輸電線路防雷方法探討

2021-11-20 · 閱讀420

輸電線路的防雷方式主要是采用阻塞式防雷方法、疏導式防雷方法、疏導滅弧式防雷方法等， 本文在反思國內外傳統防雷方法優缺點的同時,重點分析最新出現的防雷方法,探討輸電線路雷電防護新的發展方向。

1傳統防雷方法

1.1阻塞式防雷方法

主要包括加裝避雷線、耦合地線和加強線路絕緣水平等措施。在我國，按照規程35 kV以上線路均要求加裝避雷線,加裝避雷線相當于為輸電線路在外層增加了一道防雷屏障。從電網實際運行效果來看,確實起到了較好的防護作用,但是因為導線和雷電先導之間存在著庫侖力的競爭作用，見圖1,多數情況下,導線與雷電先導的引力遠大于避雷線與雷電先導之間的引力,很大程度.上降低了避雷線的攔截作用。另外大量存在的反擊和繞擊雷電現象,進一步證明了避雷線的攔截漏洞。

在導線的下方加裝耦合地線,一方面起到一定的分流作用，另一方面也起到增強避雷線對導線的耦合作用。但從總體來講，耦合地線僅起到一定的輔助作用，效果有限。通過加強輸電線路的絕緣水平來提高線路的防雷性能,如增加絕緣子的片數,這對于減少污閃和濕閃有較為顯著的效果。但是絕緣強度和絕緣子的片數之間并非是正比關系,見圖2。隨著片數增加,絕緣強度呈現飽和現象。

1.2 疏導式防雷方法

在絕緣子串兩端通過并聯保護間隙來實現疏導雷電能量的作用,稱之為疏導式防雷方法。日本輸配電線路大量使用招弧角(或稱引弧角,即在絕緣子串兩端并聯一對金屬電極,見圖3。實際防雷效果也較為理想，且價格便宜。

雖然在輸電線路上加裝保護間隙,一定程度上保護了絕緣子不受雷擊損壞，避免了電網出現重大的雷擊事故,但另一方面增加了雷擊跳閘事故率的發生。還有,并聯間隙的上下電極容易持續燃燒，上下距離增大,導致下次和絕緣子串的配合失效。地網降阻也屬于疏導式防雷方法,土壤電阻主要受土壤電阻率的影響,土壤電阻率主要是由周圍的地質環境條件決定的,通過換土或使用降阻劑的方法來實現降低土壤電阻率的目標，困難極大。

1.3疏導-滅弧式防雷方法

由于疏導式的純并聯間隙防雷方法缺少滅弧功能,在疏導雷電弧的過程中,極易形成工頻電流短路現象,造成嚴重的雷擊事故。為了使疏導式的間隙裝置更有效的疏導雷電弧，在后來的發展中，增加了滅弧功能。于是便出現了疏導-滅弧式防雷方法。20世紀30年代出現的管式防雷器，即屬于疏導-滅弧式防雷裝置,見圖4。

日本的T.Chino等學者研發的改進型的滅弧間隙裝置(見圖5)以及俄羅斯的G V. Podporkin 等學者研發的多滅弧室絕緣避雷器(MCIA)(見圖6)都屬于疏導-滅弧式防雷方法的間隙裝置。以上3種具有滅弧功能的間隙裝置在工程實.踐中都曾收到了一定的防雷效果,3者均是在疏導雷電能量入地之后,在工頻電弧的充分發展期熄滅工頻電弧，電弧極易重燃并造成雷擊跳閘事故的發生

管式避雷器和日本學者研發的間隙裝置都是通過有機材料產氣熄滅工頻電弧,但是在動作若干次后,材料的產氣能力下降,導致裝置最終會失去滅弧能力。
20世紀70年代出現了具有劃時代意義的氧化鋅避雷器,是目前國內外高壓輸配電線路所采用的主要防雷設備,至今依然發揮著重要的作用。但是這種性能良好的氧化鋅避雷器在巨型雷和疊加性雷擊面前經常發生事故,因為目前的避雷器缺少防護疊加性雷擊的考慮。

2傳統的高壓線路防雷瓶頸

傳統的高壓線路在雷電防護方面存在以下4個防護瓶頸問題急需解決:
1)雷擊跳閘率居高不下。特高壓線路均加裝避雷線,為了減少繞擊率的發生,國內外通常會采用負的保護角，但是特高壓線路的繞擊跳閘次數依然很高。疏導式的防雷方法結果就是通過雷擊跳閘率來換取事故率,疏導-滅弧式防雷方法在多數情況下都不能保證在繼電保護動作之前熄滅電弧，帶來的雷擊跳閘率非常高。
2)疊加性雷擊防護瓶頸。雷電檢測數據顯示，70%的雷擊過程有疊加性6-9。耐雷水平與疊加性雷擊的重復次數形成反比關系,導致高壓線路的耐雷水平在疊加性雷擊作用下嚴重衰減。任何傳統防雷方法在疊加性雷擊面前都顯吃力,目前的避雷器都缺少防護疊加性雷擊的考慮。

3)避雷器結構性瓶頸。依照《GB 11032- 2010交流無間隙金屬氧化物避雷器》中的條款8.4和8.5的試驗要求,避雷器的實驗間隔時間為1min,而實際的雷擊工況是ms級甚至是μs級的,容易導致疊加性雷電流流經閥片電阻時的熱容量超標,甚至會造成熱擊穿事故。
4)地網降阻瓶頸。長期的工程實踐表明,地網降阻困難極大，導致耐雷水平和防雷性能下降。

3疏導-滅弧-阻塞式防雷方法

當遭受強雷擊時,首先疏導功率極強的雷電弧入地,接著通過強氣流在工頻電弧最弱的初期階段將其熄滅,最后通過抑制重燃實現對工頻分量的強力阻塞。本文創新性的稱之為疏導-滅弧-阻塞式防雷方法。典型的疏導-滅弧-阻塞式防雷方法有雷電誘導固相爆炸氣流滅弧防雷方法(簡稱固相滅弧)和自壓縮滅弧防雷方法(簡稱壓縮滅弧)兩種。

3.1固相滅弧防雷裝置及其特點

固相滅弧防雷裝置于2010年研發成功，見圖7。目前主要應用在110kV和220kV的高壓輸配電線路_上，詳細的工作原理請參閱文獻[0-13]。當強雷電來襲,裝置首先將雷電功率極強的雷電弧倒入大地，同時觸發裝置內的氣丸爆炸產生強噴射氣流,在4ms內(繼電保護動作之前

)徹底熄滅初期工頻電弧 ,通過深度抑制重燃,強力阻塞工頻建弧過程。

相比于傳統的防雷裝置,固相滅弧裝置在防雷機理方面具有以下特點:
1)滅弧響應的快速性,見圖8。
2)熄弧時機的精準性。疏導完雷電能量之后，工頻續流電弧開始出現并處于最弱階段,迅速將其熄滅,所用時間遠小于繼電保護動作時間,避免了雷擊跳閘。
3)抑制重燃力的不對稱性。電弧的維持力約為25 N ,而爆炸氣流推力高達160kN,見圖9,能深度抑制重燃。

3.2 壓縮滅弧防雷裝置及其特點

壓縮滅弧防雷裝置于2012年研發成功,見圖10。目前主要應用在10kV和35kV高壓配電線路上。結構裝置示意圖見圖11,文獻[9 - 20]詳細給出了該裝置的工作原理。在雷電弧誘導^下，通過裝置的自壓縮過程,疏導完雷電能量之后,隨即產生高強度壓縮氣流,在1 ms之內將初期工頻電弧徹底熄滅,和固相滅弧裝置一樣同樣能避免雷擊跳閘現象的發生。和其他傳統的防雷裝置相比,壓縮滅弧防雷裝置具有以下特點:

1)滅弧響應時間為2.5 μs。

4疏導-滅弧-阻塞式核心優勢

和傳統的防雷方法相比，疏導-滅弧-阻塞式防雷方法在防雷理念、防雷效果和安裝維護方面具有獨特的優勢,見表1和表2,表中的數據來自于用戶報告。

5結論

由于雷電流幅值巨大，由此產生的電動力相當大。單個雷擊破壞力雖有限，但實際的雷電為多重雷,其能量也不容忽視。供電需求側對供電可靠性的要求越來越高,一瞬間的停電對供電要求較高的用電設備也會產生嚴重后果,所以未來的防雷裝置一定以降低雷擊跳閘率為發展的主要目標之一。傳統防雷方法通過加強絕緣對雷電弧采取硬對抗的阻塞方式不可能取得理想效果，最科學的辦法是疏導雷電能量入地,避開功率極強的雷電弧，在工頻電弧出現早期和繼電保護動作之前完成熄弧過程,最后通過抑制重燃完成工頻阻塞,從而大幅度的降低雷擊跳閘率。這正是疏導滅弧-阻塞式防雷方法的核心機理所在。兩種疏導滅弧-疏導式防雷裝置的防雷理念新穎,通過仿真、實驗及實踐運行,均取得了良好的防雷效果，兩者結構都相對簡單,安裝維護安全、方便,性價比較高。兩種裝置在未來一定會 發揮更大的作用。就目前防雷現狀而言,兩種疏導-滅弧-疏導式防雷裝置的普及率依然較低,綜合考慮各個方面的因素,對不同電壓等級線路應結合實際采用不同的防雷裝置。