山西云冈矿架空输电线路防雷措施

肖 峰

(同煤集团云冈矿)

近年来，随着云冈矿区雷电活动强度日益增大，区内输电线路雷击跳闸次数呈上升趋势。雷电强度越大，对线路的冲击便越大，雷击跳闸事故也会随之增多[1-5]。矿区220 kV输电线路因绝缘配置程度较高，跳闸次数相对较少，雷击跳闸事故主要集中于35，110 kV输电线路。本研究通过构建雷电流模型、杆塔及输电线路模型以及雷击感应过电压模型，对矿区雷击杆塔的耐雷水平、雷击35 kV架空输电线路进行仿真分析，在此基础上对相应的输电线路防雷措施进行探讨。

1 矿区线路防雷设计的主要问题

(1)雷击跳闸事故多发生于山地、丘陵地区，杆塔多沿山架设，且由于该矿区排放的废气、废尘中重金属离子较多，易附着于绝缘子表面，在一定程度上造成绝缘子绝缘性能下降，当遇到雷雨天气时，极有可能发生闪络，导致雷击跳闸。

(2)山地、丘陵的特殊地质特征以及杆塔易遭受雷击等因素易导致杆塔接地电阻偏高。虽然在架设初期采取了大量措施降低接地电阻，但线路运行一定年限后，其接地电阻阻值又有一定程度升高，进而导致“反击”事故的发生。由于矿区特殊的地形，有效的降阻措施难以实施。

2 模型构建及仿真分析

2.1 模型构建

(1)雷电流模型。常用的雷电流波形有双指数波、斜角波和半余弦波等[6-8]。本研究雷电流模型将采用雷电流的标准模型，即2.6/50 μs双指数波形。

(2)杆塔及输电线路的模型。根据电压等级的不同，可采用不同规格的杆塔。对于220 kV及以上的电压等级，杆塔上不同的位置在遭到雷击时产生的电压便会不同。本研究以35 kV架空输电线路为例，采用具有典型代表性的上字型有拉线带避雷线的9 m直线杆，采用钢结构搭建杆塔，杆塔间距为200 m。

(3)雷击感应过电压模型。根据雷击放电原理中感应过电压的形成机理，采用下式计算感应过电压的幅值

式中，a为雷电流的陡度，kA/μs；hc为输电线路与地面的垂直距离，m；k0为耦合系数。由于输电线路大部分采用三相传输方式，当雷击在线路附近形成感应电压时，可以根据上式计算三相电压幅值，可作为绝缘子与避雷器的选择依据。

2.2 仿真分析

2.2.1 雷击杆塔时的耐雷水平

当杆塔仅有接地电阻而缺乏其余防雷设备时，线路所能承受的雷电流相对较低，故而可在杆塔上安装避雷器等过电压保护装置。避雷器切勿安装于线路上，否则雷直接击在避雷器上无法起到削减电压冲击波的作用[9]。以雷击杆塔情形(图1)为例，进行仿真分析。结果表明：①当未采取其余的保护措施时，降低杆塔的电阻能够增大线路的耐雷水平，因为杆塔接地电阻越小，越能使得杆塔在遭受雷击时，能够及时地将电流引入大地，对线路起到保护作用；②当增加线路的避雷器数目时，接地电阻越小，对线路耐雷水平的提高效果越明显，因此在腐蚀较严重的区域，接地电阻的阻值可能偏离设计电阻，此时可以适当增加避雷器数目，也能发挥较好的防雷作用；③在雷击发生不频繁的平原地带，可采取每隔1座杆塔安装1个避雷器的方式，此时线路的耐雷击水平比每座杆塔均安装1个避雷器的避雷效果好，但在高坡以及山地等雷击事故频发地带，有必要集中安装避雷器。

图1 雷击杆塔情形

综上分析可知：①每隔1座杆塔安装1个避雷器的防雷效果不及集中安装避雷器；②在降低接地电阻困难的地区，通过增加避雷器的数量能够大幅度提高线路的耐雷水平；③由于安装避雷器的成本较高，对于非易击雷区，无需集中安装避雷器；④对于重要的输电线路应架设较小的接地电阻并且每座杆塔都应安装避雷器。

2.2.2 雷击35 kV架空输电线路

如果没有安装避雷器或其他过电压保护装置，当发生雷击线路现象时，仅能依靠线路自身绝缘水平和杆塔的接地来缓解雷击造成的过电压。如果在线路的进线端安装避雷器或过电压保护装置后，当雷击导线时，导线产生的过电压波会随着导线经过避雷器，使得电压波的幅值减小，当减小后的电压在线路上传播时，因达不到线路闪络的电压幅值，便不会使线路跳闸。本研究对避雷器的安装数目、雷击线路位置对线路耐雷水平的影响进行了仿真分析。结果表明：越靠近避雷器的线路，其耐雷水平越高；避雷器安装越密集，当雷击导线时，线路的耐雷水平越高，线路的薄弱点所能承受的冲击电压也越高。由此可见：①在空旷的平原地带，若每隔2～4座杆塔安装1个避雷器时，应根据雷电的选择性原理找出易击区域，对易遭受雷击的杆塔安装避雷器，尽可能将线路的易击区远离防雷薄弱区；②无论采用哪种防雷措施，线路上都会存在防雷薄弱区；③接地电阻对于未安装避雷器的杆塔的影响较小，但越靠近避雷器，改变接地电阻的阻值越能够有效提高线路的耐雷水平；④若对每座杆塔都安装避雷器，则需要将本段线路的易击点设计于线路中间位置，是因为中间点能够在最短的时间内将生成的过电压经过2次避雷器削减，使得该处的耐雷水平在整段线路上最高。

3 防雷措施

(1)在杆塔臂上安装氧化锌型瓷横担。氧化锌瓷横担与绝缘子的作用相同，均可起到绝缘的效果，当绝缘子的耐冲击电压过小时，可将绝缘子更换为瓷横担，能够有效提高线路的耐雷水平。要确保输电线路稳定运行，线路自身须具备一定的绝缘能力，绝缘子的片数越多则绝缘效果越好，或直接更换为具有更高耐冲击电压特性的绝缘子和瓷横担，在此基础上，通过加强线路巡检，确保绝缘设备无损坏现象。如果仅注重更换绝缘设备，也无法确保绝缘设备的安全可靠性，雷击产生时，易击中线路的薄弱环节，因此，确保绝缘子的质量也是提高输电线路耐雷水平的有效措施。当感应雷击过电压生成时，数值一般为300～400 kV，若在杆塔上同时使用瓷横担和架设5 m左右的耦合地线，并且每隔1座杆塔都安装避雷器，则线路的耐冲击电压将达到350 kV左右，将能够有效防止感应雷击过电压导致绝缘子闪络发生跳闸现象。

(2)线路无避雷线时提高线路耐雷水平的措施。可以在a相线路上安装线路避雷器，并在b相电路上每隔一定数量的杆塔将相应的绝缘子片数增加。当a相电路上安装了避雷器，相当于对另外两相线路起到了屏蔽作用，使得遭受雷击的概率降低，同时提高了线路的耐雷水平。在b相电路上增加绝缘子片数，能够更大程度上确保将线路闪络的程度降至最低。安装线路避雷器可以极大提高架空输电线路的抗雷击性能，降低线路雷击跳闸率。当采取减小避雷线护角、增加绝缘配置、降低接地电阻等防雷措施仍无法满足线路安全运行要求时，可加装线路避雷器。线路避雷器宜选择带串联间隙的避雷器，既可以保护线路免受雷电过电压危害，又可以在雷击后自动恢复绝缘，确保线路安全运行[9]。

4 结 语

针对云冈矿现有的架空线路防雷设计存在的不足，通过建模仿真分析，认为可在杆塔臂上安装氧化锌型瓷横担或加装线路避雷器来提高矿区架空输电线路的防雷水平。