可控放电避雷针在漳州地区220kV线路上的应用

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　　 摘要：
　　 本文着重对如何提高这些输电线路的防雷水平,降低线路跳闸率,确保线路的安全、稳定运行,可控避雷针安装地点的选择等进行了详细阐述。
　　
　　关键词：雷击 可控放电避雷针 杆塔 线路
　　 福建省漳州电业局地处东南沿海，雷电活动较剧烈，年平均雷暴日都在40天以上，西部山区更高达60－70天，属于典型的多雷区。据运行记录统计，由雷电引起的雷害故障占我局送电线路供电故障总数的60％。因此，防雷工作一直是我局送电线路运行维护的一项重要工作。
　　 我局所属35kV及以上送电线路90回共2000.148公里，其中35kV线路8回79.676公里，110kV线路53回913.17公里，220kV线路29回1007.302公里。由于漳州市地域较广,经济发展不平衡,原先农电体制尚未改革，各县电网建设投入不足，造成早期投产的110kV和220kV线路主要集中在漳州市的西南部地区。这些线路途径区域地形复杂、土壤电阻率高、雷电活动频繁，加之早先线路杆塔防雷设计较为薄弱，绝缘水平较低，由雷击引起的跳闸故障一直居高不下。因此，如何提高这些输电线路的防雷水平,降低线路跳闸率,确保线路的安全、稳定运行,关系到漳州市城乡居民正常的生产、生活用电和省主干电网的稳定运行。
　　 为了有效降低输电线路的雷击跳闸率，可以采取多种措施，比如减小避雷线的保护角，提高输电线路绝缘水平，降低杆塔接地电阻等。但是，由于早先投运的输电线路避雷线保护角已确定，提高绝缘水平也受到杆塔结构的限制，降低杆塔接地装置的接地电阻在山区高土壤电阻率地带存在较大困难，因此需要采取更为有效的措施。经过对国内外各种防雷产品进行调研比较，我们认为武汉高压研究所的新型防雷产品“可控放电避雷针”具有良好的保护特性，因此决定选择一条雷击跳闸率较高的输电线路作为试点，在改造线路杆塔接地装置的基础上，另外加装可控放电避雷针，以验证可控放电避雷针在输电线路上的应用效果，并积累实际运行经验,为全面提高所辖送电线路的防雷水平作技术准备。
　　 可控放电避雷针(以下简称可控避雷针)是武汉高压研究所经长期防雷研究和大量的高压试验而取得的最新研究成果。该针以变化缓慢的小电流上行雷闪放电形式释放雷云电荷，避免产生强烈的下行雷闪放电危害，具有保护可靠性能高、范围大，且不受保护物高度影响等特点，是一种有广泛应用前景的直击雷防护装置。其防雷的基本原理：
　　 雷云对地面物体放电主要有两种方式：上行雷闪和下行雷闪。一般来说，下行雷闪时，先导自上而下发展，主放电过程发生在地面（或地面物体）附近，所以电荷供应充分，放电过程来得迅速，造成雷电流幅值大（平均值为30―44kA），陡度高（24―40kA/μs）；上行雷闪，一般没有自上而下的主放电，它的放电电流由不断向上发展的先导过程产生，即使有主放电因雷云向主放电通道供应电荷困难，所以放电电流幅值小（平均小于7kA），且陡度低（小于5kA/μs）。
　　 上行雷闪不仅雷击电流幅值小陡度低而且不绕击，另外对地面物体还具有屏蔽作用，可减轻放电时在地面物体上的感应过电压。可控避雷针正是利用了上行雷闪的这些特点，通过巧妙的结构设计，使其能可靠地引发上行雷闪放电，从而达到中和雷云电荷，保护各类被保护对象的目的。
　　 可控放电避雷针由针头、接地引下线、接地装置构成一套保护系统。它的针头不再是单针，而是由主针、动态环、贮能装置组成。
　　
　　 图1 可控放电避雷针结构示意图
　　
　　 当可控放电避雷针安装处附近的地面电场强度较低时（如雷云离可控放电避雷针及被保护对象距离较远等情况），雷云不会对地面物体发生放电，此时可控放电避雷针针头的贮能装置处于贮存雷云电场能量工况，由于动态环的作用，针头上部部件（动态环和主针针尖）处于电位浮动状态，与周围大气电位差小，因此几乎不发生电晕放电，即保证了在引发发生前针头附近的空间电荷很少的要求。
　　
　　 当雷云电场上升到预示它可能发生对可控针及周围被保护物发生雷闪时，贮能装置立即转入释能工况，这一转变使主针针尖的电场强度不再被动态环限制，针尖电场瞬间上升数百倍，使针尖附近空气迅速放电，形成很强的放电脉冲，因没有空间电荷的阻碍，该放电脉冲在雷云电场作用下快速向上发展成上行先导，去拦截雷云底部先导或进入雷云电荷中心。如果第一次脉冲引发不成上行先导，贮能装置即又进入贮能状态，同时使第一次脉冲形成的空间电荷得以消散，准备第二次脉冲产生。如此循环总能成功地引发上行雷。
　　 可控放电避雷针引发的是上行雷，其主放电电流幅值较小，根据输电线路耐雷水平的设计要求（见表1），35kV-500kV的输电线路是完全可以耐受此雷击放电电流而不会因反击而跳闸，同时，塔顶安装避雷针符合传统防雷理论，由于线路弧垂使中间段保护角小于杆塔段，绕击多发生在近杆塔段，在杆塔塔顶安装避雷针后，杆塔附近的雷将会落在避雷针上，通过杆塔入地，减少了线路遭绕击的概率。安装避雷针后杆塔落雷几率将增大，增加反击的机会，但绕击大多是十几或二、三十千安的小幅值的雷电流，因此只要线路接地电阻正常，一般不会因反击而造成线路跳闸。
　　表1各级电压线路应有的耐雷水平
　　额定电压，单位kV 35 110 220 330 500
　　线路耐雷水平Io，单位kV 20-30 40-75 75-110 100-150 125-175
　　
　　 220kV棉凤ⅠⅡ路是福建省第二大水电站-“棉花滩水电站”与福建电网连接的主干线，该线路于2002年2月投运，2006年6月开断进出220kV紫荆变。开断后线路变为两条，分别为棉紫ⅠⅡ路和凤紫ⅠⅡ路。线路途径漳州与龙岩交界的山区，地势山高陡峭、地形复杂、土壤电阻率高、雷电活动频繁，线路雷击跳闸率一直较高，严重影响了省主干电网的稳定运行。
　　 为降低线路雷击跳闸率，2006年5月在雷雨季节来临之前，我局在220kV棉紫ⅠⅡ路、凤紫ⅠⅡ路共安装了116台CFG-X2型可控放电避雷针。其中220kV棉紫ⅠⅡ路在漳州境内共84座杆塔，除靠近紫荆变新开断线路四座铁塔未安装外，其余铁塔已全部安装，共安装了80座铁塔；220kV凤紫ⅠⅡ路全线共计63座杆塔，只安装36座，未全线安装。同时在地势高、易遭雷击的部分杆塔安装了雷电计数器记录避雷针动作次数，以便考核避雷针的实际运行效果。
　　 经过近两年的运行，我们掌握了一些可控放电避雷针的实际运行数据。2006年至2007年可控放电避雷针动作次数及线路雷击跳闸统计分别见下表2和表3。
　　
　　表2棉紫ⅠⅡ路和凤紫ⅠⅡ路可控避雷针动作次数
　　
　　 注:统计跳闸数据均为因雷击而起,其它原因的未列出。
　　 通过数据对比及对雷击跳闸故障原因的分析，可以看出安装可控避雷针后,线路的雷击跳闸次数有了一定的下降，原来多雷击的杆塔避雷针动作频繁,而杆塔瓷瓶没有闪络跳闸，其余发生雷击跳闸瓷瓶闪络故障的均为未装可控避雷针的多雷击杆塔，这证明了可控避雷针对于降低输电线路雷击跳闸率，提高线路耐雷水平是具有一定效果的。但是， 2006年11月19日在龙岩境内的棉紫Ⅱ路39＃塔安装了可控避雷针却仍遭雷击闪络。据福建省电力试验研究院进行分析：
　　 #39塔为双回路直线塔，塔高43米，呼称高27米，铁塔处于山脊上，左低右高，土质为沙质土，土壤电阻率高，周期测量的接地电阻值7.6欧姆，满足设计要求（实测值等雨停后测量）。线路绝缘均为14片玻璃绝缘子，相位排列自上而下为B、C、A。棉紫Ⅰ、Ⅱ线39号杆塔主要参数见下表。

　　杆塔型号、类别、材料、形式 220GuZ11、直线杆塔、铁塔、鼓型
　　塔处地形 山地
　　小号档距 261.00米
　　大号档距 210.00米
　　水平档距 235.50米
　　垂直档距 428.00米
　　生产厂家 福州市铭林钢塔钢构制造厂
　　 现场检查塔身、接地引下线、架空避雷线良好，未见锈蚀，接地装置连接良好；导线、抛线的安全间隙满足规范要求。带电登杆检查发现棉紫Ⅰ、Ⅱ线#39塔两回线路的上（B相）、下（A相）直线串玻璃绝缘子闪络。
　　 根据此次雷击跳闸的特征，按雷击杆塔时的耐雷水平进行估算。根据规程DL/T 620―1997，耐雷水平计算公式为
　　
　　 带入杆塔的各种参数，可以估算出#39塔、#38塔的耐雷水平为：
　　#39塔 上导线 124.05kA，中导线 96.71 kA， 下导线85.58kA。
　　#38塔 上导线136.7kA， 中导线 100.2 kA，下导线90.5kA。
　　 从耐雷水平的计算公式知，公式中的变量很多，而且每个变量的取值范围非常广，即使塔型相同，接地电阻不同或档距长度不同，耐雷水平计算结果也不同；再如雷电流波头时间τ的取值规程推荐为2.6μS，而实际雷电流可能0.5 ~5μS均有可能。因此耐雷水平的计算数值也存在一定的误差。因此，可以得出以下结论：
　　 （1）棉紫Ⅰ、Ⅱ线#38、#39耐雷水平计算值远远小于雷电定位系统查询的雷电流幅值（232kA），若按雷击塔顶的常规分析方法，#38或#39塔的左右三相导线都应发生反击闪络。而实际却只有B、A（上、下）两相闪络，说明雷击点不在塔头附近，可能在档距中央。
　　 （2）如果雷击到避雷线档距中央靠近39号塔侧，那么雷电流向避雷线两侧分流，其值将降低一倍（116kA），并分别传播到38、39号塔，分流后的雷电流处于杆塔耐雷水平的边缘，雷电波与运行电压的极性叠加后，就可能发生B、A（上、下）两相闪络，而C相不闪络的现象，这与实际闪络相符。
　　 （3）通过故障录波的分析显示，在跳闸时刻：A、B相电压处于正的半峰值附近，而C相电压处于负峰值附近。由于雷电流呈负极性，则A、B相的绝缘子承受更高的电压（其值为反击过电压加上90kV），C相绝缘子承受较低电压（其值为反击过电压减去180kV），两者的电压差达到180+90=270kV，因此A、B相绝缘子容易发生闪络，而C相绝缘子则耐受住了，没有发生闪络。
　　 这说明可控放电避雷针在实际运用仍具有一定的局限性。根据运行经验，对下阶段在漳州地区其它送电线路上作推广提出几点意见：
　　 1、可控避雷针安装地点的选择
　　 应尽量选择多雷区且易遭雷击的输电线路杆塔。由于可控避雷针投资较大，在输电线路全线安装避雷针是不经济的，因此可控避雷针安装地点的选择是非常重要的，必须进行技术经济比较和分析。可控避雷针安装地点的确定应根据线路的具体运行情况，如历年跳闸率、易击段、易击杆塔，充分利用雷电定位系统对有关雷电和线路落雷参数进行分析，结合线路杆塔的各种参数，包括地形、线路运行最高电压以及绝缘配合等因素来综合考虑。
　　 2、可控避雷针的保护范围较小，当两塔间档距较大时或易击点位于档中时, 可控避雷针将难于保护到。因此,当线路档距较大时,建议改为安装线路避雷器。
　　 3、为减少雷击避雷针保护范围之外的避雷线时造成反击跳闸的几率，应尽量降低杆塔的接地电阻值。建议安装可控避雷针的220kV线路杆塔接地电阻降到20欧姆以下（在高阻区可适当降低要求）；110kV线路杆塔接地电阻降到15欧姆以下（在高阻区可适当降低要求）。
　　 4、今后还应与各运行单位密切配合，进一步加强对运行中的可控避雷针动作次数、雷电流幅值的记录整理，做好运行数据的收集分析工作，对可控避雷针进行规范和完善，提高可靠性。
　　 5、在确定线路防雷方式时，应综合考虑系统的运行方式、线路的电压等级和重要程度、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率的高低等自然条件，参考当地原有线路的运行经验，根据技术经济比较的结果，采取合理的措施。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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