侧向避雷针在35 kV线路中的防雷分析

龚石林,冯彦钊,张明

(1.云南电网公司,昆明 650011;2.华中科技大学电气工程学院,武汉 430074)

侧向避雷针在35 kV线路中的防雷分析

龚石林1,冯彦钊1,张明2

(1.云南电网公司,昆明 650011;2.华中科技大学电气工程学院,武汉 430074)

采用三维EGM模型,Eriksson的雷击距公式对35 kV配电线路绕击进行了建模分析。通过计算,得到了单回35 kV配电线路能实现绕击防护的侧向避雷针的有效长度。对于35 kV同塔多回线路,侧向避雷针安装部位距导线越远,对该导线的绕击防护效果越差;线路保护角越大,侧向避雷针安装于该线路时的保护效果越差。

35 kV配电线路;侧向避雷针;绕击;保护距离;电气几何模型

1 前言

35 kV配电线路是我国配电网的骨干线路,但由于其绝缘水平相对较低,大部分没有避雷线或仅有单避雷线保护,雷害事故尤其严重,直击雷和感应雷均可造成线路跳闸[1-3],因而,研究35 kV配电线路的防雷保护措施和策略,对保证供电可靠性具有至关重要的意义。

提出了综合考虑输电线路走廊雷电活动、地形地貌、线路结构和绝缘配置等因素,来制定输电线路差异化防雷措施的方法[4],在输电线路防雷中取得了良好的防雷效果。而配电线路相对于输电线路具有不同的特点,比如档距较小,防雷方式较单一,具有适应其自身的防雷措施[5-7]。差异化的防雷方法在配电线路中使用应得到一定的变通。而在配电线路防雷中采用差异化的防雷策略关键是要对各种防雷措施的优缺点进行综合的技术经济分析,针对不同的地形、气候特点,探索防雷措施,以达到经济性和安全性的统一。文献 [8-10]提出了差异化防雷策略在配电线路中的应用方法和策略。

35 kV配电线路雷击跳闸主要是由感应过电压引起,其次是雷电反击,绕击跳闸概率总体较小,但是对于某些特殊地形下,例如山区和丘陵,雷电绕击引起的跳闸率会明显升高。按差异化防雷的方法,对山区、丘陵等特殊地形条件下35 kV配电线路防绕击措施应针对性研究。

加装侧向避雷针可以起到良好的防绕击的效果,在输电线路防雷中已被成功应用。沈志恒等人[11]研究了铁塔横担侧向避雷针在110 kV～500 kV输电线路中的绕击保护效果,使用IEEE std 1997推荐的雷击距公式计算了侧向避雷针的保护范围,并给出了若干应用实例。

文中提出把安装侧向避雷针的方法应用于山区或丘陵地区,绕击率较高地段的35 kV配电线路防雷中,减小绕击率以提高线路的耐雷水平,把该措施作为配电线路差异化防雷策略中的一项重要内容。在计算侧向避雷针的保护范围时,采用Eriksson的雷击距公式,相对于文献 [11]中使用的IEEE std 1997推荐的雷击距公式,考虑了导线高度的影响,使计算更具有普适性。

2 侧向避雷针保护原理

2.1 侧向避雷针绕击防护原理

侧向避雷针是一种延伸于杆塔横担上的金属尖端,用于保护横担附近的线路不受雷电绕击。侧向避雷针的安装示意图如图1所示。

图1 侧向避雷针安装示意图

研究试验和运行经验表明,线路在整个档距间遭受雷电绕击的概率是不同的：靠近杆塔附近的区域,导线被杆塔屏蔽保护,绕击概率极低,此区域为安全区域;在离杆塔稍远的区域内,杆塔导致的电场畸变使得此区域内的雷击绕击率大大提高,此区域为危险区域;档距中央的广大区域内,杆塔对电场的影响减弱使得绕击率又回到正常水平,区域为正常区域[12]。

侧向避雷针自横担向外延伸的部分可以起到引雷的作用,相当于减小了杆塔附近避雷线的保护角,对该区域导线可以起到加强屏蔽的作用。根据线路整个档距内绕击分布不均的规律,合理设置侧向避雷针的有效长度,使其有针对性地保护杆塔附近的绕击危险区域,即可达到降低线路绕击跳闸率的目的。

2.2 加装侧向避雷针后线路的屏蔽模型

架空线路的绕击研究主要采用电气几何模型(electrogeometrical model,EGM)方法[13,14]。文献 [11]提出了将侧向避雷线、导线和大地视为三维整体的三维EGM模型来分析侧向避雷针的防弧原理,用IEEE std 1997推荐的雷击距公式来计算侧向针的绕击防护距离。

雷击距理论是EGM模型的核心,选择准确的雷击距计算方法对于避雷针的绕击防护距离的计算至关重要。Eriksson的雷击距公式为

Rc=0.67h0.6I0.74(1)

式 (1)中,Rc为对导线的雷击距,m;h为导线平均高度,m;I为雷电流幅值,kA。该公式考虑了导线高度对雷击距的影响,对导体高度在10～50 m范围、雷电流幅值在5～31 kA范围内的情形,计算更加准确[15],也具有更好的普适性[16]。

因而,本文对35 kV配网线路的绕击研究采用三维的EGM模型,而计算雷击距时选择Eriksson的雷击距公式进行计算。

雷电先导发展到架空导线侧边时,会受到地面形状的影响,导线和地面被雷击的可能性都存在。IEEE工作组提出的导线平均高度在＜40 m的对地击距为[17]：

Re=[0.36+0.168ln(43-h)]R (2)

采用三维EGM模型,对常规双避雷线单回35 kV配电线路进行建模,如图2所示。图2中, M、N和P分别为两避雷线和外侧导线在该平面上的点,且位于同一二维平面上;M、N和P点处的击距为Rc。AB、BC和CD与M、N和P均在同一二维平面,其中AB和CD分别为该处避雷线和地面的屏蔽弧,BC为外侧导线的暴露弧。根据击距理论,若要在该平面处发生绕击,雷电先导必须首先击中导线的暴露弧BC。同理,沿档距方向,导线的暴露弧将连接形成曲面 BCEF,即外侧导线在避雷线和地面屏蔽下的三维绕击暴露曲面。

使用击距理论对侧向避雷针的屏蔽范围进行分析：侧向避雷针的放电发生在尖端O点上,其击距曲面即为以针尖O为球心,以击距Rc为半径的球面,如图2所示。球面内的区域即为侧向避雷针的保护范围。

图2 线路屏蔽模型

导线的暴露曲面BCEF沿外侧导线方向一直存在,而侧向避雷针的屏蔽球面则可以屏蔽杆塔附近区域,即雷击杆塔附近区域时,会首先对侧向避雷针放电而不会绕击导线,使得导线的暴露曲面得以屏蔽。

当加装侧向避雷针后,可以使线路杆塔附近的导线暴露曲面得以屏蔽,当侧向避雷针的屏蔽区域覆盖整个线路杆塔附近的整个绕击危险区域时,会使线路绕击率大大下降,使线路耐雷水平得以提高。

2.3 侧向避雷针保护距离的计算方法

由雷击距的计算公式和EGM模型可得,对于某一固定型号的杆塔 (导线平均高度确定)和雷电流幅值I,当导线上某点P的整条暴露弧都在球O的保护范围内,则表明P处受到侧向避雷针的完全屏蔽。因而,为计算侧向避雷针的保护距离,逐渐增加P处与杆塔的距离,直至球O不能完全屏蔽P处导线的暴露弧,此时P与杆塔的距离即为侧向避雷针的最大保护距离m。当最大保护距离m覆盖了整个线路的绕击危险区域时,即可认为侧向避雷针对线路进行了有效的绕击防护。

当雷电流的幅值或者杆塔型号 (导线平均高度h)改变时,击距Rc随之改变,导致屏蔽球O和弧面BCEF的半径及相对位置的变化。所以,侧向避雷针的保护距离还应考虑不同的雷电流幅值I和导线平均高度h。另外,侧向避雷针的有效长度L直接决定了保护球面圆心的位置,也是决定侧向避雷针保护距离的关键因素。

3 侧向避雷针保护效果

3.1 侧向避雷针在单回线路的保护效果

为分析侧向避雷针的保护效果,选择经常适用于山区35 kV线路中的JM1型单回耐张塔作为分析对象,具体说明侧向避雷针在35 kV单回常规线路上的保护效果。M1型杆塔示意图及其相关参数如图3所示。

图3 JM1型35 kV线路杆塔模型

文献 [12]采用小模型试验的方法对该500 kV的ZM1塔进行了防雷性能研究,结果显示绕击危险区域位于距离杆塔10～30 m的范围内。文献 [11]认为由于110 kV和220 kV杆塔的高度更低,引雷作用更小,故与500 kV线路相比其绕击危险区域距离杆塔更近。根据小模型试验原理,各电压等级的线路对应杆塔呼称高度的绕击危险区域距离可对按照杆塔的高度进行等比例估算。因而得到各电压等级下线路绕击危险区域距离如表1所示。确定35 kV,JM1型杆塔线路绕击危险区域范围为3～9 m。

表1 各电压等级线路的绕击危险区域范围

使线路发生绕击的雷电流幅值有一个临界,当雷电流幅值大于某一临界值时,线路将不会发生绕击,该临界雷电流幅值对应的击距称为临界击距,文献 [10]指出临界击距的计算方法如式(3)所示。为了使侧向避雷针的保护范围更加全面,在确定侧向避雷针的有效长度和保护范围时以临界击距为计算条件。

式中,hb为避雷线高度,hd为导线高度,α为保护角。由式 (3)可得,35 kV,JM1型杆塔线路的临界击距为23.42 m。由式 (1)可得,对应的雷电流幅值为15.85 kA。

计算中,以图3所示杆塔结构为对象,计算不同长度的侧向避雷针保护范围如表2所示。

表2 不同长度的侧向避雷针的保护距离

由表2中数据可得,随着侧向避雷针有效长度的增加,保护范围不断扩大。35 kV线路绕击危险区域范围为3～9 m,侧向避雷针的有效长度选择2.5 m时,保护距离为9.84 m,因而,可使用有效长度为2.5 m的侧向避雷针对35 kV线路进行绕击防护。

避雷线的保护角是影响线路绕击率的一个重要因素。本文对有效长度为2.5 m的侧向避雷针的保护距离随保护角的变化规律进行了计算,结果如表3所示。通过改变外侧导线与避雷线之间的水平距离D,来改变保护角。

表3 避雷线保护角对侧向避雷针保护距离的影响

由表3的数据可见,随着避雷线保护角的增大,侧向避雷针的保护范围随之减小,但减小的幅度很小。保护角从-8.24°增加到23.49°时,侧向避雷针的保护距离仅减小6.3%。说明避雷线的保护角对侧向避雷针的保护距离影响不大。

3.2 侧向避雷针在同塔多回线路上的保护效果

35 kV配电线路大多为同塔多回线路,由于杆塔的高度较高,更容易出现绕击现象。加装侧向避雷针对同塔多回线路的绕击防护仍具有重要的意义,但保护角和侧向避雷针的加装部位对绕击防护效果具有重要意义。本文针对一种35 kV同塔多回线路的典型塔型为对象进行计算,分析侧向避雷针安装于不同部位时对保护效果的影响。

选择的塔型塔头部分避雷线和导线的间隔距离如图4所示。导线3对应的横担呼称高为15 m。导线1、导线2和导线3对应的保护角分别为38.29°、 22.24°和1423°,保护角从上到下依次减小。

图4 35 kV同塔双回典型塔头布置

表4为计算得到的有效长度为2.5 m的侧向避雷针安装于不同横担上时,对各层导线保护距离的计算结果。

表4 侧向避雷针安装于不同横担位置时的保护效果

表4中-表示该位置的侧向避雷针无法对对应导线暴漏弧进行完全屏蔽,不能对该导线进行有效的绕击防护。

从表4中的数据可知,侧向避雷针在35 kV同塔多回线路中仍能起到绕击防护作用,但安装部位不同,防护的效果差异较大。分析表中的数据,可得出安装部位对绕击防护效果影响如下：

1)侧向避雷针安装部位距导线越远,对该导线的绕击防护效果越差。侧针安装于导线1横担时,对导线1的保护距离最大,导线2次之,对导线3的暴露弧无法施行完全屏蔽。侧针安装于导线3横担时,情况与之相同。侧针安装于导线2横担时,对导线2的保护距离最大,对导线1和导线3的保护距离随之减小。由此可得,侧向避雷针对距离较远的导线保护效果大大减弱,安装时,应安装于最易发生绕击的线路上。

2)线路保护角越大,侧向避雷针安装于该线路时的保护效果越差。导线3对应的线路保护角最小,侧向避雷针安装于导线3是对导线3的保护距离最长。导线1对应的线路保护角最大,其综合保护效果最差。侧针安装于导线2,距离线路1和3距离相差不大,但对线路3的保护效果远好于对线路1的保护效果。因而,对于同塔多回线路,侧向避雷针应尽量安装于保护角较大的线路横担上。

4 侧向避雷针应用实例

云南省某市35 kV线投全长8.7公里,全线路共杆塔44基。线路经过山区,雷击跳闸率较高。其中24～36号杆架设于山顶或山脊,所在线路雷击率最高,绕击现象也较严重。

该线路进行过防雷改造,采取的措施有：降低线路杆塔的接地电阻;加装耦合地线;对经过山区的12基杆塔进行改造,架设双避雷线。通过这些改造措施,使得线路的雷击跳闸率得到了一定改善,雷电跳闸率达到13.05次/(100 km·n)。

2009年,对24～36号杆横担上安装了侧向避雷针,安装的侧向避雷针有效长度为2.5 m。经过几年运行,统计雷击跳闸率达到9.05次/(100 km·n)。说明侧向避雷针对线路绕击现象进行了有效的防护,使得雷击跳闸率进一步得到了改善。

通过运行发现,安装侧向避雷针的防绕击措施具有简单易维护的特点。加装线路避雷器对防绕击也可起到一定的防护作用,但安装位置一般在山区,运行维护的工作量较大,综合技术经济效益不如加装侧向避雷针。

5 结束语

1)采用三维EGM模型,Eriksson的雷击距公式对35 kV配电线路绕击进行了建模分析,使计算更准确,更具有普适性。

2)分析了避雷线保护角、侧向避雷针有效长度对绕击的影响效果,得到了单回35 kV配电线路能实现绕击防护的侧向避雷针的有效长度,该长度取2.5 m较合适。

3)对于35 kV同塔多回线路,侧向避雷针安装部位距导线越远,对该导线的绕击防护效果越差;线路保护角越大,侧向避雷针安装于该线路时的保护效果越差。

4)根据运行经验,安装侧向避雷针的防绕击措施具有简单易维护的特点,综合技术经济效益甚至要好于安装线路避雷器的方法。

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Research on Lightning Protection Effect of Sideward Rods for 35 kV Distribution Lines

GONG Shilin1,FENG Yanzhao1,ZHANG Ming2
(1.Yunnan Electric Power Company,Kunming 650011; 2.College of Electrical Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430072).

The probability of shielding failure tripping is generally small for 35 kV distribution lines,but for some special terrains such as mountain areas,the tripping rate caused by lightning shielding failure may increase significantly.At this situation,installing sideward rod could avoid shielding failure and decrease tripping rate.Shielding failure model for 35 kV distribution lines is build and analyzed by three dimension EGM model and Eriksson's lightning striking distance formula.By computing,the effective length of sideward rod which could shield the danger area of lines is 2.5 m.For 35 kV Multi-circuit with Same Tower lines,the longer distance to the sideward rod,the shielding failure protection effect is worse.The bigger of line protection angle,the shielding failure protection effect of sideward rod installed on the corresponding cross arm is worse.By the running experience,the lightning protection measure of installing the sideward rod has the characteristics of easy to maintain and good economic and technical benefits.

35 kV distribution lines;sideward rod;shielding failure;protection distance;electrogeometric model

TM862

B

1006-7345(2014)01-0014-05

2013-11-06

龚石林 (1979),男,高级工程师,云南电网公司,长期从事电网相关技术研究 (e-mail)gongshilin@im.yn.csg。

云南电网公司2013年科技项目

冯彦钊 (1968),男,高级工程师,云南电网公司,长期从事电网相关技术研究 (e-mail)fengyanzhao@im.yn.csg。

张明 (1980),男,副教授,硕士生导师,华中科技大学电气工程学院,研究方向为高电压技术、功率电子变换技术等。