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谈山区输电线路的差异化防雷设计

2021/12/09 阅读:

摘要:阐述雷电危害的原因,输电线路防雷性能的特点,山区输电线路防雷差异化保护措施,从而保证山区输电线路的安全运行。

关键词:防雷,绕击,电力线路

0引言

雷电作为一种常见的自然现象,释放出来的能量,具有极强的破坏特性,对输电线路安全稳定运行影响较大,据不完全统计,由于雷电导致的电网安全运行事故占据全部事故的绝大部分,其中山区输电铁塔更易受到雷电侵害。随着国民经济的不断发展,电网规模的不断完善,居民工作和生活对电力可靠性不断加深,降低输电线路雷害跳闸率,保证输电线路安全稳定运行至关重要。山区线路由于受地形地貌、地质和气象条件的影响,雷电事故较平原地区要多。目前,我国输电线路防雷设计主要包括:(1)降低杆塔接地电阻;(2)增加线路整体绝缘水平;(3)架设避雷线;(4)合理选择线路路径;(5)装设避雷器。以上五种方法应用较为广泛,且为减少雷电事故,对电网稳定运行起到了关键的作用。本文主要结合山区不同地形地貌和地质情况下,通过有针对性地采取降低杆塔接地电阻、加装避雷器、加强绝缘、减小保护角等综合防雷措施,减少输电线路雷害事故的发生。

1山区输电线路的雷电危害

山区地质条件对雷害的影响。山区地质大多为岩石,土壤中很少含有无机盐类,在干燥状态下导电性能比较低,而且在降雨量较少的地区,表层土壤相当干燥,土壤电阻率普遍较高,一般在2~5kΩ•m,甚至高达10kΩ•m以上,导致杆塔接地电阻达到设计值或规范要求值十分困难。从而,在接地电阻较大的杆塔容易引起雷电反击,导致雷击跳闸。山区地形地貌对雷害的影响。雷击杆塔和绕击率山区要比平原地区高,主要有以下几点原因:(1)地面倾斜角对绕击有较大的影响,地面倾斜度越大,绕击率越高。当地面倾斜角超过一定值后,地面对雷电的屏蔽作用会减弱很多,主要出现在地形复杂的山区;(2)线路杆塔立于山区山顶或者山脊时,线路一侧或者两侧与地面距离较远,导致失去大地对导线的雷电屏蔽作用,会大大增加雷击率;(3)部分山区地形起伏较大,线路杆塔高差较大,导致气流活动频发,雷电活动也有所增加,致使雷击率也相应增加。

2输电线路防雷性能的特点

输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值为耐雷水平,通常以kA为单位,低于耐雷水平的雷电流,雷击线路时不会发生闪络;每100km线路每年由雷击引起的跳闸次数称为雷击跳闸率。输电线路遭受雷击主要有以下三种情况,分别为:雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中央和雷绕过避雷线击于导线。

(1)雷击杆塔。雷击杆塔的耐雷水平I1的计算如式(1)。由式(1)可知,雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数β、杆塔等值电感Lgt、杆塔接地电阻Rch、导线挂线点平均高度hd、导地线间的耦合系数k以及绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%有关。由此可知,通过降低杆塔接地电阻、增加绝缘子串的绝缘水平或者增加导地线间的耦合系数均能增加雷击杆塔的耐雷水平。一般情况下,山区架空输电线路均采用双地线架设,导地线间的耦合系数均较高。

(2)雷击档距中央。雷击档距中央时,雷击处地线与导线间的空气间隙s上的电压与耦合系数k、雷电流陡度a以及档距长度L有关,计算如式(2)所示。(2)对于一般档距的线路,如果档距中央导地线间的距离s满足s=0.012L+1,一般不会出现击穿事故,本文不在讨论雷击档距中央情况。(3)雷绕过避雷线击于导线雷绕过避雷线击于导线的耐雷水平I2≈U50%/100,有次可见,其耐雷水平较雷击杆塔时小得多。雷绕过避雷线击于导线主要以绕击率P作为控制条件,对于山区,计算如式(3)。

(3)其中,α为保护角,h为杆塔高度,杆塔保护角越小,杆塔高度越低,绕击率越低。

3山区线路差异化综合防雷措施

山区输电线路防雷应根据不同的情况采取不同的措施,根据雷电的特性及杆塔位置的地形地貌确定遭受雷击的类型,综合沿线已投运线路的运行情况,确定雷电易击段,结合不同措施的有效性针对性的采取:减小接地电阻、增强线路绝缘、加装线路避雷器、采用不平衡绝缘方式、减小保护角、架设避雷线等措施,增加线路的耐雷水平,减小绕击率。目前设计的山区线路因其特殊性220kV及以上线路均已架设双地线,且保护角均不大于0º。

(1)减小接地电阻。减小接地电阻是提高耐雷水平防止反击的有效措施,所有防雷措施都是以杆塔接地电阻为基础,进而提高输电线路的反击耐雷水平。对于土壤电阻率较低无腐蚀的山区,通过延长接地射线,加装接地模块,可以有效降低接地电阻,对于盐碱腐蚀较严重的地段,应采用耐腐蚀性的材料或防腐措施,例如,柔性石墨接地、铜覆钢接地等。

(2)增强线路绝缘。通过加长绝缘子串长或采用高性能的绝缘子,提高输电线路的绝缘水平,从而提高绝缘子串的50%冲击闪络电压,达到提高耐雷水平的目的。根据规程规范要求,全高超过40m有地线的杆塔,高度每增加10m,应增加1片高度为146mm的绝缘子;当线路全高超过100m时,绝缘子片数应根据运行经验结合计算确定。对于土壤电阻率偏高且降低杆塔接地电阻较为困难的情况下,适当采取增强线路绝缘的方式,当线路遭受雷击时,即使雷电流较大,杆塔电位较高,但是绝缘子串不发生闪络,同样可以提高线路的耐雷水平,同时线路的防污性能也相应地有所提高。

(3)加装线路避雷器。在急易发生雷击的区段加装线路避雷器,根据避雷器的非线性特性,当输电线路发生雷击时,避雷器上残压在绝缘子50%冲击闪络电压以下,从而保护绝缘子不发生闪络。同时,采用减小接地电阻的保护措施,使得雷电流可以顺利并迅速传入大地。

(4)采用不平衡绝缘方式。现代高压及超高压线路中,同塔双回架设的线路越来越多,对双回线路采用不同的绝缘水平的方式,通过加强其中一回线路的绝缘串的绝缘水平,当发生雷电反击时,绝缘水平相对较低的线路先闪络,从而将雷电流引入大地,通过牺牲一回线路,确保另一回线路安全可靠运行。

4结语

山区输电线路因受山区地形地貌和地质条件的影响,相比平原地区更易遭受雷击,结合杆塔土壤电阻率及所处区段落雷密集程度,通过采取减小接地电阻、增强线路绝缘、采用不平衡绝缘方式均可增加线路雷击杆塔的耐雷水平,通过采取减小保护角的措施,可减小线路绕击率,通过加装线路避雷器、架设避雷线等措施,即可增加线路的耐雷水平,又可减小绕击率。对于山区线路应综合考虑所处区段的自然条件及设计因素,采用差异化的防雷措施,考虑其合理性和经济性,既要控制投资又可达到最优的防雷效果。

作者:梁培松 单位:中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司

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