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.廣東工業大學 自動化學院,廣州 510006; 2.國網河南省電力公司 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.廣東工業大學 自動化學院,廣州 510006; 2.國網河南省電力公司 檢修公司,鄭州 450000)

對架空線路在感應雷和直擊雷作用下的雷擊跳閘率計算公式進行了推導,以某地實測數據經擬合的雷電流幅值概率函數為例進行計算。結果表明: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34.4次,嚴重影響電網的安全運行。計算結果與實際統計結果相吻合,驗證了雷擊跳閘率計算公式的正確性。分析了導致雷擊跳閘的因素,提出了應對措施,即提高絕緣子沖擊閃絡電壓、適當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,以實現在不同程度上對架空配電線路進行防雷保護。

架空配電線路;雷擊跳閘率;感應雷;直擊雷;防雷措施

電網的安全運行關系到社會的各個方面,雷電會嚴重威脅到架空配電線路的安穩運行[1-2]。統計表明,因雷擊所造成的線路跳閘故障占到了電網故障的70%以上[2-4]。作為電網的重要部分的架空配電線路廣泛分布于城市內部及郊區,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行雷擊跳閘率的計算與分析具有重要意義。文獻[5]從感應雷的閃絡次數入手推導了感應雷的雷擊閃絡次數公式,但未考慮直擊雷造成的閃絡及雷擊跳閘率;文獻[6]基于ATP-EMTP研究了直擊雷的耐雷水平;文獻[7]計算了10 kV架空絕緣導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,其耐雷水平與實際有一定偏差。此外,有文獻認為利用規程法計算出的雷電流幅值概率函數與實測結果有較大偏差[8-9],會對雷電防護的分析造成影響。

針對上述不足,本文在綜合考慮感應雷和直擊雷所引起的雷擊跳閘事故的基礎上推導了雷擊跳閘率公式;利用某地實測數據擬合的雷電流幅值概率函數驗證了推導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,對工程應用具有一定的參考價值。

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。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電壓U50%并引發絕緣子閃絡。對架空線路而言,雷電過電壓有兩種:一種是感應雷過電壓,另一種是直擊雷過電壓。故計算線路跳閘率需先計算兩種雷電引起的閃絡次數。

1.1 感應雷引起的閃絡次數

當雷擊點與導線水平距離大于65 m時,雷電主要在導線中產生感應雷過電壓,其幅值可按規程計算:

(1)

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

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

(2)

式中:Smax為距離導線的最遠距離,m。

1.2 直擊雷引起的閃絡次數

當雷擊點與導線的水平距離小于65 m時,雷電會因過于靠近導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在雷電流流過線路或桿塔時產生的過電壓,因此需先計算線路或桿塔的直擊雷耐雷水平。

為防止發生反擊,一般情況下35 kV等級以下的配網架空線路并不安設避雷線。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的計算表達式為

(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為雷電流的波前時間,s。帶入式(3)可得雷擊桿塔的耐雷水平為

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

(4)

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

(5)

式中,I3為雷擊導線的耐雷水平,kA。

求得耐雷水平后,雷擊桿塔和雷擊導線可引起絕緣子發生閃絡的概率分別為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次數N2為

(6)

1.3 雷擊跳閘率

雷擊跳閘率是感應雷和直擊雷引起的雷擊跳閘率之和。考慮到雷電流作用時間極短,即使超過耐雷水平引起閃絡,線路也未必會跳閘。只有當沖擊電流轉化為穩定的工頻電弧燃燒時,才會發生跳閘。因此引入建弧率η,其計算表達式為

η(%)=4.5E0.75-14

(7)

式中:E為絕緣子串間的場強,kV/m。

此外,城市內部的架空線路會因樹木、建筑物的遮蔽,致使直擊雷不易發生,所以感應過電壓已成為架空配電線路雷擊跳閘高發的主要原因[1]。故在計算架空線路的雷擊跳閘率時,還需對直擊雷引起的跳閘次數乘以一個比例系數k。對于郊外地區,因建筑物、樹木較少,可認為k=1,對于城市內部則有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,計算的關鍵是準確獲取該地雷電流幅值概率分布函數P(I)及年平均雷暴日天數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)。相比實際測量結果,用規程法計算的結果存在較大的誤差[9-10],因此本文以文獻[10]中對實測數據擬合的該地雷電流幅值概率函數計算,其概率分布函數為

計算時,近似認為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,當比例系數k=1時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,雷擊跳閘率與最遠距離Smax呈正相關。最遠距離Smax越遠,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定,穩定值為0.344次/(km·年)。這是因為距離越遠,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的配電網為例,平均每年跳閘次數可達0.344×100=34.4次。而該地區每百公里配電網線路近幾年的雷擊跳閘率平均為30.08次,計算值與實際值誤差為14.3%。可見雷擊跳閘率計算公式具有較高的準確性。

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

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電壓U50%、導線高度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措施。

3.1 提高絕緣子的閃絡電壓U50%

雷擊跳閘率N隨著U50%的增大而下降,提高絕緣子的閃絡電壓U50%可以有效降低雷擊跳閘率。比例系數k=1時,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、更換絕緣子的型號及采用新型復合絕緣子等。

3.2 適當降低線路和桿塔高度

從式(2)和式(3)可以看到,導線高度越低,感應雷導致的雷擊跳閘次數N1就越少;雷擊跳閘次數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。根據架空線路設計規范的相關要求,市區內人員密集場所導線的高度不得低于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算結果分別為0.344和0.282次/(km·年)。可見,在保證安全的前提下,適當降低導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%、安裝避雷線和增強線路絕緣等。

降低接地電阻可以使雷擊桿塔時桿塔的電位降低,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、多雷區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,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,配網一般不安裝避雷線。

增強線路絕緣是指增強線路的絕緣層。對于采用裸導線的線路,可以采用更換絕緣導線措施;對于雷擊密度較大的地區,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E呈正相關,若能降低場強E則可以降低工頻建弧率。在不同絕緣子串間的場強E情況下的雷擊跳閘率結果如圖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E上升而增大。降低絕緣子串間的場強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、增加橫擔長度及瓷絕緣子更換為瓷橫擔等。

圖4 不同場強E的雷擊跳閘率

4 結 語

對架空線路在感應雷和直擊雷作用下的雷擊跳閘率計算公式進行了推導;以某地實測數據為例進行計算分析,計算結果與實測數據相差較小,驗證了雷擊跳閘率計算公式的準確性;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34.4次,會嚴重影響配電網的安全運行。

從影響雷擊跳閘率的因素進行分析,減少架空線路雷擊跳閘率的措施主要有:提高絕緣子的U50%、適當降低線路及桿塔高度、降低桿塔接地電阻、增強線路絕緣、降低工頻建弧率和采用絕緣橫擔等。通過計算發現在采取上述措施后,雷擊跳閘率會有不同程度的下降。在實際應用時可依據當地的實際情況采取部分措施,從而達到最好的效果。

雷擊是一個復雜的事件,與土壤電阻率、當地地形及天氣等多種因素有關。綜合考慮各種因素、提高雷擊跳閘率計算的準確性,將是以后改進的方向。

[1] 陳思明,尹慧,唐軍,等.10 kV架空配電線路感應雷過電壓暫態特性分析[J].電瓷避雷器,2014(2):90-96.CHEN Siming,YIN Hui,TANG Jun,et al.Analysis on transient characteristic of induction thunder overvoltage in 10 kV overhead distribution lines[J].Insulators and Surge Arresters,2014(2):90-96.

[2] 蔡昊暉,蘇杰,任華,等.基于雷電沖擊特性的同塔多回輸電線路并聯間隙配置[J].南方電網技術,2016,10(2):32-37.CAI Haohui,SU Jie,REN Hua,et al.Parallel gaps configuration for multi-circuit transmission line on the same tower based on lightning impulse characteristics[J].Southern Power System Technology,2016,10(2):32-37.

[3] 祝達康,司文榮,傅晨釗,等.10 kV線路避雷器直擊雷放電電流的影響因素研究[J].電瓷避雷器,2015(5):71-76.ZHU Dakang,SI Wenrong,FU Chenzhao,et al.Research on influence factors of 10 kV distribution line surge arrester discharge current due to direct lightning strokes[J].Insulators and Surge Arresters,2015(5):71-76.

[4] 王希,王順超,何金良,等.10 kV配電線路的雷電感應過電壓特性[J].高電壓技術,2011,37(3):599-605.WANG Xi,WANG Shunchao,HE Jinliang,et al.Characteristics of lighning induced overvoltage of 10 kV distribution lines[J].High Voltage Engineering,2011,37(3):599-605.

[5] 徐興發,聶一雄,鄧小康,等.湛江東海10 kV架空絕緣導線雷擊斷線分析與防護[J].電力科學與工程,2012,28(6):56-63.XU Xingfa,NIE Yixiong,DENG Xiaokang,et al.Analysis and protection of 10 kV overhead insulation conductors by lightning-caused breakage in donghai area of Zhanjiang[J].Electric Power Science and Engineering,2012,28(6):56-63.

[6] 陳冬,劉建華,賈晨曦.基于ATP-EMTP 的耐雷水平研究[J].電瓷避雷器,2011(5):8-11.CHEN Dong,LIU Jianhua,JIA Chenxi.Study on lightning withstand level based on ATP-EMTP[J].Insulators and Surge Arresters,2011(5):8-11.

[7] 張鑫,鄧鵬,徐鵬,等.10 kV架空絕緣導線雷擊斷線原因機理分析及防護措施[J].電瓷避雷器,2012(1):65-69.ZHANG Xin,DENG Peng,XU Peng,et al.Mechanism analysis and protective measures on the lightning break reason of 10 kV overhead insulation conductor[J].Insulators and Surge Arresters,2012(1):65-69.

[8] 劉剛,唐軍,孫雷雷,等.不同地形地貌的雷電流幅值概率分布對輸電線路雷擊跳閘的影響[J].高電壓技術,2013,39(1):17-23.LIU Gang,TANG Jun,SUN Leilei,et al.Influence of the distribution of lightning current amplitude in different landforms on the transmission-line’s tripping operation[J].High Voltage Engineering,2013,39(1):17-23.

[9] 馬御棠,隋彬,曹曉斌,等.惠州地區雷電活動規律研究[J].南方電網技術,2011,5(2):68-71.MA Yutang,SUI Bin,CAO Xiaobin,et al.study on the regular pattern of lightning activity in Huizhou region[J].Southern Power System Technology,2011,5(2):68-71.

[10] 李瑞芳,吳廣寧,曹曉斌,等.雷電流幅值概率計算公式[J].電工技術學報,2011,26(4):161-167.LI Ruifang,WU Guangning,CAO Xiaobin,et al.Formula for probability of lightning current amplitude[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(4):161-167.

[11] 邊凱,陳維江,李成榕,等.架空配電線路雷電感應過電壓計算研究[J].中國電機工程學報,2012,32(31):191-199.BIAN Kai,CHEN Weijiang,LI Chengrong,et al.Calculation of lightning induced overvoltage on overhead distribution lines[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(31):191-199.

(責任編輯 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,主要研究方向為電力系統防雷及接地技術。

TM863

A

2095-6843(2016)06-0501-04