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    避雷塔在输电线路防雷中的应用




    雷击是一种自然现象,它的巨大能量众所周知。几个世纪来,人类对雷击的破坏性的研究、探索和采取预防的措施,已经有了一套比较成熟的理论。从EMC(电磁兼容)的观点来看,防雷保护由外到内应划分多级保护区。最外层为0级,是直接雷击区域,危险性最高,主要是由外部(建筑)防雷系统保护,越往里则危险程度越底。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成,从0级保护区到最内层保护区,必须实行分层多级保护,从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言,雷电流经传统避雷装置后约有50%是直接泄入大地,还有50%将平均流入各电气通道。
      总体防雷原则是:
      1.将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散(外部保护);
      2.阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护);
      3.限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。
      这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。
      一、建筑物的综合防雷技术应用
      (一)铁路站场
      铁路站场直击雷防护重点区域是通信楼、信号楼和户外岔群咽喉区设备。  
      1.通信楼直击雷防护
      利用通信楼附近的高约45米微波塔,在塔顶上安装IF3避雷针,避雷针安装高度超出塔顶2.5米。经计算,避雷针对地面的保护半径可达119米。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于1欧。
      2. 信号楼直击雷防护
      利用被保护建筑物信号楼,高度约为10米,在信号楼顶部安装IF3避雷针,针的安装高度超出楼顶5米。经计算,保护半径可达109米。楼顶预埋350mm×350mm×10mm厚钢板,便于焊接避雷针底座,从底座延相反方向焊接引出两条引下线,引下线采用大于8mm的圆钢沿楼外墙引下入地,与楼的接地环相连。防雷接地装置接地电阻小于1欧,将避雷针与接地装置贯通。
      3.户外岔群咽喉区直击雷防护
      铁路站场岔群咽喉区的特点是设备分布较为集中,岔群咽喉区段长度约145米,在岔群咽喉区附近各建立12米高的铁塔,塔顶安装IF3避雷针。经计算,保护半径可达111米。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于10欧。
      (二)民用机场
      民用机场的防雷和防雷击电磁脉冲和内部过电压的保护的设计与施工既要可靠地设计建筑物外部的防雷击装置,又要完善考虑建筑物内部的大量电子信息设备的防雷击电磁脉冲和内部过电压的保护。下面讨论设计中的一些要点。 
      1.外部避雷系统 
      在机场重要的第一类和第二类防雷建筑物的接闪器以普通针、带、网相结合为主。如建筑物本身无法实施普通的避雷技术措施,可采用国外先进的E.S.E提前放电避雷针。在防雷建筑物的外防雷系统的设计时,应实现总等电位连接和联合接地。考虑实际应用效果,引下线可考虑使用焊接的主承重柱内的钢筋引下线逐点检查核实。
      2. 建筑物内部防雷击电磁脉冲和内部过电压保护的设计 
      应特别重视对由低压电缆引入的雷击电磁脉冲的防护,依据 GB50057.94《建筑物防雷设计规范》和 IEC61312—1《防雷电电磁脉冲设计的一般原则》以及相关国家、行业标准,对于安装有大量电子设备(引入PE线的金属外壳 I类耐过压水平用电设备,依据IEC664-1)的低压配电系统,根据防雷分区的定义结合等电位连接的作法,对其防雷电电磁脉冲进行分级设计[4]。
      二、测报工作中防雷技术的应用
      (一)水文测报系统
      水文报汛是在规定的时间内进行,在时间上没有选择的余地。水文缆道架设地野处,加之缆道的主索、工作索等均是钢材,属导电体,易受雷击,为不影响水文测验,必须对缆道进行防雷避雷设施建设。
      1.水文缆道设施防雷避雷
      水文缆道跨度较小,可采用避雷针防雷;跨度较大时,避雷针则无法兼顾整个跨度缆道,采取避雷线的方式避雷。在缆道主杆上端架设一个高3m以上的避雷塔,然后在避雷塔安装避雷线,使避雷线、钢支架用扁钢与地网连接。要求避雷线采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线;引下线优先采用直径不小于8mm的圆钢,地网电阻不大于4Ω。缆道感应雷的防护主要是依靠电源防雷,信号防雷,合理的地网铺设等措施可减少或杜绝感应雷的影响。长江委水文局上游局的大多水文站均采用在左右岸钢支架上端架设一个高3~5m的避雷塔,安装避雷线,并与地网连接,防雷避雷效果明显。 
      2.水位、雨量仪器防雷避雷
      采用防雷针、引下线、地网的防雷系统来防止水位、雨量仪器直接雷击。 由于水位、雨量观测在野外进行,其观测的设备——雨量筒、卫星天线、太阳能板都安装在自记井顶部(自记井顶部最大直径不超过2m),因此,避雷针也只能安装在自记井顶部。假如卫星天线的高度为 1.0m,当避雷针高度则为 2.7m时,可将天线置于以避雷针为圆心、半径约 3m的有效保护范围内(避雷针的保护角度按60°算,避雷针最好安装在海事卫近几年来,由于环境条件的不断劣化,雷击引起的输电线路掉闸故障也日益增多,不仅影响设备的正常运行,而且极大地影响了日常的生产、生活。从山东省来看,淄博属于多雷区,每年都发生雷击线路掉闸故障。前些年,主要集中在南部山区线路,近几年有向北部平原转移的趋势,雷击已成为影响输电线路安全可靠运行的最主要因素。
      为了减少输电线路的雷击故障,采取了各种综合防雷措施,如降低杆塔接地电阻、提高线路绝缘水平、采用负角保护、架设耦合地线等,取得了一定的效果。但对于分布在高土壤电阻率的部分线路,降低杆塔接地电阻难度较大,对于防治绕击雷对线路造成的故障仍没有好的对策。
      目前,国外已广泛使用线路型合成绝缘氧化锌避雷器用于输电线路的防雷,取得了很好的效果。从1997年开始,淄博电业局与原电力部中能公司合作,使用该公司生产的线路避雷器,并分别在35 kV、110 kV线路上运行,经过2个雷雨季节的考验取得了明显的效果。
      1、线路避雷器防雷的基本原理
      雷击杆塔时,一部分雷电流通过避雷线流到相临杆塔,另一部分雷电流经杆塔流入大地,杆塔接地电阻呈暂态电阻特性,一般用冲击接地电阻来表征。
    雷击杆塔时塔顶电位迅速提高,其电位值为
      Ut=iRd+L.di/dt(1)
      式中i——雷电流;
      Rd——冲击接地电阻;
      L.di/dt——暂态分量。
      当塔顶电位Ut与导线上的感应电位U1的差值超过绝缘子串50%的放电电压时,将发生由塔顶至导线的闪络。即Ut-U1>U50,如果考虑线路工频电压幅值Um的影响,则为Ut-U1+Um>U50。因此,线路的耐雷水平与3个重要因素有关,即线路绝缘子的50%放电电压、雷电流强度和塔体的冲击接地电阻。一般来说,线路的50%放电电压是一定的,雷电流强度与地理位置和大气条件相关,不加装避雷器时,提高输电线路耐雷水平往往是采用降低塔体的接地电阻,在山区,降低接地电阻是非常困难的,这也是为什么输电线路屡遭雷击的原因。
      加装避雷器以后,当输电线路遭受雷击时,雷电流的分流将发生变化,一部分雷电流从避雷线传入相临杆塔,一部分经塔体入地,当雷电流超过一定值后,避雷器动作加入分流。大部分的雷电流从避雷器流入导线,传播到相临杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时,由于导线间的电磁感应作用,将分别在导线和避雷线上产生耦合分量。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流,这种分流的耦合作用将使导线电位提高,使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压,绝缘子不会发生闪络,因此,线路避雷器具有很好的钳电位作用,这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。
      以往输电线路防雷主要采用降低塔体接地电阻的方法,在平原地带相对较容易,对于山区杆塔,则往往在4个塔脚部位采用较长的辐射地线或打深井加降阻剂,以增加地线与土壤的接触面积降低电阻率,在工频状态下接地电阻会有所下降。但遭受雷击时,因接地线过长会有较大的附加电感值,雷电过电压的暂态分量L.di/dt会加在塔体电位上,使塔顶电位大大提高,更容易造成塔体与绝缘子串的闪络,反而使线路的耐雷水平下降。因为线路避雷器具有钳电位作用,对接地电阻要求不太严格,对山区线路防雷比较容易实现。
      2、避雷器的选型及安装维护
      线路避雷器有2种类型,即带串联间隙和无串联间隙2种,因运行方式不同和电站避雷器相比在结构设计上也有所区别。
      线路避雷器安装时应注意:
      (1)选择多雷区且易遭雷击的输电线路杆塔,最好在两侧相临杆塔上同时安装;
      (2)垂直排列的线路可只装上下2相;
      (3)安装时尽量不使避雷器受力,并注意保持足够的安全距离;
      (4)避雷器应顺杆塔单独敷设接地线,其截面不小于25 mm2,尽量减小接地电阻的影响。
      投运后进行必要的维护:
      (1)结合停电定期测量绝缘电阻,历年结果不应明显变化;
      (2)检查并记录计数器的动作情况;
      (3)对其紧固件进行拧紧,防止松动;
      (4)5 a拆回,进行1次直流1 mA及75%参考电压下泄漏电流测量。



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