架空線路雷擊跳閘率與防雷措施研究

焦夏男,聶一雄,黃 偉,魏 震,廖辰川

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院,廣州 510006; 2.國網(wǎng)河南省電力公司 檢修公司,鄭州 450000)

●輸變電與特高壓●

架空線路雷擊跳閘率與防雷措施研究

焦夏男1,聶一雄1,黃 偉1,魏 震2,廖辰川1

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院,廣州 510006; 2.國網(wǎng)河南省電力公司 檢修公司,鄭州 450000)

對架空線路在感應(yīng)雷和直擊雷作用下的雷擊跳閘率計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo),以某地實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)擬合的雷電流幅值概率函數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明:在不采取任何防雷措施的情況下,100 km長的35 kV等級以下的架空配電線路年雷擊跳閘率可能高達(dá)34.4次,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了雷擊跳閘率計(jì)算公式的正確性。分析了導(dǎo)致雷擊跳閘的因素,提出了應(yīng)對措施,即提高絕緣子沖擊閃絡(luò)電壓、適當(dāng)降低線路和桿塔高度、提升線路的耐雷水平以及降低工頻建弧率等,以實(shí)現(xiàn)在不同程度上對架空配電線路進(jìn)行防雷保護(hù)。

架空配電線路;雷擊跳閘率;感應(yīng)雷;直擊雷;防雷措施

電網(wǎng)的安全運(yùn)行關(guān)系到社會的各個(gè)方面,雷電會嚴(yán)重威脅到架空配電線路的安穩(wěn)運(yùn)行[1-2]。統(tǒng)計(jì)表明,因雷擊所造成的線路跳閘故障占到了電網(wǎng)故障的70%以上[2-4]。作為電網(wǎng)的重要部分的架空配電線路廣泛分布于城市內(nèi)部及郊區(qū),難免會因絕緣水平低等原因在遭雷擊后影響到供電可靠性[4]。所以對架空配電線路進(jìn)行雷擊跳閘率的計(jì)算與分析具有重要意義。文獻(xiàn)[5]從感應(yīng)雷的閃絡(luò)次數(shù)入手推導(dǎo)了感應(yīng)雷的雷擊閃絡(luò)次數(shù)公式,但未考慮直擊雷造成的閃絡(luò)及雷擊跳閘率;文獻(xiàn)[6]基于ATP-EMTP研究了直擊雷的耐雷水平;文獻(xiàn)[7]計(jì)算了10 kV架空絕緣導(dǎo)線在有避雷線情況下的耐雷水平,但目前10 kV架空線路較少安裝避雷線,其耐雷水平與實(shí)際有一定偏差。此外,有文獻(xiàn)認(rèn)為利用規(guī)程法計(jì)算出的雷電流幅值概率函數(shù)與實(shí)測結(jié)果有較大偏差[8-9],會對雷電防護(hù)的分析造成影響。

針對上述不足,本文在綜合考慮感應(yīng)雷和直擊雷所引起的雷擊跳閘事故的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了雷擊跳閘率公式;利用某地實(shí)測數(shù)據(jù)擬合的雷電流幅值概率函數(shù)驗(yàn)證了推導(dǎo)的雷擊跳閘率公式的正確性;從影響雷擊跳閘率的因素入手,提出了降低架空配電線路雷擊跳閘率的措施,對工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 線路的雷擊跳閘率

雷擊跳閘率是指線路每年由雷擊引起的跳閘次數(shù)。線路跳閘的重要原因是線路上的過電壓超過了絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓U50%并引發(fā)絕緣子閃絡(luò)。對架空線路而言,雷電過電壓有兩種:一種是感應(yīng)雷過電壓,另一種是直擊雷過電壓。故計(jì)算線路跳閘率需先計(jì)算兩種雷電引起的閃絡(luò)次數(shù)。

1.1 感應(yīng)雷引起的閃絡(luò)次數(shù)

當(dāng)雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線水平距離大于65 m時(shí),雷電主要在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓,其幅值可按規(guī)程計(jì)算:

(1)

式中:Ug為感應(yīng)過電壓幅值,kV;I為雷電流幅值,kA;S為雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線正下方之間的距離,m;hd為導(dǎo)線的高度,m。

通常,地面落雷密度Ng與年平均雷暴日天數(shù)Td的關(guān)系為Ng=0.07Td/(km2·年)。因此在沒有防護(hù)的情況下,感應(yīng)雷過電壓可使每公里架空線路每年發(fā)生閃絡(luò)的次數(shù)N1為

(2)

式中:Smax為距離導(dǎo)線的最遠(yuǎn)距離,m。

1.2 直擊雷引起的閃絡(luò)次數(shù)

當(dāng)雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線的水平距離小于65 m時(shí),雷電會因過于靠近導(dǎo)線而直接擊中線路或桿塔,造成直擊雷。直擊雷對架空線路的影響主要體現(xiàn)在雷電流流過線路或桿塔時(shí)產(chǎn)生的過電壓,因此需先計(jì)算線路或桿塔的直擊雷耐雷水平。

為防止發(fā)生反擊,一般情況下35 kV等級以下的配網(wǎng)架空線路并不安設(shè)避雷線。在沒有避雷線的情況下,直擊雷主要為雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線兩種情況。

對于雷擊桿塔的耐雷水平,在不考慮避雷線的條件下,絕緣子兩端的電壓u的計(jì)算表達(dá)式為

(3)

式中:i為流過桿塔的雷電流,kA;Rch為沖擊接地電阻,Ω;hhd為橫擔(dān)高度,m;hgt為桿塔高度,m;a為雷電流波頭的陡度,kA/μs;Lgt為桿塔等值電感,H。

如果雷電流的幅值為I,則有a=I/τf,其中τf為雷電流的波前時(shí)間,s。帶入式(3)可得雷擊桿塔的耐雷水平為

對于雷擊導(dǎo)線的耐雷水平,若雷電通道和導(dǎo)線的波阻抗分別為ZL和Zd,雷電流幅值為I,利用彼得遜法則可得雷擊點(diǎn)的電壓U為

(4)

若認(rèn)為ZL=200 Ω、Zd=400 Ω、絕緣子的閃絡(luò)電壓是U50%,則由式(4)可得雷擊導(dǎo)線的耐雷水平為

(5)

式中,I3為雷擊導(dǎo)線的耐雷水平,kA。

求得耐雷水平后,雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線可引起絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的概率分別為P(I2)和P(I3)。如果直擊雷中雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線的概率分別為p1和p2且有p1+p2=1,則直擊雷引起每公里線路每年的閃絡(luò)次數(shù)N2為

(6)

1.3 雷擊跳閘率

雷擊跳閘率是感應(yīng)雷和直擊雷引起的雷擊跳閘率之和?？紤]到雷電流作用時(shí)間極短,即使超過耐雷水平引起閃絡(luò),線路也未必會跳閘。只有當(dāng)沖擊電流轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧燃燒時(shí),才會發(fā)生跳閘。因此引入建弧率η,其計(jì)算表達(dá)式為

η(%)=4.5E0.75-14

(7)

式中:E為絕緣子串間的場強(qiáng),kV/m。

此外,城市內(nèi)部的架空線路會因樹木、建筑物的遮蔽,致使直擊雷不易發(fā)生,所以感應(yīng)過電壓已成為架空配電線路雷擊跳閘高發(fā)的主要原因[1]。故在計(jì)算架空線路的雷擊跳閘率時(shí),還需對直擊雷引起的跳閘次數(shù)乘以一個(gè)比例系數(shù)k。對于郊外地區(qū),因建筑物、樹木較少,可認(rèn)為k=1,對于城市內(nèi)部則有0

在綜合考慮上述因素后,可得每公里架空配電線路每年的雷擊跳閘率N為

(8)

2 算例分析

在由雷擊跳閘率公式可知,計(jì)算的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取該地雷電流幅值概率分布函數(shù)P(I)及年平均雷暴日天數(shù)Td。

以某地為例,查閱資料得知該地年平均雷暴日為80 d,落雷密度Ng=0.07×80=5.6(次/km2)。相比實(shí)際測量結(jié)果,用規(guī)程法計(jì)算的結(jié)果存在較大的誤差[9-10],因此本文以文獻(xiàn)[10]中對實(shí)測數(shù)據(jù)擬合的該地雷電流幅值概率函數(shù)計(jì)算,其概率分布函數(shù)為

計(jì)算時(shí),近似認(rèn)為hd=hhd。若以U50%=50 kV、hd=hhd=10 m、hgt=11 m、E=15 kV、Rch=10 Ω、p1=p2=0.5為例,當(dāng)比例系數(shù)k=1時(shí)架空配電線路每公里每年雷擊跳閘率N隨Smax變化趨勢如圖1所示,其中雷電波形為2.6/50 μs。

圖1 雷擊跳閘率隨Smax變化曲線

從圖1可見,雷擊跳閘率與最遠(yuǎn)距離Smax呈正相關(guān)。最遠(yuǎn)距離Smax越遠(yuǎn),雷擊跳閘率也就越大。但隨著Smax的增大,雷擊跳閘率將趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值為0.344次/(km·年)。這是因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn),所以引起線路跳閘的雷電流幅值越大,而概率則越小。

以100 km的配電網(wǎng)為例,平均每年跳閘次數(shù)可達(dá)0.344×100=34.4次。而該地區(qū)每百公里配電網(wǎng)線路近幾年的雷擊跳閘率平均為30.08次,計(jì)算值與實(shí)際值誤差為14.3%?？梢娎讚籼l率計(jì)算公式具有較高的準(zhǔn)確性。

對于城市內(nèi)部架空線路,感應(yīng)雷占配網(wǎng)過電壓的比例超過了80%[1,11]。計(jì)算城市內(nèi)部線路雷擊跳閘率時(shí)偏寬考慮,可取k=0.2。城市內(nèi)部和郊外架空線路雷擊跳閘率的計(jì)算結(jié)果分別為0.226和0.344次/(km·年)?？梢?郊外的架空線路雷擊跳閘率要高于城市內(nèi)部架空線路。這是因?yàn)槌鞘袃?nèi)部建筑物、樹木等的遮擋致使直擊雷概率較小,所以感應(yīng)雷成為致使線路跳閘的主因。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果也相符合。

3 基于雷擊跳閘率的防雷措施研究

從式(2)～(8)可以看到,影響雷擊跳閘率的主要因素為絕緣子閃絡(luò)電壓U50%、導(dǎo)線高度hhd、桿塔高度hgt、沖擊接地電阻Rch及工頻建弧率η。因此本文將從這些因素入手,研究架空線路的雷電防護(hù)措施。

3.1 提高絕緣子的閃絡(luò)電壓U50%

雷擊跳閘率N隨著U50%的增大而下降,提高絕緣子的閃絡(luò)電壓U50%可以有效降低雷擊跳閘率。比例系數(shù)k=1時(shí),不同U50%情況下架空配電線路雷擊跳閘率如圖2所示,其他條件同算例。

圖2 不同U50%的雷擊跳閘率

從圖2可以看到,隨著U50%的上升,雷擊跳閘率會有明顯下降。U50%=200 kV的跳閘率僅為U50%=50 kV跳閘率的40%,故提高U50%可使雷擊跳閘率有較大程度的降低。提高絕緣子U50%的方法有增加絕緣子的片數(shù)、更換絕緣子的型號及采用新型復(fù)合絕緣子等。

3.2 適當(dāng)降低線路和桿塔高度

從式(2)和式(3)可以看到,導(dǎo)線高度越低,感應(yīng)雷導(dǎo)致的雷擊跳閘次數(shù)N1就越少;雷擊跳閘次數(shù)N2隨著桿塔高度的下降而下降。架空線路的高度在8～15 m之間,多集中于10 m。根據(jù)架空線路設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求,市區(qū)內(nèi)人員密集場所導(dǎo)線的高度不得低于7.0 m。若將線路和桿塔高度分別降低2 m,降低前后的雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果分別為0.344和0.282次/(km·年)?？梢?在保證安全的前提下,適當(dāng)降低導(dǎo)線和桿塔高度可以降低雷擊跳閘率。

3.3 提升線路的耐雷水平

提升線路耐雷水平的主要方法有降低接地電阻、提高絕緣子的U50%、安裝避雷線和增強(qiáng)線路絕緣等。

降低接地電阻可以使雷擊桿塔時(shí)桿塔的電位降低,不同接地電阻條件下的年雷擊跳閘率如圖3所示,其他條件同算例。

圖3 不同接地電阻的雷擊跳閘率

從圖3可以看到,降低接地電阻對降低雷擊跳閘率效果不太明顯。但對于山區(qū)、多雷區(qū)等降低接地電阻可明顯降低跳閘率。對于降低接地電阻難度較大的地區(qū),可采用降阻劑、插入金屬電極等措施。

對于35 kV以下的配電線路,因其絕緣水平較低,安裝避雷線易造成反擊。故除必需外,配網(wǎng)一般不安裝避雷線。

增強(qiáng)線路絕緣是指增強(qiáng)線路的絕緣層。對于采用裸導(dǎo)線的線路,可以采用更換絕緣導(dǎo)線措施;對于雷擊密度較大的地區(qū),可以加厚線路絕緣層。

3.4 降低工頻建弧率

從式(7)可知:工頻建弧率與絕緣子串間的場強(qiáng)E呈正相關(guān),若能降低場強(qiáng)E則可以降低工頻建弧率。在不同絕緣子串間的場強(qiáng)E情況下的雷擊跳閘率結(jié)果如圖4所示,其他條件同算例。

由圖4可見,雷擊跳閘率隨著絕緣子串間的場強(qiáng)E上升而增大。降低絕緣子串間的場強(qiáng)E可采用的措施有增大絕緣子的爬距,如增加絕緣子的片數(shù)、增加橫擔(dān)長度及瓷絕緣子更換為瓷橫擔(dān)等。

圖4 不同場強(qiáng)E的雷擊跳閘率

4 結(jié) 語

對架空線路在感應(yīng)雷和直擊雷作用下的雷擊跳閘率計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo);以某地實(shí)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相差較小,驗(yàn)證了雷擊跳閘率計(jì)算公式的準(zhǔn)確性;指出若不采取防雷措施,每百公里長的35 kV等級以下的配電線路年雷擊跳閘率可高達(dá)34.4次,會嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

從影響雷擊跳閘率的因素進(jìn)行分析,減少架空線路雷擊跳閘率的措施主要有:提高絕緣子的U50%、適當(dāng)降低線路及桿塔高度、降低桿塔接地電阻、增強(qiáng)線路絕緣、降低工頻建弧率和采用絕緣橫擔(dān)等。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在采取上述措施后,雷擊跳閘率會有不同程度的下降。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可依據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況采取部分措施,從而達(dá)到最好的效果。

雷擊是一個(gè)復(fù)雜的事件,與土壤電阻率、當(dāng)?shù)氐匦渭疤鞖獾榷喾N因素有關(guān)。綜合考慮各種因素、提高雷擊跳閘率計(jì)算的準(zhǔn)確性,將是以后改進(jìn)的方向。

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(責(zé)任編輯 王小唯)

Study on lightning stroke outages rate and lightningprotection measures for overhead lines

JIAO Xianan1,NIE Yixiong1,HUANG Wei1,WEI Zhen2,LIAO Chenchuan1

(1.School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China; 2.Maintenance Company, State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450000,China)

The calculation formula for lightning stroke outages rate of overhead line due to induced lightning and direct lightning was derived,and calculation was made with the example of lightning flow amplitude probability function fitted for the measured data of some place.Results show that in the case of no lightning protection measures,the annual lightning stroke outages rate of 100km long overhead power distribution lines below 35kV level may be as many as 34.4 times which seriously affects the safety of power grid operation.Since calculation results fit the actual statistical results,the correctness of calculation formula of lightning stroke outages rate is verified.At the same time,the factors of affecting the lightning stroke outages rate was analyzed.After that,the paper takes the fellow measures which is to improve the impulse flash over voltage of insulator,reduce the line and tower height appropriately,improve line lightning withstand level,reduce working frequency arc establishing rate and so forth.Therefore,the purpose is achieved by carrying out lightning protection measures of overhead power distribution line to a certain extent.

overhead power distribution line; lightning stroke outages rate; induced lightning; direct lightning; lightning protection measures

2016-05-22。

焦夏男(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)防雷及接地技術(shù)。

TM863

A

2095-6843(2016)06-0501-04