架空线路雷击跳闸率与防雷措施研究

焦夏男,聂一雄,黄 伟,魏 震,廖辰川

(1.广东工业大学 自动化学院,广州 510006; 2.国网河南省电力公司 检修公司,郑州 450000)

●输变电与特高压●

架空线路雷击跳闸率与防雷措施研究

焦夏男1,聂一雄1,黄 伟1,魏 震2,廖辰川1

(1.广东工业大学 自动化学院,广州 510006; 2.国网河南省电力公司 检修公司,郑州 450000)

对架空线路在感应雷和直击雷作用下的雷击跳闸率计算公式进行了推导,以某地实测数据经拟合的雷电流幅值概率函数为例进行计算。结果表明:在不采取任何防雷措施的情况下,100 km长的35 kV等级以下的架空配电线路年雷击跳闸率可能高达34.4次,严重影响电网的安全运行。计算结果与实际统计结果相吻合,验证了雷击跳闸率计算公式的正确性。分析了导致雷击跳闸的因素,提出了应对措施,即提高绝缘子冲击闪络电压、适当降低线路和杆塔高度、提升线路的耐雷水平以及降低工频建弧率等,以实现在不同程度上对架空配电线路进行防雷保护。

架空配电线路;雷击跳闸率;感应雷;直击雷;防雷措施

电网的安全运行关系到社会的各个方面,雷电会严重威胁到架空配电线路的安稳运行[1-2]。统计表明,因雷击所造成的线路跳闸故障占到了电网故障的70%以上[2-4]。作为电网的重要部分的架空配电线路广泛分布于城市内部及郊区,难免会因绝缘水平低等原因在遭雷击后影响到供电可靠性[4]。所以对架空配电线路进行雷击跳闸率的计算与分析具有重要意义。文献[5]从感应雷的闪络次数入手推导了感应雷的雷击闪络次数公式,但未考虑直击雷造成的闪络及雷击跳闸率;文献[6]基于ATP-EMTP研究了直击雷的耐雷水平;文献[7]计算了10 kV架空绝缘导线在有避雷线情况下的耐雷水平,但目前10 kV架空线路较少安装避雷线,其耐雷水平与实际有一定偏差。此外,有文献认为利用规程法计算出的雷电流幅值概率函数与实测结果有较大偏差[8-9],会对雷电防护的分析造成影响。

针对上述不足,本文在综合考虑感应雷和直击雷所引起的雷击跳闸事故的基础上推导了雷击跳闸率公式;利用某地实测数据拟合的雷电流幅值概率函数验证了推导的雷击跳闸率公式的正确性;从影响雷击跳闸率的因素入手,提出了降低架空配电线路雷击跳闸率的措施,对工程应用具有一定的参考价值。

1 线路的雷击跳闸率

雷击跳闸率是指线路每年由雷击引起的跳闸次数。线路跳闸的重要原因是线路上的过电压超过了绝缘子的冲击闪络电压U50%并引发绝缘子闪络。对架空线路而言,雷电过电压有两种:一种是感应雷过电压,另一种是直击雷过电压。故计算线路跳闸率需先计算两种雷电引起的闪络次数。

1.1 感应雷引起的闪络次数

当雷击点与导线水平距离大于65 m时,雷电主要在导线中产生感应雷过电压,其幅值可按规程计算:

(1)

式中:Ug为感应过电压幅值,kV;I为雷电流幅值,kA;S为雷击点与导线正下方之间的距离,m;hd为导线的高度,m。

通常,地面落雷密度Ng与年平均雷暴日天数Td的关系为Ng=0.07Td/(km2·年)。因此在没有防护的情况下,感应雷过电压可使每公里架空线路每年发生闪络的次数N1为

(2)

式中:Smax为距离导线的最远距离,m。

1.2 直击雷引起的闪络次数

当雷击点与导线的水平距离小于65 m时,雷电会因过于靠近导线而直接击中线路或杆塔,造成直击雷。直击雷对架空线路的影响主要体现在雷电流流过线路或杆塔时产生的过电压,因此需先计算线路或杆塔的直击雷耐雷水平。

为防止发生反击,一般情况下35 kV等级以下的配网架空线路并不安设避雷线。在没有避雷线的情况下,直击雷主要为雷击杆塔和雷击导线两种情况。

对于雷击杆塔的耐雷水平,在不考虑避雷线的条件下,绝缘子两端的电压u的计算表达式为

(3)

式中:i为流过杆塔的雷电流,kA;Rch为冲击接地电阻,Ω;hhd为横担高度,m;hgt为杆塔高度,m;a为雷电流波头的陡度,kA/μs;Lgt为杆塔等值电感,H。

如果雷电流的幅值为I,则有a=I/τf,其中τf为雷电流的波前时间,s。带入式(3)可得雷击杆塔的耐雷水平为

对于雷击导线的耐雷水平,若雷电通道和导线的波阻抗分别为ZL和Zd,雷电流幅值为I,利用彼得逊法则可得雷击点的电压U为

(4)

若认为ZL=200 Ω、Zd=400 Ω、绝缘子的闪络电压是U50%,则由式(4)可得雷击导线的耐雷水平为

(5)

式中,I3为雷击导线的耐雷水平,kA。

求得耐雷水平后,雷击杆塔和雷击导线可引起绝缘子发生闪络的概率分别为P(I2)和P(I3)。如果直击雷中雷击杆塔和雷击导线的概率分别为p1和p2且有p1+p2=1,则直击雷引起每公里线路每年的闪络次数N2为

(6)

1.3 雷击跳闸率

雷击跳闸率是感应雷和直击雷引起的雷击跳闸率之和。考虑到雷电流作用时间极短,即使超过耐雷水平引起闪络,线路也未必会跳闸。只有当冲击电流转化为稳定的工频电弧燃烧时,才会发生跳闸。因此引入建弧率η,其计算表达式为

η(%)=4.5E0.75-14

(7)

式中:E为绝缘子串间的场强,kV/m。

此外,城市内部的架空线路会因树木、建筑物的遮蔽,致使直击雷不易发生,所以感应过电压已成为架空配电线路雷击跳闸高发的主要原因[1]。故在计算架空线路的雷击跳闸率时,还需对直击雷引起的跳闸次数乘以一个比例系数k。对于郊外地区,因建筑物、树木较少,可认为k=1,对于城市内部则有0

在综合考虑上述因素后,可得每公里架空配电线路每年的雷击跳闸率N为

(8)

2 算例分析

在由雷击跳闸率公式可知,计算的关键是准确获取该地雷电流幅值概率分布函数P(I)及年平均雷暴日天数Td。

以某地为例,查阅资料得知该地年平均雷暴日为80 d,落雷密度Ng=0.07×80=5.6(次/km2)。相比实际测量结果,用规程法计算的结果存在较大的误差[9-10],因此本文以文献[10]中对实测数据拟合的该地雷电流幅值概率函数计算,其概率分布函数为

计算时,近似认为hd=hhd。若以U50%=50 kV、hd=hhd=10 m、hgt=11 m、E=15 kV、Rch=10 Ω、p1=p2=0.5为例,当比例系数k=1时架空配电线路每公里每年雷击跳闸率N随Smax变化趋势如图1所示,其中雷电波形为2.6/50 μs。

图1 雷击跳闸率随Smax变化曲线

从图1可见,雷击跳闸率与最远距离Smax呈正相关。最远距离Smax越远,雷击跳闸率也就越大。但随着Smax的增大,雷击跳闸率将趋于稳定,稳定值为0.344次/(km·年)。这是因为距离越远,所以引起线路跳闸的雷电流幅值越大,而概率则越小。

以100 km的配电网为例,平均每年跳闸次数可达0.344×100=34.4次。而该地区每百公里配电网线路近几年的雷击跳闸率平均为30.08次,计算值与实际值误差为14.3%。可见雷击跳闸率计算公式具有较高的准确性。

对于城市内部架空线路,感应雷占配网过电压的比例超过了80%[1,11]。计算城市内部线路雷击跳闸率时偏宽考虑,可取k=0.2。城市内部和郊外架空线路雷击跳闸率的计算结果分别为0.226和0.344次/(km·年)。可见,郊外的架空线路雷击跳闸率要高于城市内部架空线路。这是因为城市内部建筑物、树木等的遮挡致使直击雷概率较小,所以感应雷成为致使线路跳闸的主因。计算结果与实际统计结果也相符合。

3 基于雷击跳闸率的防雷措施研究

从式(2)～(8)可以看到,影响雷击跳闸率的主要因素为绝缘子闪络电压U50%、导线高度hhd、杆塔高度hgt、冲击接地电阻Rch及工频建弧率η。因此本文将从这些因素入手,研究架空线路的雷电防护措施。

3.1 提高绝缘子的闪络电压U50%

雷击跳闸率N随着U50%的增大而下降,提高绝缘子的闪络电压U50%可以有效降低雷击跳闸率。比例系数k=1时,不同U50%情况下架空配电线路雷击跳闸率如图2所示,其他条件同算例。

图2 不同U50%的雷击跳闸率

从图2可以看到,随着U50%的上升,雷击跳闸率会有明显下降。U50%=200 kV的跳闸率仅为U50%=50 kV跳闸率的40%,故提高U50%可使雷击跳闸率有较大程度的降低。提高绝缘子U50%的方法有增加绝缘子的片数、更换绝缘子的型号及采用新型复合绝缘子等。

3.2 适当降低线路和杆塔高度

从式(2)和式(3)可以看到,导线高度越低,感应雷导致的雷击跳闸次数N1就越少;雷击跳闸次数N2随着杆塔高度的下降而下降。架空线路的高度在8～15 m之间,多集中于10 m。根据架空线路设计规范的相关要求,市区内人员密集场所导线的高度不得低于7.0 m。若将线路和杆塔高度分别降低2 m,降低前后的雷击跳闸率计算结果分别为0.344和0.282次/(km·年)。可见,在保证安全的前提下,适当降低导线和杆塔高度可以降低雷击跳闸率。

3.3 提升线路的耐雷水平

提升线路耐雷水平的主要方法有降低接地电阻、提高绝缘子的U50%、安装避雷线和增强线路绝缘等。

降低接地电阻可以使雷击杆塔时杆塔的电位降低,不同接地电阻条件下的年雷击跳闸率如图3所示,其他条件同算例。

图3 不同接地电阻的雷击跳闸率

从图3可以看到,降低接地电阻对降低雷击跳闸率效果不太明显。但对于山区、多雷区等降低接地电阻可明显降低跳闸率。对于降低接地电阻难度较大的地区,可采用降阻剂、插入金属电极等措施。

对于35 kV以下的配电线路,因其绝缘水平较低,安装避雷线易造成反击。故除必需外,配网一般不安装避雷线。

增强线路绝缘是指增强线路的绝缘层。对于采用裸导线的线路,可以采用更换绝缘导线措施;对于雷击密度较大的地区,可以加厚线路绝缘层。

3.4 降低工频建弧率

从式(7)可知:工频建弧率与绝缘子串间的场强E呈正相关,若能降低场强E则可以降低工频建弧率。在不同绝缘子串间的场强E情况下的雷击跳闸率结果如图4所示,其他条件同算例。

由图4可见,雷击跳闸率随着绝缘子串间的场强E上升而增大。降低绝缘子串间的场强E可采用的措施有增大绝缘子的爬距,如增加绝缘子的片数、增加横担长度及瓷绝缘子更换为瓷横担等。

图4 不同场强E的雷击跳闸率

4 结 语

对架空线路在感应雷和直击雷作用下的雷击跳闸率计算公式进行了推导;以某地实测数据为例进行计算分析,计算结果与实测数据相差较小,验证了雷击跳闸率计算公式的准确性;指出若不采取防雷措施,每百公里长的35 kV等级以下的配电线路年雷击跳闸率可高达34.4次,会严重影响配电网的安全运行。

从影响雷击跳闸率的因素进行分析,减少架空线路雷击跳闸率的措施主要有:提高绝缘子的U50%、适当降低线路及杆塔高度、降低杆塔接地电阻、增强线路绝缘、降低工频建弧率和采用绝缘横担等。通过计算发现在采取上述措施后,雷击跳闸率会有不同程度的下降。在实际应用时可依据当地的实际情况采取部分措施,从而达到最好的效果。

雷击是一个复杂的事件,与土壤电阻率、当地地形及天气等多种因素有关。综合考虑各种因素、提高雷击跳闸率计算的准确性,将是以后改进的方向。

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(责任编辑 王小唯)

Study on lightning stroke outages rate and lightningprotection measures for overhead lines

JIAO Xianan1,NIE Yixiong1,HUANG Wei1,WEI Zhen2,LIAO Chenchuan1

(1.School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China; 2.Maintenance Company, State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450000,China)

The calculation formula for lightning stroke outages rate of overhead line due to induced lightning and direct lightning was derived,and calculation was made with the example of lightning flow amplitude probability function fitted for the measured data of some place.Results show that in the case of no lightning protection measures,the annual lightning stroke outages rate of 100km long overhead power distribution lines below 35kV level may be as many as 34.4 times which seriously affects the safety of power grid operation.Since calculation results fit the actual statistical results,the correctness of calculation formula of lightning stroke outages rate is verified.At the same time,the factors of affecting the lightning stroke outages rate was analyzed.After that,the paper takes the fellow measures which is to improve the impulse flash over voltage of insulator,reduce the line and tower height appropriately,improve line lightning withstand level,reduce working frequency arc establishing rate and so forth.Therefore,the purpose is achieved by carrying out lightning protection measures of overhead power distribution line to a certain extent.

overhead power distribution line; lightning stroke outages rate; induced lightning; direct lightning; lightning protection measures

2016-05-22。

焦夏男(1990—),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统防雷及接地技术。

TM863

A

2095-6843(2016)06-0501-04