1、谈电力系统的防雷保护谈电力系统的防雷保护门中奇本文阐述了雷电对电力系统的危害、避雷器的应用及避雷针与避雷线的作用。关键词：电力系统；雷电；避雷器；避雷针；避雷线要想保证电力系统的正常运转，就要排除一切外在的干扰，其中就包括雷电对电力系统的影响。雷电是不可避免的自然灾害，所以对电力系统的防雷保护至关重要。由于自然现象，带正电及带负电的雷形成后，若电场强度达到2530千伏/cm，则空气间绝缘将受到破坏，正负雷云之间或雷云与大地之间发生强烈放电现象。放电时间很短，一般约为50100微秒之间，而放电电流可达几十万安培。闪电就是放电时产生的火花，雷鸣就是空气受热短时间急剧膨胀而形成的爆炸声，由于各处物体
2、声反射而形成一串轰隆声。这就是我们平时所说的雷电现象。当雷电击到人和各种生物的身体上时，强大的电流不但能使人和生物的神经麻痹、心脏停止跳动而死亡，同时还能将皮肤烧焦。雷电直接击中树木或电柱时，强大的电流能使电柱发生高热而燃烧，或将它们劈裂、劈倒。强大的雷电击中了高大的烟囱或房屋时，就造成倒塌或破坏。雷电击中电气设备和电力系统时，由于强大的电流通过了电气设备和电力系统，就能产生热力和电磁的影响。热力通过的时间虽然较短，仅达40多微秒，但能使各种导线熔化。雷电流的电磁作用，对电气设备和电力系统的绝缘物质影响更大。由于雷电压直击在电气线路上，还将产生一种直接雷击过电压。这种过电压很高，电流也很大，将
3、引起闪络，毁坏和击穿电气设备和电气线路上的绝缘，从而中断供电和损坏电气设备。雷电的危害虽大，如果我们能够在生产或生活中，在各种电气设备和电气线路上采取有效措施，雷害是完全可以预防的。目前，在电气设备和电气线路上常用的防雷方法有：用避雷针和避雷线防止设备和线路受到直击雷的危害；用各种不同型式的避雷器和放电间隙防止设备和线路受到感应雷的危害。此外，要加强系统中设备的绝缘强度，确保线路在瞬间过压时的安全。避雷器是防止设备受到雷电波及雷电的电磁作用而产生感应过电压的保护装置。在运行的电力系统中，出现大气过电压时，避雷器必须迅速对大地放电，将过电压限制在一定数值内，以保护系统中电气设备；当过电压消失后，
4、避雷器迅速可靠的灭弧，使电网恢复正常运行。对感应雷击，通常使用保护间隙、阀型避雷器、管型避雷器。保护间隙是一种简易的防雷设备，它是由带有上、下两部的间隙组成。间隙上部设有主间隙，下部设有辅助间隙。安装时，间隙的可动部分装在电力线路的瓷瓶上，并与导线连接，固定部分装在木横担上，通过连接线进行接地。当通入正常电压时，由于间隙上有一定的距离，它不会动作。只有当强大的雷电袭击时，间隙上的空间距离被击穿了，便把雷电流泄漏到大地中去，达到防雷的目的。采用保护间隙时，必须和电力系统中电力线路上重合闸继电气配合，否则将因两相间隙同时动作而造成事故。保护间隙距离的确定，是以它的冲击电弧电压比被保护物的冲击强度低
5、25来确定。保护间隙的主间隙最小距离如表1。保护间隙是最简单的防雷保护装置，造价也低，保护性能较差。仅在一些其它保护装置不能安装，不值得安装的地点条件下，又要求加以保护的场合才能使用。阀型避雷器是专为保护变压器和发电厂、变电所的电气设备用的，它的主要组成部分是由若干放电间隙串联而成的放电间隙部分，通常叫火花间隙；以及用特种碳化硅做成的阀电阻元件，外部用瓷质外壳加以保护。阀型避雷器在没有雷电和过电压时，放电间隙本身具有足够的绝缘强度，这些部件在正常情况下，不能使电流通过。当电力系统中有危险的过电压时，避雷器放电间隙就很快地被击穿，使过电压经过避雷器中的阀电阻泄入大地。避雷器中的阀电阻和一般的电阻
6、特性不同，它具有通过的电流越大，电阻越小；电流越小，电阻越大的动作特性。当避雷器承受电源额定电压时，由于内部阀电阻大，便不能把正常的电流漏入大地，只有在承受到过电压时，才能使阀型避雷器内部的阀电阻降低，将过大的电流泄入到大地中去，起到良好的保护作用。常用的阀型避雷器有FS型与FZ型两种：FS型阀型避雷器，结构简单，适价低廉，但保护性能较差，一般用在10千伏以下，分别用FS-2，FS-3，FS-6，FS-10来表示。FZ型阀型避雷器，保护性能较好，用来保护3-220千伏的交流电气设备，按额定电压分为FZ-3，FZ-6，FZ-10，FZ-35，FZ-110，FZ-220等类型。管型避雷器是非常有力
7、的防雷武器。它的外面是一个电木管，里面有一个棒型的电极。电极与另一端电极中有间隙，即内部间隙，能起到消弧作用。在外部也设一间隙，外部间隙是供安装时校正用的。它的工作原理是：正常时，外部间隙把管型避雷器同电力系统的电压隔开。在雷电冲击而过电压时，外部间隙和内部间隙同时被击穿，于是将雷电流泄漏到大地中去。管型避雷器在被击穿时，由于管内部产生弧柱的高温，产生强烈的气体，这种气体向管的开口端喷射，强迫切断电流，吹熄电弧，这时外部间隙的空气绝缘，把避雷器同电力系统隔开，一切又恢复正常。这种避雷器可以用来保护线路的绝缘弱点，同时也可作为变电所进出线的第一道保护。避雷针与避雷线都具有引雷作用，使天空上的雷云
8、的电流，通过避雷针(线)按预定的通路泄入大地，对它周围的物体起到保护作用，可保护电力系统免受雷电的直接雷击。3.1避雷针避雷针它由接闪器、引下线、接地装置三个主要部分组成。接闪器是专门用来接受雷击的金属体，引下线是将接闪器上的雷击电流安全引导到接地装置的金属线，接地装置是接地设备中接地线和接地体的总称。接地体的接地电阻不应大于10欧姆。避雷针保护免除直接雷击的空间范围，称为保护范围。避雷针在地面上的保护半径r按下式决定：r=1.5h（h为避雷针总高度，单位：m）。在高度为hx的被保护物顶部，水平方向上的保护半径可由下式决定：当hxh/2时，rx=(h-hx)k（k为高度影响系数），h30m时，
9、k=1，30mh120m时，k=5.5/ ；当hXh/2时，rx=（1.5h-2hx）h（m）。若使用多只避雷针联用时，保护范围可以扩大些。避雷线又称架空地线，它一般用截面不小于35mm 的镀锌钢绞线，架设在架空线路上，以保护架空线路免受直接雷击。它可以单支架设，也可以双支架设。避雷线也是要求与接地体有良好的连接。避雷线的作用原理与避雷针相同，只是保护范围小些。其保护范围与避雷线的数目、高度、相互位置等因素有关。架设避雷线也可以保护变配电所。单根避雷线保护区计算：h为避雷线高度，hx为被保护物高度，k为高度影响系数，与避雷针讨论相同。当hx h/2时，rx=0.47（h-hx） k（m）；当h
10、xh/2时，rx=（h-1.53hx）k（m）。35千伏以下的配电所，一般要设立独立避雷针，独立避雷针应离道路3m以上，其接地电阻应小于10欧姆，避雷针与变电所结构之间的空中距离不宜小于5m。 目前, 雷击仍是电力系统的主要危害。随着输电线路电压等级和输电容量的不断提高, 杆塔的高度和走廊面积也相应增加, 引雷半径不断增大, 输电线路的防雷性能受到了严峻的考验。例如: 瑞典1986年由于雷击而引起的事故占所有事故的51% , 国际大电网会议公布的美国、苏联等12 个国家总长3. 27万km 输电线路连续3 a 的运行资料中指出, 雷害事故占总事故的60% 1- 2 。易被雷
11、电波侵入的变电站、发电厂等系统的重要设备, 若不加保护将被严重损毁 3 。超远距离的输变电随着电压等级的提高使线路的绝缘性能相应加强, 因此由反击引起的线路跳闸次数反而下降, 而由绕击引起的线路跳闸次数占总跳闸次数的比例呈上升趋势。据国内外统计资料表明, 线路事故主要是由绕击引起的 4- 5 。在实际工程中要针对不同电压等级的输电线路和变电站, 应采取不同的防雷措施。1 超/ 特高压交流输电线路的防雷保护 目前, 我国主干输电网络为超高压交流输电网络( 电压等级为110 kV 750 kV) , 这类输电线路地处旷野, 绵延数千里
12、, 沿线走廊地理环境复杂, 很容易遭受雷击。超高压输电线路的防雷措施通常采用交流电气装置的过电压和绝缘配合 (DL/T620- 1997) 的方法, 研究表明不能简单套用, 必须采用多道防雷电措施。1. 1 架设地线 架空地线是送电线路最基本的防雷措施, 也是电力系统防雷的第一道防线, 其作用是防止雷电直击导线。在雷击塔顶时, 分流雷电流减少了经过该杆塔泄入大地的雷电流, 从而降低塔顶的点位, 并且对导线有耦合作用, 可降低作用在本塔绝缘( 绝缘子串和空气间隙) 上的电压。对于非直击的杆塔, 架空地线对导线的屏
13、蔽作用则可降低导线上的感应过电压。可见, 架空地线可以大幅降低线路绝缘承受的雷电过电压。1. 2 减小地线对导线的保护角 根据模拟实验与运行经验, 绕击率P 可按下列近似公式计算: 平原线路: lgP= h/ 86- 3. 9, ! 山区线路: lgP= h/ 86- 3. 35, 收稿日期: 2010- 11- 15作者简介: 牛灵慧( 199
14、1- ) , 女, 河南平顶山人, 海南大学在读硕士研究生, 主要从事电气工程及自动化的学习与研究。 式中: 为避雷线对边导线的保护角( #) ; h 为杆塔高度(m) ; P为线路雷电绕击率。 由式! 、 可知: 与P 成正比, 无论平原线路或山区线路只有减少保护角才能有效的减少绕击率P, 进一步推算可知山区线路的绕击率约为平原线路的3 倍, 或相当于保护角增大8 倍。所以, 在布置线路避雷
15、线时, 应因地制宜。当线路经过山区时, 应设置较小保护角甚至零或者负保护角。1. 3 降低杆塔的接地电阻 对于不同雷电流, 杆塔的耐雷水平为 6 : I 1 =U50%( 1- K ) Rch + (hah1- k ) Lt2. 6+ ( 1 -hghck0) 式是根据集中参数模型推导出的, 可以看出: 接地电阻Rch与I1 成反比, 降低杆塔接地电阻可有效提升线路的耐雷水平。为了提高计算的准确程度和效率,
16、某实验室开发了基于分布参数法的输电线路防雷计算软件。通过这两种方法分别对500 kV 的线路反击耐雷水平进行计算, 计算结果如表1 所示。表1 不同接地电阻下反击耐雷水平Rch/ I1/ kA 规程法 分布参数法5 74. 768 6 413. 931 510 64. 812 3 328. 648 215 57. 196 0 275. 635 920 51. 181 5 239. 492 7 从表1 可以看
17、出, 接地电阻对线路耐雷水平影响显著。因此, 在实际供电工程中, 根据土壤电阻率的大小, 选择以下相应的接地装置可以有效地降低杆塔接地电阻, 以提高线路的耐雷水平。 !土壤电阻率!% 100 &m 7, 供电杆塔采用一般的环形接地装置即可满足接地电阻的要求; 土壤电阻率100 &m 2 000 &m, 主要位于干河床、沙漠及高山大岭等岩石地段。对于干河床沙地, 可利用杆塔下埋置较深的塔基自身的吸水性提高其导电性能, 经验表明: 采用普通的接地装置即可达到降低接地电阻的要求。沙漠及山区部分线路要根据自身的特点,
18、使工频电阻值比规程要求值更低一些, 才能有效降低接地电阻, 增强线路的耐雷水平, 为此可以采取以下降低接地电阻的措施: 放射形接地方式; ( 连续伸长接地体方式; ) 外引接地方式; 换土方式; + 使用接地模块; ,垂直电极和水平射线的复合接地方式。1. 4 采用线路避雷器 对于重要线路, 可考虑使用线路避雷器。 !避雷器的作用原理 线路避雷器与线路绝缘子并联安装。当发生雷击时, 避雷器上的残压低于绝缘子串的50% 放电电压, 即使雷击电流增大,
19、 而避雷器的残压仅稍有增加, 绝缘子仍不致发生闪络。 安装避雷器后, 当输电线路遭受雷击时将发生雷电流的分流变化。雷电流既流经避雷线, 又流向导线, 将产生导线间的电磁感应, 将分别在导线和避雷线上产生耦合, 使导线电位提高, 导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压, 绝缘子不会闪络。然而, 避雷器的容量是有限的。理论上当雷电流大到一定程度时, 线路避雷器极易烧毁, 甚至爆炸, 反而无法起到分流的作用, 并且增加了大量的线路维护工作。事实上, 这种情况发生的概率是极其微小的。根据电气几何模型( EGM) 8, 当雷电流大到一定程度, 避雷线和地面
20、的屏蔽作用均增强, 导线被完全屏蔽。也就是说, 较大的雷电流不会直接注入导线, 而将被避雷线分流或者直接击中地面。所以, 一般来讲, 线路避雷器只会分流较小的雷电流, 烧毁甚至爆炸的概率是极低的。但是线路避雷器的投资较大, 必须进行技术经济比较和分析。 避雷器的安装 在经过规定的电气试验和线路避雷器的安装定点以后, 根据线路的运行经验、现场地形情况和交通条件等进行安装。一般优先安装在: 山区线路易击段、易击点的铁塔、水电站升压站出口线路接地电阻大的铁塔、大跨越高铁塔、多雷区双回路线路易击段等线路。1. 5 &#
21、1048577; 合理设置导线的排列方式 对于双回或者多回交流输电线路, 可以有不同的导线排列方式。通过合理设置导线的排列方式, 达到降低回路的同时跳闸率, 可有效防止线路中断。图1 双回交流输电线路导线排列方式 以双回输电线路为例,工程上, 双回线路导线一般有如图1 所示三种排列方式, 分别为: 正序排列、逆序排列和上下三角形排列。 分别计算三种方式下的反击跳闸率, 如表2 所示。从表2 中可以看出, 对于一回供电、一回备用的双回输电线路, 导线
22、应按逆序或者上下三角方式排列。虽然单回跳闸率略微高一点, 但双回同时跳闸率却狠低。对于三回及以上输电线路, 同样存在最优的导线排列方式, 这里不再详述。表2 不同导线排列方式下的反击跳闸率导线排列方式单回跳闸率双回同时回跳闸率正序0. 172 0. 172逆序0. 185 0. 063上下三角0. 186 0. 0001. 6 采用不平衡高绝缘方式 为了减少双回同时跳闸率, 日本一度采用不平衡绝缘, 想利用弱绝缘回路导线先闪络, 加强另一回路的屏蔽作用, 从而达到降低双回同时跳闸率的目的。但运行结果是总的跳闸
23、率增加太多, 降低双回跳闸率的效果不明显。如果采用增强一回路绝缘强度而另一回路绝缘不变的方式, 则可以使总跳闸率保持不变而双回路同时跳闸率大为减小。1. 7 装设自动重合闸装置 安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有较好的效果。据统计, 我国35 kV 及以下的线路成功率为50% 80% 。实践证明: 为有效发挥线路绝缘的自恢复性能, 加装线路自动重合闸是线路防雷的一种有效措施。2 交流变电站、发电厂的防雷措施2. 1 直击雷保护措施 为
24、了防止变电站和发电厂遭受直接雷击, 主要采用3 种防雷措施。 !安装避雷针 3 避雷针的装设可分为独立避雷针和构架避雷针两种。为了防止反击的发生, 独立避雷针和被保护的物体之间应有足够的空气间隙和地中距离。我国规程针对不同电压的变电站、发电厂的要求不一样: 35 kV 及以下配电装置其构架或房顶上不宜装设构架避雷针, 而应装设独立避雷针; 60 kV 的配电装置在! 500 &m 的地区宜采用独立避雷针; &
25、#1048577; 110 kV 及以上的配电装置, 在土壤电阻率!% 1000 &m 时, 容许装设构架避雷针。 安装避雷线 沿建筑物屋顶的四周用金属形成封闭的环形架空避雷线, 和避雷针保护一样应考虑空气、地下间隙不发生反击的距离。 铺设良好的接地网 接地网络是将多个接地体用接地干线连接成网络, 具有接地可靠, 接地电阻小的特点, 适合大量电气设备接地的需要, 多用于配电所、大型车间等场所。地网最重要的作用是均压, 即地网上的
26、每一个节点的电压相等, 对设备的安全运行和人身的安全起到重要作用。2. 2 雷电侵入波的防护 由于雷电电流有极大峰值陡度, 在它周围易形成瞬间的电磁场, 进而形成较大的电动势, 在此空间范围内产生电磁作用和电磁波辐射, 会对三维空间范围内的一切电路及设备产生作用。因瞬间产生的电压很高即过电压, 可能产生电火花, 导致电起火。另外, 由于架空线路或金属管道对雷电的传导作用,雷电波可能沿着这些管线侵入屋内, 危及人身安全或损坏设备。 变电站和发电厂限制雷电侵入波的一般措施是装设避雷器。一般情况
27、下, 变电站和发电厂中的阀式避雷器与被保护绝缘间不接在同一点上, 阀式避雷器一般会装在母线上, 以保护多台设备, 并且避雷器与变压器或其他被保护设备之间有一定距离的电气引线, 在雷电波的作用下, 使得避雷器动作后, 变压器上的电压比避雷器的残压高。因此, 电气引线通常不能太长。同时为使避雷器可靠动作以保护变压器、发电机和其他被保护设备, 还必须设法限制雷电侵入波的陡度和幅值。一般在进线段( 距变电站1 km 2 km 内的线路) 增设避雷线、避雷针或其他防雷装置。对于重要的枢纽变电站, 进线段可以设三根避雷线, 从而使雷击点尽量距避雷器更远, 通过一段时间, 线路上的冲击电晕使雷电流波形发生衰
28、减和变形, 最终将降低波前陡度和幅值。3 直流输电系统的防雷保护 直流输电系统是我国电力系统的重要组成部分。直流输电系统是通过控制整流侧移相切断故障电流, 直流系统不用线路雷击闪络率作为耐雷指标。同时, 由于雷击能引起输电线路产生绝缘闪络, 会形成较大的短路直流, 有时会烧坏绝缘子, 对直流输电系统危害很大, 特别是对于特高压直流输电线路, 其影响因素更加明显, 所以必须采取有效的防雷措施使直流输电线路的雷击闪络率不能过高。3. 1 高压直流线路的防雷防护措施 !减小
29、避雷线保护角: 与交流电一样可有效地降低发生雷击线路的绕击闪络率。由于高压直流线路只有两极导线, 若避雷线采用负保护角, 不会因两根避雷线的距离拉大而产生中相绕击问题。按照保护角与雷电绕击的关系, 要尽量降低地线对高压直流线路的保护角, 一般要按规程或计算模型确定出不同地形条件下避雷线的保护角。 增加线路绝缘和减小杆塔接地电阻: 可有效地降低发生雷击线路的反击闪络率。但对于同塔双回的高压直流线路, 上下导线的距离往往较小, 双回线路绝缘水平较低, 是雷击闪络的薄弱点。 从我国高压直流线路的运行经验可知, 发生雷
30、击闪络故障的形式以绕击为主, 对此应是防范的重点。3. 2 换流站防雷保护3. 2. 1 换流站直击雷防护 与交流变电站相同, 直击雷防护的通常措施是安装避雷针和避雷线, 为更安全起见, 最好采用避雷针和避雷线混合安装的方法。这种方法在工程实践中已积累了广泛的经验。3. 2. 2 换流站雷击侵入波的防护 与交流变电站相同, 输电线路的雷电侵入波可造成高压直流输电工程换流站设备上的雷电过电压。高压直流换流站对于雷电过电压可分为交流侧、换流区段和直流
31、侧3 个区域, 雷电过电压可能引起绝缘薄弱点的闪络, 引起电气设备绝缘损坏, 甚至烧毁。防护的主要措施为: !对交流侧, 可参照常规交流变电站的防雷设计安装避雷网等; 对换流站, 充分发挥换流站安装的多组交流滤波器和电容器组对雷电过电压的阻尼作用, 可有效防止雷电过电压的危害; 对直流侧, 可安装避雷器和接地极, 来自直流输电线路的雷电侵入波, 主要由直流侧的线避雷器、雷电过电压保护装置、相应位置上的避雷器和接地极进行控制; 接
32、地极线路的雷电侵入波, 主要由线避雷器、冲击吸收电容器来保护控制。4 结论 我国电力系统防雷设计采用架设避雷线、安装避雷针、降低接地电阻、安装避雷器和自动重合闸装置等措施进行多道防护。经上述研究可得出: !在选择设计输变电工程的防雷设施时, 应根据雷电资料、供电系统中的接地方式、线路的绝缘、自动重合闸装置、线路的重要程度等实际情况综合考虑, 并经过技术、经济分析比较后选择最佳的防雷保护措施。 对于降低杆塔接地电阻的计算, 无论是规程法还是分布参数法
33、得出的结论都是输电线路杆塔接地电阻值越小, 线路耐雷水平越高, 而分布参数法计算更能接近实际。 规程中的防雷方法是根据多年大量线路的运行经验总结提出来的, 往往带有综合平均的性质, 不能反映具体线路的实际情况, 因此有必要针对具体情况对一般防雷方法进行适当改进, 以达到最佳的防雷效果。 在采用线路避雷器防雷时, 其容量是有限的, 理论上的推测和实际出入较大, 必须进行进一步的研究。参考文献 1 IEEE Working Group. Estimating lightning performance of tra
34、nsmission lines- a simplified method for estimating lightning performance of transmission lines J . IEEE Trans on Power Delivery, 1985: 919- 932. 2 IEEE Working Group. Estimating lightning performance of transmission lines . - updates to analytical models J . IEEE Trans onPower Delivery. 1
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