35kV電網(wǎng)防雷保護的應用

肖代波 周仿榮 程正庭 石 磊

(1.湖北隨州供電公司,湖北 隨州 441300;2.云南電力試驗研究院 (集團)有限公司電力研究院,云南 昆明 650217)

1 前 言

35kV電網(wǎng)在我國電力工業(yè)中,特別是在以架空線為主的城市近郊及農(nóng)村電網(wǎng)中占有相當重要的地位。由于 35kV線路不需全線架設(shè)避雷線;線路多數(shù)為 3-4片絕緣子,本身的絕緣水平較低;線路三相不換位,三相對地電容不對稱,上述特點使 35kV電網(wǎng)總體耐雷水平不高,當雷擊架空線路時,不論是感應雷過電壓還是直擊雷過電壓都極易引起絕緣子閃絡(luò)。在我國跳閘率比較高的地區(qū)[1],在高壓線路運行的總跳閘次數(shù)中由雷擊引起的次數(shù)約占 40%-70%,尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復雜的地區(qū),雷擊輸配電線路引起的事故率更高。

防雷是一個綜合的技術(shù)經(jīng)濟問題,在確定具體防雷措施時,應根據(jù)線路的負荷性質(zhì)、系統(tǒng)運行方式、雷電活動強弱、地形地貌的特點和土壤電阻率的高低等條件,特別要結(jié)合當?shù)卦械倪\行經(jīng)驗通過技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。

2 35kV輸電線路的防雷保護

2.1 降低桿塔接地電阻

對于一般高度的桿塔,降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平防止反擊的有效措施。當雷擊于線路塔頂或避雷線時,桿塔接地電阻大則雷電流流過桿塔塔身到達接地裝置發(fā)生反射后,使得塔頂電位大大升高,當塔頂或橫擔處與導線之間的電位差超過線路絕緣的雷電沖擊放電電壓時,會對導線發(fā)生閃絡(luò),這一過電壓即形成雷電反擊。雖然雷擊塔頂時線路耐雷水平值與桿塔沖擊接地電阻、導線地線間的耦合系數(shù)、桿塔分流系數(shù)、桿塔等值電感以及絕緣子串的沖擊放電電壓等諸多因素有關(guān),但桿塔沖擊接地電阻直接影響著線路的耐雷水平。

研究表明:無論線路是否有避雷線[1],是否裝有避雷器,線路的耐雷水平均隨桿塔沖擊接地電阻增大而減小,35kV線路不同接地電阻時的耐雷水平如圖 1所示[3];對于無避雷線的線路,耐雷水平主要取決于雷擊桿塔的沖擊接地電阻,受其它桿塔的沖擊接地電阻的影響很小,可以忽略[1]。當桿塔沖擊接地電阻由 100Ψ降至 20Ψ時,輸電線路的耐雷水平可提高 3-5倍,可見線路的耐雷水平在很大程度上取決于桿塔的沖擊接地電阻[4]。當接地電阻大于 20Ψ時,線路耐雷水平隨沖擊接地電阻增大而下降的陡度變緩,原因是沖擊接地電阻雖然直接決定了雷擊桿塔塔頂電位的高低和雷電流分流的大小,但避雷器的分流鉗位作用使塔頂電位與導線電位接近,接近的程度與沖擊接地電阻無關(guān),從而減小了沖擊接地電阻的影響。

因此為了提高 35kV輸電線路的耐雷水平,應盡量減小桿塔的接地電阻,尤其是 35kV進線段有架空地線桿塔的接地電阻不應大于 10Ψ,終端桿塔接地電阻不應大于 4Ψ[8]。

2.2 使用線路型避雷器

線路避雷器一般采用避雷器本體和串聯(lián)的空氣間隙組合結(jié)構(gòu),避雷器本體基本上不承擔系統(tǒng)運行電壓,不必考慮在長期運行電壓下的老化問題,在本體發(fā)生故障時也不影響線路運行。串聯(lián)間隙有兩種,分別為純空氣串聯(lián)間隙和合成絕緣子支撐的串聯(lián)空氣間隙,前者不必擔憂空氣間隙發(fā)生故障,但在安裝時需要調(diào)增空氣間隙距離,后者的間隙由于已由絕緣子確定,安裝較為容易,但支撐串聯(lián)間隙的合成絕緣子承擔著較高的系統(tǒng)電壓。

加裝線路避雷器以后,當輸電線路遭受雷擊時,雷電流的分流將發(fā)生變化,一部分經(jīng)塔體入地,一部分雷電流從避雷器流入導線傳播到相鄰桿塔。雷電流在流經(jīng)避雷線和導線時,由于導線間的電磁感應作用,將分別在導線和避雷線上產(chǎn)生耦合分量,因為避雷器的分流遠遠大于從避雷線中分流的雷電流,這種分流的耦合作用將使導線電位提高,使導線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡(luò)電壓,絕緣子不會發(fā)生閃絡(luò),因此它具有很好的鉗電位作用,這也是線路避雷器進行防雷的明顯特點。

對 35kV輸電線路 “易擊段”局部絕緣子串并接線路避雷器來提高線路耐雷水平是一種理想的線路防雷措施[5],由于線路避雷器的 “鉗電位”工作原理和較強的熄弧能力,架設(shè)線路避雷器能夠明顯提高輸電線路的耐雷水平,大大降低線路絕緣的閃絡(luò)建弧率,尤其當雷直擊導線時避雷器耐雷效果更為顯著。文獻[1]對有、無避雷線的 35kV的線路在不同避雷器架設(shè)方案下的耐雷水平進行了研究,結(jié)果表明:同一桿塔沖擊接地電阻下,裝設(shè)了避雷器的線路其耐雷水平較無避雷器時高,提高的程度與裝設(shè)的避雷器組數(shù)有關(guān)。裝設(shè) 1組避雷器時,耐雷水平可提高 1.2～1.6倍(有避雷線線路)或 1.5～2倍 (無避雷線線路),但仍然很低,尤其是在高接地電阻情況下;裝設(shè)3組避雷器時,有、無避雷線的線路的耐雷水平分別可提高到 2～4.4倍和 3～5.5倍;裝設(shè) 5組避雷器時,線路的耐雷水平可提高 4～7.5倍 (無避雷線線路)或 5.6～9.8倍 (有避雷線線路)。因此加裝線路避雷器對提高 35kV線路的耐雷水平具有非常重要的意義。

實踐證明將線路避雷器應用到輸電線路雷電活動強烈或土壤電阻率高、降低接地電阻困難的線段,可有效降低雷擊跳閘事故率,但它的缺點是價格昂貴,難以普遍推廣使用,一般只用于線路中雷電活動劇烈的易擊點、易擊段、易擊相,或需要重點保護的線路段。

2.3 加強線路絕緣

35kV線路雷擊跳閘率高的一個重要原因是其絕緣水平較低。線路的絕緣水平與耐雷水平成正比,由于輸電線路個別地段需采用大跨越高桿塔(如跨河桿塔),這就增加了桿塔落雷的機會,高塔落雷時塔頂電位高,感應過電壓大,而且受繞擊的概率也較大。為降低線路跳閘率,可適當在高桿塔上增加絕緣子串片數(shù),或采用瓷橫擔等沖擊閃絡(luò)電壓較高的絕緣子來降低雷擊跳閘率,以加強線路絕緣。文獻[6]研究了 35kV線路不同絕緣子片數(shù)情況下的反擊跳閘率,如表 1所示?？梢钥闯隼讚籼l率隨著絕緣子片數(shù)的增加迅速下降,當絕緣子片數(shù)由 3片增加到 6片時,線路的反擊跳閘率下降了 60%左右,這充分說明對35kV線路采取加強線路絕緣的措施可有效降低反擊跳閘事故。

表1 不同絕緣子片數(shù)時的反擊跳閘率 (100km/a)

2.4 安裝自動重合閘裝置

由于線路絕緣具有自恢復性能,大多數(shù)雷擊造成的閃絡(luò)事故在線路跳閘后能夠自行消除,線路絕緣不會發(fā)生永久性的損壞或劣化,這時若重新使斷路器合上往往能恢復供電,因而減小停電的時間,提高供電的可靠性。因此安裝自動重合閘裝置對于降低線路的雷擊事故率具有較好的效果。

據(jù)統(tǒng)計我國 110kV及以上的高壓線路重合閘成功率達 75%-95%,35kV及以下的線路成功率約為 50%-80%,因此各級電壓等級的線路均應盡量安裝自動重合閘裝置[2]。在 35kV配網(wǎng)線路上投運單相自動重合閘是最合適的,因為對于35kV配網(wǎng)線路來說大部分都是單側(cè)電源供電,主要應用于生活用電,而單相自動重合閘可以不間斷對用戶的供電也是在 35kV線路中選用單相自動重合閘的一個重要原因。

但是自動重合閘裝置本身不能消除由于絕緣子串燒毀、線路掉線造成的事故,它需要與其他防雷裝置配合才能發(fā)揮使線路不停電的作用。加裝線路自動重合閘作為線路防雷的一種有效措施,在線路正常運行中和保證供電可靠性上都發(fā)揮了積極的作用,但需要對瞬時故障加強巡視、分析和判斷,并及時查清處理,防止給線路安全運行遺留隱患。

2.5 安裝自動消弧線圈

我國規(guī)程規(guī)定,35kV系統(tǒng)單相接地電流小于10A時,中性點的運行方式為絕緣運行方式,單相接地電流大于 10A時應采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的運行方式。當雷擊引起線路單相接地后,流過故障點的雷電流瞬時即過,通過沖擊閃絡(luò)通道以電弧形式出現(xiàn)的工頻續(xù)流一般在小于 10A時會自動熄滅,系統(tǒng)恢復正常。而當工頻續(xù)流大于10A時電弧往往不會自動熄滅,一般電網(wǎng)工頻續(xù)流又不會形成穩(wěn)定燃燒的電弧,從而導致工頻續(xù)流時燃時滅,在系統(tǒng)中引起持續(xù)時間較長的弧光接地過電壓,危及一些絕緣水平較低設(shè)備的運行安全,同時在工頻續(xù)流時燃時滅時,如果線路又遭受雷擊,引起其它相閃絡(luò),就會造成相間短路引起線路跳閘,造成停電。

利用消弧線圈的電感電流可以補償?shù)窒€路因雷擊引起的導線單相對地短路電容電流[7],使其接地點的短路電流小于 10A,促使短路電流自動熄滅,使之不能建立持續(xù)燃燒的接地電弧,控制了配電網(wǎng)的雷擊建弧率,因而有效地控制了配電網(wǎng)的雷擊動,但實際上,))同時,波沿線路侵入變電跳閘率,降低了配電網(wǎng)雷害事故。研究認為[8],不論電壓等級大小,只要系統(tǒng)的電容電流超過 10A時,就應該考慮加裝消弧線圈,但是單相接地時電弧的熄滅及線路雷擊跳閘與消弧線圈的運行狀況有密切的關(guān)系[9],因此必須根據(jù)實際情況合理選擇消弧線圈的運行方式。

3 35kV變電站的防雷保護

由于雷擊線路比較頻繁,雷電侵入波是造成變電站雷害事故的主要原因,侵入變電站的雷電波幅值雖然在一定程度上受到線路絕緣水平的限制,但是因為線路的絕緣水平高于變電站電氣設(shè)備的絕緣水平,所以必須采用防護措施,削弱來自線路的雷電侵入波幅值和陡度,限制變電站內(nèi)的過電壓水平,避免電氣設(shè)備發(fā)生雷害事故。

3.1 直擊雷的保護

變電站對于直擊雷的保護一般采取裝設(shè)避雷針或采用沿變電站進線段一定距離內(nèi)架設(shè)避雷線的方法解決。我國的運行經(jīng)驗表明,凡按規(guī)程要求裝設(shè)避雷針和避雷線的變電站,繞擊和反擊的事故率都非常低,每年每 100個變電站發(fā)生繞擊或反擊的次數(shù)約為 0.3次[10]。

變電站直擊雷保護應遵循以下原則:

1)避免雷電直擊。所有被保護設(shè)備均應處于避雷針 (線)的保護范圍之內(nèi),以避免遭受雷電直擊。

2)不出現(xiàn)反擊。當雷擊避雷針時,避雷針對地面的電位可能很高,如它們與被保護電氣設(shè)備之間的絕緣距離不夠,就有可能在避雷針遭受雷擊后,使避雷針與被保護電氣設(shè)備之間發(fā)生放電現(xiàn)象,這種現(xiàn)象叫反擊或叫做逆閃絡(luò)[12,13]。為防止避雷針對被保護物體發(fā)生反擊,避雷針與被保護物體之間的空氣間隙 SK應有足夠的距離,按實際運行經(jīng)驗進行校驗后,標準推薦用公式 (1)校核獨立避雷針的空氣間距 SK。式中,Rch是獨立避雷針的沖擊接地電阻;h是被保護設(shè)施的高度。

在一般情況下,SK不應小于 5m。除了滿足上述兩個原則之外,在變電站的防雷保護中還要根據(jù)實際情況合理的布置避雷針和避雷線,以使整體的防雷性能最優(yōu)。

避雷針的接地電阻不宜超過 10Ψ[11],在高土壤電阻率地區(qū),如接地電阻難于降到 10Ψ,允許采用較高的電阻值,但空氣中距離和地中距離必須符合一定的要求。獨立避雷針 (線)宜設(shè)獨立的接地裝置,在非高土壤電阻率地區(qū),其接地電阻不宜超過 10Ψ。當有困難時該接地裝置可與主接地網(wǎng)連接,但避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點至 35kV及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點之間,沿接地體的長度不得小于 15m。獨立避雷針不應設(shè)在人經(jīng)常通行的地方,避雷針及其接地裝置與道路或出入口等的距離不宜小于 3m,否則應采取均壓措施,或鋪設(shè)礫石或瀝青地面,也可鋪設(shè)混凝土地面。

3.2 避雷器的防雷保護

變電站對侵入波保護的主要措施是在其進線段 (或母線)上裝設(shè)避雷器,使設(shè)備上的過電壓不超過其沖擊耐壓值,同時要在變電站的進線上設(shè)置進線保護段以限制流經(jīng)避雷器的雷電流和限制入侵雷電波的陡度,使避雷器電流幅度值不超過 5kA,來波陡度不超過一定的允許值。變電站的電氣設(shè)備中最重要、價格最昂貴、絕緣最薄弱的是變壓器,因此避雷器的選擇必需使其伏秒特性的上限低于變壓器的伏秒特性的下限,并且避雷器的殘壓必須小于變壓器絕緣耐壓所能允許的程度,同時它們的數(shù)值都必須小于沖擊波的幅值,以保證侵入波能夠由避雷器放電來限制。

由于避雷器與被保護的電氣設(shè)備之間的電氣距離直接影響避雷器的保護效果,規(guī)程[11]對避雷器至主變壓器之間的最大電氣距離進行了規(guī)定,如表 2所示。具有架空進線的 35kV及以上變電所敞開式高壓配電裝置中,每組母線上應裝設(shè)閥式避雷器或帶串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器,避雷器與主變壓器及其他被保護設(shè)備的電氣距離超過表2的參考值時,可在主變壓器附近增設(shè)一組避雷器。

表2 避雷器距主變壓器的最大電氣距離 (m)

3.3 變電站的進線段保護

35kV及以下線路一般不全線裝設(shè)避雷線,因為此類線路的絕緣水平太低,即使裝設(shè)避雷線來截住直擊雷,往往仍難以避免發(fā)生反擊閃絡(luò),因而效果不好,但在某些特殊地段,可以和其他防雷措施配合實施以提高耐雷水平。

變電站的進線段保護可以將流過避雷器雷電流的幅值和陡度限制在合理的范圍內(nèi),因此它是對雷電侵入波保護的一個重要輔助手段,規(guī)程規(guī)定[11]:未沿全線架設(shè)避雷線的 35kV架空送電線路,應在變電站1-2 km的進線段架設(shè)避雷線,保護角取20度,利用其阻抗限制雷電流幅值和利用電暈降低雷電波陡度,減少由于繞擊和反擊的概率,可以使2km進線段范圍內(nèi) 35kV線路遭直擊雷的概率大為降低,使此段線路具有較高的耐雷水平。35kV變電所的進線保護接線如圖 2所示。

對于小容量變電站雷電侵入波過電壓的簡易保護,3150kVA-5000kVA的變電站 35kV側(cè),可根據(jù)負荷的重要性及雷電活動的強弱等條件適當簡化保護接線,變電站進線段的避雷線長度可減少到 500m-600m,但其首端排氣式避雷器或保護間隙的接地電阻不應超過 5Ψ,如圖 3所示。小于 3150kVA供非重要負荷的變電站 35kV側(cè),根據(jù)雷電活動的強弱,可采用圖 4的保護接線。簡易保護接線的變電站 35kV側(cè),閥式避雷器與主變壓器或電壓互感器間的最大電氣距離不宜超過10m。

4 結(jié) 論

對于線路來說,主要采取的防雷措施有以下幾個方面:降低桿塔接地電阻、使用線路型避雷器、加強線路絕緣、安裝自動重合閘裝置、安裝自動消弧線圈、有針對性架設(shè)避雷線保護;對于35kV變電站,主要采取的防雷措施有:合理的架設(shè)避雷針和避雷線、使用避雷器、采用進線段保護。35kV電網(wǎng)防雷工作十分重要,目前也有很多成熟的防雷措施,需要根據(jù)不同的情況選擇不同的防雷方案配合來提高 35kV電網(wǎng)的防雷性能。

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