500 kV输电线路雷击跳闸原因分析及防范措施

马 钊

(保定供电公司,河北 保定 071000)

保定供电公司超高压工区是华北电网公司系统内组建的第1批500 kV输电线路专业运维单位。截至2009年12月,共维护华北电网公司500 kV输电线路6条,线路总长715.081 km、铁塔1 661基。输电线路故障跳闸直接影响功率的输送,同时也对电网的安全、稳定运行构成了重大威胁,尽最大可能降低输电线路跳闸率,是线路运行单位追求的目标,也是打造“坚强智能电网”的前提和根本。所以,对维护的500 kV输电线路以往发生的跳闸故障进行总结和分析,以数据为依据对设备存在的隐患进行分析,并提出了有针对性的防范措施。

1 故障情况介绍

保定供电公司超高压工区500 kV输电线路故障跳闸情况统计见表1。

从跳闸次数分析:雷击跳闸14次,占跳闸总数的33.3%;污闪跳闸13次,占跳闸总数的31%;外力、覆冰、风偏、金具断裂、带电作业、树木、异物引起的跳闸各2次,各占跳闸总数的4.8%;不明原因引起的跳闸1次,占跳闸总数的2.4%。

从跳闸后的重合成功率分析:14次雷击跳闸重合不成功1次;13次污闪跳闸重合不成功7次;外力、风偏、带电作业各引起的2次跳闸后重合不成功都是1次;由金具断裂引起的2次跳闸重合不成功2次。通过这些统计数字可以得出如下结论:由雷击、污闪引发的跳闸次数较多,由污闪引发的设备故障停运时间最长。这些数据印证了超高压输电线路发生故障的一些基本规律:由雷击造成的绝缘子串闪络引起的线路跳闸占线路总跳闸率的30%～60%,而由绝缘子串的污秽闪络所造成的电量损失又为雷击的9～10倍。超高压工区500 kV输电线路雷击故障统计见表2。

表1 500 kV输电线路故障跳闸情况统计 次

表2 500 kV输电线路雷击故障情况统计

由表2可以看出:自1988年7月21日至2009年8月1日,超高压工区所辖设备共计发生14次雷击跳闸故障,其中山区11次、平原3次。

2 雷击跳闸的原因分析

2.1 杆塔所处位置

超高压输电线路作为长距离能源输送通道,将电能由发电厂输送到负荷中心时,其途经区域的地形、地质及气象条件极为复杂。如:500 kV大房双回、源安双回4条线路,由西向东经过涞源、易县、涞水等3个山区县,地形呈西高东低之势、起伏较大,山区段海拔标高800～2 200 m,年雷暴日大于40天。积累的运行数据表明,14次雷击跳闸有11次在山区段,山区雷电跳闸数是平原雷击跳闸数3～4倍,所以山区段线路防雷工作一直是工区防雷工作的重点。

能够危害500 kV输电线路运行安全的主要是直击雷,直击雷主要分反击雷和绕击雷2种,2种雷的表现区别见表3。500 kV输电线路的绕击耐雷水平一般为15～30 kA,而反击雷耐雷水平一般在100 kA以上。只要电流幅值一般的雷绕击到导线上就会造成线路跳闸,所以防止雷电绕击又是线路防雷工作的重点。

表3 绕击雷与反击雷表现上的区别

雷电绕击率与杆塔高度、避雷线保护角及杆塔地面坡度呈递增函数关系。当塔高增加时地面的屏蔽效应减弱,绕击区变大。同时杆塔高度增加时电感增大,雷电流流过杆塔时产生的电压幅值增高。避雷线保护角与绕击区成正比,保护角越大形成的绕击区越大,从而使绕击次数增加。随着地面坡度的增大,导线的暴露弧段也将增大。当线路沿山坡走向架设时,山坡外侧绕击区增大,绕击次数增加,山坡内侧绕击区减小,绕击次数大为减少。表2的313项中,11次雷击跳闸所涉及的10基塔所处地形非常典型,均为山坡或是小山包的山顶处,其主要诱因均属于避雷线保护角与地面坡度形成的暴露弧过大。且有些铁塔所处位置地下富含铜、铁等矿物质,这种地质条件更易与雷云感应出相反极性的电荷,从而使此地段铁塔起到了大地与雷云之间“放电间隙”的作用。加之铁塔、导线均为良导体,输电线路本身携带电荷,具有吸引雷的作用,所以较一般物体更易遭受雷击。

2.2 避雷线保护角

架设架空避雷线是超高压输电线路最基本、最有效的防雷措施。避雷线对导线的保护效果与其保护角(避雷线与外侧导线的连线和避雷线对地面垂线之间的夹角)的大小有密切关系。跳闸率随着保护角的增大而增加,减小保护角可以有效降低绕击率,当保护角降低到一定程度时甚至可以起到屏蔽作用,使导线基本上不会受到绕击。由表2中的39项可知,这7次直线塔雷击跳闸很大程度上与避雷线保护角有关,38项6次雷击跳闸为大房二回的一代塔头,其保护角为15°左右。而二代塔头保护角减小到13°左右,其直线塔雷击跳闸仅第9项源安一回304号塔发生过1次。由此可见,避雷线保护角对线路耐绕击水平的影响较大。

2.3 杆塔接地电阻

表4 杆塔接地电阻与耐雷水平的关系

可以通过式(1)来验算接地电阻与耐雷水平的关系:

式中:I1为线路耐雷水平;U50为绝缘子串的50%冲击放电电压;k为导线和避雷线间的耦合系数;k0为导线和地线间的几何耦合系数;β为杆塔的分流系数;R i为杆塔的冲击接地电阻;L t为杆塔电感;h c为导线对地平均高度;ha为杆塔横担对地高度;ht为杆塔高度;h g为避雷线对地平均高度。

从表4和式(1)可以看出,输电线路杆塔接地电阻值越大,其线路的耐雷水平越低。要提高线路的耐雷水平,降低线路杆塔接地电阻是关键因素之一。但在实际工作中,由于山区输电线路的地质原因,普遍存在土壤电阻率高而导致杆塔接地电阻值偏大的问题,所以对山区段接地电阻超标杆塔进行地网改造也是防雷重点工作之一。

2.4 杆塔外绝缘水平

杆塔外绝缘水平与雷击跳闸有直接关系。据华北电力科学研究院统计数字:500 kV线路悬垂串每相25片绝缘子时,其在正常年份下线路雷击跳闸率约为0.334次/(100 km·a),当每相调整到28片时跳闸率为0.087次/(100 km·a)。从表2第1、2、14项可以看出,3次平原地区雷击闪络全部发生在合成绝缘子串上,合成绝缘子4 m左右的有效绝缘距离与现挂网的玻璃绝缘子串所形成的4.8 m的空气间隙相差甚远,证实了合成绝缘子由于其自身原因,在有效提高了线路防污水平的同时,在防雷上的确存在缺陷。

观察表2第11、12、13项,可以发现一个较特殊的现象,从2007年6月27日至2009年8月1日,源安二回山区段连续发生3次耐张塔水平绝缘子串雷击闪络,这三基塔地理位置都处在山区段多雷区,避雷线保护角13°左右。绝缘配置上这三基塔完全一致,均为赛迪维尔产FC240/170型玻璃绝缘子28片配置,有效绝缘距离4.76 m,绝缘距离从理论上看完全能够满足防雷需要。排除地形因素,发生该情况的根源在于配套使用的金具存在一定问题,主要表现在水平绝缘子串高压端屏蔽环外形尺寸过大,过大的外型尺寸直接短接掉了2片绝缘子有效绝缘距离,使4.76 m的绝缘距离变为4.42 m。而4.42 m的绝缘距离在这种地形的多雷区,就成为了绝缘配置薄弱点,引发了雷击跳闸事故。每次雷击过后,均可以发现屏蔽环上留下的清晰放电痕迹,有的甚至将屏蔽环外壁击穿形成多个小孔,可见尺寸过大的屏蔽环发挥了引弧环的作用。

3 雷击跳闸的防范措施

3.1 降低杆塔接地电阻

依照华北电网公司对山区接地电阻小于15Ω、平原接地电阻小于7Ω的要求,对杆塔接地网进行了改造:其中大房双回已先后改造过4次;自2005年以来,对源安双回、房保一回接地网超标严重的杆塔各改造过1次;对全部1 661基铁塔进行了接地电阻测量,共测出接地电阻超标杆塔186基,后组织专业测试班组进行复测,确认超标杆塔数为68基,并于雨季前全部进行了接地网改造,有效减少了因接地电阻超标引发的雷电反击跳闸次数。

3.2 减小避雷线保护角

为已投运线路加装侧向防绕击避雷针,长4m的金属侧针水平方向从避雷线挂点处向外侧伸出,有效的减小了塔头附近的保护角,增大了防护范围。根据塔形的不同,安装防雷侧针后保护角全部小于3°,部分塔形已成负角。当雷电流较大时,雷击的选择性较强,而避雷针的接闪作用明显,这样就将较大的雷电流引向避雷针,从而有效的降低了绕击发生的概率。避雷针的安装增大了塔头附近导线、地线的耦合系数,减小了作用在绝缘子串上的电压,起到了提高耐雷水平的作用。自2006年起,保定供电公司已先后对1 334基杆塔加装了防绕击避雷针,加装避雷针后的直线杆塔未发生过雷击跳闸事故。

3.3 增加线路外绝缘水平

大房一回已于1993年、1999年、2001年进行了3次大规模绝缘配置调整,大房二回于1990年、2001年、2002年进行了3次大规模调爬,源安双回于2004年进行了绝缘配置调整。调爬后直线塔雷击跳闸仅发生过3次,通过绝缘配置调整,减少了雷击闪络事故的发生次数。

4 存在的问题与建议

目前,源安双回山区段耐张塔水平串绝缘配置偏低问题仍未得到解决,FC240-170型玻璃绝缘子28片配置,其配套使用的绝缘子串高压端屏蔽环尺寸过大,直接短接掉2片绝缘子的有效绝缘距离, 20062009年该配置水平绝缘子串已连续发生雷击闪络3次。建议对源安双回山区段耐张塔水平串进行绝缘配置调整,增加水平串绝缘子片数。

针对平原段挂网合成绝缘子有效绝缘距离短,易发生雷击闪络跳闸的情况。建议对平原挂网的复合绝缘子,应经设计单位对塔头尺寸进行验算后,在高压端加挂2～5片玻璃绝缘子。加挂玻璃绝缘子后,增加了绝缘子串的有效绝缘距离,可以缓解合成绝缘子分布电压极不均匀的现状,使玻璃绝缘子承受该绝缘串最高电压,有效的防止了复合绝缘子高压端硅橡胶电蚀、贯穿引发芯棒脆断掉串的恶性事故。