消雷器在輸電線路上的消雷效果分析

1、消雷器在輸電線路上的消雷效果分析山西省忻州地區(qū)電業(yè)局郝昌林張士利龐志宏【摘要】消雷器究竟是引雷還是消雷, 是近年來一直爭(zhēng)論的問題, 對(duì)于消雷器能否在輸電線 路上起到好的消雷作用, 人們的注意力集中在兩點(diǎn):一是消雷器能否消雷或減少雷擊塔頂; 二是裝在孤 立的桿塔頂上能否有效地保護(hù)相鄰段落導(dǎo)線免遭雷 擊。將針尖燒紅一樣, 同時(shí)有較強(qiáng)的嘶嘶聲, 冒火點(diǎn)往往是集中在鄰近的幾組針端上。 還異 常地發(fā)現(xiàn), 微波站雖處在雷區(qū)中, 卻很少能 聽到上方傳來的劇烈雷聲。 通過對(duì)針端的檢查, 針端放電明顯, 針尖確有燒短的痕跡。分析其放電機(jī)理為: 由于該山頭處于東西兩山 的夾縫中, 又是較高的突出物, 較低的含雨

2、云系南北穿越通過時(shí), 受到阻擋往往要擦山 而 過, 當(dāng)帶負(fù)電荷的雷云單體以漂移風(fēng)速(10 30m s) 經(jīng)過山頂時(shí), 使雷云單體的先 導(dǎo)隨場(chǎng)強(qiáng)的增加向前深入, 當(dāng)先導(dǎo)距消雷器針端一定距離時(shí) (假設(shè)為 s m ) 則使間隙 s 上 的平均場(chǎng)強(qiáng)上升, 達(dá)到或超過 117kv cm ; 但電場(chǎng)強(qiáng)度尚未達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí), 消雷器尖端放電就會(huì)明顯增加。 由于間隙 s 上強(qiáng)電場(chǎng)的 作用, 使大量的空間電荷徑直進(jìn)入先導(dǎo)的端 部和先導(dǎo)通道 (s 值約為 40 200m )。于是, 就出現(xiàn)了一種強(qiáng)烈的中和消雷現(xiàn)象, 在消雷 器的整個(gè)端部出現(xiàn)了放電冒火, 火焰的長(zhǎng)度 有時(shí)達(dá)數(shù)米。 冒火持續(xù)的時(shí)間可達(dá)幾秒到十幾秒,

3、火焰的顏色或藍(lán)、 或紅、 或白, 取決 于放電時(shí)的電流強(qiáng)度, 說明其確實(shí)起到了消 雷作用。廣播電視部門 1984 年的一次經(jīng)驗(yàn)交流 會(huì)上專門提到了石嶺關(guān)微波站的消雷針防雷 的成功經(jīng)驗(yàn), 并邀請(qǐng)我局研制人員到會(huì)作機(jī) 理講解和經(jīng)驗(yàn)介紹, 同時(shí)又委托了我局制訂 寧武、 岢嵐兩微波站的消雷器防雷方案, 并 在當(dāng)年實(shí)施。1989 年, 石嶺關(guān)微波站更換較 高的設(shè)備時(shí), 又委托我局設(shè)計(jì)了一臺(tái)多針幅 射球形導(dǎo)體消雷器, 經(jīng)過幾年運(yùn)行, 確實(shí)起 到了消雷作用。消雷器自 1985 年開始應(yīng)用于我局輸電37消雷器消雷分析我們認(rèn)為: 各種消雷器和 200 多年來沿用的避雷針兩者沒有本質(zhì)上的區(qū)別, 它們?cè)?實(shí)際作用上

4、, 既有消雷作用, 又有引雷的作 用。 首先是消雷, 消不了雷就接受雷擊從而 引雷。 但是它們?cè)谙缀鸵追矫娴谋绢I(lǐng)又 不一樣, 消雷器的消雷本領(lǐng)比避雷針大。 下面試從我們對(duì)幾種消雷器的使用嘗試中分析 這個(gè)問題。我區(qū)最早使用消雷器是 1982 年受廣播 電視部門的委托, 對(duì)忻州太原的分界點(diǎn)石嶺關(guān)微波站采取防雷措施方案中開始的。 石嶺 關(guān)微波站建站初始, 工程技術(shù)人員調(diào)查到該山頂雷電活動(dòng)頻繁, 曾有人目睹過雷電打死耕牛, 因此防雷成為建站中需解決的首要問 題。 石嶺關(guān)東西兩側(cè)分別是屬五臺(tái)山山脈的系舟山和屬恒山山脈的云中山, 北部是海拔850m 左右的忻定盆地, 南部是海拔約 990m1的太原盆地

5、,這座海拔 1154m 的孤立山包就處在這個(gè)夾縫中。 我局工程技術(shù)人員針對(duì)該山頭的地形特點(diǎn), 決定采用了陣列墻式消雷 器封堵微波站的南北兩側(cè)。兩側(cè)均采用 25 根 針, 針長(zhǎng) 2m 、間距 115m 的直立加斜側(cè)式導(dǎo) 體消雷陣列, 并多層布置放射接地網(wǎng)降低接 地電阻, 接地電阻為 18 左右。安裝后, 值班 人員曾多次觀察到陰雨天消雷器端部常常有 放電火光, 有時(shí)從針尖噴射的火焰能持續(xù)幾 十秒鐘, 火焰的顏色不同, 長(zhǎng)短不一, 好象1997 年第 4 期云南電力技術(shù)第 25 卷線路。 我局維護(hù)的輸電線路從地理位置上講是點(diǎn)多面廣, 地形復(fù)雜; 從設(shè)備結(jié)構(gòu)上講是 桿塔種類較多, 且許多塔型在抗雷害

6、上存在 許多先天不足, 因此輸電線路雷擊掉閘是多 年 來影響線路安全運(yùn)行的首要 障 礙。 1985消雷器既有消雷作用, 又有引雷作用。消雷是通過其均勻電場(chǎng)來把雷云對(duì)地面的場(chǎng)強(qiáng) 降低到雷擊時(shí)所需要的最小電場(chǎng)強(qiáng)度以下;但若遇來勢(shì)較猛的急速雷, 來不及中和消散時(shí), 則可能因桿塔遭受雷擊, 而對(duì)線路形成 反擊。 為此我們?cè)O(shè)想降低桿塔頂部電位, 也就是將消雷器和桿塔頂部隔離開來, 再用一個(gè)過渡元件起橋梁作用, 將它們有機(jī)結(jié)合。我 們選擇了有非線性性能的氧化鋅避雷器來完 成過渡過程。 首先, 在雷云單體電荷的積累 過程中, 使安裝于氧化鋅避雷器端部的消雷 器上感應(yīng)出的兩種異性電荷與大地形成的壓差, 增大至

7、上萬伏時(shí), 避雷器導(dǎo)通。 導(dǎo)通的通道可以緩緩地, 不斷地地向消雷器消散電年, 我局在 110kv原桿線上安裝了簡(jiǎn)易導(dǎo)體消雷器。 因?yàn)樵诰€路桿塔上安裝還有一定顧慮, 因此采用在線路附近的山頂、 山坡上安 裝的方式, 旨在消雷、引雷。經(jīng)過運(yùn)行觀察, 其端頭確實(shí)有放電痕跡。 雖然這種方式不會(huì)對(duì)線路造成危害, 但因地形關(guān)系, 其對(duì)線路 消雷的作用受到了限制。為滿足五臺(tái)山旅游區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)的需要,1989 年建設(shè)了穿越五臺(tái)山山脈的豆村 五 臺(tái)山 35kv 線路, 投運(yùn)后出現(xiàn)的第一個(gè)問題 就是頻繁地雷擊掉閘, 運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng), 就有 二十多基桿塔絕緣子相繼被雷擊閃絡(luò), 變電 站進(jìn)線電纜擊穿, 35kv 進(jìn)線避雷

8、器也被擊 穿損壞, 致使變電站值班員在陰雨天不敢操 作線路刀閘。 嚴(yán)重地影響了輸變電設(shè)備的正 常運(yùn)行。 為了解決這個(gè)問題, 我局選擇了雷擊嚴(yán)重的 10 基桿塔做試點(diǎn)。在線路電桿頂部 采用角鋼做支架, 針頭為散開的鋼絞線, 制 作的簡(jiǎn)易導(dǎo)體消雷器采用了放射接地網(wǎng), 收 到了一定的效果。 1991 年又加裝了 10 基同 類型消雷器, 迄今運(yùn)行情況良好。 其成功因 素有兩條: 1) 盡管安裝的消雷器幅射傘直徑 不 大, 但 因 35kv 線 路 擋 距 較 小, 一 般 在150m 左右, 相鄰桿塔連續(xù)安裝后, 就會(huì)使每荷“v ”形空間提供消散電荷,以完成整個(gè)消雷過程, 從而減少雷云對(duì)桿塔的雷擊發(fā)

9、生。如果雷云電荷增長(zhǎng)過快, 或強(qiáng)風(fēng)把雷云 吹向消雷器。 消雷器還來不及形成和發(fā)揮其作用, 而遭受雷云的襲擊時(shí), 氧化鋅元件因其固有的電阻, 還能與桿塔分擔(dān)一部分雷電 流電壓降, 其值為:r bu b =u b: u v: r b:u or 沖擊 + l g 216+ r b避雷器的雷電電壓降雷電電壓降 避雷器導(dǎo)通時(shí)的電阻r 沖擊: 桿塔沖擊接地電阻l g: 桿塔感抗u b 值僅作用于 zno 避雷器本身, 不作 用于桿塔。由于 zno 避雷器的降壓作用, 使相同雷 電流水平下的桿塔電壓降 u g 為下值:基桿塔頂部的“v ”型幅射空間相互補(bǔ)充,形成一個(gè)較大的幅射網(wǎng)絡(luò)均勻雷云感應(yīng)電場(chǎng),從而將雷云

10、對(duì)地面的場(chǎng)強(qiáng)降至雷擊時(shí)所需要 的最小電場(chǎng)強(qiáng)度以下; 二是安裝消雷器的同 時(shí), 降低了接地電阻, 有效地提高了線路耐r 沖擊 + l g216u g= r 沖擊 + l g216+ r b uo相當(dāng)于提高了桿塔耐雷水平。雷水平,使該段線路耐雷水平提高到 30ka以 110kv原菇線 150 號(hào)桿塔為例, 原設(shè)左右。改造后的雷擊掉閘率由原來的 8133 次年100km 降低為 313 次年100km 。計(jì)接地電阻 158 , 耐雷水平 3613ka ,安裝消雷器 (同時(shí)將接地電阻降為 6128 后, 耐雷水平可提高到 4815ka , 再計(jì)及接地電阻改造,可提高到 7115ka (r b = 78

11、 , l g = 15h ) , 能在 110kv線路安裝消雷器時(shí), 我們又對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn), 以提高消雷能力。38 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 1997 年第 4 期云南電力技術(shù)第 25 卷夠有效彌補(bǔ)普通導(dǎo)體消雷器的不足。1991 年年以來 90 次雷擊掉閘統(tǒng)計(jì), 分析其故障點(diǎn)部件損傷情況, 雷擊點(diǎn)均不超出線夾以外 20m ,與資料介紹相吻合。根據(jù)雷電機(jī)理和雷電觀察分析, 桿塔 本身作為地表的突出物, 在雷云先導(dǎo)趨近地

12、表一定高度時(shí), 雷云場(chǎng)強(qiáng)將使桿塔優(yōu)先出現(xiàn) 迎面先導(dǎo), 且與桿塔所在位置、 有效高度和 細(xì)長(zhǎng)比有關(guān)。 因此, 防止線路檔距中央遭雷 反擊和繞擊不是解決線路防雷的主要問題。3) 桿塔消雷器對(duì)桿塔附近導(dǎo)線的保護(hù)分析滯留于消雷器各尖端附近空間的荷電 粒子, 沿電場(chǎng)方向向雷云單體的下底面作漂 移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng), 隨著中部場(chǎng)強(qiáng)的減弱, 擴(kuò)散面 的增大, 在消雷器的上方就形成一個(gè)形如降110ka原菇線雷擊區(qū)部分桿塔加裝消雷器后, 雷擊掉閘率由原未 4162 次年100km降為 1153 次年100km 。桿塔消雷器對(duì)鄰近線路段保護(hù)性能2分析雷擊線路造成的危害有:1) 雷擊桿塔塔頂對(duì)導(dǎo)線形成反擊。2) 雷擊于避雷線

13、檔距中央時(shí)的過電壓造 成對(duì)導(dǎo)線的空氣擊穿。3) 雷繞擊導(dǎo)線。 安裝桿塔消雷器以避免雷擊塔頂形成反擊, 前部分已作了詳細(xì)說明, 下面對(duì)后兩種 危害形式進(jìn)行分析。1) 雷擊避雷線過電壓分析由于避雷線與導(dǎo)線間的耦合作用, 在 導(dǎo)線上產(chǎn)生耦合電壓可降低導(dǎo)地線間的電位 差, 且導(dǎo)地線間距離在設(shè)計(jì)時(shí)已滿足了空氣 放電距離。由于導(dǎo)地線間形成一種新穎的電極形式 平行管管間隙, 在大氣場(chǎng)強(qiáng)下, 如 超過了導(dǎo)線的臨界電暈場(chǎng)強(qiáng), 就會(huì)產(chǎn)生預(yù)放 電電流, 若此電流足夠大, 還能消耗有限的 雷云電荷的靜電電場(chǎng)能, 如同避雷器泄放電 流一樣, 就可能避免兩線間距離的擊穿。 因 此架空避雷線中央遭雷擊時(shí), 反擊導(dǎo)線造成 掉

14、閘的機(jī)率很小。2) 雷擊于桿塔檔距中央的機(jī)率分析按照國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料報(bào)道, 線路雷擊 點(diǎn)約有 70% 以上都是發(fā)生在桿塔和靠近桿塔的 14 檔距以內(nèi)的地線上。根據(jù)我局 1983落傘的“v ”形荷電粒子空間,能有效地扼制雷云的側(cè)面漂移, 即有效地保護(hù)桿塔附近導(dǎo)線免受繞擊。由于消雷器伸出的消雷針遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出避 雷線的外側(cè)邊沿, 桿塔附近的保護(hù)角可以縮小到零或負(fù)值, 因此可以有效保護(hù)桿塔附近 導(dǎo)線免遭繞擊。結(jié)論盡管目前對(duì)消雷器機(jī)理和理論還 存在著懷疑和爭(zhēng)論, 從我局加裝消雷器的實(shí)踐來看, 它還是能夠減少和消除雷 害, 并為越來越多的人承認(rèn)和接受, 對(duì) 場(chǎng)、站防雷, 尤其是線路防雷不失為一種行之有效的防雷措施。3參考文獻(xiàn)123解廣潤(rùn) 1 消雷器的功能與結(jié)構(gòu) 1 電力技術(shù) 11980 年 7 月薛東華等 1 消雷器試驗(yàn)