一、常規防雷方法的分析
現電力系統輸電線路中,現行的防雷措施一般有以下幾種:
1、架設避雷線
這是高壓和超高壓輸電線路防雷保護的最基本和最有效地措施。避雷線的作用主要是防止雷直擊導線,同時還有分流作用以減少流經桿塔的雷電流,從而降低桿塔頂部電位。通過對導線的耦合作用可以減少線路絕緣子上的過電壓。對導線的屏蔽作用還可以降低導線上的感應電過電壓。
根據DL/620-1997《交流電氣裝置的過壓保護和絕緣配合》中規定,各電壓等級的線路,一般采用下列保護方式:
1 330kV和500kV線路應沿全線架設雙避雷線,但少雷區除外。
2 220kV線路宜沿全線架設避雷線,少雷區架設單避雷線。
3 110kV線路一般沿全線架設避雷線,在山區和雷電活動等特殊強烈的地區,宜架設雙避雷線。在少雷區可不沿全線架設避雷線,但應裝設自動重合閘裝置。
4 35kV及以下線路,一般不沿全線架設避雷線。
2、降低桿塔接地電阻
規程要求, 有避雷線的線路, 桿塔的工頻接地電阻在干燥的雷季不宜超過表1-1 所列數值:
表1-1 桿塔的工頻接地電阻
土壤電阻率(Ω.m) |
100及以下 |
100~500 |
500~1000 |
100~2000 |
2000以上 |
接地電阻
(Ω) |
<10 |
<15 |
<20 |
<25 |
<30 |
3、采用線路避雷器
線路型避雷器使用在線路絕緣子串旁。當輸電線路遭受雷擊時,雷電流的分流發生變化,一部分雷電流傳入相鄰桿塔,一部分經桿塔入地,當雷電流超過一定值后,避雷器動作。大部分雷電流從避雷器流入導線,將在導線上產生耦合分量。因為避雷器的分流遠遠大于從導線中分流的雷電流,這種耦合作用將使導線電位提高,使導線和桿塔頂部之間的電位差小于絕緣子串的閃絡電壓,絕緣子就不會發生閃絡。線路避雷器起著很好的鉗電位作用。
4、架設耦合地線
在建成投運后雷擊故障頻繁的輸電線路上,在導線下方假加一條耦合地線,一是可以增加避雷線與導線之間的耦合作用,降低絕緣子串兩端的反擊電壓;二是雷擊桿塔頂部時,增大向相鄰桿塔分流的雷電流。
5、加強線路絕緣
由于輸電線路個別地段需要采用大跨越高桿塔,這就增加了桿塔落雷的機會。高桿塔落雷是塔頂電位高,感應過電壓打,而且受繞擊的概率也較大。一般為增加絕緣子串片數、使用大爬距懸式絕緣子、增大空氣間距等方法來增加線路絕緣。
二、連城縣的雷電活動特征
連城縣年均雷暴日約為65d(1991--2007年),屬于典型的多雷暴區。根據每次雷雨天氣氣象觀測實況看:天氣系統多數從北方向進入縣境, 東南方向結束,每次降水過程在當地停留時間基本在半小時左右。另一方面,典型的高原山區氣候特點造成我縣雷電地閃情況比較多,以致我縣雷擊災害事故數量在全省一直屬于中上水平。從雷暴活動時間分布上,多數年份全年均有雷暴天氣發生,一般從2月份開始,到7月份逐漸增加,7—8月達到高峰,9月份迅速減少。
連城近幾年的運行數據表明,通過現場測量得到了桿塔接地電阻、避雷器接地電阻、線路及變電站單相接地電容電流的測試參數,分析了引起線路雷擊事故的主要原因。通過研究發現目前連城電網線路不是全線架設避雷線,部分接地電阻超標,有些線路沒有裝設自動重合閘,電網設備防雷保護不過完善,防雷形勢比較嚴峻。
根據歷年來氣象部門的資料統計,連城縣的氣象條件如下:
序號 |
氣象條件 |
溫度(℃) |
風速(m/s) |
覆冰厚度(mm) |
備注 |
1 |
最大風速 |
-5 |
25 |
0 |
|
2 |
覆冰 |
-5 |
10 |
10 |
|
3 |
最低氣溫 |
-10 |
0 |
0 |
|
4 |
安裝 |
-5 |
10 |
0 |
|
5 |
最高氣溫 |
+40 |
0 |
0 |
|
6 |
平均氣溫 |
+15 |
0 |
0 |
|
7 |
內過電壓 |
+15 |
15 |
0 |
|
8 |
外過電壓 |
+15 |
10 |
0 |
|
三、雷擊跳閘率
連城縣電網輸電線路雷擊跳閘情況:
我們將連城縣供電公司2006~2007年輸配電線路事故障礙次數進行統計,從事故障礙原因進行分析,可以分為以下幾類:
時間 |
運行維護檢修過失 |
設備質量 |
線路雷擊 |
外力破壞 |
原因不明 |
2006年 |
6 |
4 |
10 |
4 |
0 |
2007年 |
9 |
9 |
18 |
5 |
2 |
其中雷擊跳閘占所有事故跳閘的41.79%,說明在連城縣電網中最主要的事故障礙原因是雷擊。
由于連城縣輸電線路的防雷設計計算是根據規程法,落雷密度和雷電日都是取規程中的規定值,桿塔則以線路中較為普遍的桿塔型號為代表進行計算,根據計算結果,整條線路采取同一規格同一標準的均一化設計方案。規程法以其簡單實用的特點而成為現今輸電線路工程防雷設計及改造中重要的理論依據。
應用電力行業標準中推薦的雷電參數和方法對連城縣的110kV廟文線線路雷擊跳閘率進行了計算,廟文線(線路總長為157km),按照規程法計算出廟文線的雷擊跳閘率為3.605次/(100km·a),根據廟文線的實際雷擊跳閘記錄,廟文線在2000~2005年這6年間,總共跳閘22次,折算出廟文線實際的年平均100 km雷擊跳閘率為22÷6÷1.57=2.335次/(100km·a),結果發現前者的計算結果比后者大1.5倍。究其原因,是按照規程法標準中的地面落雷密度y取得過大所致,因此規程推薦的落雷密度不適用于廟文線雷擊跳閘率的計算,但該標準中的雷擊跳閘率計算公式還是可行的。由上可知設計線路的時候得結合當地的實際情況來計算線路的雷擊跳閘率。
四、連城縣輸電線路的防雷措施及效果
結合連城電網線路實際情況提出在易擊桿塔加裝線路型避雷器、降低線路桿塔接地電阻、提高線路的耐雷水平以降低雷擊跳閘率。
1、降低線路桿塔接地電阻
1 對新建的工程,設計部門在設計時應在實測桿塔的土壤電阻率的前提下,根據接地體的總長度和埋深要求,提出合理的接地電阻設計值,對多雷區重要的新建線路應有強化防雷的措施。對投運線路應加大對老舊線路的投資和改造力度,對雷擊頻發區段,盡快全面整改;對于土壤電阻率較高的疑難地區的線路,則應跳出原有設計參數的框框,實施強化降阻手段。
2對投產的線路抽查接地體的埋深是否符合規程的要求,射線長度是否達到設計的規定值,并建立桿塔接地電阻值、埋深、走向等原始技術臺帳。35kV西北線為2007年新建線路,于2008年開始運行,2009年4月份對其接地電阻進行測量,從測量的結果來看,35kV西北線所測量的45根桿塔中只有19基的接地電阻是合格的,有26基不合格,不合格比例為57.78%,經研究發現接地敷設長度和規程明顯有偏差,也有些是由于接地溝回填土下沉造成了引下線長度不夠。由于連城縣很多地段屬于高土壤地區,桿塔的工頻接地電阻要達到允許值較困難,因此桿塔需要采用兩根連續伸長接地線來提高桿塔的耐雷水平。水泥電桿的避雷線、橫擔和絕緣子固定部分,應有可靠的連接和接地,每根桿塔的工頻接地電阻,在雷雨季節一般不超過表1-1所列數值。在雷雨季節土壤干燥時,其接地電阻在不連避雷線測量最大不超過30Ω。同時也要重視無避雷線的桿塔接地。無避雷線的水泥電桿、金屬桿塔的接地電阻雖然一般不限制,但在年均雷暴日超過40天的地區,接地電阻也不宜超過30Ω。
2、在特殊區段使用一定數量的線路避雷器
將線路型避雷器應用到輸電線路上基于兩個目的:一是應用到輸電線路雷電活動強烈的線段或某些降低接地電阻有困難以及對防雷有特殊要求(如過江桿塔)的局部線段 以提高線路的防雷性能;二是沿線路裝設線路型避雷器以深度限制沿線的操作過電壓水平。在上面這兩種情況下 線路型避雷器都要承受線路遭受雷擊時的沖擊電流的作用,當雷擊避雷線、桿塔和導線時,輸電線路采用線路型避雷器雖可大大提高線路的耐雷水平,但線路型避雷器本身也必須承受一定的沖擊放電電流和雷電能量的作用。因此,計算和研究安裝在輸電線路上的線路型避雷器的雷電放電電流以及承受的雷電能量的要求是很有必要的。隨著避雷器在雷擊頻繁地區的應用中表明,線路型避雷器對保護線路絕緣子串免受雷電過電壓引起的閃絡,減少線路雷擊跳閘率,提高線路耐雷水平效果很明顯。
安裝線路避雷器的防雷效果分析:
舊廟線、池廟線安裝避雷器后,經過三個雷雨季節,共裝避雷器6只,動作25次,歷年、近3年、安裝避雷器后的雷擊跳閘率分別為5.15、4.96、3.68,雷擊跳閘率大幅度降低,為歷年的71%,有效地預防了雷擊放電。由上可見輸電線路安裝了線路型避雷器后極大的提高了輸電線路繞擊耐雷水平。
3、提高線路的耐雷水平
1 加強線路的維護。根據季節的變化,保證線路走廊(尤其是大跨越、多雷區等特殊地區)有足夠的安全間隙。
2 加強線路的絕緣
加強線路零值瓶的檢測,保證線路有足夠的絕緣強度。雷電沖擊放電偏低的新合成絕緣子,應加長10~15 ,保證其耐雷水平與瓷值或玻璃絕緣子相當。在線路設計選擇絕緣子形式時,應充分比較各種絕緣子的性能掌握各種絕緣子的相關參數,分析其特性。玻璃絕緣子有較好的耐電弧和不易老化的優點,特別是玻璃是熔融體,質地均勻,燒傷后的新表面仍是光滑的玻璃體,仍具有足夠的絕緣性能,并且絕緣子本身具有自潔性能良好和零值自爆的特點對線路運行維護具有優勢。對于如今在線路上推廣使用的復合絕緣子,從連城縣供電公司在多條35~110kV線路上運行情況來看,復合絕緣子優異的抗污閃性能不容置疑,但耐雷電沖擊性能并無優勢;這是由于復合絕緣子傘裙直徑較小,兩端金具頭較長,因爾對于相同高度,其電弧距離(即有效絕緣長度)小于瓷或玻璃絕緣子串,亦即絕緣子的耐雷水平小于同長度的瓷或玻璃絕緣子串。這種不利因數對長度越短的復合絕緣子越明顯,特別是在110kV及以下電壓等級中顯得尤為突出。
3 統一技術要求
對大跨越全高超過40 m的桿塔接地電阻的要求不盡一致,常導致基建與生產交接的矛盾。通過增加接地射線的長度、根數或采用延伸接地等措施盡可能地降低桿塔的接地電阻,爭取不超過相同土壤電阻率設計值的5O%。安裝輸電線路時,安裝單位要嚴格按有關規程、規范進行施工,講究施工工藝,確保施工質量,并使用優質合格的原材料。安裝過程中,應由運行單位和工程監理嚴格把關,全過程參與,及時監督和檢查以確保工程質量。
五、結論
通過對輸電線路防雷的研究,筆者體會到只要重視輸電線路的防雷,加大對輸電線路防雷的投入,提高輸電線路防雷的科技含量,加強對雷電的監測和預防,加強輸電線路的運行維護工作,輸電線路防雷是“可控”的,降低其雷擊跳閘率是完全可行的。