山西云岡礦架空輸電線路防雷措施

肖 峰

(同煤集團云岡礦)

近年來，隨著云岡礦區(qū)雷電活動強度日益增大，區(qū)內(nèi)輸電線路雷擊跳閘次數(shù)呈上升趨勢。雷電強度越大，對線路的沖擊便越大，雷擊跳閘事故也會隨之增多[1-5]。礦區(qū)220 kV輸電線路因絕緣配置程度較高，跳閘次數(shù)相對較少，雷擊跳閘事故主要集中于35，110 kV輸電線路。本研究通過構(gòu)建雷電流模型、桿塔及輸電線路模型以及雷擊感應(yīng)過電壓模型，對礦區(qū)雷擊桿塔的耐雷水平、雷擊35 kV架空輸電線路進行仿真分析，在此基礎(chǔ)上對相應(yīng)的輸電線路防雷措施進行探討。

1 礦區(qū)線路防雷設(shè)計的主要問題

(1)雷擊跳閘事故多發(fā)生于山地、丘陵地區(qū)，桿塔多沿山架設(shè)，且由于該礦區(qū)排放的廢氣、廢塵中重金屬離子較多，易附著于絕緣子表面，在一定程度上造成絕緣子絕緣性能下降，當(dāng)遇到雷雨天氣時，極有可能發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)致雷擊跳閘。

(2)山地、丘陵的特殊地質(zhì)特征以及桿塔易遭受雷擊等因素易導(dǎo)致桿塔接地電阻偏高。雖然在架設(shè)初期采取了大量措施降低接地電阻，但線路運行一定年限后，其接地電阻阻值又有一定程度升高，進而導(dǎo)致“反擊”事故的發(fā)生。由于礦區(qū)特殊的地形，有效的降阻措施難以實施。

2 模型構(gòu)建及仿真分析

2.1 模型構(gòu)建

(1)雷電流模型。常用的雷電流波形有雙指數(shù)波、斜角波和半余弦波等[6-8]。本研究雷電流模型將采用雷電流的標(biāo)準(zhǔn)模型，即2.6/50 μs雙指數(shù)波形。

(2)桿塔及輸電線路的模型。根據(jù)電壓等級的不同，可采用不同規(guī)格的桿塔。對于220 kV及以上的電壓等級，桿塔上不同的位置在遭到雷擊時產(chǎn)生的電壓便會不同。本研究以35 kV架空輸電線路為例，采用具有典型代表性的上字型有拉線帶避雷線的9 m直線桿，采用鋼結(jié)構(gòu)搭建桿塔，桿塔間距為200 m。

(3)雷擊感應(yīng)過電壓模型。根據(jù)雷擊放電原理中感應(yīng)過電壓的形成機理，采用下式計算感應(yīng)過電壓的幅值

式中，a為雷電流的陡度，kA/μs；hc為輸電線路與地面的垂直距離，m；k0為耦合系數(shù)。由于輸電線路大部分采用三相傳輸方式，當(dāng)雷擊在線路附近形成感應(yīng)電壓時，可以根據(jù)上式計算三相電壓幅值，可作為絕緣子與避雷器的選擇依據(jù)。

2.2 仿真分析

2.2.1 雷擊桿塔時的耐雷水平

當(dāng)桿塔僅有接地電阻而缺乏其余防雷設(shè)備時，線路所能承受的雷電流相對較低，故而可在桿塔上安裝避雷器等過電壓保護裝置。避雷器切勿安裝于線路上，否則雷直接擊在避雷器上無法起到削減電壓沖擊波的作用[9]。以雷擊桿塔情形(圖1)為例，進行仿真分析。結(jié)果表明：①當(dāng)未采取其余的保護措施時，降低桿塔的電阻能夠增大線路的耐雷水平，因為桿塔接地電阻越小，越能使得桿塔在遭受雷擊時，能夠及時地將電流引入大地，對線路起到保護作用；②當(dāng)增加線路的避雷器數(shù)目時，接地電阻越小，對線路耐雷水平的提高效果越明顯，因此在腐蝕較嚴重的區(qū)域，接地電阻的阻值可能偏離設(shè)計電阻，此時可以適當(dāng)增加避雷器數(shù)目，也能發(fā)揮較好的防雷作用；③在雷擊發(fā)生不頻繁的平原地帶，可采取每隔1座桿塔安裝1個避雷器的方式，此時線路的耐雷擊水平比每座桿塔均安裝1個避雷器的避雷效果好，但在高坡以及山地等雷擊事故頻發(fā)地帶，有必要集中安裝避雷器。

圖1 雷擊桿塔情形

綜上分析可知：①每隔1座桿塔安裝1個避雷器的防雷效果不及集中安裝避雷器；②在降低接地電阻困難的地區(qū)，通過增加避雷器的數(shù)量能夠大幅度提高線路的耐雷水平；③由于安裝避雷器的成本較高，對于非易擊雷區(qū)，無需集中安裝避雷器；④對于重要的輸電線路應(yīng)架設(shè)較小的接地電阻并且每座桿塔都應(yīng)安裝避雷器。

2.2.2 雷擊35 kV架空輸電線路

如果沒有安裝避雷器或其他過電壓保護裝置，當(dāng)發(fā)生雷擊線路現(xiàn)象時，僅能依靠線路自身絕緣水平和桿塔的接地來緩解雷擊造成的過電壓。如果在線路的進線端安裝避雷器或過電壓保護裝置后，當(dāng)雷擊導(dǎo)線時，導(dǎo)線產(chǎn)生的過電壓波會隨著導(dǎo)線經(jīng)過避雷器，使得電壓波的幅值減小，當(dāng)減小后的電壓在線路上傳播時，因達不到線路閃絡(luò)的電壓幅值，便不會使線路跳閘。本研究對避雷器的安裝數(shù)目、雷擊線路位置對線路耐雷水平的影響進行了仿真分析。結(jié)果表明：越靠近避雷器的線路，其耐雷水平越高；避雷器安裝越密集，當(dāng)雷擊導(dǎo)線時，線路的耐雷水平越高，線路的薄弱點所能承受的沖擊電壓也越高。由此可見：①在空曠的平原地帶，若每隔2～4座桿塔安裝1個避雷器時，應(yīng)根據(jù)雷電的選擇性原理找出易擊區(qū)域，對易遭受雷擊的桿塔安裝避雷器，盡可能將線路的易擊區(qū)遠離防雷薄弱區(qū)；②無論采用哪種防雷措施，線路上都會存在防雷薄弱區(qū)；③接地電阻對于未安裝避雷器的桿塔的影響較小，但越靠近避雷器，改變接地電阻的阻值越能夠有效提高線路的耐雷水平；④若對每座桿塔都安裝避雷器，則需要將本段線路的易擊點設(shè)計于線路中間位置，是因為中間點能夠在最短的時間內(nèi)將生成的過電壓經(jīng)過2次避雷器削減，使得該處的耐雷水平在整段線路上最高。

3 防雷措施

(1)在桿塔臂上安裝氧化鋅型瓷橫擔(dān)。氧化鋅瓷橫擔(dān)與絕緣子的作用相同，均可起到絕緣的效果，當(dāng)絕緣子的耐沖擊電壓過小時，可將絕緣子更換為瓷橫擔(dān)，能夠有效提高線路的耐雷水平。要確保輸電線路穩(wěn)定運行，線路自身須具備一定的絕緣能力，絕緣子的片數(shù)越多則絕緣效果越好，或直接更換為具有更高耐沖擊電壓特性的絕緣子和瓷橫擔(dān)，在此基礎(chǔ)上，通過加強線路巡檢，確保絕緣設(shè)備無損壞現(xiàn)象。如果僅注重更換絕緣設(shè)備，也無法確保絕緣設(shè)備的安全可靠性，雷擊產(chǎn)生時，易擊中線路的薄弱環(huán)節(jié)，因此，確保絕緣子的質(zhì)量也是提高輸電線路耐雷水平的有效措施。當(dāng)感應(yīng)雷擊過電壓生成時，數(shù)值一般為300～400 kV，若在桿塔上同時使用瓷橫擔(dān)和架設(shè)5 m左右的耦合地線，并且每隔1座桿塔都安裝避雷器，則線路的耐沖擊電壓將達到350 kV左右，將能夠有效防止感應(yīng)雷擊過電壓導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)發(fā)生跳閘現(xiàn)象。

(2)線路無避雷線時提高線路耐雷水平的措施?？梢栽赼相線路上安裝線路避雷器，并在b相電路上每隔一定數(shù)量的桿塔將相應(yīng)的絕緣子片數(shù)增加。當(dāng)a相電路上安裝了避雷器，相當(dāng)于對另外兩相線路起到了屏蔽作用，使得遭受雷擊的概率降低，同時提高了線路的耐雷水平。在b相電路上增加絕緣子片數(shù)，能夠更大程度上確保將線路閃絡(luò)的程度降至最低。安裝線路避雷器可以極大提高架空輸電線路的抗雷擊性能，降低線路雷擊跳閘率。當(dāng)采取減小避雷線護角、增加絕緣配置、降低接地電阻等防雷措施仍無法滿足線路安全運行要求時，可加裝線路避雷器。線路避雷器宜選擇帶串聯(lián)間隙的避雷器，既可以保護線路免受雷電過電壓危害，又可以在雷擊后自動恢復(fù)絕緣，確保線路安全運行[9]。

4 結(jié) 語

針對云岡礦現(xiàn)有的架空線路防雷設(shè)計存在的不足，通過建模仿真分析，認為可在桿塔臂上安裝氧化鋅型瓷橫擔(dān)或加裝線路避雷器來提高礦區(qū)架空輸電線路的防雷水平。