高壓電防雷技術探析

摘要：國內(nèi)外大量的數(shù)據(jù)證明雷擊是造成輸電線路跳閘故障的主要因素，并且隨著我國電壓等級的逐漸提高，雷擊的主要原因占線路跳閘原因的比例也越來越大。從雷電產(chǎn)生的物理過程進行分析，針對我國1000kV的高壓輸電線路雷擊情況，分析高壓的網(wǎng)絡參數(shù)和輸送要求，得出高壓電線路遭到雷擊的危險系數(shù)很大，并且提出了五種高壓防雷技術，為同行業(yè)的防雷技術提供技術支持。

關鍵詞：高壓電；防雷；掉閘

作者簡介：方錫勇（1974-），男，福建漳州人，福建省云霄縣供電有限公司，工程師。（福建 漳州 363300）

中圖分類號：TM8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0224-02

研究高壓電的防雷必須了解雷電放電的物理過程，雷電放電的本身是因為天空積云中帶電電荷發(fā)生碰撞產(chǎn)生，但是對于積云中帶電產(chǎn)生的原因，學術界并沒有統(tǒng)一的解釋，但是大多數(shù)研究學者公認的是在合適的空氣濕度和大地氣候相互作用下，經(jīng)過強大的濕熱氣流上升到空中的大氣層遇到冷空氣突然冷卻凝結(jié)成水滴。在大氣上升過程中經(jīng)過云層，從而濕熱空氣中的水分子帶電，帶負電的水成分被空中氣流帶上高空形成了大面積的帶電云層，在空中的積云底面積過大而且形成負電場，從而感應出相同面積的正電場，在這種不同電性和不同電荷的積云層中形成強大的電流場。電位差值大概可以達到數(shù)十兆伏以上。經(jīng)過積云的不斷積累和云層的運動，當云層的電場強度達到或者超過大氣游離放電的臨界強度時就會在云層間產(chǎn)生放電現(xiàn)象，放電的電流可以超過幾百安。同時伴隨強烈的熱量的耀眼的光芒。引起空中氣體的強烈震動，發(fā)出刺耳的聲音，就是雷電共鳴，也稱之為雷電，很多雷電的發(fā)生是在云層中對大地本身沒什么太大的干擾。但是當云層和大地之間的放電對人們生活和社會生產(chǎn)帶來的影響就比較大了。根據(jù)實驗表明，云層對大地的放電一般是帶負電為主，由于云層帶電的性質(zhì)可以確定當下雷電的電流為負電極，那么可以把先導放電和主放電作為云層對大地放電的兩個基本過程。第一個階段：云層中的電極能量不斷積聚，此過程中在響應的位置感應和自身相反的電性，當云層和大地之間的電場能量超過大氣本身的臨界電場強度時就開始形成云層邊緣逐漸地向大地本身的放電。這就是先導性的放電階段，在經(jīng)過先導性放電的積累過程，形成了云層和大地之間的放電通道，而且這個通道具有一定的導電性，云層中的帶電粒子逐漸向相反電性方向移動。在大地面上的正電粒子逐漸被感應增多，當這個空中電場的導電通道逐漸延伸時，導致大地上的正電極反向空中游走，形成對比的迎面先導電流，所以就造成了雷擊的方向性選擇，當云層中的電流向大地方向游走遇到大地的電流向空中發(fā)展碰撞到一起時，在空中產(chǎn)生強大的等離子區(qū)域，形成了高導電率的空中等離子運行通道，形成先導中的帶電離子和云層中的帶電離子在連接通道內(nèi)迅速游離，并且進行離子中和產(chǎn)生強大的放電流，放電電流可以達到幾千安，最大可達300千安以上。[1]

在過去的十年里，我國國家的電網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示出，電網(wǎng)公司所轄的110kV～500kV的線路總跳閘2300多次，由于雷電原因的跳閘為800次左右，占總跳閘次數(shù)的百分之三十左右，是整過跳閘故障量的首位。我國特高壓的輸電線路一般都在野外，線路傳過的環(huán)境也是復雜多樣，因此總結(jié)目前的事故經(jīng)驗，對高壓輸電的線路進行深入研究，這樣對我國飛速發(fā)展的電力建設，尤其高壓電網(wǎng)的建設有著重要的前景和意義。我國1000kV的高壓輸電電流的高壓線路已經(jīng)達到世界之最的水平，這些高壓的網(wǎng)絡參數(shù)復雜，輸送要求高，引雷電的面積更加大，所以遭到雷擊的危險系數(shù)也隨之增大，因此在防雷設計方面不能簡簡單單地把以往的經(jīng)驗直接應用到1000kV輸電系統(tǒng)的設計上，必須根據(jù)1000kV輸電系統(tǒng)本省的運行特性進行高壓防雷性能的研究，以保證高壓交流輸電的正常運行。[2]

目前學者和專家們對高壓防雷技術進行了研究，主要通過以下兩方面：一是通過建立實驗方法進行模擬雷擊經(jīng)行研究，二是建立數(shù)值模擬系統(tǒng)模型，運用計算機模擬來分析電線線路的防雷性能。目前已經(jīng)取得了一系列研究成果，但是也存在一些問題。

桿塔接地電阻是主要影響雷電反擊的因素。土壤電阻率越高，接地電阻越大，雷電反擊發(fā)生率就越高。所以，降低桿塔接地電阻的技術才是防雷電反擊的最佳措施。而如今增加接地體的埋藏深度、加大接地體的尺寸、利用自然接地體、換土、采用土壤降阻劑等技術是工程上降低接地電阻的主要方法。當然采取什么樣的降阻措施應根據(jù)當?shù)赝寥拉h(huán)境具體情況而定，因為這些降阻措施也有其特定的運用條件。

特高壓輸電線路自身已具有相當高的絕緣水平，一般不會發(fā)生反擊閃，所以特高壓輸電線路最主要的是防繞擊。當前主要有以下幾種技術方式防繞擊雷：

一、減小避雷線保護角

在有地面傾角的山區(qū)線路，導線的保護角增加，繞擊率也增加，所以，避雷線對輸電線路的保護角對繞擊防雷性能有相當大的影響。山區(qū)線路，減小避雷線保護角或采用負保護角以達到降低繞擊率是其主要的避雷方式。用以下三種方法可減少避雷線保護角來減少繞擊率：第一，避雷線的標高不變，可以加多絕緣子的片數(shù)數(shù)量，把導線的標高降下來可以把保護角也降低；第二，當保護角一致時，電導線、避雷線路的標高與繞擊率成相關關系；第三，在避雷線路和電導線路的標高固定不變時，降低水平的間距可以解決降低保護角、降低繞擊率的問題。[3]

二、架設多根地線

超高壓、特高壓輸電線路全線架設地線的方式廣泛應用于傳統(tǒng)的防雷擊技術中。地表所有事物表面的場性的增強與減弱和雷電的下行先導成反比關系。當?shù)孛媸挛锂a(chǎn)生上行的先導時必定是地面事物表面開始上行先導場強的開始，但是在正常的輸電電線中，地線對其下方的點到線的屏蔽作用不可忽視，因此地線更容易產(chǎn)生上行先導，與雷電下行先導相遇變而成為雷擊目的物，從而起到避雷的保護目的。雷電的放電性質(zhì)、線路的斷面和結(jié)構尺寸數(shù)據(jù)、塔標高、傾斜度、雷電的強弱等因素都是電氣模型要考慮的，但是隨著做了一些工作，但是對于很多雷擊案例都無法解釋清楚。有很多專家根據(jù)雷電的運行路徑進行分析研究。得出雷電的路徑有很多分岔，這樣導致了邊導線和中相導線被擊中的概率比較大，所以在控制地線造價的原則下增加電塔頂部和線路兩側(cè)多設置地線的鋪設。

三、架設旁路屏蔽線

傳統(tǒng)輸電線路的屏蔽系統(tǒng)如避雷線、桿塔和大地，如果其引雷能力太小，線路將會發(fā)生雷電繞擊而至跳閘。因此，增強某一屏蔽體的引雷能力是十分必要的，這樣可有效防止繞擊跳閘。采用此種原理增加引雷能力，在斜山坡地段架設旁路屏蔽地線，以降低繞擊概率。

四、高壓線架設避雷針

1.設置放電避雷針

利用上行雷閃的特點，在塔頂架設可控放電避雷針。為了達到保護對象的作用和目的，避雷針必須在其最頂端電場足夠大而發(fā)生畸變，可以引發(fā)上行雷閃的放電行為，迅速產(chǎn)生電脈搏。桿塔就是繞幾率的區(qū)域比較大。桿塔安裝避雷針引用傳統(tǒng)的防雷方法，當桿塔的頂端安裝上專用的避雷針后會直接把附近的雷電吸引過來，從而可以減少雷電擊中線路。當前我國運用可控式的放電避雷針效果比較好，已經(jīng)有多個省市在用。

2.地線上安裝避雷側(cè)針

雷電繞擊的范圍劃分可根據(jù)電路的桿塔的引雷效應和弧垂效應以及輸電線路的檔距劃分為三個區(qū)域：正常區(qū)域、安全區(qū)域、危險區(qū)域。定義的危險區(qū)域劃分在桿塔10～30米范圍內(nèi)，所以要重視這一區(qū)域的輸電保護。措施上要在避雷針上在附加側(cè)向避雷針，使得避雷設備可以有效吸引雷電，從而起到保護輸電線路的安全運行的作用。為了提高避雷針的引雷能力，可以在地線上鋪設測針，這樣當測針的尺寸大于間隙下的地線臨界點暈直徑時就可以預期目標，當避雷針的尺寸大于避雷線路的臨界電暈直徑時就可以達到提前攔截預計要發(fā)生的弱雷電。

河北、山東、河南、安徽、上海等地都開始使用防止繞擊的避雷針，這種避雷針的作用就是：有強大的引雷作用，只要在作用范圍內(nèi)的雷電都能引過來；可以降低輸電線路的保護角，從而降低了線路的繞擊率。在我國500kV、1000kV高壓的交流輸電線路雷電活動強烈的區(qū)域，可在該區(qū)域可以設置防繞擊避雷針。

五、安裝避雷器

從20世紀開始先進國家在線路上安裝避雷器（如安裝氧化鋅）來降低輸電線路的類幾率，實驗效果都很成功，中國多地110kV～500kV的輸電線路避雷器上也不斷地得到成功應用，逐漸地多地開發(fā)并成功應用避雷器。當輸電線路遭受雷擊的時候避雷器馬上會運行分擔電流，很大部分電流的路徑是由避雷器流入導電線。此時導線電位將突然增大，導線與塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡電壓，絕緣子就不會閃絡。所以通過運用避雷器來提高輸電線路防雷水平，降低雷擊跳閘率而運用避雷器是一種不可多得的方法。

六、結(jié)論

總的來說，任何一條架空輸電線路為了達到可靠供電的目標，降低雷擊的跳閘情況發(fā)生，不能只采用單一的防雷擊方案，要根據(jù)實際案例對不同的實例進行多方案的防雷擊措施。隨著近幾年特高壓輸電線路在我國發(fā)展迅速、電壓等級的提高，防雷設計的要求也會越來越高。

參考文獻：

[1]蔣文明.利用雷電定位系統(tǒng)查找雷擊故障點介紹[J].科協(xié)論壇，2008，10（2）：64-66.

[2]蘇邦禮，等.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學出版社，1996：49-84.

[3]苗靜康.建筑防雷與電氣安全技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003：44-48.

（責任編輯：王祝萍）