110kV輸電線路防雷保護(hù)分析

馬文英

摘要：雷擊線路造成的雷電過電壓波是影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行的一個(gè)主要因素，且可能會(huì)由線路入侵變電所和發(fā)電廠，輸電線路上出現(xiàn)的雷電過電壓主要有直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓[1]。本文研究的110kV輸電線路必須采取防護(hù)措施，通過合理的防雷措施降低雷擊跳閘率，提高線路的耐雷性能，保證安全供電。

Abstract： Lightning overvoltage waves caused by lightning strikes are a major factor affecting the safe operation of electrical equipment， and ta may invade substations and power plants through lines. The lightning overvoltages appearing on transmission lines mainly include direct lightning overvoltages and induced lightning overvoltage. The 110kV transmission line studied in this paper must take protective measures to reduce the lightning trip rate through reasonable lightning protection measures， improve the lightning resistance of the line， and ensure safe power supply.

關(guān)鍵詞：耐雷性能;雷電過電壓;輸電線路

Key words： lightning resistance;lightning overvoltage;transmission line

中圖分類號(hào)：TM726? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0153-03

1? 研究的意義

發(fā)電廠、變電所是電力系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，而輸電線路是各個(gè)環(huán)節(jié)之間的連接，它相當(dāng)于電力系統(tǒng)的血管，輸電線路的安全運(yùn)行，直接影響到電網(wǎng)和向用戶可靠供電的穩(wěn)定性，所以輸電線路的安全運(yùn)行在電網(wǎng)中占舉足輕重的地位[2]。雷擊事故不僅會(huì)造成大面積停電，影響人們的生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還會(huì)將事故擴(kuò)大，因此必須設(shè)置可靠的防雷保護(hù)。在實(shí)際運(yùn)行中，雷擊輸電線路是造成電網(wǎng)及電力系統(tǒng)故障的主要原因，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，雷擊所造成的斷路器跳閘事故又是輸電線路上發(fā)生次數(shù)最為頻繁的，尤其是架設(shè)于山區(qū)的線路，地形造成的限制，使得線路故障大多是由于雷擊跳閘引起的，基本占總跳閘次數(shù)的40%-70%，因此對(duì)輸電線路的防雷應(yīng)該極為重視。

2? 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

在眾多輸電線路的防雷措施中，防雷保護(hù)基本分為四個(gè)階段，期初主要是對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù);隨著電壓等級(jí)的增加，直擊雷的危害被考慮進(jìn)來，同時(shí)也對(duì)雷電參數(shù)進(jìn)行歸納，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，使得防雷有了很大進(jìn)步;隨后的發(fā)展使得對(duì)引起跳閘的原因起了沖突，反擊和繞擊的影響成為爭(zhēng)議點(diǎn);發(fā)展至今，研究方法逐漸進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的仿真結(jié)合理論算法研究，電壓等級(jí)的升高，防雷保護(hù)的問題也在增加?，F(xiàn)在國(guó)外提供了一種新型復(fù)合材料，能夠解決桿塔線路存在的故障問題，玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基類的復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)很明顯，也是今后發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)地處溫帶，雷電活動(dòng)與其它國(guó)家相比較活躍，輸電線路在輸送過程中比較長(zhǎng)，有可能穿山、越嶺，導(dǎo)致輸送過程中要面對(duì)更加復(fù)雜的地理和氣象條件，而架設(shè)避雷線是最常見也是最常用到的防雷保護(hù)，基本能夠適應(yīng)我國(guó)地形的復(fù)雜性。

3? 輸電線路防雷計(jì)算

架空輸電線路的雷電保護(hù)通常可設(shè)為4個(gè)防線，有裝設(shè)避雷線防止雷電過電壓，提高耐雷水平防止絕緣子閃絡(luò)，降低建弧率以防止建弧，裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置防止停電事故。

云對(duì)地放電的實(shí)質(zhì)是雷云電荷向大地的突然釋放，提高耐雷水平，降低線路雷擊跳閘率是非常必要的。從雷擊線路接地部分引起的絕緣子串閃絡(luò)的角度來看，雷擊塔頂是最嚴(yán)重的情況。

3.1 反擊過電壓

當(dāng)雷擊輸電線路桿塔塔頂或接近塔頂?shù)囊欢伪芾拙€時(shí)，由于塔頂電位比導(dǎo)線電位高得多，會(huì)引起絕緣子串閃爍，可能發(fā)生反擊，使得導(dǎo)線接地短路，引起線路跳閘，同時(shí)會(huì)在導(dǎo)線上形成高幅值的反擊過電壓行波向?qū)Ь€兩側(cè)傳播，侵入變電所并危及電氣設(shè)備安全[3]。在雷擊桿塔塔頂?shù)南葘?dǎo)放電階段，會(huì)感應(yīng)出束縛電荷，一般來看，先導(dǎo)放電速度并不快，若忽略工頻工作電壓，則導(dǎo)線、避雷線、桿塔都可看作零電位。在主放電階段，先導(dǎo)通道中負(fù)電荷和正電荷迅速中和，形成由上到下的雷電沖擊波，而沿桿塔向下及避雷線向兩側(cè)傳播的為負(fù)雷電沖擊波，如圖1所示。使桿塔頂部電位不斷升高，

先導(dǎo)電荷被中和后，在導(dǎo)線上還感應(yīng)出正極性感應(yīng)過電壓，這一電壓一旦超過絕緣子串的沖擊放電電壓就會(huì)發(fā)生反擊。

某地有110kV輸電線路，如圖2所示，架設(shè)在平原地區(qū)，桿塔沖擊接地電阻Rch=12Ω，絕緣子串由7只X-4.5組成，其正沖擊50%放電電壓U50%=700kV，全線裝有避雷線，電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地，避雷線的半徑rs為3.9mm，避雷線與導(dǎo)線的弧垂fs和fc分別為2.8m和5.3m。

3.2 繞擊過電壓及耐雷水平

我國(guó)110kV及以上線路一般都架設(shè)有避雷線保護(hù)，這對(duì)直擊雷有很好的防護(hù)作用，但有時(shí)也可能發(fā)生避雷線屏蔽失效，尤其是地形復(fù)雜的特殊地段，雷繞過避雷線而擊中導(dǎo)線，則產(chǎn)生雷繞擊。由于避雷線的存在，使得線路的繞擊事故概率較小，但是它會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電壓波，使線路絕緣子串閃絡(luò)或侵入變電所危及電氣設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐删€路跳閘。

3.3 雷擊跳閘率

反擊和繞擊過電壓的形成可能引起線路跳閘停電，但是否能發(fā)生這種情況，需有條件，首先雷電流超過線路的耐雷水平，絕緣子串會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，再有是沖擊閃絡(luò)后能否轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧，若沖擊閃絡(luò)時(shí)間只有很短的幾十微秒，線路斷路器來不及跳閘。將沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧的概率作為衡量線路防雷性能的優(yōu)劣，稱為建弧率。

線路因雷擊而跳閘，有可能由反擊引起的，也可能由繞擊引起，一般由兩部分組成雷擊跳閘率。

反擊跳閘率n1一般是由雷擊塔頂及塔附近的避雷線，雷電流流入大地，造成塔頂較高電位，使絕緣子閃絡(luò)來決定。雷擊避雷線檔距中央一般不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，故不會(huì)引起反擊跳閘。

繞擊跳閘率n2由輸電線路的落雷次數(shù)和繞擊率共同決定的，因?yàn)榫€路架設(shè)在平原地區(qū)，且單根避雷線，查得雷擊桿率g=1/4，又知雷電流幅值超過I1=41.24kA的概率pI1為35%，超過I2=7kA的概率pI2為85%。而繞擊率pa由

4? 防雷仿真分析

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)國(guó)外計(jì)算防雷性能的方法主要是規(guī)程法和仿真分析法，我們以PSCAD軟件作為仿真平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)建立輸電線路的防雷系統(tǒng)進(jìn)行仿真。需要收集數(shù)據(jù)搭建各元件的模型，模擬、預(yù)測(cè)雷電對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)效應(yīng)，分析運(yùn)行波形。

可看到雷電流的輸出波形上升速度較快，但到達(dá)峰值后變化較緩慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)達(dá)到最小值，可用雙指數(shù)函數(shù)表示它們的關(guān)系，如圖4所示。

將桿塔的接地電阻選擇為10Ω進(jìn)行仿真，絕緣子串兩端電壓變化狀態(tài)如圖5所示，10Ω對(duì)應(yīng)的閃絡(luò)電壓為0.343MV。

根據(jù)分析，絕緣子串的閃絡(luò)電壓隨著接地電阻的減少而增加，但是對(duì)于復(fù)雜地形，接地電阻很難降低。此時(shí)應(yīng)利用線路避雷器防止跳閘率，但線路避雷器運(yùn)行成本較高，且只能保護(hù)安裝處的絕緣，因此在安裝時(shí)要根據(jù)具體運(yùn)行情況來分析。

5? 結(jié)論

輸電線路的防雷保護(hù)，既要提高耐雷水平，又要降低雷擊跳閘率，同時(shí)要滿足經(jīng)濟(jì)性。依據(jù)多年實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，線路受雷擊的概率不同，在選擇時(shí)要避開易擊區(qū)或加強(qiáng)保護(hù)，架設(shè)避雷線時(shí)最基本的措施，且線路電壓越高效果越好。避雷線與桿塔接地電阻相配合，能起到大幅度的降壓作用，尤其在電阻率小于300Ω·m的土壤中，降低電阻容易實(shí)現(xiàn)，投資也少。安裝線路避雷器、裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置等等都可降低事故率，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來考慮。

參考文獻(xiàn)：

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