高壓輸電線路的防雷保護(hù)

羅曉軍

(鄂爾多斯市神東工程設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

礦井變電站作為礦井供電的電力樞紐，承擔(dān)了礦區(qū)的動力供應(yīng)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。礦區(qū)變電站輸電線路基本遠(yuǎn)離城區(qū)，為了減少線路長度及對城鎮(zhèn)建設(shè)的影響，線路多架設(shè)在地勢較高的山區(qū)，帶來的代價就是雷擊概率較高，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)也表明雷害故障占線路故障總數(shù)約40%～70%，尤其在高山多雷處、巖石覆蓋層等土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，雷擊致事故率更高，神東礦區(qū)橫跨蒙、陜、晉三省區(qū)，地形起伏大，以山區(qū)地形為主，由于礦區(qū)面積大、礦井?dāng)?shù)量多，故架設(shè)有大量110 kV及35 kV線路。在雷雨季節(jié)，此部分線路常出現(xiàn)雷擊跳閘現(xiàn)象，導(dǎo)致變電站停電、煤礦通風(fēng)機(jī)停運(yùn)，嚴(yán)重影響了煤礦的供電安全，本文結(jié)合神東公司多年來對眾多輸電線路運(yùn)行經(jīng)驗及數(shù)據(jù)分析，從技術(shù)角度分析各種情況下的雷擊過電壓種類及影響過電壓的因素，進(jìn)而給出切實(shí)可行的提高輸電線路耐雷水平及雷擊跳閘率的防雷措施。

1 輸電線路雷擊過電壓的種類

雷擊現(xiàn)象雖然十分復(fù)雜，但其主要分為以下2種類型。

1.1 直擊雷過電壓

輸電線路遭受雷擊時，桿塔塔頂、線路避雷線、導(dǎo)線均可能被擊中，如圖1所示，此時直接被雷擊中的過電壓為直擊雷過電壓。

圖1 輸電線路遭受雷擊示意Fig.1 Lightning strikes on power transmission lines

1.1.1 雷擊線路桿塔塔頂或避雷線時過電壓

擊中避雷線時，由于避雷線都是與大地相連接，雷電流會順著避雷線流入大地(多桿塔會分流)，此時由于是直接擊中，產(chǎn)生過電壓最大，危害也最大，容易引起絕緣子閃絡(luò)。根據(jù)現(xiàn)行《電力工程高壓送電線路手冊》可知：

塔頂電位：由式(1)計算取得

(1)

式中，I為雷電流幅值，kA；β為桿塔分流系數(shù)，見表1；Rsu為桿塔沖擊接地電阻，Ω；Lt為桿塔電感，H，見表2。

表1 分流系數(shù)βTable 1 Diversion coefficient β

表2 桿塔電感LtTable 2 Tower inductance Lt

導(dǎo)線電位：塔頂與地線具有相同的電位Utp。地線和導(dǎo)線間具有耦合作用，故導(dǎo)線上產(chǎn)生的電位為kUtp。另外，當(dāng)雷擊桿塔塔頂時，導(dǎo)線上會產(chǎn)生與雷電流極性相反的感應(yīng)過電壓Uic，如此，導(dǎo)線上的電位UC為

(2)

式中，k為避雷線與導(dǎo)線的耦合系數(shù)，k=k1k0；α為感應(yīng)過電壓系數(shù)，α=I/2.6。

線路絕緣子串上的電壓(塔頂電位與導(dǎo)線電位之差)為

(3)

式中，ha為橫擔(dān)對地高度，m；ht為桿塔高度，m。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》及實(shí)際經(jīng)驗，80%的雷電流幅值在62 kA及以下，取桿塔呼稱高度18 m，避雷線安裝高度25.5 m計算得，Ut=843.37 kV。

此時對于35 kV線路，絕緣子大多為4片，參照制造廠給出的雷電全波沖擊50%閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)在每片100～135 kV之間，實(shí)際雷電沖擊電壓U50%約為制造廠數(shù)據(jù)的85%～90%左右，故在雷擊桿塔時35 kV線路絕緣會發(fā)生閃絡(luò)，對線路構(gòu)成反擊。而對高一個電壓等級的110 kV線路絕緣子片數(shù)大多為8片或以上，故在雷擊桿塔時110 kV線路絕緣存在發(fā)生閃絡(luò)的可能性。

1.1.2 雷繞擊導(dǎo)線時的過電壓

電力運(yùn)行單位一般均在線路上架設(shè)避雷線，用來防止導(dǎo)線被雷直接擊中，但此方法也不是絕對安全的，仍然會存在雷電流繞過避雷線直接擊中導(dǎo)線的現(xiàn)象。繞擊首先與桿塔自身構(gòu)造有關(guān)系，如桿塔結(jié)構(gòu)決定了桿塔保護(hù)角、桿塔總高度、桿塔架設(shè)位置；也與桿塔接地裝置接地電阻大小有關(guān)系。雷擊時繞過避雷線擊中導(dǎo)線的概率雖然不大，但是一旦發(fā)生繞擊危害非常大，往往會引起線路絕緣子串的閃絡(luò)。

根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)程，雷電直接擊中導(dǎo)線時，當(dāng)雷電流幅值達(dá)到最大，導(dǎo)線上的電壓最大，其幅值為

(4)

式中，I為雷電流幅值，kA；ZC為導(dǎo)線波阻抗，Ω；Z0為雷電通道波阻抗，Ω。

行業(yè)規(guī)程建議ZC=2Z0，330 kV以下輸電線路ZC=400 Ω，故導(dǎo)線上的電壓幅值Ud=100IkV。

此時絕緣子串上承受的電壓也是此電壓，這對于35 kV、110 kV線路而言其絕緣是難以承受的，因此，在線路上架設(shè)避雷線來減少雷直接擊中導(dǎo)線是必要的。

1.1.3 檔距中央避雷線遭受雷擊時的過電壓

雷直接擊中兩桿塔中間的避雷線位置時，由于是直擊，故會產(chǎn)生較高的過電壓幅值，但是由于避雷線的線徑較細(xì)，電暈效應(yīng)會衰減能量，進(jìn)而引起能量消耗并快速衰減，當(dāng)雷電流沿著避雷線到達(dá)桿塔時候，其能量已不足導(dǎo)致絕緣子串擊穿，故此時只需考慮雷擊導(dǎo)線時不要擊穿避雷線與導(dǎo)線間的空氣間隙即可，我國現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定，在一般檔距中央，導(dǎo)線與地線間的距離，應(yīng)按照下式計算

S≥0.012l+1

(5)

式中，S為導(dǎo)線與地線間的距離，m；l為檔距，m。

1.2 感應(yīng)雷過電壓

在雷雨天氣會發(fā)生地面落雷，此時雷電流會產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁脈沖，進(jìn)而會在線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。線路上感應(yīng)電壓的大小與雷電流幅值的大小、導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的平均高度、雷擊點(diǎn)與線路的距離均有關(guān)系，即雷電流越大、導(dǎo)線掛線平均高度越高、雷擊點(diǎn)距離越近，產(chǎn)生的過電壓則越高。

根據(jù)多年來供電單位的運(yùn)行經(jīng)驗并結(jié)合理論分析，當(dāng)落雷點(diǎn)距離導(dǎo)線的距離在65 m以上(65 m以內(nèi)由于線路及桿塔的引雷作用而直接擊中桿塔或?qū)У鼐€)，雷電流不超過100 kA時，導(dǎo)線上感應(yīng)雷過電壓幅值Ui可計算為

(6)

式中，I為雷電流幅值，kA；hc為導(dǎo)線懸掛的平均高度，m；S為雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線的水平距離，m。

由于地面落雷處的接地為自然接地，無任何接地措施，故接地電阻較大，以致雷電流一般情況下不會超過100 kA，故按照100 kA的雷電流估算線路上的感應(yīng)過電壓是相對安全的。經(jīng)查詢統(tǒng)計資料，此時的感應(yīng)過電壓一般不會超過500 kV，此過電壓對35 kV線路可能造成絕緣閃絡(luò)(線路4片絕緣子U50%雷擊閃絡(luò)電壓約為400～540 kV)，對于絕緣水平較高的110 kV及以上線路，一般不會引起閃絡(luò)。感應(yīng)過電壓在三相導(dǎo)線中同時存在，不同之處僅僅是桿塔高度不一致而導(dǎo)致的過電壓數(shù)值不一致，但在三相線路中產(chǎn)生的電位差是不大的，故相間絕緣完全能夠承受住此時的感應(yīng)過電壓。

神東公司的35 kV及以上電壓等級的輸電線路上都架設(shè)有避雷線，此時避雷線會對導(dǎo)線產(chǎn)生屏蔽作用，屏蔽會導(dǎo)致導(dǎo)線上的感應(yīng)電荷降低，進(jìn)而使得導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓較無避雷線時幅值降低。

設(shè)導(dǎo)線和避雷線的對地平均高度分別為hc和hg，假設(shè)避雷線不接地，則導(dǎo)線上和避雷線上的感應(yīng)過電壓為別為Ui·c和Ui·g，計算式為

(7)

(8)

輸電線路上架設(shè)避雷線實(shí)際上通過桿塔的接地裝置接地，而大地的定位為零，此時等價于在避雷線上產(chǎn)生一個-Ui·g的電位，如避雷線與導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)為k，則導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓為二者疊加之和，即導(dǎo)線上實(shí)際產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓為

(9)

通過式(9)可以看出，架設(shè)避雷線可以使感應(yīng)過電壓明顯降低，過電壓幅值約為無避雷線時的70%～80%。

有避雷線的高壓輸電線路感應(yīng)雷過電壓會在最大不超過500 kV的基礎(chǔ)上進(jìn)一步下降，下降之后約為350～400 kV。故避雷線的存在會降低感應(yīng)雷過電壓的水平，提高線路的感應(yīng)雷耐受水平，尤其對于35 kV線路，效果較明顯。

2 輸電線路的防雷性能及指標(biāo)

耐雷水平是指在雷雨季節(jié)發(fā)生雷擊時，線路的絕緣(絕緣子)所能承受(不發(fā)生沖擊閃絡(luò))的最大雷電流幅值(kA)。

2.1 雷擊塔頂時的耐雷水平

在不計避雷線與導(dǎo)線高度差時，雷擊桿塔的耐雷水平I1可簡化為

(10)

通過上式可以看出，此時耐雷水平與分流系數(shù)β、桿塔等值電感Lt、桿塔沖擊接地電阻Ri、導(dǎo)地線間的耦合系數(shù)k和絕緣子串的沖擊放電電壓U50%等有關(guān)。其中效果較明顯的措施是降低沖擊接地電阻和提高導(dǎo)地線間的耦合系數(shù)，降低桿塔接地電阻在工程中容易實(shí)施，應(yīng)給予優(yōu)先考慮。

根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)程GB/T 50064—2014規(guī)定的有地線線路的反擊耐雷水平及對應(yīng)的沖擊接地電阻亦可看出降低桿塔接地電阻能明顯地提高線路的反擊耐雷水平。線路反擊耐雷水平見表3。

表3 線路反擊耐雷水平Table 3 Lightning resistance level of lines

2.2 雷擊導(dǎo)線時的耐雷水平

經(jīng)查詢統(tǒng)計資料，雷直接擊中導(dǎo)線時絕緣子上將承受Ud=100I的雷電過電壓，當(dāng)該電壓Ud等于或者大于線路絕緣子的沖擊耐壓U50%時，將導(dǎo)致絕緣子串的閃絡(luò)，此時宜取負(fù)極性的U50%。故雷擊輸電線路的耐雷水平I2為

(11)

2.3 雷擊檔距中央避雷線的耐雷水平

實(shí)際高壓輸電線路的避雷線和導(dǎo)線間的空氣間隙按照S≥0.012l+1的要求設(shè)計，故雷擊檔距中央避雷線時不會發(fā)生沖擊閃絡(luò)。所以認(rèn)為雷擊檔距中央時無論雷電流多大，線路都能耐受。

2.4 雷擊跳閘率

高壓輸電線路遭受雷擊時，雷擊電流超過輸電線路的耐雷水平，引起線路發(fā)生絕緣閃絡(luò)，由于雷擊閃絡(luò)持續(xù)時間非常短(幾十微妙)，線路保護(hù)裝置(斷路器)來不及跳閘，只有在沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧導(dǎo)致線路發(fā)生單相接地，此時線路跳閘，線路雷擊跳閘率是指標(biāo)準(zhǔn)雷暴日數(shù)為40的時候，每100 km長的線路每年因雷擊引起的跳閘次數(shù)，其單位為次/(100 km·n)。雷擊跳閘率是表征輸電線路遭受雷擊造成損失的一個參數(shù)。

3 輸電線路的防雷措施

高壓輸電線路遭受雷擊可能引起2種破壞，一是雷擊過電壓造成絕緣閃絡(luò)繼而轉(zhuǎn)換為工頻電弧導(dǎo)致線路發(fā)生短路接地故障而跳閘，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示雷擊是引起線路跳閘停電事故的主要原因(占比約為40%～70%)；二是雷擊線路形成的電壓波會沿著高壓輸電線路傳播最終可能侵入變電所，由于變電所內(nèi)設(shè)備額定雷電沖擊耐受電壓水平遠(yuǎn)低于線路產(chǎn)生的雷擊過電壓，故雷擊過電壓會嚴(yán)重危害變電站電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。基于以上原因，在設(shè)計高壓輸電線路時必須采取切實(shí)可行的防雷措施，提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率，以保障線路及變電站的供電安全。根據(jù)雷擊事故形成的4個階段，一般設(shè)置4道防線。

3.1 防雷直擊導(dǎo)線

采取的措施是在輸電線路上架設(shè)避雷線，目前高壓輸電線路架設(shè)避雷線在實(shí)際工程中被公認(rèn)為防直擊雷最行之有效的措施，也是防直擊雷措施的首選措施。避雷線可以對雷電流進(jìn)行分流，能夠減少集中流入某一基桿塔的雷電流，進(jìn)而會導(dǎo)致桿塔電位降低；此外，可以與導(dǎo)線產(chǎn)生耦合，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓，同時還會對絕緣子串上的過電壓予以削弱；對導(dǎo)線有屏蔽作用。

3.2 防閃絡(luò)

防閃絡(luò)即防止雷擊時發(fā)生或減少發(fā)生線路絕緣閃絡(luò)，采取的方法有加強(qiáng)線路絕緣(提高絕緣子片數(shù))、降低桿塔的接地電阻(提高耐雷水平)；高土壤電阻率地區(qū)，若雷擊事故頻發(fā)，接地電阻又難以降低，此時可以在導(dǎo)線下方架設(shè)耦合地線，增強(qiáng)導(dǎo)地線之間的耦合系數(shù)，加裝接地拉線并設(shè)置單獨(dú)的接地裝置以增強(qiáng)分流。其中，降低桿塔接地電阻提供耐雷水平進(jìn)而防閃絡(luò)是工程中最經(jīng)濟(jì)最實(shí)用的辦法。工程中應(yīng)予以優(yōu)先考慮。

對于加強(qiáng)線路絕緣，表面看起來簡單，只是增加絕緣子片數(shù)即可，但是實(shí)施起來很困難，具有很大程度的局限性，不僅增加了絕緣費(fèi)用，由于增加絕緣子會導(dǎo)致絕緣子串長度變長，桿塔的空氣間隙變小，若想保證線路安全運(yùn)行還必須增大桿塔的尺寸；桿塔尺寸變化，必然導(dǎo)致桿塔結(jié)構(gòu)變化，桿塔需要重新設(shè)計，同時桿塔鋼材用量必然升高，一般僅在落雷機(jī)會較多的大跨越高桿塔上使用(桿塔空氣間隙有較大的余量)。增加絕緣子串長度后，線路雷擊閃絡(luò)率降低了，但存在的問題是線路絕緣與變電站設(shè)備絕緣配合可能出現(xiàn)沖突，即如果線路上雷電過電壓不能沿著線路桿塔釋放到大地而有效降低雷電流幅值，此時雷電流只能順著線路侵入變電站，但是變電站電氣設(shè)備雷電沖擊絕緣水平較低遠(yuǎn)達(dá)不到抵抗雷電過電壓的絕緣水平，故會對變電站內(nèi)電氣設(shè)備絕緣造成損壞。所以此方法應(yīng)慎用。

3.3 防建弧

線路遭受雷擊發(fā)生閃絡(luò)的時間其實(shí)非常短暫，保護(hù)裝置來不及反應(yīng)跳閘，此時若控制其不產(chǎn)生穩(wěn)定的工頻電弧，即能減少雷擊跳閘率，可以采取的措施主要有2種：一種是在變電站內(nèi)安裝消弧線圈，另外一種措施是在線路上安裝避雷器。

變電站內(nèi)安裝消弧線圈，其作用是控制雷電過電壓所引起的相對地沖擊閃絡(luò)不轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧，從而達(dá)到降低建弧率和減少斷路器跳閘次數(shù)的目的。

線路上安裝線路避雷器，避雷器安裝時其實(shí)是與絕緣子串并聯(lián)，雷擊時避雷器工作導(dǎo)通，這樣可以防止線路絕緣子發(fā)生沖擊閃絡(luò)，且避雷器能夠自行關(guān)斷進(jìn)而切斷工頻電弧，從而降低雷擊跳閘率。

3.4 防停電

線路在遭受雷擊后的補(bǔ)救措施，即絕緣瞬間閃絡(luò)保護(hù)跳閘，此時由于閃絡(luò)時間較短，絕緣能夠自動恢復(fù)，因而可以采取重合閘的方式予以補(bǔ)救。若是雷擊引起的瞬間故障則線路合閘成功繼續(xù)供電，若變電站電源線路是同塔雙回線路還可以采取不平衡絕緣的方式，即在發(fā)生雷擊時犧牲一回線路來保證另外一回線路的運(yùn)行。

4 結(jié)語

雷電活動是極其復(fù)雜的，即使在科技發(fā)達(dá)的今天，人們在防雷上也不能做到100%防止雷電帶來的破壞，輸電線路的防雷也是如此，只能通過各種措施盡量降低雷電破壞產(chǎn)生的損失，輸電線路防雷應(yīng)綜合線路的電壓等級，輸電線路的負(fù)荷性質(zhì)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式，線路路徑所在地區(qū)的氣象條件、地形地貌和土壤電阻率等情況，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，根據(jù)不同的線路特點(diǎn)及性質(zhì)制定不同的保護(hù)方案，不能不惜代價地追求防雷效果，尤其是對一些不重要的負(fù)荷線路，更不能如此，在設(shè)計輸電線路的防雷保護(hù)措施時必須與變電站的絕緣水平相配合，優(yōu)先保證變電站電氣設(shè)備與供電安全。