全面提高企业供电线路耐雷电水平的新方法

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  【摘要】企业供电线路运行电压低,在绝缘配置上大多采用针式绝缘子,在雷电较少的情况下,能够满足运行要求。然而,煤炭企业的供电线路常位于山区,雷电活动强烈,需要采取防雷技术提高供电可靠性。传统的企业供电防雷技术均借鉴于输电线路,均具有一定的缺点。本文提出了一种基于雷电流传输特性的防雷器件的设计方法,该器件的安装能够有效抑制直击雷的产生;同时该器件还能大幅度减小雷电流的幅值,降低塔顶雷击后的暂态过电压水平,从而降低供电线路的反击闪络率,全面调高企业供电线路的耐雷水平。试验结果与实际运行数据均表明,该方法能够有效接闪并大幅度降低了供电线路的闪络率。综上所示,接闪器的应用为企业提供了一种全面提高企业供电线路耐雷水平的新方法。
  【关键词】企业供电线路;耐雷水平;传输特性;时频特性;接闪器
  I.引言
  据统计,在6~35kV电压等级的企业供电线路,雷击跳闸率居高不下,且经常有柱上开关、刀闸、避雷器、变压器、套管等设备在雷电活动时损坏。[1,2]
  近年来随着企业的发展和社会的进步,神东煤炭集团公司对电能的需求越来越大,对供电可靠性的要求也越来越高。作为以煤炭产业为主导的企业,公司的许多矿井是煤与瓦斯突出矿井,极具危险性,供电安全直接关系到通风、排水系统的正常是否运转,计划外跳闸非常计划停电可能会危及到井下安全,造成矿井停产甚至危机井下工人的生产安全,因此提高企业供电系统的安全、可靠怎么强调都不过分[3-5]。然而,架空线路没有避雷线,几乎所有雷电都会击在线路上;同时企业供电架空线路的绝缘子短,绝缘等级低,因此几乎所有击在线路上的雷电都会成功建弧,导致跳闸。目前的企业供电架空线路防雷措施都直接借鉴了高压输电的防雷方法,其主要防雷措施有安装避雷器、架设避雷线或者耦合地线、安装绝缘子及过电压保护器等。尽管10kV企业供电架空线路大量使用避雷器,但在运行中因其质量、老化等问题而使一些避雷器在雷电活动时发生击穿故障,且击穿后须停电才能处理,这在一定程度上降低了供电可靠性。另外,在现有线路架设避雷线或者耦合地线工程量大、成本高,这些因素制约了该项防雷措施的推广。此外,盲目加强线路绝缘,雷电波沿线传播使线路终端避雷器遭受雷电冲击的频次增强,增大了线路终端避雷器损坏的风险。
  本文从雷电的传播特性出发,在充分了解雷电波时频特性的基础上,将电磁波传输理论引入输电线路防雷领域,创新性地提出了波器件实现线路防雷的概念,并据此设计出了巧妙的防雷波器件——XHDL型接闪器,该器件能够有效地改变雷电流的波形与幅值,在大幅度增加雷电流波前时间的同时,还能在一定程度上减小雷电流的幅值,从而有效降低了线路的反击闪络率。同时,该器件与线路避雷器等相比具有造价低、安装简单、免维护的特点,这些都是的该防雷器件具有在复杂企业供电架空线路中大面积推广的潜能。
  II.雷电流参数与企业供电线路的耐雷水平
  目前,10kV线路上正在使用的耐雷水平较高的绝缘子主要有:棒形针式绝缘子(PSQ-15T)、盘形悬式绝缘子串(XP-7)和胶装瓷横担(S-210)。这几种绝缘子的有关电气特性比较如表1所示。从该表可以看出10kV线路绝缘子的耐雷水平普遍低于300kV。[5]
  表1 几种绝缘子的电气特性比较
  绝缘子类型 50%雷电冲击闪络电压,kV 爬电距离,cm 导线对杆塔的空气间隙,cm
  棒形针式绝缘子(PSQ-15T) 118 41.6 28.5
  盘形悬式绝缘子串(XP-7,2只) 单只不小于120 56 29.2
  胶装瓷横担 210 38 36.5
  雷电波幅值概率直接决定了雷电波的能量大小,是雷击闪络计算的重要参数之一。我国规程中规定:我国一般地区雷电流幅值超过I的概率的估算可按如下公式:
  lgP=-I/88 (1)
  式中P为雷电流幅值概率,I为雷电流幅值,目前我国工程中计算雷击跳闸率都按照上述公式进行计算。IEEE和CIGRE均推荐采用拟合公式如下:
  (2)
  进行拟合,其中,a/b为被统计地区雷电活动相关的参数,IEEE Std推荐值为a=31,b=2.6,CIGRE的推荐值为a=12,b=2.7。[6]
  典型10kV供电线路参数如下:杆塔高度为15m,横担长度为1m,线路档距60m,绝缘子串冲击闪络电压为200kV。采用规程法进行计算,可以得到不同U50%下绝缘子直击雷耐雷水平。通过计算可知供电线路遭受直击雷后发生闪络的概率在99%以上,因此可以说,供电线路几乎没有耐受直击雷的能力。
  III.基于雷电波传输特性和时频特性的防雷器件的设计
  由于企业供电线路几乎没有耐受直击雷的能力,因此需要将直击雷尽量转化为绕击雷。传统的分析方法借鉴输电线路架设避雷线或耦合底线的方法,但该方法成本高,而且由于供电线路绝缘子的耐雷远远低于输电线路,即使增加了避雷线,防雷效果也不佳。
  典型的雷电波由雷电波的幅值、峰值时间和半波时间这三个参数决定,传统的防雷分析中仅关注雷电波的幅值,然而运行经验表明,幅值小、陡度大的雷电流和幅值大、陡度小的雷电流具有相同的危害,都会引发雷击跳闸事故,例如桂林供电局2004年至2005年发生的5次雷击跳闸事故中,3次由幅值小、陡度大的雷击引起;2次由幅值小、陡度大的雷击所致。[7]降低接地电阻等传统方法只对幅值大、陡度小的雷电流具有显著的抑制效果,对幅值小、陡度大的雷电流造成的闪络抑制效果并不明显。
  进一步的研究表明,在雷击情况下,杆塔主要呈电感性,在电流快速上升时,过电压主要集中在杆塔上,且电流上升速度越快,塔顶电位峰值越高。[8,9]图3给出了相同雷电流幅值、不同波前时间和半波时间对杆塔过电压水平的影响。由图3可知,当波前时间从5.2?s减小至2.6?s时,杆塔过电压幅值提高了3倍;而半波时间则几乎对过电压水平没有影响。由于波前时间远小于半波时间,因而波前时间含有的高频分量幅值更大,对暂态过电压水平影响也更大,这充分说明了雷电波中的高频分量是造成杆塔暂态过电压的主要原因。   频域分析表明,杆塔的阻抗与频率的关系较大,图4给出了雷电流幅值、杆塔阻抗和杆塔过电压的频率特性的示意图,实际的仿真分析表明,杆塔阻抗的最大值出现在1MHz左右。[10]虽然雷电流的高频分量幅值很小,但由于杆塔的高频阻抗较大,造成杆塔过电压中的高频分量幅值依然较大;这也从频域的角度进一步说明了高频分量是造成杆塔较高过电压的主要原因。
  综上所述,由于杆塔阻抗的频变特性,杆塔顶端的暂态过电压峰值主要由雷电流的高频分量决定,雷电流的高频分量与其波前时间密切相关,在雷电流幅值相差不大的情况下,波前时间越短,雷电流高频分量越多,杆塔顶端的过电压峰值越大,线路越容易发生闪络。因此有效去除雷电流中的高频分量,抑制雷电流的波前时间能够直接而有效的防止反击闪络事件的发生。
  基于对雷电流与杆塔顶端暂态过电压的上述分析,并采用电力系统中常用的“折线法”即可估算出接闪器在杆塔上方的高度。器件电阻值较小,高频分析时可忽略不计。
  雷电流中含有丰富的频率分量,其有害频率高达10MHz,该器件的感性特性巧妙地滤除雷电流中的高频分量,从而达到减缓电流陡度、增加波前时间的目的;同时高频分量通过器件的容性特性和磁芯的涡流效应而损耗,雷电流的总能量也会有所下降,因此雷电波的幅值也有一定程度的减小。
  从分布参数的角度来看,雷电流在通过波阻器件时,雷电流的陡度di/dt是一个动态的数值,其值随时间和位置的变化而变化,雷电流中的高频分量随着进入波阻器件深度的增加而被逐渐衰减和消耗,总体而言,di/dt在通过防雷器件时是在动态减低的。通过对雷电流的频谱分析可知,雷电流中含有丰富的频率分量,且其幅值随频率的增加而减小,该器件能够有效防止出现感应电压过分集中在防雷前端情况的出现,保证电压在防雷器件上呈较为均匀分布,从而有效避免了暂态电压畸变对绝缘的破坏,这一基于雷电流传输特性的巧妙设计保证了防雷器件绝缘结构的稳定性,为其良好的耐雷水平奠定了基础;后续多次实际接到闪试验中防雷器件并没有任何损失也充分证明了这一设计的合理性。综上所述,基于雷电流的传输特性和时频特性分析所设计的防雷器件能够有效的滤除雷电流中的高频分量;同时其合理的结构设计也保证了其绝缘的稳定性,这些都为其正常运行提供了有力保证。为了验证上述防雷器件设计的合理性和可靠性,我们在国网武汉高压研究院等地开展了相应的冲击电流试验来模拟雷电流的作用过程。实验表明接闪器能够有效地改变雷电流的波形与幅值,在大幅度增加了雷电流波前时间的同时,还能减小雷电流的幅值;且雷电流波前时间越短、波形陡度越高,防雷器件对其陡度的抑制效果越显著。实验数据证实,接闪器最大能降低30%以上的冲击电流峰值,符合预期。
  IV.XHDL接闪器与其他企业供电线路防雷技术比较
  传统的企业供电线路防雷技术有并联保护间隙、加装线路避雷器等。保护间隙通过在绝缘子串旁并联一对镀铜金属球电极而构成。[11,12]依据相关绝缘子50%雷电冲试验值可确定保护间隙的放电电压及间隙距离。保护间隙利用空气绝缘保护绝缘子,当线路正常运行时,保护间隙处于工频电场中。由于工频电场强度无法使空气间隙击穿,此时间隙对线路不会产生任何影响。当线路受到雷电过电压影响时,绝缘子串两端承受较高的雷电过电压,此时间隙闪络电压较低,间隙将先于绝缘子闪络,使雷电流泄入大地。并联保护间隙虽然能够有效避免绝缘子被烧蚀,但却在很大程度上降低了绝缘子对雷电冲击的耐受电压,提高了线路的闪络率。由于企业供电线路绝缘子本身的耐雷水平就很低,该方法可能使线路的耐雷水平降低到无法接受的程度,由于线路重合闸成功率仅在80-90%之间,因为该方法依然给企业供电的安全运行带来了隐患。线路避雷器能够有效限制线路的过电压水平,从原理上能够彻底决线路的闪络问题。[13,14]然而避雷器成本由其过电流的峰值决定,而峰值电流由雷电流决定,并不能随着线路电压水平降低而减小,因而对于分布广泛、庞杂的企业供电线路而言,线路避雷器成本太高难以推广。其次,在实际运行过程中,户外条件会严重影响避雷器的寿命,类似风振、雨雪之类的复杂环境条件对避雷器的可靠性和效率具有十分严重的影响。一般而言,线路避雷器在安装的第一年效果较好,第二年就开始出现一定问题,到后来避雷器的可靠性和效率会越来越低,反而成了系统的薄弱环节。另外,线路避雷器难以维护,传统的红外监测等手段并不能完全监测出避雷器是否故障,这也为线路埋下了安全隐患。
  由XHDL接闪器的设计和安装原理可知,接闪器原理简单、成本低廉,基本可以实现免维护,具有大规模推广的条件;接闪器巧妙的安装方式使得接闪器具备了避雷线的作用,能够有效抑制直击雷的发生。同时,接闪器能够有效削弱雷电流的上升沿陡度和幅值,能够进一步促进杆塔过电压水平的降低,全面提高企业供电线路的耐雷水平。
  V.实际线路使用情况
  为验证接闪器的实际使用效果,在神东10kV、35kV和110kV供电线路上安装了接闪器,并和为改造之间的数据进行了对比。神东供电中心拥有110kV、35kV、6-10kV线路共190条,835.6公里。其中110kV线路8条,143.7公里;35kV线路88条,403.1公里;6-10kV线路94条,288.8公里。其中已安装防雷线路100条,共540.6公里;其中110kV线路8条,143.7公里;35kV线路69条,320.1公里;6-10kV线路23条,76.8公里。
  VI.结论与展望
  1.企业供电线路的耐雷水平极低,6-10kV和35kV电压等级的企业供电线路几乎不能耐受直击雷,这使得企业供电线路逢雷击必闪络,严重威胁煤矿的安全运行。2.基于雷电波传输特性和时频特性的XHDL接闪器件的防雷器件原理简单、设计巧妙,能够基本实现免维护,成本低廉,具有在企业供电线路大规模推广的潜能。3.接闪器件巧妙的安装使其具有避雷针的作用,能够有效抑制直击雷的发生;同时,接闪器能够有效抑制雷电波的上升沿陡度,并在一定程度上削弱其峰值,这些都有效地降低了杆塔的反击过电压,为全面提升企业供电线路的耐雷水平提供了新方法。4.接闪器在实际线路中的使用情况表明,接闪器能够有效接闪,保护企业供电线路;同时接闪器能有效抑制线路雷击过电压水平,全面降低了线路的雷击跳闸率。
  参考文献
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