高土壤电阻率地区喷射气体灭弧防雷效果分析

李继强，毛成程，王成全，徐国强，刘宗杰，王巨丰孟伟航

（1.国网济宁供电公司，山东 济宁 272111；2.广西大学，广西 南宁 530004；3.广西电力输配网防雷工程技术研究中心，广西 南宁 530004）

0 引 言

人们的生活完全离不开能源，而电力系统通过输电线路送电是能源输送最重要的途径之一，输电线路一旦不能正常输送电，就会给人们的生产生活造成重大影响。在我国当前的电力系统中，雷击跳闸事故占到总事故的40%～70%[1-4]，输电线路遭受雷击时，极易产生事故，轻则在短时间内重合闸，重则损坏绝缘子、烧蚀导致断线，需要较长时间的抢修才能恢复线路运行[4]。为了保护线路的正常运行，线路防雷成为一个热门研究课题。

有分析指出，耐雷水平受接地电阻的影响最大，降低接地电阻是提高耐雷水平、降低反击跳闸率的最直接有效的方法。接地电阻值受土壤电阻率、地网结构及接地材料形状等因素影响[3]。

图1为土壤电阻率对耐雷水平的影响，线路耐雷水平随土壤电阻率升高而显著下降，并且易超出该地的耐雷水平设计值。

图1 土壤电阻率对耐雷水平的影响（图中虚线为设计值）

目前，存在的主要降阻方式有改造地网结构、扩大地网面积、利用降阻剂降低土壤电阻率及局部换土等方法[5]。然而土壤电阻率受地质地貌等自然因素的影响，其值完全不可控，在沿海、山区等高电阻率地区，接地电阻最低极限值较高，降阻措施通常远不能使接地电阻达到设计标准，导致耐雷水平不达标。

此外，在大概率的多重雷击条件下，在绝缘子局部放电记忆和电压级联效应作用下，线路耐雷水平与多重雷击次数n成反比关系。因此，在高土壤电阻率地区，反击跳闸事故经常发生。

防雷措施一般分为阻塞型和疏导型。阻塞型防雷出现更早，其目标是阻塞绝缘闪络，常见措施包括加强绝缘、降低杆塔冲击接地电阻、安装避雷线及采用架空耦合底线等，但效果受到地网电阻、雷击强度、类型、方式及部位等不可控因素制约，因此难以建立精确的和符合实际的分布式及差异化雷击跳闸率计算模型[6-8]。

疏导型防雷出现略晚，其代表为并联间隙，在绝缘子两端并联一对间隙略小于绝缘子干弧长度的金属电极，当雷电击中输电线路时，并联间隙因距离更短而优先闪络，从而避免了绝缘子被雷击破坏或者导线烧蚀断线等事故[2]。由于并联间隙本身不具备灭弧能力，需要重合闸的配合才能形成完整的保护，所以安装并联间隙后不仅降低了线路耐雷水平，而且会提高线路跳闸率[9-10]，影响线路运行的稳定性。此外，金属电极在闪络后会因烧蚀而增大间隙距离，使用数次后其间距达不到引弧要求而失效，此时只得排查不合格的并联间隙并重新安装，费时费力[11-14]。

根据提到的各种问题，气体灭弧防雷理论被提出。喷射气体灭弧装置传承了疏导型防雷优点，将装置通过金具并联在绝缘子两端，将雷电能量引致间隙释放[17]。同时，该装置是一种主动灭弧间隙，由雷电触发，可在极短的时间内喷射出气体，从而迅速地熄灭后续的工频电弧，使得线路无需再进行重合闸，有效降低了跳闸率，且由于灭弧时间极短，金属电极的烧蚀程度较传统并联间隙更为耐用。

基于对该装置进行的大量实验工作以及运用概率统计学原理进行分析，确定了喷射气流装置的抑制建弧率，然后建立了在安装了该装置条件下的线路雷击跳闸率的模型。

1 喷射气体灭弧防雷装置

目前已研制出用于110 kV、220 kV线路的喷射气体灭弧防雷装置，其装置结构如图2所示。装置通过金具并联到绝缘子一侧，其间隙长度可以根据绝缘子长度进行调节，以方便安装。

图2 装置安装模拟图

当线路遭受雷击时，雷电波头延导线传播，当传播至装置所在金具位置时，由于其所在间隙长度略小于绝缘子，雷电冲击能量在此处释放。装置的触发模块迅速感应到通过的雷电能量，随后在极短时间内将信号传递给爆炸模块，该模块定向爆破，产生大量高速喷射的电负性气体，气流集中作用在暂态建弧的最初阶段，能在几毫秒内快速吹熄电弧，其灭弧过程如图3所示。

图3 喷射气流灭弧装置遮断续流实验

气流持续时间足够抑制工频电弧重燃，继保装置不用动作，从而避免跳闸事故，还不会使主要的电气设备受到损害。

2 雷击跳闸率计算模型

2.1 建弧率模型

喷射气流灭弧防雷装置因其自身强大的灭弧能力，而能够降低线路的建弧率，为分析其规律，本文通过实验得出其灭弧率M。

实验主要针对220 kV线路的防雷灭弧能力研究，进行工频遮断续流实验，分别在幅值为1、5 kA及10.8 kA的工频短路电流条件下进行，实验结果如表1所示。

表1 灭弧成功率统计

装置灭弧时间必须要小于继保响应时间，否则造成跳闸则失去了灭弧的意义。分析结果可知，在不同幅值的工频电流下，装置均在半个周波内熄灭电弧（半个周波时常为5 ms），多数时候灭弧速度太快而无法采集到确切灭弧时间，根据GB 14285—2006《继电保护技术规程》，目前我国继电保护的最快动作时间为10～20 ms[15]，因此装置能确保在继保动作前成功熄灭电弧，避免跳闸事故。装置在不同幅值的工频电流下的灭弧成功率十分接近，本文以成功率较低的98%为准，则在安装装置的前提下建弧率J=1-M=0.02。

DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中采用的线路建弧率η的经验公式为：

其中，E为线路平均电位梯度。对于中性点有效接地和非有效接地两种情况，则分别有公式：

其中，l、lm分别为绝缘子串长度和导线线间距。

线路建弧率经验公式中的概率为输电线路本身不具备灭弧功能的前提下得到，而安装喷射气流灭弧装置后，由于装置成功灭弧时并不存在重燃可能，线路的建弧率只有当装置灭弧失效的情况下才存在，所以安装该装置后的建弧率公式为：

由式（4）可知，安装装置后的建弧率公式与线路建弧率公式相比仅多了系数J，所以装置自身的灭弧能力才是降低线路建弧率的决定因素。

2.2 雷击跳闸率分析

雷击跳闸率的分析方法主要为伏秒特性法、规程法、几何模型法及电压积分法等方法[16-19]。伏秒特性法主要基于雷电冲击下的伏秒特性曲线，当绝缘子两端电压波形与其自身的伏秒曲线相交时即视为闪络；可以通过计算绝缘子两端承受的的电压与阈值电压之差对时间的积分DE来判断绝缘子或是空气间隙闪络，当DE超过某一临界值DE*，认为间隙击穿；规程法又称50%放电法，通过比较50%放电电压来确实是否放生闪络或者谁优先闪络。

喷射气体灭弧装置本质上还是一种并联间隙，当装置优先于绝缘子闪络时即可起到保护线路设备的作用，因此运用规程法来研究保护率的问题比较合适。根据相关研究，绝缘子及并联间隙的闪络电压近似满足正太分布，而喷气装置也可按照并联间隙的方法进行研究：

其中，σ为标准偏差，根据研究经验，绝缘子的σ取3%，经实验得到装置的标准偏差在2.5%左右，设计上一般会留有一定量的裕度，所以也取为3%。

设装置50%放电电压为UP50%，绝缘子的为UJ50%，根据规程DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中规定的并联间隙绝缘配合原则[11-14]，有：

计算可得UP50%≤0.835UJ50%。根据概率统计学“3σ法则”的知识，正态分布落在（µ-3σ，µ+3σ）的范围内是可信事件，因此当装置的放电电压满足小于等于绝缘子放电电压的0.835倍时，可以认为装置能完全保护绝缘子。

当安装情况满足根据规程法计算出来的结果后，喷气装置能够优先于绝缘子被击穿。根据装置保护线路的原理可知，其防雷效果与线路设计尺寸、避雷线架设及土壤电阻率高低无关，其他因素不影响装置的灭弧效果。耐雷水平与雷击跳闸率是衡量线路防雷能力的重要指标，根据实验，安装喷气装置后，线路的耐雷水平依然可以达到规定值。在此前提下，分析安装后线路雷击跳闸率对于装置防雷性能的变化，量化其防雷能力，对以后的工程安装有着十分重要的参考意义。

根据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的规定，雷击跳闸率均以每年40个雷暴日内每百千米线路的受雷击次数为标准值，则线路反击跳闸率的计算式为：

其中，N1为反击跳闸率，NL为雷击线路的次数，按40个雷暴日计算，落雷密度一般取γ=0.015，则NL=40×0.015·hd=0.6hd，hd为线路离地高度的平均值；g为击杆率，而装置并联在绝缘子两侧且根据设计要求其总能优先于绝缘子击穿，所以不论装置是否动作，它对绝缘子的保护率gm近似于击杆率g；P1为雷电流超出线路反击耐雷水平的概率。

因此，在线路安装了装置后，线路的反击跳闸率为：

反击耐雷水平计算式为：

其中，k、β分别为避雷线的电晕耦合系数及杆塔分流系数，由于安装了喷气灭弧装置后对避雷线的保护能力不作要求，所以参数k、β可以当做零处理；Rch、Lg分别为杆塔的冲击接地电阻及等值电感；εU50%为喷气灭弧装置的50%放电电压。

因此，安装了装置后，耐雷水平公式为：

下一步则需要推导出绕击跳闸率，其一般计算式为：

NL取0.6hd；Pa为线路遭受雷击时的绕击率，由于装置自身特性保证其优先击穿，所以Pa可以近似当做1；P2为雷电流超出绕击耐雷水平的概率。因此，安装装置后线路的绕击跳闸率为：

线路的整体跳闸率为反击和绕击跳闸率之和：

根据公式即可形成完整的在安装喷气灭弧装置情况下的雷击跳闸率计算模型。

3 算例分析

某220 kV的线路[16]，全长约60 km，共117基杆塔，所处地形同时有平原和丘陵两种地形，该地区雷暴日达到60.8 d/a，属于高雷暴日地区，其平原与丘陵地区的年平均跳闸率分别达到：5.473次（100 km/a）和6.236次（100 km/a）。

此段线路带有两根避雷线，中性点接地；经计算，导线的平均电位梯度为63.5 kV/m，导线悬挂点平均高度58.3 m。表2为击杆率表，击杆率g在平原和山区分别为1/6和1/4，可近似看做gm。

表2 击杆率表

根据推导得到的公式（4），此段线路在安装装置后的建弧率为 ηm=0.02×(4.5×63.50.75-14)×10-2=0.017 44；该线路采用15片XWP-7型号的绝缘子，其击穿电压大致为U50%=100+15×84.5=1 367.5kV，其中，间隙电压比ε取0.83。

3.1 反击跳闸率

3.2 绕击跳闸率

根据式（14）可得线路的绕击耐雷水平I2为11.35k A，则雷电流超出耐雷水平I2的概率为P1=10-11.35/88=0.743。由于Nm2=Nm2p=Nm2s=0.6×58.3×0.017 44×0.743=0.453，根据计算，可得到该线路在平原与丘陵地区的雷击跳闸率分别为：Nmp=Nm1p+Nm2p=0.027+0.453=0.48，Nms=Nm1s+Nm2s=0.041+0.453=0.494。

该线路在安装了喷气灭弧装置后，平均线路跳闸率达到

由计算可知，喷射气体灭弧装置从理论上能降低线路跳闸水平达90%以上。

4 结 论

（1）在进行大量实验的基础上确定了喷气装置的灭弧率M为98%，对不同等级的工频续流均有理想的灭弧效果。

（2）在以往的经验公式基础上，推导出一套适用于安装喷气灭弧防雷装置后的线路跳闸率计算式。

（3）进行实例分析计算后发现，安装装置后线路跳闸率降低90%以上，可以初步肯定其灭弧防雷效果。