杨福贵 张汉明 王仕华 李启宏 杨光荣

（作者单位：贵州省新闻出版广电局七六四台）



三相高压加空线电源的引雷防护技改方案

杨福贵 张汉明 王仕华 李启宏 杨光荣

（作者单位：贵州省新闻出版广电局七六四台）

摘 要：贵州省新闻出版广电局764台的高压架空线路从海拔800 m到2 178 m，属于特别严重雷电活动频繁区。山上春夏秋冬都有雷暴日，年平均雷暴日达50天以上。电视台因为高压架空线路引起雷击的故障率占全年各种设备故障率的90%以上，每年雷击引起特别严重事故高达30次以上，为此采用在低压电源沿线加接多级避雷器来防雷，但不起作用。为降低每年电源引起的雷击事故，必须进行高压线防雷技改，让高频雷电波在高压变压器的前端彻底消除。

关键词：高压线防雷技改；雷击事故；雷电波

雷电波是一种强电磁冲击现象，是时域电磁学问题。雷电波防护又是工程实现性很强的技术。纯粹的理论研究方法很难直接指导实际防雷工程设计。为满足实际高压线防雷工程的需要，本文采用的方法是用1.8 km高压电缆（电缆埋地50 cm以上，电缆铠装外皮接地电阻约为4 Ω）将国家电网与变电站之间连接起来。长度1.8 km的高压电缆就是一个LC防雷滤波网络，能够完全滤除雷电波频率。利用长电缆的单位电容足够大能够应对高频短路的特点，达到消除雷电波的目的。

1 雷电波的主要性质

天上雷云之间闪电的雷电波能量很大，网络上说平均电流是30000A，最大电流可达300000A。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特，一个中等强度雷暴的功率可达1000万瓦。

但是，高压线上产生雷电波，是在天上雷雨云下方正电荷电场的作用下，高压线上才聚集了大量负电荷形成的高压静电场。一旦天上雷雨云之间闪电发生后，雷雨云的电场为0V。这时，高压线上聚集的高压负静电场立即发生正负电荷中和而在高压线上产生冲击脉动雷电流波。

高压线上的雷电波能量是有限的，因为高压线的直径很小，高压线上产生的雷电波能量不可能烧毁高压线。一般1mm2铝线能通过4 A电流，在10kV高压线路的线经为1.6cm2时，能通过最大电流0.74kA。又因为输电线路本身存在电阻，10kV高压线线路在雷击时产生的雷电波脉冲电流远小于0.74kA。

1.1 10kV高压线雷电波能量频谱

雷电波的能量如图1所示。

图1 雷电波的能量图

由图1可知：雷电波最大能量基本集中在0～30 kHz。而且频率越低，能量越大。图1说明雷电波的能量分部是：1～10 kHz，占总能量的60.44%。

0～100Hz工频附近只占总能量的2.66%。由于雷电波是脉冲函数电流波，LC防雷滤波网络是不让脉冲函数电流波通过的。频率为工频（50Hz）的脉冲雷电波分量同时被LC防雷滤波网络滤除了，唯一有电网工频（50 Hz）能量到达变电站的高压变压器。

1.2 雷电波的幅频特性

具有一定代表性的雷电波主要有10 ／350μs电流波、8／20μs电流波、1.2 ／50μs电压＋8／20μs电流组合波及10／700μs电压通信波四种波形等。雷电波的幅频特性如图2所示。

从图2雷电波的幅频特性可知，雷电波频率从0～1MHz。

2 技术改造方案能达到电源防雷目的分析

为减少每年的雷击事故，必须进行高压线防雷技改。技术改造的目的，是使高频雷电波必须在（变电站）高压变压器的前端彻底消除。

图2 雷电波的幅频特性图

最有效的方法是用2 km高压（埋地）电缆将本单位的变电站和国家电网相连接。长度近2 km的高压电缆就是1个LC防雷滤波网络，能够完全滤除雷电波频率。贵州省新闻出版广电局七六四台使用的高压电缆长度实际为1.8 km。

2.1 高压电缆的单位电容和单位电感

工程上，需要计算LC的参数值。就需要根据如图3所示的数据进行。

图3 计算LC的参数值参考图

工程实际测量：高压电缆单相金属护套内导体直径：D=28 mm。高压电缆单相线的直径：d=13 mm，聚氯乙烯：ε'=2.7。

根据公式：

电缆的特性阻抗：

电缆单位电容：

在直流和低频电缆中，电缆的单位电感值：

其中：

L：同轴电缆的电感[H]

l：同轴电缆线的长度[m]

d：同轴电缆内导体外径[m]

D：同轴电缆外导体内径[m]

μ0：真空导磁率，μ0=4π10-7[H/m]

七六四台选择1800 m长的电缆作防雷施工，1800 m电缆总的单位电容、单位电感值为：

C=1800m×196pf/m=0.353uF

L=1800m×1.42×10-1uH/m=255.6uH

2.2 架空导线与电缆连接处引起反射

雷电波在高压电网架空导线上传输时，常常会遇到线路突然改变的情况而发生折射和反射。例如，雷电过电压波从波阻抗较大的高压架空线进入波阻抗较小的高压电缆，以及在线路中间或末端接有集总参数（电阻、电感、电容或非线性元件）的元件。当出现这些情况时，波将在参数突变边界处发生折射和反射。特别是末端开路（高阻抗）或短路时，雷电过电压波将被全反射。

电网架空导线的特性阻抗计算如图4所示。

在图4中，三相高压架空线之间的距离为D=1.7 m，高压架空线的线径为d=1.6 cm。则高压架空线与线之间的特性阻抗Z01为：

国家电网高压架空线与高压电缆（的始端或输入端）相连接，高压架空线与线之间的特性阻抗为643Ω，高压电缆与电缆之间的特性阻抗为28Ω+28Ω。所以在高压架空线与高压电缆连接处形成驻波比可以简单计算为：

将s=11.5代入反射系数公式得：

反射功率：

P反的数值说明，在高压电缆与高压架空线路的连接处，因为阻抗不匹配，导致雷电波总功率能量的70%被反射。

2.3 电缆的单位电容对50KHz以上频率短路

电缆总的单位电容和单位电感：

C=0.353uF

L=255.6uH

从表1中看出，1800m长的电缆，根据容抗阻值，能够将50kHz以上的雷电波频率衰减掉。

图4 电网架空导线的特性阻抗计算图

表1 电缆容抗和感抗对比图

表1中的重要特性是：1800m长的电缆，在雷电波频率为16.75kHz时，容抗、感抗相等而形成串联谐振，16.75kHz雷电波频率分量及与16.75kHz相邻的频率分量被短路入地。

2.4 变压器初级线圈对低频呈现高阻抗

贵州省新闻出版广电局七六四台工作时，变电站的高压变压器初级线电流为3 A，线电压为12 kV，可以认为高压变压器初级线圈的阻抗为：

初级线圈的高阻抗j4K Ω与1800m长度的高压电缆（的末端）连接，电缆长度1 00m的数字与低频50Hz的波长（波长为6000000m）相比，1800m电缆长度可以略去不计。1800m与雷电波低频率相比同样如此。那么，感抗为j4KΩ经过阻抗规划（传输线理论分析略），最后体现在1800m电缆的输入端（电网高压架空线与高压电缆线的连接处）的阻抗仍然为j4kΩ。也就是说，1800m电缆的输入端对雷电波的低频分量呈高阻抗。这个高阻抗与电网高压架空线连接产生的高驻波比（VSWR），使雷电波的低频分量完全被反射，雷电波的低频分量无法进入高压电缆到达变电站。

3 结语

经过以上分析得出：第一，国家电网与高压电缆线连接因为不匹配而使70%的雷电波能量被反射；第二高压电缆线的单位电容将50kHz以上的频率短路了；第三计算出1800m长度的电缆对16.75kHz雷电波频率分量及与16.75kHz相邻的频率分量被短路；第四用传输线理论说明雷电波的低频分量无法进入高压电缆到达变电站，而雷电波的能量分布基本上集中在低频。

总之，用1800m（埋地）高压电缆将国家电网与变电站连接，能够使高压电源引起的雷击事故实现每年0次。笔者统计，近五年贵州省新闻出版广电局七六四台使用1540m高压埋地电缆供电，发生电源引起的雷击事故基本为0。为达到防雷效果最优，电视台又将另一路高压架空线与单位变电站连接，改变成用1800m（埋地）高压电缆将国家电网与单位变电站连接，这样与已经使用的1540m高压埋地电缆比较，一定能够实现每年电源引起的雷击事故为0的目标。