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        山區(qū)輸電線路雷電災(zāi)害防御體系建設(shè)研究與應(yīng)用

        2022-02-06 17:05:57謝剛李毅左濤
        關(guān)鍵詞:配電網(wǎng)

        ◎謝剛 李毅 左濤

        引言:輸電線路是電網(wǎng)安全運行的重要組成部分。輸電線路的運行狀況決定著輸電效果,影響著供電效率。雷擊后的輸電線路在短時間內(nèi)電流會迅速增加,超過線路原有負荷范圍,造成線路短路、燃燒等問題,影響電能傳輸效果。盡管我國電力產(chǎn)業(yè)在市場不斷發(fā)展中呈現(xiàn)一種新的發(fā)展趨勢,但在對其的深度調(diào)查中發(fā)現(xiàn),其運行受到電力雷擊現(xiàn)象的影響屬于一種隨機行為,是無法預(yù)測或直接規(guī)避的,只能在供電過程中,采取有效的措施,對此種現(xiàn)象進行預(yù)防,從而降低雷擊現(xiàn)象的發(fā)生概率,當雷害事故一旦發(fā)生,對于通電線路以及各類輸電設(shè)施而言,都會造成嚴重危害,最終導致周圍供電中斷,甚至出現(xiàn)嚴重的火災(zāi)事故和觸電事故。

        一、輸電線路雷擊效應(yīng)

        架空配電線架設(shè)時為了節(jié)省空間,往往會沿著輸電線路走廊以并行的形式進行架設(shè),但是其產(chǎn)生的交變磁場會導致線路出現(xiàn)過電壓,進而導致線路跳閘。外加大部分輸電線路架設(shè)于空曠地帶,例如郊區(qū)等,相較于城鎮(zhèn)建筑較為密集的地區(qū),雷電活動也較為強烈,進而導致線路雷擊跳閘頻率增加。為更好地研究周邊輸電線路對10k V 配網(wǎng)雷擊跳閘的影響,應(yīng)明確線路電氣的幾何模型原理。所謂電氣幾何模型,主要是指一種幾何分析模型,該模型對引雷范圍進行計算,進而保證輸電線路和配電網(wǎng)的合理布設(shè)。該模型的核心原理是結(jié)合雷電的放電特性和線路的結(jié)構(gòu)尺寸,雷擊距理論的主要因素是被擊物高度和雷電流幅值大小。雷擊距對三方面的受雷范圍造成影響,也決定了其相對引雷能力,即避雷線、導線以及大地。在雷擊距理論的角度下,輸電線路引雷范圍在不考慮地面傾角影響下,需要根據(jù)導線雷擊距和地面雷擊距的交匯點,進行該點雷電流幅值的臨界值得出計算。

        二、雷電對輸電線路的危害

        雷電是強對流行天氣引發(fā)的一種災(zāi)害,主要的特點包括:發(fā)展迅速、影響范圍廣、災(zāi)害形式多樣等,這就給災(zāi)害的提前預(yù)警增加了難度。雷電對輸電線路的影響體現(xiàn)在以下兩個方面。1.如果塔被雷擊,將形成導線,這將對塔中的傳輸設(shè)備和導線產(chǎn)生不利影響。嚴重時會導致電線自燃,整個輸配電系統(tǒng)癱瘓,大面積停電。如果電流強度超過一定限值,將影響電源設(shè)備的獨立維修功能,相關(guān)人員必須通過更換線路設(shè)備恢復(fù)供電。這不僅增加了線路設(shè)備的維護難度,也增加了線路設(shè)備的維護成本。2.輸電線路遭受雷擊時會產(chǎn)生過電壓,導致線路和設(shè)備的絕緣性能因電壓超限而損壞。一方面會造成大規(guī)模停電,影響人們的正常生產(chǎn)和生活;另一方面也會增加公眾生命安全隱患。因此,重視輸電線路的防雷保護對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

        三、輸電線路引發(fā)雷擊的原因

        1.配電線路的安裝問題。

        在對配電線路和避雷器設(shè)備進行安裝搭建時,施工人員并沒有對其進行科學合理的設(shè)計,造成從源頭預(yù)防雷擊損害的工作不到位,進而導致后期遭受雷擊損害的機會增加。并且在實際電力作業(yè)中配電線路的架設(shè)也存在著嚴重的安全隱患。由于部分地區(qū)的氣候問題和地質(zhì)條件相較特殊,在對配電線路進行安裝時應(yīng)選擇適合本地區(qū)的鋪設(shè)方式,但是由于施工人員受到規(guī)章制度的約束,在安裝時依舊采取統(tǒng)一的方法,造成配電線路避雷器使用不當,進而影響了配電線路的雷電防護功能,導致雷擊概率增加。

        2.復(fù)雜地形。

        對于山區(qū)、沿海等地區(qū),地形結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。在鋪設(shè)輸電線路時,往往受到地形、氣候和環(huán)境的影響,增加了問題的發(fā)生率。雷擊是此類環(huán)境條件下最常見的情況,破壞性大,維護難度高,對輸電系統(tǒng)構(gòu)成嚴重威脅。具體而言,不良后果主要體現(xiàn)在以下三個方面。(1)深谷。這類區(qū)域氣流運動復(fù)雜,受雷電影響范圍大。此外,如果沒有相應(yīng)的保護屏障,很難維持輸電線路的安全運行,容易增加事故發(fā)生率。這是因為該區(qū)域的開放空間面積大,暴露在外的弧長長長,因此容易引起閃電注意,增加空氣運動中的雷擊概率。(2)傾斜的山坡。由于上坡區(qū)繞組少,下坡段導線過長,雖然目的是為了增強保護效果,但山上繞組仍缺乏科學保證,繞組頻率將逐漸增加,雷擊次數(shù)將增加,影響線路的安全運行。(3)沿海地區(qū)。沿海地區(qū)的空氣中含有大量的鹽,這很容易引起雷擊事故。

        四、防雷措施

        1.減小避雷線保護角。

        避雷線保護角是指避雷線與外側(cè)導線間的連接以及和垂直線的夾角。保護角越小,避雷器的作用便越大并且對導線的保護性越高。以下對減小避雷線保護角做出了敘述:(1)在保持避雷線和導線高度不變的同時,以縮小它們之間的橫向距離,來減小保護角。(2)通過降低導線的掛線點來減小保護角,在保證避雷線的高度不發(fā)生變化的前提下,來增加絕緣子串的使用量,以此來加長絕緣子的長度。這種方法不僅有效達到減小保護角的目的,同時還提高了配電線路的耐受電壓,增強了配電線路的耐雷性。(3)與之前方法相反,最后一種方法是在維持導線高度不變的情況,通過增加避雷線的高度(既是對桿塔結(jié)構(gòu)進行加高)以此來減小保護角。但由于這種方法操作起來較為復(fù)雜,通常應(yīng)用機會較少。一般來說,保護角越小,保護性越高。經(jīng)多地實踐證明,保護角小的桿塔用電穩(wěn)定不易跳閘。并且由于此技術(shù)成效顯著,目前已被廣泛應(yīng)用到相關(guān)線路的防雷工作中。

        2.架設(shè)避雷線或耦合地線。

        避雷針和耦合地線是最常用的防雷設(shè)備。避雷針安裝在上相導線1.5m 以上,耦合地線安裝在下相導線1.5m 以下。Gj-25鋼絞線可用于這兩種用途。通過對線路雷擊跳閘率的分析可知:(1)架設(shè)避雷線的防雷效果優(yōu)于耦合地線,耦合地線對直擊雷跳閘影響不大;(2)兩者都能有效降低后續(xù)雷擊引起的跳閘率。避雷針的安裝應(yīng)結(jié)合線路的實際情況,考慮周圍地質(zhì)條件和避雷針的安裝角度,以降低線路被雷擊繞線的概率。與不合理的架設(shè)方式相比,合理架設(shè)的避雷線的防雷能力可大大提高,并能更好地將直擊雷引至地面。

        3.減小接地電阻。

        在配電網(wǎng)的實際運行中,控制雷擊跳閘的方法有很多,包括降低線路的接地電阻。由于10kV 配電網(wǎng)的雷擊跳閘是由感應(yīng)雷引起的,降低接地電阻可以有效地釋放雷擊波的沖擊,并在雷擊點落在附近地面時減少桿塔點,避免10kV 配電網(wǎng)在雷電波地面反擊影響下跳閘。此外,還可架設(shè)避雷針,以便在雷擊影響下導線絕緣子兩端電壓降低時,提前感應(yīng)避雷針,提高10kV 配電網(wǎng)的防雷水平。另外,通過增加保護間隙,可以通過大量計算掌握絕緣子在雷電沖擊下的間隙距離。在此基礎(chǔ)上,可通過絕緣子旁的金屬點電極形成低于串聯(lián)電壓的放電現(xiàn)象,從而實現(xiàn)對絕緣子的保護,避免雷擊閃絡(luò)造成的損壞和斷開事故。值得注意的是,該方法主要用于具有一定跳閘率的10kV 配電網(wǎng)。

        4.合理使用防雷型絕緣子。

        相對于普通絕緣子,防雷型絕緣子增加了左、右兩個電極,一個電極位于導線端,是高電位;另一個電極位于桿塔端,是低電位,兩電極之間形成一個間隙作為雷擊閃絡(luò)通道和電弧放電通道。當線路受到直擊雷擊或者感應(yīng)雷擊時,由于空氣空隙的伏秒特性曲線在絕緣子伏秒性質(zhì)曲線以下,絕緣子左、右兩端電極提供的空間間隙能夠在絕緣子閃絡(luò)之前先動作放電,從而建立雷電閃絡(luò)通道;在此通道上建立起來的工頻電弧短路電流,其弧根只能固定在通道兩端的高、低壓電極上,而不會流竄到導線,從而避免燒斷導線。

        5.提高線路絕緣性能。

        (1)對10k V 配電網(wǎng)上的絕緣子進行更換,選用更耐電壓沖擊的絕緣子。對于10k V 配電網(wǎng)而言,絕緣子是有效降低雷擊跳閘率的部件,所以,為減少周邊輸電線路對10k V 配電網(wǎng)雷擊跳閘的不良影響,可以使用瓷橫擔絕緣子替代針式絕緣體,從而降低雷擊跳閘率。此外,還可以適當增加瓷橫擔絕緣子的絕緣長度,進一步降低因雷擊帶來的跳閘概率。(2)對絕緣配置方式進行更新,采用不平衡的配置方式。在10k V 配電網(wǎng)中,雷擊跳閘產(chǎn)生的主要原因就是感應(yīng)雷,所以,應(yīng)對雙回同時跳閘的概率進行降低,不平衡絕緣配置方式就是有效方法。而且,在此過程中,盡量拉大兩種絕緣子在雷電沖擊電壓耐受性能方面的差距,否則防雷效果會受到影響。(3)使用絕緣塔頭或是絕緣橫擔。相較于鐵橫擔,應(yīng)盡量使用絕緣體,所以,可以通過絕緣橫擔的替換應(yīng)用提高線路絕緣水平,同時,絕緣橫擔還具有良好性能,能夠滿足機械和耐污等性能的要求。值得注意的是,應(yīng)對雷電波傳播線路的終端提高注意,避免頻繁使用避雷器。

        6.自動重合閘的設(shè)置。

        自動重合閘保護的科學整定,可以在首次發(fā)現(xiàn)異常電流或電壓時做好停電保護,從而減少雷電對輸電線路的影響,維護輸電線路的安全,減少損失和危險的發(fā)生。目前,我國現(xiàn)有的自動重合閘主要由單相裝置、三相裝置、綜合裝置和失活裝置組成。輸電線路受雷擊影響后,自動重合閘的繼電保護將立即開啟,實現(xiàn)雷擊區(qū)段線路的閉合,以保證輸電線路的整體質(zhì)量,并通過停電的方式保證電能在其他區(qū)段的傳輸。輸電線路發(fā)生雷擊停電的概率很高,瞬時停電和自動重合閘的瞬時鏈路技術(shù)需要改進,這需要專業(yè)人員繼續(xù)進行研究,以優(yōu)化自動重合閘的技術(shù)水平,充分發(fā)揮其工作優(yōu)勢維護輸電線路安全運行。

        7.做好防雷設(shè)施維護。

        配電線路運維人員應(yīng)按照供電企業(yè)的維護標準,對線路范圍內(nèi)的防雷設(shè)施進行定時巡視及維護,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷和隱患并安排處理。與此同時,需要加強一線運維人員的能力培訓及考核,提高技術(shù)水平,防止發(fā)生巡維不到位的情況。技術(shù)管理部門要合理安排配電線路檢修周期,按時完成防雷設(shè)施的預(yù)防性試驗,及時發(fā)現(xiàn)絕緣、耐壓等性能異常的防雷設(shè)施,并做好備品備件管理,保證損壞的設(shè)施可迅速更換。

        8.做好防雷技術(shù)服務(wù)工作。

        氣象部門需要向各區(qū)域的人民群眾普及和防雷有關(guān)的知識,做好宣傳工作,尤其是要做好防雷安全知識和法律法規(guī)的宣傳,利用電視、廣播和互聯(lián)網(wǎng)等新興媒體,通過短片、宣傳手冊的方式大范圍的宣傳。要讓廣大群眾認識并且掌握先進的防雷。同時,還要提升法律意識,感受到法律的權(quán)威性,嚴格的遵守法律的有關(guān)規(guī)定,不能觸犯法律,要推動氣象防雷工作的有序開展。對政策環(huán)境進行優(yōu)化,支持市場主體依法展開市場競爭,并完善防雷技術(shù)的合作,要做好雷電災(zāi)害的風險評估技術(shù)服務(wù)水平,將服務(wù)短板補齊,提升服務(wù)水平,從根本上提高供給能力。要定期的組織工作人員培訓,開展交流活動,及時溝通工作中存在的問題,找到問題的解決方案,將工作經(jīng)驗及時的進行交流分享,幫助大家共同進步,在條件允許的情況下,可以組織人員外出培訓,學習了先進的技術(shù)后,回單位組織更多的人學習,大家通力合作,提高防雷的技術(shù)水平。

        五、雷電災(zāi)害防御體系

        1.雷擊風險預(yù)警功能。

        輸電線路雷電災(zāi)害預(yù)防系統(tǒng)是利用計算機技術(shù)實現(xiàn)輸電線路雷電閃絡(luò)風險預(yù)警的系統(tǒng)。其物理結(jié)構(gòu)主要包括子站、通信模塊、計算模塊、軟件模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、網(wǎng)絡(luò)通信和協(xié)議模塊。雷電定位子站用于實時監(jiān)測大氣中的電場數(shù)據(jù)和雷電位置數(shù)據(jù);計算模塊用于對雷電數(shù)據(jù)和線路臺賬進行統(tǒng)計分析,定義預(yù)警級別和風險概率,并將分析數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫模塊中;軟件模塊用于部署客戶端軟件,主動推送和被動查詢相應(yīng)的雷電預(yù)警信息。閃電發(fā)生時,會產(chǎn)生強烈的光信號、聲信號和電磁輻射信號。由于雷電電磁輻射信號主要沿地表低頻傳播,能量較大時,其傳播范圍可達數(shù)百公里以上,最適合大規(guī)模監(jiān)測。雷電風險預(yù)警計算是在分析輸電線路雷電活動規(guī)律和雷擊原理的基礎(chǔ)上,將電場強度、雷電位置等監(jiān)測數(shù)據(jù)與線路臺賬信息進行關(guān)聯(lián),實現(xiàn)輸電線路雷電閃絡(luò)風險預(yù)警。

        2.定期巡檢。

        由于避雷器工作環(huán)境的特殊性,電力部門在其日常工作時,應(yīng)加強對避雷器的定期巡檢。利用常見的紅外熱像診斷法,能快速判斷出,避雷器內(nèi)部是否存在電熱場或閥片受潮的現(xiàn)象。當避雷器內(nèi)部的溫度差接近10 時,就必須停電檢查并對其進行測試。同時還需檢查地下連接部位的器件是否存在腐蝕現(xiàn)象,避免雷擊電流因接地電阻值減小不能快速流入大地,防止避雷器因受到殘余電流的沖擊而被損壞。對避雷器的外觀也應(yīng)及時更換,防止出現(xiàn)閃絡(luò)、破損等情況。另外,電網(wǎng)檢修人員必須擁有專業(yè)的檢修能力,掌握熟練的電力檢修知識及避雷器故障的處理方法,確保在發(fā)生問題時,能及時處理好故障,以保證配電線路的正常運行。

        3.差異化防雷評估功能。

        輸電線路差異化防雷評估系統(tǒng),基于線路雷擊數(shù)量、線路形態(tài)和地理位置差異,進行輸電線路雷電活動分析,評估線路全線每基桿塔雷擊跳閘率,提出差異化防雷措施,指導新建線路防雷設(shè)計和在運線路防雷改造,實現(xiàn)有針對性的單基“建模—評估—治理”。

        結(jié)束語:綜上所述,隨著輸電線路覆蓋范圍的增加,對防雷的要求也越來越高。在輸電線路設(shè)計中,設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境和線路敷設(shè)要求進行綜合分析和思考,選擇合適的線路防雷技術(shù)和設(shè)備,提高輸電線路的防雷效果,減少雷電對輸電線路的影響,實現(xiàn)電能的穩(wěn)定傳輸,提高供電質(zhì)量。在具體分析中,應(yīng)注意配電系統(tǒng)防雷接地的復(fù)雜性和特殊性。在項目建設(shè)的全過程中,每個環(huán)節(jié)都要投入人力物力作為支撐。有些情況需要改進和調(diào)整。根據(jù)不同地區(qū),某些規(guī)格也有所不同。電網(wǎng)部門在開展具體工作的過程中,應(yīng)制定規(guī)劃和防護措施,因地制宜進行合理規(guī)劃,提高電網(wǎng)線路的性能,同時建立雷電災(zāi)害防御預(yù)警體系,發(fā)揮雷電預(yù)警效益最大化,與雷電防護措施結(jié)合,共同提高輸電線路雷電防護水平。

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