35kV电网防雷保护的应用

肖代波 周仿荣 程正庭 石 磊

(1.湖北随州供电公司,湖北 随州 441300;2.云南电力试验研究院 (集团)有限公司电力研究院,云南 昆明 650217)

1 前 言

35kV电网在我国电力工业中,特别是在以架空线为主的城市近郊及农村电网中占有相当重要的地位。由于 35kV线路不需全线架设避雷线;线路多数为 3-4片绝缘子,本身的绝缘水平较低;线路三相不换位,三相对地电容不对称,上述特点使 35kV电网总体耐雷水平不高,当雷击架空线路时,不论是感应雷过电压还是直击雷过电压都极易引起绝缘子闪络。在我国跳闸率比较高的地区[1],在高压线路运行的总跳闸次数中由雷击引起的次数约占 40%-70%,尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区,雷击输配电线路引起的事故率更高。

防雷是一个综合的技术经济问题,在确定具体防雷措施时,应根据线路的负荷性质、系统运行方式、雷电活动强弱、地形地貌的特点和土壤电阻率的高低等条件,特别要结合当地原有的运行经验通过技术经济比较来确定。

2 35kV输电线路的防雷保护

2.1 降低杆塔接地电阻

对于一般高度的杆塔,降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平防止反击的有效措施。当雷击于线路塔顶或避雷线时,杆塔接地电阻大则雷电流流过杆塔塔身到达接地装置发生反射后,使得塔顶电位大大升高,当塔顶或横担处与导线之间的电位差超过线路绝缘的雷电冲击放电电压时,会对导线发生闪络,这一过电压即形成雷电反击。虽然雷击塔顶时线路耐雷水平值与杆塔冲击接地电阻、导线地线间的耦合系数、杆塔分流系数、杆塔等值电感以及绝缘子串的冲击放电电压等诸多因素有关,但杆塔冲击接地电阻直接影响着线路的耐雷水平。

研究表明:无论线路是否有避雷线[1],是否装有避雷器,线路的耐雷水平均随杆塔冲击接地电阻增大而减小,35kV线路不同接地电阻时的耐雷水平如图 1所示[3];对于无避雷线的线路,耐雷水平主要取决于雷击杆塔的冲击接地电阻,受其它杆塔的冲击接地电阻的影响很小,可以忽略[1]。当杆塔冲击接地电阻由 100Ψ降至 20Ψ时,输电线路的耐雷水平可提高 3-5倍,可见线路的耐雷水平在很大程度上取决于杆塔的冲击接地电阻[4]。当接地电阻大于 20Ψ时,线路耐雷水平随冲击接地电阻增大而下降的陡度变缓,原因是冲击接地电阻虽然直接决定了雷击杆塔塔顶电位的高低和雷电流分流的大小,但避雷器的分流钳位作用使塔顶电位与导线电位接近,接近的程度与冲击接地电阻无关,从而减小了冲击接地电阻的影响。

因此为了提高 35kV输电线路的耐雷水平,应尽量减小杆塔的接地电阻,尤其是 35kV进线段有架空地线杆塔的接地电阻不应大于 10Ψ,终端杆塔接地电阻不应大于 4Ψ[8]。

2.2 使用线路型避雷器

线路避雷器一般采用避雷器本体和串联的空气间隙组合结构,避雷器本体基本上不承担系统运行电压,不必考虑在长期运行电压下的老化问题,在本体发生故障时也不影响线路运行。串联间隙有两种,分别为纯空气串联间隙和合成绝缘子支撑的串联空气间隙,前者不必担忧空气间隙发生故障,但在安装时需要调增空气间隙距离,后者的间隙由于已由绝缘子确定,安装较为容易,但支撑串联间隙的合成绝缘子承担着较高的系统电压。

加装线路避雷器以后,当输电线路遭受雷击时,雷电流的分流将发生变化,一部分经塔体入地,一部分雷电流从避雷器流入导线传播到相邻杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时,由于导线间的电磁感应作用,将分别在导线和避雷线上产生耦合分量,因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流,这种分流的耦合作用将使导线电位提高,使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压,绝缘子不会发生闪络,因此它具有很好的钳电位作用,这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。

对 35kV输电线路 “易击段”局部绝缘子串并接线路避雷器来提高线路耐雷水平是一种理想的线路防雷措施[5],由于线路避雷器的 “钳电位”工作原理和较强的熄弧能力,架设线路避雷器能够明显提高输电线路的耐雷水平,大大降低线路绝缘的闪络建弧率,尤其当雷直击导线时避雷器耐雷效果更为显著。文献[1]对有、无避雷线的 35kV的线路在不同避雷器架设方案下的耐雷水平进行了研究,结果表明:同一杆塔冲击接地电阻下,装设了避雷器的线路其耐雷水平较无避雷器时高,提高的程度与装设的避雷器组数有关。装设 1组避雷器时,耐雷水平可提高 1.2～1.6倍(有避雷线线路)或 1.5～2倍 (无避雷线线路),但仍然很低,尤其是在高接地电阻情况下;装设3组避雷器时,有、无避雷线的线路的耐雷水平分别可提高到 2～4.4倍和 3～5.5倍;装设 5组避雷器时,线路的耐雷水平可提高 4～7.5倍 (无避雷线线路)或 5.6～9.8倍 (有避雷线线路)。因此加装线路避雷器对提高 35kV线路的耐雷水平具有非常重要的意义。

实践证明将线路避雷器应用到输电线路雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻困难的线段,可有效降低雷击跳闸事故率,但它的缺点是价格昂贵,难以普遍推广使用,一般只用于线路中雷电活动剧烈的易击点、易击段、易击相,或需要重点保护的线路段。

2.3 加强线路绝缘

35kV线路雷击跳闸率高的一个重要原因是其绝缘水平较低。线路的绝缘水平与耐雷水平成正比,由于输电线路个别地段需采用大跨越高杆塔(如跨河杆塔),这就增加了杆塔落雷的机会,高塔落雷时塔顶电位高,感应过电压大,而且受绕击的概率也较大。为降低线路跳闸率,可适当在高杆塔上增加绝缘子串片数,或采用瓷横担等冲击闪络电压较高的绝缘子来降低雷击跳闸率,以加强线路绝缘。文献[6]研究了 35kV线路不同绝缘子片数情况下的反击跳闸率,如表 1所示。可以看出雷击跳闸率随着绝缘子片数的增加迅速下降,当绝缘子片数由 3片增加到 6片时,线路的反击跳闸率下降了 60%左右,这充分说明对35kV线路采取加强线路绝缘的措施可有效降低反击跳闸事故。

表1 不同绝缘子片数时的反击跳闸率 (100km/a)

2.4 安装自动重合闸装置

由于线路绝缘具有自恢复性能,大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能够自行消除,线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化,这时若重新使断路器合上往往能恢复供电,因而减小停电的时间,提高供电的可靠性。因此安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有较好的效果。

据统计我国 110kV及以上的高压线路重合闸成功率达 75%-95%,35kV及以下的线路成功率约为 50%-80%,因此各级电压等级的线路均应尽量安装自动重合闸装置[2]。在 35kV配网线路上投运单相自动重合闸是最合适的,因为对于35kV配网线路来说大部分都是单侧电源供电,主要应用于生活用电,而单相自动重合闸可以不间断对用户的供电也是在 35kV线路中选用单相自动重合闸的一个重要原因。

但是自动重合闸装置本身不能消除由于绝缘子串烧毁、线路掉线造成的事故,它需要与其他防雷装置配合才能发挥使线路不停电的作用。加装线路自动重合闸作为线路防雷的一种有效措施,在线路正常运行中和保证供电可靠性上都发挥了积极的作用,但需要对瞬时故障加强巡视、分析和判断,并及时查清处理,防止给线路安全运行遗留隐患。

2.5 安装自动消弧线圈

我国规程规定,35kV系统单相接地电流小于10A时,中性点的运行方式为绝缘运行方式,单相接地电流大于 10A时应采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。当雷击引起线路单相接地后,流过故障点的雷电流瞬时即过,通过冲击闪络通道以电弧形式出现的工频续流一般在小于 10A时会自动熄灭,系统恢复正常。而当工频续流大于10A时电弧往往不会自动熄灭,一般电网工频续流又不会形成稳定燃烧的电弧,从而导致工频续流时燃时灭,在系统中引起持续时间较长的弧光接地过电压,危及一些绝缘水平较低设备的运行安全,同时在工频续流时燃时灭时,如果线路又遭受雷击,引起其它相闪络,就会造成相间短路引起线路跳闸,造成停电。

利用消弧线圈的电感电流可以补偿抵消线路因雷击引起的导线单相对地短路电容电流[7],使其接地点的短路电流小于 10A,促使短路电流自动熄灭,使之不能建立持续燃烧的接地电弧,控制了配电网的雷击建弧率,因而有效地控制了配电网的雷击动,但实际上,))同时,波沿线路侵入变电跳闸率,降低了配电网雷害事故。研究认为[8],不论电压等级大小,只要系统的电容电流超过 10A时,就应该考虑加装消弧线圈,但是单相接地时电弧的熄灭及线路雷击跳闸与消弧线圈的运行状况有密切的关系[9],因此必须根据实际情况合理选择消弧线圈的运行方式。

3 35kV变电站的防雷保护

由于雷击线路比较频繁,雷电侵入波是造成变电站雷害事故的主要原因,侵入变电站的雷电波幅值虽然在一定程度上受到线路绝缘水平的限制,但是因为线路的绝缘水平高于变电站电气设备的绝缘水平,所以必须采用防护措施,削弱来自线路的雷电侵入波幅值和陡度,限制变电站内的过电压水平,避免电气设备发生雷害事故。

3.1 直击雷的保护

变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。我国的运行经验表明,凡按规程要求装设避雷针和避雷线的变电站,绕击和反击的事故率都非常低,每年每 100个变电站发生绕击或反击的次数约为 0.3次[10]。

变电站直击雷保护应遵循以下原则:

1)避免雷电直击。所有被保护设备均应处于避雷针 (线)的保护范围之内,以避免遭受雷电直击。

2)不出现反击。当雷击避雷针时,避雷针对地面的电位可能很高,如它们与被保护电气设备之间的绝缘距离不够,就有可能在避雷针遭受雷击后,使避雷针与被保护电气设备之间发生放电现象,这种现象叫反击或叫做逆闪络[12,13]。为防止避雷针对被保护物体发生反击,避雷针与被保护物体之间的空气间隙 SK应有足够的距离,按实际运行经验进行校验后,标准推荐用公式 (1)校核独立避雷针的空气间距 SK。式中,Rch是独立避雷针的冲击接地电阻;h是被保护设施的高度。

在一般情况下,SK不应小于 5m。除了满足上述两个原则之外,在变电站的防雷保护中还要根据实际情况合理的布置避雷针和避雷线,以使整体的防雷性能最优。

避雷针的接地电阻不宜超过 10Ψ[11],在高土壤电阻率地区,如接地电阻难于降到 10Ψ,允许采用较高的电阻值,但空气中距离和地中距离必须符合一定的要求。独立避雷针 (线)宜设独立的接地装置,在非高土壤电阻率地区,其接地电阻不宜超过 10Ψ。当有困难时该接地装置可与主接地网连接,但避雷针与主接地网的地下连接点至 35kV及以下设备与主接地网的地下连接点之间,沿接地体的长度不得小于 15m。独立避雷针不应设在人经常通行的地方,避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于 3m,否则应采取均压措施,或铺设砾石或沥青地面,也可铺设混凝土地面。

3.2 避雷器的防雷保护

变电站对侵入波保护的主要措施是在其进线段 (或母线)上装设避雷器,使设备上的过电压不超过其冲击耐压值,同时要在变电站的进线上设置进线保护段以限制流经避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度,使避雷器电流幅度值不超过 5kA,来波陡度不超过一定的允许值。变电站的电气设备中最重要、价格最昂贵、绝缘最薄弱的是变压器,因此避雷器的选择必需使其伏秒特性的上限低于变压器的伏秒特性的下限,并且避雷器的残压必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度,同时它们的数值都必须小于冲击波的幅值,以保证侵入波能够由避雷器放电来限制。

由于避雷器与被保护的电气设备之间的电气距离直接影响避雷器的保护效果,规程[11]对避雷器至主变压器之间的最大电气距离进行了规定,如表 2所示。具有架空进线的 35kV及以上变电所敞开式高压配电装置中,每组母线上应装设阀式避雷器或带串联间隙的氧化锌避雷器,避雷器与主变压器及其他被保护设备的电气距离超过表2的参考值时,可在主变压器附近增设一组避雷器。

表2 避雷器距主变压器的最大电气距离 (m)

3.3 变电站的进线段保护

35kV及以下线路一般不全线装设避雷线,因为此类线路的绝缘水平太低,即使装设避雷线来截住直击雷,往往仍难以避免发生反击闪络,因而效果不好,但在某些特殊地段,可以和其他防雷措施配合实施以提高耐雷水平。

变电站的进线段保护可以将流过避雷器雷电流的幅值和陡度限制在合理的范围内,因此它是对雷电侵入波保护的一个重要辅助手段,规程规定[11]:未沿全线架设避雷线的 35kV架空送电线路,应在变电站1-2 km的进线段架设避雷线,保护角取20度,利用其阻抗限制雷电流幅值和利用电晕降低雷电波陡度,减少由于绕击和反击的概率,可以使2km进线段范围内 35kV线路遭直击雷的概率大为降低,使此段线路具有较高的耐雷水平。35kV变电所的进线保护接线如图 2所示。

对于小容量变电站雷电侵入波过电压的简易保护,3150kVA-5000kVA的变电站 35kV侧,可根据负荷的重要性及雷电活动的强弱等条件适当简化保护接线,变电站进线段的避雷线长度可减少到 500m-600m,但其首端排气式避雷器或保护间隙的接地电阻不应超过 5Ψ,如图 3所示。小于 3150kVA供非重要负荷的变电站 35kV侧,根据雷电活动的强弱,可采用图 4的保护接线。简易保护接线的变电站 35kV侧,阀式避雷器与主变压器或电压互感器间的最大电气距离不宜超过10m。

4 结 论

对于线路来说,主要采取的防雷措施有以下几个方面:降低杆塔接地电阻、使用线路型避雷器、加强线路绝缘、安装自动重合闸装置、安装自动消弧线圈、有针对性架设避雷线保护;对于35kV变电站,主要采取的防雷措施有:合理的架设避雷针和避雷线、使用避雷器、采用进线段保护。35kV电网防雷工作十分重要,目前也有很多成熟的防雷措施,需要根据不同的情况选择不同的防雷方案配合来提高 35kV电网的防雷性能。

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