輸電線路防雷改進(jìn)措施的研究

輸電線路防雷改進(jìn)措施的研究

電網(wǎng)中的事故以輸電線路的故障占大部分，輸電線路的故障又以雷擊跳閘占的比重較大，尤其是在山區(qū)的輸電線路中，線路故障基本上是由于雷擊跳閘引起的，據(jù)運(yùn)行記錄，架空輸電線路的供電故障一半是雷電引起的，所以防止雷擊跳閘可大大降低輸電線路的故障，進(jìn)而降低電網(wǎng)中事故的發(fā)生頻率。經(jīng)多年摸索，我國的輸電線路防雷基本形成了一系列行之有效的常規(guī)防雷方法，如降低接地電阻、架設(shè)避雷線、安裝自動重合閘等，但是對于一些山區(qū)線路，雷害十分頻繁，降低接地電阻又極其困難，而且費(fèi)用高、工作量大，效果也受到一定的限制。由于近些年110 kV及以上電壓等級的合成絕緣外套金屬氧化物避雷器的研制成功，為解決線路的防雷提供了一種新的手段。華北電網(wǎng)內(nèi)雷電活動頻繁的兩個地區(qū)之一的承德供電局內(nèi)一條110 kV輸電線路——壽遵110 kV線路，該線路經(jīng)過高山大嶺的一段桿塔，在雷雨季節(jié)經(jīng)常遭受雷擊，造成線路跳閘，為了解決這個問題，在該線路129號～167號桿塔上共安裝了20只合成絕緣外套金屬氧化物避雷器，經(jīng)過一年多的運(yùn)行實(shí)踐和一系列的帶電監(jiān)測研究，證明這種改進(jìn)的防雷措施對于山區(qū)線路的防雷是經(jīng)濟(jì)、有效的。

1　線路的基本情況及改造情況
1.1　壽遵線路的基本情況
　　承德地區(qū)位于燕山山脈深處，高山大嶺約占40%，雷電活動非常頻繁，年雷電日在40日以上，每年由于雷擊而引起的故障占全年運(yùn)行故障的60%左右。壽遵110 kV線路全長49.40 km，導(dǎo)線均無換位，平地占13.2%，一般山地占53.1%，高山大嶺占33.7%。壽遵線是承德地區(qū)與電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線，位置重要，該線路又是承德地區(qū)雷擊事故較多的線路之一，由于這些桿有近一半在山頂上，所以雷擊點(diǎn)的查找以及瓷瓶串的更換極其困難，工作量很大。
　　據(jù)資料介紹，雷擊是有選擇性的。220 kV新(安江)杭(州)一回全長119.4 km，于1960年9月28日投運(yùn)，自1962年起在線路上安裝了大量的磁鋼棒進(jìn)行測量記錄，通過1962年至1988年的雷電流幅值記錄和1961年至1994年的線路雷擊跳閘率分析指出，雷擊是有選擇性的，線路全長一半左右無雷擊記錄，多雷區(qū)和易擊點(diǎn)約占全線的三分之一，加強(qiáng)多雷區(qū)和易擊點(diǎn)的防雷措施能顯著降低雷擊跳閘率。所以我們決定在壽遵線129號～167號桿上安裝避雷器，以降低該線路的雷擊跳閘率。
1.2　壽遵線路129～167號桿的改進(jìn)情況

1.2.1　接地的改善

129號～167號桿中接地電阻值高的桿塔共有11基：129、133、134、138、139、145、154、158、162、165、167號，見表1。此段桿塔高山大嶺占42%，一般山地占49%，平地占9%；我們對該段的接地進(jìn)行了改善，重新埋設(shè)了接地引下線，對于接地土壤不好的采取了換土措施，較嚴(yán)重的采取了埋設(shè)連續(xù)伸長接地體的措施，工程實(shí)施后輸電桿塔的接地電阻有了明顯的降低，如表2所示

表1　11基桿塔接地電阻值高的情況

表2　11基桿塔改造前后接地電阻值的比較Ω

1.2.2　外絕緣的改善

　　對于這一段線路中所有的零值瓷瓶進(jìn)行了更換，并且對所有的直線桿塔(保證對地距離足夠的條件下)每相增加一片絕緣子，改為采用8片 XP-7絕緣子。實(shí)施后的絕緣子爬電距離(下稱爬距)、泄漏比距(下稱泄比)與實(shí)施前的對照表參見表3，從表中可以明顯看到線路的絕緣水平有較大幅度的提高。

表3　改造前后爬距、泄比對照表

2　避雷器的選擇及參數(shù)的確定

2.1　避雷器的選擇

2.1.1　選擇復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器
　　由于常用的避雷器是瓷外套，比較重，安裝不便，使用在線路上有一定的局限性，而且如果發(fā)生爆炸，它的碎片將危及臨近絕緣子的運(yùn)行安全，所以必須選擇一種比較適合于線路上使用的避雷器。
　　隨著國內(nèi)硅橡膠技術(shù)的發(fā)展，近些年研制成功的復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器就是一種適合懸掛于線路桿塔上的避雷器，與傳統(tǒng)的瓷外套避雷器相比，它除去了笨重的外套，改用新型硅橡膠復(fù)合有機(jī)外套，因而它具有重量輕等優(yōu)點(diǎn)，甚至在復(fù)合外套避雷器損壞時能允許線路繼續(xù)運(yùn)行，而其電氣特性、保護(hù)特性方面大體與瓷外套避雷器相當(dāng)。
　　國際上，美國、日本、俄羅斯等國已大量使用復(fù)合外套氧化鋅避雷器，在美國的公路上隨處可見運(yùn)行中的配電變壓器都帶有復(fù)合外套氧化鋅避雷器，據(jù)統(tǒng)計(jì)美國己有上千萬只復(fù)合外套氧化鋅避雷器在電網(wǎng)中使用，日本也有百萬只復(fù)合外套氧化鋅避雷器在電網(wǎng)中使用。隨著我國硅橡膠技術(shù)的發(fā)展，我國也相繼研制成功了110 kV、220 kV的復(fù)合外套氧化鋅避雷器，表4是北京某公司研制的110 kV復(fù)合外套氧化鋅避雷器的電氣特性。

　表4　110 kV復(fù)合外套氧化鋅避雷器電氣特性kV

2.1.2　選擇外部帶間隙的復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器

　　懸掛在線路鐵塔上的復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器有兩種：一種是外部帶間隙的復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器(簡稱 GMOA)；另一種是外部不串間隙的復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器(WGMOA)。GMOA的外串間隙在線路正常運(yùn)行時能夠隔離電網(wǎng)運(yùn)行電壓，保持MOA不承受電壓，所以避雷器的額電壓可以選得較低，而且在MOA故障損壞時允許線路繼續(xù)運(yùn)行，但是這種避雷器的保護(hù)特性較差，放電特性主要由間隙決定，其沖擊放電電壓比避雷器的殘壓要高得多。圖5給出了北京某公司研制的110 kV等級帶串聯(lián)外間隙的避雷器的外間隙沖擊放電電壓的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)WGMOA懸掛在線路上運(yùn)行時，其運(yùn)行狀況可隨時得到監(jiān)視，且安裝方便，保護(hù)特性相對來說較好，僅決定于避雷器的殘壓。兩種避雷器使用時各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了安裝方便、獲得好的保護(hù)效果，并便于監(jiān)視避雷器的運(yùn)行狀況，我們決定選擇使用外部不串間隙的復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器。

表5　110 kV帶串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器的間隙特性

2.2　避雷器參數(shù)的選擇

　　由于選擇使用WGMOA，避雷器長期運(yùn)行在相電壓下，且線路運(yùn)行條件比變電站內(nèi)的運(yùn)行條件苛刻，為了避雷器運(yùn)行的可靠性，將110 kV復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器的額定電壓由100 kV提高到120 kV，持續(xù)運(yùn)行電壓由73 kV提高到90 kV，直流1 mA電壓提高到170 kV，考慮到避雷器遭直擊雷的幾率大，因而避雷器的大電流耐受水平由65 kA提高到100 kA，具體參數(shù)見表6。

表6　WGMOA的參數(shù)

　　另外由于避雷器長期懸掛于線路上并承受相電壓的作用，我們在避雷器的型式試驗(yàn)中增加了在避雷器施加拉力試驗(yàn)過程中的局放試驗(yàn)，試驗(yàn)時取110 kV避雷器一支，軸向施加靜態(tài)機(jī)械負(fù)荷，施加拉力分別為500 kg,750 kg,在此負(fù)荷狀態(tài)下施加1.05倍Uc，測量避雷器的局部放電，試驗(yàn)的結(jié)果見表7。

　　　　表7　局部放電試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)軸向機(jī)械負(fù)荷加到額定破壞負(fù)荷時，局部放電沒有變化，所以其機(jī)電性能是穩(wěn)定的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3　避雷器的安裝情況

3.1　避雷器的交接試驗(yàn)

　　為了在安裝前了解避雷器的性能，1996年10月29～31日在華北電力科學(xué)研究院沙河高壓試驗(yàn)大廳對北京中能瑞斯特公司的17只復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器進(jìn)行了交接試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括避雷器的絕緣電阻測試、直流試驗(yàn)(直流1 mA電壓的測量、75%直流1 mA電壓下泄漏電流的測量)、交流試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3.2　避雷器安裝位置的確定

　　經(jīng)過考慮研究，決定在直線絕緣子串和耐張絕緣子串上安裝避雷器的方式，安裝的具體位置見圖１。
　　考慮到在直線桿塔(垂直絕緣子串)上避雷器安裝位置緊臨絕緣子串，此時絕緣子串上的電壓分布是否會影響避雷器的電位分布，繼而影響避雷器的泄漏電流，從而加速避雷器的劣化過程，縮短避雷器的使用壽命，為此在沙河試驗(yàn)大廳進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果顯示，避雷器的這種安裝位置對于避雷器的使用壽命影響很小，也基本不會影響帶電試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。
　　考慮到桿塔的海拔高度、地形地貌以及避雷器的保護(hù)范圍，并且考慮到水平排列的三相的中間相(B相)基本上不會遭受直擊雷，而三角形排列的頂相由于易遭雷擊而需安裝避雷器(如130 號桿)等原則，在桿塔上裝設(shè)了復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器，具體安裝情況見表8。

圖 １　安裝具體位置

表8　氧化鋅避雷器具體安裝情況

4　避雷器的運(yùn)行狀況及分析

4.1　避雷器帶電試驗(yàn)

17只避雷器在進(jìn)行了交接試驗(yàn)后，1996年12月在壽遵線上安裝，并于1996年12月進(jìn)行了第一次帶電測試，以積累避雷器帶電試驗(yàn)的初始數(shù)據(jù)；然后在雷雨季開始后每個月進(jìn)行了帶電測試。從帶電測試的結(jié)果看，避雷器運(yùn)行正常。為了檢驗(yàn)避雷器的性能，在雷雨季節(jié)過后，隨機(jī)抽取了兩只避雷器，然后帶電拆下進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，也就是說避雷器在經(jīng)過一個雷雨季節(jié)的運(yùn)行后，性能良好。
4.2　避雷器動作情況
　　截止1998年6月，避雷器總共動作了5次，其中1997年的雷雨季節(jié)期間動作了2次，都在140號桿塔的A相，1998年避雷器動作了3次，138號桿塔A相、140號桿塔A相，145號桿塔各一次。138號桿標(biāo)高約367.2 m，與139號桿檔距達(dá)595 m，易遭雷擊，140號桿標(biāo)高達(dá)464.9 m，是這一段桿塔中海拔高度較高的桿塔，該號塔位于一高山大嶺頂部，孤伶伶的，極易遭受雷擊，該號塔曾于1992年遭受到一次雷擊，145號桿高約428.2 m，也在一山頂上，易遭雷擊。
　　避雷器五次動作，使壽遵線五次受到避雷器的保護(hù)，避免了線路五次跳閘，所以安裝避雷器的效果是明顯的。

4.3　壽遵線的運(yùn)行情況

　　壽遵110 kV線路自從1996年12月安裝避雷器以來，運(yùn)行直到1998年6月，線路僅跳閘一次(1997年8月31日)，事故點(diǎn)在117號塔，是由于桿塔遭受雷擊造成的。該塔距129號桿12極桿塔，在安裝的避雷器的保護(hù)范圍以外，所以反過來可以說明，避雷器的保護(hù)效果是明顯的，即在避雷器的保護(hù)范圍以內(nèi)的桿塔均受到避雷器的保護(hù)，而在保護(hù)范圍外的桿塔會遭受雷擊。由于在1997年7、8月間，140號桿的避雷器動作了兩次，保護(hù)了線路，鑒于這兩次成功的經(jīng)驗(yàn)，考慮到1996年117號也曾遭受雷擊，而且這段線路中116號、117號、118號連續(xù)三極塔為單避雷線，地勢高，山又陡，單避雷線改雙避雷線的工作量特別大，所以于1997年11月7日在117號塔上也安裝了三只合成絕緣外套氧化鋅避雷器。
　　運(yùn)行表明，5次雷擊跳閘比較集中，所以避雷器的安裝位置是比較合理的，它避免了線路5次跳閘，避雷器的效果也是很明顯的。
　　綜合比較壽遵這幾年的運(yùn)行情況，可以發(fā)現(xiàn)壽遵線自1996年12月安裝了避雷器以來，雷擊跳閘次數(shù)已于1996年的7次降至1997年的1次、1998年的0次(截止6月底)，雖然雷擊有一定的隨機(jī)性，但是避雷器1997年動作2次、1998年動作3次，確確實(shí)實(shí)保護(hù)了線路，減少了雷擊跳閘的次數(shù)，所以在線路上安裝合成絕緣外套氧化鋅避雷器能收到很好的保護(hù)效果。

5　小結(jié)

　　承德供電公司的一條110 kV輸電線路——壽遵110 kV線路，由于經(jīng)過高山大嶺的一段桿塔，在雷雨季節(jié)經(jīng)常遭受雷擊，造成線路跳閘，在這段桿塔降低接地電阻比較困難，且費(fèi)用高、工作量大，效果也受到一定的限制。為了解決這個問題，我院與承德供電公司合作，在該線路117號、129號～167號桿塔上安裝了總共20只合成絕緣外套金屬氧化物避雷器，經(jīng)過一年多的運(yùn)行實(shí)踐，避雷器一共動作了5次，有效地保護(hù)了線路。這些避雷器選擇了適應(yīng)線路運(yùn)行的參數(shù)，經(jīng)過帶電監(jiān)測研究，證明避雷器的性能能夠滿足在線路上運(yùn)行的需要，同時經(jīng)過一個多雷雨季節(jié)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明這種改進(jìn)的防雷措施對于山區(qū)線路的防雷是經(jīng)濟(jì)的、有效的。
　　經(jīng)一年多運(yùn)行證明，合成絕緣外套避雷器參數(shù)選擇正確，布置合理，能很好地保護(hù)線路，防止雷擊跳閘。
　　在110 kV線路上安裝合成絕緣外套避雷器來保護(hù)線路，這在我國尚屬首次，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明在線路上安裝適合于線路運(yùn)行的合成絕緣外套金屬氧化物避雷器來保護(hù)線路是一種經(jīng)濟(jì)的、有效的、可行的方法，是一種值得推薦的、有效的山區(qū)線路防雷方法。