多雷區(qū)輸電線路并聯(lián)間隙的絕緣配合研究

陳雪琨,徐海利,李凌雁

多雷區(qū)輸電線路并聯(lián)間隙的絕緣配合研究

陳雪琨1,徐海利1,李凌雁2

1. 福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 泉州 362008 2. 邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河北 邢臺(tái) 054000

并聯(lián)間隙作為一種新型的“疏導(dǎo)型”防雷方式，可以憑借短接絕緣子的干弧距離對(duì)絕緣子產(chǎn)生有效保護(hù)，但對(duì)應(yīng)的線路跳閘率也將因此而受到影響；本文采用基于先導(dǎo)發(fā)展法的雷擊路徑計(jì)算方法，對(duì)云南地區(qū)典型線路所用桿塔應(yīng)用并聯(lián)間隙之后的跳閘率變化情況進(jìn)行了計(jì)算分析，安裝并聯(lián)間隙對(duì)反擊跳閘率的影響基本在7%之內(nèi)，并聯(lián)間隙對(duì)反擊跳閘率的影響基本在6%之內(nèi)。采用并聯(lián)間隙結(jié)合3%的加強(qiáng)絕緣可保證線路防雷性能無變化。

輸電線; 絕緣配合; 防雷

中國電力的發(fā)展，一直以來面臨著能源中心和負(fù)荷中心不一致的問題。豐富的能源資源位于廣袤的大西北，而工業(yè)經(jīng)濟(jì)中心則地處東南沿海。因此漫長的輸電線路就成了解決能源供應(yīng)問題的必須選擇。而遠(yuǎn)距離輸電面臨的最大挑戰(zhàn)之一，就是由雷擊引起的電力系統(tǒng)故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2008年以來，南方電網(wǎng)由雷擊造成的跳閘次數(shù)，占總跳閘數(shù)的比例超過了60%[1]，遙遙領(lǐng)先其他原因。從小的方面來說，雷擊故障對(duì)電力設(shè)備的安全提出了更高的要求；往大的方面來說，對(duì)電力系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)社會(huì)的建設(shè)和發(fā)展。

云南地區(qū)地處我國西南部，平均海拔較高，雷電活動(dòng)相較于其他地區(qū)較為頻繁。據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，云貴高原地區(qū)的平均雷暴日在130~140 d左右，而且雷電活動(dòng)的發(fā)生次數(shù)逐年顯著增多；近些年，落雷密度呈快速上漲的趨勢，尤其是2008年落雷密度高達(dá)32.39個(gè)/ km2·a。云南地區(qū)2003~2006年雷擊跳閘率占總跳閘率的49%。因此，排除雷擊故障，盡可能降低電力系統(tǒng)整體運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)云南電網(wǎng)整體的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

作為“疏導(dǎo)型”的防雷方式，并聯(lián)間隙能夠有效保護(hù)絕緣子串，以防工頻電弧的燒蝕。如圖1所示，展示了架空輸電線路并聯(lián)間隙的工作原理。并聯(lián)間隙的間隙距離，一般而言要比絕緣子串長度短，因此其雷電沖擊放電電壓也要比它保護(hù)的絕緣子串的放電電壓低很多。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，雷擊閃絡(luò)一般會(huì)發(fā)生在平均擊穿電壓較小的并聯(lián)間隙處；電弧開始在并聯(lián)間隙的兩個(gè)球極間燃燒后，會(huì)在電磁力的影響下慢慢朝遠(yuǎn)離絕緣子串，從而對(duì)絕緣子串的安全產(chǎn)生了保護(hù)[2-5]。

圖 1 并聯(lián)間隙裝置示意圖

由于采用并聯(lián)間隙后，間隙上下電極使得原絕緣子的絕緣距離降低，間隙短接距離增加，U50因此降低，因此配置有并聯(lián)間隙的輸電線路相較之前更容易發(fā)生跳閘。為了對(duì)進(jìn)行量化研究，本文針對(duì)云南多雷區(qū)內(nèi)的4條交流線路，對(duì)采用不同的并聯(lián)間隙配置方案進(jìn)行了絕緣配合方面的研究。

1 采用的絕緣配合分析方法

1.1 基于先導(dǎo)發(fā)展法的雷擊路徑計(jì)算方法

根據(jù)長空氣間隙放電實(shí)驗(yàn)中電極尺寸與擊穿電壓的關(guān)系，電極半徑減小時(shí)，間隙的擊穿電壓也隨之減小，但達(dá)到某一臨界值時(shí)，這一趨勢也將隨之停止。先導(dǎo)發(fā)展法就是依據(jù)這一原理發(fā)展而來的。物體迎面先導(dǎo)的起始條件，取決于其尺寸跟臨界尺寸的關(guān)系。當(dāng)其直徑大于等于該臨界尺寸時(shí)，電暈產(chǎn)生的同時(shí)，迎面先導(dǎo)也會(huì)隨之建立。對(duì)圓柱型物體這樣的特殊模型，Peek公式約定了其初始先導(dǎo)表面場強(qiáng)的計(jì)算方法[6]，如公式所示，其中m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，一般取0.9。該計(jì)算模型對(duì)導(dǎo)體表面電暈對(duì)先導(dǎo)起始的影響做了一定假設(shè)，同時(shí)該模型可以考慮地面物體上電壓對(duì)先導(dǎo)起始條件的影響，因而適于對(duì)線路的雷擊特性進(jìn)行分析。

迎面先導(dǎo)產(chǎn)生以后，會(huì)逐漸在空間中發(fā)展。正極性先導(dǎo)以約5~10 cm/μs的速度向前發(fā)展，負(fù)極性先導(dǎo)的速度則相對(duì)較快，一般是正極性先導(dǎo)速度的4倍左右。對(duì)于負(fù)極性雷擊，可以按照這一比例選取上下行先導(dǎo)的速度關(guān)系。并且在上行先導(dǎo)剛剛產(chǎn)生時(shí)發(fā)展速度較慢，在發(fā)生雷擊時(shí)速度最快[7,8]。本文計(jì)算時(shí)上下行先導(dǎo)速度比取4。下行先導(dǎo)的發(fā)展方向由先導(dǎo)頭部場強(qiáng)決定。

先導(dǎo)通道電壓降與先導(dǎo)長度的關(guān)系為：

公式中E、∞分別表示對(duì)應(yīng)先導(dǎo)的起始場強(qiáng)和通道內(nèi)的平均場強(qiáng)，；0為常數(shù)，l表示先導(dǎo)通道長度。

在計(jì)算中，不考慮實(shí)際雷電發(fā)展過程中的出現(xiàn)的分岔，近似地認(rèn)為雷電先導(dǎo)的發(fā)展符合物理規(guī)律，即會(huì)向電場強(qiáng)度最大的方向發(fā)展。隨著上下行先導(dǎo)之間的距離越來越短，間隙中間的場強(qiáng)也隨之逐漸增大。到場強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，整個(gè)間隙就會(huì)隨之擊穿。而判斷擊穿一般有兩種方法，一種是物理意義上的相遇，即正負(fù)極性的先導(dǎo)在某一時(shí)刻的空間位置發(fā)生重合或者距離足夠接近；第二種是電學(xué)層面上的擊穿，即間隙間場強(qiáng)足夠大，足以使先導(dǎo)間的空氣電離來維持先導(dǎo)的發(fā)展。一般更傾向于使用第二種方法，而判斷的依據(jù)則是間隙間平均場強(qiáng)達(dá)到500 kV/m，這與空氣電離理論時(shí)相一致的。

1.2 雷擊閃絡(luò)率的場路統(tǒng)一分析方法

場路統(tǒng)一計(jì)算方法的基本原理是將雷電發(fā)展過程、線路過電壓兩個(gè)問題統(tǒng)一分析，基于長間隙放電原理、電磁場理論和多導(dǎo)體傳輸線方法，將電磁場問題和電路問題統(tǒng)一求解。如圖2所示為特高壓線路雷電過電壓計(jì)算考慮的設(shè)施。

圖2 全波過程的電力系統(tǒng)雷電暫態(tài)分析模型

線路閃絡(luò)率計(jì)算步驟如下：

（1）構(gòu)造全場域空間內(nèi)物體模型，輸入初始參數(shù)，考慮雷云、輸電線路、有損地面、桿塔、接地裝置、避雷器及其他設(shè)備；

（2）選定先導(dǎo)位置，先導(dǎo)開始發(fā)展，計(jì)算全場域靜電場，雷云用模擬多點(diǎn)電荷等值表示，先導(dǎo)用點(diǎn)電荷和線電荷模擬，計(jì)算雷云及雷電先導(dǎo)產(chǎn)生的場；基于邊界元法構(gòu)造輸電線路靜電場模型，基于Galerkin原理，求解導(dǎo)線表面場強(qiáng)；

（3）根據(jù)先導(dǎo)頭部場強(qiáng)，確定先導(dǎo)發(fā)展方向；根據(jù)導(dǎo)線表面場強(qiáng)，確定導(dǎo)線是否產(chǎn)生上行先導(dǎo)；達(dá)到場強(qiáng)要求上行先導(dǎo)開始發(fā)展后，計(jì)算上行先導(dǎo)的發(fā)展方向；

（4）計(jì)算上下行先導(dǎo)之間的場強(qiáng)分布，求解下行先導(dǎo)頭部與上行先導(dǎo)頭部、導(dǎo)線、地面間的平均場強(qiáng)，判斷間隙是否擊穿；

（5）如雷電擊中線路，序號(hào)為n0，則雷擊路徑已經(jīng)確定，雷電回?fù)暨^程開始，調(diào)整物體模型，開始計(jì)算線路雷電過電壓；

（6）根據(jù)絕緣間隙的先導(dǎo)發(fā)展模型，判斷絕緣間隙是否發(fā)生閃絡(luò)，結(jié)果用如下公式表示：

（7）在不同雷電流大小作用下重復(fù)以上步驟，即可獲得耐雷水平，結(jié)合雷電流分布概率即可計(jì)算特定先導(dǎo)位置上的雷擊概率N(x,y)，在沿導(dǎo)線方向一個(gè)檔距的范圍內(nèi)，重復(fù)計(jì)算不同先導(dǎo)位置上的結(jié)果，積分后即可獲得線路的雷擊閃絡(luò)率。其中擊中導(dǎo)線閃絡(luò)的為繞擊，擊中桿塔或線路閃絡(luò)的為反擊。

利用以上步驟可獲得條件下雷擊閃絡(luò)率，必須對(duì)各種條件進(jìn)行分析。需要考慮的可變因素包括：地形、塔形、線路布置、絕緣水平、接地情況、海拔等[9]。實(shí)際調(diào)研考慮各種因素的特定值在全線中所占比例，加以加權(quán)平均計(jì)算，即可獲得全線的閃絡(luò)率。

2 并聯(lián)間隙絕緣配合研究

采用《DL_T 1293-2013交流架空輸電線路絕緣子并聯(lián)間隙使用導(dǎo)則》中提出的并聯(lián)間隙樣品，分析并聯(lián)間隙配合方案的差異。下表中并聯(lián)接間隙#1采用典型參數(shù)，而并聯(lián)間隙#2在典型參數(shù)基礎(chǔ)上，將間隙短接距離（即使用并聯(lián)間隙后，干弧長度相對(duì)于原來縮短的距離）調(diào)大1倍，上下電極對(duì)稱。單個(gè)電極的短接距離相較于原間隙分為縮短了100和200 mm。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，安裝時(shí)造成的誤差可能會(huì)致使優(yōu)化間隙方案電極短接距離增加[9]。考慮較為惡劣情況，以下主要分析兩種短接距離不為零的方案，分別考慮直接安裝兩種間隙或增強(qiáng)絕緣后安裝間隙對(duì)線路耐雷水平的影響。

發(fā)生反擊時(shí)，工況1（安裝短接100 mm的并聯(lián)間隙）會(huì)使反擊跳閘率由270 kA下降至265 kA，下降幅度約為4%，由于施加于絕緣子的波形與標(biāo)準(zhǔn)波存在差異，因此，下降比例略高于U50下降幅度，如圖3所示。而當(dāng)線路發(fā)生繞擊時(shí)，耐雷水平的下降幅度近似于短接距離的減少（圖4）。

圖 3 不同方案對(duì)反擊耐雷水平的影響

圖4 不同方案對(duì)繞擊耐雷水平的影響

圖 5 不同方案對(duì)跳閘率的影響

當(dāng)輸電線路為雙回線路時(shí)，只在單側(cè)安裝并聯(lián)間隙會(huì)造成不平衡絕緣，使單側(cè)跳閘率稍微降低。為保證跳閘率基本保持不變，需要在安裝絕緣子基礎(chǔ)上相應(yīng)加強(qiáng)絕緣，具體的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)論

針對(duì)云南地區(qū)典型桿塔，開展了并聯(lián)間隙的絕緣配合研究。

（1）并聯(lián)間隙優(yōu)化方案短接距離為零，不影響絕緣子的絕緣強(qiáng)度，因此，該方案安裝后線路的跳閘率不發(fā)生變化；

（2）在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，安裝時(shí)造成的誤差可能會(huì)致使優(yōu)化間隙方案電極短接距離增加。考慮比較惡劣情況，安裝并聯(lián)間隙并不會(huì)對(duì)跳閘率產(chǎn)生較大的變化，且繞擊跳閘率的上升幅度總體小于反擊；

（3）高低電位金具短接總距離為100 mm時(shí)，并聯(lián)間隙安裝并聯(lián)間隙對(duì)反擊跳閘率的影響基本在7%之內(nèi)，并聯(lián)間隙對(duì)反擊跳閘率的影響基本在6%之內(nèi)。采用并聯(lián)間隙結(jié)合3%的加強(qiáng)絕緣可保證線路防雷性能無變化。

[1] 孟連仲.多雷區(qū)500 kv線路雷擊跳閘率的探討[J].電力建設(shè),1993,14(9):17-21,27

[2] 谷山強(qiáng).架空線路長間隙交流電弧運(yùn)動(dòng)特性及其應(yīng)用研究[D].北京:清華大學(xué),2007:1-26

[3] 陳錫陽,尹創(chuàng)榮,葛棟,等.110kV線路復(fù)合絕緣子防雷保護(hù)并聯(lián)間隙的應(yīng)用研究[J].高壓電器,2012,48(2):60-65

[4] 羅真海,陳勉,陳維江,等.110 kV、220 kV架空輸電線路復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙防雷保護(hù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2002,26(10):41-47

[5] 吳光亞,蔡煒.DL/T812-2002《標(biāo)稱電壓高于1000 V架空線路用絕緣子串工頻電弧試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的編制說明[J]. 電力標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2002,41(3):6-8

[6] 葛棟,馮海全,袁利紅,等.絕緣子串并聯(lián)間隙的工頻大電流燃弧試驗(yàn)[J].高電壓技術(shù),2008,34(7):1499-1503

[7] 吳盛麟.對(duì)我國輸電線路工作的幾點(diǎn)建議[J].電網(wǎng)技術(shù),1994,18(2):49-52

[8] 陶可森.日、德、俄等國導(dǎo)線絕緣組合串的保護(hù)裝置[J].電力金具,1993(2):37-44

[9] 林福昌,詹花茂,龔大衛(wèi),等.特高塔絕緣子串用招弧角的試驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù),2003,29(2):21-22

[10] 李雨.南方電網(wǎng)交直流超高壓線路防雷策略研究[D].北京:清華大學(xué)電機(jī)系,2007

Study on the Insulation Coordination of the Transmission Lines with Parallel Gaps in More Thunderstorm Region

CHEN Xue-kun1, XU Hai-li1, LI Ling-yan2

1.32000,2.054000,

Parallel gaps, as a new mode of "channel" type lightning protection, can do it with the sub insulator arc distance to effectively protect the insulator, but the corresponding line tripping rate will be affected because of this; Development method based on the forerunner in this paper the calculation method of the lightning path, the typical used tower of Yunnan trip rate change after the application of parallel gap situation has carried on the analysis, got a short distance and adopt reasonable reinforced insulation, the trip rates did not rise significantly.

Power line;insulation coordination; anti-thunder

TM854

A

1000-2324(2020)03-0529-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.029

2019-01-12

2019-02-26

福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研課題:基于人工智能技術(shù)的調(diào)控知識(shí)模型及算法研究(2019XM008)

陳雪琨(1989-),女,碩士,講師,研究方向:電力系統(tǒng)自動(dòng)化. E-mail:33201268@qq.com