高土壤電阻率地區(qū)噴射氣體滅弧防雷效果分析

李繼強，毛成程，王成全，徐國強，劉宗杰，王巨豐孟偉航

（1.國網(wǎng)濟寧供電公司，山東 濟寧 272111；2.廣西大學，廣西 南寧 530004；3.廣西電力輸配網(wǎng)防雷工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530004）

0 引 言

人們的生活完全離不開能源，而電力系統(tǒng)通過輸電線路送電是能源輸送最重要的途徑之一，輸電線路一旦不能正常輸送電，就會給人們的生產(chǎn)生活造成重大影響。在我國當前的電力系統(tǒng)中，雷擊跳閘事故占到總事故的40%～70%[1-4]，輸電線路遭受雷擊時，極易產(chǎn)生事故，輕則在短時間內(nèi)重合閘，重則損壞絕緣子、燒蝕導致斷線，需要較長時間的搶修才能恢復線路運行[4]。為了保護線路的正常運行，線路防雷成為一個熱門研究課題。

有分析指出，耐雷水平受接地電阻的影響最大，降低接地電阻是提高耐雷水平、降低反擊跳閘率的最直接有效的方法。接地電阻值受土壤電阻率、地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及接地材料形狀等因素影響[3]。

圖1為土壤電阻率對耐雷水平的影響，線路耐雷水平隨土壤電阻率升高而顯著下降，并且易超出該地的耐雷水平設計值。

圖1 土壤電阻率對耐雷水平的影響（圖中虛線為設計值）

目前，存在的主要降阻方式有改造地網(wǎng)結(jié)構(gòu)、擴大地網(wǎng)面積、利用降阻劑降低土壤電阻率及局部換土等方法[5]。然而土壤電阻率受地質(zhì)地貌等自然因素的影響，其值完全不可控，在沿海、山區(qū)等高電阻率地區(qū)，接地電阻最低極限值較高，降阻措施通常遠不能使接地電阻達到設計標準，導致耐雷水平不達標。

此外，在大概率的多重雷擊條件下，在絕緣子局部放電記憶和電壓級聯(lián)效應作用下，線路耐雷水平與多重雷擊次數(shù)n成反比關(guān)系。因此，在高土壤電阻率地區(qū)，反擊跳閘事故經(jīng)常發(fā)生。

防雷措施一般分為阻塞型和疏導型。阻塞型防雷出現(xiàn)更早，其目標是阻塞絕緣閃絡，常見措施包括加強絕緣、降低桿塔沖擊接地電阻、安裝避雷線及采用架空耦合底線等，但效果受到地網(wǎng)電阻、雷擊強度、類型、方式及部位等不可控因素制約，因此難以建立精確的和符合實際的分布式及差異化雷擊跳閘率計算模型[6-8]。

疏導型防雷出現(xiàn)略晚，其代表為并聯(lián)間隙，在絕緣子兩端并聯(lián)一對間隙略小于絕緣子干弧長度的金屬電極，當雷電擊中輸電線路時，并聯(lián)間隙因距離更短而優(yōu)先閃絡，從而避免了絕緣子被雷擊破壞或者導線燒蝕斷線等事故[2]。由于并聯(lián)間隙本身不具備滅弧能力，需要重合閘的配合才能形成完整的保護，所以安裝并聯(lián)間隙后不僅降低了線路耐雷水平，而且會提高線路跳閘率[9-10]，影響線路運行的穩(wěn)定性。此外，金屬電極在閃絡后會因燒蝕而增大間隙距離，使用數(shù)次后其間距達不到引弧要求而失效，此時只得排查不合格的并聯(lián)間隙并重新安裝，費時費力[11-14]。

根據(jù)提到的各種問題，氣體滅弧防雷理論被提出。噴射氣體滅弧裝置傳承了疏導型防雷優(yōu)點，將裝置通過金具并聯(lián)在絕緣子兩端，將雷電能量引致間隙釋放[17]。同時，該裝置是一種主動滅弧間隙，由雷電觸發(fā)，可在極短的時間內(nèi)噴射出氣體，從而迅速地熄滅后續(xù)的工頻電弧，使得線路無需再進行重合閘，有效降低了跳閘率，且由于滅弧時間極短，金屬電極的燒蝕程度較傳統(tǒng)并聯(lián)間隙更為耐用。

基于對該裝置進行的大量實驗工作以及運用概率統(tǒng)計學原理進行分析，確定了噴射氣流裝置的抑制建弧率，然后建立了在安裝了該裝置條件下的線路雷擊跳閘率的模型。

1 噴射氣體滅弧防雷裝置

目前已研制出用于110 kV、220 kV線路的噴射氣體滅弧防雷裝置，其裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝置通過金具并聯(lián)到絕緣子一側(cè)，其間隙長度可以根據(jù)絕緣子長度進行調(diào)節(jié)，以方便安裝。

圖2 裝置安裝模擬圖

當線路遭受雷擊時，雷電波頭延導線傳播，當傳播至裝置所在金具位置時，由于其所在間隙長度略小于絕緣子，雷電沖擊能量在此處釋放。裝置的觸發(fā)模塊迅速感應到通過的雷電能量，隨后在極短時間內(nèi)將信號傳遞給爆炸模塊，該模塊定向爆破，產(chǎn)生大量高速噴射的電負性氣體，氣流集中作用在暫態(tài)建弧的最初階段，能在幾毫秒內(nèi)快速吹熄電弧，其滅弧過程如圖3所示。

圖3 噴射氣流滅弧裝置遮斷續(xù)流實驗

氣流持續(xù)時間足夠抑制工頻電弧重燃，繼保裝置不用動作，從而避免跳閘事故，還不會使主要的電氣設備受到損害。

2 雷擊跳閘率計算模型

2.1 建弧率模型

噴射氣流滅弧防雷裝置因其自身強大的滅弧能力，而能夠降低線路的建弧率，為分析其規(guī)律，本文通過實驗得出其滅弧率M。

實驗主要針對220 kV線路的防雷滅弧能力研究，進行工頻遮斷續(xù)流實驗，分別在幅值為1、5 kA及10.8 kA的工頻短路電流條件下進行，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 滅弧成功率統(tǒng)計

裝置滅弧時間必須要小于繼保響應時間，否則造成跳閘則失去了滅弧的意義。分析結(jié)果可知，在不同幅值的工頻電流下，裝置均在半個周波內(nèi)熄滅電?。ò雮€周波時常為5 ms），多數(shù)時候滅弧速度太快而無法采集到確切滅弧時間，根據(jù)GB 14285—2006《繼電保護技術(shù)規(guī)程》，目前我國繼電保護的最快動作時間為10～20 ms[15]，因此裝置能確保在繼保動作前成功熄滅電弧，避免跳閘事故。裝置在不同幅值的工頻電流下的滅弧成功率十分接近，本文以成功率較低的98%為準，則在安裝裝置的前提下建弧率J=1-M=0.02。

DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中采用的線路建弧率η的經(jīng)驗公式為：

其中，E為線路平均電位梯度。對于中性點有效接地和非有效接地兩種情況，則分別有公式：

其中，l、lm分別為絕緣子串長度和導線線間距。

線路建弧率經(jīng)驗公式中的概率為輸電線路本身不具備滅弧功能的前提下得到，而安裝噴射氣流滅弧裝置后，由于裝置成功滅弧時并不存在重燃可能，線路的建弧率只有當裝置滅弧失效的情況下才存在，所以安裝該裝置后的建弧率公式為：

由式（4）可知，安裝裝置后的建弧率公式與線路建弧率公式相比僅多了系數(shù)J，所以裝置自身的滅弧能力才是降低線路建弧率的決定因素。

2.2 雷擊跳閘率分析

雷擊跳閘率的分析方法主要為伏秒特性法、規(guī)程法、幾何模型法及電壓積分法等方法[16-19]。伏秒特性法主要基于雷電沖擊下的伏秒特性曲線，當絕緣子兩端電壓波形與其自身的伏秒曲線相交時即視為閃絡；可以通過計算絕緣子兩端承受的的電壓與閾值電壓之差對時間的積分DE來判斷絕緣子或是空氣間隙閃絡，當DE超過某一臨界值DE*，認為間隙擊穿；規(guī)程法又稱50%放電法，通過比較50%放電電壓來確實是否放生閃絡或者誰優(yōu)先閃絡。

噴射氣體滅弧裝置本質(zhì)上還是一種并聯(lián)間隙，當裝置優(yōu)先于絕緣子閃絡時即可起到保護線路設備的作用，因此運用規(guī)程法來研究保護率的問題比較合適。根據(jù)相關(guān)研究，絕緣子及并聯(lián)間隙的閃絡電壓近似滿足正太分布，而噴氣裝置也可按照并聯(lián)間隙的方法進行研究：

其中，σ為標準偏差，根據(jù)研究經(jīng)驗，絕緣子的σ取3%，經(jīng)實驗得到裝置的標準偏差在2.5%左右，設計上一般會留有一定量的裕度，所以也取為3%。

設裝置50%放電電壓為UP50%，絕緣子的為UJ50%，根據(jù)規(guī)程DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中規(guī)定的并聯(lián)間隙絕緣配合原則[11-14]，有：

計算可得UP50%≤0.835UJ50%。根據(jù)概率統(tǒng)計學“3σ法則”的知識，正態(tài)分布落在（μ-3σ，μ+3σ）的范圍內(nèi)是可信事件，因此當裝置的放電電壓滿足小于等于絕緣子放電電壓的0.835倍時，可以認為裝置能完全保護絕緣子。

當安裝情況滿足根據(jù)規(guī)程法計算出來的結(jié)果后，噴氣裝置能夠優(yōu)先于絕緣子被擊穿。根據(jù)裝置保護線路的原理可知，其防雷效果與線路設計尺寸、避雷線架設及土壤電阻率高低無關(guān)，其他因素不影響裝置的滅弧效果。耐雷水平與雷擊跳閘率是衡量線路防雷能力的重要指標，根據(jù)實驗，安裝噴氣裝置后，線路的耐雷水平依然可以達到規(guī)定值。在此前提下，分析安裝后線路雷擊跳閘率對于裝置防雷性能的變化，量化其防雷能力，對以后的工程安裝有著十分重要的參考意義。

根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》的規(guī)定，雷擊跳閘率均以每年40個雷暴日內(nèi)每百千米線路的受雷擊次數(shù)為標準值，則線路反擊跳閘率的計算式為：

其中，N1為反擊跳閘率，NL為雷擊線路的次數(shù)，按40個雷暴日計算，落雷密度一般取γ=0.015，則NL=40×0.015·hd=0.6hd，hd為線路離地高度的平均值；g為擊桿率，而裝置并聯(lián)在絕緣子兩側(cè)且根據(jù)設計要求其總能優(yōu)先于絕緣子擊穿，所以不論裝置是否動作，它對絕緣子的保護率gm近似于擊桿率g；P1為雷電流超出線路反擊耐雷水平的概率。

因此，在線路安裝了裝置后，線路的反擊跳閘率為：

反擊耐雷水平計算式為：

其中，k、β分別為避雷線的電暈耦合系數(shù)及桿塔分流系數(shù)，由于安裝了噴氣滅弧裝置后對避雷線的保護能力不作要求，所以參數(shù)k、β可以當做零處理；Rch、Lg分別為桿塔的沖擊接地電阻及等值電感；εU50%為噴氣滅弧裝置的50%放電電壓。

因此，安裝了裝置后，耐雷水平公式為：

下一步則需要推導出繞擊跳閘率，其一般計算式為：

NL取0.6hd；Pa為線路遭受雷擊時的繞擊率，由于裝置自身特性保證其優(yōu)先擊穿，所以Pa可以近似當做1；P2為雷電流超出繞擊耐雷水平的概率。因此，安裝裝置后線路的繞擊跳閘率為：

線路的整體跳閘率為反擊和繞擊跳閘率之和：

根據(jù)公式即可形成完整的在安裝噴氣滅弧裝置情況下的雷擊跳閘率計算模型。

3 算例分析

某220 kV的線路[16]，全長約60 km，共117基桿塔，所處地形同時有平原和丘陵兩種地形，該地區(qū)雷暴日達到60.8 d/a，屬于高雷暴日地區(qū)，其平原與丘陵地區(qū)的年平均跳閘率分別達到：5.473次（100 km/a）和6.236次（100 km/a）。

此段線路帶有兩根避雷線，中性點接地；經(jīng)計算，導線的平均電位梯度為63.5 kV/m，導線懸掛點平均高度58.3 m。表2為擊桿率表，擊桿率g在平原和山區(qū)分別為1/6和1/4，可近似看做gm。

表2 擊桿率表

根據(jù)推導得到的公式（4），此段線路在安裝裝置后的建弧率為 ηm=0.02×(4.5×63.50.75-14)×10-2=0.017 44；該線路采用15片XWP-7型號的絕緣子，其擊穿電壓大致為U50%=100+15×84.5=1 367.5kV，其中，間隙電壓比ε取0.83。

3.1 反擊跳閘率

3.2 繞擊跳閘率

根據(jù)式（14）可得線路的繞擊耐雷水平I2為11.35k A，則雷電流超出耐雷水平I2的概率為P1=10-11.35/88=0.743。由于Nm2=Nm2p=Nm2s=0.6×58.3×0.017 44×0.743=0.453，根據(jù)計算，可得到該線路在平原與丘陵地區(qū)的雷擊跳閘率分別為：Nmp=Nm1p+Nm2p=0.027+0.453=0.48，Nms=Nm1s+Nm2s=0.041+0.453=0.494。

該線路在安裝了噴氣滅弧裝置后，平均線路跳閘率達到

由計算可知，噴射氣體滅弧裝置從理論上能降低線路跳閘水平達90%以上。

4 結(jié) 論

（1）在進行大量實驗的基礎(chǔ)上確定了噴氣裝置的滅弧率M為98%，對不同等級的工頻續(xù)流均有理想的滅弧效果。

（2）在以往的經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上，推導出一套適用于安裝噴氣滅弧防雷裝置后的線路跳閘率計算式。

（3）進行實例分析計算后發(fā)現(xiàn)，安裝裝置后線路跳閘率降低90%以上，可以初步肯定其滅弧防雷效果。