灭弧防雷间隙降低110kV输电线路雷击跳闸率的效果研究

周政，刘太东

(1.湖州供电公司，浙江 湖州 313000； 2.山东电力公司检修公司，山东 济南 250000)

灭弧防雷间隙降低110kV输电线路雷击跳闸率的效果研究

周政1，刘太东2

(1.湖州供电公司，浙江 湖州 313000； 2.山东电力公司检修公司，山东 济南 250000)

为解决南方多雷地区雷害事故高发的问题，设计了一种基于“抑制建弧”防雷理念的具有多次触发灭弧能力的灭弧防雷间隙。能够在输电线路遭受雷击时由雷电脉冲启动灭弧装置，在极短时间内产生高强度气流。使工频续流在暂态电弧初期被快速截断，大幅度降低建弧率。提出了在灭弧气流作用下考虑灭弧系数的建弧率及雷击跳闸率算法，从理论上证实灭弧防雷间隙能大幅降低雷击跳闸率。在实际运行中取得了良好的效果。

灭弧防雷间隙；工频续流；跳闸率；灭弧系数

1 引言

近年来，各电压等级的输电线路长度随着国民经济的快速发展而不断扩张。由于输电线路覆盖面积广阔，沿途的自然环境复杂，遭受雷电袭扰的概率较大[1]。而我国南方属于多雷地区，雷害事故频发，雷击跳闸事故占线路跳闸事故的比例超过70%，成为威胁电网安全稳定运行的最主要、最突出的因素。

现阶段输电线路防雷理念是“绝缘闪络抑制”。即主要通过提高线路的耐雷水平以避免绝缘子串闪络。架空输电线路现有提高耐雷水平的措施主要包括安装避雷线、降低杆塔接地电阻、加强线路绝缘、安装线路型避雷器等[2]。但这些措施会受雷击强度、耐雷水平、雷击方式(绕击、反击)、地网电阻等不可控因素的限制。而且调研发现，现实中的雷击具有多重雷击高发、大幅值雷电流高发、雷电绕击高发的特点，因此防雷效果不理想。

针对传统输电线路防雷措施中存在的问题，近年国内外出现了新型的“疏导型”防雷理念。疏导型防雷措施是在输电线路绝缘子两端并联一对金属电极构成保护间隙。当线路遭受雷电过电压冲击时，保护间隙首先因过电压被击穿，将大量雷电泄入大地，避免了电弧对绝缘子串的破坏[3]。但是上述保护间隙装置的不足之处在于：(1)保护间隙没有灭弧能力，不能及时切断短路引起的工频续流，对于相间短路会引起线路跳闸；(2)电弧持续烧蚀间隙电极会使间隙电极间距离逐渐变长，绝缘配合失效，导致间隙失去保护作用，电力部门必须人工更换间隙，在多雷强雷地区工作量巨大。

针对多重雷击高发的现状及当前防雷保护存在的问题，本文研究了一种基于抑制工频暂态电弧建弧率且能够多次截断电弧的新型灭弧防雷间隙。灭弧防雷间隙利用雷电脉冲触发灭弧装置，实现对建弧过程的早期强烈阻断，在暂态电弧发展初期将其熄灭。实现“闪络不跳闸”的良好效果，可靠避免雷击跳闸[4]。

2 灭弧时间研究

雷击线路或杆塔后形成的电弧在初期为暂态冲击电弧，这种电弧能量很小，若冲击电弧发展为稳定的工频电弧后，电弧能量将急剧增大，难以熄灭。因此抑制建弧率的关键在于暂态电弧发展的初期，灭弧装置产生高强度冲击气流，使电弧中的导电粒子迅速复合，将尚未“发育”的极脆弱电弧截断，可靠抑制暂态电弧发展为工频电弧。为此进行冲击气流灭弧时间研究，图1为冲击气流灭弧时间试验接线图。

图1 冲击气流灭弧时间试验接线图

示波器上面显示的试验电压波形如图2所示。红色波形代表电弧的电压，蓝色波形代表爆炸气流的触发电压。M点是爆炸气流开始作用于电弧的时刻，N点是电弧在爆炸气流作用下熄灭的时刻，即爆炸气流作用于电弧使其熄灭的时间为：T=TM-TN=0.4ms。说明冲击气流在0.4ms内就将电弧熄灭，且过后不重燃。 灭弧过程用高速摄像机进行记录，实验图像如图3所示。从高速摄像系统记录的整个过程看，电弧在被气流作用后0.4ms左右已几乎熄灭，灭弧现象与理论分析以及示波器所得数据基本吻合，有力的验证了爆炸气流灭弧装置能够可靠地熄灭电弧。

图2 灭弧实验电压波形

3 灭弧系数研究

灭弧防雷间隙的工作理念是“抑制建弧”，即幼年电弧在还未发展为工频电弧之前就被高速气流破坏。这里引入“灭弧率”的概念，灭弧率是指线路遭受雷击产生冲击闪络后，冲击闪络在喷射气流强扰动下未能形成稳定工频电弧的概率。灭弧率与诸多因素有关，如喷射气流的速度、喷射气流角度、灭弧剂配方等。根据在实验室的大量灭弧试验研究，统计发现单次灭弧成功率约为70%～75%。

由于受灭弧装置触发时间、灭弧时间分散性及输电线路运行外界条件的影响，灭弧防雷间隙存在首次动作后电弧仍然存在重燃的可能性[5]。若电弧发生重燃，则灭弧装置进行第2次触发灭弧，由于灭弧时间极短，因此后续灭弧仍在线路继电保护动作之前，可有效防止线路跳闸。大量实验室模拟试验和线路实际挂网运行证明，灭弧防雷间隙基本上动作2次之内就可以完全熄灭电弧。因此一次灭弧过程中最大灭弧动作次数取3次。

灭弧防雷间隙的灭弧能量团可以多次触发，且各次的灭弧动作都是相互独立的。灭弧防雷间隙在第i次熄灭电弧的概率可表示为Pi=a(1-a)i-1，其中a为单次灭弧成功率，这里取70%。

灭弧系数M可表示为P1、P2、P3的总和，即M=P1+P2+P3=a+a(1-a)+a(1-a)2,由于建弧与灭弧为互斥事件，因此建弧系数可表达为K=1-M。当单次灭弧成功率取70%时，经计算可得灭弧系数M为0.973，建弧系数为0.027。

4 某110kV线路跳闸率分析

该110kV线路架设在山区，易遭绕击，另一方面山区土壤电阻率很高，雷电流流经杆塔入地时所造成杆塔顶端电位升高引起反击，导致绝缘闪络引起跳闸。从1970年～2008年的平均统计数据得出：当地年平均雷暴日达到83天。之前对杆塔接地电阻进行了抽测，都大大超过了设计电阻值(15～20Ω)，见表1。

图3 高速摄像机记录的冲击气流截断电弧图像

杆塔号接地电阻设计值接地电阻实测值110#1586111#2093112#205419#1514524#1511339#2010270#208978#206797#2070100#15124

表2 线路基本参数

该线路全长为46km，基本参数见表2，依据电力行业标准DL/T 620-1997，取杆塔冲击接地电阻Rch=75Ω,杆塔电感Lt=0.42μH，线路平均高度hd=18m，片数在2～14之间的绝缘子串的50%放电电压U50%(kV)的计算公式为[6]:

U50%=100+84.5m，2≤m≤14

(1)

式中，m—绝缘子片数，取8。

建弧率η(单位为%)：η=4.5E0.75-14，喷射气流灭弧条件下的建弧率(单位为%)：

η=K(4.5E0.75-14)

(2)

式中，E(kV/m)—绝缘子串的平均运行电位梯度(有效值)，

雷电流超出概率按公式：

(3)

式中，P—雷电流超过I(kA)的概率。

雷击杆塔时的耐雷水平I1(kA)为：

(4)

式中：k—耦合系数；β—杆塔分流系数；Ri—杆塔接地电阻；ha—横担高度；ht—杆塔高度；Lt—杆塔等值电感；hg—避雷线高度；hc—导线高度。

雷电绕击导线时的耐雷水平I2(kA)：

(5)

因此每40雷暴日每100km线路总跳闸率N/(次(100km·a)-1)：

N=0.6hdη(gPI1+PI2)

(6)

式中，g—击杆率；

PI1—雷电流超过I1的概率；

PI2—雷电流超过I2的概率。

加装气吹灭弧防雷间隙前的理论雷击跳闸率见表3。

表3

5 防雷改造后的运行情况

该线路在未安装灭弧防雷间隙前的2007～2013年共发生雷击跳闸事故8起，见表4。

表4 线路基本参数

2014年年初对该线路进行防雷改造，安装了喷射气流灭弧防雷间隙。经查询雷电定位数据得知，在4月1日至8月30日时间范围内，线路附近共落雷500余次，其中超过耐雷水平203次，多重雷击74次(雷电流幅值超过100kA的雷击共有4次，其中最大雷电流幅值为-199.3kA),仅在2014年6月4日该地区就经历了强烈的雷暴天气，落雷情况见图4。灭弧防雷间隙安装后至今，没有发生跳闸情况。

6 结论

(1)灭弧试验表明灭弧防雷间隙装置能够在0.4ms内熄灭电弧，其灭弧时间远小于继电保护动作时间，避免雷击跳闸的发生。

图4 2014年6月4日线路落雷情况

(2)在喷射气流的强扰动作用下，线路遭雷击后的建弧率大大降低，理论计算得建弧系数在0.03以下。

(3)在某雷害情况严重的110kV线路安装了灭弧防雷间隙，实际运行数据表明该线路雷击跳闸率大幅度降低，取得了良好的效果。

[1] 胡毅，刘凯，吴田，等.输电线路运行安全影响因素分析及防治措施[J].高电压技术，2014，40(11)：91-99.

[2] 沈其工，方瑜，周泽存，等.高电压技术[M].4版.北京：中国电力出版社，2012.

[3] 顾铁利，刘树清，赵国良，等.220kV绝缘子并联间隙的防雷保护和实际应用[J].高压电器，2012，48(12)：116-120.

[4] 王巨丰，闫仁宝，李世民，等.灭弧防雷装置对电弧发展抑制的研究[J].高电压技术，2013,37(6)：14-18.

[5] 冯文昕.基于链式电弧模型的灭弧防雷间隙灭弧时间的研究分析[D].广西大学，2012.

[6] 王巨丰，陈智勇，罗炳强，等.灭弧防雷间隙在35kV线路应用效果分析[J].广西电力，2010,33(3)：21-23.

Application Analysis of Arc-extinguishing Lightning Protection Gap Reduced Lightning Trip-out Rate in 110kV Line

ZHOUZheng1,LIUTai-dong2

(1.Huzhou Power Supply Commpany,Huzhou 313000 China; 2.Shandong Service Company of Electric Power Corporation,Jinan 250000,China)

In order to solve the problem of high incidence of lightning disturbance in South thunderbolt areas，we developed a jet stream arc-extinguishing lightning protection gap based on the idea of suppressing arc-establishing rate which can multiple tigger and extinguish arc.Lightning pulse can start the protection gap when the lines were suffered by lightning strokes,and produce high intensity air flow in a very short time.So that the power frequency follow current can extinguish at the beginning of the transient arc,and reduce greatly arc establishing rate.We concluded the arc establishing rate and lightning trip-out rate formula under jet stream arc extinguishing condition,and confirmed arc-extinguishing lightning protection gap can greatly reduce the lightning trip-out tate in theory.The arc extinguishing lightning protection gap achieved good results in field operation.

arc-extinguishing lightning protection gap;power frequency follow current;lightning trip-out rate;arc extinguisging coefficient

1004-289X(2016)05-0059-04

TM86

B

2015-06-23

周政(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：高电压与绝缘技术; 刘太东(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：高电压与绝缘技术。