三相高壓加空線電源的引雷防護(hù)技改方案

楊福貴 張漢明 王仕華 李啟宏 楊光榮

（作者單位：貴州省新聞出版廣電局七六四臺(tái)）

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三相高壓加空線電源的引雷防護(hù)技改方案

楊福貴 張漢明 王仕華 李啟宏 楊光榮

（作者單位：貴州省新聞出版廣電局七六四臺(tái)）

摘 要：貴州省新聞出版廣電局764臺(tái)的高壓架空線路從海拔800 m到2 178 m，屬于特別嚴(yán)重雷電活動(dòng)頻繁區(qū)。山上春夏秋冬都有雷暴日，年平均雷暴日達(dá)50天以上。電視臺(tái)因?yàn)楦邏杭芸站€路引起雷擊的故障率占全年各種設(shè)備故障率的90%以上，每年雷擊引起特別嚴(yán)重事故高達(dá)30次以上，為此采用在低壓電源沿線加接多級(jí)避雷器來防雷，但不起作用。為降低每年電源引起的雷擊事故，必須進(jìn)行高壓線防雷技改，讓高頻雷電波在高壓變壓器的前端徹底消除。

關(guān)鍵詞：高壓線防雷技改；雷擊事故；雷電波

雷電波是一種強(qiáng)電磁沖擊現(xiàn)象，是時(shí)域電磁學(xué)問題。雷電波防護(hù)又是工程實(shí)現(xiàn)性很強(qiáng)的技術(shù)。純粹的理論研究方法很難直接指導(dǎo)實(shí)際防雷工程設(shè)計(jì)。為滿足實(shí)際高壓線防雷工程的需要，本文采用的方法是用1.8 km高壓電纜（電纜埋地50 cm以上，電纜鎧裝外皮接地電阻約為4 Ω）將國家電網(wǎng)與變電站之間連接起來。長度1.8 km的高壓電纜就是一個(gè)LC防雷濾波網(wǎng)絡(luò)，能夠完全濾除雷電波頻率。利用長電纜的單位電容足夠大能夠應(yīng)對(duì)高頻短路的特點(diǎn)，達(dá)到消除雷電波的目的。

1 雷電波的主要性質(zhì)

天上雷云之間閃電的雷電波能量很大，網(wǎng)絡(luò)上說平均電流是30000A，最大電流可達(dá)300000A。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特，一個(gè)中等強(qiáng)度雷暴的功率可達(dá)1000萬瓦。

但是，高壓線上產(chǎn)生雷電波，是在天上雷雨云下方正電荷電場的作用下，高壓線上才聚集了大量負(fù)電荷形成的高壓靜電場。一旦天上雷雨云之間閃電發(fā)生后，雷雨云的電場為0V。這時(shí)，高壓線上聚集的高壓負(fù)靜電場立即發(fā)生正負(fù)電荷中和而在高壓線上產(chǎn)生沖擊脈動(dòng)雷電流波。

高壓線上的雷電波能量是有限的，因?yàn)楦邏壕€的直徑很小，高壓線上產(chǎn)生的雷電波能量不可能燒毀高壓線。一般1mm2鋁線能通過4 A電流，在10kV高壓線路的線經(jīng)為1.6cm2時(shí)，能通過最大電流0.74kA。又因?yàn)檩旊娋€路本身存在電阻，10kV高壓線線路在雷擊時(shí)產(chǎn)生的雷電波脈沖電流遠(yuǎn)小于0.74kA。

1.1 10kV高壓線雷電波能量頻譜

雷電波的能量如圖1所示。

圖1 雷電波的能量圖

由圖1可知：雷電波最大能量基本集中在0～30 kHz。而且頻率越低，能量越大。圖1說明雷電波的能量分部是：1～10 kHz，占總能量的60.44%。

0～100Hz工頻附近只占總能量的2.66%。由于雷電波是脈沖函數(shù)電流波，LC防雷濾波網(wǎng)絡(luò)是不讓脈沖函數(shù)電流波通過的。頻率為工頻（50Hz）的脈沖雷電波分量同時(shí)被LC防雷濾波網(wǎng)絡(luò)濾除了，唯一有電網(wǎng)工頻（50 Hz）能量到達(dá)變電站的高壓變壓器。

1.2 雷電波的幅頻特性

具有一定代表性的雷電波主要有10 ／350μs電流波、8／20μs電流波、1.2 ／50μs電壓＋8／20μs電流組合波及10／700μs電壓通信波四種波形等。雷電波的幅頻特性如圖2所示。

從圖2雷電波的幅頻特性可知，雷電波頻率從0～1MHz。

2 技術(shù)改造方案能達(dá)到電源防雷目的分析

為減少每年的雷擊事故，必須進(jìn)行高壓線防雷技改。技術(shù)改造的目的，是使高頻雷電波必須在（變電站）高壓變壓器的前端徹底消除。

圖2 雷電波的幅頻特性圖

最有效的方法是用2 km高壓（埋地）電纜將本單位的變電站和國家電網(wǎng)相連接。長度近2 km的高壓電纜就是1個(gè)LC防雷濾波網(wǎng)絡(luò)，能夠完全濾除雷電波頻率。貴州省新聞出版廣電局七六四臺(tái)使用的高壓電纜長度實(shí)際為1.8 km。

2.1 高壓電纜的單位電容和單位電感

工程上，需要計(jì)算LC的參數(shù)值。就需要根據(jù)如圖3所示的數(shù)據(jù)進(jìn)行。

圖3 計(jì)算LC的參數(shù)值參考圖

工程實(shí)際測量：高壓電纜單相金屬護(hù)套內(nèi)導(dǎo)體直徑：D=28 mm。高壓電纜單相線的直徑：d=13 mm，聚氯乙烯：ε'=2.7。

根據(jù)公式：

電纜的特性阻抗：

電纜單位電容：

在直流和低頻電纜中，電纜的單位電感值：

其中：

L：同軸電纜的電感[H]

l：同軸電纜線的長度[m]

d：同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體外徑[m]

D：同軸電纜外導(dǎo)體內(nèi)徑[m]

μ0：真空導(dǎo)磁率，μ0=4π10-7[H/m]

七六四臺(tái)選擇1800 m長的電纜作防雷施工，1800 m電纜總的單位電容、單位電感值為：

C=1800m×196pf/m=0.353uF

L=1800m×1.42×10-1uH/m=255.6uH

2.2 架空導(dǎo)線與電纜連接處引起反射

雷電波在高壓電網(wǎng)架空導(dǎo)線上傳輸時(shí)，常常會(huì)遇到線路突然改變的情況而發(fā)生折射和反射。例如，雷電過電壓波從波阻抗較大的高壓架空線進(jìn)入波阻抗較小的高壓電纜，以及在線路中間或末端接有集總參數(shù)（電阻、電感、電容或非線性元件）的元件。當(dāng)出現(xiàn)這些情況時(shí)，波將在參數(shù)突變邊界處發(fā)生折射和反射。特別是末端開路（高阻抗）或短路時(shí)，雷電過電壓波將被全反射。

電網(wǎng)架空導(dǎo)線的特性阻抗計(jì)算如圖4所示。

在圖4中，三相高壓架空線之間的距離為D=1.7 m，高壓架空線的線徑為d=1.6 cm。則高壓架空線與線之間的特性阻抗Z01為：

國家電網(wǎng)高壓架空線與高壓電纜（的始端或輸入端）相連接，高壓架空線與線之間的特性阻抗為643Ω，高壓電纜與電纜之間的特性阻抗為28Ω+28Ω。所以在高壓架空線與高壓電纜連接處形成駐波比可以簡單計(jì)算為：

將s=11.5代入反射系數(shù)公式得：

反射功率：

P反的數(shù)值說明，在高壓電纜與高壓架空線路的連接處，因?yàn)樽杩共黄ヅ洌瑢?dǎo)致雷電波總功率能量的70%被反射。

2.3 電纜的單位電容對(duì)50KHz以上頻率短路

電纜總的單位電容和單位電感：

C=0.353uF

L=255.6uH

從表1中看出，1800m長的電纜，根據(jù)容抗阻值，能夠?qū)?0kHz以上的雷電波頻率衰減掉。

圖4 電網(wǎng)架空導(dǎo)線的特性阻抗計(jì)算圖

表1 電纜容抗和感抗對(duì)比圖

表1中的重要特性是：1800m長的電纜，在雷電波頻率為16.75kHz時(shí)，容抗、感抗相等而形成串聯(lián)諧振，16.75kHz雷電波頻率分量及與16.75kHz相鄰的頻率分量被短路入地。

2.4 變壓器初級(jí)線圈對(duì)低頻呈現(xiàn)高阻抗

貴州省新聞出版廣電局七六四臺(tái)工作時(shí)，變電站的高壓變壓器初級(jí)線電流為3 A，線電壓為12 kV，可以認(rèn)為高壓變壓器初級(jí)線圈的阻抗為：

初級(jí)線圈的高阻抗j4K Ω與1800m長度的高壓電纜（的末端）連接，電纜長度1 00m的數(shù)字與低頻50Hz的波長（波長為6000000m）相比，1800m電纜長度可以略去不計(jì)。1800m與雷電波低頻率相比同樣如此。那么，感抗為j4KΩ經(jīng)過阻抗規(guī)劃（傳輸線理論分析略），最后體現(xiàn)在1800m電纜的輸入端（電網(wǎng)高壓架空線與高壓電纜線的連接處）的阻抗仍然為j4kΩ。也就是說，1800m電纜的輸入端對(duì)雷電波的低頻分量呈高阻抗。這個(gè)高阻抗與電網(wǎng)高壓架空線連接產(chǎn)生的高駐波比（VSWR），使雷電波的低頻分量完全被反射，雷電波的低頻分量無法進(jìn)入高壓電纜到達(dá)變電站。

3 結(jié)語

經(jīng)過以上分析得出：第一，國家電網(wǎng)與高壓電纜線連接因?yàn)椴黄ヅ涠?0%的雷電波能量被反射；第二高壓電纜線的單位電容將50kHz以上的頻率短路了；第三計(jì)算出1800m長度的電纜對(duì)16.75kHz雷電波頻率分量及與16.75kHz相鄰的頻率分量被短路；第四用傳輸線理論說明雷電波的低頻分量無法進(jìn)入高壓電纜到達(dá)變電站，而雷電波的能量分布基本上集中在低頻。

總之，用1800m（埋地）高壓電纜將國家電網(wǎng)與變電站連接，能夠使高壓電源引起的雷擊事故實(shí)現(xiàn)每年0次。筆者統(tǒng)計(jì)，近五年貴州省新聞出版廣電局七六四臺(tái)使用1540m高壓埋地電纜供電，發(fā)生電源引起的雷擊事故基本為0。為達(dá)到防雷效果最優(yōu)，電視臺(tái)又將另一路高壓架空線與單位變電站連接，改變成用1800m（埋地）高壓電纜將國家電網(wǎng)與單位變電站連接，這樣與已經(jīng)使用的1540m高壓埋地電纜比較，一定能夠?qū)崿F(xiàn)每年電源引起的雷擊事故為0的目標(biāo)。