基于同塔雙回輸電線路的防雷害技術(shù)研究

青島電氣工程安裝有限公司送變電分公司 何海勇 劉倩

山東炫和供電有限公司 宋玉萍 青島電氣工程安裝有限公司 田震

1 引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展完善以及人民生活水平的提高，電力在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要作用。但是由于供電環(huán)境復(fù)雜、雷擊故障頻發(fā)、桿塔遭受雷擊嚴(yán)重破壞等情況，輸電線路遭受雷擊所引起的安全事故逐年增多[1]。同塔雙回發(fā)電線路一般架設(shè)在10kV 以下的低電壓等級(jí)輸電線路上，輸電容量小，線路走廊占用面積小。采用同塔雙回輸電設(shè)計(jì)能夠有效減少土地資源占用，節(jié)約建設(shè)資金。同塔雙回輸電線路的發(fā)展主要受益國(guó)家對(duì)電力事業(yè)的大力支持，國(guó)家加大了電網(wǎng)建設(shè)投資力度，同塔雙回輸電線路得到了廣泛應(yīng)用。然而，同塔雙回輸配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在諸多問(wèn)題如下。

第一，采用同塔雙回架空電力線路設(shè)計(jì)方案在運(yùn)行過(guò)程中受到各種因素影響導(dǎo)致故障發(fā)生頻率增加。

第二，受地理?xiàng)l件等原因限制使得同塔雙回輸電系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送電量。

第三，受運(yùn)行環(huán)境影響較大。隨著同塔雙回線路防雷技術(shù)研究逐步深入以及電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中對(duì)同塔雙回線路防雷要求逐漸增加。

因此有必要進(jìn)一步研究解決同塔雙回路雷電特性、桿塔結(jié)構(gòu)及運(yùn)行維護(hù)等方面問(wèn)題。在此背景下，對(duì)同塔雙回導(dǎo)線防雷害進(jìn)行研究和探討十分必要和迫切。

2 同塔雙回輸電線路防雷害技術(shù)的現(xiàn)狀分析

2.1 同塔雙回輸電線路防雷害技術(shù)特點(diǎn)

一是絕緣子串串間的跨距小于線路長(zhǎng)度時(shí)，同塔雙回輸電線路的防雷方式主要有避雷器和接地刀閘兩種。二是同塔雙回線路可以采用不同接地型的避雷器或接地刀閘進(jìn)行隔離。三是利用同塔雙回線路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，要采用兩套避雷器，而且避雷器的類(lèi)型、型號(hào)以及位置也不相同，而且還需要通過(guò)防雷檢測(cè)來(lái)判斷是否需要在其兩端加接雷電干擾抑制裝置。四是利用該輸電線路實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，在線路兩端需要加設(shè)兩套過(guò)電壓抑制裝置。五是對(duì)同塔雙回線路的接地刀閘可以采用串聯(lián)間隙式或并聯(lián)間隙式接地方式進(jìn)行防雷接地。六是同塔雙回導(dǎo)線間距離過(guò)大時(shí)，需要采取串接間隙式防雷保護(hù)進(jìn)行防雷。七是在同塔雙回線路上安裝防雷裝置是比較困難的，所以應(yīng)該充分考慮雙線之間的距離問(wèn)題[2-3]。

2.2 同塔雙回輸電線路防雷害技術(shù)要求

同塔雙回導(dǎo)線之間的距離要根據(jù)不同的絕緣子串結(jié)構(gòu)以及不同的氣象條件進(jìn)行計(jì)算，并將防雷裝置所需要用到的材料和數(shù)量計(jì)算出來(lái)。同塔雙回線路上需要安裝防雷器時(shí)，可以采用單避雷器和單接地刀閘進(jìn)行保護(hù)，而且要注意避雷器的類(lèi)型、型號(hào)以及位置。同塔雙回線路上一般需要安裝2 套過(guò)電壓抑制裝置，如果需要安裝時(shí)，必須考慮到雙回路之間的距離問(wèn)題。同塔雙回線路上需要配置一種防雷裝置的材料和數(shù)量，在布置時(shí)要保證該裝置與線路上的其他設(shè)施之間有足夠的安全距離。同塔雙回線路上需要安裝兩套過(guò)電壓抑制器，其中一套主要用來(lái)保護(hù)導(dǎo)線、地線以及接地刀閘，另一套主要用來(lái)保護(hù)其他設(shè)施。采用單避雷器和雙避雷器的防雷方法都不能夠保證安全，所以要合理地使用單、雙避雷器。在同塔雙回線路上安裝防雷裝置必須滿足以下要求，利用同塔雙回線路上進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，雙導(dǎo)線間的間隔距離應(yīng)該小于20m；為了防止同塔雙回線路上雷電過(guò)電壓對(duì)其他電氣設(shè)備的危害，在同塔雙回線路上安裝防雷裝置之前，必須保證該輸電線路有足夠長(zhǎng)的間隔時(shí)間。

上述分析表明，同塔雙回輸電線路的防雷技術(shù)主要包含以下幾個(gè)方面：一是在絕緣子串之間距導(dǎo)線長(zhǎng)度超過(guò)一定的安全距離時(shí)，可以采用絕緣子串間的跨距小于導(dǎo)線長(zhǎng)度時(shí)采用串接間隙防雷法；二是在同一線路上應(yīng)盡可能避免采用同塔雙回輸電線路的接地方式，因?yàn)樵谕痪€路上，當(dāng)線路兩端同時(shí)接地時(shí)，對(duì)同塔雙回線路上的電氣設(shè)備影響較大；三是當(dāng)在同一線路上采用同塔雙回導(dǎo)線時(shí)，絕緣子串之間的跨距不應(yīng)小于導(dǎo)線的允許安全間距；四是如果有條件應(yīng)盡量減少同塔雙回線路使用雙芯絕緣子、復(fù)合絕緣子等，因?yàn)樵谕p回線路中，采取兩芯或三芯絕緣子，很容易出現(xiàn)斷線事故；五是同塔雙回輸電線路的絕緣子串間的跨距較小，而且同塔雙回導(dǎo)線在間隔棒中串接或跨越時(shí)很容易造成絕緣子串間電流過(guò)大，應(yīng)該盡可能地減小絕緣子中串接的電阻。還應(yīng)盡可能地采用低阻值、低損耗和少消耗的避雷器以及接地型的接地刀閘進(jìn)行防雷[4-5]。

2.3 同塔雙回輸電線路雷擊特性

同塔雙回輸電線路是一種輸電技術(shù)，基本原理是將兩根平行的絕緣子分別放置在兩根鐵塔上，利用導(dǎo)線間的相對(duì)地電壓來(lái)達(dá)到輸電的目的。同塔雙回輸電線路一般采用同型號(hào)避雷器和避雷針作為防雷裝置，以確保防雷效果。在實(shí)際的同塔雙回輸電線路防雷害中，常見(jiàn)的有雷擊桿和避雷針對(duì)同塔雙回輸電線路發(fā)生直擊、感應(yīng)雷擊事故造成損害。雷擊桿塔上產(chǎn)生的過(guò)電壓以及過(guò)電流都會(huì)對(duì)同塔雙回輸電線路造成損害，主要危害有桿塔上接地裝置因接地電阻過(guò)大、時(shí)間常數(shù)過(guò)小或接地點(diǎn)不匹配等因素引起接地電流大，導(dǎo)致被擊傷并嚴(yán)重?fù)p壞桿塔上感應(yīng)過(guò)電壓導(dǎo)致被擊斷而造成被線路直接相連的其他設(shè)備受損等。同塔雙回來(lái)線在雷擊事故中主要的危害是桿塔上有可能存在閃絡(luò)現(xiàn)象；雷擊桿塔后引線與導(dǎo)線之間有可能出現(xiàn)弧光放電；桿塔地線接地點(diǎn)有可能發(fā)生閃絡(luò)或弧光放電。同塔雙回輸電線路同塔雙回導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮雷擊保護(hù)性能。一般情況下同塔雙回輸電線路在雷暴日前30min～2h左右，雷擊保護(hù)距離應(yīng)滿足實(shí)際需求并滿足雷電波在架空線路上的衰減要求。隨著雷暴天氣變化或時(shí)間增加，防雷距離應(yīng)相應(yīng)減小。

3 案例分析

2018年8月12日12時(shí)46分，66kV光輝線32#線路出現(xiàn)了一次反向跳閘，該故障相為A.B 相，具有很好的一致性。測(cè)距結(jié)果表明，變電站位于光輝66kV 變電站8.6km 處。光輝乙線32#塔架采用110ZGU2型鋼結(jié)構(gòu)，采用342m的擋位和3.6Ω的接地。閃電探測(cè)裝置的失效雷電流為54.9kA。

利用EMTP 建立的抗剪計(jì)算模式，將工作頻率相位分成12 個(gè)階段，并以30°為單位，分別進(jìn)行12 次模擬，（其中A1、B1、C1、A2、B2、C2 分別表示一條線路A 相、B 相、C 相、A 相、B、C相）?，F(xiàn)場(chǎng)放電痕跡如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)放電痕跡

由以上分析可知，當(dāng)雷電流幅值達(dá)到56.2kA時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)兩相閃絡(luò)，故障相為乙線的上、中兩相，此時(shí)未能達(dá)到三相、四相閃絡(luò)的條件。

4 基于同塔雙回線路防雷技術(shù)措施

4.1 線路避雷器優(yōu)化配置策略

常用的避雷裝置有管式、閥式、磁吹式、氧化鋅式等，工作原理相同，但都是用來(lái)防止電線、通信設(shè)備、信號(hào)傳輸電纜等受到電擊而損壞。近年來(lái)，氧化鋅電容器因其質(zhì)量輕、耐污穢、保護(hù)性能良好而得到了越來(lái)越多的使用。因?yàn)檠趸\的優(yōu)良性能，在常規(guī)運(yùn)行中通過(guò)避雷器的電流很小，但是由于過(guò)電壓的增加，其非線性電阻降低，可以在一定的時(shí)間內(nèi)釋放出儲(chǔ)存在瞬時(shí)的電能，從而保護(hù)電力系統(tǒng)的安全。本文歸納具體內(nèi)容為：一是低的延遲和高的陡波反應(yīng)速度。二是殘余電壓值偏小，與常規(guī)的避雷裝置相比，防護(hù)能力更好。三是高電流的能量安全性臨界點(diǎn)，可以在整個(gè)瞬變期間，將累積的過(guò)電壓吸收掉。

本文以光明二線26 號(hào)塔架為實(shí)例，在此基礎(chǔ)上增加了避雷器，并進(jìn)行了分析，利用非線性電阻法和電容器并聯(lián)。選擇Y5WZ-90/220 型的避雷裝置，標(biāo)稱(chēng)為90kV，操作電壓72.5kV，剩余電壓220kV。

在防雷改造中，為了確保供電的可靠和安全性，增加了避雷器的適用范圍，但仍然要從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，在確保防雷作用的前提下，確定設(shè)備數(shù)量及安裝地點(diǎn)。一般只有當(dāng)出現(xiàn)相短路時(shí)，66kV的同塔雙回線才會(huì)出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，而采用兩相或兩相裝置就能夠達(dá)到要求，而且每一相、三相和四相的電阻率都會(huì)隨著避雷器的設(shè)置而增加，9種不同的避雷器布置模式下，兩相、三相、四相的抗雷強(qiáng)度分別是76kA、97kA、116kA，比沒(méi)有設(shè)置時(shí)的耐雷強(qiáng)度增加94.87%、36.62%、52.63%。方案2方案的最佳布置方案，為在66KV 的同一塔形、雙回線上布置4 臺(tái)，在兩個(gè)不同的位置分別設(shè)置兩組，并且設(shè)置的數(shù)目愈多，對(duì)直接雷的保護(hù)作用愈大。

4.2 基于案例的綜合防雷措施

防雷措施具體有在線路桿塔上安裝防雷設(shè)備，降低遭受雷擊的概率，減少雷擊事故發(fā)生的概率。采用導(dǎo)線絕緣子全封閉設(shè)計(jì)或加裝帶間隔棒的防直擊雷保護(hù)。線路桿塔避雷器與接地引下線之間加裝不等電位接地線并將其連接起來(lái)，采用低電阻率絕緣子，減小線路與輸電桿塔間的電流密度差，防止導(dǎo)線被雷電擊斷，減少雷擊引起的短路故障。在同塔雙回輸電線路上加裝防高阻網(wǎng)接地裝置。利用接地引下線連接方式將高阻網(wǎng)接地與導(dǎo)線絕緣相連接以避免在雷電時(shí)產(chǎn)生較大電壓。合理布置避雷器，增加塔頭之間的防雷間隙和塔頭至導(dǎo)線之間的防雷間隙，減小雷電流通過(guò)導(dǎo)線對(duì)桿塔的沖擊放電電壓。加強(qiáng)線路維護(hù)和檢修，減少導(dǎo)線間雷擊電流影響。

同塔雙回輸電線路采用耐雷等級(jí)為3級(jí)、5級(jí)的低電阻率絕緣子作為導(dǎo)線絕緣。同塔雙回導(dǎo)線架設(shè)應(yīng)采用分段架設(shè)方式，防止出現(xiàn)塔頭或桿塔因接地引線未接造成的雷擊故障。同塔雙回跨越較多且較復(fù)雜的線路可以采用分段架設(shè)方式，分段架設(shè)時(shí)要求導(dǎo)線橫截面較小時(shí)將整根導(dǎo)線均勻分布在一條導(dǎo)線上。采用多層接地網(wǎng)并與地線連接以降低線路和桿塔間的雷電感應(yīng)電壓，從而避免雷擊引起同塔雙回線路故障發(fā)生。同塔雙回輸電線路受地形條件影響，所以在桿塔上安裝防高阻網(wǎng)裝置或采用防高阻接地線時(shí)要注意幾個(gè)方面：一是在同一塔頭內(nèi)跨越兩條以上線路而需要同時(shí)連接兩條以上導(dǎo)線，應(yīng)安裝間隔棒；二是導(dǎo)線之間必須搭接長(zhǎng)度不小于1m；三是雙回桿組之間應(yīng)設(shè)不低于2m的間隔棒進(jìn)行連接或間隔棒連接時(shí)要避免形成“L”形接地點(diǎn)，應(yīng)在接地線中間加接地線；四是同塔雙回線路跨越地形較多且地形復(fù)雜，所以在跨越點(diǎn)必須裝設(shè)防雷裝置。

5 結(jié)語(yǔ)

同塔雙回輸電線路在防雷方面取得了進(jìn)步和發(fā)展，但是防護(hù)技術(shù)仍存在一些問(wèn)題：第一，防雷器布置的位置過(guò)高，不利于保護(hù)，而且當(dāng)線路發(fā)生雷擊時(shí)會(huì)導(dǎo)致線路上的過(guò)電壓；第二，同塔雙回導(dǎo)線的防雷保護(hù)裝置需要根據(jù)不同情況進(jìn)行合理布置，否則將無(wú)法發(fā)揮作用；第三，隨著防雷器安裝的高度逐漸增高，防雷保護(hù)距離隨之增大，會(huì)導(dǎo)致防雷器對(duì)地距離過(guò)短；第四，同塔雙回導(dǎo)線中有2 條線路同時(shí)受到雷擊或同時(shí)遭受高電壓時(shí)將會(huì)使防雷保護(hù)效果變差甚至失效；第五，同塔雙回導(dǎo)線中有一條與其他線路相連的線路，如果出現(xiàn)雷擊電流就可能造成其他線路的故障。針對(duì)這些故障問(wèn)題，采取相應(yīng)的解決措施，提升輸電線路的防雷效果。