输电线路防雷方法探讨

2021-11-20 · 阅读230

输电线路的防雷方式主要是采用阻塞式防雷方法、疏导式防雷方法、疏导灭弧式防雷方法等， 本文在反思国内外传统防雷方法优缺点的同时,重点分析最新出现的防雷方法,探讨输电线路雷电防护新的发展方向。

1传统防雷方法

1.1阻塞式防雷方法

主要包括加装避雷线、耦合地线和加强线路绝缘水平等措施。在我国，按照规程35 kV以上线路均要求加装避雷线,加装避雷线相当于为输电线路在外层增加了一道防雷屏障。从电网实际运行效果来看,确实起到了较好的防护作用,但是因为导线和雷电先导之间存在着库仑力的竞争作用，见图1,多数情况下,导线与雷电先导的引力远大于避雷线与雷电先导之间的引力,很大程度.上降低了避雷线的拦截作用。另外大量存在的反击和绕击雷电现象,进一步证明了避雷线的拦截漏洞。

在导线的下方加装耦合地线,一方面起到一定的分流作用，另一方面也起到增强避雷线对导线的耦合作用。但从总体来讲，耦合地线仅起到一定的辅助作用，效果有限。通过加强输电线路的绝缘水平来提高线路的防雷性能,如增加绝缘子的片数,这对于减少污闪和湿闪有较为显著的效果。但是绝缘强度和绝缘子的片数之间并非是正比关系,见图2。随着片数增加,绝缘强度呈现饱和现象。

1.2 疏导式防雷方法

在绝缘子串两端通过并联保护间隙来实现疏导雷电能量的作用,称之为疏导式防雷方法。日本输配电线路大量使用招弧角(或称引弧角,即在绝缘子串两端并联一对金属电极,见图3。实际防雷效果也较为理想，且价格便宜。

虽然在输电线路上加装保护间隙,一定程度上保护了绝缘子不受雷击损坏，避免了电网出现重大的雷击事故,但另一方面增加了雷击跳闸事故率的发生。还有,并联间隙的上下电极容易持续燃烧，上下距离增大,导致下次和绝缘子串的配合失效。地网降阻也属于疏导式防雷方法,土壤电阻主要受土壤电阻率的影响,土壤电阻率主要是由周围的地质环境条件决定的,通过换土或使用降阻剂的方法来实现降低土壤电阻率的目标，困难极大。

1.3疏导-灭弧式防雷方法

由于疏导式的纯并联间隙防雷方法缺少灭弧功能,在疏导雷电弧的过程中,极易形成工频电流短路现象,造成严重的雷击事故。为了使疏导式的间隙装置更有效的疏导雷电弧，在后来的发展中，增加了灭弧功能。于是便出现了疏导-灭弧式防雷方法。20世纪30年代出现的管式防雷器，即属于疏导-灭弧式防雷装置,见图4。

日本的T.Chino等学者研发的改进型的灭弧间隙装置(见图5)以及俄罗斯的G V. Podporkin 等学者研发的多灭弧室绝缘避雷器(MCIA)(见图6)都属于疏导-灭弧式防雷方法的间隙装置。以上3种具有灭弧功能的间隙装置在工程实.践中都曾收到了一定的防雷效果,3者均是在疏导雷电能量入地之后,在工频电弧的充分发展期熄灭工频电弧，电弧极易重燃并造成雷击跳闸事故的发生

管式避雷器和日本学者研发的间隙装置都是通过有机材料产气熄灭工频电弧,但是在动作若干次后,材料的产气能力下降,导致装置最终会失去灭弧能力。
20世纪70年代出现了具有划时代意义的氧化锌避雷器,是目前国内外高压输配电线路所采用的主要防雷设备,至今依然发挥着重要的作用。但是这种性能良好的氧化锌避雷器在巨型雷和叠加性雷击面前经常发生事故,因为目前的避雷器缺少防护叠加性雷击的考虑。

2传统的高压线路防雷瓶颈

传统的高压线路在雷电防护方面存在以下4个防护瓶颈问题急需解决:
1)雷击跳闸率居高不下。特高压线路均加装避雷线,为了减少绕击率的发生,国内外通常会采用负的保护角，但是特高压线路的绕击跳闸次数依然很高。疏导式的防雷方法结果就是通过雷击跳闸率来换取事故率,疏导-灭弧式防雷方法在多数情况下都不能保证在继电保护动作之前熄灭电弧，带来的雷击跳闸率非常高。
2)叠加性雷击防护瓶颈。雷电检测数据显示，70%的雷击过程有叠加性6-9。耐雷水平与叠加性雷击的重复次数形成反比关系,导致高压线路的耐雷水平在叠加性雷击作用下严重衰减。任何传统防雷方法在叠加性雷击面前都显吃力,目前的避雷器都缺少防护叠加性雷击的考虑。

3)避雷器结构性瓶颈。依照《GB 11032- 2010交流无间隙金属氧化物避雷器》中的条款8.4和8.5的试验要求,避雷器的实验间隔时间为1min,而实际的雷击工况是ms级甚至是μs级的,容易导致叠加性雷电流流经阀片电阻时的热容量超标,甚至会造成热击穿事故。
4)地网降阻瓶颈。长期的工程实践表明,地网降阻困难极大，导致耐雷水平和防雷性能下降。

3疏导-灭弧-阻塞式防雷方法

当遭受强雷击时,首先疏导功率极强的雷电弧入地,接着通过强气流在工频电弧最弱的初期阶段将其熄灭,最后通过抑制重燃实现对工频分量的强力阻塞。本文创新性的称之为疏导-灭弧-阻塞式防雷方法。典型的疏导-灭弧-阻塞式防雷方法有雷电诱导固相爆炸气流灭弧防雷方法(简称固相灭弧)和自压缩灭弧防雷方法(简称压缩灭弧)两种。

3.1固相灭弧防雷装置及其特点

固相灭弧防雷装置于2010年研发成功，见图7。目前主要应用在110kV和220kV的高压输配电线路_上，详细的工作原理请参阅文献[0-13]。当强雷电来袭,装置首先将雷电功率极强的雷电弧倒入大地，同时触发装置内的气丸爆炸产生强喷射气流,在4ms内(继电保护动作之前

)彻底熄灭初期工频电弧 ,通过深度抑制重燃,强力阻塞工频建弧过程。

相比于传统的防雷装置,固相灭弧装置在防雷机理方面具有以下特点:
1)灭弧响应的快速性,见图8。
2)熄弧时机的精准性。疏导完雷电能量之后，工频续流电弧开始出现并处于最弱阶段,迅速将其熄灭,所用时间远小于继电保护动作时间,避免了雷击跳闸。
3)抑制重燃力的不对称性。电弧的维持力约为25 N ,而爆炸气流推力高达160kN,见图9,能深度抑制重燃。

3.2 压缩灭弧防雷装置及其特点

压缩灭弧防雷装置于2012年研发成功,见图10。目前主要应用在10kV和35kV高压配电线路上。结构装置示意图见图11,文献[9 - 20]详细给出了该装置的工作原理。在雷电弧诱导^下，通过装置的自压缩过程,疏导完雷电能量之后,随即产生高强度压缩气流,在1 ms之内将初期工频电弧彻底熄灭,和固相灭弧装置一样同样能避免雷击跳闸现象的发生。和其他传统的防雷装置相比,压缩灭弧防雷装置具有以下特点:

1)灭弧响应时间为2.5 μs。

4疏导-灭弧-阻塞式核心优势

和传统的防雷方法相比，疏导-灭弧-阻塞式防雷方法在防雷理念、防雷效果和安装维护方面具有独特的优势,见表1和表2,表中的数据来自于用户报告。

5结论

由于雷电流幅值巨大，由此产生的电动力相当大。单个雷击破坏力虽有限，但实际的雷电为多重雷,其能量也不容忽视。供电需求侧对供电可靠性的要求越来越高,一瞬间的停电对供电要求较高的用电设备也会产生严重后果,所以未来的防雷装置一定以降低雷击跳闸率为发展的主要目标之一。传统防雷方法通过加强绝缘对雷电弧采取硬对抗的阻塞方式不可能取得理想效果，最科学的办法是疏导雷电能量入地,避开功率极强的雷电弧，在工频电弧出现早期和继电保护动作之前完成熄弧过程,最后通过抑制重燃完成工频阻塞,从而大幅度的降低雷击跳闸率。这正是疏导灭弧-阻塞式防雷方法的核心机理所在。两种疏导灭弧-疏导式防雷装置的防雷理念新颖,通过仿真、实验及实践运行,均取得了良好的防雷效果，两者结构都相对简单,安装维护安全、方便,性价比较高。两种装置在未来一定会 发挥更大的作用。就目前防雷现状而言,两种疏导-灭弧-疏导式防雷装置的普及率依然较低,综合考虑各个方面的因素,对不同电压等级线路应结合实际采用不同的防雷装置。