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摘要:本文介绍了雷电过电压种类，归纳了直接影响雷击杆塔造成跳闸的原因，
并对应用防雷新技术做出了探究，对当前防雷新技术表示了展望。
关键词:防雷新技术;电压；输电线路；避雷针
输电线路在运行过程中承受工作电压、操作过电压或大气过电压。在超高压输电系统中,操作过电压被限制在较低的水平(500kV系统不超过210p·u),不再构成线路绝缘的主要威胁。根据各网省公司输电线路运行状况分析,引起线路跳闸的主要原因依次为雷击、污闪、鸟害、覆冰舞动及外力破坏。近10a来国内、外运行经验表明,输电线路50%以上的事故是由雷害引起的,因此目前大气过电压引起的绝缘闪络已经成为线路故障的主要原因。
近年全国输电线路跳闸平均值见表1。由于输电线路所经地区的地形、地貌、雷电活动情况(包括气候条件)以及线路自身的防雷设计和绝缘水平不同,雷击引起的故障率有很大的差别。雷电活动与地球大气环境密切相关,分散性和随机性很大,只有通过长期观测和分析,才能正确掌握某个区域范围内的雷电活动规律。
表1 全国输电线路平均故障跳闸率次/(百km·a)
1、雷电过电压种类
根据过电压理论, 架空输电线路中常见的雷电过电压有2种:一是雷击发生在架空线路附近, 通过电磁感应或静电感应在输电线路上产生过电压, 称为感应雷电过电压;另一种是雷直击于输电线路, 称为直击雷电过电压。
1.1 感应雷电过电压
雷电放电的先导通道中充满了电荷,对附近的输电导线产生静电感应,导线上积累了束缚电荷,同时将相反极性的电荷排斥到远端。雷击大地后,先导中的电荷瞬间被中和,导线上的束缚电荷也瞬间成为自由电荷,形成电流波i向导线两侧流动,i乘以导线的波阻Z即为导线上的静电感应电压波幅值u。雷放电通道与输电导线基本垂直,因此雷击在导线上引起的电磁感应分量不是很大,所以输电线路上感应雷的幅值主要取决于静电分量u。有经验公式(1)描述感应雷电过电压Ug:
Ug=
式中I——主放电电流, kA;
h——线路高度,m;
S——雷击点距线路的距离,m。
1.2 直击雷过电压
直击雷按击中线路设备的部位又分为3种:雷击于杆塔顶部,即常说的反击雷;雷击绕过避雷线击于导线,即常说的绕击雷;雷击于避雷线中央。
1.2.1 反击雷当雷击线路杆塔后,强大的雷电流瞬间通过铁塔入地,地电位和塔顶电位随之提高,塔顶电位为
Ugt=Rchi+L(2)
式中Rch——杆塔冲击接地电阻,Ω;
igt——雷电流幅值,A;
Lgt——杆塔等值电感,H。
由于导线上工频电压的作用,使得绝缘子间电压超过其绝缘强度造成击穿, 形成稳定的工频电弧,引起断路器跳闸,这就是雷击塔顶的反击过电压机理。
1.2.2 绕击雷
雷电先导的前端部分实际上是一个充满了游离离子的团区,离子团直径的大小随雷电流大小而不同。离子团随雷电发展将近地面时,先与之接触的物体先遭到雷击。通过图1可形象地理解绕击雷。
图中L1的雷电流大于L2的雷电流,因此其游离离子团直径大于L2游离离子团直径,下行过程中更易于接触到避雷线,L2的离子团可能躲过避雷线先接触到导线,形成绕击。
虽然绕击雷对线路威胁较大,但由于有比较完备的防雷措施如双避雷线,超高压线路直击雷害中绕击雷占的比率较小,通常在比较特殊的地理环境下绕击率会较高,从图1中就可以看出雷电流通常较小才会造成绕击,有资料表明按超高压线路防雷设计一般雷电流在10kA以下才能造成绕击。因此绕击往往对中低压线路及低压或电子设备造成威胁。
1.2.3 雷击档距中央避雷线
雷击于档距中央的避雷线会产生很高的过电压。由于常规线路防雷设计对避雷线与导线的间距有明确要求,从世界各国的运行经验上看,雷击避雷线档距中央造成相地线间闪络跳闸的事例极少发生。综上所述,无论从理论分析还是从运行经验上看,雷击塔顶的直击雷都是超高压输电线路雷害的主要因素。
2 、直接影响雷击杆塔造成跳闸的原因可归纳
2.1气候
从省气象服务中心咨询来的数据表明,2002年的几个重点地区仅从雷暴次数来看,比2001年并无明显增加。但气象台的统计方法仅是靠观测站人耳听声,无法进一步判定雷电强弱。省气象服务中心资料显示2002年雷电活动数量并不突出于以往,但强度明显增强,这可能与全球气候变化有关。如果雷电定位系统能够发挥应有的作用,将会提供雷电流强弱、特定地区特定时间雷电流概率密度等雷电数据。
2.2 环境污染
环境日益恶化是目前一个综合性的问题,靠一方的力量难以解决。空气污染可能会使大气含离子浓度增高,在城乡结合处冷热气流交汇形成更加强烈的雷电。
2.3 闪络杆塔的接地电阻可能偏高
由式(2)可知杆塔接地电阻对雷击杆塔的过电压高低起着至关重要的作用。闪络杆塔的接地电阻情况如何是个未知数,从已反馈回来的有限的信息来看,闪络杆塔的接地电阻并不高,但是因为测试设备本身质量,测试的时间和方法等都可能造成数值上较大的差异,而且对杆塔接地电阻安全值的界定是否合理,是否适应各种情况,如雷电强度、环境、季节的改变等?我们得到的数值多是线路竣工时的数据,目前有否提高? 还需进一步研究。
2.4 绝缘配备
如果绝缘子爬距按原污秽等级选择,情况变化后裕度不足,或者塔头间隙不够,都可能导致雷击跳闸。
2.5 合成绝缘子雷击闪络
瓷绝缘子之间有金属连接件,客观上起到均匀绝缘子表面电场的作用。合成绝缘子通体是绝缘芯,表面电场分布应该差于瓷绝缘子,从而提高雷击闪络后绝缘子上的工频建弧率,造成断路器跳闸。综上所述,造成2002年雷击跳闸率高的原因可能很多,也很复杂,只有在充分实际调研的基础上,拿出令人信服的数据,才能把握特点,找出趋势,从而提出准确有效的建议和措施。调研的内容应包括闪络杆塔的绝缘子型式、绝缘等级、杆塔型式、距中心城市的远近、历次杆塔接地电阻测试值等(尤其是接连跳闸的杆塔的阻值)内容。只有对信息进行分析,并同以往运行经验相比较,才能按以上分析的思路找出规律性和趋势性的东西。
3、应用防雷新技术的研究
目前国内外对降低超高压线路雷击跳闸率的技术手段主要有加强绝缘,使用合成绝缘子,降低杆塔接地电阻,采用双避
雷线, 装设感应地线, 以及加装线路避雷器MOA、可控放电避雷针等新技术。
3.1 低杆塔接地电阻
杆塔的接地电阻是影响雷击跳闸率的重要因素,计算表明:杆塔的接地电阻每增加10～20Ω,雷击跳闸率将会增加50%～100%,而降低杆塔的接地电阻是减少雷击杆塔后产生反击事故最有效的方法之一。目前杆塔降阻主要采取如下方法:增加水平接地体的长度和根数;连续延伸接地,即将相邻杆塔在地下连接;引申接地, 即将杆塔接地引申到附近接地电阻地带;合理使用降阻剂。
3.2 线路避雷器的应用情况
理论计算分析和实践都证明,将线路避雷器应用到线路雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻有困难的线段,可以较大幅度地提高线路的耐雷水平。近年美国AEP和GE公司及日本Kansai电力公司等在雷电活动特别严重地区的输电线路上安装线路避雷器,取得良好的运行效果。我国一些经济发达而多雷地区如广东、华东等,近年也在一些重点线路上安装线路避雷器作为试点。
3.3 线路装设耦合地线的研究
为了提高线路的防雷性能,减少线路的雷击跳闸率,可采用在导线下面(或其附近)加挂耦合线(即架空地线)的办法,尤其在杆塔的接地电阻较大时(一般>20Ω),或所处地质条件较差(>2000Ω·m)而降低杆塔接地电阻非常困难时,加挂耦合地线能在雷击杆塔时(或架空地线)起到分流作用和耦合作用,降低桿塔绝缘子串上所承受的电压,提高线路耐雷水平。
3.4 控放电避雷针
一种雷电理论认为雷云对地面物体放电按方式分为下行雷闪和上行雷闪。下行雷闪时雷电流幅值大(平均值为30～44kA),陡度高(24～40kA/μs);上行雷闪放电电流幅值小(平均小于7kA),且陡度低(小于5kA/μs),而且不绕击。上行雷闪还有一个特点是上行先导对地面物体具有屏蔽作用,可减轻放电时在地面物体上的感应过电压。
可控放电避雷针利用上行雷闪的这些特点,通过某种结构设计,使其能在需要时使针尖处电场强度足够高从而迅速产生放电脉冲,可靠地引发上行雷闪放电, 达到保护各类被保护对象的目的。
4 、结束语
雷电过电压分散性大,受气候、地形等诸多无法控制的因素影响;缺乏完备的理论和有效的研究手段,高电压理论应该说是较成熟的经典理论,但雷电过电压部分至今尚有很多问题在理论上不能很好地解释,相辅相成的研究手段也相对低效。因此电力系统防雷工作是一个艰苦长期的工作,需考虑各种因素,大量样本,多年运行经验积累和总结,是理论指导实践, 再由实践丰富理论的过程, 需要各级领导、广大技术人员共同努力,才能取得成果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
并对应用防雷新技术做出了探究，对当前防雷新技术表示了展望。
关键词:防雷新技术;电压；输电线路；避雷针
输电线路在运行过程中承受工作电压、操作过电压或大气过电压。在超高压输电系统中,操作过电压被限制在较低的水平(500kV系统不超过210p·u),不再构成线路绝缘的主要威胁。根据各网省公司输电线路运行状况分析,引起线路跳闸的主要原因依次为雷击、污闪、鸟害、覆冰舞动及外力破坏。近10a来国内、外运行经验表明,输电线路50%以上的事故是由雷害引起的,因此目前大气过电压引起的绝缘闪络已经成为线路故障的主要原因。
近年全国输电线路跳闸平均值见表1。由于输电线路所经地区的地形、地貌、雷电活动情况(包括气候条件)以及线路自身的防雷设计和绝缘水平不同,雷击引起的故障率有很大的差别。雷电活动与地球大气环境密切相关,分散性和随机性很大,只有通过长期观测和分析,才能正确掌握某个区域范围内的雷电活动规律。
表1 全国输电线路平均故障跳闸率次/(百km·a)
1、雷电过电压种类
根据过电压理论, 架空输电线路中常见的雷电过电压有2种:一是雷击发生在架空线路附近, 通过电磁感应或静电感应在输电线路上产生过电压, 称为感应雷电过电压;另一种是雷直击于输电线路, 称为直击雷电过电压。
1.1 感应雷电过电压
雷电放电的先导通道中充满了电荷,对附近的输电导线产生静电感应,导线上积累了束缚电荷,同时将相反极性的电荷排斥到远端。雷击大地后,先导中的电荷瞬间被中和,导线上的束缚电荷也瞬间成为自由电荷,形成电流波i向导线两侧流动,i乘以导线的波阻Z即为导线上的静电感应电压波幅值u。雷放电通道与输电导线基本垂直,因此雷击在导线上引起的电磁感应分量不是很大,所以输电线路上感应雷的幅值主要取决于静电分量u。有经验公式(1)描述感应雷电过电压Ug:
Ug=
式中I——主放电电流, kA;
h——线路高度,m;
S——雷击点距线路的距离,m。
1.2 直击雷过电压
直击雷按击中线路设备的部位又分为3种:雷击于杆塔顶部,即常说的反击雷;雷击绕过避雷线击于导线,即常说的绕击雷;雷击于避雷线中央。
1.2.1 反击雷当雷击线路杆塔后,强大的雷电流瞬间通过铁塔入地,地电位和塔顶电位随之提高,塔顶电位为
Ugt=Rchi+L(2)
式中Rch——杆塔冲击接地电阻,Ω;
igt——雷电流幅值,A;
Lgt——杆塔等值电感,H。
由于导线上工频电压的作用,使得绝缘子间电压超过其绝缘强度造成击穿, 形成稳定的工频电弧,引起断路器跳闸,这就是雷击塔顶的反击过电压机理。
1.2.2 绕击雷
雷电先导的前端部分实际上是一个充满了游离离子的团区,离子团直径的大小随雷电流大小而不同。离子团随雷电发展将近地面时,先与之接触的物体先遭到雷击。通过图1可形象地理解绕击雷。
图中L1的雷电流大于L2的雷电流,因此其游离离子团直径大于L2游离离子团直径,下行过程中更易于接触到避雷线,L2的离子团可能躲过避雷线先接触到导线,形成绕击。
虽然绕击雷对线路威胁较大,但由于有比较完备的防雷措施如双避雷线,超高压线路直击雷害中绕击雷占的比率较小,通常在比较特殊的地理环境下绕击率会较高,从图1中就可以看出雷电流通常较小才会造成绕击,有资料表明按超高压线路防雷设计一般雷电流在10kA以下才能造成绕击。因此绕击往往对中低压线路及低压或电子设备造成威胁。
1.2.3 雷击档距中央避雷线
雷击于档距中央的避雷线会产生很高的过电压。由于常规线路防雷设计对避雷线与导线的间距有明确要求,从世界各国的运行经验上看,雷击避雷线档距中央造成相地线间闪络跳闸的事例极少发生。综上所述,无论从理论分析还是从运行经验上看,雷击塔顶的直击雷都是超高压输电线路雷害的主要因素。
2 、直接影响雷击杆塔造成跳闸的原因可归纳
2.1气候
从省气象服务中心咨询来的数据表明,2002年的几个重点地区仅从雷暴次数来看,比2001年并无明显增加。但气象台的统计方法仅是靠观测站人耳听声,无法进一步判定雷电强弱。省气象服务中心资料显示2002年雷电活动数量并不突出于以往,但强度明显增强,这可能与全球气候变化有关。如果雷电定位系统能够发挥应有的作用,将会提供雷电流强弱、特定地区特定时间雷电流概率密度等雷电数据。
2.2 环境污染
环境日益恶化是目前一个综合性的问题,靠一方的力量难以解决。空气污染可能会使大气含离子浓度增高,在城乡结合处冷热气流交汇形成更加强烈的雷电。
2.3 闪络杆塔的接地电阻可能偏高
由式(2)可知杆塔接地电阻对雷击杆塔的过电压高低起着至关重要的作用。闪络杆塔的接地电阻情况如何是个未知数,从已反馈回来的有限的信息来看,闪络杆塔的接地电阻并不高,但是因为测试设备本身质量,测试的时间和方法等都可能造成数值上较大的差异,而且对杆塔接地电阻安全值的界定是否合理,是否适应各种情况,如雷电强度、环境、季节的改变等?我们得到的数值多是线路竣工时的数据,目前有否提高? 还需进一步研究。
2.4 绝缘配备
如果绝缘子爬距按原污秽等级选择,情况变化后裕度不足,或者塔头间隙不够,都可能导致雷击跳闸。
2.5 合成绝缘子雷击闪络
瓷绝缘子之间有金属连接件,客观上起到均匀绝缘子表面电场的作用。合成绝缘子通体是绝缘芯,表面电场分布应该差于瓷绝缘子,从而提高雷击闪络后绝缘子上的工频建弧率,造成断路器跳闸。综上所述,造成2002年雷击跳闸率高的原因可能很多,也很复杂,只有在充分实际调研的基础上,拿出令人信服的数据,才能把握特点,找出趋势,从而提出准确有效的建议和措施。调研的内容应包括闪络杆塔的绝缘子型式、绝缘等级、杆塔型式、距中心城市的远近、历次杆塔接地电阻测试值等(尤其是接连跳闸的杆塔的阻值)内容。只有对信息进行分析,并同以往运行经验相比较,才能按以上分析的思路找出规律性和趋势性的东西。
3、应用防雷新技术的研究
目前国内外对降低超高压线路雷击跳闸率的技术手段主要有加强绝缘,使用合成绝缘子,降低杆塔接地电阻,采用双避
雷线, 装设感应地线, 以及加装线路避雷器MOA、可控放电避雷针等新技术。
3.1 低杆塔接地电阻
杆塔的接地电阻是影响雷击跳闸率的重要因素,计算表明:杆塔的接地电阻每增加10～20Ω,雷击跳闸率将会增加50%～100%,而降低杆塔的接地电阻是减少雷击杆塔后产生反击事故最有效的方法之一。目前杆塔降阻主要采取如下方法:增加水平接地体的长度和根数;连续延伸接地,即将相邻杆塔在地下连接;引申接地, 即将杆塔接地引申到附近接地电阻地带;合理使用降阻剂。
3.2 线路避雷器的应用情况
理论计算分析和实践都证明,将线路避雷器应用到线路雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻有困难的线段,可以较大幅度地提高线路的耐雷水平。近年美国AEP和GE公司及日本Kansai电力公司等在雷电活动特别严重地区的输电线路上安装线路避雷器,取得良好的运行效果。我国一些经济发达而多雷地区如广东、华东等,近年也在一些重点线路上安装线路避雷器作为试点。
3.3 线路装设耦合地线的研究
为了提高线路的防雷性能,减少线路的雷击跳闸率,可采用在导线下面(或其附近)加挂耦合线(即架空地线)的办法,尤其在杆塔的接地电阻较大时(一般>20Ω),或所处地质条件较差(>2000Ω·m)而降低杆塔接地电阻非常困难时,加挂耦合地线能在雷击杆塔时(或架空地线)起到分流作用和耦合作用,降低桿塔绝缘子串上所承受的电压,提高线路耐雷水平。
3.4 控放电避雷针
一种雷电理论认为雷云对地面物体放电按方式分为下行雷闪和上行雷闪。下行雷闪时雷电流幅值大(平均值为30～44kA),陡度高(24～40kA/μs);上行雷闪放电电流幅值小(平均小于7kA),且陡度低(小于5kA/μs),而且不绕击。上行雷闪还有一个特点是上行先导对地面物体具有屏蔽作用,可减轻放电时在地面物体上的感应过电压。
可控放电避雷针利用上行雷闪的这些特点,通过某种结构设计,使其能在需要时使针尖处电场强度足够高从而迅速产生放电脉冲,可靠地引发上行雷闪放电, 达到保护各类被保护对象的目的。
4 、结束语
雷电过电压分散性大,受气候、地形等诸多无法控制的因素影响;缺乏完备的理论和有效的研究手段,高电压理论应该说是较成熟的经典理论,但雷电过电压部分至今尚有很多问题在理论上不能很好地解释,相辅相成的研究手段也相对低效。因此电力系统防雷工作是一个艰苦长期的工作,需考虑各种因素,大量样本,多年运行经验积累和总结,是理论指导实践, 再由实践丰富理论的过程, 需要各级领导、广大技术人员共同努力,才能取得成果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。