110 kV输电线路并联间隙防雷装置的设计与运行

陈锡阳,尹创荣,杨挺,王伟然,葛栋,张翠霞,王献丽,贺子鸣

(1.广东电网公司东莞供电局,广东省东莞市,523008;2.中国电力科学研究院,北京市,100192)

0 引言

由于雷击造成的架空输电线路故障,是架空输电线路的主要故障类型之一,往往造成巨大的经济损失和不良的社会影响。架空输电线路防雷工作经过不断的研究探索,虽取得了一定成效,但是,电网中由雷击引起的故障仍占很大比例。我国近年来的架空输电线路故障统计数据表明雷击故障仍占线路总故障的 70%左右。雷击故障往往会造成线路绝缘破坏,甚至导致掉线等恶性事故,引起局部停电危及系统安全,不论从发生频度,还是从产生的后果来看,雷击故障仍然是影响电网安全的重要因素之一。

架空线路现有的防雷措施有:架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、安装线路型避雷器、加装耦合地线、采用不平衡绝缘等。这些防雷保护措施的核心思想是尽可能地提高线路的耐雷水平,减少雷击跳闸率。这些防雷思想归纳为“堵塞型”防雷保护方式。雷电是一种自然现象,随机性大,“堵塞”雷击闪络意味着巨额投资,且技术上难以实施。因此,提出研究“并联间隙防雷”这一“疏导型”防雷保护方式,其核心思想是允许线路有一定的雷击跳闸率,采用间隙装置并联于绝缘子串旁,接闪雷电,疏导工频电弧,避免绝缘子被电弧烧坏,虽有雷击闪络,但重合闸能够成功。把现有的“堵塞型”和将要研究的“疏导型”2种方式很好地结合起来,因地制宜地采用,必将使我国的输电线路防雷保护工作迈上一个新台阶。

采用并联间隙作为架空输电线路的防雷保护措施是对现有防雷措施的有效补充,有着广阔的应用前景。21世纪初,中国电力科学研究院及多家网省公司开始全面开展绝缘子并联间隙的研究,研制了相关产品,并已在多个省市挂网运行,积累了宝贵的运行经验,特别是在江苏和北京经过多个雷雨季的考验,绝缘子并联间隙运行情况良好[1-6]。但上述研究主要是针对瓷绝缘子串的,复合绝缘子并联间隙在我国还尚未大规模应用。针对复合绝缘子加装并联间隙的问题,文献[4]开展过相关的研究工作,研究了适合110,220 kV复合绝缘子防雷保护的 I型间隙装置。

东莞地区地处我国南部,毗邻南海,属于低纬度亚热带季风区。近几年气象部门统计年平均雷暴日在80天以上(雷电定位系统统计的雷暴日更多),雷暴活动剧烈,雷电强度大,系多雷区。东莞地区输电线路多采用复合绝缘子,线路雷击闪络后,绝缘子及附件有损坏现象,特别是复合绝缘子的均压环损坏情况严重。绝缘子并联间隙可起到保护绝缘子及其附件的作用,但国内并联间隙尚未在雷电活动如此强烈的地区得到应用。国外并联间隙在线路设计时就已经使用,不适合直接照搬于东莞地区,尤其是对已有线路安装并联间隙。

针对广东东莞地区110 kV输电线路遭雷击闪络后工频续流损坏绝缘子及其金具、导致线路事故的实际情况,开展了110 kV架空线路并联间隙防雷保护装置的研究。设计了多种并联间隙防雷保护装置。通过试验研究,验证其接闪雷电、疏导工频续流、均匀工频电场、保护绝缘子及金具的效果。经过逐步优化设计,确定并联间隙的电气参数和外形尺寸,研制出样品,并分别应用于 5条 110 kV线路上。经过 1个雷雨季的考核,并联间隙运行情况良好,起到了保护绝缘子的作用。

1 并联间隙设计原则

并联间隙的设计主要包括并联间隙的招弧电极形状和外形尺寸,间隙距离的确定和联接金具的设计[7-10]。

1.1 并联间隙招弧电极的形状

招弧电极的基本形式可分为 2类:棒形和环形。前者为了改善端头的电场分布,防止棒端烧损过快,可将端头设计为小球或羊角形;后者是为了获得明显的均压作用和较好地保护绝缘子。对于复合绝缘子,采用并联间隙,不仅需考虑保护绝缘子和导线免受工频电弧灼烧,还应考虑是否满足可见电晕和无线电干扰要求,是否改善绝缘子串电压分布,之后才是其保护绝缘子免受工频电弧灼烧的作用。从国外产品手册可知,国外现有产品上招弧角多采用针型,下招弧角采用针型、椭圆型或是 U型。中国电力科学研究院以往的研究表明,招弧角形状不同的间隙在雷电放电电压(U50%值)与放电路径方面,无明显差别。

德国专家Lotar Mocks对电弧燃烧理论作了大量理论研究工作,并通过试验进行了验证,试验证明:具有10 kA电流强度的电弧沿着绝缘串燃烧,当短路时间大于0.5 s时,对绝缘危险较大。如果故障时间处于0.05～0.1 s之间,绝缘子串遭受损坏的概率是比较低的[11]。我国电网的最大短路电流越来越大,若短路电流电弧直接烧灼绝缘子,绝缘子被破坏的概率就越来越高。目前复合绝缘子大多带有均压环,也可起到一定的保护作用。

但此种闭环均压环或间隙装置不具有快速转移电弧弧根的能力。由于刚起弧时,电弧就受到来自 2个方向的电流供电,这 2个方向的电流对电弧的作用力相反,这样电弧弧根一开始沿环周的运动就相当迟缓。当电弧弧根运动到电流平衡点时,弧根会在此静止下来。当然,这是理想的状态,电弧还受其他因素的影响,但弧根总体上有在电流平衡点附近缓慢移动的趋势。弧根静止后,等离子流的喷射方向沿着电极表面是不稳定的,弧根喷出的等离子流就有足够的时间和机会去烘烤绝缘材料。也就是说,现在广泛使用的闭环型均压环或仅在高压侧安装均压环的方式具有部分引弧功能,但达不到并联间隙的要求。

参考以往研究结果,可将直线串的高低压招弧电极设计为开口环状,而且开口环状的设计还便于安装和更换。

1.2 并联间隙招弧电极的材料

并联间隙招弧电极的电弧燃烧特性是选择材料的决定性因素。目前,线路金具的常规材料有钢、铜、铝。

如果电极截面不变,在试验条件相同的情况下,电弧运动的速度只取决于材料。采用钢材料电极上电弧的运动速度要比采用铝材料上的高出 50%,而铜和铝的情况则大体相同。铝的热耗比钢高得多,在同样的热应力下,不同电极在弧根烧灼的位置,铝的金属损耗要比钢高 4～5倍。在弧根烧灼的位置,损耗的材料中的绝大部分并不是严格意义上的烧掉,而是以颗粒的形式被抛出。在铝电极的短路试验中,发现试验后有大量的损耗掉的材料以氧化铝的形式散落在地板上。

假设在 1根很长的圆棒形电极顶端有温度为2万℃的弧根,则由此产生的温度波就会以很快的速度由棒顶端朝着棒中温度低的方向传播,流入的热量将和棒中由短路电流产生的热量相叠加。温度波的传播速度取决于材料的导热性能,在金属导体中,铜和铝比钢可传输更多的热量,且传播速度更快,贯入棒中也更深入。由于强大的热流进入间隙装置的电极中,温度就会很快上升,容易达到材料的屈服点。在此前提下,间隙装置由于电磁力的作用可能产生永久变形。

在间隙装置所用的棒或管尺寸相同的情况下,其机械强度与材料强度成正比。铝质间隙装置只有在采用更大的尺寸时才能达到与钢质间隙装置相同的稳定性。正因如此,铝较之钢在重量上的优势也就不那么明显了。从材料的价格等因素考虑,铜等其他材料不适合于用作间隙装置的材料。

考虑到防腐需要,热镀锌钢是制作架空线路并联间隙招弧电极最合适的材料。

1.3 并联间隙招弧电极的截面

并联间隙应可多次动作而不损坏,这就要求其具有一定的热稳定性。招弧电极的截面决定了其热稳定性,截面的选择受系统短路电路大小和短路持续时间影响。

随着经济的发展、电网容量的增加和电网规模的不断扩大,电力系统的短路容量也越来越大。若雷击使得离变电站较近的杆塔闪络,则短路电流和母线处短路电流相差不大。若在此处安装并联间隙,招弧电极应满足短路电流的热稳定要求。

招弧电极的最小截面可参照接地装置的热稳定校验所需符合的截面要求。由于均压引弧环在制造过程中需钻安装孔,在钻孔处会损失一部分金属,为使钻孔处也能满足热稳定要求,需留有一定的裕度。而且招弧电极上的电弧由于热动力、电动力等作用下高速运动,会对招弧电极有机械作用力,留有裕度是十分必要的。

1.4 并联间隙的几何尺寸

为减小可听噪声以及提高电晕特性,并联间隙的下招弧角(高压侧)的位置需结合电场计算或可见电晕试验确定,并参照并联间隙初步设计时线路雷击跳闸率计算、电场分布计算的研究结果。

1.5 并联间隙联接金具的设计

在并联间隙联接金具(球头、碗头)的设计上,原则上尽可能采用标准件,再根据需要对某些金具进行特殊设计。耐张串招弧电极的安装不使用碗头挂板,而将招弧电极直接安装在联板上。

1.6 并联间隙的安装原则

并联间隙装置在绝缘子上的布置应合理,使得来自于邻近电流路径的电磁力有助于促使间隙装置把电弧推离绝缘子。

对于直线塔的瓷绝缘子串或复合绝缘子,为避免电弧引起的相间或相对侧梁短路,并联间隙的招弧电极是顺着导线放置。由于工频大电流产生的电弧能量很大,弧根经由下电极的端部吹出后,有时会迅速飘移到同方向的导线上,并继续扩散 3～4 m,但由于弧根移动速度非常快,不会损伤导线。

对于耐张绝缘子串上的电弧,受热动力和电动力共同作用下,电弧会向上飘移。则对于耐张绝缘子串的并联间隙,仅在绝缘子串向上的一侧安装招弧角,以保证起弧点在耐张串上方,这样电弧在向上运动的过程中就不会掠过耐张串绝缘子。

2 110 kV线路复合绝缘子并联间隙设计方案

针对东莞地区110 kV输电线路复合绝缘子安装方式,设计了4种并联间隙安装方案(3种直线串安装方案和 1种耐张串安装方案),其结构分别如图 1、图 2所示。直线串方案 1参照已有运行经验的角形招弧角进行改动,保留复合绝缘子原有均压环;直线串方案 2采用环形招弧角替代原有均压环,招弧角同时起到均压作用;直线串方案 1和方案 2都需更换改制的碗头和球头,直线串方案 3不必更换改制的球头碗头,采用角形招弧角直接固定在绝缘子上,为增大工频电流通流能力,上、下电极均采用了引流线。耐张串并联间隙利用三角连板操作孔安装,不必解开耐张串,缩减了现场安装的工作量。

3 并联间隙的电气性能试验

并联间隙防雷保护装置应具有引导雷电放电、转移疏导工频电弧和均匀工频电场 3种功能,而这 3种功能需通过电气性能试验加以验证。

3.1 雷电冲击放电电压及伏秒特性试验

安装并联间隙装置后,雷电冲击 50%放电电压和雷电冲击伏秒特性降低了15%～20%。这主要是由于并联间隙装置减小了绝缘距离,另外,并联间隙端部为球头,造成局部电场略微的畸变,会使放电电压有所降低。间隙距离与雷电冲击50%放电电压值之间具有较好的线性关系。各并联间隙的雷电冲击伏秒特性曲线均在复合绝缘子的伏秒特性曲线之下,并联间隙可起到在雷电过电压下保护复合绝缘子的作用。

3.2 可见电晕和无线电干扰试验

当工频试验电压升高到100 kV时(大于规定试验电压87.6 kV),并联间隙的上、下电极仍未见可见电晕。并联间隙的可见电晕性能满足国家标准[12]要求。

在无线电干扰特性的试验中,当工频试验电压升高到100 kV时(大于规定试验电压87.6 kV),复合绝缘子用并联间隙在1 MHz下的无线电干扰电压分别为126和141μV,小于1 000μV规定值。可知并联间隙的无线电干扰性能满足国家标准[12]要求。

3.3 工频电弧燃弧特性试验

工频大电流燃弧特性试验验证了线路绝缘子雷击闪络过后,后续的工频短路电流产生的电弧是否能被引导到并联间隙装置上,且电弧是否能够固定在并联间隙装置的球头位置燃烧,从而使绝缘子串免于灼烧。在模拟导线上有电弧烧蚀的痕迹,说明电弧在电动力的作用下向电源外侧运动。试验结果表明,所设计的110 kV并联间隙装置满足设计要求。

4 并联间隙的现场运行情况

2010年 1月起东莞供电局陆续在 5条 110 kV线路上安装了复合绝缘子并联间隙,表 1为安装情况列表。安装线路选择了同塔双回(或多回)线路中的1回,实现了不平衡绝缘,还有利于降低双回线路同时发生反击跳闸的概率。经过几个月的运行,这 5条线路已有 6次雷击闪络,并联间隙起到了保护绝缘子的作用。

表1 东莞110 kV复合绝缘子并联间隙安装情况Tab.1 Distribution of parallel gap installations for 110 kV composite insulator in Dongguan

图3为2010年 6月26日110 kV元浦甲线雷击跳闸后并联间隙的闪络点,从图中可见,复合绝缘子上无电弧烧灼痕迹,并联间隙起到了保护绝缘子的作用。

图3 110 kV元浦甲线复合绝缘子并联间隙闪络点Fig.3 Flashover point on parallelgap of composite insulator for 110 kV Yuan-Pu I line

安装并联间隙后,线路的耐雷水平有所下降,使得安装并联间隙的线路相对较容易发生跳闸,但由于并联间隙的作用,线路绝缘子均未遭受损坏,线路重合成功,达到了绝缘子并联间隙保护绝缘子及其附件的目的。特别对于同塔双回线路,间隙设计合理,可以减少双回线路同时雷击跳闸的概率。

运行经验可较充分证实雷击故障下安装并联间隙的绝缘子几乎不受损伤,这可以为制定故障巡查策略提供参考,对减少山区雷击故障巡线和更换绝缘子及其金具的工作量,具有重要的现实意义。

5 结论

所设计的 “并联间隙防雷装置”采用招弧角与绝缘子串并联,适用于 110 kV等级输电线路复合绝缘子,使雷电沿间隙放电,疏导工频电弧,保护绝缘子免于烧伤,适于工程应用,该防雷方式是传统输电线路防雷保护措施的有力补充。

通过 1个雷雨季考核,110 kV复合绝缘子并联间隙现场运行情况良好,起到了保护绝缘子的作用。

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