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【摘要】通过对5种不同避雷措施的阐述和分析,探索各种不同避雷措施对于减少输电线路雷击概率的效果,并通过各种方式对其有效性和主要技术参数进行研究。
【关键词】外供电线路 雷电过电压 防雷措施
0 引言
从20世纪中叶开始,各国电力工业飞速发展,产、耗电量逐年上升,输电电压等级也不断突破。为满足高电压输电需要,各等级输电线路开始不断架设,但随之而来的高电压绝缘、抗雷击灾害、防冻和抗机械损伤等问题对高电压输电技术提出了更为严格的要求。
雷电作为一种自然放电现象对输配电系统安全造成了极其严重的威胁,在过去的几十年中雷电灾害对全球电力系统造成的损害已超过百亿美元。雷电现象是极其复杂的,虽然各等级输电线路均布设了相应等级的避雷设备,但雷电直击、雷电绕击、感应雷电等雷电现象依然使输电线路安全性受到严重挑战。文章就配电站场外供电线路防雷措施进行了细致分析,提出了各种避雷措施,并对其有效性和主要技术参数进行了仿真计算研究。
1 雷电过电压
雷电过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压。雷电直击于电力系统(导线、设备)或设施或建筑物时产生的过电压为直击雷过电压。直击雷可分为绕击和反击。直击雷过电压对任何电压等级(含百万伏电压等级)的线路和设备都可能产生危险,对电力系统的危害性最大。雷电击于导线或电气设备附近时,由于静电和电磁感应而在导线或电气设备上形成的过电压为感应雷过电压。感应雷过电压通常只对35kV及以下等级的线路和设备构成威胁,但发生的概率要大于直击雷过电压。
当感应过电压的幅值大于线路的临界闪络电压时,就会发生绝缘子闪络,从而引起单相短路或更严重的故障。据测量,感应雷过电压的幅值可达400-500kV,对于配电线路的绝缘是很大的威胁,所以,配电线路防雷必须充分重视感应雷过电压的防护。
2 外供电线路避雷措施
通过对5种不同避雷措施的阐述和分析,探索各种不同避雷措施对于减少输电线路雷击概率的效果,并通过各种方式对其有效性和主要技术参数进行研究。
2.1 架设避雷线
架空避雷线是高压输电线路最基本的防雷措施,其主要起接闪作用,防止雷直击导线。同时雷击塔顶时,可以分流雷电流,降低塔顶电位。对导线的耦合作用,可以降低雷击杆塔时塔头绝缘(绝缘子串和空气间隙)上的电压。对导线的屏蔽作用,可以降低导线上的感应过电压。
避雷线的防雷效果仅仅在平原地区较好,而在山区,因为地貌、地形的影响,经常出现绕击、侧击等现象,使得避雷线屏蔽作用失效。事实上,6kV或lOkV配电线路若采用110kV以上线路架设避雷线的防雷措施其效果是很小的,因为架设避雷线增加了线路高度,避雷线更易招致雷击,造成反击事故。
线路电压越高,采用避雷线的效果越好。在一般土壤电阻率地区,有避雷线的线路耐雷水平不低于表l所列数值。
2.2 安装避雷针
独立避雷针可防止线路遭受直击雷,但避雷针的引雷作用增大了感应雷过电压使线路闪络的概率。同时,当避雷针被雷击或在附近落雷时,避雷针保护的场所内某些较大的不闭合的金属框架会出现较高的电磁感应电压,在不闭合的间隙处产生电火花,从而可能酿成火灾、爆炸等重大事故。因此,不能盲目地安装避雷针,一定要根据上述情况决定是否安装。
2.3 降低接地电阻
降低杆塔接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高,这是配合架设避雷线所采取的一项有效措施。因接地不良而形成的较高接地电阻,会使雷电流泄放通道受阻,提升了杆塔的电位,降低杆塔的接地电阻可以减少雷击杆塔时的电位升高。
有避雷线的线路杆塔不接避雷线时的工频接地电阻,在雷季干燥时,不宜超过表2所列数值。
如果土壤电阻率很高,接地电阻难以达到30Q时,可采用6～8根总长不超过500m的放射形接地体或连续伸长接地体,这时其接地电阻可不受限制。当土壤电阻率(p)过高,为了达到规定的接地电阻,降低土壤电阻率比增加接地体数量或面积更有利,可用人工处理方法来降低土壤电阻率。该方法是使用价廉、腐蚀性弱的盐类或电阻率较低的物质与土壤相混合,或将其埋于接地体附近。但是大量的现场调查表明,降阻剂有较强的腐蚀性,严重影响了接地网的使用寿命。高阻地区的较大接地网可采用井式或深钻式接地体。但实际上,采用深孔接地不能有效的降低地网的接地电阻,并且其成本较高,在地网改造中是不适用的。
根据以上分析,可采用如下措施有效减小接地电阻:
(1)杆塔接地网可采用引下线与地网多处连接,并在连接处加垂直接地体的方法降低雷电过电压;
(2)杆塔接地体可采用延长水平接地体的办法降低工频接地电阻,同样增加引下线与地网的连接,并在连接处加垂直接地体以减小冲击接地电阻。对于山上电阻率高的个别杆塔,需要因地制宜,可以利用相邻电阻率低的杆塔协助泄流(雷电流),尽量降低相邻杆塔接地电阻。也可安装引外接地体,把接地体敷设在土壤电阻率较低的地区。
2.4 安装线路型避雷器
由于造成配电网线路跳闸的主要因素是感应雷过电压,因此,防止感应雷过电压是配电网防雷的最重要措施。多年的运行经验表明,在土壤电阻率高、雷电活动频繁、地形复杂的地区安装线路型氧化锌避雷器,无论在防止雷击塔顶、雷绕击导线和雷击地线时的反击都非常有效。根据已经通过计算绘制出的lOkV和35kV两个电压等级下,避雷器的安装间隔距离与闪络次数降低百分数的关系曲线。下面挑选出五种不同安装距离对降低感应雷跳闸率的影响,整理结果可以得到表3。
由表3可知,采用加装线路避雷的办法,可有效防止感应雷对配电线路的威胁。每200m加装一组可降低80%、每500m加装一组可降低70%的感应过电压事故。
35kV线路若装设线路避雷器,其防雷效果要比10kV线路更好。应当指出,这些结果是在计算模型中朝有利于安全(即偏保守)的简化假设下得到的,因此实际运行结果应较上述结论更理想。
2.5 绝缘子的优化
更换耐压水平更高的绝缘子、增加绝缘子串片数可提高绝缘子的50%放电电压、增加爬电比距、装设增爬群和涂RTV防污涂料,这些都可以提高架空输变电线路的防雷性能。具体采用何种方法,就要看经济指标和方案对于运行线路的可行性。以下是几种供选方案的实施方法:
(1)增加绝缘子片数
绝缘子片数越多,其耐雷击的能力也越强。但是,绝缘子片数的增加受杆塔塔头结构及投资的限制,一般杆塔只可以增加2～3片。另外,增加绝缘子片数对改善线路整体的防雷效果不十分明显。
建议雷电活动十分活跃的地区适当增加1～2片绝缘子。但提高线路的耐雷水平时,应考虑与变电站设备的绝缘配合,避免因线路提高绝缘水平而不被雷击,反而使雷电波侵入变电站,击坏变电站设备。 (2)增加爬电比距提高线路绝缘耐压水平
采用“不平衡”绝缘布置,即对处在多雷区、雷暴走廊、川山结合处、山口、风口、峡谷处、山坡阳面、水草滩、沙(漠)丘区、土壤电阻较高以及易形成热云的四面是山的潮湿盆地。上字型布线的杆塔,采用“不平衡”绝缘布置措施,即边相采用4片、中相采用3片悬式缘子。这样即使中相因感应过电压造成绝缘闪络,也不至使两相或三相短路跳闸;只有在另一相被击穿后,才可能形成较大的相间短路电流,引起线路跳闸。当雷击上导线时,将在下导线上产生感应过电压,此时下导线绝缘子串上所承受的电压幅值U为:
I/I=1.24,即不平衡绝缘布置的线路耐雷水平能提高24%。
(3)涂RTV与采用增爬群提高绝缘子的污闪电压
绝缘子类型已由瓷质绝缘子发展到玻璃绝缘子,近几年又推出新型的复合绝缘子。相对于瓷质和玻璃绝缘子,复合绝缘子由于其表面憎水性而具备良好抗污闪性能,因此成为了电力部门推广使用的一类绝缘子。考虑到投运新型复合绝缘子的成本过高,从绝缘子污闪机理出发,反复试验找到其他改善现有绝缘子抗污闪能力的措施:
①涂覆RTV防污涂料具有良好的防污性能,其防污性能优于增爬裙,并且比采用增爬裙经济。而加增爬裙后,绝缘子的电势电场分布从趋势上看改变不大。RTV防污涂料已能在技术上满足(或超过)防污改造的要求。
②如果由于客观原因需要装设增爬裙,则支柱绝缘子安装增爬裙后具有良好的防污性能,效果好于更换防污型支柱绝缘子;安装相同片数增爬裙的污闪电压与增爬裙的安装布置方式关系不大,但增爬裙的布置不宜过密,否则易引起桥接或飞弧;对于35RV级支柱绝缘子,建议只用1片增爬裙,若考虑改善染污条件及阻断雨闪等因素,可考虑将增爬裙加在最上部的瓷裙上。
③建议一般不采用增爬裙与RTV防污涂料相结合的防污改造措施。对于污秽特别严重的地区,需要增爬裙与RTV防污涂料相结合的情况,应另行论证。
3 结束语
从配电网的雷害特征可以看出,配电网绝缘水平低,感应过电压是造成雷害事故的主要原因,最好的解决方法就是找到能防止感应过电压的途径。只要抑制了感应过电压,就可以减少雷击闪络的概率,还可以减少绝缘导线雷击断线的概率,从而大大提高配电网的安全运行水平。
文章主要考虑雷电过电压(包括直击雷和感应雷)的影响,针对配电网绝缘水平低,易因过电压造成绝缘事故等特点,对配电网外供电线路提出了配电网绝缘优化综合改造方案。
【关键词】外供电线路 雷电过电压 防雷措施
0 引言
从20世纪中叶开始,各国电力工业飞速发展,产、耗电量逐年上升,输电电压等级也不断突破。为满足高电压输电需要,各等级输电线路开始不断架设,但随之而来的高电压绝缘、抗雷击灾害、防冻和抗机械损伤等问题对高电压输电技术提出了更为严格的要求。
雷电作为一种自然放电现象对输配电系统安全造成了极其严重的威胁,在过去的几十年中雷电灾害对全球电力系统造成的损害已超过百亿美元。雷电现象是极其复杂的,虽然各等级输电线路均布设了相应等级的避雷设备,但雷电直击、雷电绕击、感应雷电等雷电现象依然使输电线路安全性受到严重挑战。文章就配电站场外供电线路防雷措施进行了细致分析,提出了各种避雷措施,并对其有效性和主要技术参数进行了仿真计算研究。
1 雷电过电压
雷电过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压。雷电直击于电力系统(导线、设备)或设施或建筑物时产生的过电压为直击雷过电压。直击雷可分为绕击和反击。直击雷过电压对任何电压等级(含百万伏电压等级)的线路和设备都可能产生危险,对电力系统的危害性最大。雷电击于导线或电气设备附近时,由于静电和电磁感应而在导线或电气设备上形成的过电压为感应雷过电压。感应雷过电压通常只对35kV及以下等级的线路和设备构成威胁,但发生的概率要大于直击雷过电压。
当感应过电压的幅值大于线路的临界闪络电压时,就会发生绝缘子闪络,从而引起单相短路或更严重的故障。据测量,感应雷过电压的幅值可达400-500kV,对于配电线路的绝缘是很大的威胁,所以,配电线路防雷必须充分重视感应雷过电压的防护。
2 外供电线路避雷措施
通过对5种不同避雷措施的阐述和分析,探索各种不同避雷措施对于减少输电线路雷击概率的效果,并通过各种方式对其有效性和主要技术参数进行研究。
2.1 架设避雷线
架空避雷线是高压输电线路最基本的防雷措施,其主要起接闪作用,防止雷直击导线。同时雷击塔顶时,可以分流雷电流,降低塔顶电位。对导线的耦合作用,可以降低雷击杆塔时塔头绝缘(绝缘子串和空气间隙)上的电压。对导线的屏蔽作用,可以降低导线上的感应过电压。
避雷线的防雷效果仅仅在平原地区较好,而在山区,因为地貌、地形的影响,经常出现绕击、侧击等现象,使得避雷线屏蔽作用失效。事实上,6kV或lOkV配电线路若采用110kV以上线路架设避雷线的防雷措施其效果是很小的,因为架设避雷线增加了线路高度,避雷线更易招致雷击,造成反击事故。
线路电压越高,采用避雷线的效果越好。在一般土壤电阻率地区,有避雷线的线路耐雷水平不低于表l所列数值。
2.2 安装避雷针
独立避雷针可防止线路遭受直击雷,但避雷针的引雷作用增大了感应雷过电压使线路闪络的概率。同时,当避雷针被雷击或在附近落雷时,避雷针保护的场所内某些较大的不闭合的金属框架会出现较高的电磁感应电压,在不闭合的间隙处产生电火花,从而可能酿成火灾、爆炸等重大事故。因此,不能盲目地安装避雷针,一定要根据上述情况决定是否安装。
2.3 降低接地电阻
降低杆塔接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高,这是配合架设避雷线所采取的一项有效措施。因接地不良而形成的较高接地电阻,会使雷电流泄放通道受阻,提升了杆塔的电位,降低杆塔的接地电阻可以减少雷击杆塔时的电位升高。
有避雷线的线路杆塔不接避雷线时的工频接地电阻,在雷季干燥时,不宜超过表2所列数值。
如果土壤电阻率很高,接地电阻难以达到30Q时,可采用6～8根总长不超过500m的放射形接地体或连续伸长接地体,这时其接地电阻可不受限制。当土壤电阻率(p)过高,为了达到规定的接地电阻,降低土壤电阻率比增加接地体数量或面积更有利,可用人工处理方法来降低土壤电阻率。该方法是使用价廉、腐蚀性弱的盐类或电阻率较低的物质与土壤相混合,或将其埋于接地体附近。但是大量的现场调查表明,降阻剂有较强的腐蚀性,严重影响了接地网的使用寿命。高阻地区的较大接地网可采用井式或深钻式接地体。但实际上,采用深孔接地不能有效的降低地网的接地电阻,并且其成本较高,在地网改造中是不适用的。
根据以上分析,可采用如下措施有效减小接地电阻:
(1)杆塔接地网可采用引下线与地网多处连接,并在连接处加垂直接地体的方法降低雷电过电压;
(2)杆塔接地体可采用延长水平接地体的办法降低工频接地电阻,同样增加引下线与地网的连接,并在连接处加垂直接地体以减小冲击接地电阻。对于山上电阻率高的个别杆塔,需要因地制宜,可以利用相邻电阻率低的杆塔协助泄流(雷电流),尽量降低相邻杆塔接地电阻。也可安装引外接地体,把接地体敷设在土壤电阻率较低的地区。
2.4 安装线路型避雷器
由于造成配电网线路跳闸的主要因素是感应雷过电压,因此,防止感应雷过电压是配电网防雷的最重要措施。多年的运行经验表明,在土壤电阻率高、雷电活动频繁、地形复杂的地区安装线路型氧化锌避雷器,无论在防止雷击塔顶、雷绕击导线和雷击地线时的反击都非常有效。根据已经通过计算绘制出的lOkV和35kV两个电压等级下,避雷器的安装间隔距离与闪络次数降低百分数的关系曲线。下面挑选出五种不同安装距离对降低感应雷跳闸率的影响,整理结果可以得到表3。
由表3可知,采用加装线路避雷的办法,可有效防止感应雷对配电线路的威胁。每200m加装一组可降低80%、每500m加装一组可降低70%的感应过电压事故。
35kV线路若装设线路避雷器,其防雷效果要比10kV线路更好。应当指出,这些结果是在计算模型中朝有利于安全(即偏保守)的简化假设下得到的,因此实际运行结果应较上述结论更理想。
2.5 绝缘子的优化
更换耐压水平更高的绝缘子、增加绝缘子串片数可提高绝缘子的50%放电电压、增加爬电比距、装设增爬群和涂RTV防污涂料,这些都可以提高架空输变电线路的防雷性能。具体采用何种方法,就要看经济指标和方案对于运行线路的可行性。以下是几种供选方案的实施方法:
(1)增加绝缘子片数
绝缘子片数越多,其耐雷击的能力也越强。但是,绝缘子片数的增加受杆塔塔头结构及投资的限制,一般杆塔只可以增加2～3片。另外,增加绝缘子片数对改善线路整体的防雷效果不十分明显。
建议雷电活动十分活跃的地区适当增加1～2片绝缘子。但提高线路的耐雷水平时,应考虑与变电站设备的绝缘配合,避免因线路提高绝缘水平而不被雷击,反而使雷电波侵入变电站,击坏变电站设备。 (2)增加爬电比距提高线路绝缘耐压水平
采用“不平衡”绝缘布置,即对处在多雷区、雷暴走廊、川山结合处、山口、风口、峡谷处、山坡阳面、水草滩、沙(漠)丘区、土壤电阻较高以及易形成热云的四面是山的潮湿盆地。上字型布线的杆塔,采用“不平衡”绝缘布置措施,即边相采用4片、中相采用3片悬式缘子。这样即使中相因感应过电压造成绝缘闪络,也不至使两相或三相短路跳闸;只有在另一相被击穿后,才可能形成较大的相间短路电流,引起线路跳闸。当雷击上导线时,将在下导线上产生感应过电压,此时下导线绝缘子串上所承受的电压幅值U为:
I/I=1.24,即不平衡绝缘布置的线路耐雷水平能提高24%。
(3)涂RTV与采用增爬群提高绝缘子的污闪电压
绝缘子类型已由瓷质绝缘子发展到玻璃绝缘子,近几年又推出新型的复合绝缘子。相对于瓷质和玻璃绝缘子,复合绝缘子由于其表面憎水性而具备良好抗污闪性能,因此成为了电力部门推广使用的一类绝缘子。考虑到投运新型复合绝缘子的成本过高,从绝缘子污闪机理出发,反复试验找到其他改善现有绝缘子抗污闪能力的措施:
①涂覆RTV防污涂料具有良好的防污性能,其防污性能优于增爬裙,并且比采用增爬裙经济。而加增爬裙后,绝缘子的电势电场分布从趋势上看改变不大。RTV防污涂料已能在技术上满足(或超过)防污改造的要求。
②如果由于客观原因需要装设增爬裙,则支柱绝缘子安装增爬裙后具有良好的防污性能,效果好于更换防污型支柱绝缘子;安装相同片数增爬裙的污闪电压与增爬裙的安装布置方式关系不大,但增爬裙的布置不宜过密,否则易引起桥接或飞弧;对于35RV级支柱绝缘子,建议只用1片增爬裙,若考虑改善染污条件及阻断雨闪等因素,可考虑将增爬裙加在最上部的瓷裙上。
③建议一般不采用增爬裙与RTV防污涂料相结合的防污改造措施。对于污秽特别严重的地区,需要增爬裙与RTV防污涂料相结合的情况,应另行论证。
3 结束语
从配电网的雷害特征可以看出,配电网绝缘水平低,感应过电压是造成雷害事故的主要原因,最好的解决方法就是找到能防止感应过电压的途径。只要抑制了感应过电压,就可以减少雷击闪络的概率,还可以减少绝缘导线雷击断线的概率,从而大大提高配电网的安全运行水平。
文章主要考虑雷电过电压(包括直击雷和感应雷)的影响,针对配电网绝缘水平低,易因过电压造成绝缘事故等特点,对配电网外供电线路提出了配电网绝缘优化综合改造方案。