側(cè)向避雷針在35 kV線路中的防雷分析

龔石林,馮彥釗,張明

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011;2.華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430074)

側(cè)向避雷針在35 kV線路中的防雷分析

龔石林1,馮彥釗1,張明2

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011;2.華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430074)

采用三維EGM模型,Eriksson的雷擊距公式對(duì)35 kV配電線路繞擊進(jìn)行了建模分析。通過計(jì)算,得到了單回35 kV配電線路能實(shí)現(xiàn)繞擊防護(hù)的側(cè)向避雷針的有效長度。對(duì)于35 kV同塔多回線路,側(cè)向避雷針安裝部位距導(dǎo)線越遠(yuǎn),對(duì)該導(dǎo)線的繞擊防護(hù)效果越差;線路保護(hù)角越大,側(cè)向避雷針安裝于該線路時(shí)的保護(hù)效果越差。

35 kV配電線路;側(cè)向避雷針;繞擊;保護(hù)距離;電氣幾何模型

1 前言

35 kV配電線路是我國配電網(wǎng)的骨干線路,但由于其絕緣水平相對(duì)較低,大部分沒有避雷線或僅有單避雷線保護(hù),雷害事故尤其嚴(yán)重,直擊雷和感應(yīng)雷均可造成線路跳閘[1-3],因而,研究35 kV配電線路的防雷保護(hù)措施和策略,對(duì)保證供電可靠性具有至關(guān)重要的意義。

提出了綜合考慮輸電線路走廊雷電活動(dòng)、地形地貌、線路結(jié)構(gòu)和絕緣配置等因素,來制定輸電線路差異化防雷措施的方法[4],在輸電線路防雷中取得了良好的防雷效果。而配電線路相對(duì)于輸電線路具有不同的特點(diǎn),比如檔距較小,防雷方式較單一,具有適應(yīng)其自身的防雷措施[5-7]。差異化的防雷方法在配電線路中使用應(yīng)得到一定的變通。而在配電線路防雷中采用差異化的防雷策略關(guān)鍵是要對(duì)各種防雷措施的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,針對(duì)不同的地形、氣候特點(diǎn),探索防雷措施,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和安全性的統(tǒng)一。文獻(xiàn) [8-10]提出了差異化防雷策略在配電線路中的應(yīng)用方法和策略。

35 kV配電線路雷擊跳閘主要是由感應(yīng)過電壓引起,其次是雷電反擊,繞擊跳閘概率總體較小,但是對(duì)于某些特殊地形下,例如山區(qū)和丘陵,雷電繞擊引起的跳閘率會(huì)明顯升高。按差異化防雷的方法,對(duì)山區(qū)、丘陵等特殊地形條件下35 kV配電線路防繞擊措施應(yīng)針對(duì)性研究。

加裝側(cè)向避雷針可以起到良好的防繞擊的效果,在輸電線路防雷中已被成功應(yīng)用。沈志恒等人[11]研究了鐵塔橫擔(dān)側(cè)向避雷針在110 kV～500 kV輸電線路中的繞擊保護(hù)效果,使用IEEE std 1997推薦的雷擊距公式計(jì)算了側(cè)向避雷針的保護(hù)范圍,并給出了若干應(yīng)用實(shí)例。

文中提出把安裝側(cè)向避雷針的方法應(yīng)用于山區(qū)或丘陵地區(qū),繞擊率較高地段的35 kV配電線路防雷中,減小繞擊率以提高線路的耐雷水平,把該措施作為配電線路差異化防雷策略中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在計(jì)算側(cè)向避雷針的保護(hù)范圍時(shí),采用Eriksson的雷擊距公式,相對(duì)于文獻(xiàn) [11]中使用的IEEE std 1997推薦的雷擊距公式,考慮了導(dǎo)線高度的影響,使計(jì)算更具有普適性。

2 側(cè)向避雷針保護(hù)原理

2.1 側(cè)向避雷針繞擊防護(hù)原理

側(cè)向避雷針是一種延伸于桿塔橫擔(dān)上的金屬尖端,用于保護(hù)橫擔(dān)附近的線路不受雷電繞擊。側(cè)向避雷針的安裝示意圖如圖1所示。

圖1 側(cè)向避雷針安裝示意圖

研究試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,線路在整個(gè)檔距間遭受雷電繞擊的概率是不同的：靠近桿塔附近的區(qū)域,導(dǎo)線被桿塔屏蔽保護(hù),繞擊概率極低,此區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域;在離桿塔稍遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi),桿塔導(dǎo)致的電場畸變使得此區(qū)域內(nèi)的雷擊繞擊率大大提高,此區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域;檔距中央的廣大區(qū)域內(nèi),桿塔對(duì)電場的影響減弱使得繞擊率又回到正常水平,區(qū)域?yàn)檎^(qū)域[12]。

側(cè)向避雷針自橫擔(dān)向外延伸的部分可以起到引雷的作用,相當(dāng)于減小了桿塔附近避雷線的保護(hù)角,對(duì)該區(qū)域?qū)Ь€可以起到加強(qiáng)屏蔽的作用。根據(jù)線路整個(gè)檔距內(nèi)繞擊分布不均的規(guī)律,合理設(shè)置側(cè)向避雷針的有效長度,使其有針對(duì)性地保護(hù)桿塔附近的繞擊危險(xiǎn)區(qū)域,即可達(dá)到降低線路繞擊跳閘率的目的。

2.2 加裝側(cè)向避雷針后線路的屏蔽模型

架空線路的繞擊研究主要采用電氣幾何模型(electrogeometrical model,EGM)方法[13,14]。文獻(xiàn) [11]提出了將側(cè)向避雷線、導(dǎo)線和大地視為三維整體的三維EGM模型來分析側(cè)向避雷針的防弧原理,用IEEE std 1997推薦的雷擊距公式來計(jì)算側(cè)向針的繞擊防護(hù)距離。

雷擊距理論是EGM模型的核心,選擇準(zhǔn)確的雷擊距計(jì)算方法對(duì)于避雷針的繞擊防護(hù)距離的計(jì)算至關(guān)重要。Eriksson的雷擊距公式為

Rc=0.67h0.6I0.74(1)

式 (1)中,Rc為對(duì)導(dǎo)線的雷擊距,m;h為導(dǎo)線平均高度,m;I為雷電流幅值,kA。該公式考慮了導(dǎo)線高度對(duì)雷擊距的影響,對(duì)導(dǎo)體高度在10～50 m范圍、雷電流幅值在5～31 kA范圍內(nèi)的情形,計(jì)算更加準(zhǔn)確[15],也具有更好的普適性[16]。

因而,本文對(duì)35 kV配網(wǎng)線路的繞擊研究采用三維的EGM模型,而計(jì)算雷擊距時(shí)選擇Eriksson的雷擊距公式進(jìn)行計(jì)算。

雷電先導(dǎo)發(fā)展到架空導(dǎo)線側(cè)邊時(shí),會(huì)受到地面形狀的影響,導(dǎo)線和地面被雷擊的可能性都存在。IEEE工作組提出的導(dǎo)線平均高度在＜40 m的對(duì)地?fù)艟酁閇17]：

Re=[0.36+0.168ln(43-h)]R (2)

采用三維EGM模型,對(duì)常規(guī)雙避雷線單回35 kV配電線路進(jìn)行建模,如圖2所示。圖2中, M、N和P分別為兩避雷線和外側(cè)導(dǎo)線在該平面上的點(diǎn),且位于同一二維平面上;M、N和P點(diǎn)處的擊距為Rc。AB、BC和CD與M、N和P均在同一二維平面,其中AB和CD分別為該處避雷線和地面的屏蔽弧,BC為外側(cè)導(dǎo)線的暴露弧。根據(jù)擊距理論,若要在該平面處發(fā)生繞擊,雷電先導(dǎo)必須首先擊中導(dǎo)線的暴露弧BC。同理,沿檔距方向,導(dǎo)線的暴露弧將連接形成曲面 BCEF,即外側(cè)導(dǎo)線在避雷線和地面屏蔽下的三維繞擊暴露曲面。

使用擊距理論對(duì)側(cè)向避雷針的屏蔽范圍進(jìn)行分析：側(cè)向避雷針的放電發(fā)生在尖端O點(diǎn)上,其擊距曲面即為以針尖O為球心,以擊距Rc為半徑的球面,如圖2所示。球面內(nèi)的區(qū)域即為側(cè)向避雷針的保護(hù)范圍。

圖2 線路屏蔽模型

導(dǎo)線的暴露曲面BCEF沿外側(cè)導(dǎo)線方向一直存在,而側(cè)向避雷針的屏蔽球面則可以屏蔽桿塔附近區(qū)域,即雷擊桿塔附近區(qū)域時(shí),會(huì)首先對(duì)側(cè)向避雷針放電而不會(huì)繞擊導(dǎo)線,使得導(dǎo)線的暴露曲面得以屏蔽。

當(dāng)加裝側(cè)向避雷針后,可以使線路桿塔附近的導(dǎo)線暴露曲面得以屏蔽,當(dāng)側(cè)向避雷針的屏蔽區(qū)域覆蓋整個(gè)線路桿塔附近的整個(gè)繞擊危險(xiǎn)區(qū)域時(shí),會(huì)使線路繞擊率大大下降,使線路耐雷水平得以提高。

2.3 側(cè)向避雷針保護(hù)距離的計(jì)算方法

由雷擊距的計(jì)算公式和EGM模型可得,對(duì)于某一固定型號(hào)的桿塔 (導(dǎo)線平均高度確定)和雷電流幅值I,當(dāng)導(dǎo)線上某點(diǎn)P的整條暴露弧都在球O的保護(hù)范圍內(nèi),則表明P處受到側(cè)向避雷針的完全屏蔽。因而,為計(jì)算側(cè)向避雷針的保護(hù)距離,逐漸增加P處與桿塔的距離,直至球O不能完全屏蔽P處導(dǎo)線的暴露弧,此時(shí)P與桿塔的距離即為側(cè)向避雷針的最大保護(hù)距離m。當(dāng)最大保護(hù)距離m覆蓋了整個(gè)線路的繞擊危險(xiǎn)區(qū)域時(shí),即可認(rèn)為側(cè)向避雷針對(duì)線路進(jìn)行了有效的繞擊防護(hù)。

當(dāng)雷電流的幅值或者桿塔型號(hào) (導(dǎo)線平均高度h)改變時(shí),擊距Rc隨之改變,導(dǎo)致屏蔽球O和弧面BCEF的半徑及相對(duì)位置的變化。所以,側(cè)向避雷針的保護(hù)距離還應(yīng)考慮不同的雷電流幅值I和導(dǎo)線平均高度h。另外,側(cè)向避雷針的有效長度L直接決定了保護(hù)球面圓心的位置,也是決定側(cè)向避雷針保護(hù)距離的關(guān)鍵因素。

3 側(cè)向避雷針保護(hù)效果

3.1 側(cè)向避雷針在單回線路的保護(hù)效果

為分析側(cè)向避雷針的保護(hù)效果,選擇經(jīng)常適用于山區(qū)35 kV線路中的JM1型單回耐張塔作為分析對(duì)象,具體說明側(cè)向避雷針在35 kV單回常規(guī)線路上的保護(hù)效果。M1型桿塔示意圖及其相關(guān)參數(shù)如圖3所示。

圖3 JM1型35 kV線路桿塔模型

文獻(xiàn) [12]采用小模型試驗(yàn)的方法對(duì)該500 kV的ZM1塔進(jìn)行了防雷性能研究,結(jié)果顯示繞擊危險(xiǎn)區(qū)域位于距離桿塔10～30 m的范圍內(nèi)。文獻(xiàn) [11]認(rèn)為由于110 kV和220 kV桿塔的高度更低,引雷作用更小,故與500 kV線路相比其繞擊危險(xiǎn)區(qū)域距離桿塔更近。根據(jù)小模型試驗(yàn)原理,各電壓等級(jí)的線路對(duì)應(yīng)桿塔呼稱高度的繞擊危險(xiǎn)區(qū)域距離可對(duì)按照桿塔的高度進(jìn)行等比例估算。因而得到各電壓等級(jí)下線路繞擊危險(xiǎn)區(qū)域距離如表1所示。確定35 kV,JM1型桿塔線路繞擊危險(xiǎn)區(qū)域范圍為3～9 m。

表1 各電壓等級(jí)線路的繞擊危險(xiǎn)區(qū)域范圍

使線路發(fā)生繞擊的雷電流幅值有一個(gè)臨界,當(dāng)雷電流幅值大于某一臨界值時(shí),線路將不會(huì)發(fā)生繞擊,該臨界雷電流幅值對(duì)應(yīng)的擊距稱為臨界擊距,文獻(xiàn) [10]指出臨界擊距的計(jì)算方法如式(3)所示。為了使側(cè)向避雷針的保護(hù)范圍更加全面,在確定側(cè)向避雷針的有效長度和保護(hù)范圍時(shí)以臨界擊距為計(jì)算條件。

式中,hb為避雷線高度,hd為導(dǎo)線高度,α為保護(hù)角。由式 (3)可得,35 kV,JM1型桿塔線路的臨界擊距為23.42 m。由式 (1)可得,對(duì)應(yīng)的雷電流幅值為15.85 kA。

計(jì)算中,以圖3所示桿塔結(jié)構(gòu)為對(duì)象,計(jì)算不同長度的側(cè)向避雷針保護(hù)范圍如表2所示。

表2 不同長度的側(cè)向避雷針的保護(hù)距離

由表2中數(shù)據(jù)可得,隨著側(cè)向避雷針有效長度的增加,保護(hù)范圍不斷擴(kuò)大。35 kV線路繞擊危險(xiǎn)區(qū)域范圍為3～9 m,側(cè)向避雷針的有效長度選擇2.5 m時(shí),保護(hù)距離為9.84 m,因而,可使用有效長度為2.5 m的側(cè)向避雷針對(duì)35 kV線路進(jìn)行繞擊防護(hù)。

避雷線的保護(hù)角是影響線路繞擊率的一個(gè)重要因素。本文對(duì)有效長度為2.5 m的側(cè)向避雷針的保護(hù)距離隨保護(hù)角的變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如表3所示。通過改變外側(cè)導(dǎo)線與避雷線之間的水平距離D,來改變保護(hù)角。

表3 避雷線保護(hù)角對(duì)側(cè)向避雷針保護(hù)距離的影響

由表3的數(shù)據(jù)可見,隨著避雷線保護(hù)角的增大,側(cè)向避雷針的保護(hù)范圍隨之減小,但減小的幅度很小。保護(hù)角從-8.24°增加到23.49°時(shí),側(cè)向避雷針的保護(hù)距離僅減小6.3%。說明避雷線的保護(hù)角對(duì)側(cè)向避雷針的保護(hù)距離影響不大。

3.2 側(cè)向避雷針在同塔多回線路上的保護(hù)效果

35 kV配電線路大多為同塔多回線路,由于桿塔的高度較高,更容易出現(xiàn)繞擊現(xiàn)象。加裝側(cè)向避雷針對(duì)同塔多回線路的繞擊防護(hù)仍具有重要的意義,但保護(hù)角和側(cè)向避雷針的加裝部位對(duì)繞擊防護(hù)效果具有重要意義。本文針對(duì)一種35 kV同塔多回線路的典型塔型為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算,分析側(cè)向避雷針安裝于不同部位時(shí)對(duì)保護(hù)效果的影響。

選擇的塔型塔頭部分避雷線和導(dǎo)線的間隔距離如圖4所示。導(dǎo)線3對(duì)應(yīng)的橫擔(dān)呼稱高為15 m。導(dǎo)線1、導(dǎo)線2和導(dǎo)線3對(duì)應(yīng)的保護(hù)角分別為38.29°、 22.24°和1423°,保護(hù)角從上到下依次減小。

圖4 35 kV同塔雙回典型塔頭布置

表4為計(jì)算得到的有效長度為2.5 m的側(cè)向避雷針安裝于不同橫擔(dān)上時(shí),對(duì)各層導(dǎo)線保護(hù)距離的計(jì)算結(jié)果。

表4 側(cè)向避雷針安裝于不同橫擔(dān)位置時(shí)的保護(hù)效果

表4中-表示該位置的側(cè)向避雷針無法對(duì)對(duì)應(yīng)導(dǎo)線暴漏弧進(jìn)行完全屏蔽,不能對(duì)該導(dǎo)線進(jìn)行有效的繞擊防護(hù)。

從表4中的數(shù)據(jù)可知,側(cè)向避雷針在35 kV同塔多回線路中仍能起到繞擊防護(hù)作用,但安裝部位不同,防護(hù)的效果差異較大。分析表中的數(shù)據(jù),可得出安裝部位對(duì)繞擊防護(hù)效果影響如下：

1)側(cè)向避雷針安裝部位距導(dǎo)線越遠(yuǎn),對(duì)該導(dǎo)線的繞擊防護(hù)效果越差。側(cè)針安裝于導(dǎo)線1橫擔(dān)時(shí),對(duì)導(dǎo)線1的保護(hù)距離最大,導(dǎo)線2次之,對(duì)導(dǎo)線3的暴露弧無法施行完全屏蔽。側(cè)針安裝于導(dǎo)線3橫擔(dān)時(shí),情況與之相同。側(cè)針安裝于導(dǎo)線2橫擔(dān)時(shí),對(duì)導(dǎo)線2的保護(hù)距離最大,對(duì)導(dǎo)線1和導(dǎo)線3的保護(hù)距離隨之減小。由此可得,側(cè)向避雷針對(duì)距離較遠(yuǎn)的導(dǎo)線保護(hù)效果大大減弱,安裝時(shí),應(yīng)安裝于最易發(fā)生繞擊的線路上。

2)線路保護(hù)角越大,側(cè)向避雷針安裝于該線路時(shí)的保護(hù)效果越差。導(dǎo)線3對(duì)應(yīng)的線路保護(hù)角最小,側(cè)向避雷針安裝于導(dǎo)線3是對(duì)導(dǎo)線3的保護(hù)距離最長。導(dǎo)線1對(duì)應(yīng)的線路保護(hù)角最大,其綜合保護(hù)效果最差。側(cè)針安裝于導(dǎo)線2,距離線路1和3距離相差不大,但對(duì)線路3的保護(hù)效果遠(yuǎn)好于對(duì)線路1的保護(hù)效果。因而,對(duì)于同塔多回線路,側(cè)向避雷針應(yīng)盡量安裝于保護(hù)角較大的線路橫擔(dān)上。

4 側(cè)向避雷針應(yīng)用實(shí)例

云南省某市35 kV線投全長8.7公里,全線路共桿塔44基。線路經(jīng)過山區(qū),雷擊跳閘率較高。其中24～36號(hào)桿架設(shè)于山頂或山脊,所在線路雷擊率最高,繞擊現(xiàn)象也較嚴(yán)重。

該線路進(jìn)行過防雷改造,采取的措施有：降低線路桿塔的接地電阻;加裝耦合地線;對(duì)經(jīng)過山區(qū)的12基桿塔進(jìn)行改造,架設(shè)雙避雷線。通過這些改造措施,使得線路的雷擊跳閘率得到了一定改善,雷電跳閘率達(dá)到13.05次/(100 km·n)。

2009年,對(duì)24～36號(hào)桿橫擔(dān)上安裝了側(cè)向避雷針,安裝的側(cè)向避雷針有效長度為2.5 m。經(jīng)過幾年運(yùn)行,統(tǒng)計(jì)雷擊跳閘率達(dá)到9.05次/(100 km·n)。說明側(cè)向避雷針對(duì)線路繞擊現(xiàn)象進(jìn)行了有效的防護(hù),使得雷擊跳閘率進(jìn)一步得到了改善。

通過運(yùn)行發(fā)現(xiàn),安裝側(cè)向避雷針的防繞擊措施具有簡單易維護(hù)的特點(diǎn)。加裝線路避雷器對(duì)防繞擊也可起到一定的防護(hù)作用,但安裝位置一般在山區(qū),運(yùn)行維護(hù)的工作量較大,綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益不如加裝側(cè)向避雷針。

5 結(jié)束語

1)采用三維EGM模型,Eriksson的雷擊距公式對(duì)35 kV配電線路繞擊進(jìn)行了建模分析,使計(jì)算更準(zhǔn)確,更具有普適性。

2)分析了避雷線保護(hù)角、側(cè)向避雷針有效長度對(duì)繞擊的影響效果,得到了單回35 kV配電線路能實(shí)現(xiàn)繞擊防護(hù)的側(cè)向避雷針的有效長度,該長度取2.5 m較合適。

3)對(duì)于35 kV同塔多回線路,側(cè)向避雷針安裝部位距導(dǎo)線越遠(yuǎn),對(duì)該導(dǎo)線的繞擊防護(hù)效果越差;線路保護(hù)角越大,側(cè)向避雷針安裝于該線路時(shí)的保護(hù)效果越差。

4)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),安裝側(cè)向避雷針的防繞擊措施具有簡單易維護(hù)的特點(diǎn),綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益甚至要好于安裝線路避雷器的方法。

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[17] IEEE Working Group on Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.Estimating lightning performance of transmission lines II-updates to analytical models[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1993,8(3)：1254-1267.

Research on Lightning Protection Effect of Sideward Rods for 35 kV Distribution Lines

GONG Shilin1,FENG Yanzhao1,ZHANG Ming2
(1.Yunnan Electric Power Company,Kunming 650011; 2.College of Electrical Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430072).

The probability of shielding failure tripping is generally small for 35 kV distribution lines,but for some special terrains such as mountain areas,the tripping rate caused by lightning shielding failure may increase significantly.At this situation,installing sideward rod could avoid shielding failure and decrease tripping rate.Shielding failure model for 35 kV distribution lines is build and analyzed by three dimension EGM model and Eriksson's lightning striking distance formula.By computing,the effective length of sideward rod which could shield the danger area of lines is 2.5 m.For 35 kV Multi-circuit with Same Tower lines,the longer distance to the sideward rod,the shielding failure protection effect is worse.The bigger of line protection angle,the shielding failure protection effect of sideward rod installed on the corresponding cross arm is worse.By the running experience,the lightning protection measure of installing the sideward rod has the characteristics of easy to maintain and good economic and technical benefits.

35 kV distribution lines;sideward rod;shielding failure;protection distance;electrogeometric model

TM862

B

1006-7345(2014)01-0014-05

2013-11-06

龔石林 (1979),男,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)公司,長期從事電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究 (e-mail)gongshilin@im.yn.csg。

云南電網(wǎng)公司2013年科技項(xiàng)目

馮彥釗 (1968),男,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)公司,長期從事電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究 (e-mail)fengyanzhao@im.yn.csg。

張明 (1980),男,副教授,碩士生導(dǎo)師,華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)、功率電子變換技術(shù)等。