防雷措施：超高压线路雷击跳闸原因及预防

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：国内外高压、超高压线路运行经验表明,线路绝缘闪络主要是工作电压及雷击闪络,而在这两种原因引起的绝缘闪络中雷击闪络又占60%～70%,即雷害是造成线路故障的主要原因。所以超高压线路的防雷不可忽视,应当研究雷击跳闸的原因及防止措施。根据上述,可以认为雷击故障由反击引起的可能性极小。

长期以来,国内外一直认为操作过电压在超高压电网中起主导作用。随着保护设备性能的提高与保护措施的不断完善,500kV系统操作过电压水平已降至2.0p.u.,使操作过电压在绝缘配合中占突出地位的情况有所改变,操作过电压已不再是超高压线路绝缘的决定性因素。但因一般认为随电压等级的提高,线路抗雷能力自然增大,对500kV系统雷电过电压的研究,尤其是对线路防雷的研究,显得较为薄弱。事实上,由于500kV线路绵延近千公里,杆塔较高,地形、气象条件复杂,从整体上看,更容易遭受雷击。国内外高压、超高压线路运行经验表明,线路绝缘闪络主要是工作电压及雷击闪络,而在这两种原因引起的绝缘闪络中雷击闪络又占60%～70%,即雷害是造成线路故障的主要原因。

近几年来,我国华东、华中、华南等地区的某些500kV超高压线路雷击跳闸十分突出,例如,某省境内的9条近1320km 的超高压线路共发生线路故障跳闸33次,其中雷害事故就有19次,占故障跳闸总次数的57.6%,雷击跳闸率最高达0.552次/ (100km·a),大大超过表10-38所列的预期值。所以超高压线路的防雷不可忽视,应当研究雷击跳闸的原因及防止措施。

表10-38　我国线路雷击跳闸率的限值

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(一) 雷击部位及分析

如图10-43所示,为分析方便,将雷击超高压线路的部位分成如下几部分:

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图10-43　超高压线路受雷击部位示意图

1—雷击杆塔;2—雷击避雷线;3—绕击导线

1.雷击于挡距中央及其附近的避雷线

根据理论分析和运行经验,我国电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620—1997)中规定,在挡距中央,导线和避雷线之间的空气距离S 可按式 (10-8)来选择

式中 S——导线与避雷线之间的距离,m;

l——挡距长度,m。

运行经验证明,式 (10-8)是足够可靠的,即只要满足该式的要求,雷击挡距中央,导线和避雷线间发生闪络引起跳闸的情况是罕见的,可不考虑这种情况引起的跳闸。

2.雷击杆塔或杆塔附近的避雷线

研究表明,雷击杆塔或杆塔附近的避雷线是造成反击 (由绝缘子串接地端经绝缘子串表面向导线发生闪络)的主要原因,反击耐雷水平的计算公式为

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式中 U50%——线路绝缘子串的50%冲击闪络电压,kV;

k——考虑冲击电晕影响的耦合系数;

β——杆塔分流系数;

Ri——杆塔冲击接地电阻,Ω;

ha——横担对地高度,m;

ht——杆塔高度,m;

Lt——杆塔电感,μH;

hg——避雷线对地平均高度,m;

hc——导线平均高度,m;

2.6——波前长度,μs。

当500kV线路采用如图10-44所示的酒杯型铁塔,悬挂25×XP-160 的绝缘子,冲击接地电阻为7～15Ω 时,按式 (10-9)计算得雷击杆塔的耐雷水平分别为176.6k A 和125.4k A,其相应出现的概率分别为0.98%和3.8%。

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图10-44　500kV酒杯型铁塔

现场在对发生雷击故障的500kV线路调查中,发现实测的雷击故障杆塔的工频接地电阻值均未超过其设计值,一般在10Ω 左右,这说明线路杆塔的实际耐雷水平比设计值还要高些,因而具有较高的防止反击事故的能力,反击难以形成。从发生雷击故障的500kV线路GPS雷电定位观测系统提供的雷电流数据来看也不具备形成反击发生的条件。

根据上述,可以认为雷击故障由反击引起的可能性极小。

3.绕击

雷绕过避雷线直击于导线的现象,称为绕击。

目前绕击的分析方法主要有两种:

(1)规程法。规程法是根据高压线路积累的运行经验而制定的,与超高压线路的实际运行情况出入较大。

(2)电气几何模型 (EGM)法。20世纪60年代中后期,开始应用电气几何模型来分析避雷线的屏蔽作用。电气几何模型是以“闪击距离”rs的概念为基础的,所谓闪击距离就是雷电先导头部与地面目标间的临界击穿距离,此击穿距离与先导头部电位有关,先导头部电位与先导中的电荷有关,后者又决定了随后出现的雷电流幅值,因此,“闪击距离”rs与雷电流幅值有直接关系,其关系式如下:

由于利用“击距理论”能较好地解释运行中导线遭受雷击的现象,故下面采用“击距理论”对典型的雷击故障例进行分析。

【例1】 1998年8月26日华中某500kV线路A 相故障跳闸,重合成功。据GPS雷电定位观测系统提供资料,有5 个地闪雷电流值,均为负极性,其值分别为:-11.3k A,-16.2k A,-40.8k A,-27.6k A,-16.2k A,坐标定位在208号塔附近,雷击跳闸时伴随有暴雨。

208号塔为JG21—21耐张转角塔,全高34m,跳线绝缘为LXP—7×27,此塔A 相对应于中相,为上字形排列,位于左边相上方,处于一个小山坡上。工频接地电阻值为11Ω。对绕击分析如下

(1)临界击距、临界电流。

地线高度 h1=34m

导线高度 h2=29.8m

保护角 α=tan-11.2/4.2=15°56′

山坡倾角 θ=15°

临界击距 rsc=(h1+h2)/2[1-sin(α+θ)]

=65.64m

由rsc=7.1Isc3/4计算,临界电流为

Isc=19.38k A

(2)绕击耐雷水平及相应击距。按EGM 法分析,可引起绕击闪络的最小雷电流即绕击耐雷水平:

故障时有暴雨,暴雨使污秽绝缘子的雷电闪络电压有所下降,500kV四分裂导线有电晕时波阻Z取为280Ω,则可能引起绝缘子串闪络的最小绕击雷电流:

由图10-45可见,根据Imin＜Ia＜Isc,初步判断是Ia=16.2k A 的雷电流绕击中相导线造成了跳闸事故。

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图10-45　绕击分析几何模型

【例2】 1998年4月23日为雷雨天气,华中某500kV线路C 相故障跳闸,重合成功。据GPS雷电定位观测系统资料,故障在183号塔附近,共获得4个地闪雷电流,均为负极性,其幅值分别为-47.7k A,-29.1k A,-24.8k A,-21.6k A。故障后经检查发现186 号塔地线间隙有轻度烧伤痕迹,此处C相对应水平排列的右相,186号塔地处一小山包上,塔型为ZB21—36,绝缘配置情况LXP-16D×25,2 侧挡距分别为556m 和343m。绕击计算结果如下:

(1)绕击耐雷水平及相应击距。

(2)临界击距及临界绕击闪络电流。

(3)绕击条件。根据Imin＜Ia＜Isc,可初步判断在4个雷电流中,最有可能是21.6k A 的雷绕击中右相导线,造成了跳闸事故。

上述分析结论与现场的实际情况基本吻合,说明雷击故障是由绕击引起的。

事实上,EGM 理论是根据保护角较大,杆塔高度较低的线路运行经验总结而成的 (美国依据345kV线路,观测了长达8年的统计值),有一定的适用范围。国内最新试验研究表明,由于放电的分散性,即使满足规程设计要求和EGM 完全屏蔽条件的杆塔,超过EGM 绕击区外定位的雷闪,也可能发生绕击,只是定位点离开等效绕击区越远,绕击概率逐渐降低。

(二) 防止绕击的对策

1.研究影响绕击的因素

目前,国外已提出考虑长间隙放电物理的先导发展模型,影响绕击跳闸的因素除了α及避雷线高度h1外,杆塔的具体结构 (α,h1,h2值),绝缘子串冲击绝缘水平,地形条件及具体雷暴特点都有一定的影响。我国也应开展这方面的基础研究,以指导实际设计及运行工作。

2.因地制宜采取措施

例如易绕击段,应加强防绕击的措施。对山区,可采取减小保护角或负保护角的措施等。近年有人研究在山区采用负保护角的杆塔及在避雷线上加装侧向短针。后者旨在将绕击转化为反击,因500kV线路反击耐雷水平大于100k A,而绕击耐雷水平仅为15～30k A,较小的雷电流击中避雷线及杆塔顶部也不会引起闪络。

3.加强雷电活动的检测

利用传统磁钢棒检测技术和现代化的GPS雷电定位观测系统相结合,开展雷击重点地段和易击点的雷电活动检测,找出雷电活动规律,以采取相应措施。

4.研究防雷新技术、新设备

由于雷害是危及输电线路尤其是超高压线路安全运行的首要原因,所以国内外均在研究防雷新技术。当前线路防雷工作研究的新内容为:同杆双回线路采用不平衡绝缘的防雷效果及线路避雷器防雷保护效果。目前,国内已研制成功500kV串联外间隙复合绝缘避雷器 (SGMOA),并已挂网运行。SGMOA 是安装在输电线路塔顶部的防雷保护电器。在输电线路运行中,SGMOA的串联外间隙始终承受输电线路持续运行工作电压的作用,有时还承担输电线路系统操作过电压的冲击。当雷击杆塔瞬间,SGMOA 动作,限制雷电过电压幅值,避免因绝缘子闪络引起的输电线路跳闸事故。

防雷措施：超高压线路雷击跳闸原因及预防

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