滅弧防雷間隙降低110kV輸電線路雷擊跳閘率的效果研究

周政，劉太東

(1.湖州供電公司，浙江 湖州 313000； 2.山東電力公司檢修公司，山東 濟南 250000)

滅弧防雷間隙降低110kV輸電線路雷擊跳閘率的效果研究

周政1，劉太東2

(1.湖州供電公司，浙江 湖州 313000； 2.山東電力公司檢修公司，山東 濟南 250000)

為解決南方多雷地區雷害事故高發的問題，設計了一種基于“抑制建弧”防雷理念的具有多次觸發滅弧能力的滅弧防雷間隙。能夠在輸電線路遭受雷擊時由雷電脈沖啟動滅弧裝置，在極短時間內產生高強度氣流。使工頻續流在暫態電弧初期被快速截斷，大幅度降低建弧率。提出了在滅弧氣流作用下考慮滅弧系數的建弧率及雷擊跳閘率算法，從理論上證實滅弧防雷間隙能大幅降低雷擊跳閘率。在實際運行中取得了良好的效果。

滅弧防雷間隙；工頻續流；跳閘率；滅弧系數

1 引言

近年來，各電壓等級的輸電線路長度隨著國民經濟的快速發展而不斷擴張。由于輸電線路覆蓋面積廣闊，沿途的自然環境復雜，遭受雷電襲擾的概率較大[1]。而我國南方屬于多雷地區，雷害事故頻發，雷擊跳閘事故占線路跳閘事故的比例超過70%，成為威脅電網安全穩定運行的最主要、最突出的因素。

現階段輸電線路防雷理念是“絕緣閃絡抑制”。即主要通過提高線路的耐雷水平以避免絕緣子串閃絡。架空輸電線路現有提高耐雷水平的措施主要包括安裝避雷線、降低桿塔接地電阻、加強線路絕緣、安裝線路型避雷器等[2]。但這些措施會受雷擊強度、耐雷水平、雷擊方式(繞擊、反擊)、地網電阻等不可控因素的限制。而且調研發現，現實中的雷擊具有多重雷擊高發、大幅值雷電流高發、雷電繞擊高發的特點，因此防雷效果不理想。

針對傳統輸電線路防雷措施中存在的問題，近年國內外出現了新型的“疏導型”防雷理念。疏導型防雷措施是在輸電線路絕緣子兩端并聯一對金屬電極構成保護間隙。當線路遭受雷電過電壓沖擊時，保護間隙首先因過電壓被擊穿，將大量雷電泄入大地，避免了電弧對絕緣子串的破壞[3]。但是上述保護間隙裝置的不足之處在于：(1)保護間隙沒有滅弧能力，不能及時切斷短路引起的工頻續流，對于相間短路會引起線路跳閘；(2)電弧持續燒蝕間隙電極會使間隙電極間距離逐漸變長，絕緣配合失效，導致間隙失去保護作用，電力部門必須人工更換間隙，在多雷強雷地區工作量巨大。

針對多重雷擊高發的現狀及當前防雷保護存在的問題，本文研究了一種基于抑制工頻暫態電弧建弧率且能夠多次截斷電弧的新型滅弧防雷間隙。滅弧防雷間隙利用雷電脈沖觸發滅弧裝置，實現對建弧過程的早期強烈阻斷，在暫態電弧發展初期將其熄滅。實現“閃絡不跳閘”的良好效果，可靠避免雷擊跳閘[4]。

2 滅弧時間研究

雷擊線路或桿塔后形成的電弧在初期為暫態沖擊電弧，這種電弧能量很小，若沖擊電弧發展為穩定的工頻電弧后，電弧能量將急劇增大，難以熄滅。因此抑制建弧率的關鍵在于暫態電弧發展的初期，滅弧裝置產生高強度沖擊氣流，使電弧中的導電粒子迅速復合，將尚未“發育”的極脆弱電弧截斷，可靠抑制暫態電弧發展為工頻電弧。為此進行沖擊氣流滅弧時間研究，圖1為沖擊氣流滅弧時間試驗接線圖。

圖1 沖擊氣流滅弧時間試驗接線圖

示波器上面顯示的試驗電壓波形如圖2所示。紅色波形代表電弧的電壓，藍色波形代表爆炸氣流的觸發電壓。M點是爆炸氣流開始作用于電弧的時刻，N點是電弧在爆炸氣流作用下熄滅的時刻，即爆炸氣流作用于電弧使其熄滅的時間為：T=TM-TN=0.4ms。說明沖擊氣流在0.4ms內就將電弧熄滅，且過后不重燃。 滅弧過程用高速攝像機進行記錄，實驗圖像如圖3所示。從高速攝像系統記錄的整個過程看，電弧在被氣流作用后0.4ms左右已幾乎熄滅，滅弧現象與理論分析以及示波器所得數據基本吻合，有力的驗證了爆炸氣流滅弧裝置能夠可靠地熄滅電弧。

圖2 滅弧實驗電壓波形

3 滅弧系數研究

滅弧防雷間隙的工作理念是“抑制建弧”，即幼年電弧在還未發展為工頻電弧之前就被高速氣流破壞。這里引入“滅弧率”的概念，滅弧率是指線路遭受雷擊產生沖擊閃絡后，沖擊閃絡在噴射氣流強擾動下未能形成穩定工頻電弧的概率。滅弧率與諸多因素有關，如噴射氣流的速度、噴射氣流角度、滅弧劑配方等。根據在實驗室的大量滅弧試驗研究，統計發現單次滅弧成功率約為70%～75%。

由于受滅弧裝置觸發時間、滅弧時間分散性及輸電線路運行外界條件的影響，滅弧防雷間隙存在首次動作后電弧仍然存在重燃的可能性[5]。若電弧發生重燃，則滅弧裝置進行第2次觸發滅弧，由于滅弧時間極短，因此后續滅弧仍在線路繼電保護動作之前，可有效防止線路跳閘。大量實驗室模擬試驗和線路實際掛網運行證明，滅弧防雷間隙基本上動作2次之內就可以完全熄滅電弧。因此一次滅弧過程中最大滅弧動作次數取3次。

滅弧防雷間隙的滅弧能量團可以多次觸發，且各次的滅弧動作都是相互獨立的。滅弧防雷間隙在第i次熄滅電弧的概率可表示為Pi=a(1-a)i-1，其中a為單次滅弧成功率，這里取70%。

滅弧系數M可表示為P1、P2、P3的總和，即M=P1+P2+P3=a+a(1-a)+a(1-a)2,由于建弧與滅弧為互斥事件，因此建弧系數可表達為K=1-M。當單次滅弧成功率取70%時，經計算可得滅弧系數M為0.973，建弧系數為0.027。

4 某110kV線路跳閘率分析

該110kV線路架設在山區，易遭繞擊，另一方面山區土壤電阻率很高，雷電流流經桿塔入地時所造成桿塔頂端電位升高引起反擊，導致絕緣閃絡引起跳閘。從1970年～2008年的平均統計數據得出：當地年平均雷暴日達到83天。之前對桿塔接地電阻進行了抽測，都大大超過了設計電阻值(15～20Ω)，見表1。

圖3 高速攝像機記錄的沖擊氣流截斷電弧圖像

桿塔號接地電阻設計值接地電阻實測值110#1586111#2093112#205419#1514524#1511339#2010270#208978#206797#2070100#15124

表2 線路基本參數

該線路全長為46km，基本參數見表2，依據電力行業標準DL/T 620-1997，取桿塔沖擊接地電阻Rch=75Ω,桿塔電感Lt=0.42μH，線路平均高度hd=18m，片數在2～14之間的絕緣子串的50%放電電壓U50%(kV)的計算公式為[6]:

U50%=100+84.5m，2≤m≤14

(1)

式中，m—絕緣子片數，取8。

建弧率η(單位為%)：η=4.5E0.75-14，噴射氣流滅弧條件下的建弧率(單位為%)：

η=K(4.5E0.75-14)

(2)

式中，E(kV/m)—絕緣子串的平均運行電位梯度(有效值)，

雷電流超出概率按公式：

(3)

式中，P—雷電流超過I(kA)的概率。

雷擊桿塔時的耐雷水平I1(kA)為：

(4)

式中：k—耦合系數；β—桿塔分流系數；Ri—桿塔接地電阻；ha—橫擔高度；ht—桿塔高度；Lt—桿塔等值電感；hg—避雷線高度；hc—導線高度。

雷電繞擊導線時的耐雷水平I2(kA)：

(5)

因此每40雷暴日每100km線路總跳閘率N/(次(100km·a)-1)：

N=0.6hdη(gPI1+PI2)

(6)

式中，g—擊桿率；

PI1—雷電流超過I1的概率；

PI2—雷電流超過I2的概率。

加裝氣吹滅弧防雷間隙前的理論雷擊跳閘率見表3。

表3

5 防雷改造后的運行情況

該線路在未安裝滅弧防雷間隙前的2007～2013年共發生雷擊跳閘事故8起，見表4。

表4 線路基本參數

2014年年初對該線路進行防雷改造，安裝了噴射氣流滅弧防雷間隙。經查詢雷電定位數據得知，在4月1日至8月30日時間范圍內，線路附近共落雷500余次，其中超過耐雷水平203次，多重雷擊74次(雷電流幅值超過100kA的雷擊共有4次，其中最大雷電流幅值為-199.3kA),僅在2014年6月4日該地區就經歷了強烈的雷暴天氣，落雷情況見圖4。滅弧防雷間隙安裝后至今，沒有發生跳閘情況。

6 結論

(1)滅弧試驗表明滅弧防雷間隙裝置能夠在0.4ms內熄滅電弧，其滅弧時間遠小于繼電保護動作時間，避免雷擊跳閘的發生。

圖4 2014年6月4日線路落雷情況

(2)在噴射氣流的強擾動作用下，線路遭雷擊后的建弧率大大降低，理論計算得建弧系數在0.03以下。

(3)在某雷害情況嚴重的110kV線路安裝了滅弧防雷間隙，實際運行數據表明該線路雷擊跳閘率大幅度降低，取得了良好的效果。

[1] 胡毅，劉凱，吳田，等.輸電線路運行安全影響因素分析及防治措施[J].高電壓技術，2014，40(11)：91-99.

[2] 沈其工，方瑜，周澤存，等.高電壓技術[M].4版.北京：中國電力出版社，2012.

[3] 顧鐵利，劉樹清，趙國良，等.220kV絕緣子并聯間隙的防雷保護和實際應用[J].高壓電器，2012，48(12)：116-120.

[4] 王巨豐，閆仁寶，李世民，等.滅弧防雷裝置對電弧發展抑制的研究[J].高電壓技術，2013,37(6)：14-18.

[5] 馮文昕.基于鏈式電弧模型的滅弧防雷間隙滅弧時間的研究分析[D].廣西大學，2012.

[6] 王巨豐，陳智勇，羅炳強，等.滅弧防雷間隙在35kV線路應用效果分析[J].廣西電力，2010,33(3)：21-23.

Application Analysis of Arc-extinguishing Lightning Protection Gap Reduced Lightning Trip-out Rate in 110kV Line

ZHOUZheng1,LIUTai-dong2

(1.Huzhou Power Supply Commpany,Huzhou 313000 China; 2.Shandong Service Company of Electric Power Corporation,Jinan 250000,China)

In order to solve the problem of high incidence of lightning disturbance in South thunderbolt areas，we developed a jet stream arc-extinguishing lightning protection gap based on the idea of suppressing arc-establishing rate which can multiple tigger and extinguish arc.Lightning pulse can start the protection gap when the lines were suffered by lightning strokes,and produce high intensity air flow in a very short time.So that the power frequency follow current can extinguish at the beginning of the transient arc,and reduce greatly arc establishing rate.We concluded the arc establishing rate and lightning trip-out rate formula under jet stream arc extinguishing condition,and confirmed arc-extinguishing lightning protection gap can greatly reduce the lightning trip-out tate in theory.The arc extinguishing lightning protection gap achieved good results in field operation.

arc-extinguishing lightning protection gap;power frequency follow current;lightning trip-out rate;arc extinguisging coefficient

1004-289X(2016)05-0059-04

TM86

B

2015-06-23

周政(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：高電壓與絕緣技術; 劉太東(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：高電壓與絕緣技術。