滅弧防雷間隙降低110kV輸電線路雷擊跳閘率的效果研究

周政，劉太東

(1.湖州供電公司，浙江 湖州 313000； 2.山東電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250000)

滅弧防雷間隙降低110kV輸電線路雷擊跳閘率的效果研究

周政1，劉太東2

(1.湖州供電公司，浙江 湖州 313000； 2.山東電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250000)

為解決南方多雷地區(qū)雷害事故高發(fā)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于“抑制建弧”防雷理念的具有多次觸發(fā)滅弧能力的滅弧防雷間隙。能夠在輸電線路遭受雷擊時(shí)由雷電脈沖啟動(dòng)滅弧裝置，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度氣流。使工頻續(xù)流在暫態(tài)電弧初期被快速截?cái)?，大幅度降低建弧率。提出了在滅弧氣流作用下考慮滅弧系數(shù)的建弧率及雷擊跳閘率算法，從理論上證實(shí)滅弧防雷間隙能大幅降低雷擊跳閘率。在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。

滅弧防雷間隙；工頻續(xù)流；跳閘率；滅弧系數(shù)

1 引言

近年來(lái)，各電壓等級(jí)的輸電線路長(zhǎng)度隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而不斷擴(kuò)張。由于輸電線路覆蓋面積廣闊，沿途的自然環(huán)境復(fù)雜，遭受雷電襲擾的概率較大[1]。而我國(guó)南方屬于多雷地區(qū)，雷害事故頻發(fā)，雷擊跳閘事故占線路跳閘事故的比例超過(guò)70%，成為威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最主要、最突出的因素。

現(xiàn)階段輸電線路防雷理念是“絕緣閃絡(luò)抑制”。即主要通過(guò)提高線路的耐雷水平以避免絕緣子串閃絡(luò)。架空輸電線路現(xiàn)有提高耐雷水平的措施主要包括安裝避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)線路絕緣、安裝線路型避雷器等[2]。但這些措施會(huì)受雷擊強(qiáng)度、耐雷水平、雷擊方式(繞擊、反擊)、地網(wǎng)電阻等不可控因素的限制。而且調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)中的雷擊具有多重雷擊高發(fā)、大幅值雷電流高發(fā)、雷電繞擊高發(fā)的特點(diǎn)，因此防雷效果不理想。

針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路防雷措施中存在的問(wèn)題，近年國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了新型的“疏導(dǎo)型”防雷理念。疏導(dǎo)型防雷措施是在輸電線路絕緣子兩端并聯(lián)一對(duì)金屬電極構(gòu)成保護(hù)間隙。當(dāng)線路遭受雷電過(guò)電壓沖擊時(shí)，保護(hù)間隙首先因過(guò)電壓被擊穿，將大量雷電泄入大地，避免了電弧對(duì)絕緣子串的破壞[3]。但是上述保護(hù)間隙裝置的不足之處在于：(1)保護(hù)間隙沒(méi)有滅弧能力，不能及時(shí)切斷短路引起的工頻續(xù)流，對(duì)于相間短路會(huì)引起線路跳閘；(2)電弧持續(xù)燒蝕間隙電極會(huì)使間隙電極間距離逐漸變長(zhǎng)，絕緣配合失效，導(dǎo)致間隙失去保護(hù)作用，電力部門必須人工更換間隙，在多雷強(qiáng)雷地區(qū)工作量巨大。

針對(duì)多重雷擊高發(fā)的現(xiàn)狀及當(dāng)前防雷保護(hù)存在的問(wèn)題，本文研究了一種基于抑制工頻暫態(tài)電弧建弧率且能夠多次截?cái)嚯娀〉男滦蜏缁》览组g隙。滅弧防雷間隙利用雷電脈沖觸發(fā)滅弧裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)建弧過(guò)程的早期強(qiáng)烈阻斷，在暫態(tài)電弧發(fā)展初期將其熄滅。實(shí)現(xiàn)“閃絡(luò)不跳閘”的良好效果，可靠避免雷擊跳閘[4]。

2 滅弧時(shí)間研究

雷擊線路或桿塔后形成的電弧在初期為暫態(tài)沖擊電弧，這種電弧能量很小，若沖擊電弧發(fā)展為穩(wěn)定的工頻電弧后，電弧能量將急劇增大，難以熄滅。因此抑制建弧率的關(guān)鍵在于暫態(tài)電弧發(fā)展的初期，滅弧裝置產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊氣流，使電弧中的導(dǎo)電粒子迅速?gòu)?fù)合，將尚未“發(fā)育”的極脆弱電弧截?cái)?，可靠抑制暫態(tài)電弧發(fā)展為工頻電弧。為此進(jìn)行沖擊氣流滅弧時(shí)間研究，圖1為沖擊氣流滅弧時(shí)間試驗(yàn)接線圖。

圖1 沖擊氣流滅弧時(shí)間試驗(yàn)接線圖

示波器上面顯示的試驗(yàn)電壓波形如圖2所示。紅色波形代表電弧的電壓，藍(lán)色波形代表爆炸氣流的觸發(fā)電壓。M點(diǎn)是爆炸氣流開(kāi)始作用于電弧的時(shí)刻，N點(diǎn)是電弧在爆炸氣流作用下熄滅的時(shí)刻，即爆炸氣流作用于電弧使其熄滅的時(shí)間為：T=TM-TN=0.4ms。說(shuō)明沖擊氣流在0.4ms內(nèi)就將電弧熄滅，且過(guò)后不重燃。 滅弧過(guò)程用高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)圖像如圖3所示。從高速攝像系統(tǒng)記錄的整個(gè)過(guò)程看，電弧在被氣流作用后0.4ms左右已幾乎熄滅，滅弧現(xiàn)象與理論分析以及示波器所得數(shù)據(jù)基本吻合，有力的驗(yàn)證了爆炸氣流滅弧裝置能夠可靠地熄滅電弧。

圖2 滅弧實(shí)驗(yàn)電壓波形

3 滅弧系數(shù)研究

滅弧防雷間隙的工作理念是“抑制建弧”，即幼年電弧在還未發(fā)展為工頻電弧之前就被高速氣流破壞。這里引入“滅弧率”的概念，滅弧率是指線路遭受雷擊產(chǎn)生沖擊閃絡(luò)后，沖擊閃絡(luò)在噴射氣流強(qiáng)擾動(dòng)下未能形成穩(wěn)定工頻電弧的概率。滅弧率與諸多因素有關(guān)，如噴射氣流的速度、噴射氣流角度、滅弧劑配方等。根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室的大量滅弧試驗(yàn)研究，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)單次滅弧成功率約為70%～75%。

由于受滅弧裝置觸發(fā)時(shí)間、滅弧時(shí)間分散性及輸電線路運(yùn)行外界條件的影響，滅弧防雷間隙存在首次動(dòng)作后電弧仍然存在重燃的可能性[5]。若電弧發(fā)生重燃，則滅弧裝置進(jìn)行第2次觸發(fā)滅弧，由于滅弧時(shí)間極短，因此后續(xù)滅弧仍在線路繼電保護(hù)動(dòng)作之前，可有效防止線路跳閘。大量實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和線路實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行證明，滅弧防雷間隙基本上動(dòng)作2次之內(nèi)就可以完全熄滅電弧。因此一次滅弧過(guò)程中最大滅弧動(dòng)作次數(shù)取3次。

滅弧防雷間隙的滅弧能量團(tuán)可以多次觸發(fā)，且各次的滅弧動(dòng)作都是相互獨(dú)立的。滅弧防雷間隙在第i次熄滅電弧的概率可表示為Pi=a(1-a)i-1，其中a為單次滅弧成功率，這里取70%。

滅弧系數(shù)M可表示為P1、P2、P3的總和，即M=P1+P2+P3=a+a(1-a)+a(1-a)2,由于建弧與滅弧為互斥事件，因此建弧系數(shù)可表達(dá)為K=1-M。當(dāng)單次滅弧成功率取70%時(shí)，經(jīng)計(jì)算可得滅弧系數(shù)M為0.973，建弧系數(shù)為0.027。

4 某110kV線路跳閘率分析

該110kV線路架設(shè)在山區(qū)，易遭繞擊，另一方面山區(qū)土壤電阻率很高，雷電流流經(jīng)桿塔入地時(shí)所造成桿塔頂端電位升高引起反擊，導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)引起跳閘。從1970年～2008年的平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出：當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤者_(dá)到83天。之前對(duì)桿塔接地電阻進(jìn)行了抽測(cè)，都大大超過(guò)了設(shè)計(jì)電阻值(15～20Ω)，見(jiàn)表1。

圖3 高速攝像機(jī)記錄的沖擊氣流截?cái)嚯娀D像

桿塔號(hào)接地電阻設(shè)計(jì)值接地電阻實(shí)測(cè)值110#1586111#2093112#205419#1514524#1511339#2010270#208978#206797#2070100#15124

表2 線路基本參數(shù)

該線路全長(zhǎng)為46km，基本參數(shù)見(jiàn)表2，依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620-1997，取桿塔沖擊接地電阻Rch=75Ω,桿塔電感Lt=0.42μH，線路平均高度hd=18m，片數(shù)在2～14之間的絕緣子串的50%放電電壓U50%(kV)的計(jì)算公式為[6]:

U50%=100+84.5m，2≤m≤14

(1)

式中，m—絕緣子片數(shù)，取8。

建弧率η(單位為%)：η=4.5E0.75-14，噴射氣流滅弧條件下的建弧率(單位為%)：

η=K(4.5E0.75-14)

(2)

式中，E(kV/m)—絕緣子串的平均運(yùn)行電位梯度(有效值)，

雷電流超出概率按公式：

(3)

式中，P—雷電流超過(guò)I(kA)的概率。

雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平I1(kA)為：

(4)

式中：k—耦合系數(shù)；β—桿塔分流系數(shù)；Ri—桿塔接地電阻；ha—橫擔(dān)高度；ht—桿塔高度；Lt—桿塔等值電感；hg—避雷線高度；hc—導(dǎo)線高度。

雷電繞擊導(dǎo)線時(shí)的耐雷水平I2(kA)：

(5)

因此每40雷暴日每100km線路總跳閘率N/(次(100km·a)-1)：

N=0.6hdη(gPI1+PI2)

(6)

式中，g—擊桿率；

PI1—雷電流超過(guò)I1的概率；

PI2—雷電流超過(guò)I2的概率。

加裝氣吹滅弧防雷間隙前的理論雷擊跳閘率見(jiàn)表3。

表3

5 防雷改造后的運(yùn)行情況

該線路在未安裝滅弧防雷間隙前的2007～2013年共發(fā)生雷擊跳閘事故8起，見(jiàn)表4。

表4 線路基本參數(shù)

2014年年初對(duì)該線路進(jìn)行防雷改造，安裝了噴射氣流滅弧防雷間隙。經(jīng)查詢雷電定位數(shù)據(jù)得知，在4月1日至8月30日時(shí)間范圍內(nèi)，線路附近共落雷500余次，其中超過(guò)耐雷水平203次，多重雷擊74次(雷電流幅值超過(guò)100kA的雷擊共有4次，其中最大雷電流幅值為-199.3kA),僅在2014年6月4日該地區(qū)就經(jīng)歷了強(qiáng)烈的雷暴天氣，落雷情況見(jiàn)圖4。滅弧防雷間隙安裝后至今，沒(méi)有發(fā)生跳閘情況。

6 結(jié)論

(1)滅弧試驗(yàn)表明滅弧防雷間隙裝置能夠在0.4ms內(nèi)熄滅電弧，其滅弧時(shí)間遠(yuǎn)小于繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，避免雷擊跳閘的發(fā)生。

圖4 2014年6月4日線路落雷情況

(2)在噴射氣流的強(qiáng)擾動(dòng)作用下，線路遭雷擊后的建弧率大大降低，理論計(jì)算得建弧系數(shù)在0.03以下。

(3)在某雷害情況嚴(yán)重的110kV線路安裝了滅弧防雷間隙，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明該線路雷擊跳閘率大幅度降低，取得了良好的效果。

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Application Analysis of Arc-extinguishing Lightning Protection Gap Reduced Lightning Trip-out Rate in 110kV Line

ZHOUZheng1,LIUTai-dong2

(1.Huzhou Power Supply Commpany,Huzhou 313000 China; 2.Shandong Service Company of Electric Power Corporation,Jinan 250000,China)

In order to solve the problem of high incidence of lightning disturbance in South thunderbolt areas，we developed a jet stream arc-extinguishing lightning protection gap based on the idea of suppressing arc-establishing rate which can multiple tigger and extinguish arc.Lightning pulse can start the protection gap when the lines were suffered by lightning strokes,and produce high intensity air flow in a very short time.So that the power frequency follow current can extinguish at the beginning of the transient arc,and reduce greatly arc establishing rate.We concluded the arc establishing rate and lightning trip-out rate formula under jet stream arc extinguishing condition,and confirmed arc-extinguishing lightning protection gap can greatly reduce the lightning trip-out tate in theory.The arc extinguishing lightning protection gap achieved good results in field operation.

arc-extinguishing lightning protection gap;power frequency follow current;lightning trip-out rate;arc extinguisging coefficient

1004-289X(2016)05-0059-04

TM86

B

2015-06-23

周政(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù); 劉太東(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。