輸電線路防雷方法探討

2021-11-20 · 閱讀420

輸電線路的防雷方式主要是采用阻塞式防雷方法、疏導(dǎo)式防雷方法、疏導(dǎo)滅弧式防雷方法等， 本文在反思國內(nèi)外傳統(tǒng)防雷方法優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí),重點(diǎn)分析最新出現(xiàn)的防雷方法,探討輸電線路雷電防護(hù)新的發(fā)展方向。

1傳統(tǒng)防雷方法

1.1阻塞式防雷方法

主要包括加裝避雷線、耦合地線和加強(qiáng)線路絕緣水平等措施。在我國，按照規(guī)程35 kV以上線路均要求加裝避雷線,加裝避雷線相當(dāng)于為輸電線路在外層增加了一道防雷屏障。從電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行效果來看,確實(shí)起到了較好的防護(hù)作用,但是因?yàn)閷?dǎo)線和雷電先導(dǎo)之間存在著庫侖力的競爭作用，見圖1,多數(shù)情況下,導(dǎo)線與雷電先導(dǎo)的引力遠(yuǎn)大于避雷線與雷電先導(dǎo)之間的引力,很大程度.上降低了避雷線的攔截作用。另外大量存在的反擊和繞擊雷電現(xiàn)象,進(jìn)一步證明了避雷線的攔截漏洞。

在導(dǎo)線的下方加裝耦合地線,一方面起到一定的分流作用，另一方面也起到增強(qiáng)避雷線對(duì)導(dǎo)線的耦合作用。但從總體來講，耦合地線僅起到一定的輔助作用，效果有限。通過加強(qiáng)輸電線路的絕緣水平來提高線路的防雷性能,如增加絕緣子的片數(shù),這對(duì)于減少污閃和濕閃有較為顯著的效果。但是絕緣強(qiáng)度和絕緣子的片數(shù)之間并非是正比關(guān)系,見圖2。隨著片數(shù)增加,絕緣強(qiáng)度呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

1.2 疏導(dǎo)式防雷方法

在絕緣子串兩端通過并聯(lián)保護(hù)間隙來實(shí)現(xiàn)疏導(dǎo)雷電能量的作用,稱之為疏導(dǎo)式防雷方法。日本輸配電線路大量使用招弧角(或稱引弧角,即在絕緣子串兩端并聯(lián)一對(duì)金屬電極,見圖3。實(shí)際防雷效果也較為理想，且價(jià)格便宜。

雖然在輸電線路上加裝保護(hù)間隙,一定程度上保護(hù)了絕緣子不受雷擊損壞，避免了電網(wǎng)出現(xiàn)重大的雷擊事故,但另一方面增加了雷擊跳閘事故率的發(fā)生。還有,并聯(lián)間隙的上下電極容易持續(xù)燃燒，上下距離增大,導(dǎo)致下次和絕緣子串的配合失效。地網(wǎng)降阻也屬于疏導(dǎo)式防雷方法,土壤電阻主要受土壤電阻率的影響,土壤電阻率主要是由周圍的地質(zhì)環(huán)境條件決定的,通過換土或使用降阻劑的方法來實(shí)現(xiàn)降低土壤電阻率的目標(biāo)，困難極大。

1.3疏導(dǎo)-滅弧式防雷方法

由于疏導(dǎo)式的純并聯(lián)間隙防雷方法缺少滅弧功能,在疏導(dǎo)雷電弧的過程中,極易形成工頻電流短路現(xiàn)象,造成嚴(yán)重的雷擊事故。為了使疏導(dǎo)式的間隙裝置更有效的疏導(dǎo)雷電弧，在后來的發(fā)展中，增加了滅弧功能。于是便出現(xiàn)了疏導(dǎo)-滅弧式防雷方法。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的管式防雷器，即屬于疏導(dǎo)-滅弧式防雷裝置,見圖4。

日本的T.Chino等學(xué)者研發(fā)的改進(jìn)型的滅弧間隙裝置(見圖5)以及俄羅斯的G V. Podporkin 等學(xué)者研發(fā)的多滅弧室絕緣避雷器(MCIA)(見圖6)都屬于疏導(dǎo)-滅弧式防雷方法的間隙裝置。以上3種具有滅弧功能的間隙裝置在工程實(shí).踐中都曾收到了一定的防雷效果,3者均是在疏導(dǎo)雷電能量入地之后,在工頻電弧的充分發(fā)展期熄滅工頻電弧，電弧極易重燃并造成雷擊跳閘事故的發(fā)生

管式避雷器和日本學(xué)者研發(fā)的間隙裝置都是通過有機(jī)材料產(chǎn)氣熄滅工頻電弧,但是在動(dòng)作若干次后,材料的產(chǎn)氣能力下降,導(dǎo)致裝置最終會(huì)失去滅弧能力。
20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了具有劃時(shí)代意義的氧化鋅避雷器,是目前國內(nèi)外高壓輸配電線路所采用的主要防雷設(shè)備,至今依然發(fā)揮著重要的作用。但是這種性能良好的氧化鋅避雷器在巨型雷和疊加性雷擊面前經(jīng)常發(fā)生事故,因?yàn)槟壳暗谋芾灼魅鄙俜雷o(hù)疊加性雷擊的考慮。

2傳統(tǒng)的高壓線路防雷瓶頸

傳統(tǒng)的高壓線路在雷電防護(hù)方面存在以下4個(gè)防護(hù)瓶頸問題急需解決:
1)雷擊跳閘率居高不下。特高壓線路均加裝避雷線,為了減少繞擊率的發(fā)生,國內(nèi)外通常會(huì)采用負(fù)的保護(hù)角，但是特高壓線路的繞擊跳閘次數(shù)依然很高。疏導(dǎo)式的防雷方法結(jié)果就是通過雷擊跳閘率來換取事故率,疏導(dǎo)-滅弧式防雷方法在多數(shù)情況下都不能保證在繼電保護(hù)動(dòng)作之前熄滅電弧，帶來的雷擊跳閘率非常高。
2)疊加性雷擊防護(hù)瓶頸。雷電檢測數(shù)據(jù)顯示，70%的雷擊過程有疊加性6-9。耐雷水平與疊加性雷擊的重復(fù)次數(shù)形成反比關(guān)系,導(dǎo)致高壓線路的耐雷水平在疊加性雷擊作用下嚴(yán)重衰減。任何傳統(tǒng)防雷方法在疊加性雷擊面前都顯吃力,目前的避雷器都缺少防護(hù)疊加性雷擊的考慮。

3)避雷器結(jié)構(gòu)性瓶頸。依照《GB 11032- 2010交流無間隙金屬氧化物避雷器》中的條款8.4和8.5的試驗(yàn)要求,避雷器的實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間為1min,而實(shí)際的雷擊工況是ms級(jí)甚至是μs級(jí)的,容易導(dǎo)致疊加性雷電流流經(jīng)閥片電阻時(shí)的熱容量超標(biāo),甚至?xí)斐蔁釗舸┦鹿省?br /> 4)地網(wǎng)降阻瓶頸。長期的工程實(shí)踐表明,地網(wǎng)降阻困難極大，導(dǎo)致耐雷水平和防雷性能下降。

3疏導(dǎo)-滅弧-阻塞式防雷方法

當(dāng)遭受強(qiáng)雷擊時(shí),首先疏導(dǎo)功率極強(qiáng)的雷電弧入地,接著通過強(qiáng)氣流在工頻電弧最弱的初期階段將其熄滅,最后通過抑制重燃實(shí)現(xiàn)對(duì)工頻分量的強(qiáng)力阻塞。本文創(chuàng)新性的稱之為疏導(dǎo)-滅弧-阻塞式防雷方法。典型的疏導(dǎo)-滅弧-阻塞式防雷方法有雷電誘導(dǎo)固相爆炸氣流滅弧防雷方法(簡稱固相滅弧)和自壓縮滅弧防雷方法(簡稱壓縮滅弧)兩種。

3.1固相滅弧防雷裝置及其特點(diǎn)

固相滅弧防雷裝置于2010年研發(fā)成功，見圖7。目前主要應(yīng)用在110kV和220kV的高壓輸配電線路_上，詳細(xì)的工作原理請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[0-13]。當(dāng)強(qiáng)雷電來襲,裝置首先將雷電功率極強(qiáng)的雷電弧倒入大地，同時(shí)觸發(fā)裝置內(nèi)的氣丸爆炸產(chǎn)生強(qiáng)噴射氣流,在4ms內(nèi)(繼電保護(hù)動(dòng)作之前

)徹底熄滅初期工頻電弧 ,通過深度抑制重燃,強(qiáng)力阻塞工頻建弧過程。

相比于傳統(tǒng)的防雷裝置,固相滅弧裝置在防雷機(jī)理方面具有以下特點(diǎn):
1)滅弧響應(yīng)的快速性,見圖8。
2)熄弧時(shí)機(jī)的精準(zhǔn)性。疏導(dǎo)完雷電能量之后，工頻續(xù)流電弧開始出現(xiàn)并處于最弱階段,迅速將其熄滅,所用時(shí)間遠(yuǎn)小于繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,避免了雷擊跳閘。
3)抑制重燃力的不對(duì)稱性。電弧的維持力約為25 N ,而爆炸氣流推力高達(dá)160kN,見圖9,能深度抑制重燃。

3.2 壓縮滅弧防雷裝置及其特點(diǎn)

壓縮滅弧防雷裝置于2012年研發(fā)成功,見圖10。目前主要應(yīng)用在10kV和35kV高壓配電線路上。結(jié)構(gòu)裝置示意圖見圖11,文獻(xiàn)[9 - 20]詳細(xì)給出了該裝置的工作原理。在雷電弧誘導(dǎo)^下，通過裝置的自壓縮過程,疏導(dǎo)完雷電能量之后,隨即產(chǎn)生高強(qiáng)度壓縮氣流,在1 ms之內(nèi)將初期工頻電弧徹底熄滅,和固相滅弧裝置一樣同樣能避免雷擊跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。和其他傳統(tǒng)的防雷裝置相比,壓縮滅弧防雷裝置具有以下特點(diǎn):

1)滅弧響應(yīng)時(shí)間為2.5 μs。

4疏導(dǎo)-滅弧-阻塞式核心優(yōu)勢

和傳統(tǒng)的防雷方法相比，疏導(dǎo)-滅弧-阻塞式防雷方法在防雷理念、防雷效果和安裝維護(hù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,見表1和表2,表中的數(shù)據(jù)來自于用戶報(bào)告。

5結(jié)論

由于雷電流幅值巨大，由此產(chǎn)生的電動(dòng)力相當(dāng)大。單個(gè)雷擊破壞力雖有限，但實(shí)際的雷電為多重雷,其能量也不容忽視。供電需求側(cè)對(duì)供電可靠性的要求越來越高,一瞬間的停電對(duì)供電要求較高的用電設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果,所以未來的防雷裝置一定以降低雷擊跳閘率為發(fā)展的主要目標(biāo)之一。傳統(tǒng)防雷方法通過加強(qiáng)絕緣對(duì)雷電弧采取硬對(duì)抗的阻塞方式不可能取得理想效果，最科學(xué)的辦法是疏導(dǎo)雷電能量入地,避開功率極強(qiáng)的雷電弧，在工頻電弧出現(xiàn)早期和繼電保護(hù)動(dòng)作之前完成熄弧過程,最后通過抑制重燃完成工頻阻塞,從而大幅度的降低雷擊跳閘率。這正是疏導(dǎo)滅弧-阻塞式防雷方法的核心機(jī)理所在。兩種疏導(dǎo)滅弧-疏導(dǎo)式防雷裝置的防雷理念新穎,通過仿真、實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐運(yùn)行,均取得了良好的防雷效果，兩者結(jié)構(gòu)都相對(duì)簡單,安裝維護(hù)安全、方便,性價(jià)比較高。兩種裝置在未來一定會(huì) 發(fā)揮更大的作用。就目前防雷現(xiàn)狀而言,兩種疏導(dǎo)-滅弧-疏導(dǎo)式防雷裝置的普及率依然較低,綜合考慮各個(gè)方面的因素,對(duì)不同電壓等級(jí)線路應(yīng)結(jié)合實(shí)際采用不同的防雷裝置。