35 kV 架空絕緣線路過電壓保護(hù)實(shí)用技術(shù)研究

孫 蕾，周中凱

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司供電工程處，山東 棗莊 277000）

0 引 言

由于架空絕緣線路具有成本低、維修方便的優(yōu)勢，因此在電力輸配電中的應(yīng)用廣泛。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，如果遇到惡劣天氣，輸配電運(yùn)行易受到影響。例如，受到雷擊、冰雪及其他外界因素影響，會造成一定安全隱患。因此，企業(yè)管理人員需要結(jié)合實(shí)際情況，針對性應(yīng)用35 kV架空絕緣線路過電壓保護(hù)實(shí)用技術(shù)，充分發(fā)揮技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，以提高過電壓保護(hù)水平。

1 35 kV 架空絕緣線路過電壓保護(hù)現(xiàn)狀

供電電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的35 kV供電線路分布較為廣泛，但布設(shè)環(huán)境相對惡劣，大部分架空絕緣線在野外環(huán)境運(yùn)行。供電線路運(yùn)行過程中，線路安全性和可靠性易受地理環(huán)境和氣候條件等影響。特別是遇到雷雨天氣時(shí)，電網(wǎng)易出現(xiàn)運(yùn)行安全隱患，如故障跳閘等。

1.1 冰雪影響

山東省棗莊市屬于溫帶季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，境內(nèi)溫濕、干冷交替出現(xiàn)，特別是在冬季，多以寒冷干旱天氣居多。基于該種環(huán)境，35 kV 架空絕緣線路易受到影響。遇到雨雪天氣時(shí)，空氣中原本的濕度含量會隨之增長。線路外殼凝結(jié)大量水珠后，低溫狀態(tài)下的水珠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸采w在線路上導(dǎo)致給配電不穩(wěn)定。通常線路受到冰凍災(zāi)害影響時(shí)，其電桿兩側(cè)張力呈現(xiàn)不均衡狀態(tài)，線路極易出現(xiàn)斷裂或倒桿現(xiàn)象[1]。

1.2 雷擊影響

輸配電過程中，相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)35 kV 架空絕緣線容易受到雷雨天氣影響。雷電擊中線路導(dǎo)線后，會出現(xiàn)直擊雷過電壓現(xiàn)象。雷劈至避雷線后，產(chǎn)生的電流會還送至送電線，或擊向其他線路和桿塔。該種現(xiàn)象發(fā)生后產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，絕緣線隨之產(chǎn)生電荷。無論雷擊電伏或大或小，線路均會積攢一定量的電荷后開始對外傳播，這種向外傳播的現(xiàn)象被稱為雷電波。一般情況下，雷電波傳播速度極快，傳播方向?yàn)樗椒较颍裳刂€路兩端迅速擴(kuò)散，促使輸電線路絕緣子在此過程中發(fā)生變化，最終產(chǎn)生閃絡(luò)現(xiàn)象[2]。35 kV架空絕緣線路可能會發(fā)生的事故類型包括跳閘、單相接地、絕緣子破裂以及線路斷裂，事故嚴(yán)重時(shí)還會造成區(qū)域停電，影響煤礦和其他企業(yè)的正常運(yùn)營。

1.3 外因影響

35 kV 架空絕緣線路運(yùn)行期間，還存在著一些不可預(yù)測的外界因素。例如，周邊樹木生長高度與導(dǎo)線處于同一水平線時(shí)，如遇到燃燒事件，線路會直接跳閘。因此，保護(hù)35 kV 架空絕緣線路時(shí)，相關(guān)工作人員必須做好日常監(jiān)測工作，消除環(huán)境中不可預(yù)測的外因影響，維護(hù)線路運(yùn)行的平安性與穩(wěn)定性，保證配給電作業(yè)正常運(yùn)行。

2 35 kV 架空絕緣線路過電壓保護(hù)措施

2.1 保護(hù)間隙

保護(hù)間隙指在線路發(fā)生事故時(shí)，該裝置可發(fā)出信號，同時(shí)與危險(xiǎn)區(qū)域產(chǎn)生一定安全間隙。在這種裝置的保護(hù)下，可保證工作人員的生命安全。日常勘測現(xiàn)場情況時(shí)，所處環(huán)境具備不同程度的危險(xiǎn)系數(shù)，因此在現(xiàn)場安裝該系統(tǒng)既可降低安全風(fēng)險(xiǎn)，也可提高勘測水平[3]。保護(hù)間隙系統(tǒng)通常包含3個(gè)組件，即傳感器、監(jiān)測裝置和控制器。相關(guān)工作人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域后，保護(hù)間隙系統(tǒng)便會發(fā)出相應(yīng)警報(bào)，嚴(yán)重時(shí)可限制人員進(jìn)入該危險(xiǎn)區(qū)域。盡管該設(shè)備具有成本低的優(yōu)勢，但是在維護(hù)線路過程中，易出現(xiàn)短路等故障。為避免裝置故障引起的不良影響，工作人員可充分利用自動合閘裝置和自動重合熔斷裝置，提高其供電安全性。自動重合熔斷裝置形狀類型不一，可分為角形保護(hù)間隙設(shè)備、環(huán)形保護(hù)間隙設(shè)備、棒形保護(hù)間隙設(shè)備以及球形保護(hù)間隙設(shè)備。其中最為常見的為角形保護(hù)間隙設(shè)備，運(yùn)行原理如圖1 所示，1 處為角形電極，2 處為主間隙，3 處為支柱絕緣子，4 處為輔助間隙，5 處為電弧運(yùn)動方向。注意加裝的放電電壓應(yīng)低于作業(yè)間隙放電電壓保護(hù)間隙。完成先期放電后，可有效保證工作人員的生命安全。保護(hù)間隙系統(tǒng)可有效限制線路過電壓幅值，對絕緣子串放電的不安全性與不穩(wěn)定性因素進(jìn)行精準(zhǔn)排除，以提高運(yùn)行安全[4]。

圖1 角形保護(hù)間隙設(shè)備的運(yùn)行原理

2.2 氧化鋅避雷器應(yīng)用

電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，正常范圍內(nèi)的電壓偏差一般較小。若遇到雷擊、冰雪等外界因素，電壓數(shù)值會隨之升高。數(shù)值升高后，因無法承受該電壓，設(shè)備絕緣線路直接損壞。為避免該類情況發(fā)生，可以安裝避雷器來釋放多余電壓，以保證設(shè)備正常運(yùn)行。避雷器主要與保護(hù)設(shè)備并聯(lián)，一旦出現(xiàn)高電壓影響的情況，設(shè)備就會將高電壓導(dǎo)入大地，對電壓幅值進(jìn)行有效限制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備絕緣線路的保護(hù)。過電壓消失后，避雷器會再次恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，為線路給電提供可靠的運(yùn)行環(huán)境。

避雷器型號不一，結(jié)合本次項(xiàng)目內(nèi)容，選用氧化鋅避雷器以加強(qiáng)該項(xiàng)目的供電安全性。這種類型的避雷器可以高效保護(hù)35 kV 架空絕緣線路，防止絕緣線路在運(yùn)行中出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。該避雷器屬于先進(jìn)防雷電器之一，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含多個(gè)ZnO 閥片，閥片非線性強(qiáng)，即使在高電壓作用下，也可保證電阻的穩(wěn)定性。由此可見，氧化鋅避雷器裝置具有良好應(yīng)用性能。電網(wǎng)運(yùn)行中，基于電壓作用下的泄電流為50 ～150 μA。因此，采購避雷器時(shí)，根據(jù)市場供應(yīng)和發(fā)展現(xiàn)狀，選擇成本適中的設(shè)備為宜。

2.3 線路過電壓保護(hù)器應(yīng)用

線路過電壓保護(hù)器是一種常見的電氣裝置，該裝置主要用來保護(hù)設(shè)備及其電路，利用該裝置可以降低過電壓和過電流對線路產(chǎn)生的影響。電源供電時(shí)，電流從電壓保護(hù)器硬件流過[5]。如果在此過程中電流產(chǎn)生波動現(xiàn)象，或者出現(xiàn)電壓壓值增高的現(xiàn)象，其會快速反應(yīng)并釋放大量電流。消散過壓能量后，電壓會恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。其中，裝置中包含的變壓器和電容器等元件，可確保電壓與電流數(shù)值在一定安全范圍內(nèi)。

裝置工作原理如下：采集線路電路中的電壓信號，結(jié)合預(yù)設(shè)電壓保護(hù)值，比較與計(jì)算電壓情況，確定其是否產(chǎn)生過電壓問題。電路工作期間，保護(hù)器會實(shí)時(shí)監(jiān)測電路電壓信號。監(jiān)測出現(xiàn)異常情況時(shí)，相關(guān)人員可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)制定應(yīng)急措施，以免影響供電作業(yè)。通過檢測與隔離過電壓，強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)行力與使用性，以免設(shè)備損壞后產(chǎn)生安全問題。裝置會自動判斷電壓最新運(yùn)行情況，當(dāng)線路兩端電壓數(shù)值小于啟動數(shù)值時(shí)，內(nèi)部電阻數(shù)值會接近無限大數(shù)值；裝置內(nèi)部無電流通過時(shí)，則會處于斷路狀態(tài)；當(dāng)兩端電壓數(shù)值大于啟動數(shù)值時(shí)，裝置會快速啟動，電阻也隨之發(fā)生變化。轉(zhuǎn)化后的高壓可泄放線路多余能量，待電壓數(shù)值降至1 000 V以內(nèi)，即可保證后端電器進(jìn)入可承受的高壓狀態(tài)，同時(shí)對電器產(chǎn)生保護(hù)。

3 防雷擊效果統(tǒng)計(jì)與評價(jià)

3.1 防雷擊效果統(tǒng)計(jì)

關(guān)于避雷器的防雷機(jī)理，其作用可分為兩類：一為耦合作用；二為分流作用。借助避雷器的防雷影響力，可有效降低過電壓和過電流數(shù)值。單根避雷器的保護(hù)范圍如圖2 所示，其中Rx為保護(hù)半徑，hx為被保護(hù)線路的高度，ha為避雷器可達(dá)到的高度，h 為避雷器本身的高度。當(dāng)避雷線的架設(shè)高度高于35 kV線路1.06 m 時(shí)，基本不會受到雷擊影響。在站內(nèi)安裝避雷器時(shí)，相關(guān)工作人員應(yīng)結(jié)合其構(gòu)架埋設(shè)接地裝置，完成集合接地裝置安裝。其中，裝置與主接地網(wǎng)的連接點(diǎn)應(yīng)大于15 m，在該范圍內(nèi)雷擊發(fā)生時(shí)，高電壓波過電壓電值會明顯衰減，從而實(shí)現(xiàn)防雷擊效果。除此之外，相關(guān)人員應(yīng)避免在變壓器處安裝避雷器，以免其絕緣過弱產(chǎn)生嚴(yán)重后果。統(tǒng)計(jì)防雷擊效果時(shí)，相關(guān)人員可結(jié)合線路防雷水平數(shù)據(jù)，處理并分析最終效果。工作人員可采取3 種防雷措施，降低雷擊影響。第一，對于一般高度的桿塔（基本低于40 m），可降低接地電阻保證耐雷水平；第二，加大耦合系數(shù)；第三，強(qiáng)化線路絕緣。

圖2 單根避雷器的保護(hù)范圍

3.2 防雷擊效果評價(jià)

35 kV 架空線路的整體絕緣水平處于較低狀態(tài)，受地貌與氣候影響時(shí)，易出現(xiàn)故障。例如，雷擊發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。除了安裝避雷器，相關(guān)工作人員還應(yīng)在不同運(yùn)行情況下對架空線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)與評估，保證防雷改造所選用的防雷措施為最佳選項(xiàng)。相關(guān)人員應(yīng)針對棗莊市地形外貌和氣候條件，建立科學(xué)合理的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估模型，綜合評估現(xiàn)場的雷擊風(fēng)險(xiǎn)程度。結(jié)合棗莊當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件，對架空線路的防雷薄弱點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，之后提出合理的防雷改造方案，以保證棗莊市給配電穩(wěn)定，維護(hù)煤礦以及其他企業(yè)用電安全。位于山區(qū)的架空線路，則可根據(jù)其地理位置制定不同的防雷方案。例如，線路位于山脊時(shí)暴露面積更大，引雷寬度也會隨之拓寬。在該種情況下，雷擊引起線路跳閘的事件會頻頻發(fā)生。因此，相關(guān)人員應(yīng)對直擊雷進(jìn)行重點(diǎn)防控，以加裝避雷器為宜。安裝避雷器后，其不同反應(yīng)值會產(chǎn)生變化，具體情況如下：繞擊水平為44.0 kA；反擊水平為57.7 kA；耐雷水平為46.7 kA。受避雷器屏蔽作用影響，雷電直擊線路概率明顯下降，基本不會發(fā)生跳閘現(xiàn)象。防雷評估的檢測內(nèi)容如表1 所示。

表1 防雷評估的檢測內(nèi)容

4 結(jié) 論

35 kV 架空絕緣線路過電壓保護(hù)實(shí)用技術(shù)對棗莊供電工程安全有著重要的影響意義，相關(guān)人員需要結(jié)合線路所在環(huán)境、當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩兀龊眉夹g(shù)防護(hù)措施，避免雷擊、冰雪等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，線路絕緣出現(xiàn)損壞、跳閘等問題，無法滿足煤礦及其他企業(yè)用電需求。基于此，企業(yè)應(yīng)不斷強(qiáng)化保護(hù)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)目標(biāo)，并促進(jìn)相關(guān)企業(yè)的有序發(fā)展。