超高壓輸電線路防雷技術研究及應用

馬金龍　胡成龍

摘要：雷電原本就是約束超高壓輸電工作安全和可靠性的核心因素，畢竟借由其引發(fā)的線路故障，已經占據事故總體數量的六成，尤其是在 500 kV 以上電壓等級的輸電線路之中，雷電導致的跳閘幾率非常之高，因此可以被理解為限制超高壓輸電線路正常工作結果的核心因素。所以說，今后處理超高壓輸電防雷工作的重點，便是全面遏制雷電繞擊隱患，提升防繞擊能效，該類結果對于今后我國電力系統(tǒng)整體運行安全穩(wěn)定性，有著決定性意義。

關鍵詞：超高壓;輸電線路;防雷技;研究應用

前言：

雷電是影響輸電線路可靠性的首要因素，在我國，超高壓輸電線路雷擊事故占線路總跳閘事故40%～70% 。雷電活動具有明顯的地域性和氣候性，與當地雷電活動特性、微地形、微氣候等因素有關。在現(xiàn)有防雷技術較為廣泛研究基礎上，本文以500kV輸電線路雷擊故障為實例，并結合目前的防雷措施，提出超高壓輸電線路切實可行的防繞擊策略。

1超高壓輸電線路雷擊事故實例分析

在此主要將500kV的超高壓輸電線路作為研究對象，在尚未發(fā)生雷擊事故前期，透過檢驗認證輸電線路運行十分正常，尚未衍生任何不良事故現(xiàn)象。大約是在2016年5月10日23時15分30秒，研究的500kV超高壓輸電線路中的B相突然跳閘，重合閘成功。而其所屬電站存在兩類動作痕跡，主一保護測距距離該站有15千米左右，而主二保護測站距離電站為17千米，至于電站行波測距則距該類電站40千米。雷電定位系統(tǒng)清晰地定位到跳閘時刻并且證明周邊存在落雷跡象。在獲悉因雷擊而引發(fā)跳閘故障的信息時，輸電所在第一時間內到達現(xiàn)場進行完成信息校驗分析任務，主要是聯(lián)合當時現(xiàn)場天氣狀況和雷電電位系數等進行細致對比認證，確定日后重點巡視的區(qū)位段，并且在第二日大范圍地布置拓展故障特訓活動。經過檢查后發(fā)現(xiàn)，1塔B相存在極為顯著的雷擊閃絡痕跡，塔1地線放電間隙的放電痕跡較為輕微。

2超高壓輸電線路防雷技術的內容

2.1可控放電避雷針

當可控放電避雷針安裝處附近的地面電場強度較低時（如雷云離可控針及被保護對象距離較遠等情況），雷云不會對地面物體發(fā)生放電，此時可控放電避雷針針頭的貯能裝置處于貯藏雷云電場能量工況，由于動態(tài)環(huán)的作用，針頭上部部件（動態(tài)環(huán)和主針針尖）處于電位浮動狀態(tài)，與周圍大氣電位差小，因此幾乎不發(fā)生電暈放電，即保證了在引發(fā)前針頭附近的空間電荷很少的要求^[1]。當雷云電場上升到預示它可能發(fā)生對可控針及周圍被保護物發(fā)生雷閃時，貯能裝置立即轉入釋能工況，這一轉變使主針針尖的電場強度不再被動態(tài)環(huán)限制，針尖電場瞬間上升數百倍，使針尖附近空氣迅速放電，形成很強的放電脈沖，因沒有空間電荷的阻礙，該放電脈沖在雷云電場作用下快速向上發(fā)展形成上行先導，去攔截雷云底部先導或進入雷云電荷中心。如果第一次脈沖引發(fā)不成上行先導，貯能裝置即又進入貯能狀態(tài)，同時使第一次脈沖形成的空間電荷得以消散，準備第二次脈沖產生。如此循環(huán)總能成功地引發(fā)上行雷。

2.2線路型金屬氧化物避雷器

為了減少輸電線路的雷擊故障，采用了各種措施。如減小避雷線的屏蔽角，提高線路絕緣水平，降低桿塔接地電阻，多重屏蔽，加裝耦合地線雙回輸電線路采用不平衡絕緣等。但采用減小屏蔽角的方法將受到桿塔結構的限制，提高絕緣水平將增加線路造價，而且受到桿塔結構及走廊寬度的限制。對于新建線路，減小輸電線路的雷擊故障一般方法是盡量減小避雷線的屏蔽角，降低桿塔接地裝置的接地電阻。而在高土壤電阻率地區(qū)降低桿塔接地電阻存在較大的困難。為了減少線路的雷擊事故，提高供電可靠性，提出了在線路上安裝金屬氧化物避雷器來減少線路雷擊事故的方法。自1980年開始，國外開展了應用避雷器來降低線路雷擊事故的研究，并已成功地將避雷器應用到輸電線路上。理論計算分析和實踐都證明，將線路避雷器應用到線路雷電活動強烈或土壤電阻率高、降低接地電阻有困難的線段，可以較大地提高線路的耐雷水平。

3超高壓輸電線路防雷技術應用

3.1可控放電避雷針在高壓輸電線路的防雷保護應用

在超高壓輸電線路上的塔頂裝設可控避雷針符合傳統(tǒng)防雷理論，由于線路弧垂使中間段保護角小于近桿塔段，加之桿塔位置也比較高，繞擊多發(fā)生在近桿塔段。在桿塔塔頂安裝避雷針后，桿塔附近的雷將會落在避雷針上，通過桿塔入地，減少了線路遭繞擊的概率，安裝避雷針后桿塔落雷幾率將增大，繞擊減少而增加了反擊的機會，但由于裝設可控放電避雷針后雷電流幅值小。可控放電避雷針的保護特性明顯優(yōu)于富蘭克林避雷針，就主要參數繞擊概率和保護范圍而言，令人滿意。①可控放電避雷針有一個相當大的幾乎不遭受繞擊的保護區(qū)域。例如當繞擊概率不大于0.001%時（顯然在這樣的繞擊概率下，被保護對象遭繞擊的可能性是相當小的）保護角高達55°。②當被保護對象遭受繞擊概率允許達到0.1%（目前規(guī)程規(guī)定允許值）時，可控放電避雷針的保護角達66.4°，而富蘭克林避雷針的保護角遠遠低于此值。在可控放電避雷針和傳統(tǒng)避雷針的對比試驗中，從可控放電避雷針的針頭可以清楚地看到一段較長的放電軌跡，這說明在這里有向上發(fā)展的先導，而在富蘭克林避雷針上的放電軌跡上則見不到這一明顯軌跡，可控放電避雷針就是靠產生向上放電來減少繞擊和增大保護角的^[2]?？煽胤烹姳芾揍樚貏e適合高壓輸電線路的防雷，通過對比實驗發(fā)現(xiàn)：可控放電避雷針的引雷能力比傳統(tǒng)避雷針強得多，而且有較大的保護角，這樣就可以降低輸電線路的繞擊率。

3.2線路型金屬氧化物避雷器在高壓輸電線路的防雷保護應用

如果能夠確定某個桿塔的雷電事故是由雷電繞擊引起的，則只在雷電繞擊的相導線上安裝避雷器就能確保在保護范圍內不會出現(xiàn)線路的雷擊閃絡事故。對于山坡上的桿塔，一般是外側線路容易繞擊，則只在外側相導線上安裝線路避雷器。對于山頂或平地區(qū)域的線路桿塔，則繞擊出現(xiàn)在邊相，因此應在兩側安裝線路避雷器。特別注意：如果基于防繞擊目的的桿塔避雷線或桿塔遭受雷擊，則沒安裝避雷器的相導線可能會發(fā)生閃絡。避雷器不僅可以防止繞擊，還能有效防止反擊事故發(fā)生。線路安裝避雷器后，可以大大提高線路耐雷水平。根據具體線路段的實際雷電活動強度及土壤電阻率及對線路耐雷水平的要求，可以確定是不安裝避雷器、安裝一只避雷器還是安裝三只避雷器。對于220kV線路，如果桿塔的沖擊接地電阻在40Ω以下，則在雷電活動強烈區(qū)域的桿塔上安裝一組避雷器，線路都能耐受180kA的雷電流的作用而不發(fā)生線路閃絡。當桿塔沖擊接地電阻大于40Ω時，線路不能耐受180kA以上的雷電流^[3]。為了進一步提高線路的耐雷水平，可以在相鄰的桿塔再各裝一組避雷器，這時在沖擊接地電阻大于40Ω時，線路則能耐受300kA以上的雷電流。500kV線路在雷電活動強的地區(qū)安裝一組避雷器，即使桿塔沖擊接地電阻達40Ω，耐雷水平也能達350kA，即裝一組避雷器基本上能滿足線路防雷要求。但由于價格和運行維護等方面的原因，不主張在500kV及以上電壓等級的線路上安裝避雷器。

總結：

（1） 加強對輸電線路耐雷特性計算方法的研究及提高其防雷性能的研究，改進現(xiàn)有規(guī)程推薦的計算方法。（2） 可控放電避雷針特別適合高壓輸電線路的防雷，有較大的保護角，這樣就可以降低輸電線路的繞擊率。（3） 將線路避雷器應用到線路雷電活動強烈或土壤電阻率高、降低接地電阻有困難的線段，可以較大地提高線路的耐雷水平。

參考文獻：

[1]賀遠. 500kV輸電線路雷擊故障分析與防雷措施研究[D].華北電力大學，2017.

[2]劉威，王朝海.超高壓輸電線路防凝凍災害技術措施研究[J].機電信息，2016（06）：101+103.

[3]隋彬. 500kV超高壓輸電線路耐雷水平影響因素研究[D].西南交通大學，2015.