500kV線路避雷裝置雷電過壓保護(hù)性能研究

杜剛 王磊

摘 要：500kV輸電線路作為超高壓輸電，具有輸送容量大傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，其架空線建設(shè)長度范圍很廣，通常為數(shù)十里甚至上百里，線路鋪設(shè)所經(jīng)過的地區(qū)跨度大，不僅地質(zhì)條件各異，氣候條件也大不相同，因此輸電線路十分容易受到惡劣天氣環(huán)境的影響。雷擊作為對最常對輸電線路造成損壞，且損壞程度最大的自然災(zāi)害，一旦發(fā)生將使線路保護(hù)斷路器切斷輸電線路，在系統(tǒng)自動(dòng)重合閘裝置不能有效工作的情況下，不僅會(huì)對電力系統(tǒng)造成巨大的危害，對供電區(qū)域內(nèi)所造成經(jīng)濟(jì)損失也是不可估量的。因此，關(guān)于500kV超高壓輸電線路避雷裝置雷電過壓保護(hù)性能的研究對整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行意義重大。

關(guān)鍵詞：500kV線路 保護(hù)改造升級 防護(hù)措施

1 引言

500kV超高壓輸電線路在鋪設(shè)完畢后會(huì)長時(shí)間的暴露在外界環(huán)境中，且部分地區(qū)地形地貌的特殊性，對輸電線路的維護(hù)與檢修造成了很大程度上的困難。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在眾多自然氣候?yàn)?zāi)害中雷擊是輸電線路最主要的威脅。因此，避雷器作為保護(hù)輸電線路主要防雷措施之一，其保護(hù)性能的優(yōu)劣就顯得十分重要。本文在介紹了輸電線路產(chǎn)生雷電過電壓原理的基礎(chǔ)上，分別對避雷器的雷電反擊以及雷電繞擊過電壓保護(hù)性能、保護(hù)范圍進(jìn)行了研究，并總結(jié)了高壓輸電線路防雷的一些有效改進(jìn)措施，對現(xiàn)防雷方法的改進(jìn)具有一定的參考意義。

2.輸電線路雷電過電壓原理

通常情況下，雷電過電壓在輸電線路上主要有兩種形成方式：一種是線路設(shè)備周圍有雷電發(fā)生時(shí)，即使線路設(shè)備沒有被雷電直接擊中，輸電導(dǎo)線上也會(huì)因?yàn)殪o電感應(yīng)現(xiàn)象而出現(xiàn)大量電荷，當(dāng)雷電擊中地面目標(biāo)并進(jìn)行發(fā)電時(shí)，由于雷電電荷迅速向目標(biāo)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷也會(huì)隨之向?qū)Ь€兩端進(jìn)行移動(dòng)，從而出現(xiàn)過電壓；另外一種是雷電直接擊中線路設(shè)備，高幅值的雷電沖擊電流通過線路設(shè)備通入地面，從而在被擊物上產(chǎn)生較高的壓降，引起雷電過電壓。其中第一種情況產(chǎn)生的雷電過電壓幅值較低，對超高壓輸電線路影響甚微，而第二種由于雷電直擊線路設(shè)備產(chǎn)生的過電壓對高電壓、超高電壓、特高電壓等電力系統(tǒng)都具有極大的危害。在此之上，雷電直接擊中線路設(shè)備產(chǎn)生的過電壓又可以分為兩種：擊中桿塔產(chǎn)生的過電壓以及繞過屏蔽線擊中導(dǎo)線產(chǎn)生的過電壓，也可以稱為反擊雷電過電壓與繞擊雷電過電壓。

（1）反擊雷電過電壓

應(yīng)用于高壓輸電線路中的桿塔，其本身在設(shè)計(jì)時(shí)就具有一定的電阻以及的電抗，在發(fā)生雷擊現(xiàn)象，產(chǎn)生的沖擊電流作用于桿塔頂部時(shí)，大電流經(jīng)桿塔的引導(dǎo)流入大地，桿塔頂部與底部間會(huì)形成的較大的電壓差并造成輸電線路上的電位大幅上升。如果線路上絕緣串所承受電壓超過其電壓閾值，引起絕緣子串閃絡(luò)，可能同時(shí)造成輸電線路接地故障。雷電反擊造成的主要危害有桿塔處電壓陡增和絕緣裝置閃絡(luò)并被擊穿兩種，其簡要的發(fā)生過程如圖1所示。

（2）繞擊雷電過電壓

另一種情況下，當(dāng)雷電直接擊中線路設(shè)備時(shí)，會(huì)有大量雷擊產(chǎn)生的電流通過導(dǎo)線流向大地，導(dǎo)致線路與地面間壓降增大導(dǎo)致線路上出現(xiàn)過大電壓現(xiàn)象。此時(shí)，如果線路上隔離設(shè)備所承受電壓超過其電壓閾值，隔離裝置中的絕緣子串就會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)，桿塔將線路中的電流引向大地。雷電繞擊時(shí)，由于雷電先是直接作用于輸電線路，產(chǎn)生沖擊電流分量會(huì)出現(xiàn)在線路上的行波中，雷電繞擊過程如圖2所示。

3 避雷性能分析

（1）導(dǎo)線耐雷水平

根據(jù)550kV線路相關(guān)參數(shù)可知，線路無避雷裝置時(shí)的自然耐雷水平為22kA，也就是說普通的550kV架空線對于電流幅值小于該數(shù)值的雷擊有自然的免疫力；當(dāng)輸電線路上預(yù)裝有額定電壓395kV的避雷裝置時(shí)，線路實(shí)際耐雷水平將提高到120kA；當(dāng)輸電線路上安裝的避雷裝置的額定電壓由395kV提升至430kV時(shí)，線路實(shí)際耐雷水平將會(huì)降低到100kA；隨著輸電線路避雷裝置額定電壓繼續(xù)提升至450k V時(shí)，線路實(shí)際耐雷水平也繼續(xù)下跌至80kA。由此可見，在輸電線路上安裝避雷器可在一定程度上提高線路實(shí)際耐雷水平，但是避雷器額定電壓與線路耐雷水平之間的關(guān)系成凸線性，即起初耐雷水平隨避雷裝置額定電壓呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)經(jīng)過某個(gè)臨界值后呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）避雷器保護(hù)范圍

近年來，避雷技術(shù)的日益成熟，許多防雷效果優(yōu)異的設(shè)備被相繼開發(fā)出來，復(fù)合外套金屬氧化物避雷器就是其中一種。在超高壓輸電過程中，線路上任何一部分的電阻都會(huì)導(dǎo)致在輸電時(shí)產(chǎn)生大量的功率損耗，因此在超高壓輸電線路上取消合閘電阻是降低線路功率損耗的必然需求。所以，線路型避雷裝置就成為了超高壓輸電線路防雷降損的首要選擇。在不同程度的雷電災(zāi)害下，線路型避雷器過電壓保護(hù)范圍會(huì)有很大的變化。避雷裝置保護(hù)范圍指的是避雷器對雷擊做出反應(yīng)動(dòng)作后的作用效果范圍。也可以稱之為避雷裝置對雷電產(chǎn)生過電壓大小的敏感程度，若雷電引起的線路的過電壓很小，不在避雷器的觸發(fā)電壓范圍內(nèi)，則避雷器就無法對線路實(shí)施有效的保護(hù)。

4 防護(hù)措施及總結(jié)

超高壓輸電線路受到雷電攻擊而造成線路故障的危害極大，因此，相關(guān)技術(shù)人員采取了很多措施來預(yù)防該現(xiàn)象的發(fā)生。常用的方法有：合理設(shè)置避雷器數(shù)量、調(diào)整系統(tǒng)走線布局、設(shè)計(jì)桿塔接地電阻等。避雷器的合理分布能有效地將雷擊電流進(jìn)行分流，減小瞬間沖擊電流大??；導(dǎo)線的空間位置會(huì)觸發(fā)耦合作用，能有效降低雷電過電壓；雷擊發(fā)生后大部分雷擊電流會(huì)通過桿塔導(dǎo)向大地，接地電阻能抑制其大小。

本文簡要討論了雷電過電壓的產(chǎn)生原理，并在此基礎(chǔ)上對避雷器性能及防護(hù)范圍的影響因素進(jìn)行了分析，最后對主要的有效避雷措施進(jìn)行了總結(jié)，為進(jìn)一步更加細(xì)致的超高壓輸電線路雷電過電壓研究奠定基礎(chǔ)。

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