500kv高压杆塔防雷装置研究[杆塔避雷针应用分析]

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2.1避雷针工作原理

避雷针由针头、接地引下线、接地装置构成一套保护系统。避雷针是利用自身良好的导电性,通过接地装置将雷击电流引入大地,保护避雷针周围的物体。当雷电击中避雷针时,避雷针的被保护物比避雷针低,由于避雷针的屏蔽和迎面先导作用,极大地降低了保护物遭受雷击的概率。在高压杆塔上安装避雷针可有效减少直击雷。
常见的避雷针有富兰克林避雷针、优化避雷针、提前放电避雷针三类,以适应不同的保护对象:
(1)富兰克林避雷针富兰克林避雷针是传统的直击避雷针。这种避雷针要求安装高度较高,但保护半径较小,适用于小区域的保护。用于 石化仓库、广电、加油站、建筑大楼、信标台,通信基站、气象台、军事基地、雷达机房、银行大楼。
 
图2.1富兰克林避雷针
(2)优化避雷针
优化避雷针是传统的富兰克林避雷针的改进型,这种避雷针对雷电流的陡度有一定的抑制作用,防雷效果更好。
图2.2 优化避雷针
(3)提前放电避雷针
当避雷针截受雷击时,由接闪体接闪,通过雷电波形处理装置,利用外壳与中心接地杆之间有3mm间隙,构成耦合电容,同时外壳通过一个电感线圈接地(中心接地杆)当下行先导接近接闪器时,由于频率极高,电感呈开路状态,电容对高频呈现短路特性,因此耦合电容作用下,接闪器表面电场强度迅速增加,直至触发雪崩过程,从而能在顷刻间将雷电流泄放入地,以至有效的达到防雷害保安全的目的。提前放电避雷针在欧洲普遍采用,已经标准化(NFC17-102)。相对于传统的避雷针来讲,该种避雷针不等雷电场强增加到一定的程度就能够提前放电,保护半径更大,降低了每次接闪时的雷电流脉冲强度,减少了雷电感应引起的二次效应,更为安全。
图2.3 提前放电避雷针

2.2  避雷针应用分析

2.2.1  避雷针的引雷性能

避雷针的防雷作用是它能把闪电从保护物上方引向自己并安全地通过自己泄入大地,因此,其引雷性能和泄流性能是至关重要的。避雷针的引雷性能已有实验和理论分析如下[7]:
图2.2中,L为避雷针尖,其高度为h;P为雷电极头部,其对地高度为H;E为雷电极正下方的投影点,L、P之间的距离为R。当P点维持k等于某一常数在图面上运动时,其运动轨迹就是雷击避雷针和地的理论分界线。分界线以y轴为中心旋转就是立体的分界面。分界面内为雷击避雷针的空域,分界面以外为雷击大地的空域,分界面附近引下的雷击地面为散击区。
图2.4 避雷针分界面
根据对塔形建筑物吸引雷击次数随其高度增加而变化的观测以及长间隙放电棒对棒的实验结果都证明,避雷针的引雷能力随其高度的增加而增强,但增加的速度是变缓的。
避雷针的上部有一段可能自身遭受侧向雷击的空间,称为对针杆侧击区;高架避雷针的引雷能力强,当侧方袭来的下行雷电先导被避雷针引近而未能在针端接闪时,会出现闪电击中避雷针附近地面的情况,使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大,该地面称为散击区。高耸的建筑物和高架避雷针附近地面出现散击区,远离避雷针的地方雷击率不受避雷针的影响,称为正常区。避雷针周围空间侧击区、地面的保护区、地面的散击区和正常区如图2.3所示。有学者对避雷针高度对保护区和散击区的影响范围[13,14],统计结果如表2.1所示。由表中数据可以得出以下结论:在低于60m的范围内,随着避雷针高度的增加,避雷针的保护区域增大,高于60m时,避雷针高度增加后保护区范围无明显变化,而散击区范围随之增大。
图2.5 避雷针的侧击区、保护区和正常区
表2.1  避雷针高度对保护区和散击区的影响
避雷针高度/m 10 20 30 40 60 80 100
地面保护区半径/m 32 45 52 56 60 60 60
地面散击区半径/m 89 127 155 179 219 253 282

2.2.2  避雷针应用方法

由于线路弧垂等原因,杆塔附近导线位置比较高,雷击导线多发生在近杆塔段。在高压输电线路上的塔顶装设避雷针,杆塔附近的雷将会落在避雷针上,通过杆塔入地,减少了导线遭雷击的概率。但雷击概率又与避雷针高度的平方成正比关系.由式(3.1)可知,避雷针安装于塔顶时,相当于增加了杆塔高度,安装避雷针后杆塔落雷几率将增大,由于避雷针的接地引下很难和杆塔接地分开,通常与杆塔接地连为一体,从而导致杆塔绝缘子也频繁承受因雷击避雷针而形成的反击电压。并且杆塔高度越高,杆塔的电感越大,流过杆塔时雷电流产生的幅值越高。同时,杆塔越高,大地的屏蔽作用越小,增强了反击对线路的危害。这种几率增大的反击雷比几率很小的直击雷对线路的危害还大,因此,输电线路应根据具体情况选用避雷针作为防雷保护。
据统计[6],500KV高压线路雷击跳闸90%以上是绕击雷,避雷针可有效避免雷击塔顶,但对绕击雷的防护效果不明显。当高压输电杆塔安装避雷针后,不仅增加了高压输电线路杆塔的等效高度,进而增加雷击概率,而且还会引起绝缘老化速度加快和减少设备使用寿命等问题。因此,500KV高压杆塔建设时应根据当地的地形、气候等因素选择是否安装避雷针。

2.2.3  避雷针的安装与维护

将避雷针各部件组装好后,用螺栓紧固或焊接方法将避雷针整体固定在基座上。安装时需注意以下问题:
(1)所有金属部件必须镀锌,操作时注意保护镀锌层。
(2).采用镀锌钢管管制作针尖,管壁厚度不得小于3mm,针尖刷锡长度不得小于70mm。
(3)避雷针应垂直安装牢固。垂直度允许偏差为3/1000。
(4)焊接要求焊接应采用搭接焊,其搭接长度必须符合下列规定。
(5)扁钢为其宽度的2倍(且至少3个棱边焊接)。
(6)圆钢为其直径的6倍。
(7)圆钢与扁钢连接时,其长度为圆钢直径的6倍。
(8)避雷针一般采用圆钢或钢管制成,其直径安装实际情况选定
(9)避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成,其直径不应小于下列数值。针长1m以下:圆钢为12mm。钢管为20 mm;针长1-2m:圆钢为16mm,钢管为25mm。
避雷针投入使用后,每年雷雨季节前按下列内容进行检查:
1)避雷针各连接部位的连接应可靠,不允许松动。
2)检查避雷针接闪器至底座的总阻值≤5Ω。
3)避雷针应通过引下线(专用或借用)接地,接地电阻值≤10Ω。在土壤电阻率高的地区,可适当放宽对接地电阻的要求。

[正文图表略.]
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