鶴煤礦區(qū)35 kV供電線路防雷方案研究

趙鐵英， 王玉梅， 李鵬霄

(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454000；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司， 新疆哈密839000)

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鶴煤礦區(qū)35 kV供電線路防雷方案研究

趙鐵英1， 王玉梅1， 李鵬霄2

(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454000；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司， 新疆哈密839000)

摘要：通過(guò)對(duì)鶴煤礦區(qū)雷雨大風(fēng)天氣下35 kV線路跳閘情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)樹線矛盾是導(dǎo)致事故的主要原因，為了提高礦區(qū)35 kV供電系統(tǒng)的可靠性，采取架空絕緣導(dǎo)線代替架空裸導(dǎo)線，分析絕緣導(dǎo)線防雷的特殊性，采用安裝防雷懸式絕緣子的方法，以鶴煤礦區(qū)35 kV胡柴線為例，利用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該防雷方案可以有效降低雷電過(guò)電壓水平，減小雷電斷線機(jī)率。

關(guān)鍵詞：絕緣導(dǎo)線；防雷保護(hù)；防雷懸式絕緣子

0引言

鶴煤礦區(qū)位于太行山東麓和華北平原的過(guò)渡地帶，地勢(shì)起伏，煤礦35 kV供電線路經(jīng)過(guò)山頂高點(diǎn)，且多與其他線路有交叉，近年來(lái)高壓走廊附近的樹木不斷生長(zhǎng)，與線路多有觸碰，樹木引起的跳閘逐漸增多，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析可知雷雨大風(fēng)天氣下樹線矛盾是導(dǎo)致事故多發(fā)的主要原因。

為了解決礦區(qū)雷雨大風(fēng)天氣下樹線矛盾問(wèn)題，可以選擇架空絕緣導(dǎo)線替換原來(lái)的架空裸導(dǎo)線，相對(duì)于裸導(dǎo)線，絕緣導(dǎo)線有無(wú)法比擬的優(yōu)越性：適用于多雷區(qū)，表面比裸導(dǎo)線多了一層絕緣層，使其絕緣性能優(yōu)越，可以降低線路的引雷概率，即使發(fā)生雷電，影響也會(huì)減?。贿m用于風(fēng)力較大的地方，采用架空絕緣導(dǎo)線后，導(dǎo)線瞬間相碰不再會(huì)造成短路現(xiàn)象，減少了跳閘故障的概率，使線路的抗風(fēng)能力增強(qiáng)；適用于樹木較多的地方，可以解決線路架設(shè)與樹木之間產(chǎn)生的矛盾，從而減少對(duì)樹木的砍伐。

采用絕緣導(dǎo)線，可以有效解決鶴煤礦區(qū)35 kV供電系統(tǒng)雷雨大風(fēng)天氣線路跳閘高的問(wèn)題；但是鶴煤礦區(qū)雷電活動(dòng)頻繁且強(qiáng)烈，為了保證供電線路的可靠性，需要進(jìn)一步對(duì)絕緣導(dǎo)線的防雷方案進(jìn)行研究。

1絕緣導(dǎo)線防雷研究現(xiàn)狀

架空絕緣導(dǎo)線代替架空裸導(dǎo)線可以解決線路與走廊附近樹木、耕地之間的矛盾，將其與電力電纜進(jìn)行比較，可知其具有投資建設(shè)節(jié)省快捷的優(yōu)勢(shì)，但卻產(chǎn)生了一個(gè)相當(dāng)突出的問(wèn)題——雷擊斷線[1, 2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一年中裸導(dǎo)線發(fā)生故障的總數(shù)、絕緣導(dǎo)線發(fā)生故障的總數(shù)、絕緣導(dǎo)線發(fā)生雷擊事故的總數(shù)和絕緣導(dǎo)線雷擊事故中發(fā)生雷擊斷線事故的總數(shù)四者比例如圖1所示[3-5]。

圖1　導(dǎo)線故障數(shù)相對(duì)比值圖

從圖1可以直觀的看出，絕緣導(dǎo)線運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于裸導(dǎo)線運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障總數(shù)，絕緣導(dǎo)線雷擊斷線事故與絕緣導(dǎo)線雷擊事故發(fā)生概率幾乎相等，絕緣導(dǎo)線雷擊后極易發(fā)生斷線事故。圖1說(shuō)明礦區(qū)采用架空絕緣導(dǎo)線之后可以有效地解決雷擊事故，但需解決雷擊斷線問(wèn)題。

2絕緣導(dǎo)線防雷方案

2.1絕緣導(dǎo)線雷擊斷線機(jī)理

絕緣導(dǎo)線上雷電流的傳播過(guò)程與裸導(dǎo)線有著顯著的差異。絕緣導(dǎo)線在遭受雷擊過(guò)電壓時(shí)引起絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，絕緣層被擊穿形成一個(gè)針孔狀的擊穿孔。當(dāng)雷擊過(guò)電壓進(jìn)一步造成兩相或三相閃絡(luò)時(shí)，便會(huì)在雷擊閃絡(luò)通道上產(chǎn)生工頻續(xù)流，接續(xù)的工頻短路電流受擊穿孔處四周絕緣材料的阻礙，電流無(wú)法像裸導(dǎo)線那樣迅速的朝線路兩側(cè)移動(dòng)，此時(shí)高達(dá)數(shù)千攝氏度的工頻短路續(xù)流弧根被固定在擊穿孔處，由于鋁線的熔點(diǎn)約六百多攝氏度且電弧部位被固定在一點(diǎn)，絕緣導(dǎo)線在張力的作用下，瞬間就會(huì)被電弧整齊的燒斷而落地。此外，由于絕緣材料和鋁線材料的特性不同，導(dǎo)致導(dǎo)線斷線之后斷口處的鋁導(dǎo)線會(huì)被絕緣材料包裹，以致靠近電源側(cè)的斷線端口不一定接觸地面，致使線路沒(méi)有單相接地或相間短路的特征量，使斷線故障不能夠及時(shí)的處理。顯然架空絕緣導(dǎo)線的雷擊斷線率比裸導(dǎo)線高。

在對(duì)實(shí)際發(fā)生雷擊架空絕緣導(dǎo)線斷線的事故現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，通常情況下斷線為兩相，即使單相斷線也能發(fā)現(xiàn)明顯的相間故障的痕跡或異相接地的痕跡，斷線的位置基本位于絕緣子固定點(diǎn)的附近，一般位于線路絕緣子軸線兩側(cè)200mm處[6]，且導(dǎo)線斷點(diǎn)非常整齊。

2.2防雷方案選擇

根據(jù)絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的機(jī)理，阻止或疏導(dǎo)雷擊引起的工頻續(xù)流是預(yù)防雷擊斷線事故的基本思路[7]。常規(guī)的防范原理為“堵塞”和“疏導(dǎo)”，各有優(yōu)缺點(diǎn)。近來(lái)人們根據(jù)“堵導(dǎo)”結(jié)合的思路研制出了一些設(shè)備，“堵塞”和“疏導(dǎo)”互補(bǔ)，具有很好的防雷效果，對(duì)應(yīng)上述防范原理的防雷措施及原理如表1所示。

表1　防雷擊斷線措施及原理

由于斷線的位置一般位于絕緣子軸線兩側(cè)200 mm處，可以選擇箝位絕緣子和防雷懸式絕緣子等方案，又由于后者采用了“堵導(dǎo)”結(jié)合的原理，效果優(yōu)于只采用“疏導(dǎo)”原理的箝位絕緣子，所以本文采用防雷懸式絕緣子作為絕緣導(dǎo)線的防雷擊斷線措施。

防雷懸式絕緣子先通過(guò)“堵塞”的方式提高線路的絕緣水平，使線路遭受雷擊的概率減少，同時(shí)提高了線路的耐雷擊水平；當(dāng)雷擊過(guò)電壓超過(guò)絕緣的“堵塞”限值時(shí)，再以“疏導(dǎo)”的方式將工頻短路續(xù)流引入高低壓電極放電燃燒釋放雷電流能量，防止工頻短路續(xù)流集中在一點(diǎn)燃燒燒斷導(dǎo)線。

2.3防雷懸式絕緣子防雷機(jī)理分析

本文以樂(lè)清匯能公司生產(chǎn)的FXG8-35/70型防雷懸式絕緣子為例，來(lái)分析防雷懸式絕緣子的工作原理，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖2　防雷懸式絕緣子示意圖

通過(guò)FXG8-35/70和FXBW4-35/70的比較，可知它們的雷電沖擊耐受電壓(峰值)和1min工頻耐受電壓(有效值)技術(shù)參數(shù)一樣，但是FXG8-35/70的最小電弧距離和最小公稱爬電距離比FXBW4-35/70小，具有一定的優(yōu)勢(shì)，再配合以疏導(dǎo)工頻電流的高低壓電極，則其優(yōu)越性是后者所無(wú)法比擬的。

表2　絕緣子技術(shù)參數(shù)

防弧金具的引弧棒能夠?qū)⒗纂娏饕粮叩蛪弘姌O，此時(shí)的高低壓電極之間形成一個(gè)空氣間隙，間隙的伏秒特性曲線在絕緣子伏秒特性曲線的下方，于是高低壓電極之間的間隙先于絕緣子本體閃絡(luò)，使雷電流迅速的泄放掉，避免其固定在絕緣導(dǎo)線上一點(diǎn)處集中燃燒導(dǎo)致絕緣導(dǎo)線燒斷。由于絕緣子的引弧棒的耐高溫特性好，能夠經(jīng)得起工頻電流的多次灼燒，在防止絕緣子損壞和雷擊斷線方面有很好的效果。

3胡柴線路絕緣導(dǎo)線防雷仿真分析

本文以鶴煤礦區(qū)35 kV供電線路胡柴線為研究對(duì)象，采用ATP-EMTP電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件[8-10]，搭建胡柴線路模型，線路為架空絕緣導(dǎo)線，安裝FXG8-35/70防雷懸式絕緣子，仿真電路如圖3所示。

圖3　胡柴線路仿真模型

選取胡柴線路穿越林區(qū)的6基桿塔，5個(gè)檔距，從線路末端向變電站方向開始依次命名為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)，5號(hào)，6號(hào)桿塔。其中，線路的電壓等級(jí)設(shè)為35 kV，檔距為150 m，線路總長(zhǎng)度750m，線路末端直接連負(fù)載。防雷懸式絕緣子型號(hào)FXG8-35/70，額定電壓35 kV，雷擊全波沖擊耐受電壓峰值不低于230 kV，工頻1 min濕耐受電壓有效值不低于95 kV。在ATPDraw中選取壓控開關(guān)為絕緣子模型，其閃絡(luò)電壓設(shè)置為230 kV，雷電流幅值5 kA，波形為1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)波，雷擊點(diǎn)位于3號(hào)與4號(hào)桿塔之間，兼顧了近區(qū)雷擊和遠(yuǎn)區(qū)雷擊。桿塔模型用兩個(gè)集中參數(shù)的電感串聯(lián)表示，其中一個(gè)L1=0.672 μH,另一個(gè)L2=14.448 μH[11.12]。

3.1未加裝防雷懸式絕緣子

對(duì)不加裝防雷懸式絕緣子的線路進(jìn)行仿真：仿真步長(zhǎng)設(shè)為5E-9 s，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)為2.5E-5 s，雷擊處A、B、C三相電壓波形如圖4所示。

圖4　未加防雷懸式絕緣子時(shí)雷擊處電壓波形圖

從圖中可以看出，三相電壓迅速升高，波形陡度很大，尤其是C相電壓，幅值高達(dá)650 kV，電壓陡度明顯高于A、B兩相，如此高的電壓幅值和陡度瞬間產(chǎn)生了巨大能量，必定會(huì)造成導(dǎo)線絕緣層受損，若此時(shí)產(chǎn)生工頻續(xù)流，則會(huì)導(dǎo)致絕緣導(dǎo)線斷線。同時(shí)也可以看出一相遭受雷擊時(shí)會(huì)對(duì)另外兩相產(chǎn)生屏蔽耦合作用，電壓相對(duì)較低，但也產(chǎn)生了高達(dá)210 kV的過(guò)電壓。三相電壓會(huì)產(chǎn)生極不平衡的過(guò)電流，會(huì)使PT鐵芯不同程度的飽和，可能導(dǎo)致鐵磁諧振過(guò)電壓。

雷擊絕緣導(dǎo)線后，雷電波會(huì)沿線路兩側(cè)傳播，傳播的電壓波形圖如圖5和圖6所示，可知三相電壓幅值高，電壓波形陡度大，對(duì)線路的絕緣危害性大。所以對(duì)絕緣導(dǎo)線防雷方案的研究以及確定迫在眉睫。

圖5　未加防雷懸式絕緣子時(shí)4號(hào)-6號(hào)桿塔C相電壓波形圖

圖6　未加防雷懸式絕緣子時(shí)4號(hào)-1號(hào)桿塔C相電壓波形圖

3.2加裝防雷懸式絕緣子

對(duì)胡柴線路加裝FXG8-35/70防雷懸式絕緣子的情況進(jìn)行仿真，仿真步長(zhǎng)、仿真時(shí)長(zhǎng)同上，得到雷擊處的電壓波形如圖7所示。

圖7　加防雷懸式絕緣子時(shí)擊點(diǎn)處電壓波形圖

從圖中可以看出雷擊初期雷電壓波形陡度都很大，其中C相電壓超過(guò)了FXG8-35/70防雷懸式絕緣子的雷擊全波沖擊耐受電壓峰值230 kV，C絕緣子相動(dòng)作，使線路C相電壓恢復(fù)到正常水平。

圖8為4號(hào)桿塔上防雷懸式絕緣子的電壓波形，從圖中明顯看出C相防雷懸式絕緣子高低壓電極的電壓瞬間變?yōu)榱?，高低壓電極被擊穿，使雷電弧被轉(zhuǎn)移到高低壓電極之間燃燒，避免很大的雷電流集中在絕緣導(dǎo)線擊穿處燃燒，避免雷擊斷線。從圖8還可以看出，當(dāng)雷電流能量釋放之后，另外兩相的過(guò)電壓情況大大緩解，從而保證了三相線路正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖8　加防雷懸式絕緣子時(shí)4號(hào)桿塔防雷懸式絕緣子電壓波形圖

當(dāng)線路遭受雷擊之后，雷電波沿線路兩側(cè)傳播，各個(gè)桿塔的防雷懸式絕緣子都將承受不同程度的雷電壓，圖9和圖10為絕緣導(dǎo)線上FXG8-35/70防雷懸式絕緣子所承受的雷電壓波形。

圖9　加防雷懸式絕緣子時(shí)4號(hào)-6號(hào)桿塔防雷懸式絕緣子C相電壓波形圖

圖10　加防雷懸式絕緣子時(shí)4號(hào)-1號(hào)桿塔防雷懸式絕緣子C相電壓波形圖

從圖9和圖10可以看出，4號(hào)防雷懸式絕緣子已經(jīng)被擊穿，雷電流能量已經(jīng)通過(guò)高壓電極得到釋放，線路兩側(cè)絕緣子所承受的電壓大大降低，再加上雷電波在線路上的衰減，雷電過(guò)電壓對(duì)絕緣子就不再構(gòu)成威脅，所以1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，5號(hào)，6號(hào)處C相防雷懸式絕緣子不會(huì)動(dòng)作。由于擊點(diǎn)處的絕緣子及時(shí)動(dòng)作，線路承受的過(guò)電壓顯著降低，不會(huì)對(duì)線路造成威脅，更不會(huì)造成雷擊斷線。從圖9和圖10也可以看出雷電波沿線路傳播時(shí)，波形有明顯的先導(dǎo)放電階段。

4結(jié)論

本文通過(guò)分析煤礦35 kV供電線路雷雨天線路跳閘原因，發(fā)現(xiàn)樹木搭接到線路上是引起線路跳閘的主要原因，因此選用架空絕緣導(dǎo)線替換原裸導(dǎo)線；但是絕緣導(dǎo)線雷擊后易發(fā)生斷線，解決雷擊斷線的有效方法是避免雷電流引起的工頻續(xù)流固定在絕緣導(dǎo)線上一點(diǎn)燃燒。本文選擇FXG8-35/70防雷懸式絕緣子作為絕緣導(dǎo)線防雷擊斷線防雷措施，并利用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真分析，當(dāng)未加裝防雷懸式絕緣子時(shí)，雷擊時(shí)發(fā)生斷線或者導(dǎo)線絕緣層因雷擊受損嚴(yán)重；加裝防雷懸式絕緣子之后，雷電過(guò)電壓可以通過(guò)防雷懸式絕緣子的高低壓電極進(jìn)行釋放，避免了高溫的電弧弧根固定在絕緣導(dǎo)線擊穿孔處集中燃燒造成雷擊斷線，大幅度的降低雷擊閃絡(luò)的概率。鶴煤礦區(qū)35 kV供電線路采用絕緣導(dǎo)線加裝FXG8-35/70防雷懸式絕緣子，克服了樹線矛盾，同時(shí)提高了線路的耐雷水平，解決了雷雨大風(fēng)天氣雷擊跳閘率高的問(wèn)題。

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Research of Lightning Protection in Hebi Coal Mine 35 kVPower Supply Line

ZHAO Tieying1， WANG Yumei1， LI Pengxiao2(1. School of Electrical and Engineering and Automation, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000,China；2. State Grid Xinjiang Electric Power Corporation, Hami 839000, China)

Abstract：The reasons of 35 kV line tripping in Hebi coal mine power grid under thunderstorm and strong wind weather are analyzed in this paper, and that the main one causing the faults lies in the contradiction between trees and lines is discovered. In order to improve reliability of coal mine power grid, this paper proposes a method of adopting the overhead insulated distribution wires instead of overhead bare wires. The lightning protection of insulated distribution wires is analyzed considering of its specific characteristics, and hence the method of installing lightning protection suspension insulator in overhead insulated distribution wires is posed in this paper. An instance of Hebi coal mine power grid 35 kV Hu-chai line is taken, and software ATP-EMTP is used to set up a simulation model. Simulation results show that by using the proposed method, the lighting overvoltage level drops remarkably and probability of lightning breaking decrease as well.

Keywords：insulated distribution wire; lightning protection; lightning protection suspension insulator

中圖分類號(hào):TM726.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.008

作者簡(jiǎn)介：趙鐵英(1977-)，女，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及故障限流技術(shù)，E-mail:hnjzzty@163.com。

基金項(xiàng)目：河南理工大學(xué)博士基金(60807/008)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A470010)。

收稿日期：2015-12-25。