500kV線路避雷裝置雷電過壓保護性能研究

杜剛 王磊

摘 要：500kV輸電線路作為超高壓輸電，具有輸送容量大傳輸距離遠的特點，其架空線建設長度范圍很廣，通常為數十里甚至上百里，線路鋪設所經過的地區跨度大，不僅地質條件各異，氣候條件也大不相同，因此輸電線路十分容易受到惡劣天氣環境的影響。雷擊作為對最常對輸電線路造成損壞，且損壞程度最大的自然災害，一旦發生將使線路保護斷路器切斷輸電線路，在系統自動重合閘裝置不能有效工作的情況下，不僅會對電力系統造成巨大的危害，對供電區域內所造成經濟損失也是不可估量的。因此，關于500kV超高壓輸電線路避雷裝置雷電過壓保護性能的研究對整個電力系統的安全運行意義重大。

關鍵詞：500kV線路 保護改造升級 防護措施

1 引言

500kV超高壓輸電線路在鋪設完畢后會長時間的暴露在外界環境中，且部分地區地形地貌的特殊性，對輸電線路的維護與檢修造成了很大程度上的困難。根據實際統計數據，在眾多自然氣候災害中雷擊是輸電線路最主要的威脅。因此，避雷器作為保護輸電線路主要防雷措施之一，其保護性能的優劣就顯得十分重要。本文在介紹了輸電線路產生雷電過電壓原理的基礎上，分別對避雷器的雷電反擊以及雷電繞擊過電壓保護性能、保護范圍進行了研究，并總結了高壓輸電線路防雷的一些有效改進措施，對現防雷方法的改進具有一定的參考意義。

2.輸電線路雷電過電壓原理

通常情況下，雷電過電壓在輸電線路上主要有兩種形成方式：一種是線路設備周圍有雷電發生時，即使線路設備沒有被雷電直接擊中，輸電導線上也會因為靜電感應現象而出現大量電荷，當雷電擊中地面目標并進行發電時，由于雷電電荷迅速向目標轉移，導線上產生的感應電荷也會隨之向導線兩端進行移動，從而出現過電壓；另外一種是雷電直接擊中線路設備，高幅值的雷電沖擊電流通過線路設備通入地面，從而在被擊物上產生較高的壓降，引起雷電過電壓。其中第一種情況產生的雷電過電壓幅值較低，對超高壓輸電線路影響甚微，而第二種由于雷電直擊線路設備產生的過電壓對高電壓、超高電壓、特高電壓等電力系統都具有極大的危害。在此之上，雷電直接擊中線路設備產生的過電壓又可以分為兩種：擊中桿塔產生的過電壓以及繞過屏蔽線擊中導線產生的過電壓，也可以稱為反擊雷電過電壓與繞擊雷電過電壓。

（1）反擊雷電過電壓

應用于高壓輸電線路中的桿塔，其本身在設計時就具有一定的電阻以及的電抗，在發生雷擊現象，產生的沖擊電流作用于桿塔頂部時，大電流經桿塔的引導流入大地，桿塔頂部與底部間會形成的較大的電壓差并造成輸電線路上的電位大幅上升。如果線路上絕緣串所承受電壓超過其電壓閾值，引起絕緣子串閃絡，可能同時造成輸電線路接地故障。雷電反擊造成的主要危害有桿塔處電壓陡增和絕緣裝置閃絡并被擊穿兩種，其簡要的發生過程如圖1所示。

（2）繞擊雷電過電壓

另一種情況下，當雷電直接擊中線路設備時，會有大量雷擊產生的電流通過導線流向大地，導致線路與地面間壓降增大導致線路上出現過大電壓現象。此時，如果線路上隔離設備所承受電壓超過其電壓閾值，隔離裝置中的絕緣子串就會產生閃絡，桿塔將線路中的電流引向大地。雷電繞擊時，由于雷電先是直接作用于輸電線路，產生沖擊電流分量會出現在線路上的行波中，雷電繞擊過程如圖2所示。

3 避雷性能分析

（1）導線耐雷水平

根據550kV線路相關參數可知，線路無避雷裝置時的自然耐雷水平為22kA，也就是說普通的550kV架空線對于電流幅值小于該數值的雷擊有自然的免疫力；當輸電線路上預裝有額定電壓395kV的避雷裝置時，線路實際耐雷水平將提高到120kA；當輸電線路上安裝的避雷裝置的額定電壓由395kV提升至430kV時，線路實際耐雷水平將會降低到100kA；隨著輸電線路避雷裝置額定電壓繼續提升至450k V時，線路實際耐雷水平也繼續下跌至80kA。由此可見，在輸電線路上安裝避雷器可在一定程度上提高線路實際耐雷水平，但是避雷器額定電壓與線路耐雷水平之間的關系成凸線性，即起初耐雷水平隨避雷裝置額定電壓呈正相關關系，當經過某個臨界值后呈負相關關系。

（2）避雷器保護范圍

近年來，避雷技術的日益成熟，許多防雷效果優異的設備被相繼開發出來，復合外套金屬氧化物避雷器就是其中一種。在超高壓輸電過程中，線路上任何一部分的電阻都會導致在輸電時產生大量的功率損耗，因此在超高壓輸電線路上取消合閘電阻是降低線路功率損耗的必然需求。所以，線路型避雷裝置就成為了超高壓輸電線路防雷降損的首要選擇。在不同程度的雷電災害下，線路型避雷器過電壓保護范圍會有很大的變化。避雷裝置保護范圍指的是避雷器對雷擊做出反應動作后的作用效果范圍。也可以稱之為避雷裝置對雷電產生過電壓大小的敏感程度，若雷電引起的線路的過電壓很小，不在避雷器的觸發電壓范圍內，則避雷器就無法對線路實施有效的保護。

4 防護措施及總結

超高壓輸電線路受到雷電攻擊而造成線路故障的危害極大，因此，相關技術人員采取了很多措施來預防該現象的發生。常用的方法有：合理設置避雷器數量、調整系統走線布局、設計桿塔接地電阻等。避雷器的合理分布能有效地將雷擊電流進行分流，減小瞬間沖擊電流大小；導線的空間位置會觸發耦合作用，能有效降低雷電過電壓；雷擊發生后大部分雷擊電流會通過桿塔導向大地，接地電阻能抑制其大小。

本文簡要討論了雷電過電壓的產生原理，并在此基礎上對避雷器性能及防護范圍的影響因素進行了分析，最后對主要的有效避雷措施進行了總結，為進一步更加細致的超高壓輸電線路雷電過電壓研究奠定基礎。

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