基于110KV输电线路在防雷中的研究

周朝坚

摘要:本文根据笔者多年经验，简要阐述了在雷击杆塔时110kV 线路避雷器的仿真分析及线路避雷器在输电线路防雷中的作用效果及影响因素作出了分析。

关键词: 避雷器；输电线路；仿真分析

前 言

随着电力工业的迅速发展, 输电线路覆盖面不断扩大, 因雷击引起的输电线路跳闸故障日益增多,极大地影响了日常的生产和生活。为了减少输电线路的雷击故障, 一般采用的是减小避雷线屏蔽角, 增加绝缘子绝缘长度、多重屏蔽、双回路差接绝缘和降低杆塔接地电阻等技术措施, 这些措施中唯有降低杆塔接地电阻值是最为灵活, 较为经济, 容易实施, 效果明显的一种手段。但对于多雷、高土壤电阻率、地形复杂地区的部分线路, 降低杆塔接地电阻难度较大, 对于防止绕击雷对线路造成的故障仍没有好的对策。此时, 可以考虑利用线路避雷器来降低雷击跳闸率, 线路避雷器已被证明是最有效的线路防雷措施。

国际上, 美国、日本、俄罗斯等国已广泛使用线路型复合外套金属氧化物避雷器(简称线路避雷器) 用于输电线路的防雷, 取得了很好的效果。随着硅橡胶技术的发展, 我国也相继研制成功了110kV、220kV 和500kV 的复合外套金属氧化物避雷器, 并在许多地区投入应用, 取得了明显的效果。我公司就在2006年对几条110KV雷击跳闸较多的线路上加装了部分避雷器，从几年的运行情况来看，由雷击引起的线路跳闸从原来的一条线路每年高达6-7次到现在的1-2次。但还需积累应用线路避雷器防雷工作更多的运行经验, 便于全面推广应用。

1、线路避雷器防雷的基本原理

雷击杆塔时, 一部分雷电流通过避雷线流到相邻杆塔, 另一部分雷电流经杆塔流入大地。当塔顶电位与导线上电位的差值超过绝缘子串50% 的放电电压时, 将发生由塔顶至导线的闪络。如果加装避雷器, 当输电线路遭受雷击时, 雷电流的分流将发生变化, 一部分雷电流从避雷线传入相邻杆塔, 一部分经塔体入地。当雷电流超过一定值后, 避雷器动作加入分流, 大部分的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, 从而达到防止输电线路雷击跳闸事故的目的。

2、雷电对输电线路的危害

雷电对输电线路安全运行危害极大，常常造成绝缘子闪络事故，特别在山区`交通不便的地区，给巡视`查找故障增加不少困难。 我区因特殊的地理位置，雷电时常伴有瞬间大风与急雨，极大的风速常常造成高大树木倒落导线上(输电线振动)横向碰击和倒杆断线的发生。 如对这些现象处理不及时的话就会造成电力事故,严重时会危机人们生命财产的安全

3、EMTP 仿真实验

对于线路避雷器设计与安装而言, 必须了解雷击杆塔时雷电流的最大幅值。根据资料表明, 超过350kA 的雷电流比较少。同时, 还必须了解通过线路避雷器的雷电流占整个雷电流幅值的比例, 即分流系数。根据上面的分析, 雷击杆塔塔顶时, 雷电流被分成三部分, 一部分通过避雷线流到相邻杆塔,一部分通过杆塔流入大地, 一部分通过避雷器本体流入导线(当避雷器动作时)。至于各个电流部分的具体数值, 取决于避雷线及导线的几何排列、杆塔高度, 接地电阻等, 我们可以应用EM TP 程序可以得到较为准确的答案。

为简化计算, 对110kV 无间隙线路型避雷器进行仿真分析。假设某一易击杆塔ABC 三相都安装线路避雷器, 相邻数基杆塔不安装。且系统参数为: 额定电压为120kV; U1mA 为170kV; 10kA 残压为308kV; 20kA 残压为345kV; 大电流耐受水平为100kA。线路杆塔、导线地线尺寸见图1, 导线型号L GJ- 240, 为无分裂导线, 弧垂6m; 地线型号为GJ -50, 弧垂7.7m; 档距长300m; 杆塔为门型双杆铁塔, 杆塔波阻抗150Ω。

图中ild、iblq、igt分别为流经避雷线、避雷器(线路) 和杆塔的电流, Zblx、Zxl、Zgt、Rgt分别为避雷线、线路和杆塔的波阻抗以及冲击接地电阻, Z 为影响分流的其它杆塔的等效支路。线路的耐雷水平与3 个重要因素有关, 即线路绝缘子的50% 放电电压、雷电流强度和塔体的冲击接地电阻。一般来说, 线路的50% 放电电压是一定的, 那么线路的耐雷水平就与雷电流强度以及接地电阻有关, 而雷电流强度与地理位置和大气条件相关, 所以我们从以下几个方面对线路避雷器进行仿真分析。

3、1电流波形的影响

通过改变波头时间来实现雷电流波形的改变。雷电流波形的表达式为:

i ( t) = 200A (e-αt- e- βt)

式中A ,α, β均为参数。接地电阻15Ω, 通过EMTP程序, 得到结

图中ild、iblq、igt分别为流经避雷线、避雷器(线路) 和杆塔的电流, Zblx、Zxl、Zgt、Rgt分别为避雷线、线路和杆塔的波阻抗以及冲击接地电阻, Z 为影响分流的其它杆塔的等效支路。应用EM TP 程序, 我们得出: 由于相邻杆塔分走了大部分雷电流(80% 以上) , 避雷线支路的雷电流不足以使避雷器动作, 避雷器支路的电流约为零,因此对避雷器几乎没有影响。

4、结束语

总之,在雷击杆塔导致线路避雷器动作后, 通过的雷电流远大于通过避雷线的雷电流, 这种耦合作用使得导线电位提高, 使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压, 使绝缘子不会发生闪络。对于波形陡、幅值大的雷电流, 避雷器的分流系数比较大, 有利于保护线路, 防止发生雷击跳闸事故。不加装避雷器时, 提高输电线路耐雷水平往往是采用降低塔体的接地电阻, 在山区, 降低接地电阻是非常困难的, 这也是为什么输电线路屡遭雷击的原因。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。