架空配电线路防雷

架空配电线路防雷架空配电线路防雷 1 引言引言 无论国内或国外 在配电线路上 现在都已广泛地应用了 绝缘导线 可以说 配电网的绝缘化 已是一项成熟的技术 但是 绝缘导线在应用过程中 也出现了一些新的问题 其中 最为突出的问题 是遭受雷击时 容易发生断线事故 据有关资料的统计 浙江地区到 2004 年为止 雷击断线事故与 雷击跳闸事故约为 395 次 上海地区使用绝缘导线以来 已造 成近百起雷击闪络事故 国外也有资料介绍雷击断线事故约占 总雷击的 96 8 日本的资料表明 雷击断线事故约占配电网 绝缘事故得 36 8 以上一些统计资料表明 雷击断线事故 是应用绝缘导线 中最突出的一个严重问题 这引起国内外防雷工作者们的广泛 注意 并积极开展对等试验研究工作 并找到许多有效的防治 措施 2 线路防雷的基本常识 线路防雷的基本常识 2 1 雷电的危害性 雷电引起的过电压 叫做大气过电压 这种过电压危害相 当大 大气过电压可分为直接雷过电压和感应雷过电压两种基 本形式 雷电有下列危害 1 雷电的机械效应 击毁杆塔和建筑 伤害人畜 2 雷电的热效应 烧毁导线 烧毁设备 造成火灾 3 电的电热效应 产生过电压 击穿电气绝缘 绝缘 子闪络 开关跳闸 线路停电或引起火灾 人身伤亡等 根据模拟试验和运行经验 平均高度为 h 米的线路将吸引 宽度为 5h 的雷电击中线路 所以线路的等值受雷宽度为 10h 如果落雷密度 y 0 015 次 km 雷电日 线路经过地区年平均 雷电日为 t 则 100 公里长每年的落雷数 n r 10h 1000 100 t y h t 次 百公里 年 若 t 40 雷电日 年 则每百公里线路平均落雷次数 n 0 015 40 h 0 6h 次 百公里 40 雷电日 例如 10kv 线路 平均高度 h 8m 线路长度一般小于 50 公 里 平均每年受雷击数 n 0 6 8 50 100 2 4 次 由此可见 配电线路若不采取防雷措施 是不能保证安全 的 2 2 线路防雷中常用的几个概念 1 绕击 反击和感应雷 线路受雷击后 绝缘子串二端电压升高 会引起绝缘子串 闪络 根据雷击点位置不同 引起雷击闪络的原因 基本上有 下列三种 雷击线路附近的地面 在绝缘子二端产生电磁感应电 压 通常称为感应雷过电压 雷击塔顶或塔头附近避雷线 雷电流通过杆塔入地 杆塔电位升高 绝缘子串发生闪络 当雷击避雷线挡距中央时 地线电位升高 也可能引起导线 地线间的空气间隙 s 闪络 这两种现在统称为反击 它们都是原来接地的物体 杆塔 避 雷器 受雷击后电位升高 反过来对原来是高电位的导线放 电 雷绕过避雷线 击中相导线 这种由导线电位升高所 引起的绝缘子串闪络称为绕击 在高压线路中 绕击与反击之和就是线路总的雷击闪络次 数 绕击和反击时 雷电直接流过杆塔或导线 因此 这时产生的过电压又称 为直击雷过电 2 绝缘子串的冲击闪络特性 在雷的冲击作用下 绝缘子串可能产生冲击闪络 绝缘子串的予放电时间不同 其闪络路径也不同 tp 3 s 按最短空气隔离闪络 tp 1 s 放电沿绝缘子上瓷瓶 tp 1 s 冲击放电紧贴瓷裙 沿每一瓷裙的上下表面串级闪络 冲击闪络后 随后建立的工频短路电弧将沿冲击电弧路径 发展 会在瓷裙上留下痕迹 3 耐雷水平 在雷冲击的作用下 绝缘子串是否闪络与雷电流的大小及 防雷措施的好坏有关 因此可以引入一个叫 耐雷水平的 参景 来表示 我们把能引起绝缘闪络的最小临界雷电流称为耐雷水 平 耐雷水平是判断输电线路耐雷性能的一个重要数据 也称 保护水平 耐雷水平愈高 意味着线路防雷措施愈完善 绝缘 子串冲击闪络的概率愈小 输电线路的电压等级愈高 其重要 性愈大 因而要求有较高的耐雷水平 4 雷击跳闸率 建弧率 前面介绍了雷冲击时绝缘子串发生冲击闪络的过程 雷冲 击电压过去后 弧道仍有一定程度的游离 在工频电压的作用 下 将有短路电流流过闪络通道 形成工频电弧 雷电压持续时间很短 100 s 左右 绝缘子冲击闪络时 间相应很短 继电保护来不及动作 所以仅有冲击闪络并不会 引起开关跳闸只有当冲击闪络火花转变为稳定工频电弧 才会 引起线路开关跳闸 因此一条线路的雷击跳闸数 不仅与耐雷 水平有关 而且与冲击闪络之后弧道建立工频电弧的可能性 也就是建弧率有关 建弧率可用 表示 建立稳定工频电弧的次数 总的冲击闪络次数 建弧率的大小 主要与工频电压作用下弧道平均场强的大 小有关 也和冲击闪络是发生在工频电压的哪一部分以及弧道 的去游离情况有关 如果恰好在 u 0 发生雷击 随后就不会产 生工频电弧 根据实验及运行经验 主要与 e 有关 可按下 式计算 4 5e0 75 14 10 2 式中 e 绝缘子串的平均运行电压梯度 千伏 有效值 米 雷击跳闸率 一条线路的雷击跳闸次数与线路长度 雷电日的多少 以 及防雷措施的好坏有关 为了分析比较二条线路防雷措施的好 坏 引入雷击跳闸率 n 的概念 每百公里线路 40 雷电日 由 于雷击引起的开断数 重合成功也算一次 称为该线路的雷 击跳闸率 简称跳闸率 跳闸率是衡量线路防雷性能好坏的综 合指标 它可定性地用下式表示 n n p1 式中 n 线路上的总落雷数 p1 是雷电流幅值等于或大于耐雷水平的概念 建弧率 np1 表示会引起闪络的雷击数 所以 np1 表示会引出 开关跳闸的雷击次数 即跳闸率 2 3 线路防雷的基本任务及措施 线路防雷的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施 将雷击事故减少到可以接受的程度 以保证供电的可靠性与经 济性 为此 一般设有四道防线 1 不绕击 用避雷线或改用电缆等措施 尽量使雷 不绕击到导线上 2 绝缘子不闪络 用改善接地或加强绝缘等措施 使避雷线或杆塔受雷击后 绝缘子不闪络 3 不建立稳定工频电弧 即使绝缘子串闪络 也要 它尽量不转变为稳定的工频电弧 开关不跳闸 为此应减少绝 缘子的工频电场强度或者电网中性点采用不接地或经消弧圈地 的方式 这样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动 消除 不致引起相间短路和跳闸 4 不中断电力供应 这是最后一道防线 即使开关跳 闸也不中断电力供应 为此 可采用自动重合闸或双回路 环 网供电等措施 因此 在送电线路防雷中 允许有一小部分雷击引起线路 绝缘子闪络 然后用减少建弧率以及自动重合闸的办法 把雷 害引起的停电事故数减少到可以接受的程度 3 国内外对绝缘导线防止雷击断线和雷击跳闸的研究成果国内外对绝缘导线防止雷击断线和雷击跳闸的研究成果 3 1 绝缘导线雷击断线的机理分析 以前采用裸导线时 当受到雷击后 包括直接雷和感应雷 会引起线路闪络 此时 工频续流引起的电弧由于受到电磁 力的作用 使电弧向导线落雷点的两侧迅速流动 雷电流经过 开关 变压器等设备处的避雷器迅速流入大地 或在工频电流 烧断导线之前 引起跳闸 因而很少发生断线事故 但是 当绝缘导线遭受雷击时 情况就完全不同 雷电过 电压引起绝缘子闪络 并击穿导线的绝缘层 而击穿点附近的 绝缘物 阻碍了电弧沿着导线表面向两侧移动 因而 电弧只 能在击穿点燃烧 高达数千安培的工频电弧电流集中在绝缘击 穿点上 并在断路器跳闸之前很快就把导线熔断 3 2 国内外防止绝缘导线雷击断线和雷击跳闸的防治措施 国内外对防止绝缘导线雷击断线进行了许多实验研究工作 介绍防止措施的资料是很多的 归纳起来 可以总结出以下一 些主要措施 1 架设架空避雷线 利用架空避雷线的屏蔽作用来保护输电线路 是一种传统 的有效方法 该方法的效果较好 而且可以免除维护 但缺点 是 a 投资成本较高 b 防止绕击的效果较差 易使线遭受 反击 2 安装氧化锌避雷器 采用氧化锌避雷器 可以有效地截断工频续流 限制雷过 电压和配电线路的感应过电压 其缺点是 a 保护范围小 b 全线装设的投资成本较大 但人行道 大门口等地域根据有 关规定不允许全线装设 c 必须剥开绝缘层 导致线芯浸水 有可能使导线内部的线芯受腐蚀 d 避雷器阀片长期承受工频 电压 容易老化 3 安装线路过电压保护器 这种线路过电压保护器 相当于带有外间隙的氧化锌避雷 器 安装时 绝缘层不需剥开 在运行中 平时是不承受运行 淡雅的 因而使用寿命较长 也可免维护 其缺点是 它仅能 防护雷电过电压 4 使用钳位绝缘子 这是一种日本的方法 在绝缘导线固定处剥开绝缘层 架 装引弧放电间隙与特别设计的金属线夹 当雷击闪络时 引发 的工频续流在该金属线夹与绝缘子下金属脚间燃弧 直至被线 路开关跳闸切断 从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线 该方 法的效果较好 成本也不太高 其缺点是 当雷击闪络时 工 频电弧要把电瓷伞裙烧蚀损坏 需及时更换绝缘子 安装时要 剥开绝缘层 易使线芯进水 容易受腐蚀 要定制钳位金属线 夹配套安装在各厂各规格的支柱绝缘子上 采购及施工较麻烦 5 使用穿刺式防弧金具 其原理为 将该金具安装在线路绝缘子附近负荷一侧 背 离电源侧 的绝缘导线上 当雷电过电压超过一定数值时 在 防弧金具的穿刺电极和接地电极之间引起闪絡 形成短路通道 接续的工频电弧便在防弧金具上燃烧 以保护导线免于烧伤 在单向供电的老线路上采用此产品效果较好 安装方便 造价 相对低一些 而环网供电的线路则需二侧安装造成工程及费用 增加和线路不简洁 鸟类较多地区易受侵袭接地 6 采用长闪络避雷器 lfa 研究表明 对于中性点非直接接地的配电系统 当线路的 工作电压与闪络路径长度的比值 即电场强度 e e uph l 减 小时 由雷电闪络发展为工频续流的可能性将大为减小 利用 上述的思想 俄罗斯学者提出了采用长闪络避雷器 解决配电 线路绝缘导线的雷击断线问题 7 加局部绝缘层的厚度 从许多绝缘导线遭雷击后断线的事故调研 发现了一个十 分明显的规律 断线的部位 几乎全部都处于离开绝缘子 100 300 mm 范围之内 如果在这局部范围内增加绝缘厚度 也可以防止击穿 但是 这个方法在实际工作中 不易实现 因而 该方法不为人们所采用 4 绝缘配网综合防雷措施研究 绝缘配网综合防雷措施研究 通过分析对比 我们开发了一些防雷新产品 这些产品运 用于绝缘配网的综合防雷 已取得了良好效果 现分别介绍如 下 4 1feg 12 5 型防雷支柱绝缘子 穿刺式 非穿刺式 上述介绍的各项措施都能在一定程度上防止雷击跳闸和减 少雷击断线事故 但不能从根本上避免雷击断线事故 feg 型防雷支柱绝缘子是新型组合式结构的二合一防雷支 柱绝缘子 其绝缘子有很好的绝缘性能和防污秽水平 可适用 于 10kv 架空电力线路中绝缘和支持导线用 而且还具有防止 10kv 架空绝缘导线