖一圈直徑為10-20m，深為60cm的溝，在溝內(nèi)每隔2- 3m打一根垂直接地體，用圓鋼將所有垂直接地體相連再與桿塔的接地引下線相連；鈞換土法，對低處土壤電阻率較高的桿塔或石頭山，采用換土的方式來降低土壤的電阻，即在桿塔附近周圍挖出原有土壤，并回填一層電阻率低的土壤，再進(jìn)行接地設(shè)置。

三、結(jié)束語

綜上所述，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技水平的提高，我國的電力事業(yè)水平正在不斷上升。為了提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，電力系統(tǒng)防雷保護(hù)成為一項(xiàng)必不可少的工作?，F(xiàn)今，電力系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)變得越來越專業(yè)、準(zhǔn)確和精細(xì)。為此，必須重視電力系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)，逐步完善現(xiàn)代電力系統(tǒng)的防雷體系，提高工程防雷能力?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]郭兆華.關(guān)于輸電線路防雷措施的綜合探討[J]. 廣東科技. 2010（10）

[2]張翠霞，葛棟，殷禹.直流輸電系統(tǒng)的防雷保護(hù)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（1）：122-124.

[3]金鶯.淺析電力系統(tǒng)的雷電保護(hù)[J].大科技·科技天地，2010（12）.

[4]莊文泰.高壓輸電線路的防雷保護(hù)[J].裝備制造，2010，2（1）：199-200.