側向避雷針在35 kV線路中的防雷分析

龔石林,馮彥釗,張明

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

側向避雷針在35 kV線路中的防雷分析

龔石林1,馮彥釗1,張明2

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

采用三維EGM模型,Eriksson的雷擊距公式對35 kV配電線路繞擊進行了建模分析。通過計算,得到了單回35 kV配電線路能實現繞擊防護的側向避雷針的有效長度。對于35 kV同塔多回線路,側向避雷針安裝部位距導線越遠,對該導線的繞擊防護效果越差;線路保護角越大,側向避雷針安裝于該線路時的保護效果越差。

35 kV配電線路;側向避雷針;繞擊;保護距離;電氣幾何模型

1 前言

35 kV配電線路是我國配電網的骨干線路,但由于其絕緣水平相對較低,大部分沒有避雷線或僅有單避雷線保護,雷害事故尤其嚴重,直擊雷和感應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措施和策略,對保證供電可靠性具有至關重要的意義。

提出了綜合考慮輸電線路走廊雷電活動、地形地貌、線路結構和絕緣配置等因素,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。而配電線路相對于輸電線路具有不同的特點,比如檔距較小,防雷方式較單一,具有適應其自身的防雷措施[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鍵是要對各種防雷措施的優缺點進行綜合的技術經濟分析,針對不同的地形、氣候特點,探索防雷措施,以達到經濟性和安全性的統一。文獻 [8-10]提出了差異化防雷策略在配電線路中的應用方法和策略。

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

加裝側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用。沈志恒等人[11]研究了鐵塔橫擔側向避雷針在110 kV～500 kV輸電線路中的繞擊保護效果,使用IEEE std 1997推薦的雷擊距公式計算了側向避雷針的保護范圍,并給出了若干應用實例。

文中提出把安裝側向避雷針的方法應用于山區或丘陵地區,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重要內容。在計算側向避雷針的保護范圍時,采用Eriksson的雷擊距公式,相對于文獻 [11]中使用的IEEE std 1997推薦的雷擊距公式,考慮了導線高度的影響,使計算更具有普適性。

2 側向避雷針保護原理

2.1 側向避雷針繞擊防護原理

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

圖1 側向避雷針安裝示意圖

研究試驗和運行經驗表明,線路在整個檔距間遭受雷電繞擊的概率是不同的：靠近桿塔附近的區域,導線被桿塔屏蔽保護,繞擊概率極低,此區域為安全區域;在離桿塔稍遠的區域內,桿塔導致的電場畸變使得此區域內的雷擊繞擊率大大提高,此區域為危險區域;檔距中央的廣大區域內,桿塔對電場的影響減弱使得繞擊率又回到正常水平,區域為正常區域[12]。

側向避雷針自橫擔向外延伸的部分可以起到引雷的作用,相當于減小了桿塔附近避雷線的保護角,對該區域導線可以起到加強屏蔽的作用。根據線路整個檔距內繞擊分布不均的規律,合理設置側向避雷針的有效長度,使其有針對性地保護桿塔附近的繞擊危險區域,即可達到降低線路繞擊跳閘率的目的。

2.2 加裝側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 [11]提出了將側向避雷線、導線和大地視為三維整體的三維EGM模型來分析側向避雷針的防弧原理,用IEEE std 1997推薦的雷擊距公式來計算側向針的繞擊防護距離。

雷擊距理論是EGM模型的核心,選擇準確的雷擊距計算方法對于避雷針的繞擊防護距離的計算至關重要。Eriksson的雷擊距公式為

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

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

因而,本文對35 kV配網線路的繞擊研究采用三維的EGM模型,而計算雷擊距時選擇Eriksson的雷擊距公式進行計算。

雷電先導發展到架空導線側邊時,會受到地面形狀的影響,導線和地面被雷擊的可能性都存在。IEEE工作組提出的導線平均高度在＜40 m的對地擊距為[17]：

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

采用三維EGM模型,對常規雙避雷線單回35 kV配電線路進行建模,如圖2所示。圖2中, M、N和P分別為兩避雷線和外側導線在該平面上的點,且位于同一二維平面上;M、N和P點處的擊距為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為外側導線的暴露弧。根據擊距理論,若要在該平面處發生繞擊,雷電先導必須首先擊中導線的暴露弧BC。同理,沿檔距方向,導線的暴露弧將連接形成曲面 BCEF,即外側導線在避雷線和地面屏蔽下的三維繞擊暴露曲面。

使用擊距理論對側向避雷針的屏蔽范圍進行分析：側向避雷針的放電發生在尖端O點上,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。球面內的區域即為側向避雷針的保護范圍。

圖2 線路屏蔽模型

導線的暴露曲面BCEF沿外側導線方向一直存在,而側向避雷針的屏蔽球面則可以屏蔽桿塔附近區域,即雷擊桿塔附近區域時,會首先對側向避雷針放電而不會繞擊導線,使得導線的暴露曲面得以屏蔽。

當加裝側向避雷針后,可以使線路桿塔附近的導線暴露曲面得以屏蔽,當側向避雷針的屏蔽區域覆蓋整個線路桿塔附近的整個繞擊危險區域時,會使線路繞擊率大大下降,使線路耐雷水平得以提高。

2.3 側向避雷針保護距離的計算方法

由雷擊距的計算公式和EGM模型可得,對于某一固定型號的桿塔 (導線平均高度確定)和雷電流幅值I,當導線上某點P的整條暴露弧都在球O的保護范圍內,則表明P處受到側向避雷針的完全屏蔽。因而,為計算側向避雷針的保護距離,逐漸增加P處與桿塔的距離,直至球O不能完全屏蔽P處導線的暴露弧,此時P與桿塔的距離即為側向避雷針的最大保護距離m。當最大保護距離m覆蓋了整個線路的繞擊危險區域時,即可認為側向避雷針對線路進行了有效的繞擊防護。

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

3 側向避雷針保護效果

3.1 側向避雷針在單回線路的保護效果

為分析側向避雷針的保護效果,選擇經常適用于山區35 kV線路中的JM1型單回耐張塔作為分析對象,具體說明側向避雷針在35 kV單回常規線路上的保護效果。M1型桿塔示意圖及其相關參數如圖3所示。

圖3 JM1型35 kV線路桿塔模型

文獻 [12]采用小模型試驗的方法對該500 kV的ZM1塔進行了防雷性能研究,結果顯示繞擊危險區域位于距離桿塔10～30 m的范圍內。文獻 [11]認為由于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區域距離桿塔更近。根據小模型試驗原理,各電壓等級的線路對應桿塔呼稱高度的繞擊危險區域距離可對按照桿塔的高度進行等比例估算。因而得到各電壓等級下線路繞擊危險區域距離如表1所示。確定35 kV,JM1型桿塔線路繞擊危險區域范圍為3～9 m。

表1 各電壓等級線路的繞擊危險區域范圍

使線路發生繞擊的雷電流幅值有一個臨界,當雷電流幅值大于某一臨界值時,線路將不會發生繞擊,該臨界雷電流幅值對應的擊距稱為臨界擊距,文獻 [10]指出臨界擊距的計算方法如式(3)所示。為了使側向避雷針的保護范圍更加全面,在確定側向避雷針的有效長度和保護范圍時以臨界擊距為計算條件。

式中,hb為避雷線高度,hd為導線高度,α為保護角。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,對應的雷電流幅值為15.85 kA。

計算中,以圖3所示桿塔結構為對象,計算不同長度的側向避雷針保護范圍如表2所示。

表2 不同長度的側向避雷針的保護距離

由表2中數據可得,隨著側向避雷針有效長度的增加,保護范圍不斷擴大。35 kV線路繞擊危險區域范圍為3～9 m,側向避雷針的有效長度選擇2.5 m時,保護距離為9.84 m,因而,可使用有效長度為2.5 m的側向避雷針對35 kV線路進行繞擊防護。

避雷線的保護角是影響線路繞擊率的一個重要因素。本文對有效長度為2.5 m的側向避雷針的保護距離隨保護角的變化規律進行了計算,結果如表3所示。通過改變外側導線與避雷線之間的水平距離D,來改變保護角。

表3 避雷線保護角對側向避雷針保護距離的影響

由表3的數據可見,隨著避雷線保護角的增大,側向避雷針的保護范圍隨之減小,但減小的幅度很小。保護角從-8.24°增加到23.49°時,側向避雷針的保護距離僅減小6.3%。說明避雷線的保護角對側向避雷針的保護距離影響不大。

3.2 側向避雷針在同塔多回線路上的保護效果

35 kV配電線路大多為同塔多回線路,由于桿塔的高度較高,更容易出現繞擊現象。加裝側向避雷針對同塔多回線路的繞擊防護仍具有重要的意義,但保護角和側向避雷針的加裝部位對繞擊防護效果具有重要意義。本文針對一種35 kV同塔多回線路的典型塔型為對象進行計算,分析側向避雷針安裝于不同部位時對保護效果的影響。

選擇的塔型塔頭部分避雷線和導線的間隔距離如圖4所示。導線3對應的橫擔呼稱高為15 m。導線1、導線2和導線3對應的保護角分別為38.29°、 22.24°和1423°,保護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為計算得到的有效長度為2.5 m的側向避雷針安裝于不同橫擔上時,對各層導線保護距離的計算結果。

表4 側向避雷針安裝于不同橫擔位置時的保護效果

表4中-表示該位置的側向避雷針無法對對應導線暴漏弧進行完全屏蔽,不能對該導線進行有效的繞擊防護。

從表4中的數據可知,側向避雷針在35 kV同塔多回線路中仍能起到繞擊防護作用,但安裝部位不同,防護的效果差異較大。分析表中的數據,可得出安裝部位對繞擊防護效果影響如下：

1)側向避雷針安裝部位距導線越遠,對該導線的繞擊防護效果越差。側針安裝于導線1橫擔時,對導線1的保護距離最大,導線2次之,對導線3的暴露弧無法施行完全屏蔽。側針安裝于導線3橫擔時,情況與之相同。側針安裝于導線2橫擔時,對導線2的保護距離最大,對導線1和導線3的保護距離隨之減小。由此可得,側向避雷針對距離較遠的導線保護效果大大減弱,安裝時,應安裝于最易發生繞擊的線路上。

2)線路保護角越大,側向避雷針安裝于該線路時的保護效果越差。導線3對應的線路保護角最小,側向避雷針安裝于導線3是對導線3的保護距離最長。導線1對應的線路保護角最大,其綜合保護效果最差。側針安裝于導線2,距離線路1和3距離相差不大,但對線路3的保護效果遠好于對線路1的保護效果。因而,對于同塔多回線路,側向避雷針應盡量安裝于保護角較大的線路橫擔上。

4 側向避雷針應用實例

云南省某市35 kV線投全長8.7公里,全線路共桿塔44基。線路經過山區,雷擊跳閘率較高。其中24～36號桿架設于山頂或山脊,所在線路雷擊率最高,繞擊現象也較嚴重。

該線路進行過防雷改造,采取的措施有：降低線路桿塔的接地電阻;加裝耦合地線;對經過山區的12基桿塔進行改造,架設雙避雷線。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,雷電跳閘率達到13.05次/(100 km·n)。

2009年,對24～36號桿橫擔上安裝了側向避雷針,安裝的側向避雷針有效長度為2.5 m。經過幾年運行,統計雷擊跳閘率達到9.05次/(100 km·n)。說明側向避雷針對線路繞擊現象進行了有效的防護,使得雷擊跳閘率進一步得到了改善。

通過運行發現,安裝側向避雷針的防繞擊措施具有簡單易維護的特點。加裝線路避雷器對防繞擊也可起到一定的防護作用,但安裝位置一般在山區,運行維護的工作量較大,綜合技術經濟效益不如加裝側向避雷針。

5 結束語

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

2)分析了避雷線保護角、側向避雷針有效長度對繞擊的影響效果,得到了單回35 kV配電線路能實現繞擊防護的側向避雷針的有效長度,該長度取2.5 m較合適。

3)對于35 kV同塔多回線路,側向避雷針安裝部位距導線越遠,對該導線的繞擊防護效果越差;線路保護角越大,側向避雷針安裝于該線路時的保護效果越差。

4)根據運行經驗,安裝側向避雷針的防繞擊措施具有簡單易維護的特點,綜合技術經濟效益甚至要好于安裝線路避雷器的方法。

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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,高級工程師,云南電網公司,長期從事電網相關技術研究 (e-mail)gongshilin@im.yn.csg。

云南電網公司2013年科技項目

馮彥釗 (1968),男,高級工程師,云南電網公司,長期從事電網相關技術研究 (e-mail)fengyanzhao@im.yn.csg。

張明 (1980),男,副教授,碩士生導師,華中科技大學電氣工程學院,研究方向為高電壓技術、功率電子變換技術等。