全面提高企業(yè)供電線路耐雷電水平的新方法

【摘要】企業(yè)供電線路運(yùn)行電壓低，在絕緣配置上大多采用針式絕緣子，在雷電較少的情況下，能夠滿足運(yùn)行要求。然而，煤炭企業(yè)的供電線路常位于山區(qū)，雷電活動強(qiáng)烈，需要采取防雷技術(shù)提高供電可靠性。傳統(tǒng)的企業(yè)供電防雷技術(shù)均借鑒于輸電線路，均具有一定的缺點(diǎn)。本文提出了一種基于雷電流傳輸特性的防雷器件的設(shè)計(jì)方法，該器件的安裝能夠有效抑制直擊雷的產(chǎn)生；同時該器件還能大幅度減小雷電流的幅值，降低塔頂雷擊后的暫態(tài)過電壓水平，從而降低供電線路的反擊閃絡(luò)率，全面調(diào)高企業(yè)供電線路的耐雷水平。試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)均表明，該方法能夠有效接閃并大幅度降低了供電線路的閃絡(luò)率。綜上所示，接閃器的應(yīng)用為企業(yè)提供了一種全面提高企業(yè)供電線路耐雷水平的新方法。

【關(guān)鍵詞】企業(yè)供電線路；耐雷水平；傳輸特性；時頻特性；接閃器

I.引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在6～35kV電壓等級的企業(yè)供電線路，雷擊跳閘率居高不下，且經(jīng)常有柱上開關(guān)、刀閘、避雷器、變壓器、套管等設(shè)備在雷電活動時損壞。[1，2]

近年來隨著企業(yè)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，神東煤炭集團(tuán)公司對電能的需求越來越大，對供電可靠性的要求也越來越高。作為以煤炭產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的企業(yè)，公司的許多礦井是煤與瓦斯突出礦井，極具危險(xiǎn)性，供電安全直接關(guān)系到通風(fēng)、排水系統(tǒng)的正常是否運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)劃外跳閘非常計(jì)劃停電可能會危及到井下安全，造成礦井停產(chǎn)甚至危機(jī)井下工人的生產(chǎn)安全，因此提高企業(yè)供電系統(tǒng)的安全、可靠怎么強(qiáng)調(diào)都不過分[3-5]。然而，架空線路沒有避雷線，幾乎所有雷電都會擊在線路上；同時企業(yè)供電架空線路的絕緣子短，絕緣等級低，因此幾乎所有擊在線路上的雷電都會成功建弧，導(dǎo)致跳閘。目前的企業(yè)供電架空線路防雷措施都直接借鑒了高壓輸電的防雷方法，其主要防雷措施有安裝避雷器、架設(shè)避雷線或者耦合地線、安裝絕緣子及過電壓保護(hù)器等。盡管10kV企業(yè)供電架空線路大量使用避雷器，但在運(yùn)行中因其質(zhì)量、老化等問題而使一些避雷器在雷電活動時發(fā)生擊穿故障，且擊穿后須停電才能處理，這在一定程度上降低了供電可靠性。另外，在現(xiàn)有線路架設(shè)避雷線或者耦合地線工程量大、成本高，這些因素制約了該項(xiàng)防雷措施的推廣。此外，盲目加強(qiáng)線路絕緣，雷電波沿線傳播使線路終端避雷器遭受雷電沖擊的頻次增強(qiáng)，增大了線路終端避雷器損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

本文從雷電的傳播特性出發(fā)，在充分了解雷電波時頻特性的基礎(chǔ)上，將電磁波傳輸理論引入輸電線路防雷領(lǐng)域，創(chuàng)新性地提出了波器件實(shí)現(xiàn)線路防雷的概念，并據(jù)此設(shè)計(jì)出了巧妙的防雷波器件——XHDL型接閃器，該器件能夠有效地改變雷電流的波形與幅值，在大幅度增加雷電流波前時間的同時，還能在一定程度上減小雷電流的幅值，從而有效降低了線路的反擊閃絡(luò)率。同時，該器件與線路避雷器等相比具有造價(jià)低、安裝簡單、免維護(hù)的特點(diǎn)，這些都是的該防雷器件具有在復(fù)雜企業(yè)供電架空線路中大面積推廣的潛能。

II.雷電流參數(shù)與企業(yè)供電線路的耐雷水平

目前，10kV線路上正在使用的耐雷水平較高的絕緣子主要有：棒形針式絕緣子（PSQ-15T）、盤形懸式絕緣子串（XP-7）和膠裝瓷橫擔(dān)（S-210）。這幾種絕緣子的有關(guān)電氣特性比較如表1所示。從該表可以看出10kV線路絕緣子的耐雷水平普遍低于300kV。[5]

表1 幾種絕緣子的電氣特性比較

絕緣子類型50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓，kV爬電距離，cm導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙，cm

棒形針式絕緣子（PSQ-15T）11841.628.5

盤形懸式絕緣子串（XP-7，2只）單只不小于1205629.2

膠裝瓷橫擔(dān)2103836.5

雷電波幅值概率直接決定了雷電波的能量大小，是雷擊閃絡(luò)計(jì)算的重要參數(shù)之一。我國規(guī)程中規(guī)定：我國一般地區(qū)雷電流幅值超過I的概率的估算可按如下公式：

lgP=-I/88 （1）

式中P為雷電流幅值概率，I為雷電流幅值，目前我國工程中計(jì)算雷擊跳閘率都按照上述公式進(jìn)行計(jì)算。IEEE和CIGRE均推薦采用擬合公式如下：

（2）

進(jìn)行擬合，其中，a/b為被統(tǒng)計(jì)地區(qū)雷電活動相關(guān)的參數(shù)，IEEE Std推薦值為a=31，b=2.6，CIGRE的推薦值為a=12，b=2.7。[6]

典型10kV供電線路參數(shù)如下：桿塔高度為15m，橫擔(dān)長度為1m，線路檔距60m，絕緣子串沖擊閃絡(luò)電壓為200kV。采用規(guī)程法進(jìn)行計(jì)算，可以得到不同U50%下絕緣子直擊雷耐雷水平。通過計(jì)算可知供電線路遭受直擊雷后發(fā)生閃絡(luò)的概率在99%以上，因此可以說，供電線路幾乎沒有耐受直擊雷的能力。

III.基于雷電波傳輸特性和時頻特性的防雷器件的設(shè)計(jì)

由于企業(yè)供電線路幾乎沒有耐受直擊雷的能力，因此需要將直擊雷盡量轉(zhuǎn)化為繞擊雷。傳統(tǒng)的分析方法借鑒輸電線路架設(shè)避雷線或耦合底線的方法，但該方法成本高，而且由于供電線路絕緣子的耐雷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸電線路，即使增加了避雷線，防雷效果也不佳。

典型的雷電波由雷電波的幅值、峰值時間和半波時間這三個參數(shù)決定，傳統(tǒng)的防雷分析中僅關(guān)注雷電波的幅值，然而運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，幅值小、陡度大的雷電流和幅值大、陡度小的雷電流具有相同的危害，都會引發(fā)雷擊跳閘事故，例如桂林供電局2004年至2005年發(fā)生的5次雷擊跳閘事故中，3次由幅值小、陡度大的雷擊引起；2次由幅值小、陡度大的雷擊所致。[7]降低接地電阻等傳統(tǒng)方法只對幅值大、陡度小的雷電流具有顯著的抑制效果，對幅值小、陡度大的雷電流造成的閃絡(luò)抑制效果并不明顯。

進(jìn)一步的研究表明，在雷擊情況下，桿塔主要呈電感性，在電流快速上升時，過電壓主要集中在桿塔上，且電流上升速度越快，塔頂電位峰值越高。[8，9]圖3給出了相同雷電流幅值、不同波前時間和半波時間對桿塔過電壓水平的影響。由圖3可知，當(dāng)波前時間從5.2μs減小至2.6μs時，桿塔過電壓幅值提高了3倍；而半波時間則幾乎對過電壓水平?jīng)]有影響。由于波前時間遠(yuǎn)小于半波時間，因而波前時間含有的高頻分量幅值更大，對暫態(tài)過電壓水平影響也更大，這充分說明了雷電波中的高頻分量是造成桿塔暫態(tài)過電壓的主要原因。

頻域分析表明，桿塔的阻抗與頻率的關(guān)系較大，圖4給出了雷電流幅值、桿塔阻抗和桿塔過電壓的頻率特性的示意圖，實(shí)際的仿真分析表明，桿塔阻抗的最大值出現(xiàn)在1MHz左右。[10]雖然雷電流的高頻分量幅值很小，但由于桿塔的高頻阻抗較大，造成桿塔過電壓中的高頻分量幅值依然較大；這也從頻域的角度進(jìn)一步說明了高頻分量是造成桿塔較高過電壓的主要原因。

綜上所述，由于桿塔阻抗的頻變特性，桿塔頂端的暫態(tài)過電壓峰值主要由雷電流的高頻分量決定，雷電流的高頻分量與其波前時間密切相關(guān)，在雷電流幅值相差不大的情況下，波前時間越短，雷電流高頻分量越多，桿塔頂端的過電壓峰值越大，線路越容易發(fā)生閃絡(luò)。因此有效去除雷電流中的高頻分量，抑制雷電流的波前時間能夠直接而有效的防止反擊閃絡(luò)事件的發(fā)生。

基于對雷電流與桿塔頂端暫態(tài)過電壓的上述分析，并采用電力系統(tǒng)中常用的“折線法”即可估算出接閃器在桿塔上方的高度。器件電阻值較小，高頻分析時可忽略不計(jì)。

雷電流中含有豐富的頻率分量，其有害頻率高達(dá)10MHz，該器件的感性特性巧妙地濾除雷電流中的高頻分量，從而達(dá)到減緩電流陡度、增加波前時間的目的；同時高頻分量通過器件的容性特性和磁芯的渦流效應(yīng)而損耗，雷電流的總能量也會有所下降，因此雷電波的幅值也有一定程度的減小。

從分布參數(shù)的角度來看，雷電流在通過波阻器件時，雷電流的陡度di/dt是一個動態(tài)的數(shù)值，其值隨時間和位置的變化而變化，雷電流中的高頻分量隨著進(jìn)入波阻器件深度的增加而被逐漸衰減和消耗，總體而言，di/dt在通過防雷器件時是在動態(tài)減低的。通過對雷電流的頻譜分析可知，雷電流中含有豐富的頻率分量，且其幅值隨頻率的增加而減小，該器件能夠有效防止出現(xiàn)感應(yīng)電壓過分集中在防雷前端情況的出現(xiàn)，保證電壓在防雷器件上呈較為均勻分布，從而有效避免了暫態(tài)電壓畸變對絕緣的破壞，這一基于雷電流傳輸特性的巧妙設(shè)計(jì)保證了防雷器件絕緣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為其良好的耐雷水平奠定了基礎(chǔ)；后續(xù)多次實(shí)際接到閃試驗(yàn)中防雷器件并沒有任何損失也充分證明了這一設(shè)計(jì)的合理性。綜上所述，基于雷電流的傳輸特性和時頻特性分析所設(shè)計(jì)的防雷器件能夠有效的濾除雷電流中的高頻分量；同時其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也保證了其絕緣的穩(wěn)定性，這些都為其正常運(yùn)行提供了有力保證。為了驗(yàn)證上述防雷器件設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，我們在國網(wǎng)武漢高壓研究院等地開展了相應(yīng)的沖擊電流試驗(yàn)來模擬雷電流的作用過程。實(shí)驗(yàn)表明接閃器能夠有效地改變雷電流的波形與幅值，在大幅度增加了雷電流波前時間的同時，還能減小雷電流的幅值；且雷電流波前時間越短、波形陡度越高，防雷器件對其陡度的抑制效果越顯著。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，接閃器最大能降低30%以上的沖擊電流峰值，符合預(yù)期。

IV.XHDL接閃器與其他企業(yè)供電線路防雷技術(shù)比較

傳統(tǒng)的企業(yè)供電線路防雷技術(shù)有并聯(lián)保護(hù)間隙、加裝線路避雷器等。保護(hù)間隙通過在絕緣子串旁并聯(lián)一對鍍銅金屬球電極而構(gòu)成。[11，12]依據(jù)相關(guān)絕緣子50%雷電沖試驗(yàn)值可確定保護(hù)間隙的放電電壓及間隙距離。保護(hù)間隙利用空氣絕緣保護(hù)絕緣子，當(dāng)線路正常運(yùn)行時，保護(hù)間隙處于工頻電場中。由于工頻電場強(qiáng)度無法使空氣間隙擊穿，此時間隙對線路不會產(chǎn)生任何影響。當(dāng)線路受到雷電過電壓影響時，絕緣子串兩端承受較高的雷電過電壓，此時間隙閃絡(luò)電壓較低，間隙將先于絕緣子閃絡(luò)，使雷電流泄入大地。并聯(lián)保護(hù)間隙雖然能夠有效避免絕緣子被燒蝕，但卻在很大程度上降低了絕緣子對雷電沖擊的耐受電壓，提高了線路的閃絡(luò)率。由于企業(yè)供電線路絕緣子本身的耐雷水平就很低，該方法可能使線路的耐雷水平降低到無法接受的程度，由于線路重合閘成功率僅在80-90%之間，因?yàn)樵摲椒ㄒ廊唤o企業(yè)供電的安全運(yùn)行帶來了隱患。線路避雷器能夠有效限制線路的過電壓水平，從原理上能夠徹底決線路的閃絡(luò)問題。[13，14]然而避雷器成本由其過電流的峰值決定，而峰值電流由雷電流決定，并不能隨著線路電壓水平降低而減小，因而對于分布廣泛、龐雜的企業(yè)供電線路而言，線路避雷器成本太高難以推廣。其次，在實(shí)際運(yùn)行過程中，戶外條件會嚴(yán)重影響避雷器的壽命，類似風(fēng)振、雨雪之類的復(fù)雜環(huán)境條件對避雷器的可靠性和效率具有十分嚴(yán)重的影響。一般而言，線路避雷器在安裝的第一年效果較好，第二年就開始出現(xiàn)一定問題，到后來避雷器的可靠性和效率會越來越低，反而成了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。另外，線路避雷器難以維護(hù)，傳統(tǒng)的紅外監(jiān)測等手段并不能完全監(jiān)測出避雷器是否故障，這也為線路埋下了安全隱患。

由XHDL接閃器的設(shè)計(jì)和安裝原理可知，接閃器原理簡單、成本低廉，基本可以實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，具有大規(guī)模推廣的條件；接閃器巧妙的安裝方式使得接閃器具備了避雷線的作用，能夠有效抑制直擊雷的發(fā)生。同時，接閃器能夠有效削弱雷電流的上升沿陡度和幅值，能夠進(jìn)一步促進(jìn)桿塔過電壓水平的降低，全面提高企業(yè)供電線路的耐雷水平。

V.實(shí)際線路使用情況

為驗(yàn)證接閃器的實(shí)際使用效果，在神東10kV、35kV和110kV供電線路上安裝了接閃器，并和為改造之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。神東供電中心擁有110kV、35kV、6-10kV線路共190條，835.6公里。其中110kV線路8條，143.7公里；35kV線路88條，403.1公里；6-10kV線路94條，288.8公里。其中已安裝防雷線路100條，共540.6公里；其中110kV線路8條，143.7公里；35kV線路69條，320.1公里；6-10kV線路23條，76.8公里。

VI.結(jié)論與展望

1.企業(yè)供電線路的耐雷水平極低，6-10kV和35kV電壓等級的企業(yè)供電線路幾乎不能耐受直擊雷，這使得企業(yè)供電線路逢雷擊必閃絡(luò)，嚴(yán)重威脅煤礦的安全運(yùn)行。2.基于雷電波傳輸特性和時頻特性的XHDL接閃器件的防雷器件原理簡單、設(shè)計(jì)巧妙，能夠基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，成本低廉，具有在企業(yè)供電線路大規(guī)模推廣的潛能。3.接閃器件巧妙的安裝使其具有避雷針的作用，能夠有效抑制直擊雷的發(fā)生；同時，接閃器能夠有效抑制雷電波的上升沿陡度，并在一定程度上削弱其峰值，這些都有效地降低了桿塔的反擊過電壓，為全面提升企業(yè)供電線路的耐雷水平提供了新方法。4.接閃器在實(shí)際線路中的使用情況表明，接閃器能夠有效接閃，保護(hù)企業(yè)供電線路；同時接閃器能有效抑制線路雷擊過電壓水平，全面降低了線路的雷擊跳閘率。

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