110 kV輸電線路并聯間隙防雷裝置的設計與運行

陳錫陽,尹創榮,楊挺,王偉然,葛棟,張翠霞,王獻麗,賀子鳴

(1.廣東電網公司東莞供電局,廣東省東莞市,523008;2.中國電力科學研究院,北京市,100192)

0 引言

由于雷擊造成的架空輸電線路故障,是架空輸電線路的主要故障類型之一,往往造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。架空輸電線路防雷工作經過不斷的研究探索,雖取得了一定成效,但是,電網中由雷擊引起的故障仍占很大比例。我國近年來的架空輸電線路故障統計數據表明雷擊故障仍占線路總故障的 70%左右。雷擊故障往往會造成線路絕緣破壞,甚至導致掉線等惡性事故,引起局部停電危及系統安全,不論從發生頻度,還是從產生的后果來看,雷擊故障仍然是影響電網安全的重要因素之一。

架空線路現有的防雷措施有:架設避雷線、降低桿塔接地電阻、加強絕緣、安裝線路型避雷器、加裝耦合地線、采用不平衡絕緣等。這些防雷保護措施的核心思想是盡可能地提高線路的耐雷水平,減少雷擊跳閘率。這些防雷思想歸納為“堵塞型”防雷保護方式。雷電是一種自然現象,隨機性大,“堵塞”雷擊閃絡意味著巨額投資,且技術上難以實施。因此,提出研究“并聯間隙防雷”這一“疏導型”防雷保護方式,其核心思想是允許線路有一定的雷擊跳閘率,采用間隙裝置并聯于絕緣子串旁,接閃雷電,疏導工頻電弧,避免絕緣子被電弧燒壞,雖有雷擊閃絡,但重合閘能夠成功。把現有的“堵塞型”和將要研究的“疏導型”2種方式很好地結合起來,因地制宜地采用,必將使我國的輸電線路防雷保護工作邁上一個新臺階。

采用并聯間隙作為架空輸電線路的防雷保護措施是對現有防雷措施的有效補充,有著廣闊的應用前景。21世紀初,中國電力科學研究院及多家網省公司開始全面開展絕緣子并聯間隙的研究,研制了相關產品,并已在多個省市掛網運行,積累了寶貴的運行經驗,特別是在江蘇和北京經過多個雷雨季的考驗,絕緣子并聯間隙運行情況良好[1-6]。但上述研究主要是針對瓷絕緣子串的,復合絕緣子并聯間隙在我國還尚未大規模應用。針對復合絕緣子加裝并聯間隙的問題,文獻[4]開展過相關的研究工作,研究了適合110,220 kV復合絕緣子防雷保護的 I型間隙裝置。

東莞地區地處我國南部,毗鄰南海,屬于低緯度亞熱帶季風區。近幾年氣象部門統計年平均雷暴日在80天以上(雷電定位系統統計的雷暴日更多),雷暴活動劇烈,雷電強度大,系多雷區。東莞地區輸電線路多采用復合絕緣子,線路雷擊閃絡后,絕緣子及附件有損壞現象,特別是復合絕緣子的均壓環損壞情況嚴重。絕緣子并聯間隙可起到保護絕緣子及其附件的作用,但國內并聯間隙尚未在雷電活動如此強烈的地區得到應用。國外并聯間隙在線路設計時就已經使用,不適合直接照搬于東莞地區,尤其是對已有線路安裝并聯間隙。

針對廣東東莞地區110 kV輸電線路遭雷擊閃絡后工頻續流損壞絕緣子及其金具、導致線路事故的實際情況,開展了110 kV架空線路并聯間隙防雷保護裝置的研究。設計了多種并聯間隙防雷保護裝置。通過試驗研究,驗證其接閃雷電、疏導工頻續流、均勻工頻電場、保護絕緣子及金具的效果。經過逐步優化設計,確定并聯間隙的電氣參數和外形尺寸,研制出樣品,并分別應用于 5條 110 kV線路上。經過 1個雷雨季的考核,并聯間隙運行情況良好,起到了保護絕緣子的作用。

1 并聯間隙設計原則

并聯間隙的設計主要包括并聯間隙的招弧電極形狀和外形尺寸,間隙距離的確定和聯接金具的設計[7-10]。

1.1 并聯間隙招弧電極的形狀

招弧電極的基本形式可分為 2類:棒形和環形。前者為了改善端頭的電場分布,防止棒端燒損過快,可將端頭設計為小球或羊角形;后者是為了獲得明顯的均壓作用和較好地保護絕緣子。對于復合絕緣子,采用并聯間隙,不僅需考慮保護絕緣子和導線免受工頻電弧灼燒,還應考慮是否滿足可見電暈和無線電干擾要求,是否改善絕緣子串電壓分布,之后才是其保護絕緣子免受工頻電弧灼燒的作用。從國外產品手冊可知,國外現有產品上招弧角多采用針型,下招弧角采用針型、橢圓型或是 U型。中國電力科學研究院以往的研究表明,招弧角形狀不同的間隙在雷電放電電壓(U50%值)與放電路徑方面,無明顯差別。

德國專家Lotar Mocks對電弧燃燒理論作了大量理論研究工作,并通過試驗進行了驗證,試驗證明:具有10 kA電流強度的電弧沿著絕緣串燃燒,當短路時間大于0.5 s時,對絕緣危險較大。如果故障時間處于0.05～0.1 s之間,絕緣子串遭受損壞的概率是比較低的[11]。我國電網的最大短路電流越來越大,若短路電流電弧直接燒灼絕緣子,絕緣子被破壞的概率就越來越高。目前復合絕緣子大多帶有均壓環,也可起到一定的保護作用。

但此種閉環均壓環或間隙裝置不具有快速轉移電弧弧根的能力。由于剛起弧時,電弧就受到來自 2個方向的電流供電,這 2個方向的電流對電弧的作用力相反,這樣電弧弧根一開始沿環周的運動就相當遲緩。當電弧弧根運動到電流平衡點時,弧根會在此靜止下來。當然,這是理想的狀態,電弧還受其他因素的影響,但弧根總體上有在電流平衡點附近緩慢移動的趨勢?；「o止后,等離子流的噴射方向沿著電極表面是不穩定的,弧根噴出的等離子流就有足夠的時間和機會去烘烤絕緣材料。也就是說,現在廣泛使用的閉環型均壓環或僅在高壓側安裝均壓環的方式具有部分引弧功能,但達不到并聯間隙的要求。

參考以往研究結果,可將直線串的高低壓招弧電極設計為開口環狀,而且開口環狀的設計還便于安裝和更換。

1.2 并聯間隙招弧電極的材料

并聯間隙招弧電極的電弧燃燒特性是選擇材料的決定性因素。目前,線路金具的常規材料有鋼、銅、鋁。

如果電極截面不變,在試驗條件相同的情況下,電弧運動的速度只取決于材料。采用鋼材料電極上電弧的運動速度要比采用鋁材料上的高出 50%,而銅和鋁的情況則大體相同。鋁的熱耗比鋼高得多,在同樣的熱應力下,不同電極在弧根燒灼的位置,鋁的金屬損耗要比鋼高 4～5倍。在弧根燒灼的位置,損耗的材料中的絕大部分并不是嚴格意義上的燒掉,而是以顆粒的形式被拋出。在鋁電極的短路試驗中,發現試驗后有大量的損耗掉的材料以氧化鋁的形式散落在地板上。

假設在 1根很長的圓棒形電極頂端有溫度為2萬℃的弧根,則由此產生的溫度波就會以很快的速度由棒頂端朝著棒中溫度低的方向傳播,流入的熱量將和棒中由短路電流產生的熱量相疊加。溫度波的傳播速度取決于材料的導熱性能,在金屬導體中,銅和鋁比鋼可傳輸更多的熱量,且傳播速度更快,貫入棒中也更深入。由于強大的熱流進入間隙裝置的電極中,溫度就會很快上升,容易達到材料的屈服點。在此前提下,間隙裝置由于電磁力的作用可能產生永久變形。

在間隙裝置所用的棒或管尺寸相同的情況下,其機械強度與材料強度成正比。鋁質間隙裝置只有在采用更大的尺寸時才能達到與鋼質間隙裝置相同的穩定性。正因如此,鋁較之鋼在重量上的優勢也就不那么明顯了。從材料的價格等因素考慮,銅等其他材料不適合于用作間隙裝置的材料。

考慮到防腐需要,熱鍍鋅鋼是制作架空線路并聯間隙招弧電極最合適的材料。

1.3 并聯間隙招弧電極的截面

并聯間隙應可多次動作而不損壞,這就要求其具有一定的熱穩定性。招弧電極的截面決定了其熱穩定性,截面的選擇受系統短路電路大小和短路持續時間影響。

隨著經濟的發展、電網容量的增加和電網規模的不斷擴大,電力系統的短路容量也越來越大。若雷擊使得離變電站較近的桿塔閃絡,則短路電流和母線處短路電流相差不大。若在此處安裝并聯間隙,招弧電極應滿足短路電流的熱穩定要求。

招弧電極的最小截面可參照接地裝置的熱穩定校驗所需符合的截面要求。由于均壓引弧環在制造過程中需鉆安裝孔,在鉆孔處會損失一部分金屬,為使鉆孔處也能滿足熱穩定要求,需留有一定的裕度。而且招弧電極上的電弧由于熱動力、電動力等作用下高速運動,會對招弧電極有機械作用力,留有裕度是十分必要的。

1.4 并聯間隙的幾何尺寸

為減小可聽噪聲以及提高電暈特性,并聯間隙的下招弧角(高壓側)的位置需結合電場計算或可見電暈試驗確定,并參照并聯間隙初步設計時線路雷擊跳閘率計算、電場分布計算的研究結果。

1.5 并聯間隙聯接金具的設計

在并聯間隙聯接金具(球頭、碗頭)的設計上,原則上盡可能采用標準件,再根據需要對某些金具進行特殊設計。耐張串招弧電極的安裝不使用碗頭掛板,而將招弧電極直接安裝在聯板上。

1.6 并聯間隙的安裝原則

并聯間隙裝置在絕緣子上的布置應合理,使得來自于鄰近電流路徑的電磁力有助于促使間隙裝置把電弧推離絕緣子。

對于直線塔的瓷絕緣子串或復合絕緣子,為避免電弧引起的相間或相對側梁短路,并聯間隙的招弧電極是順著導線放置。由于工頻大電流產生的電弧能量很大,弧根經由下電極的端部吹出后,有時會迅速飄移到同方向的導線上,并繼續擴散 3～4 m,但由于弧根移動速度非?？?不會損傷導線。

對于耐張絕緣子串上的電弧,受熱動力和電動力共同作用下,電弧會向上飄移。則對于耐張絕緣子串的并聯間隙,僅在絕緣子串向上的一側安裝招弧角,以保證起弧點在耐張串上方,這樣電弧在向上運動的過程中就不會掠過耐張串絕緣子。

2 110 kV線路復合絕緣子并聯間隙設計方案

針對東莞地區110 kV輸電線路復合絕緣子安裝方式,設計了4種并聯間隙安裝方案(3種直線串安裝方案和 1種耐張串安裝方案),其結構分別如圖 1、圖 2所示。直線串方案 1參照已有運行經驗的角形招弧角進行改動,保留復合絕緣子原有均壓環;直線串方案 2采用環形招弧角替代原有均壓環,招弧角同時起到均壓作用;直線串方案 1和方案 2都需更換改制的碗頭和球頭,直線串方案 3不必更換改制的球頭碗頭,采用角形招弧角直接固定在絕緣子上,為增大工頻電流通流能力,上、下電極均采用了引流線。耐張串并聯間隙利用三角連板操作孔安裝,不必解開耐張串,縮減了現場安裝的工作量。

3 并聯間隙的電氣性能試驗

并聯間隙防雷保護裝置應具有引導雷電放電、轉移疏導工頻電弧和均勻工頻電場 3種功能,而這 3種功能需通過電氣性能試驗加以驗證。

3.1 雷電沖擊放電電壓及伏秒特性試驗

安裝并聯間隙裝置后,雷電沖擊 50%放電電壓和雷電沖擊伏秒特性降低了15%～20%。這主要是由于并聯間隙裝置減小了絕緣距離,另外,并聯間隙端部為球頭,造成局部電場略微的畸變,會使放電電壓有所降低。間隙距離與雷電沖擊50%放電電壓值之間具有較好的線性關系。各并聯間隙的雷電沖擊伏秒特性曲線均在復合絕緣子的伏秒特性曲線之下,并聯間隙可起到在雷電過電壓下保護復合絕緣子的作用。

3.2 可見電暈和無線電干擾試驗

當工頻試驗電壓升高到100 kV時(大于規定試驗電壓87.6 kV),并聯間隙的上、下電極仍未見可見電暈。并聯間隙的可見電暈性能滿足國家標準[12]要求。

在無線電干擾特性的試驗中,當工頻試驗電壓升高到100 kV時(大于規定試驗電壓87.6 kV),復合絕緣子用并聯間隙在1 MHz下的無線電干擾電壓分別為126和141μV,小于1 000μV規定值。可知并聯間隙的無線電干擾性能滿足國家標準[12]要求。

3.3 工頻電弧燃弧特性試驗

工頻大電流燃弧特性試驗驗證了線路絕緣子雷擊閃絡過后,后續的工頻短路電流產生的電弧是否能被引導到并聯間隙裝置上,且電弧是否能夠固定在并聯間隙裝置的球頭位置燃燒,從而使絕緣子串免于灼燒。在模擬導線上有電弧燒蝕的痕跡,說明電弧在電動力的作用下向電源外側運動。試驗結果表明,所設計的110 kV并聯間隙裝置滿足設計要求。

4 并聯間隙的現場運行情況

2010年 1月起東莞供電局陸續在 5條 110 kV線路上安裝了復合絕緣子并聯間隙,表 1為安裝情況列表。安裝線路選擇了同塔雙回(或多回)線路中的1回,實現了不平衡絕緣,還有利于降低雙回線路同時發生反擊跳閘的概率。經過幾個月的運行,這 5條線路已有 6次雷擊閃絡,并聯間隙起到了保護絕緣子的作用。

表1 東莞110 kV復合絕緣子并聯間隙安裝情況Tab.1 Distribution of parallel gap installations for 110 kV composite insulator in Dongguan

圖3為2010年 6月26日110 kV元浦甲線雷擊跳閘后并聯間隙的閃絡點,從圖中可見,復合絕緣子上無電弧燒灼痕跡,并聯間隙起到了保護絕緣子的作用。

圖3 110 kV元浦甲線復合絕緣子并聯間隙閃絡點Fig.3 Flashover point on parallelgap of composite insulator for 110 kV Yuan-Pu I line

安裝并聯間隙后,線路的耐雷水平有所下降,使得安裝并聯間隙的線路相對較容易發生跳閘,但由于并聯間隙的作用,線路絕緣子均未遭受損壞,線路重合成功,達到了絕緣子并聯間隙保護絕緣子及其附件的目的。特別對于同塔雙回線路,間隙設計合理,可以減少雙回線路同時雷擊跳閘的概率。

運行經驗可較充分證實雷擊故障下安裝并聯間隙的絕緣子幾乎不受損傷,這可以為制定故障巡查策略提供參考,對減少山區雷擊故障巡線和更換絕緣子及其金具的工作量,具有重要的現實意義。

5 結論

所設計的 “并聯間隙防雷裝置”采用招弧角與絕緣子串并聯,適用于 110 kV等級輸電線路復合絕緣子,使雷電沿間隙放電,疏導工頻電弧,保護絕緣子免于燒傷,適于工程應用,該防雷方式是傳統輸電線路防雷保護措施的有力補充。

通過 1個雷雨季考核,110 kV復合絕緣子并聯間隙現場運行情況良好,起到了保護絕緣子的作用。

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