架空线路避雷线的研究
架空线路避雷的研究
李玉婷
(李玉婷,东北农业大学,哈尔滨150030)
摘要:通过分析国内外输电线路实际运行的雷电跳闸故障,发现其造成的主要原因雷电绕击导线。它是相对较小的雷电流造成避雷线屏蔽失效引起的,从而造成雷电跳闸。Dellera和Garbagnati 的输电线路雷电绕击先导发展模型和王晓榆的输电线路绕击概率模型的基础上,进行避雷线的研究,结合其引雷作用、屏蔽作用、分流作用和耦合作用的分析,进行侧面距离、屏蔽失效宽度、保护角等参数的计算,最后得出避雷线的架设方法及现实意义。
关键词:220kV以上输电线路、雷击跳闸、绕击导线、避雷线
Abstract:Thispaper is about the research of overhead ground wire in open-wire circuit.Lightning strike wire around the is the most possible cause of tje Lightning trip fault.Based on two models and its functions,the methods of overhead ground wire's construction are given.
Keywords:Morethan 220kV power transmission lines,lightning outage,Strike wire around,overhead ground wire
引言
根据国内外输电线路运行经验,雷击跳闸故障是影响输电线路安全的主要原因。国际大电网会议公布在美国、前苏联等12个国家的电压为275-500kV,总长32700km 的输电线路连续3年的运行资料中指出,雷电事故占总事故的60%[1−2]。
输电线路的雷击不仅直接导致跳闸,也会使得系统的参数发生变化,直接影响系统的稳定运行。降低雷击跳闸率有着深远的意义——减少线路故障,保障线路的稳定运行。所以我们需要结合电网安全运行的实际情况,进行防雷措施的研究,讨论线路防雷的新方法。
1.国内外雷击跳闸事故的分析
通过分析得出,雷电主要以感应雷和直击雷的形式对输电线路造成危害。感应雷是通过感应电荷产生高电压,产生放电火花,引起火灾、爆炸或造成触电事故。但由于输电线路自身绝缘度很高,所以感应雷不会造成危害。对输电线路造成的主要是直击雷,它分为直击杆塔顶部、直击避雷线档距中央和绕击导线。通过加强杆塔接地电阻的测量和接地装置的维护,能够控制反击发生的条件,所以直击杆按顶部的几率很小。“闪络”指的是沿绝缘体表面的放电现象。在防雷设计上按
s =0. 012L +1
的标准控制地线和导线之间的距离,所以避雷线档距中央受到雷击后不会造成“闪络”,即危害不大。绕击导线是由相对较小的雷电流引起的,它会造成避雷线屏蔽失效,从而雷击绕击导线,使输电线路(220kV以上)跳闸。
湖南≥220kV 输电线雷击情况调研[3]表明,1996至2004年一季度,湖南省≥220kV 输电线路共发生雷击跳闸143次,通过对其中的45次典型雷击跳闸故障分析,绕击导线有32次,占到71.1%。因此,我们主要研究的是如何解决绕击导线的问题。
2.输电线路防雷绕击的理论基础
2.1规程法
规程法[4]规定,线路的绕击率、保护角和杆塔高度的关系如下:平原线路lg P α=α−3. 986
山区线路lg P α=αh −3. 3586
;α——避雷导线对边导线的保护角(度)
;h ——杆塔高度(米)
P α——雷电绕击率。
2.2关于雷电绕击的模型
2.2.1Dellera 和Garbagnati 的输电线路雷电绕击先导发展模型[5]
基于自然雷电放电过程和长空气间隙放电过程的相似性提出的,引入了侧面距离(简称LD)和屏蔽失效宽度(简称SFW)这两个基本参数,他们是雷电流幅值和结构高度的函数。侧面距离指下行自由雷电先导能够击中地面结构物的最大水平侧向距离;屏蔽失效宽度指雷电先导能够避开结构物的保护设备而击向结构
物的空间范围的宽度。
图一输电线路的侧面距离和屏蔽失效宽度图解说明
2.2.2王晓榆的输电线路绕击概率模型[6]
华中科技大学王晓榆教授等在输电线路绕击模拟试验研究的基础上,考虑了雷电绕击分散性,提出了输电线路的雷电绕击概率模型。模拟试验采用ZM1-39型杆塔,比例尺为143∶1和20∶1。其基本依据是:采用[棒-板]间隙结构模拟雷击过程的最后阶段恰当,可采用长棒上电极来模拟接近最后跃变的下行先
导;当放电间隙尺寸较小时,模拟试验会跨大棒形物和线形物的引雷能力,而当间隙尺寸>1m 时,棒形物和线形物的引雷能力与运行观测所推算的击距系数比
较接近。所得试验结果见图二和图三(图中百分数为导线的绕击概率)。
图二1760kV 试验平原地段ZM1型杆塔
线路绕击概率空间分布曲线
图三1760kV 试验山坡地段ZM1型杆塔线路绕击概率空间分布曲线
从结果曲线可知,定位于输电线路旁同一位置的下行雷先导,将随机击中地线、导线和大地;绕击概率与下行先导在空间的定位位置有关,可分别用绕击概率空间分布曲线来表达。每一绕击概率空间分布曲线可分为两段,当上电极定位于曲线的上段时,放电主要对地线或导线两者之一发生,而当上电极定位于曲线的下段时,放电主要对导线或大地两者之一发生。分别对这两段曲线进行回归分析,得:
K 1=0. 92+0. 16P +0. 001X
K 2=1. 25−0. 5P
K 1——曲线上段的定位点到地线和导线的几何击距之比;
K 2——曲线下段的定位点到导线和大地的几何击距之比;
P——导线的绕击概率;
X——定位点远离线路的侧面距离(m)。
上面两式可作为自然情况下,输电线路空间绕击概率分布曲线上段或下段绕击概率与击距比值的关系。
该模型可计算任意结构参数的输电线路旁定位空间的绕击概率分布,并成功地说明了经典电气几何法难以解释的现场事故原因。
2.2.3输电线路绕击区域的界定
根据模拟试验、运行经验和分析计算认为,由于输电线路杆塔的引雷作用和档距中央的弧垂效应,沿输电线路的档距,绕击可分为三个区域,依次为:安全区、危险区和正常区[7]。
在平原地形下,对500kV 线路危险区约在距离杆塔10-30米的区域。
3.绕击避雷线的研究
3.1避雷线的作用[8]
避雷线又称架空地线,架设在杆塔顶部,一根或二根,用于防雷,110-220千伏线路一般沿全线架设。避雷线常与架空线路同杆架设,用来保护架空线路
3.1.1引雷作用
当雷云放电接近地面时。避雷线使地面的电场发生畸变。在其周围形成局部电场强度集中的空间。以影响雷电先导放电的发展方向。引导雷电向避雷线放电。再通过接地装置将雷电流引入大地。从而使导线受到保护。
根据文[9]。若送电线路不架设避雷线或雷绕击于导线时,线路的耐雷水平为
U I =50%(kA ) 100
U 50%——绝缘子串的50%冲击放电电压,单位为kV。
3.2.2屏蔽作用
在雷击放电的先导阶段,导线处于雷云及先导通道与大地构成的电场之中。当雷击于导线附近的大地时,由于雷电通道周围空间电磁场的急剧变化,会在导线上产生感应雷过电压,其值为
U i =ah c
a——感应过电压系数,其值等于以kA 计的雷电流陡度值;µs
h c ——导线平均高度,单位为米。
当架设避雷线后,因接地避雷线的电磁屏蔽作用,使雷云及先导通道在导线处建立的电场降低,从而导致导线上的感应过电压降低,其计算公式为
U i *=(1−k ) U i
K ——避雷线与导线之间的几何耦合系数。
可见耦合系数越大,感应过电压越低,即屏蔽作用越明显。由于感应过电压的极性与雷云电荷相反,所以感应过电压降低,会导致作用于线路绝缘子串上的过电压降低。
3.2.3分流作用
若线路架设避雷线,当雷击塔顶时,雷电流将经杆塔及两侧避雷线入地,如图四所示。显然,流经杆塔的雷电流减少,其塔顶电位的计算公式为
U top =L t
i t ——经杆塔入地的雷电流,i t =βi ;d i t d t +i t R t
β——杆塔分流系数,
在0.86至0.90之间。
图四雷击塔顶时,作用于线路绝缘上的过电压分量
3.2.4耦合作用
当架设避雷线后,雷击塔顶时,雷电波经避雷线向两侧传播,如图四所示。由于避雷线与导线之间存在电容,会将避雷线上的雷电波通过电容耦合到导线上,导线上的耦合电压为
U co =KU top
由于其极性与U top 相同,所以它也会使作用于线路绝缘子串上的过电压降
低。
综上所述,雷击塔顶时,作用于线路绝缘子串上的过电压为
∆U =U top +U i *−KU top
可见,由于避雷线的屏蔽、分流、耦合作用,使作用于线路绝缘子串上的过电压降低,从而使线路的耐雷水平提高,雷击跳闸率降低。
3.3安装避雷线的情况
1)走明线,在地上高于其它建筑。
2)穿山越岭,距离长。
3)雷区,有历史记录。
4)电缆。
3.4避雷线的架设
避雷线的保护效果还同它下方的导线与它所成的角度有关,角度较小时,保护效果较好。在架有两根避雷线的情况下,容易获得较小的保护角,线路运行时的雷击跳闸故障也较少,但建设投资较大。我国近年来新建的220千伏以下线路,多采用一根避雷线。在雷击不严重的110千伏及较低电压的线路上,通常仅在靠近变电所两公里左右范围内装设避雷线,作为变电所进线的防雷措施。
避雷线一般使用镀锌钢绞线架设,常用的截面是25、35、50、70平方毫米。导线的截面越大,使用的避雷线截面也越大。避雷线也会因风吹而振动,常易发生振动的地方通常装有防振锤。
避雷线的重要作用是使线路雷击跳闸率降低,所以110kV 线路一般沿全线架设避雷线;220kV 线路宜沿全线架设双避雷线,以降低其雷击跳闸率。而对35kV 及以下线路,考虑到感应过电压及架设避雷线对整个线路造价的影响,一般不沿全线架设避雷线。
近年来,国外超高压线路有采用良导线架空地线的趋势,主要采用铅包钢线,它具有强度较高、不生锈、又有适当的导电率的优点。一般用绝缘子使之与杆塔相互绝缘,利用间隙引导雷电流入地,这样,可利用架空地线作为载波通道并减少电能感应损耗。[10]
结束语
在满足现行规程的前提下,220kV 以上输电线路雷击跳闸主要是由避雷线屏蔽引起的,重点是防止雷电绕击导线。防绕击避雷线,技术上可行,电气、机械等方面安全可靠,在经济上也十分合理,可作为超高压输电线路防绕击的推广应用。随着防绕击避雷线的发展及广泛应用,必将对输电线路的安全运行做出更大的贡献。
参考文献
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[8]胡付民。避雷线的作用分析。安徽水利水电职业技术学院学报。2009,12,Vol.9No.4.
[9]DL/T620-1997, 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S]
[10]河北天龙电力设备有限公司2009/12/1,http://www.qianyan.biz/info_show.do?nid=152486,2011/12/16查阅