基于絕緣橫擔(dān)的配電網(wǎng)綜合防雷系統(tǒng)配置與實(shí)施方案

林禮健

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003)

0 引 言

配電網(wǎng)直接面向用戶，其可靠性直接影響供用電區(qū)域內(nèi)用戶的用電質(zhì)量，因此對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性要求越來(lái)越高。統(tǒng)計(jì)資料表明，用戶停電原因80%以上由配電網(wǎng)引起。對(duì)于配電網(wǎng)架空輸電線路，有一半以上跳閘事故都是由雷擊事故引起的[1]。

配電網(wǎng)輸電線路雷擊事故主要是雷電擊中輸電線路桿塔或?qū)Ь€形成雷擊過電壓，當(dāng)過電壓超過了絕緣子沖擊電壓耐受水平時(shí)造成絕緣子雷擊閃絡(luò)，工頻電流會(huì)沿著原有閃絡(luò)通道形成穩(wěn)定的工頻續(xù)流，進(jìn)而造成跳閘[2]。

因此解決配電網(wǎng)輸電線路雷擊閃絡(luò)或防止形成穩(wěn)定工頻續(xù)流是配電網(wǎng)防雷研究重點(diǎn)。

1 常規(guī)防雷措施分析

10 kV配電網(wǎng)輸電線路防雷措施通常由主電網(wǎng)移植而來(lái)，主要有避雷針、避雷器、并聯(lián)間隙和增加絕緣子片數(shù)等。無(wú)論哪種防雷措施，其核心同樣是解決雷擊閃絡(luò)或防止形成穩(wěn)定工頻續(xù)流[3]。輸電線路防雷措施從功能上區(qū)分為疏通型和阻塞型。其中避雷針、避雷器和并聯(lián)間隙為疏通型，增加絕緣子片數(shù)為阻塞型。

避雷針可將雷電流接閃并疏通至大地，其雷電接閃性能具備將桿塔附近繞擊雷轉(zhuǎn)變成反擊雷的功能。在相同雷電強(qiáng)度下，反擊雷過電壓遠(yuǎn)低于繞擊雷過電壓，因此避雷針可降低雷擊過電壓導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)的概率。但配電網(wǎng)不具備主電網(wǎng)絕緣水平，反擊雷過電壓同樣極易造成絕緣子閃絡(luò)，避雷針在配電網(wǎng)應(yīng)用效果不明顯。

避雷器由于其優(yōu)異的非線性材料特性，當(dāng)雷擊過電壓形成時(shí)，內(nèi)部阻抗迅速降低，將雷電流通過避雷器疏通至大地后迅速恢復(fù)至高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而阻礙了工頻續(xù)流的形成。但通常10 kV配電網(wǎng)避雷器結(jié)構(gòu)尺寸較小，雷電能量吸收能力有限，較大雷電流易造成避雷器雷擊損壞，且長(zhǎng)期在線運(yùn)行，其內(nèi)部閥片容易老化造成短路事故[4]。

絕緣子作為阻塞型防雷措施，通過增加線路絕緣水平提升防雷擊閃絡(luò)能力，同時(shí)降低工頻續(xù)流形成概率。但配電網(wǎng)塔架尺寸較小，不能大幅度增加絕緣子片數(shù)，否則易造成導(dǎo)線對(duì)地懸垂過低，增加安全隱患。

綜上所述，常規(guī)防雷疏通型措施雖具備一定的防護(hù)性能，但其缺陷較難彌補(bǔ)，類似增加絕緣子片數(shù)這種阻塞型措施會(huì)受限于線路結(jié)構(gòu)空間，而采用絕緣橫擔(dān)替換原有鐵質(zhì)橫擔(dān)，可在有限的空間內(nèi)大幅提升10 kV線路的絕緣水平[5]。

因此，合理地設(shè)計(jì)絕緣橫擔(dān)絕緣距離，實(shí)現(xiàn)電氣性能與雷電強(qiáng)度匹配是配電網(wǎng)絕緣橫擔(dān)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2 配電網(wǎng)絕緣橫擔(dān)的研制

2.1 防閃絡(luò)能力分析

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5220-2005 《10 kV以下架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，10 kV輸電線路常規(guī)直線桿塔采用1片絕緣子。1片絕緣子的干弧絕緣距離為150 mm，耐受過電壓不超過200 kV。

絕緣橫擔(dān)的設(shè)計(jì)使用，摒棄了金屬橫擔(dān)配絕緣子的方式，而是將橫擔(dān)與絕緣子一體化，在有限空間里大幅度提升線路的絕緣水平[6]。

10 kV配電網(wǎng)輸電線路塔架高度較低，和周圍物體對(duì)比不突出，因此雷電對(duì)地閃絡(luò)往往不容易直接擊中線路本身。但由于配電線路絕緣水平較低，雷擊線路附近在線路上感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓同樣容易造成閃絡(luò)跳閘事故。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)配電線路雷擊事故大多由感應(yīng)雷造成，而感應(yīng)雷在配電網(wǎng)線路上形成的過電壓通常不會(huì)超過400 kV。

若將絕緣橫擔(dān)設(shè)定為干弧絕緣距離750 mm，通過試驗(yàn)其雷電耐受過電壓大于400 kV，若將絕緣橫擔(dān)設(shè)定為干弧絕緣距離600 mm，通過試驗(yàn)其雷電耐受過電壓大于350 kV，因此絕緣橫擔(dān)可以很好地防護(hù)感應(yīng)雷對(duì)10 kV配網(wǎng)線路的危害。

2.2 防工頻續(xù)流能力分析

根據(jù)GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，雷擊跳閘率計(jì)算式為

N=NLη(gP1+PαP2)

(3)

式中：NL為100 km每年雷擊次數(shù)；η為建弧率；g為擊桿率；Pα為繞擊率；P1為超過桿塔耐雷水平雷電流概率 ；P2為超過繞擊導(dǎo)線時(shí)耐雷水平的雷電流概率；η為建弧率，可以采用式(4)計(jì)算：

η=0.01(4.5E0.75-14)

(4)

式中，E為絕緣子的平均運(yùn)行電壓梯度，kV/m。

如果10 kV配電系統(tǒng)為中性點(diǎn)絕緣，則有：

(5)

對(duì)于有效接地系統(tǒng)則有：

(6)

式中：Un為線路額定電壓，kV；li為絕緣子的放電距離，m。

由于Un為額定電壓，那么建弧率主要由絕緣橫擔(dān)的干弧絕緣距離來(lái)決定。若將絕緣橫擔(dān)干弧絕緣距離設(shè)定為750 mm，對(duì)于有效接地系統(tǒng)的10 kV線路，可將建弧率由54%降低為4%；若將絕緣橫擔(dān)干弧絕緣距離設(shè)定為950 mm，可將常規(guī)10 kV輸電線路的建弧率由54%降低為0。

通過增加配電網(wǎng)絕緣距離，即便雷擊過電壓造成絕緣橫擔(dān)閃絡(luò)，但難以形成穩(wěn)定的工頻續(xù)流，從而阻止了線路雷擊跳閘事故。

2.3 配電線路跳閘率分析

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，10 kV配電線路由于雷擊附近大地或大地上的物體產(chǎn)生的某一感應(yīng)過電壓引起的雷擊跳閘次數(shù)占到總跳閘次數(shù)80%以上。

這里簡(jiǎn)述規(guī)程法計(jì)算方法，取感應(yīng)過電壓系數(shù)為32.1[7]。設(shè)雷擊點(diǎn)與配電線路的距離為S，若在50 m以內(nèi)時(shí)雷電會(huì)直擊線路，S>50 m時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓幅值為

(7)

式中：hi為導(dǎo)線對(duì)地平均高度，取10 m；Im為雷電流幅值，kA。

給定S和絕緣子閃絡(luò)電壓，可以算出引起絕緣子閃絡(luò)的最小雷電流為

(8)

與配電線路相距S，幅值超過Imin的雷電流擊于此位置均會(huì)導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)。閃絡(luò)概率為

(9)

(10)

式中:Smax=32.1hdImax/U50%;Imax為最大雷電流幅值。

計(jì)算得到不同U50%絕緣子雷擊跳閘次數(shù)，見表1。

表1 不同U50%絕緣子對(duì)應(yīng)的雷擊跳閘率

其中10 kV配電網(wǎng)常規(guī)絕緣子對(duì)應(yīng)150 kV一列，復(fù)合絕緣橫擔(dān)對(duì)應(yīng)400 kV一列，可以看出理論上采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)雷擊跳閘率約為采用常規(guī)絕緣子雷擊跳閘率的1%，可使配電網(wǎng)雷擊跳閘率的大幅度降低。

3 配電網(wǎng)防雷絕緣橫擔(dān)綜合防雷系統(tǒng)

目前輸電線路防雷措施提倡差異化防雷，即針對(duì)輸電線路特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的防雷設(shè)計(jì)和改造，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和有效性的最大匹配，而不是盲目進(jìn)行全線防雷改造[8]。

通過上述分析可知配電網(wǎng)絕緣橫擔(dān)作為阻塞型配電網(wǎng)防雷措施，通過在有限空間內(nèi)大幅度提升絕緣水平，解決了阻塞型防雷措施在配電網(wǎng)上應(yīng)用的缺陷，可達(dá)到較好的防雷效果。但雷電流難以通過絕緣橫擔(dān)閃絡(luò)疏通泄放，必然會(huì)沿線路傳播直到找到泄放薄弱點(diǎn)，形成對(duì)未改造桿塔或變電站的危害隱患。因此，為了使絕緣橫擔(dān)的應(yīng)用實(shí)踐性更科學(xué)合理，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和有效性，設(shè)計(jì)一種基于絕緣橫擔(dān)的綜合防雷系統(tǒng)。

3.1 配電網(wǎng)絕緣橫擔(dān)綜合防雷系統(tǒng)思路

在進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)時(shí)，通過對(duì)線路歷史雷擊數(shù)據(jù)和地理氣候?qū)U塔雷擊影響等因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選出易遭雷擊危害的線路區(qū)段。將上述區(qū)段作為綜合防雷整治的區(qū)段，在選定區(qū)段中，將所有桿塔進(jìn)行絕緣橫擔(dān)改造，并配合區(qū)段端頭桿塔加裝避雷器作為雷電流侵入?yún)^(qū)段外之前的泄放通道。如區(qū)段內(nèi)桿塔在歷史數(shù)據(jù)中曾遭受大電流雷擊危害，應(yīng)加裝塔頂式避雷波阻器，在雷電流侵入輸電線路前削減其雷電流幅值，減輕雷電對(duì)絕緣橫擔(dān)的沖擊。實(shí)現(xiàn)區(qū)段內(nèi)雷擊能量綜合處理，輸電線路不續(xù)流、不跳閘，同時(shí)也不影響區(qū)段外的線路或變電站。

以10基桿塔的區(qū)段為例，綜合防雷系統(tǒng)配置方式如表2。

3.2 配電網(wǎng)絕緣橫擔(dān)綜合防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

10 kV絕緣橫擔(dān)綜合防雷系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方式如圖1。

3.2.1 絕緣橫擔(dān)選擇

絕緣橫擔(dān)采用圓形實(shí)心玻璃纖維棒作為基材，兩端壓接金具。金具具備緊固和掛線功能，外層采用抗紫外線硅橡膠包覆工藝。

具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

1)芯棒截面直徑為50～60 mm；

2)硅橡膠厚度≥3.5 mm；

3)干弧絕緣距離為450～950 mm。

其中，當(dāng)干弧絕緣距離為450～550 mm時(shí)，芯棒截面直徑采用50 mm；當(dāng)干弧絕緣距離為550～650 mm時(shí)，芯棒截面直徑采用55 mm；當(dāng)干弧絕緣距離大于650 mm時(shí)，芯棒截面直徑采用60 mm。

3.2.2 區(qū)段絕緣配合

絕緣橫擔(dān)的干弧絕緣距離是區(qū)段防雷效果的關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和有效性的最大匹配，區(qū)段內(nèi)絕緣橫擔(dān)的干弧絕緣距離可根據(jù)配電線路重要性和跳閘率允許值進(jìn)行配置。配置方案見表3。

表2 10基桿塔區(qū)段配網(wǎng)絕緣橫擔(dān)綜合防雷系統(tǒng)配置方式

圖1 10 kV絕緣橫擔(dān)綜合防雷系統(tǒng)

表3 區(qū)段絕緣橫擔(dān)絕緣強(qiáng)度配置方案表

對(duì)擬改造配電線路的重要性進(jìn)行評(píng)估，確定其重要等級(jí)。如為重要線路，跳閘率允許值為0，則絕緣橫擔(dān)的干弧絕緣距離需950 mm以上，對(duì)于10 kV配電網(wǎng)線路可將建弧率控制為0，則雷擊時(shí)不會(huì)建立起穩(wěn)定工頻續(xù)流。如為次重要線路或常規(guī)線路，則根據(jù)線路歷史雷擊危害程度，在表3范圍內(nèi)選擇相應(yīng)干弧絕緣距離的絕緣橫擔(dān)進(jìn)行配置。

3.2.3 區(qū)段端頭避雷器

在區(qū)段端頭桿塔加裝線路避雷器作為雷電泄放通道，進(jìn)一步保證區(qū)段內(nèi)雷電流不會(huì)對(duì)區(qū)段外線路造成危害。

避雷器采用帶間隙氧化鋅避雷器，避免避雷器閥片老化造成短路事故，主要參數(shù)如下：

1)額定電壓為17 kV；

2)標(biāo)稱放電電流為5 kA；

3)最大雷電沖擊殘壓(8/20 μs)為50 kV。

由于配電網(wǎng)避雷器雷電吸收能量有限，為防止雷電沖擊損壞避雷器，將避雷器設(shè)計(jì)在區(qū)段兩端，當(dāng)雷擊區(qū)段內(nèi)輸電線路時(shí)，一方面區(qū)段內(nèi)的絕緣橫擔(dān)防止雷擊閃落或續(xù)流；另一方面雷電流在線路傳播過程中，導(dǎo)線的固有電阻以及雷電流的電磁輻射效應(yīng)因素使雷電流不斷衰減，可降低因通流量的限制造成避雷器損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.4 避雷波阻器

避雷波阻器作為一種塔頂式針式防雷設(shè)備，遵循雷擊先導(dǎo)形成原理，安裝方式靈活，通常選擇歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中易遭受大電流直擊雷危害的桿塔安裝，將雷電接閃至裝置。由于桿塔進(jìn)行了強(qiáng)絕緣改造并有良好的接地泄放通道，可避免接閃的雷電對(duì)線路造成危害。

避雷波阻器將桿塔周圍雷擊吸引至針體，并提供良好的接地通道，同時(shí)利用避雷波阻器針體內(nèi)部多階濾波裝置的濾波作用，降低雷電波前沿陡度，從而降低雷擊過電壓，進(jìn)而降低大電流雷電對(duì)絕緣橫擔(dān)的沖擊和雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

上面分析了10 kV配電網(wǎng)輸電線路雷電防護(hù)性能，總結(jié)了配電線路防雷重點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)防雷措施特點(diǎn)和絕緣橫擔(dān)雷電防護(hù)機(jī)理，提出以絕緣橫擔(dān)為基礎(chǔ)的綜合防雷系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)方案，分析了絕緣橫擔(dān)的應(yīng)用對(duì)于提升10 kV配電線路雷電防護(hù)性能的有效性。