多雷区输电线路并联间隙的绝缘配合研究

陈雪琨,徐海利,李凌雁

多雷区输电线路并联间隙的绝缘配合研究

陈雪琨1,徐海利1,李凌雁2

1. 福建电力职业技术学院, 福建 泉州 362008 2. 邢台职业技术学院, 河北 邢台 054000

并联间隙作为一种新型的“疏导型”防雷方式，可以凭借短接绝缘子的干弧距离对绝缘子产生有效保护，但对应的线路跳闸率也将因此而受到影响；本文采用基于先导发展法的雷击路径计算方法，对云南地区典型线路所用杆塔应用并联间隙之后的跳闸率变化情况进行了计算分析，安装并联间隙对反击跳闸率的影响基本在7%之内，并联间隙对反击跳闸率的影响基本在6%之内。采用并联间隙结合3%的加强绝缘可保证线路防雷性能无变化。

输电线; 绝缘配合; 防雷

中国电力的发展，一直以来面临着能源中心和负荷中心不一致的问题。丰富的能源资源位于广袤的大西北，而工业经济中心则地处东南沿海。因此漫长的输电线路就成了解决能源供应问题的必须选择。而远距离输电面临的最大挑战之一，就是由雷击引起的电力系统故障。据统计，自2008年以来，南方电网由雷击造成的跳闸次数，占总跳闸数的比例超过了60%[1]，遥遥领先其他原因。从小的方面来说，雷击故障对电力设备的安全提出了更高的要求；往大的方面来说，对电力系统整体的安全稳定性构成了严重的威胁，甚至会影响到整个社会的建设和发展。

云南地区地处我国西南部，平均海拔较高，雷电活动相较于其他地区较为频繁。据气象部门统计，云贵高原地区的平均雷暴日在130~140 d左右，而且雷电活动的发生次数逐年显著增多；近些年，落雷密度呈快速上涨的趋势，尤其是2008年落雷密度高达32.39个/ km2·a。云南地区2003~2006年雷击跳闸率占总跳闸率的49%。因此，排除雷击故障，尽可能降低电力系统整体运行的风险，对云南电网整体的安全稳定运行意义重大。

作为“疏导型”的防雷方式，并联间隙能够有效保护绝缘子串，以防工频电弧的烧蚀。如图1所示，展示了架空输电线路并联间隙的工作原理。并联间隙的间隙距离，一般而言要比绝缘子串长度短，因此其雷电冲击放电电压也要比它保护的绝缘子串的放电电压低很多。当雷击发生时，雷击闪络一般会发生在平均击穿电压较小的并联间隙处；电弧开始在并联间隙的两个球极间燃烧后，会在电磁力的影响下慢慢朝远离绝缘子串，从而对绝缘子串的安全产生了保护[2-5]。

图 1 并联间隙装置示意图

由于采用并联间隙后，间隙上下电极使得原绝缘子的绝缘距离降低，间隙短接距离增加，U50因此降低，因此配置有并联间隙的输电线路相较之前更容易发生跳闸。为了对进行量化研究，本文针对云南多雷区内的4条交流线路，对采用不同的并联间隙配置方案进行了绝缘配合方面的研究。

1 采用的绝缘配合分析方法

1.1 基于先导发展法的雷击路径计算方法

根据长空气间隙放电实验中电极尺寸与击穿电压的关系，电极半径减小时，间隙的击穿电压也随之减小，但达到某一临界值时，这一趋势也将随之停止。先导发展法就是依据这一原理发展而来的。物体迎面先导的起始条件，取决于其尺寸跟临界尺寸的关系。当其直径大于等于该临界尺寸时，电晕产生的同时，迎面先导也会随之建立。对圆柱型物体这样的特殊模型，Peek公式约定了其初始先导表面场强的计算方法[6]，如公式所示，其中m为导线表面粗糙系数，一般取0.9。该计算模型对导体表面电晕对先导起始的影响做了一定假设，同时该模型可以考虑地面物体上电压对先导起始条件的影响，因而适于对线路的雷击特性进行分析。

迎面先导产生以后，会逐渐在空间中发展。正极性先导以约5~10 cm/μs的速度向前发展，负极性先导的速度则相对较快，一般是正极性先导速度的4倍左右。对于负极性雷击，可以按照这一比例选取上下行先导的速度关系。并且在上行先导刚刚产生时发展速度较慢，在发生雷击时速度最快[7,8]。本文计算时上下行先导速度比取4。下行先导的发展方向由先导头部场强决定。

先导通道电压降与先导长度的关系为：

公式中E、∞分别表示对应先导的起始场强和通道内的平均场强，；0为常数，l表示先导通道长度。

在计算中，不考虑实际雷电发展过程中的出现的分岔，近似地认为雷电先导的发展符合物理规律，即会向电场强度最大的方向发展。随着上下行先导之间的距离越来越短，间隙中间的场强也随之逐渐增大。到场强达到一定程度时，整个间隙就会随之击穿。而判断击穿一般有两种方法，一种是物理意义上的相遇，即正负极性的先导在某一时刻的空间位置发生重合或者距离足够接近；第二种是电学层面上的击穿，即间隙间场强足够大，足以使先导间的空气电离来维持先导的发展。一般更倾向于使用第二种方法，而判断的依据则是间隙间平均场强达到500 kV/m，这与空气电离理论时相一致的。

1.2 雷击闪络率的场路统一分析方法

场路统一计算方法的基本原理是将雷电发展过程、线路过电压两个问题统一分析，基于长间隙放电原理、电磁场理论和多导体传输线方法，将电磁场问题和电路问题统一求解。如图2所示为特高压线路雷电过电压计算考虑的设施。

图2 全波过程的电力系统雷电暂态分析模型

线路闪络率计算步骤如下：

（1）构造全场域空间内物体模型，输入初始参数，考虑雷云、输电线路、有损地面、杆塔、接地装置、避雷器及其他设备；

（2）选定先导位置，先导开始发展，计算全场域静电场，雷云用模拟多点电荷等值表示，先导用点电荷和线电荷模拟，计算雷云及雷电先导产生的场；基于边界元法构造输电线路静电场模型，基于Galerkin原理，求解导线表面场强；

（3）根据先导头部场强，确定先导发展方向；根据导线表面场强，确定导线是否产生上行先导；达到场强要求上行先导开始发展后，计算上行先导的发展方向；

（4）计算上下行先导之间的场强分布，求解下行先导头部与上行先导头部、导线、地面间的平均场强，判断间隙是否击穿；

（5）如雷电击中线路，序号为n0，则雷击路径已经确定，雷电回击过程开始，调整物体模型，开始计算线路雷电过电压；

（6）根据绝缘间隙的先导发展模型，判断绝缘间隙是否发生闪络，结果用如下公式表示：

（7）在不同雷电流大小作用下重复以上步骤，即可获得耐雷水平，结合雷电流分布概率即可计算特定先导位置上的雷击概率N(x,y)，在沿导线方向一个档距的范围内，重复计算不同先导位置上的结果，积分后即可获得线路的雷击闪络率。其中击中导线闪络的为绕击，击中杆塔或线路闪络的为反击。

利用以上步骤可获得条件下雷击闪络率，必须对各种条件进行分析。需要考虑的可变因素包括：地形、塔形、线路布置、绝缘水平、接地情况、海拔等[9]。实际调研考虑各种因素的特定值在全线中所占比例，加以加权平均计算，即可获得全线的闪络率。

2 并联间隙绝缘配合研究

采用《DL_T 1293-2013交流架空输电线路绝缘子并联间隙使用导则》中提出的并联间隙样品，分析并联间隙配合方案的差异。下表中并联接间隙#1采用典型参数，而并联间隙#2在典型参数基础上，将间隙短接距离（即使用并联间隙后，干弧长度相对于原来缩短的距离）调大1倍，上下电极对称。单个电极的短接距离相较于原间隙分为缩短了100和200 mm。

在实际应用时，安装时造成的误差可能会致使优化间隙方案电极短接距离增加[9]。考虑较为恶劣情况，以下主要分析两种短接距离不为零的方案，分别考虑直接安装两种间隙或增强绝缘后安装间隙对线路耐雷水平的影响。

发生反击时，工况1（安装短接100 mm的并联间隙）会使反击跳闸率由270 kA下降至265 kA，下降幅度约为4%，由于施加于绝缘子的波形与标准波存在差异，因此，下降比例略高于U50下降幅度，如图3所示。而当线路发生绕击时，耐雷水平的下降幅度近似于短接距离的减少（图4）。

图 3 不同方案对反击耐雷水平的影响

图4 不同方案对绕击耐雷水平的影响

图 5 不同方案对跳闸率的影响

当输电线路为双回线路时，只在单侧安装并联间隙会造成不平衡绝缘，使单侧跳闸率稍微降低。为保证跳闸率基本保持不变，需要在安装绝缘子基础上相应加强绝缘，具体的计算结果如图5所示。

3 结论

针对云南地区典型杆塔，开展了并联间隙的绝缘配合研究。

（1）并联间隙优化方案短接距离为零，不影响绝缘子的绝缘强度，因此，该方案安装后线路的跳闸率不发生变化；

（2）在实际应用时，安装时造成的误差可能会致使优化间隙方案电极短接距离增加。考虑比较恶劣情况，安装并联间隙并不会对跳闸率产生较大的变化，且绕击跳闸率的上升幅度总体小于反击；

（3）高低电位金具短接总距离为100 mm时，并联间隙安装并联间隙对反击跳闸率的影响基本在7%之内，并联间隙对反击跳闸率的影响基本在6%之内。采用并联间隙结合3%的加强绝缘可保证线路防雷性能无变化。

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[10] 李雨.南方电网交直流超高压线路防雷策略研究[D].北京:清华大学电机系,2007

Study on the Insulation Coordination of the Transmission Lines with Parallel Gaps in More Thunderstorm Region

CHEN Xue-kun1, XU Hai-li1, LI Ling-yan2

1.32000,2.054000,

Parallel gaps, as a new mode of "channel" type lightning protection, can do it with the sub insulator arc distance to effectively protect the insulator, but the corresponding line tripping rate will be affected because of this; Development method based on the forerunner in this paper the calculation method of the lightning path, the typical used tower of Yunnan trip rate change after the application of parallel gap situation has carried on the analysis, got a short distance and adopt reasonable reinforced insulation, the trip rates did not rise significantly.

Power line;insulation coordination; anti-thunder

TM854

A

1000-2324(2020)03-0529-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.029

2019-01-12

2019-02-26

福建电力职业技术学院科研课题:基于人工智能技术的调控知识模型及算法研究(2019XM008)

陈雪琨(1989-),女,硕士,讲师,研究方向:电力系统自动化. E-mail:33201268@qq.com