高土壤電阻率地區(qū)噴射氣體滅弧防雷效果分析

2019-11-02 06:17:34李繼強(qiáng)毛成程王成全徐國強(qiáng)劉宗杰王巨豐孟偉航

通信電源技術(shù) 2019年10期

李繼強(qiáng)，毛成程，王成全，徐國強(qiáng)，劉宗杰，王巨豐孟偉航

（1.國網(wǎng)濟(jì)寧供電公司，山東濟(jì)寧 272111；2.廣西大學(xué)，廣西南寧 530004；3.廣西電力輸配網(wǎng)防雷工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530004）

0 引言

人們的生活完全離不開能源，而電力系統(tǒng)通過輸電線路送電是能源輸送最重要的途徑之一，輸電線路一旦不能正常輸送電，就會給人們的生產(chǎn)生活造成重大影響。在我國當(dāng)前的電力系統(tǒng)中，雷擊跳閘事故占到總事故的40%～70%[1-4]，輸電線路遭受雷擊時(shí)，極易產(chǎn)生事故，輕則在短時(shí)間內(nèi)重合閘，重則損壞絕緣子、燒蝕導(dǎo)致斷線，需要較長時(shí)間的搶修才能恢復(fù)線路運(yùn)行[4]。為了保護(hù)線路的正常運(yùn)行，線路防雷成為一個熱門研究課題。

有分析指出，耐雷水平受接地電阻的影響最大，降低接地電阻是提高耐雷水平、降低反擊跳閘率的最直接有效的方法。接地電阻值受土壤電阻率、地網(wǎng)結(jié)構(gòu)及接地材料形狀等因素影響[3]。

圖1為土壤電阻率對耐雷水平的影響，線路耐雷水平隨土壤電阻率升高而顯著下降，并且易超出該地的耐雷水平設(shè)計(jì)值。

圖1 土壤電阻率對耐雷水平的影響（圖中虛線為設(shè)計(jì)值）

目前，存在的主要降阻方式有改造地網(wǎng)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大地網(wǎng)面積、利用降阻劑降低土壤電阻率及局部換土等方法[5]。然而土壤電阻率受地質(zhì)地貌等自然因素的影響，其值完全不可控，在沿海、山區(qū)等高電阻率地區(qū)，接地電阻最低極限值較高，降阻措施通常遠(yuǎn)不能使接地電阻達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致耐雷水平不達(dá)標(biāo)。

此外，在大概率的多重雷擊條件下，在絕緣子局部放電記憶和電壓級聯(lián)效應(yīng)作用下，線路耐雷水平與多重雷擊次數(shù)n成反比關(guān)系。因此，在高土壤電阻率地區(qū)，反擊跳閘事故經(jīng)常發(fā)生。

防雷措施一般分為阻塞型和疏導(dǎo)型。阻塞型防雷出現(xiàn)更早，其目標(biāo)是阻塞絕緣閃絡(luò)，常見措施包括加強(qiáng)絕緣、降低桿塔沖擊接地電阻、安裝避雷線及采用架空耦合底線等，但效果受到地網(wǎng)電阻、雷擊強(qiáng)度、類型、方式及部位等不可控因素制約，因此難以建立精確的和符合實(shí)際的分布式及差異化雷擊跳閘率計(jì)算模型[6-8]。

疏導(dǎo)型防雷出現(xiàn)略晚，其代表為并聯(lián)間隙，在絕緣子兩端并聯(lián)一對間隙略小于絕緣子干弧長度的金屬電極，當(dāng)雷電擊中輸電線路時(shí)，并聯(lián)間隙因距離更短而優(yōu)先閃絡(luò)，從而避免了絕緣子被雷擊破壞或者導(dǎo)線燒蝕斷線等事故[2]。由于并聯(lián)間隙本身不具備滅弧能力，需要重合閘的配合才能形成完整的保護(hù)，所以安裝并聯(lián)間隙后不僅降低了線路耐雷水平，而且會提高線路跳閘率[9-10]，影響線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，金屬電極在閃絡(luò)后會因燒蝕而增大間隙距離，使用數(shù)次后其間距達(dá)不到引弧要求而失效，此時(shí)只得排查不合格的并聯(lián)間隙并重新安裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[11-14]。

根據(jù)提到的各種問題，氣體滅弧防雷理論被提出。噴射氣體滅弧裝置傳承了疏導(dǎo)型防雷優(yōu)點(diǎn)，將裝置通過金具并聯(lián)在絕緣子兩端，將雷電能量引致間隙釋放[17]。同時(shí)，該裝置是一種主動滅弧間隙，由雷電觸發(fā)，可在極短的時(shí)間內(nèi)噴射出氣體，從而迅速地熄滅后續(xù)的工頻電弧，使得線路無需再進(jìn)行重合閘，有效降低了跳閘率，且由于滅弧時(shí)間極短，金屬電極的燒蝕程度較傳統(tǒng)并聯(lián)間隙更為耐用。

基于對該裝置進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)工作以及運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行分析，確定了噴射氣流裝置的抑制建弧率，然后建立了在安裝了該裝置條件下的線路雷擊跳閘率的模型。

1 噴射氣體滅弧防雷裝置

目前已研制出用于110 kV、220 kV線路的噴射氣體滅弧防雷裝置，其裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝置通過金具并聯(lián)到絕緣子一側(cè)，其間隙長度可以根據(jù)絕緣子長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以方便安裝。

圖2 裝置安裝模擬圖

當(dāng)線路遭受雷擊時(shí)，雷電波頭延導(dǎo)線傳播，當(dāng)傳播至裝置所在金具位置時(shí)，由于其所在間隙長度略小于絕緣子，雷電沖擊能量在此處釋放。裝置的觸發(fā)模塊迅速感應(yīng)到通過的雷電能量，隨后在極短時(shí)間內(nèi)將信號傳遞給爆炸模塊，該模塊定向爆破，產(chǎn)生大量高速噴射的電負(fù)性氣體，氣流集中作用在暫態(tài)建弧的最初階段，能在幾毫秒內(nèi)快速吹熄電弧，其滅弧過程如圖3所示。

圖3 噴射氣流滅弧裝置遮斷續(xù)流實(shí)驗(yàn)

氣流持續(xù)時(shí)間足夠抑制工頻電弧重燃，繼保裝置不用動作，從而避免跳閘事故，還不會使主要的電氣設(shè)備受到損害。

2 雷擊跳閘率計(jì)算模型

2.1 建弧率模型

噴射氣流滅弧防雷裝置因其自身強(qiáng)大的滅弧能力，而能夠降低線路的建弧率，為分析其規(guī)律，本文通過實(shí)驗(yàn)得出其滅弧率M。

實(shí)驗(yàn)主要針對220 kV線路的防雷滅弧能力研究，進(jìn)行工頻遮斷續(xù)流實(shí)驗(yàn)，分別在幅值為1、5 kA及10.8 kA的工頻短路電流條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 滅弧成功率統(tǒng)計(jì)

裝置滅弧時(shí)間必須要小于繼保響應(yīng)時(shí)間，否則造成跳閘則失去了滅弧的意義。分析結(jié)果可知，在不同幅值的工頻電流下，裝置均在半個周波內(nèi)熄滅電弧（半個周波時(shí)常為5 ms），多數(shù)時(shí)候滅弧速度太快而無法采集到確切滅弧時(shí)間，根據(jù)GB 14285—2006《繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)程》，目前我國繼電保護(hù)的最快動作時(shí)間為10～20 ms[15]，因此裝置能確保在繼保動作前成功熄滅電弧，避免跳閘事故。裝置在不同幅值的工頻電流下的滅弧成功率十分接近，本文以成功率較低的98%為準(zhǔn)，則在安裝裝置的前提下建弧率J=1-M=0.02。

DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中采用的線路建弧率η的經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中，E為線路平均電位梯度。對于中性點(diǎn)有效接地和非有效接地兩種情況，則分別有公式：

其中，l、lm分別為絕緣子串長度和導(dǎo)線線間距。

線路建弧率經(jīng)驗(yàn)公式中的概率為輸電線路本身不具備滅弧功能的前提下得到，而安裝噴射氣流滅弧裝置后，由于裝置成功滅弧時(shí)并不存在重燃可能，線路的建弧率只有當(dāng)裝置滅弧失效的情況下才存在，所以安裝該裝置后的建弧率公式為：

由式（4）可知，安裝裝置后的建弧率公式與線路建弧率公式相比僅多了系數(shù)J，所以裝置自身的滅弧能力才是降低線路建弧率的決定因素。

2.2 雷擊跳閘率分析

雷擊跳閘率的分析方法主要為伏秒特性法、規(guī)程法、幾何模型法及電壓積分法等方法[16-19]。伏秒特性法主要基于雷電沖擊下的伏秒特性曲線，當(dāng)絕緣子兩端電壓波形與其自身的伏秒曲線相交時(shí)即視為閃絡(luò)；可以通過計(jì)算絕緣子兩端承受的的電壓與閾值電壓之差對時(shí)間的積分DE來判斷絕緣子或是空氣間隙閃絡(luò)，當(dāng)DE超過某一臨界值DE*，認(rèn)為間隙擊穿；規(guī)程法又稱50%放電法，通過比較50%放電電壓來確實(shí)是否放生閃絡(luò)或者誰優(yōu)先閃絡(luò)。

噴射氣體滅弧裝置本質(zhì)上還是一種并聯(lián)間隙，當(dāng)裝置優(yōu)先于絕緣子閃絡(luò)時(shí)即可起到保護(hù)線路設(shè)備的作用，因此運(yùn)用規(guī)程法來研究保護(hù)率的問題比較合適。根據(jù)相關(guān)研究，絕緣子及并聯(lián)間隙的閃絡(luò)電壓近似滿足正太分布，而噴氣裝置也可按照并聯(lián)間隙的方法進(jìn)行研究：

其中，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，絕緣子的σ取3%，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.5%左右，設(shè)計(jì)上一般會留有一定量的裕度，所以也取為3%。

設(shè)裝置50%放電電壓為UP50%，絕緣子的為UJ50%，根據(jù)規(guī)程DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中規(guī)定的并聯(lián)間隙絕緣配合原則[11-14]，有：

計(jì)算可得UP50%≤0.835UJ50%。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)“3σ法則”的知識，正態(tài)分布落在（μ-3σ，μ+3σ）的范圍內(nèi)是可信事件，因此當(dāng)裝置的放電電壓滿足小于等于絕緣子放電電壓的0.835倍時(shí)，可以認(rèn)為裝置能完全保護(hù)絕緣子。

當(dāng)安裝情況滿足根據(jù)規(guī)程法計(jì)算出來的結(jié)果后，噴氣裝置能夠優(yōu)先于絕緣子被擊穿。根據(jù)裝置保護(hù)線路的原理可知，其防雷效果與線路設(shè)計(jì)尺寸、避雷線架設(shè)及土壤電阻率高低無關(guān)，其他因素不影響裝置的滅弧效果。耐雷水平與雷擊跳閘率是衡量線路防雷能力的重要指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，安裝噴氣裝置后，線路的耐雷水平依然可以達(dá)到規(guī)定值。在此前提下，分析安裝后線路雷擊跳閘率對于裝置防雷性能的變化，量化其防雷能力，對以后的工程安裝有著十分重要的參考意義。

根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》的規(guī)定，雷擊跳閘率均以每年40個雷暴日內(nèi)每百千米線路的受雷擊次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，則線路反擊跳閘率的計(jì)算式為：

其中，N1為反擊跳閘率，NL為雷擊線路的次數(shù)，按40個雷暴日計(jì)算，落雷密度一般取γ=0.015，則NL=40×0.015·hd=0.6hd，hd為線路離地高度的平均值；g為擊桿率，而裝置并聯(lián)在絕緣子兩側(cè)且根據(jù)設(shè)計(jì)要求其總能優(yōu)先于絕緣子擊穿，所以不論裝置是否動作，它對絕緣子的保護(hù)率gm近似于擊桿率g；P1為雷電流超出線路反擊耐雷水平的概率。

因此，在線路安裝了裝置后，線路的反擊跳閘率為：

反擊耐雷水平計(jì)算式為：

其中，k、β分別為避雷線的電暈耦合系數(shù)及桿塔分流系數(shù)，由于安裝了噴氣滅弧裝置后對避雷線的保護(hù)能力不作要求，所以參數(shù)k、β可以當(dāng)做零處理；Rch、Lg分別為桿塔的沖擊接地電阻及等值電感；εU50%為噴氣滅弧裝置的50%放電電壓。

因此，安裝了裝置后，耐雷水平公式為：

下一步則需要推導(dǎo)出繞擊跳閘率，其一般計(jì)算式為：

NL取0.6hd；Pa為線路遭受雷擊時(shí)的繞擊率，由于裝置自身特性保證其優(yōu)先擊穿，所以Pa可以近似當(dāng)做1；P2為雷電流超出繞擊耐雷水平的概率。因此，安裝裝置后線路的繞擊跳閘率為：

線路的整體跳閘率為反擊和繞擊跳閘率之和：

根據(jù)公式即可形成完整的在安裝噴氣滅弧裝置情況下的雷擊跳閘率計(jì)算模型。

3 算例分析

某220 kV的線路[16]，全長約60 km，共117基桿塔，所處地形同時(shí)有平原和丘陵兩種地形，該地區(qū)雷暴日達(dá)到60.8 d/a，屬于高雷暴日地區(qū)，其平原與丘陵地區(qū)的年平均跳閘率分別達(dá)到：5.473次（100 km/a）和6.236次（100 km/a）。

此段線路帶有兩根避雷線，中性點(diǎn)接地；經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)線的平均電位梯度為63.5 kV/m，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)平均高度58.3 m。表2為擊桿率表，擊桿率g在平原和山區(qū)分別為1/6和1/4，可近似看做gm。

表2 擊桿率表

根據(jù)推導(dǎo)得到的公式（4），此段線路在安裝裝置后的建弧率為 ηm=0.02×(4.5×63.50.75-14)×10-2=0.017 44；該線路采用15片XWP-7型號的絕緣子，其擊穿電壓大致為U50%=100+15×84.5=1 367.5kV，其中，間隙電壓比ε取0.83。

3.1 反擊跳閘率

3.2 繞擊跳閘率

根據(jù)式（14）可得線路的繞擊耐雷水平I2為11.35k A，則雷電流超出耐雷水平I2的概率為P1=10-11.35/88=0.743。由于Nm2=Nm2p=Nm2s=0.6×58.3×0.017 44×0.743=0.453，根據(jù)計(jì)算，可得到該線路在平原與丘陵地區(qū)的雷擊跳閘率分別為：Nmp=Nm1p+Nm2p=0.027+0.453=0.48，Nms=Nm1s+Nm2s=0.041+0.453=0.494。

該線路在安裝了噴氣滅弧裝置后，平均線路跳閘率達(dá)到