10kv架空线防雷技术研究(编辑修改稿)

10kv架空线防雷技术研究(编辑修改稿)内容摘要：

11 现场调研情况 经实地勘察，北翼风井架空线路有绝缘子串破损，杆塔旁有数个被强电流破坏的绝缘子和氧化锌避雷器。 图 35 损坏的绝缘子串 图 36 损坏的避雷器 经过查看 35kV 变电站值班记录和北翼风井两回出线高压开关柜综合保护测控装置的事件追忆记录，在 2020 年 1 月到 2020 年 8 月时间段内，共发生跳闸 12 次，其中电流I 段保护动作为 10 次，电流 III 段动作 2 次，在 6~8 月跳闸次数为 8 次，占到总跳闸次数的 %。 测控装置录波如图 37 所示。 图 37 测控装置故障录波图 北翼回风斜井两回架空线路为三角形布线，三相的布置横担长为 m，中相距横担高 ，平均线路高度 ，线路的耦合系数取 ，杆塔等效电感取。 （备注：因无法得到所研究架空线路的具体资料，本参数参考相关资料）取以上典型线路参数进行计算， Uj＝ *Ij，假设雷电电 流为 20kA，得 Uj 为 224kV，耐雷水平 Ij＝U50%/， U50%指绝缘子 50%放电电压（即放电电压平均值）， U50%为 100 kV。 Ij＝ kA。 因此， Ij＝ kA＜ 20 kA ， U50%＜ Uj＝ 224 kV，发生击穿绝缘子的事故。 12 根据现场勘察和调研结果表明，北翼回风斜井两回 10kV 架空线路架设地势相对周围较高，易受雷击。 虽然线路两端加装有线路避雷器，但是依然发生多次雷击跳闸停电事故，直接影响北翼风井风机的正常运行，表明北翼风井供电系统的防雷措施存在严重不足。 防雷措施和管 理建议 根据现场调研结果，北翼回风斜井两回架空线路沿山丘架设，线路大部分架设在山顶或山坡，全线无避雷线，击杆率较高。 除第一基和最后一基杆塔加装有线路避雷器外，再无其他防雷措施，加之防雷接地电阻高达 29Ω（根据榆林防雷中心 2020 年接地电阻测试报告），线路耐雷水平十分有限，容易发生雷击杆塔、雷击导线和感应雷电过电压，引起绝缘子串闪络、相间短路、绝缘子和避雷器损坏，导致跳闸，对于整个煤矿的安全可靠性供电造成很大的影响。 根据以上分析，结合北翼风井两回架空线路实际情况，建议加强该架空线路的防雷措施。 本次设计的主要 内容有以下几种，如框图 38 所示： 本 次 设 计 的 主 要 内 容避雷针避雷线降 低杆 塔的 接地 电阻加强线路绝缘避雷器的安装仿真验证 图 38 主要的研究内容 13 降低杆塔接地电阻的方法主要有以下措施，如图 39。 降 低 杆 塔 接 地 电 阻 的 方 法采用降阻剂换土进行化学处理外引接地深埋接地极 图 39 降低杆塔接地电阻的方法 14 第四章 防雷措施分析 避雷针的使用 避雷针的结构包括接闪器、支持构架、引下线和接地装置。 它的保护作用是吸引雷电击于自身，并通过接地装置使雷电流泄入大地，总结来说就是引雷、排放。 避雷针一般适用于保护那 些比较低矮的地面建筑物以及保护高层楼房顶上的突出设施，特别适合保护那些需要防雷引下线与内部各种金属管道隔离的建筑物。 虽然它在防雷过程中有很好的效果，但是在本课题的研究中，对于煤矿 10kV 架空线的防雷过程中却存在以下问题。 (1)避雷针主要用来防止直击雷带来的危害，而对于 10kV 架空线路影响较多的是感应雷的影响，有关资料显示， 10kV 的配电线路中，感应雷引起的故障比例在 90%以上。 (2)对于整个线路的保护范围小。 避雷针往往安装在杆塔上，对于档距中央的线路有的地方保护不到，如果安装在档距中间的避雷线上，安装难 度较大，在运行时受风力等外部因素的影响，如发生偏转会减小导地线之间的距离，带来安全风险。 如果想要保护线路的全长，则避雷针的架设高度就会很高，杆塔的高度相应就会升高，成本太大，很不符合经济标准。 (3)容易引起反击。 当雷电被接闪器吸引后将有很大的高频电流会通过接闪器和接地装置，这时引下线的电压很高，若避雷针相对于被保护物体的距离小于安全距离时，会会由引下线向被保护物体发生反击，损坏被保护物体。 我国国标规定避雷针距被保护物的空气中的距离大于等于 5 米，避雷针距被保护物体的接地装置间的地中距离大于等于 3米。 这对于本 次设计中很难实现。 (4)电磁感应问题。 在强大的雷电流沿避雷针向下通过接地装置流入大地的过程中，会在周围产生强大的电磁场，容易对周围的通信设备引起误动或损坏，还会在接触不良的地方引起放电从而引燃易燃易爆物体，造成事故。 (5)避雷针的使用会导致雷击概率的增加。 由于避雷针的接闪器是将雷电引向避雷针的，因此会增加雷击的概率。 15 架设避雷线 051 01 52 02 53 03 5耐雷水平/ k A2 0 4 0 6 0 8 0杆 塔 接 地 电 阻 /1 代 表 避 雷 线 距 上 端 导 线 0 . 2 m2 代 表 避 雷 线 距 上 端 导 线 0 . 4 m12 图 41 避雷线安装高度与耐雷水平的关系图 避雷线主要通过分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从而降低杆塔顶部电位。 如图 41 所示：避雷线的分流能力与杆塔的高度无关，仅与杆塔接地电阻有关。 因此后面的降低杆塔的接地电阻对于架空线的防雷就非常有必要了。 [9] (1)无避雷线时的感应雷过电压 : 有关规程规定，在雷击地点和输电线路之间距离 s 大于 65m 时，则感应雷过电压的计算公式如下 [2]： sIhU d25 (41) 其中： I 为雷电流的幅值 (kA)； dh 为导线悬挂的平均高度（ m)； s 为雷击点到线路的距离 (m)。 16 (2)有架设避雷线的时候感应雷过电压的影响 : 实际上避雷线是有接地装置的，其电位约等于为零，相当于在其上面叠加了一个极性相反，幅值相等的电压（ U），这个电压由于耦合作用，在这个电压由于耦合作用，在导线上产生的电压为 UKUK cc  )(。 即 U39。 U UKUK cc )1(  式中， cK 为避雷线和导线之间的耦合系数，其值只决定于导线间的几何尺寸与线间距。 线间距 离越远，则耦合系数 cK 越小，导线上感应过电压越高 [2]。 直击雷过电压对于输电线路的影响 [2]： (1)未架设避雷线的情况下直击雷过电压的影响 雷击导线 :： 当雷电直击导线后，雷电流沿着导线向着两侧流动，假定 0Z 为雷电通道的波阻抗， 2Z 为雷击点两侧的导线的并联波阻抗，若计及冲击电晕的影响，可取Z=400， 0Z 可近似取 200，则雷击点的电压为 IZIZIUA 100422  (42) 雷电流大小与雷击导线的电压成正比，如果雷电电压超过线路绝缘的耐雷水平，则将发生冲击闪络，由以上可以得到线路的耐雷水平为 I= 100/%50U ， %50U 取 85kV。 由公式 I= 100/%50U 可 得，雷击导线时的耐雷水平为。 雷击塔杆时的过电压及耐雷水平 当线路塔顶受到雷击的时候，雷电流 I 将通过杆塔以及接地电阻 chR 然后流入大地，设杆塔的接地电感为 gtL ，可以求出等效电路的杆塔点位为： U=I chR + dtdILgt =I   LR (43) 17 式中， I 为雷电流幅值（ kA）； chR 为杆塔的冲击电阻（ Ω）； gtL 为杆塔的等效电感 (μH)。 当雷击塔顶时，导线上的感应过电压为 dd hIahU 39。  (44) 式中， I 为雷电流幅值； （ kA） dh 为导线悬挂的平均高度。 （ m） 感应雷过电压的电压极性与杆塔的电位极性相反，因此，作用于绝缘子串两端的电压为 )39。 (dgtchdgtchjhLRIIhLRIUUU (45) 通过上面的公式可以得到：导线悬挂的高度、杆塔的电感、接地电阻的大小、雷电流的幅值直接关系到雷电过电压的大小，如果雷电过电压大于等于绝缘子的 50%雷电冲击放电电压时，杆塔将会反击作用于导 线，在中性点直接接地的配电线路中，有可能使得线路跳闸，此线路的耐雷水平为： UI (46) 由于我国 60kV 以下的电网采用中性点非直接接地，如果雷电流的幅值大于耐雷水平，会发生塔顶对于一相导线的放电，由于工频电流较小，不能形成稳定的工频电弧，所以不会造成线路的跳闸，仍能安全的送电，只有当另一相发生 反击时，造成两相导线之间绝缘子串的闪络，形成相间短路时，才会出现大的短路电流，雷击塔顶，第一相绝 18 缘闪络后，可以认为该相导线具有塔顶的点位，由于第一相导线与第二相导线的耦合作用，两相导线的电位差为 [2]： )1)(()1(39。 cdgtchjcj KhLRIUKU  (47) 式中 cK 为两相导线的耦合系数。 当 jU39。 大于或等于绝缘子的 %50U 时第二相也发生反击， 形成两相短路，引起跳闸，由此线路的耐雷水平为 [3]： ))(1( %50 dgtchc hLRK UI  (48) 而安装了避雷线时的耐雷水平为： )()[1( %50 dgtchgc hLRK UI   (49) bchbgtgLRLL 1 其中： cK 为线路的耦合系数； %50U 为绝缘子的 50%冲击放电电压（ kV）； chR 为杆塔接地电阻（ Ω）； dh 为导线对地平均水平高度； )(uHL gt 为杆塔接地电阻 为杆塔的分流系数g 工程上常采用降低接地电阻 chR ，提高耦合系数 cK 作为提高耐雷水平的主要手段。 耦合系数 cK 的提高可以减小雷击塔顶时作用在绝缘子串上的电压，也可以减少感应过电压分量，提高耐雷 水平。 常规的做法是：将单根避雷线改为双根避雷线，甚至在导线下 19 方增设耦合地线，作用是增强导线、地线间的耦合作用 [2]。 根据有关规定， 35kV 及其以下全线不架设避雷线，主要原因有：中性点不直接接地，不容易跳闸； 绝缘水平低，即使架设避雷线，对导线的反击的作用也不是很大，对于经济性考虑不适合全线架设避雷线 [10]。 但是根据实际情况来说，煤矿 10kV 架空线对于煤矿的安全生产以及煤矿工人的安全非常重要，因此本设计采用全线架设避雷线。 对于架设全线避雷线在接下来的具体方案中会进行详细的设计。 降低杆塔 的接地电阻 线路的接地电阻直接关系到线路的耐雷水平，避雷器的作用是当线路受到雷击时，避雷器优先动作，将雷电流经过接地装置导入大地，从而保护绝缘子，避免了发生闪络；避雷线和避雷针则是影响雷电先导，使雷电对避雷线和避雷针放电，然后经过接地装置将雷电流导入大地，如果接地电阻过大，雷电流就不能及时的导入大地，因此可能造成反击，对线路和设备造成损害。 所以无论采用以上三种方式中的哪一种都离不开设法降低线路的的接地电阻来取得更好的效果。 又因为该段线路中原有安装避雷器的一基杆塔接地电阻高达 29 欧姆左右，不符合要求，以下先 计算雷击时线路的耐雷水平。 雷击塔顶时的耐雷水平，由公式 I    %50 hLRKUdgtchc （ 410） 其中： Kc 取 ； Rch 取 29Ω； Lgt 为 *12； U%50。