雷电对输电线路的危害及保护措施

雷电对输电线路的危害及保护措施摘要：本文详细分析了雷电对电力系统的各种危害性,并按照不同种类的危害罗列出了国内外常规以及最新有效的各项防雷措施。关键词：雷电危害、防雷措施1前言：雷暴天气是自然现象中的一种天气现象，近些年来由雷电引发的灾害频繁发生，并呈迅速上升的趋势，由雷害所造成的严重破坏作用和巨大的经济损失，引起了人们的忧虑和探索。虽然从世界上人类活动区域的范围内进行的有关的统计结果表明雷电现象发生的绝对值并没有多大增加，但雷电引起灾害的频度却日趋增多，而且造成的破坏程度也日趋严重（特别是电力网）；为此，有效和安全的防雷措施，以及怎样减少雷电对电力网络的各种破坏越来越受到有关人员的关注！2雷电对电力线路的危害2.1输电线路雷电对输电线路安全运行危害极大，常常造成绝缘子闪络事故，特别在山区、交通不便的地区，给巡视、查找故障增加不少困难。高海拔地区因特殊的地理位置，雷电时常伴有瞬间大风与急雨，极大的风速常常造成高大树木倒落导线上、输电线振动、横向碰击和倒杆断线的发生。如对这些现象处理不及时的话，就会造成电力事故，严重时会危机人们生命财产的安全。电网中的事故以输电线路的故障占大部分，输电线路的故障又以雷击跳闸占的比重较大，尤其是在上面所述的山区输电线路中，线路故障基本上是由于雷击跳闸引起的，据运行记录，架空输电线路的供电故障一半是雷电引起的，所以防止雷击跳闸可大大降低输电线路的故障，进而降低电网中事故的发生频率。经多年摸索，我国的输电线路防雷基本形成了一系列行之有效的常规防雷方法，如降低接地电阻、架设避雷线、安装自动重合闸等，但是对于一些山区线路，雷害十分频繁，降低接地电阻又极其困难，而且费用高、工作量大，效果也受到一定的限制；为此，防雷的重点就必须放在雷击跳闸事故上。2.2配电线路无论国内或国外，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%。通常雷击对其作用电如下：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）雷电的电热效应——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。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，并积极开展相关试验研究工作，采取许多有效的防治措施。3对雷电危害的防护：3.1常规有效的防雷措施：雷电活动一般都有明显的季节性，因此必须根据当地雷电活动的规律，结合行之有效的防雷害经验，抓紧时机及早动手。下面谈谈几种常用且行之有效的防雷害措施。3.1.1改造线路杆塔接地装置线路因长年运行于慌慌郊野外，受气候和土壤、环境的影响，接地网会不同程度的锈蚀和外力破坏，每隔一定时间，必须对其进行检测，根据检测结果，及时改造，确保地网的完好和合格。具体实施办法如下：1）组织线路人员进行杆塔接地电阻、土壤电阻率测量和检查接地装置的完好性。2）对雷击重点线路进行接地电阻普查测量，根据普测的情况对雷击重点区域，雷击频发性杆塔接地装置进行重点改造；对变电站终端及连续5基杆塔接地电阻不合格者进行重点改造，降低接地电阻。3）对线路接地引下线被盗严重的区域杆塔接地引下线采用扁钢作为引下线进行改造，确保杆塔全年接地可靠。4）针对不同的地形、地质、土壤结构情况采取垂直、环形和水平复合接地体进行改造，以保持各季节接地电阻合格。5）对超高土壤电阻率的杆塔接地网，采用换低土壤电阻率的土进行埋设，或采取延伸接地，将接地网引伸到低土壤电阻率的地方进行集中接地，降低接地电阻。表1：杆塔的工频接地电阻测量周期及要求项目周期要求说明有架空地线线路杆塔的接地电阻发电厂或变电站进出线1～2km内的杆塔2年；其它线路杆塔5年当杆塔高度在40一下时，按下表要求；如果杆塔高度≥40m，则取下表值的50%，但当土壤电阻率大于2000Ω.m，接地电阻难以达到15Ω时可放宽至20Ω对于杆塔高度≤40m，如果接地电阻难以降到30Ω时，可采用6～8根总长不超过500m的放射形接地体或连续伸长接地体，其接地电阻可不受限制，但对高度≥40m的杆塔，接地电阻不宜超过20Ω土壤电阻率Ω.m接地电阻Ω≤10010100～50015500～1000201000～200025≥2000303.1.2设耦合架空地线耦合地线的防雷机理是在雷击杆顶时起分流作用和耦合作用，因此，我们在线路雷害频发区段架设耦合架空地线≥3.1.3设辅助架空地线辅助架空地线是自边导线挂点处至架空地线距离杆塔30米处之间安装一根架空线。可防止杆塔发生绕击。增大导线屏蔽效果，并起耦合作用。对于易发生绕击的杆塔（导线水平排列），我们可以采用此措施。3.1.4安装消雷器消雷器的消雷机理：中和论为发射离子与雷云电子中和，达到消雷目的；抑制论为抑制雷云先导放电的产生，达到消雷目的；屏蔽论为在杆塔顶端产生一个均匀的离子层，对雷电起屏蔽作用，达到消雷目的。3.1.5预放电棒，负角保护放电棒预放电电棒是长度为2.5米的细长针，平行线路方向安装在导线横担的端点，当发生雷电绕击时，雷云预先对装置放电，雷电流通过接地装置入地，取到防雷作用。负角保护放电棒是长度为2.5米的细长针,垂直线路方向安装在导线横担的端点,取到防雷作用。3.1.6换合成绝缘子对重雷区，绝缘子污染严重的杆塔，把瓷绝缘子更换成合成绝缘子，增加绝缘强度，提高线路的耐雷水平。　3.1.7安装线路型氧化锌避雷器氧化锌避雷器的工作原理是：雷击杆塔时，一部分雷电流通过避雷线流到相临杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地，杆塔接地电阻呈暂态电阻特性，一般用冲击接地电阻来表征。对于雷电活动强烈、土壤电阻率高、杆塔接地电阻较大，降低接地电阻非常困难的山区，可以采取安装线路型氧化锌避雷器来防雷，提高线路的耐雷水平，降低雷击故障。3.2新技术的防雷措施3.2.1安装引弧间隙以往防雷工作都是以防、堵为主，而近年来，在防雷方面又出现了一种新思路，就是既然雷害是不可预测，不可避免的，那么不如顺其自然，以疏导为主，只要能找到对保证送电线路运行安全的通道来疏导雷电流，问题就解决了。而安装引弧间隙就是这一思路的产物。安装引弧间隙的目的就是用间隙保护绝缘子串，避免因放电损坏绝缘子而造成永久性故障。根据有关资料介绍，在大跨越杆塔上应用，引弧效果很好。但这一方法带来的负作用就是：跳闸率会增加。因此，在可靠性分析中，雷击跳闸率的标准相应要修改。另外，我们有必要拓宽思路，例如，当同杆架设时，考虑不平衡绝缘的方式，以保证不会多条线路(同一电源)同时跳闸。3.2.2消雷器的防雷(1)消雷机理的探讨雷云起电电流：大气雷云的电流主要有两部分：一是起电电流IC，二是散失电流IF。决定雷云电压的则为净起电电流IN＝IC-IF。起电电流的估计：雷云起电的机制比较复杂，影响的因素也很多。雷云的起电电流密度或称大气体电荷密度平均产生率决定于自身的源动力和雷云的体积而与云电电压无关。对于一个确定的雷云，其起电电流在整个雷暴期间恒定不变。按大气体电荷密度平均产生率为3.3×10-16～3.3×10-14C／cm3S﹑云厚2000m﹑大气电荷尺度介于50—500m之间﹑出现最大概率之间尺度为200m，估计雷云的起电电流在165μA～16.5A之间，出现最大概率的起电电流为260mA。净起电电流的估计：起电过程主要发生在积雨云的起电阶段和成熟阶段。雷暴单位中出现的大气电过程的寿命期平均半小时，参与第一次闪电的电荷量子均为20～30。若雷云无散失电流，则只需1～2分钟时间即可充到这个电荷量。实际上雷云一边充电，一边散失电荷其电压乃决定于净起电电流不是一个常量，由于散失电流与电压的平方成正比，所以净起电电流在起电的开始阶段较大，但随云电压的上升而呈指数衰减。在雷云电压上升的后期，净起电电流将小于上述的平均净起电电流。雷云电压也不会无限上升，即使没有发生闪电或雷击也因净起电电流终会接近于零使雷云电压不再上升。(2)消雷器的工作原理：消雷器是70年代发展起来的新型防雷装置。消雷器是由离子化装置、连接线及接地装置三部分组成（如附图所示），是利用金属针状电极的尖端放电原理设计的。在雷云电场作用下，当尖端场强达到一定值时，周围空气发生游离后，在电场力的作用下离去，而接替它的其它空气分子相继又被游离。如此下去，从金属尖端向周围有离子电流流去。随着电位的升高，离子电流按指数规律增加。当雷电出现在消雷器及被保护设备上空时，消雷器及附近大地均感应出与雷云电荷极性相反的电荷。安有许多针状电极的离子化装置，使大地的大量电荷在雷云电场作用下，由针状电极发射出去，向雷云方向运动，使雷云被中和，雷电场减弱，从而防止了被保护物遭受雷击。由上可知，消雷器的功能是使雷电冲击放电的微秒·千安级瞬变过程转化为秒·安级的缓慢放电过程，因而使被保护物上可能出现的感应过电压降低到无危害的水平，达到“防雷消灾”的目的。(3)消雷器与避雷针的差别人们通常以为，安装了避雷针的建筑物，就不会遭受雷击了，其实并不尽然。目前世界上普遍使用的避雷针，仍然是1749年美国科学家富兰克林发明的。多年来，这种避雷针发挥过不少保护作用。但同时，该避雷针的副作用也很大。首先，雷击时它把雷电流引入大地的过程中，要产生强大的感应电流，对电子设备的破坏性尤为巨大。全世界每年由此造成的直接经济损失在10亿美元以上，伤亡人数达5万多人。其次，避雷针的保护作用是有选择性的。对感应雷如对沿着架空导线侵入变压器的高压电磁波，它是无能为力的。即使是对直击雷的防护，由于避雷针的“尖端引电”作用，而现今建筑多为钢筋水泥结构，避雷针吸引了雷电后，如果接地系统不良（比如接地线断开或接点虚爆等），雷电流不能顺利地向大地泄放，则建筑物钢筋就会带电，甚至高达几万伏，从而发生雷击事故。因此，重要设施（如火药库、油库）及高层建筑的避雷针，每年在雷季到来之前，应进行接地电阻的测量，以保证接地系统良好。再者，避雷针上的反击过电压不可忽视。即使避雷针的接地装置电阻很低（总不可能为零），在雷电波的冲击电压作用下，避雷针上总会产生很高的感应电势。当人或其它设备与之接近时，这个感应电势就会向人或其它设备放电，这就叫“反击”现象。为了防止避雷针上的反击过电压对人体造成伤害及对设备绝缘损坏，故规程规定设备的接地装置与避雷针的接地装置在土壤中间隙应大于3m，人行道与避雷针的空间距离应大于5m，主变压器在接地网上的引入点与避雷针的引入点之间的接地线长度不得小于15m。此外，雷电形态也影响避雷针的保护效能。如球形雷（又称滚雷）常呈飘浮状态，往往不会被避雷针吸引，它常从建筑物高处的孔、洞、窗等隙缝钻入。所以雷雨时高层住宅的门窗最好关闭，电视机等家电免开，以防遭到球形雷伤害。(4)消雷器的实际运用及推广：美国佛罗里达州空军武器系统试验场的365m高的通讯塔位于山峰上，加利福尼亚电视台的46m高的铁塔位于1676m高的高山上，印度麦卡萨海峡东岸石油公司92m高的通讯塔，都使用了消雷器，安装后再未受过雷击。我国昆明太华山气象站海拔469．3m，消雷塔60m高，未装消雷塔前多次遭受雷击。安装消雷塔后未再遭过雷击。贵州贵阳东山是重雷区，在山顶的电视塔上安装消雷器后，也未遭过雷击。根据离子化装置上的金属针状电极的不同，消雷器可分为少长针型和多短针型两大类。我国出产的有导体伞板型和导体阵列型消雷器两大系列。前者主要用于占地一定面积的发电厂、变电站、军火库、气象站、电视塔等高层建筑或重要防雷场所；后者则是