一種高壓架空輸電線路上地線的防雷融冰裝置的製作方法

2023-05-09 19:34:06

本發明涉及一種高壓架空輸電線路上地線的防雷融冰裝置。適用於電力系統線路工程的安全與節能。

背景技術：

如圖1所示，在輸電線路上架設防雷地線是送電線路最基本的防雷措施之一，地線在防雷方面具有以下功能：1)防止雷直擊導線；2)雷擊塔頂時對雷電流起到分流作用，減少流入鐵塔的雷電流，使塔頂電位降低；3)對導線有屏蔽作用，當雷電雲入侵時可降低導線上的感應過電壓。地線除上述作用外，隨著現代通信的發展，光纖通信已經被廣泛使用，將通信光纖附著於架空地線是一個非常經濟且有效的方法。儘管架空地線的作用如此之大，但是在實際應用中發現存在不少問題，如：

1)、由於地線一般都架設在塔頂上，在冬季更容易形成覆冰，一旦冰層過厚，將會引起杆塔倒地，地線斷裂，導、地線之間短路接地，整條線路中斷供電的情況。

2)、在架空線路中，由於地線至各相導線的距離一般是不相等的，它們之間的互感也會有差別，儘管在正常情況下三相導線上的負荷電流是平衡的，但在地線上仍要感應出一個縱電動勢，如果地線是每一鐵塔均接地的話，這個電動勢就要產生電流流入大地，其結果就是增加了線路的電能損失。據測算，這個附加的電能損失是跟同負荷電流的平方和線路長度成比例的，對於220kV長200－300km的送電線路，這個附加電能損失每年約有幾十萬度，而對於500kV長300－400km的送電線路，每年約損失500－600萬度電量，這是相當可觀的損失。

對於上述問題，人們想到了對架空地線進行絕緣改造，目前採用的絕緣方式是在地線上加裝絕緣子6，圖2、圖3是兩種常用的絕緣子，這兩種絕緣子都具有二根帶有放電間隙的金屬棒，一般放電間隙為10－40mm(有的達到100mm)。加裝絕緣子後，地線在正常情況下與大地是絕緣的，覆冰嚴重時可以對地線加載直流電源，使地線發熱升溫，達到融冰目的。而當雷電發生時，在雷電先驅放電階段先擊穿絕緣子的間隙而使地線呈接地狀態，這就解決了上述第一個問題。地線被架空絕緣後，消除了地線對地的感應電動勢，避免了巨大的電能損耗，即解決了上述第二個問題。

儘管架空地線經過了上述改造，申請人還是發現有不足之處：

3)、由於地線運行方式多為逐塔接地或分段絕緣一點接地，在實際運行中，發現絕緣子6在覆冰條件下，覆冰厚度為10mm和20mm時絕緣子平均閃絡電壓分別為12.6～13.5kV和9.0～12.0kV，遠低於清潔絕緣子的平均閃絡電壓(24.6～28.5kV)，可見，絕緣子覆冰及染汙都會降低其閃絡電壓。

4)、在架空地線全線絕緣的情況下，若絕緣子的空氣間隙為100mm，當雷擊地線而該空氣間隙未被擊穿時，可發現此時在塔頂的過電壓要大於地線與鐵塔正常連接時的過電壓，尤其是在過電壓波形的波頭部份。其原因是由於地線與鐵塔之間的空氣間隙未被擊穿，雷電能量推遲向下方大地釋放，從而使得過電壓波頭部份變陡，過電壓程度提高，致使線路防雷能力下降。而如果放電間隙過小，絕緣子頻繁打火放電，也會對絕緣子造成損壞。

5)、通常情況下，架空地線周圍的電場強度會比輸電導線上的電場強度大，雷電下行先導到來時，鐵塔上的架空地線率先放電產生迎面先導，這樣就可以防止雷擊輸電線路造成線路故障。但是，為了降低地線上的電能損耗，若將地線全線絕緣，在此接線下，架空地線上的場強會小於輸電導線上的電場強度，雷電下行先導到來時，若不能擊穿架空地線與杆塔之間的空氣間隙使得地線接地的話，由於此時輸電導線上的電場強度大於地線場強，使輸電導線成為迎面先導，產生雷擊繞擊，而達不到防雷效果引起輸電線路故障，對系統安全穩定運行產生較大影響。

技術實現要素：

針對上述種種情況，本發明要解決的技術問題是：提供一種高壓架空輸電線路上地線的防雷融冰裝置，旨在全方位的解決目前發生在地線上的問題，使得架空地線既能夠防雷，還可夾帶通信光纖、融冰除雪、節能降損及野外取電等功能。

本發明所採用的技術方案是：高壓架空輸電線路上地線的防雷融冰裝置，具有架設於鐵塔上的地線，鐵塔與地線之間接有絕緣子，其特徵在於，所述地線由內層導體、絕緣層和外層導體組成，內層導體直接與鐵塔連接，外層導體經絕緣子與鐵塔連接；所述外層導體與絕緣子之間通過高壓連接電纜連接安裝於塔底部的防雷單元，防雷單元的另一端接地；鐵塔兩側的絕緣子之間跨接有防雷單元且在該防雷單元上並聯電抗器；

所述防雷單元由磁性避雷器FZ和電容器C組成；

每個鐵塔的底部、在其一側的防雷單元上並聯一取電變壓器。

所述內層導體內嵌通信光纖。

所述電抗器由帶氣隙的鐵芯和高壓線圈組成。

所述取電變壓器為雙繞組帶小氣隙的鐵芯變壓器，取電變壓器的初級線圈的一端與所述外層導體連接，另一端接地；取電變壓器的次級線圈連接負載。

所述高壓連接電纜為耐壓不低於10kV的交聯聚乙烯鋼絲芯為導體的電纜線。

所述絕緣子為高壓盤型懸式地線專用絕緣子，由1～3片盤形絕緣子串接而成，材料為玻璃鋼或陶瓷，帶有10～100mm的空氣間隙。

所述避雷器FZ為戶外型磁性高壓氧化鋅避雷器。所述電容器C為高電壓電容器組，絕緣等級按10～25kV設計。

本發明的有益效果是：

1、由於絕緣層的存在，架空地線外層導體在正常情況下處於高電位狀態，降低了地線的電能損耗，而在雷電來臨時，本地線的雙層導體+絕緣層的結構又起到了相當於電容器的作用，可迅速將雷電波以磁路方式排入大地；同時本裝置中的取電變壓器也能被感應先導使地線外層1-3放電，以保護相導線繞擊危害，以多種方式防止雷擊對輸電線路的危害。

2、通過對架空地線的絕緣改造，當遇有冰災時，可通過加載直流電源並經電抗器跨接連通分段地線，及時融化地線上外層1-3的冰雪，快速恢復供電。

3、架空地線絕緣狀態運行後，可大大減少電能損耗，實現降損節能的目的。

4、平時高電位運行可以減少線路單相接地短路時的潛供電流，提高單相合閘的成功率，從而提高供電的可靠性。

5、安裝本裝置後，相當於將架空絕緣的地線變成了一個具有高電位的電源線，若在線路沿線上任何一處加裝一個電源變壓器，每隔25～50km線路長度上就可以獲取3～10kw左右的工頻電源，這個電源可理解對輸電線路電能的尾電加以利用，利用該電能可作為輸電線路監控裝置的電源、或者鐵塔的夜晚照明等。

附圖說明

圖1是本發明背景技術的結構示意圖。

圖2、圖3分別是背景技術及本發明中使用的兩種型號的絕緣子。

圖4是本發明的結構示意圖。

圖5是本發明的電原理圖。

圖6是本發明採用的地線的解剖圖。

圖7是本發明中電抗器的結構圖。

圖8是本發明中取電變壓器的結構圖。

具體實施方式

如圖4、圖5所示，本實施例高壓架空輸電線路上地線的防雷融冰裝置，具有架設於鐵塔5上的地線1，該地線1由三層覆合而成(圖6所示)，分別是內層導體1－1、絕緣層1－2和外層導體1－3，本例的內層導體1－1還嵌有通信光纖。內層導體1－1直接與鐵塔5連接，外層導體1－3(鐵塔兩側)分別通過絕緣子6與鐵塔5連接。外層導體1－3與同側的絕緣子6之間經一根高壓連接電纜7引接到鐵塔5下部，與安裝在塔底部的防雷單元2連接(鐵塔兩側各有一個防雷單元)，防雷單元的另一端接地，所述高壓連接電纜7與鐵塔5之間也裝有多組隔離絕緣子8。

為了使鐵塔兩側的地線1在融冰時允許直流電通過，以及雷擊時平衡鐵塔兩側的電荷、允許高頻雷電流通過及避雷目的，在鐵塔兩側絕緣子6之間也跨接一防雷單元2。與該防雷單元2相併聯的還有一個電抗器3，電抗器3由帶氣隙的鐵芯3－2和高壓線圈3－1組成(選用由北京電力設備總廠生產的XDJI型電抗器)，如圖7所示。

所述防雷單元2由磁性避雷器FZ和電容器C組成，避雷器FZ為戶外型磁性避雷器(生產廠家：杭州在實科技有限公司，型號CT10W/500)，電容器C為高電壓電容器組，絕緣等級按10～25kV設計。

對於每個鐵塔5，在塔底部的一側防雷單元2上並聯取電變壓器4(圖8所示)，所述取電變壓器4為雙繞組帶小氣隙的鐵芯變壓器，取電變壓器4的初級線圈的一端與所述外層導體1－3連接，另一端接地；取電變壓器4的次級線圈連接負載。

本發明中的內層導體1－1和外層導體1－3均由多根帶有磁性的鍍鋅鋼絲鉸制而成，絕緣層1－2為交聯聚乙烯。

所述高壓連接電纜7為耐壓不低於10kV的交聯聚乙烯電纜，單芯(鍍鋅鋼絲)截面積120mm2，型號YLTX-43-22kV-100，嘉興五豐電纜廠生產。

所述絕緣子6為高壓盤型懸式地線專用絕緣子，由1～3片盤形絕緣子串接而成，材料為玻璃鋼或陶瓷，帶有10～100mm的空氣間隙。圖2、圖3所示的分別是型號為XDP-70C型地線絕緣子和型號為XDP-70CN型地線絕緣子，由南京電瓷廠生產。

本發明的工作原理是：

通過對雷電波的頻譜分析可知：雷電的能量主要集中在低頻部分，約90％以上的雷電能量分布在頻率為1～100kHz以下，這說明只要防止100kHz以下頻率的雷電波竄入，就能把雷電波能量消減90％以上，因此在設計的地線結構用電容器形式引入允許高頻電流通過的電容器具有開拓性的意義。

本發明以具有電容特性的雙層導體絕緣地線替代傳統的防雷架空接地線；同時將一個工頻50HZ下呈現高阻抗值的防雷單元接入地線的外層導體上，當地線在正常無雷擊情況下運行時，防雷單元呈現高阻抗和高電位狀態，由於防雷單元中電容器C的容抗為分段架空線路長度所產生的電容值的容抗的5～10倍左右，這就使流過電容器C(地線上)的電流值大大減少，即接近於將地線懸空，這樣相當於減少了架空地線所產生的對地電流值及損耗。而當雷電雲層來臨時，雷電波呈現約1～100kHZ高頻電流，根據電容器電抗計算公式式中，f為雷電波頻率，c為電容器容量值，由於頻率f＝1～100kHZ，這對於本地線所呈現出的電容特性而言是低阻抗值，可使雷電流迅速通過排入大地。本方案將取電變壓器設計成直流電阻值小於4Ω的水平，作為靜電感應電荷的電路通道，這樣當雷雲過境時，仍然可在架空地線外層1～3上呈現下行的先導作用，即接通與大地的等電位值，與相導線形成明顯的電位差值，因而可在地線的外層導體上優先實現雷電的迎面先導作用，促使雷電流率先向架空地線的外層1-3鍍鋅鋼絲導體放電，從而達到防止雷電繞擊到帶電相線上的防雷目的。