一种外移式防雷保护系统

摘要

本发明公开了一种外移式防雷保护系统，主要用于电力架空线路防雷，包括导闪系统、绝缘配合系统、入射释放系统和接地阻抗匹配系统；所述导闪系统为低阻抗通道放电尖端点，消减雷电先导电位；所述绝缘配合系统缩短雷电施加在被保护系统上的分布电压和持续时间；所述入射释放系统是指释放雷电冲击波头，降低雷电入射电压，抑制电网中性点位移电压；所述接地阻抗匹配系统通过多支路低阻抗通道分别与导闪系统、绝缘配合系统、入射释放系统进行系统匹配。本申请采用破坏雷电生成条件的办法，使其不产生强直击、强感应、强反击和“球雷”；可大幅度降低断电事故的发生，减少直接和间接损失；为大中型企业的重要输电线路的供电可靠性提供保障。

说明书

技术领域

本发明涉及供电系统保护领域，具体涉及一种外移式防雷保护系统。

背景技术

目前为止，电力架空线路的防雷技术主要是35KV及以上电压等级线路装 设架空地线，站所装设避雷针和常规避雷器。10KV及以下电压等级线路不配置 架空地线，只配置常规避雷器，站所配置常规避雷器和避雷针。现有的架空输 电线路防雷主要存在以下几个问题：

1)当雷云下行放电时，架空地线可将一般能量的雷电流导入大地，从而达到 保护线路免受雷电直击的目的。实际运行中亦发挥了重要作用。但是在多雷区 和强雷区则存在两个问题：

一是无法防止绕击雷电。因为绕击雷电多为分支流注放电结果，运行方向 多为横向或斜向，可绕过避雷线直接击中导线。当流注头形成密集电荷中心脱 离分支流注时(通常称为“球雷”)电位更高，运动方向更不规则，时常击中 导线或在避雷针之间穿过，击中站所户外母线与设备，发生雷击断电或损坏设 备事故；

二是雷击避雷线或塔顶时，若强度大，即使接地电阻很小，由于接地网瞬 间释放能力有限，瞬间分布电压仍较高，反击线路击穿绝缘子，导致断电故障。

2)线路和站所避雷器的绝缘配合裕度低，通流能力小。对雷电施加在设备上 的分布电压抑制效果差。以10kV避雷器为例，线路型避雷器残压值一般为 50kV，绝缘配合裕度近似为零，2ms方波通流100A。当雷电流达数千或数万安 培或更大时，必延长雷电电压施加在设备上的持续时间，危害设备绝缘。经常 发生的设备绝缘击穿了，避雷器不动作或避雷器动作的同时击穿设备绝缘。

3)架空线路杆塔接地电阻过大或过小均成为雷击选择目标。因单体设备与群 体设备不同，接地电阻大，则雷电在杆塔或设备上的分布电压高，持续时间长， 危害设备绝缘，易反击损坏绝缘子。接地电阻小的杆塔易成为雷击选择目标。 一旦成为强雷击目标，同样会发生击穿线路绝缘子的后果。

4)发生在导线上的强感应雷电或雷击导线时，只能靠避雷器释放雷电流，因避 雷器本身的电阻为兆欧级，因此对雷电冲击波头释放不够充分，两端冲击波将 发生冲击波头折返叠加问题。尽管有释放点可以缓解，但仍可能发生问题。实 际运行中，此类事故多有发生。

发明内容

本申请根据雷云放电诸多特点和雷电对架空线路的各种侵害形式，在被保 护区配置外移式防雷保护的导闪系统、入射释放系统、绝缘配合系统和接地阻 抗匹配系统，以建立低阻抗通道和加大预放电量的方式，削减雷云先导电位至 1KV/cm以下，对被保护区的诸多线路形成封闭式保护，使其不发生低空近距 离闪击，从而达到彻底消除雷电绕击、强直击、强感应和强反击的目的，实现 架空线路的安全运行。具体技术方案如下。

本申请提供一种外移式防雷保护系统，其包括导闪系统、绝缘配合系统、 入射释放系统和接地阻抗匹配系统；所述导闪系统为低阻抗通道放电尖端点， 改造雷击选择性和随机性，适应先导预防电，消减雷电先导电位；所述绝缘配 合系统是指雷电过电压的绝缘配合，缩短雷电施加在被保护系统上的分布电压 和持续时间；所述入射释放系统是指释放雷电冲击波头，降低雷电入射电压， 抑制电网中性点位移电压；所述接地阻抗匹配系统通过多支路低阻抗通道方式 改变雷击选择性，并通过多支路低阻抗通道分别与导闪系统、绝缘配合系统、 入射释放系统进行系统匹配。

进一步地，本申请中所述导闪系统至少一套，每套导闪系统由至少三个导 闪塔、多个匹配点及接地单元构成。在实际应用过程中，如果线路较长(超过 30Km)、雷电易击段较多时，所述导闪系统可设置多套，以便达到更好的防雷 效果。

优选地，本申请中所述导闪塔为三到六基导闪塔，所述匹配点为被保护区 的地面附着物，如建筑物、铁塔、线路等。

优选地，本申请中所述导闪系统设在被保护区的边缘，所述导闪塔垂直于 边缘线路的水平距离为42-2721m，所述导闪塔之间的对角水平距离为 1495-5420m。

进一步地，本申请中所述入射释放系统由至少一组高值电阻器、低阻抗接 地变压器及接地单元构成，安装在被保护区的变电站或开闭所母线或主变压器 中性点。

进一步地，本申请中所述入射释放系统由至少一组高值电阻器、接地单元 构成，安装在被保护区的变电站或开闭所主变压器中性点。

进一步地，本申请中所述绝缘配合系统由至少一组低残压避雷器构成，安 装于被保护区线路边缘和站所出入口。

进一步地，本申请中所述接地阻抗匹配系统为在保护区的保护物和被保护 物之间建立多支路低阻抗通道：首先选取参考点，然后根据雷电先导头的高度、 参考点的电阻值及高度、被保护区常年土壤电阻率及接地电阻值、空气间隙击 穿距离等计算调整各个通道的接地阻抗值，阻抗调整的保险系数为1.45。具体 的调整方法如下所述：假如A为1/n低阻抗通道，B为1/n被保护物，且A、B 高差不大于7.2m，A、B间水平距离不大于50m时，A的接地电阻值小于B的 接地电阻值的计算差值为1.4时，应乘以1.45系数加大差值，人为降低A的电 阻值。若客观条件无法实现时，采用阻抗匹配单元，或提高B的接地电阻值。 但加大B的电阻值时，不可超过极限值。

优选地，在接地阻抗匹配系统中通常选取被保护区中心的最高和最低地面 附着物作为参考点。当被保护区的线路通道具有多电压等级线路时，按最低电 压等级线路高度选择参考点。

有益效果：本申请针对雷电侵害形成发展和放电过程特点，采用破坏强雷电生 成条件的办法，使其不产生雷电绕击(含球雷)、强直击、强感应和强反击； 而现有技术是强雷电发生了去防护，本申请是对已有技术的补充和完善；可大 幅度降低断电事故的发生，减少直接和间接损失；尤其对大中型企业，如石油、 化工、冶金、矿山、易燃易爆场所、机场、港口、电气化铁路、通讯、广播电 视、军事工业、军用设施等重要输电线路的供电可靠性极为有利。

附图说明

图1本申请所述外移式防雷保护系统结构示意图；

图2半径30km范围内发生雷电的释放曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本申请作进一步的解释说明。

如图1所示，为本申请提供的外移式防雷保护系统的结构示意图；本申请 提供的外移式防雷保护系统包括导闪系统、绝缘配合系统、入射释放系统和接 地阻抗匹配系统。

所述导闪系统一般由三到六基导闪塔和多个匹配点及其接地单元构成，当 与绝缘配合、入射释放和被保护区的被保护物接地电阻进行系统匹配后，可发 挥如下作用：①、适应雷击选择性，使其成为低阻抗通道的放电尖端点，改造 雷击选择性和随机性，因外移式防雷保护的导闪系统一般情况下，均在远离被 保护区的边缘，线路水平距离42m-2721m，对角水平距离一般为1495-5420m， 另因雷电绕击在一般情况下是分支流注放电的结果，运动方向多为横向运动， 当遇有同性电场或相关因素时改变方向所致。多数情况下为雷云先导电位高、 放电距离近时产生，当放电距离远时不产生。因绕击球雷或分支流注在运行中 衰减较快，当距离远时自行消失。②、适应先导预防电的特点：导闪系统不仅 仅是低阻抗通道的尖端放电点，更是先导预防电的重要渠道之一，当实施接地 阻抗匹配后，将其改造为主渠道，以此削减雷电先导电位。另一方面，多支路 低阻抗通道，可适应负极性多支路放电和正极性少支路放电。当预防电较充分 时，先导电位自然被削减和降低。因为就一大片雷云的某一局部而言，单位时 间的电荷量是有限的，从大量释放到在电子崩的作用下重新生成高电位，在时 间上总要有一个过程，又要重新生成和释放的过程。

所述入射释放系统是根据中性点电阻接地装置的原理由至少一组高值电 阻器和低阻抗接地变压器及接地单元构成，一般安装在变电站或开闭所母线或 主变压器中性点(若安装于主变压器中性点时，可不配置接地变压器，或采用 等效方式)。其作用如下：①、释放雷电冲击波头，降低雷电入射电压，长距 离输电线路某段发生感应雷电或雷击导线，都要发生雷电冲击波头，以 300Km/ms的速度向变电站和负荷侧侵入，危害系统设备绝缘，当线路中间段 发生强感应或雷击导线时，若释放不充分，将出现两侧冲击波头叠加，加剧对 绝缘的伤害，通常依靠避雷器释放，是十分必要的。实际运行中也发挥了重要 作用，如分梯次释放等，但是，当发生雷电强度大或设备绝缘强度低于避雷器 残压值等问题时，则不能完全消除雷电侵害，有时发生避雷器动作的同时，设 备绝缘击穿或避雷器未动作时设备绝缘已击穿等问题即如此。入射释放装置是 低阻抗通道，适时释放，不蓄积能量，可快速释放入射电压，不存在波头叠加 问题，见半径30km范围内发生雷电的释放曲线图，如图2所示。②、单相击 穿不扩大事故：若系统设备绝缘水平低于1.7PU，雷电击穿单相绝缘时，不发 生演变的内部过电压，如高频与工频电弧重燃过电压和谐振过电压等。因为雷 电击穿单相绝缘时，其雷电的放电过程已结束，若系统未装备入射释放装置或 电网中性点接地方式有差异，且工频对地电容电流超过国家技术规范的规定， 或系统内有一定的谐波分量，则工频电弧重燃过电压、高频电弧重燃过电压和 谐振过电压则可能发生或必然发生。本申请通过类似中性点高值电阻接地装置 的入射装置，对谐振和弧光接地过电压进行抑制。③、抑制电网中性点位移电 压，10KV、66KV和110KV系统的中性点偏移问题较普遍，除中性点接地方 式因素之外，另有三相对地不对称电容和三相导线排列方式等因素。入射释放 装置投入后，可大幅度减小电压偏移。④、系统单相接地时，可持续运行2小 时(不改变系统继电保护方式)。

针对雷电过电压的绝缘配合系统是指避雷器的残压与设备绝缘强度相配 合。本系统采用低残压避雷器，提高绝缘配合裕度。以10KV为例，线路型低 残压避雷器的雷电冲击残压值为41KV时，绝缘配合裕度可由零提高至18％， 站所型低残压避雷器的残压值为39KV时由10％提高至22％，通流能力分别 提高4倍和2倍。保护半径提高1.6-1.9倍。雷电施加在设备上分布电压、持 续时间分别缩短4倍和2倍，保护效果增强。

所述接地阻抗匹配系统是导闪系统、绝缘配合系统、入射释放系统等各保 护物之间，以及保护物和被保护物之间的接地电阻值的合理匹配。具体的匹配 方法为：首先选取参考点，然后根据雷电先导头的高度、参考点的电阻值及高 度、被保护区常年土壤电阻率及接地电阻值、空气间隙击穿距离计算等调整各 个通道的接地阻抗值，阻抗调整的保险系数为1.45。在接地阻抗匹配系统中通 常选取被保护区中心的最高和最低地面附着物作为参考点。当被保护区的线路 通道具有多电压等级线路时，按最低电压等级线路高度选择参考点。接地阻抗 匹配系统通过加大先导预放电方式，削减雷云先导电位，实现被保护区不发生 雷电绕击(球雷)；不发生低空近距离闪击和强直击、强感应和强反击。以建 立多支路低阻抗通道方式，适应正极少支路和负极性多支路放电特点，人为改 变雷击选择性，达到被保护区不发生雷击的目的。强感应等施加在导线上的入 射电压，迅速释放，不发生冲击波头叠加，不扩大事故。从雷电过电压的意义 上讲，被保护区可处于长期安全稳定的状态下运行。

实施例1：通化钢铁公司66KV桃源变电所系统

1、设备情况：

①、主变压器2台，容量为25MVA，电压等级66KV/6.3KV；

②、系统谐波分量以5次为主；

③、6.3KV对地电容电流分别为25A和40.2A；

④、负荷为炼铁、烧结、制氧和新料场等。

2、改造前运行情况：

66KV架空线及6.3KV架空线路均处于雷电多发区域，整改之前雷击事故频 繁，最多时年雷击断电6次，最少每年2次。直接影响炼铁、制氧等一类负荷， 损失十分巨大。

3、本申请技术应用情况：

配置外移式防雷保护1套。其中：

导闪系统配置导闪塔4基，导闪塔对66KV线路距离分别为42m、74.6m、 2701m、492m，对角距离分别为3.69Km和5.42Km；

入射释放系统配置改进的高电阻接地装置2套，安装于变电站；

绝缘配合系统配置低残压避雷器4组，其中66KV2组，安装于变电站入口， 6.3KV2组，安装于基地线路末端；

接地阻抗匹配，确定计算参考点3个，分别为6.3KV基地线路终端杆、66KV 南源线跨江段两侧铁塔，阻抗匹配调整8点，最小差值1.4Ω，最大差值3.2 Ω，保险系数1.45。匹配后各低阻抗通道满足防雷要求。

4、技术应用效果：自1998年8月10日投运，已连续运行16年零11个 月无事故。

实施例2：邯邢矿业西石门铁矿6.3KV供电系统

1、设备状况：

该矿供电系统由1座35KV变电站、5座6.3KV变电站和20回6.3KV配电 线路构成。其中，35KV变电站主变压器3台，分别为16MVA变压器1台、10MVA 变压器2台，电压等级35KV/6.3KV，6.3KV架空输电线路18回，电缆线路2回； 系统对地电容电流38.2A。

2、运行情况：

6.3KV系统架空线雷击断电和损坏设备事故频繁，以技术应用前3年为例， 2011年，4次；2012年，4次；2013年，18次。

3、本申请技术应用情况：

配置外移式防雷保护1套，将35KV变电站、6.3KV配电站和18回6.3KV 架空线路置于保护范围内，其中：

导闪系统：配置导闪塔4基，匹配点7个。导闪塔距边缘线路水平距离分 别是54–445m；对角水平距离1495m和3260m；

入射释放系统：配置中性点高电阻接地装置1套，零序阻抗满足系统匹配 要求；

绝缘配合系统：配置低残压避雷器48组，雷电冲击残压线路26KV，站所 24KV。安装于各架空线路首端、末端和变电站一、二段母线；

接地阻抗匹配系统：选择计算参考点6个，并对导闪、入射释放和绝缘各 保护系统和被保护系统进行了系统接地阻抗匹配，补充和调整各接地网接地电 阻值，局部区域阻抗匹配最大差值5.7Ω，最小差值1.4Ω，保险系数1.45。 匹配后各低阻抗通道满足防雷要求。

4、技术应用效果：2014年5月5日投入运行，运行情况良好，至今未发 生雷击断电事故。

本申请针对雷电形成发展和放电过程特点，采用破坏其生成条件的办法， 使其不产生强直击、强感应、强反击和“球雷”。是对已有技术的补充和完善。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。