輸電線路雷擊架空地線斷線的原因分析及防雷措施

摘 要:本文對(duì)輸電線路雷擊架空地線斷線的原因分析及防雷措施進(jìn)行了探討。可為工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞:輸電線路雷擊斷線架空地線

中圖分類號(hào):TM862文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)06(b)-0139-01

架空輸電線路的雷擊跳閘一直是困擾安全供電的一個(gè)難題。電網(wǎng)中的事故以輸電線路的故障占大部分，輸電線路的故障又以雷擊跳閘占的比重較大，尤其是在山區(qū)的輸電線路中，線路故障基本上是由于雷擊跳閘引起的，雷害事故幾乎占線路全部跳閘事故1/3或更多，因此，尋求更有效的線路防雷保護(hù)措施，降低輸電線路的故障，一直是世界各國(guó)電力工作者關(guān)注的課題。

1 雷擊架空地線斷線原因分析

雷擊引起導(dǎo)地線斷股或在懸垂線夾處斷線的故障比較常見(jiàn)，雷直擊架空地線斷線的故障亦時(shí)有發(fā)生。究其原因，值得探討。

1.1 雷電流的熱效應(yīng)

雷擊架空地線時(shí)，雷擊點(diǎn)的電流密度最大，溫度最高，雷電弧的溫度可達(dá)數(shù)千K。雖然雷電流在通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，其熱效應(yīng)是不大的，但是當(dāng)雷擊導(dǎo)體時(shí)，在直接與放電通道相接觸的地方卻可能受到高溫的作用，有時(shí)可以使金屬熔化達(dá)幾毫米的深度。這個(gè)現(xiàn)象很可能是有些架空地線不正常斷股的原因。雷電流的電弧熱效應(yīng)可看作為絕熱過(guò)程。由于雷電流的電弧熱效應(yīng)引起導(dǎo)地線的溫升可以通過(guò)熱平衡方程式(1)計(jì)算:

i(t)2Rθdt=Cθmdθ (1)

式中i(t):雷電流或短路電流(A);

Rθ:雷電流雷擊點(diǎn)附近電弧的電阻或短路電流通過(guò)的溫度為θ℃的導(dǎo)體的電阻(Ω);

Cθ:溫度為θ℃時(shí)導(dǎo)體的比熱容(焦/kg℃);

M:導(dǎo)體的質(zhì)量(kg)。

由于雷電流的大部分能量集中在電弧上，而電弧作用點(diǎn)很小(即m很小)，因此雷電流的電弧引起導(dǎo)地線的溫升很高。研究發(fā)現(xiàn)，在用29-57kA的振蕩波(相當(dāng)于48-95kA20/40微秒的雷電波)沖擊于Ф1.8股徑的GJ-50鋼絞線時(shí)鋼絲雖不致熔斷，但已受到程度不同的燒傷;用57kA的振蕩波沖擊中3.0鋼絲時(shí)，僅鍍鋅層受損;沖擊中Ф1.8鋼絲時(shí)立即熔斷。這說(shuō)明，僅用雷電流的熱效應(yīng)仍難以解釋雷直擊導(dǎo)線斷線的原因;但說(shuō)明了，不同大小的鋼絲，Cθm是不同的，這就是為什么細(xì)股的鋼絞線容易斷股的原因。

1.2 雷電流的沖擊效應(yīng)

曾有記載雷電劈開(kāi)百年大樹(shù)和將鋼筋混凝土擊出一個(gè)大洞的現(xiàn)象，這說(shuō)明雷電有較大的機(jī)械沖擊力(即雷電流的沖擊效應(yīng))，當(dāng)導(dǎo)地線遭受雷擊時(shí)，如果雷電沖擊波的沖量大于導(dǎo)地線所能耐受的沖量，導(dǎo)地線將被打斷。雷電沖擊波的沖量決定于雷電流的幅值和波長(zhǎng)，導(dǎo)地線所能耐受的沖量決定于它的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。設(shè)沖擊雷電流的沖量為A，則

A=M∫0i(t)dt=MQ (2)

式中A:雷電流的沖量(N·S);

M:測(cè)定常數(shù)，其物理意義為每千安的沖擊雷電流所形成的沖擊波壓力(N/kA);

i(t):雷電流的瞬時(shí)值(kA);

Q:電量即Q=∫0i(t)dt。

1.3 工頻短路電流的熱效應(yīng)

雷擊架空地線斷線的同時(shí)幾乎伴隨著絕緣子閃絡(luò)放電，由于地線一桿塔系統(tǒng)的阻抗(電阻)遠(yuǎn)小于被雷擊放電接地的桿塔，在雷擊放電接地的桿塔，大部分的工頻續(xù)流分流到架空地線上。設(shè)桿塔平均接地電阻Rav=15Ω，地線平均檔距電阻rav=3.7/1000*300=1.1Ω，則每側(cè)桿塔數(shù)大于20每側(cè)的地線一桿塔系統(tǒng)的的接地電阻R=(Rav*rav)1/2=4.1Ω，有44%的短路電流流過(guò)雷擊點(diǎn)架空地線。由于雷擊瞬間使架空地線的溫度驟升，電阻大為增加(即Rθ增加)，進(jìn)一步使溫升提高。由于短路電流的作用時(shí)間長(zhǎng)(0.2s以上)，雖然短路電流值比雷電流小，但作用時(shí)間長(zhǎng)，能量大于雷電流能量，在其共同作用下，進(jìn)一步提高了雷擊點(diǎn)的溫升。鍍鋅鋼絞線的短路允許溫度為+400℃。

短路電流熱穩(wěn)定計(jì)算公式:

I=C/(0.24*α0*R0*T)*In((α0*(t2-20)+l)/(α0*(t1-20)+l))(3)

I:地線驗(yàn)算短路熱穩(wěn)定允許電流，A;

C:載流部分的熱容量，cal/℃/cm;

α0:載流部分20℃時(shí)的電阻溫度系數(shù)，l/℃;

R0:載流部分20℃時(shí)的電阻，Ω/cm;

T:計(jì)算短路熱穩(wěn)定的時(shí)間，s;

t1:地線的初始溫度，℃;

t2:地線短路熱穩(wěn)定允許溫度，℃。

地線的初始溫度取最高氣溫40℃，并考慮雷擊造成的升溫分別取100℃、150℃、200℃進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于GJ-25、GJ-35的鋼絞線的短路熱穩(wěn)定允許電流，在取短路熱穩(wěn)定的時(shí)間為.04s時(shí)，只有3kA、4kA，難以滿足熱穩(wěn)定要求，尤其在雷電流同時(shí)作用加熱時(shí)，其短路熱穩(wěn)定允許電流更小。在用GJ-50以上較大的鋼絞線時(shí)，在變電站進(jìn)線段短路也難以滿足要求，應(yīng)采用措施。架空地線短路熱穩(wěn)定允許電流小是雷擊架空地線斷線的主要原因，而懸垂線夾處為薄弱環(huán)節(jié)，則更容易斷線。

1.4 設(shè)計(jì)規(guī)程和設(shè)計(jì)考慮欠妥

設(shè)計(jì)規(guī)程只對(duì)短路電流的熱穩(wěn)定作出要求，沒(méi)有對(duì)雷電流和短路電流共同作用下的熱穩(wěn)定作出要求。而設(shè)計(jì)部門(mén)在設(shè)計(jì)時(shí)，通常按照地線與導(dǎo)線的最小配合進(jìn)行地線設(shè)計(jì)，沒(méi)有認(rèn)真按照規(guī)程進(jìn)行地線的熱穩(wěn)定校驗(yàn)。

2 預(yù)防雷擊架空地線斷線的建議

(1)預(yù)防雷擊永久性故障的有效措施。①防止雷擊絕緣子掉串的有效措施:把好設(shè)計(jì)關(guān)，優(yōu)先選用玻璃絕緣子，禁止采用瓷絕緣子，防止絕緣子設(shè)計(jì)不合要求;按周期檢測(cè)瓷零值絕緣子并通過(guò)火花間隙試驗(yàn)和檢查以提高其零值檢出率;逐步更換瓷絕緣子為玻璃絕緣子，以減少測(cè)零工作;②防止架空地線斷線的有效措施:安裝避雷線的附加引流線以增加分流，減少流過(guò)懸垂線夾的電流，防止架空地線在線夾處斷線;把好設(shè)計(jì)關(guān)，選用GJ-50及以上的鋼絞線，禁止采用GJ-35及以下的鋼絞線和細(xì)股的鋼絞線，以提高架空地線的熱穩(wěn)定性。對(duì)懸垂線夾與耐張線夾、聯(lián)結(jié)金具等金具的熱穩(wěn)定作出要求，規(guī)定其應(yīng)能耐。(2)提高耐雷水平，減少雷擊的有效措施。①對(duì)于220kV線路，在山區(qū)，以繞擊雷擊為主，所占比例約為80%～90%;在平原、丘陵地區(qū)，以反擊雷擊為主，繞擊所占比例約為10%～30%。混有30%左右山區(qū)線路，繞擊率與反擊率基本相等。選擇良好的具有自然屏蔽的防雷走廊、降低接地電阻、減少保護(hù)角、加強(qiáng)絕緣是最有效的防雷措施。②加強(qiáng)絕緣是見(jiàn)效快投資省，也是可行的防雷措施。③降低接地電阻的改造，要嚴(yán)格進(jìn)行管理，提高工程質(zhì)量，新舊地網(wǎng)必須多點(diǎn)連接，山區(qū)、雷擊頻繁區(qū)的改造，不能照搬原設(shè)計(jì)，必須采用最大多射線、多閉環(huán)、垂直集中接地，以達(dá)到在降低接地電阻的同時(shí)，減少地網(wǎng)的電感。④由于繞擊占很大比例，尤其在山區(qū)，占絕對(duì)多數(shù)，因此在眾多防雷措施中，減少保護(hù)角是最有效的。在運(yùn)行線路，要調(diào)查其雷擊頻繁段，在雷擊頻繁段考慮進(jìn)行單改雙避雷線、減少雙避雷線的保護(hù)角的改造。在無(wú)法進(jìn)行改造的線路，可考慮采用桿頭局部加強(qiáng)屏蔽的形式減少保護(hù)角。⑤雷擊頻繁桿較少、接地電阻大的的線路，投資資金加足夠的線路避雷器，可以有效防止雷擊跳閘。

3 結(jié)語(yǔ)

輸電線路發(fā)生雷擊跳閘的原因是多方面的，在選擇線路防雷措施前必須先查明線路遭受雷擊的原因，再對(duì)癥下藥，采取一些有針對(duì)性的措施，防雷工作才能起到實(shí)效，線路雷擊跳閘率才有可能從根本上得到控制。