線路避雷器在架空線路防雷中的研究與應(yīng)用

　　摘要：雷擊為影響輸電線路的主要因素，本文闡述了雷電的形成及雷擊對(duì)架空線路的危害，提出了減少輸電線路的雷擊故障應(yīng)采取的主要措施，重點(diǎn)介紹了線路型合成絕緣氧化鋅避雷器防雷的基本原理和使用方法。針對(duì)山東鋁業(yè)公司輸電線路的實(shí)際情況，對(duì)掛網(wǎng)運(yùn)行的避雷器進(jìn)行了跟蹤統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)線路避雷器的防雷效果進(jìn)行了綜合評(píng)估。
　　關(guān)鍵詞：輸電線路；桿塔；線路避雷器；雷擊
　　
　　安全送電，防止因線路故障而跳閘是當(dāng)前輸變電工業(yè)的重要課題之一。雷擊引起的輸電線路掉閘故障日益增多，不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行，而且極大地影響了日常的生產(chǎn)、生活。山東鋁業(yè)公司主要電源線路處于山區(qū)和樹林集中帶，且周圍環(huán)境較為惡劣，雷擊已成為影響輸電線路安全可靠運(yùn)行的最主要因素。
　　
　　一、雷擊對(duì)架空輸電線路的故障分析
　　
　　雷電的種類較多，可分為直擊雷，感應(yīng)雷、球形雷。雷電的破壞作用主要是雷電流引起的，雷電的具體放電過程是：雷云對(duì)地之間的電位很高，可達(dá)1億伏，當(dāng)雷云中的某部分積聚的電荷密度足夠大（電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到25～30kV/cm），使附近的電場(chǎng)強(qiáng)度超過空氣的絕緣強(qiáng)度，該處空氣被擊穿，迅速形成一個(gè)導(dǎo)電通道，成為雷電先導(dǎo)。雷電先導(dǎo)進(jìn)展到離地面100～300米距離時(shí)，地面上感應(yīng)出的異性電荷也在相對(duì)集中，形成迎雷先導(dǎo)，向空中迅速發(fā)展，二者相遇時(shí)，正負(fù)電荷強(qiáng)烈中和，出現(xiàn)了極大的電流，這一過程稱為主放電過程，溫度可達(dá)約2萬度，使周圍的空氣猛烈膨脹，出現(xiàn)耀眼的光亮和巨響，即“打閃、打雷”，主放電完成后，雷云中剩余電荷沿著導(dǎo)電的通道繼續(xù)流向大地，為放電的余暉階段。
　　通常所謂雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層，或者是帶電的云層對(duì)大地之間迅猛地放電。其中，云層對(duì)大地的放電，屬于雷電中的一種感應(yīng)雷，即閃電放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，則對(duì)電力線路、電氣設(shè)備危害甚大。
　　架空輸電線路在附近出現(xiàn)對(duì)地雷擊時(shí)極易產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，當(dāng)雷云出現(xiàn)在線路上方時(shí)，線路上由于靜電感應(yīng)而積聚大量異性的束縛電荷，當(dāng)雷云對(duì)地放電時(shí)，線路上的束縛電荷被釋放而形成自由電荷向線路兩端釋放，形成高電位的過電壓，可高達(dá)幾十萬伏，低壓線路的感應(yīng)過電壓也可達(dá)幾萬伏，對(duì)供電系統(tǒng)危害極大。
　　為了減少輸電線路的雷擊故障，我們采取了各種綜合防雷措施，如架設(shè)避雷線，降低桿塔接地電阻、提高線路絕緣水平、裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置、架設(shè)耦合地線等，取得了一定的效果。但對(duì)于分布在高土壤電阻率的部分線路，降低桿塔接地電阻難度較大，對(duì)于防治雷電繞擊導(dǎo)線而引起的閃絡(luò)事故仍沒有好的對(duì)策。
　　
　　二、線路避雷器在架空輸電線路中的應(yīng)用
　　
　　目前，國(guó)外已廣泛使用線路型合成絕緣氧化鋅避雷器用于輸電線路的防雷，取得了很好的效果。從2003年開始，中鋁山東分公司使用該避雷器應(yīng)用在110kV峪鋁線、峪流線及35kV電南Ⅰ線，經(jīng)過4個(gè)雷雨季節(jié)的考驗(yàn)取得了明顯的效果。
　　1.線路避雷器的基本原理
　　(1)氧化鋅ZnO避雷器結(jié)構(gòu)特征。氧化鋅ZnO避雷器主要由氧化鋅壓敏電阻構(gòu)成。每一塊壓敏電阻從制成時(shí)就有它的一定開關(guān)電壓，稱壓敏電阻，在正常的工作電壓下（即小于壓敏電壓）壓敏電阻值很大，相當(dāng)于絕緣狀態(tài)，但在沖擊電壓作用下（大于壓敏電壓），壓敏電阻呈低值被擊穿，相當(dāng)于短路狀態(tài)。然而壓敏電阻被擊狀態(tài)，是可以恢復(fù)的，即當(dāng)高于壓敏電壓的電壓撤銷后，它又恢復(fù)了高阻狀態(tài)。因此，在電力線上安裝氧化鋅避雷器后，雷擊時(shí)雷電波的高電壓使壓敏電阻擊穿，雷電流通過壓敏電阻流入大地，使電源線上的電壓控制在安全范圍內(nèi)，從而保護(hù)了電器設(shè)備的安全。
　　(2)氧化鋅ZnO避雷器工作原理。在額定電壓下，流過氧化鋅避雷器閥片的電流僅為10～5A以下，相當(dāng)于絕緣體，因此，它可以不用火花間隙來隔離工作電壓與閥片。當(dāng)作用在金屬氧化鋅避雷器上的電壓超過定值（起動(dòng)電壓）時(shí)，閥片“導(dǎo)通”將大電流通過閥片泄入地中，此時(shí)其殘壓不會(huì)超過被保護(hù)設(shè)備的耐壓，達(dá)到了保護(hù)目的。此后，當(dāng)作用電壓降到動(dòng)作電壓以下時(shí)，閥片自動(dòng)終止“導(dǎo)通”狀態(tài)，恢復(fù)絕緣狀態(tài)，因此，整個(gè)過程不存在電弧燃燒與熄滅的問題。
　　當(dāng)雷擊桿塔時(shí)，一部分雷電流通過避雷線流到相臨桿塔，另一部分雷電流經(jīng)桿塔流入大地，桿塔接地電阻呈暫態(tài)電阻特性，一般用沖擊接地電阻來表征。
　　雷擊桿塔時(shí)塔頂電位迅速提高，其電位值為
　　Ut=iRd+L.di/dt
　　式中i——雷電流；
　　Rd——沖擊接地電阻；
　　L.di/dt——暫態(tài)分量。
　　當(dāng)塔頂電位Ut與導(dǎo)線上的感應(yīng)電位U1的差值超過絕緣子串50%的放電電壓時(shí)，將發(fā)生由塔頂至導(dǎo)線的閃絡(luò)。即Ut-U1＞U50，如果考慮線路工頻電壓伏值Um的影響，則為Ut-U1+Um＞U50。因此，線路的耐雷水平與3個(gè)重要因素有關(guān)，即線路絕緣子的50%放電電壓、雷電流強(qiáng)度和塔體的沖擊接地電阻。一般來說，線路的50%放電電壓是一定的，雷電流強(qiáng)度與地理位置和大氣條件相關(guān)，不加裝避雷器時(shí)，提高輸電線路耐雷水平往往是采用降低塔體的接地電阻。
　　加裝避雷器以后，當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷電流的分流將發(fā)生變化，一部分雷電流從避雷線傳入相臨桿塔，一部分經(jīng)塔體入地，當(dāng)雷電流超過一定值后，避雷器動(dòng)作加入分流。大部分的雷電流從避雷器流入導(dǎo)線，傳播到相臨桿塔。雷電流在流經(jīng)避雷線和導(dǎo)線時(shí)，由于導(dǎo)線間的電磁感應(yīng)作用，將分別在導(dǎo)線和避雷線上產(chǎn)生耦合分量。因?yàn)楸芾灼鞯姆至鬟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于從避雷線中分流的雷電流，這種分流的耦合作用將使導(dǎo)線電位提高，使導(dǎo)線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡(luò)電壓，絕緣子不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，因此，線路避雷器具有很好的鉗電位（即鉗制、控制電位）作用，這也是線路避雷器進(jìn)行防雷的明顯特點(diǎn)。
　　(3)線路避雷器防雷效果。在平原地帶，采用降低塔體接地電阻的方法相對(duì)較容易，而對(duì)于山區(qū)桿塔，則往往在4個(gè)塔腳部位采用較長(zhǎng)的輻射地線或打深井加降阻劑，以增加地線與土壤的接觸面積降低電阻率，在工頻狀態(tài)下接地電阻會(huì)有所下降。但遭受雷擊時(shí)，因接地線過長(zhǎng)會(huì)有較大的附加電感值，雷電過電壓的暫態(tài)分量L.di/dt會(huì)加在塔體電位上，使塔頂電位大大提高，更容易造成塔體與絕緣子串的閃絡(luò)，反而使線路的耐雷水平下降。因?yàn)榫€路避雷器具有鉗電位作用，對(duì)接地電阻要求不太嚴(yán)格，對(duì)山區(qū)線路防雷比較容易實(shí)現(xiàn)。
　　2.線路避雷器應(yīng)用情況
　　中鋁山東分公司管轄的110 kV峪鋁線和35 kV電南Ⅰ線位于山地和樹林中，多年來經(jīng)常發(fā)生雷擊跳閘故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)110 kV峪鋁線在2000—2003年共發(fā)生3次雷擊掉閘，35 kV電南Ⅰ線分別在1997—2001年發(fā)生2次雷擊掉閘，雖然采取了各種措施，效果均不明顯。2003年在峪鋁線和電南Ⅰ線部分桿塔裝設(shè)了9組共27只線路型氧化鋅避雷器，經(jīng)過4個(gè)雷雨季節(jié)的考驗(yàn)，線路未再發(fā)生故障及掉閘事故。
　　3.線路避雷器的選型及安裝維護(hù)
　　線路避雷器有兩種類型，即帶串聯(lián)間隙和無串聯(lián)間隙，因運(yùn)行方式不同和電站避雷器相比在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是有所區(qū)別的。線路避雷器安裝時(shí)應(yīng)注意：①選擇多雷區(qū)且易遭雷擊的輸電線路桿塔，最好在兩側(cè)相臨桿塔上同時(shí)安裝，可以提高線路的耐雷水平；②垂直排列的線路可只裝上下2相；③安裝時(shí)盡量不使避雷器受力，并注意保持足夠的安全距離；④避雷器應(yīng)順桿塔單獨(dú)鋪設(shè)接地線，其截面不小于25 mm，盡量減小接地電阻的影響。
　　投運(yùn)后進(jìn)行必要的維護(hù)：①停電定期測(cè)量絕緣電阻，歷年結(jié)果不應(yīng)有明顯變化；②檢查并記錄計(jì)數(shù)器的運(yùn)作情況；③對(duì)其緊固件進(jìn)行擰緊，防止松動(dòng)；④5A拆回，進(jìn)行1次直流1 mA及75%參考電壓下泄漏電流測(cè)量。
　　
　　三、結(jié)束語
　　
　　線路避雷器能夠有效地降低跳閘率，我國(guó)在此領(lǐng)域的研究起步較晚，是目前中國(guó)避雷器發(fā)展方向之一。中鋁山東分公司嘗試應(yīng)用線路氧化鋅避雷器防止線路雷害故障取得了很好的效果，裝設(shè)線路避雷器的桿段均未發(fā)生雷擊掉閘，在此基礎(chǔ)上，中鋁山東分公司于2003年批復(fù)了安全隱患整改項(xiàng)目，對(duì)所管轄的110kV、35kV線路進(jìn)行了整改，重點(diǎn)是氧化鋅避雷器防止線路雷害故障，建議在同行業(yè)中推廣應(yīng)用。
　　作者單位：孫翰英淄博職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系
　　 李玉民山東鋁業(yè)公司裝備部
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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