CN109586226A - 一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力工程输电线路的高压防雷技术领域，尤其是涉及一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法及装置。一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法，包括以下步骤：根据架空避雷线的波阻抗值的大小设置同轴式架空电缆线；设计低阻抗的同轴电缆引下线；将同轴式架空电缆线、同轴电缆引下线和地面避雷器依次连接并安装在铁塔上，地面避雷器连接至接地网。本发明能够减少雷击时发生跳闸事故和反击事故。

Description

一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法及装置

技术领域

本发明涉及电力工程输电线路的高压防雷技术领域，尤其是涉及一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法及装置。

背景技术

近年来，由于雷电活动日益增强，线路因雷击而引起的事故日益增多，对线路的安全运行造成了严重威胁，严重影响送电线路的供电可靠性。目前输电线路本身的防雷措施主要依靠架设在铁塔顶端的架空地线，其运行维护工作中主要是对铁塔接地电阻的检测及改造，由于其防雷措施的单一性，无法达到防雷要求。由于雷击强度大，当雷电流超过铁塔耐雷水平时，该铁塔的绝缘子串就要发生闪络，引起线路跳闸，这是线路跳闸的要因。

1、现有避雷线防雷技术中存在的问题：

根据中国电力科学研究院高压研究所李培国教授的观点以及原苏联学者的观测发现，当雷电击中输电线路的档距中间部位的避雷线时会引起避雷线——相导线间隙击穿放电，进而引起线路跳闸，而采用避雷线负保护角并不能避免这种放电发生。并认为这是高压输电线路雷击跳闸产生的主要原因。

由以上分析可认为：现有避雷线均为以钢丝线，一般型号为GJ-90～120mm²，根据“电力工程高压送电线路设计手册”可知：

单导线的正序电抗计算方法：

X₁的单位是Ω/km

上二式中，μ为导线材料的相对导磁率，对于铝A1导体μ＝1，对于钢铁μ＝2000～4000，f为频率；Hz；雷电流的f＝10⁵Hz～10⁶Hz；而工频电源f＝50Hz，Dm为相导线间的几何均距；dab、dbc及dca分别为三相导线间距离；r为导线的半径；re为导线的有效半径。

由以上分析可知，当雷击避雷线上时由于钢丝导线每公里长度下所产生的电抗值为：

X_L≈0.0001πμf/Ωkm，若取μ＝2000，f＝5×10⁵Hz时,

X_L＝10^-4×3.14×2×10³×5×10⁵＝3.1410⁵Ω/km

当档距为400M，1/2档距长度下的电抗为X_L1＝0.2×3.14×10⁵＝6.28×10⁴Ω，这个阻抗值为非常高的阻抗，倘若雷电流为30KA时，则在避雷线上积累的电压为，根据欧姆定律U＝IR＝U＝6.28×10⁴×30KA＝1.88×10⁶KV，如此高的电压，基本上可以将避雷线与相导线之间的空气间隙击穿，从而引起跳闸，这也是雷击发生经常性短路击穿跳闸故障的理论计算的原因所在。

2、关于雷击线路上铁塔反击的问题雷击输电线铁塔顶部后将会引起反击，塔顶电位Utop可由下式计算：

其中Ri为铁塔冲击接地电阻，铁塔总电感用Lt表示，表示雷电流陡度：β为分流系数由上述式中可见，塔顶电位Utop由两部分组成，第一项为由铁塔冲击电阻引起；第二项是雷电流的变化在铁塔电感上感应的电压。

因此当雷击线路发生反击时，随塔顶电位的升高，绝缘子所承受的电压也逐渐增大，当电压超过铁塔绝缘闪络电压后，绝缘子很可能发生沿面闪络、甚至击穿，即当雷击于铁塔顶端，往往会发生极高电压的反击事故，要解决反击问题，就要降低塔杆顶电位Utop，现有技术通常以降低接地电阻(地网施工中应避免虚焊的发生、加大地网面积)、线路装设耦合地线等方案，但是产生的效果甚差。

发明内容

本发明主要是针对上述问题，提供一种能够减少雷击时发生跳闸事故和反击事故的抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法及装置。

本发明的目的主要是通过下述方案得以实现的：一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法，包括以下步骤：

1)根据架空避雷线的波阻抗值的大小设置同轴式架空电缆线，设计出波阻抗值较小的同轴式架空电缆线；

2)设计低阻抗的同轴电缆引下线；

3)将同轴式架空电缆线、同轴电缆引下线和地面避雷器依次连接并安装在铁塔上，地面避雷器连接至接地网，其中同轴式架空电缆线架设在铁塔顶端，同轴电缆引下线的一端与同轴式架空电缆线连接，同轴电缆引下线的另一端与地面避雷器连接，同轴电缆引下线贴着铁塔塔身设置，地面避雷器设置在铁塔底部，接地网设置在铁塔底部的地面下，地面避雷器与接地网电连接；

4)当雷击到同轴式架空电缆线上时，雷电流依次通过同轴式架空电缆线、同轴电缆引下线、地面避雷器和接地网，最终流入地下，以此方式连接将可以大大减少塔头放电，绝缘子放电闪络的故障，从而减少线路雷击的跳闸率，而提高供电可靠性的措施。

作为优选，步骤1)中根据波阻抗值计算公式来设计波阻抗值低的架空避雷线，式中，L为电感，c为电容。由此公式可以知道，当电容增大时，波阻抗值是在降低的，由此可以设计出波阻抗值较低的同轴式架空电缆线。

一种根据上述抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法设计的装置，包括安装在铁塔顶部的同轴式架空电缆线、同轴电缆引下线、设置在铁塔底部的地面避雷器和设置在铁塔底部地下的接地网，所述的同轴电缆引下线的一端连接在同轴式架空电缆线上，所述的同轴式电缆引下线的另一端与地面避雷器连接，所述的地面避雷器与接地网电连接。同轴式架空电缆线安装在铁塔顶部，地面避雷器设置在铁塔底部，接地网设置在铁塔底部地下，同轴电缆引下线的一端连接在同轴式架空电缆线上，同轴式电缆引下线的另一端与地面避雷器连接，地面避雷器与接地网电连接，当雷电击中同轴式架空电缆线时，雷电流依次通过同轴式架空电缆线、同轴电缆引下线、地面避雷器和接地网，最终流入地下。

作为优选，所述的同轴式架空电缆线包括由内而外依次设置的内芯导体、绝缘层和外层导体。同轴式架空电缆线包括由内而外依次设置的内芯导体、绝缘层和外层导体，这样设计使得当同轴式架空电缆线遭受雷击时，可使雷电流迅速通过，并在架空地线外层上呈现下行的先导作用，即接通与大地的等电位值，与相导线形成明显的电位差值，促使雷电流率先向架空地线的外层导体放电，从而达到防止雷电绕击到带电相线上的防雷目的。

作为优选，所述的内芯导体由钢丝制成，所述的外层导体由铝箔材料制成。内芯导体由钢丝制成，外层导体由铝箔材料制成，成本低，并能起到有效的导电作用。

作为优选，所述的同轴电缆引下线包括由内而外依次设置的聚氯乙烯填充芯、内部导体层、交联聚氯乙烯层、外部导体层和聚氯乙烯外壳。同轴电缆引下线包括由内而外依次设置的聚氯乙烯填充芯、内部导体层、交联聚氯乙烯层、外部导体层和聚氯乙烯外壳，此结构设计形成了引下线的低波阻抗特性，当发生雷击线路铁塔时，强大的雷电能量必须快速地传导到地下接地网中，才能安全地消雷，同轴电缆引下线这样设计能对雷电携带的高压高电流具有极强的耐受能力以确保不对邻近物体产生侧闪放电。

作为优选，所述的地面避雷器为氧化锌避雷器。地面避雷器为氧化锌避雷器，当雷电压侵入波超过保护间隙的击穿强度时，间隙被击穿，限制了侵入电气设备的过电压幅值，侵入波过去以后,间隙的绝缘强度能自行恢复，以使电气设备能够继续运行，氧化锌避雷器比普通间隙具有更强的恢复绝缘强度的能力。

因此，本发明的一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法及装置具备下述优点：本发明以同轴式架空电缆线更换原有架空地线的钢丝线，同时，以同轴电缆引下线作为在输电线路铁塔的贴身进行引入地面，再将同轴电缆引下线与地面避雷器连接，再将地面避雷器引至接地网的过程，以此方式连接将可以大大减少塔头放电，绝缘子放电闪络的故障，从而减少线路雷击的跳闸率，而提高供电可靠性的措施；同轴式架空电缆线的设计能够为使避雷线遭受雷击时，不击穿空气间隙，减少短路跳闸的事故的发生；同轴电缆引下线的设计能够减少反击事故的发生；在铁塔底部设置的用于吸纳雷电能量的地面避雷器装置，能够使得目前所产生的线路雷击危害大大减弱。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中同轴式架空电缆线的结构示意图。

附图3是本发明中同轴电缆引下线的剖视图。

附图4是本发明中地面避雷器的结构示意图。

图示说明：1-同轴式架空电缆线，2-同轴电缆引下线，3-地面避雷器，4-接地网，5-聚氯乙烯填充芯，6-内部导体层，7-交联聚氯乙烯层，8-外部导体层，9-聚氯乙烯外壳，1-1-内芯导体，1-2-绝缘层，1-3-外层导体。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1所示，一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法，包括以下步骤：

1)根据架空避雷线的波阻抗值的大小设置同轴式架空电缆线1，设计出波阻抗值较小的同轴式架空电缆线1；

2)设计低阻抗的同轴电缆引下线2；

3)将同轴式架空电缆线1、同轴电缆引下线2和地面避雷器3依次连接并安装在铁塔上，地面避雷器3连接至接地网4，其中同轴式架空电缆线1架设在铁塔顶端，同轴电缆引下线2的一端与同轴式架空电缆线1连接，同轴电缆引下线2的另一端与地面避雷器3连接，同轴电缆引下线2贴着铁塔塔身设置，地面避雷器3设置在铁塔底部，接地网4设置在铁塔底部的地面下，地面避雷器3与接地网4电连接；

4)当雷击到同轴式架空电缆线1上时，雷电流依次通过同轴式架空电缆线1、同轴电缆引下线2、地面避雷器3和接地网4，最终流入地下，以此方式连接将可以大大减少塔头放电，绝缘子放电闪络的故障，从而减少线路雷击的跳闸率，而提高供电可靠性的措施。

步骤1)中根据波阻抗值计算公式来设计波阻抗值低的架空避雷线，式中，L为电感，c为电容。由此公式可以知道，当电容增大时，波阻抗值是在降低的，由此可以设计出波阻抗值较低的同轴式架空电缆线1。

一种根据上述抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法设计的装置，包括安装在铁塔顶部的同轴式架空电缆线1、同轴电缆引下线2、设置在铁塔底部的地面避雷器3和设置在铁塔底部地下的接地网4，同轴电缆引下线2的一端连接在同轴式架空电缆线1上，同轴式电缆引下线的另一端与地面避雷器3连接，地面避雷器3与接地网4电连接，同轴电缆引下线2的一端连接在同轴式架空电缆线1上，同轴式电缆引下线的另一端与地面避雷器3连接，地面避雷器3与接地网4电连接，当雷电击中同轴式架空电缆线1时，雷电流依次通过同轴式架空电缆线1、同轴电缆引下线2、地面避雷器3和接地网4，最终流入地下。

如图2所示，同轴式架空电缆线1包括由内而外依次设置的内芯导体1-1、绝缘层1-2和外层导体1-3，这样设计使得当同轴式架空电缆线1遭受雷击时，可使雷电流迅速通过，并在架空地线外层上呈现下行的先导作用，即接通与大地的等电位值，与相导线形成明显的电位差值，促使雷电流率先向架空地线的外层导体1-3放电，从而达到防止雷电绕击到带电相线上的防雷目的；内芯导体1-1由钢丝制成，外层导体1-3由铝箔材料制成，成本低，并能起到有效的导电作用。

如图3所示，同轴电缆引下线2包括由内而外依次设置的聚氯乙烯填充芯5、内部导体层6、交联聚氯乙烯层7、外部导体层8和聚氯乙烯外壳9，此结构设计形成了引下线的低波阻抗特性，当发生雷击线路铁塔时，强大的雷电能量必须快速地传导到地下接地网4中，才能安全地消雷，同轴电缆引下线2这样设计能对雷电携带的高压高电流具有极强的耐受能力以确保不对邻近物体产生侧闪放电。

如图4所示，地面避雷器3为氧化锌避雷器，当雷电压侵入波超过保护间隙的击穿强度时，间隙被击穿，限制了侵入电气设备的过电压幅值，侵入波过去以后,间隙的绝缘强度能自行恢复，以使电气设备能够继续运行，氧化锌避雷器比普通间隙具有更强的恢复绝缘强度的能力。

应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据架空避雷线的波阻抗值的大小设置同轴式架空电缆线；

2)设计低阻抗的同轴电缆引下线；

3)将同轴式架空电缆线、同轴电缆引下线和地面避雷器依次连接并安装在铁塔上，地面避雷器连接至接地网。

2.一种根据权利要求1中所述的抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的方法设计的装置，其特征在于，包括安装在铁塔顶部的同轴式架空电缆线、同轴电缆引下线、设置在铁塔底部的地面避雷器和设置在铁塔底部地下的接地网，所述的同轴电缆引下线的一端连接在同轴式架空电缆线上，所述的同轴式电缆引下线的另一端与地面避雷器连接，所述的地面避雷器与接地网电连接。

3.根据权利要求2所述的抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的装置，其特征在于，所述的同轴式架空电缆线包括由内而外依次设置的内芯导体、绝缘层和外层导体。

4.根据权利要求3所述的抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的装置，其特征在于，所述的内芯导体由钢丝制成，所述的外层导体由铝箔材料制成。

5.根据权利要求2或3所述的抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的装置，其特征在于，所述的同轴电缆引下线包括由内而外依次设置的聚氯乙烯填充芯、内部导体层、交联聚氯乙烯层、外部导体层和聚氯乙烯外壳。

6.根据权利要求2所述的抑制输电线路雷击时铁塔塔头过电压的装置，其特征在于，所述的地面避雷器为氧化锌避雷器。