输配电及用电工程专业技术报告

PAGEPAGE6输配电及用电工程专业技术报告[摘要]本文总结了线路型金属氧化物避雷器在上杭电网两条110kV送电线路上两年来的运行情况，比较分析了安装避雷器前后线路耐雷水平和应用效果，认为线路型避雷器是送电线路有效的防雷措施，值得在雷电高发区的高压送电线路上的推广应用。[关键词]金属氧化物避雷器110KV线路防雷一、问题的提出高压输电线路故障跳闸的一个重要原因是雷击故障。上杭电网1998～2001年110kV及以上线路故障跳闸统计表明，雷击故障跳闸达到了50％～60％。减少送电线路的雷击故障跳闸已成为送电线路安全运行的一个突出问题，是技术部门一项十分重要的任务。分析1997年来的上杭县电网雷击跳闸记录，发现雷击跳闸率最高的是110kV杭-郭线和矶-郭线，仅1998、1999两年跳闸就达14次，其中杭-郭线8次，矶-郭线6次，占同期整个上杭电网110kV及以上送电线路雷击跳闸的43．8％，对电网的安全运行造成了严重影响。如何减少这两条线路的雷击跳闸，成为一个焦点问题。110kV矶郭线长30．3km，拉线塔和自立塔混合使用，共89基，其中70％为山地，全线采用双避雷线，直线塔采用XSH－110／70型合成绝缘子，耐张塔8片XWP2－7防污绝缘子。110kV杭郭线长52．2km，拉线塔和自立塔混合使用，共156基，85％为山地，全线采用双避雷线，直线塔采用7片XWP－7、XWP－10和8片LXP－7绝缘子，耐张塔8～9片LXP－7，8片XWP－7和9片XWP－10绝缘子。矶郭线和杭郭线均处于上杭县东南片的丘陵山地，属Ⅱ－Ⅲ级污秽区。两线路投运以来，由于路径地形地貌和当地气象条件较为恶劣，雷击故障一直来较多。为降低线路雷击跳闸率，在1998年前已经采取了降低接地电阻，安装防雷多针系统等措施。从两线路的接地电阻测试情况看，除个别杆塔外均符合设计和规程要求，但雷击故障仍然频发，装有多针装置的杆塔仍遭雷击。因此，借鉴省内外同行部门的成功经验，考虑在这两条高雷击跳闸率的110kV路线上应用线路型金属氧化物避雷器（ZnO）作为线路的防雷措施。二、线路型避雷器的基本原理、产品种类及应用情况1、基本原理用于送电线路防雷的避雷器并联于线路绝缘子串旁，通过保护绝缘子串，提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率，达到防雷目的。线路型避雷器分为带串联间隙和无串联间隙两种结构类型。带串联间隙型避雷器与导线通过空气间隙来连接，间隙击穿电压低于绝缘子串的闪络电压，正常时避雷器处于“休息”状态，不承受工频电压的作用，只在一定幅值的雷电过电压作用下串联间隙动作后避雷器本体才处于工作状态，因此具有电阻片的荷电率较高，雷电冲击残压降低，可靠性较高，运行寿命较长等特点。无串联间隙型避雷器直接与导线连接，利用避雷器电阻的非线性特性保护绝缘子串，与带串联间隙型相比具有吸收冲击能量可靠，无放电延时的优点。同时，为防止避雷器本身故障时影响线路正常运行，无间隙避雷器一般装有故障脱落装置。2、产品种类[4]一般ZnO避雷器的典型结构有两种：一为支柱式，另一为GIS型(罐式结构)。支柱式ZnO避雷器可单独装设使用，而罐式结构装于GIS内。支柱式的外壳经历了瓷绝缘——EPDM(三元乙丙胶)——硅橡胶。罐式尺寸的减少有助于缩小GIS。2.1支柱式ZnO避雷器自从80年代末和90年代初以来，ZnO避雷器的使用和被用户普遍认可，大大减少了电力系统的保护问题。在初期的结构中，ZnO元件装在瓷套内，而且端部封装一胶要用O型密封圈加以密封。随着时间的推移，特别在恶劣的环境中，密封圈容易劣化而让潮气侵入。80年代，聚合物壳体避雷器问世，英国BowthorpeEMP公司制造出一整个系列聚合物壳体避雷器，电压直到400kV。在设计时，ZnO元件柱的表面被玻纤增强的树脂均匀地包封。这种结构无气孔，机械强度高，而且在ZnO柱的表面形成均匀的介电强度。这种壳体的材料为EPDM(三元乙丙胶)。它抗电痕，特别适用于污秽地区。继EPDM聚合物之后，出现了硅像胶壳体，硅橡胶壳体相比EPDM壳体，具有明显的优势，这特别表现在：①硅橡胶的主化学键上不含碳氮化合物，使之具有高度抗表面污染力和防止碳化泄漏通道时的形成；②硅原上了附着许多CH3使之具有疏水性，若表面沉积污秽层，硅能将它的疏水性转移到附着膜上，这就是说，低分子量的硅油能够从本体转移到表面，这就叫低浓度硅迁移；③硅橡胶中硅氧键是一个很强的化学键，因之硅像股能受环境的影响诸如臭氧、紫外线辐射或温度极端波动。④硅橡胶外壳在内部出现过压力时，它不会像瓷那样爆炸，并有碎片飞出，危及人身及设备安全，硅橡胶仅形成小洞，将压力排出。⑤硅像胶运输方便，安装容易。硅橡胶相比瓷绝缘减轻重量约50％，减小长度25％。由于硅橡胶具有以上优异性能，越来越多的制造公司在避雷器上用硅橡胶取代瓷绝缘。如ABB公司目前提供的中压避雷器，80％为硅橡胶避雷器。2.2罐式新型避雷器将避雷器作成罐式结构，广泛地用于SF6封闭式组合电器(GIS)中。高电位梯度ZnO元件的使用，大大降低了避雷器的高度。普通ZnO元件避雷器高度为470mm，而高电位梯度ZnO元件避雷器高度仅为250mm。其高度约为普通式的一半，这有助于减小GIS的尺寸。采用高电位梯度ZnO元件，可使避雷器呈单柱式，而不需要柱间引线。这就减小了罐式避雷器的内部电感。高电位梯度ZnO元件的单个通讯能力亦好于普通的ZnO元件。3、应用情况国外如美国和日本从20世纪80年代开始将避雷器应用于送电线路上，取得良好效果。有关资料显示［3］，我国从90年代中后期开始在送电线路使用避雷器来提高耐雷水平，降低线路雷击跳闸率，如广东、四川等地的高压线路应用避雷器都取得较为理想的效果。理论和工程实验都表明安装线路避雷器作为送电线路的防雷措施是可行而且是有效的，但我县此前尚无110kV送电线路上应用线路型避雷器方面的运行经验。三、安装位置选择我县两条110KV线路避雷器选用的是宁波市北仑国创电器有限公司生产的HY20CX－84／244型带串联间隙和HY10WX－120／334TL带脱离装置的无间隙线路型金属氧化锌避雷器，其主要技术参数见表1。表1110KV线路型ZNO避雷器主要技术参数产品型号HY20CX-84/244HY10WX-120/334TL结构类型带串联间隙无间隙系统电压（有效值，KV）110110额定电压（有效值，KV）84120直流1mA参考电压不小于（KV）1241808/20μs雷电残压不大于10KV3448/20μs雷电残压不大于20KV2442ms方波通流能力（A）4004004/10μs冲击通流能力（KA）100100备注带脱离装置从表1的技术参数可见，两种型号的线路型ZnO避雷器在伏－安特性、暂态电压承受能力、耐污能力以及密封性能方面，能满足110kV线路的运行和防雷要求。而且，无间隙型避雷器的脱离装置其工频故障电流下的动作特性、耐受电流冲击和动作负载不动作能力均较好，能保证避雷器故障时不影响线路的正常运行，实现免维护。避雷器安装地点的选择，主要针对易雷击杆塔和区段。分析两条线路近年来查到的雷击故障点分布，发现雷击杆塔主要是两个区域。矶郭线集中在83～85号塔之间，地形地貌特征为线路右边相侧为山峰、左边相侧为空旷的山谷或水库，故障点主要在左边相和中相，位于山顶附近的84号塔左相和中相分别故障4次和3次，相邻的85号塔左相和中相也各有3次故障闪络。杭郭线故障点分布相对较广，但7～21号塔区段故障占了一半以上，故障点主要在两边相绝缘子，中相绝缘子闪络较少，该易击区域的地形地貌特征为连续跨越多个山峰，跨越较大，最大一档达879m。为此，将此两个易雷击的区段作为线路避雷器的安装地段，并按故障点情况确定安装避雷器的杆塔。矶郭线除83～85号塔外，相邻的82、86号塔耐雷水平也较低（见表3），因此82、86号塔也考虑在两边相安装避雷器。杭-郭线由于易击段范围较大，故考虑故障的7、8、11、12、15、20、21号等7基杆塔安装避雷器，同时对位于顶峰两侧山腰，从地形地貌分析易遭雷击的13、17号塔也予加装，两线路共确定14基杆塔安装线路避雷器。考虑到安装费用及线路中相负角保护的特点，一般只在每基杆塔的两边相安装避雷器，结合雷击故障相别情况，矶-郭线83～85号以及杭郭线8号地貌有可能为绕击雷，为防绕击在上述4基杆塔上每相均安装避雷器［1］。为积累运行经验，视安装地点杆塔结构，分别使用带间隙和带脱离装置的无间隙避雷器。实际安装时矶郭线以带间隙型避雷器为主，杭郭线以无间隙型避雷器为主，共安装线路ZnO避雷器32支，其中带间隙12相、无间隙20相。线路避雷器的安装地点和类型见表2，安装分装用支架将避雷器外挑，带串联间隙型用支架将避雷器外挑并吊高后与绝缘子串并接。对杆塔的中相，直接用支架将避雷器固定在导线与杆塔之间，对耐张塔边相，采用将避雷器固定于横梁与跳线间方法。另外，线路避雷器的安装应充分考虑风速的影响，对支架结构按线路设计要求进行相应校核。四、线路避雷器运行情况及效果线路型ZnO避雷器自2000年6月起分批投入运行，从投入运行以来的情况看，运行情况良好，避雷器动作记录累计已达39次，防雷效果较为理想。安装线路避雷器以来，110kV矶郭线未发生雷击跳闸，线路避雷器已记录动作20次。110kV杭郭线只在2001年7月21日发生一次雷击跳闸，雷击故障点为远离避雷器安装区域的86号杆，线路避雷器动作19次。线路避雷器的动作次数见表2。在此期间，处于同一区域的110kV线路多次发生雷击跳闸，35kV送电线路的雷击跳闸率仍较高。参照DL／T620－1997标准的线路耐雷水平计算参数、方法，线路加装线路型避雷器前雷击杆塔时的耐雷水平计算数据见表3。表中数据表明，安装避雷器前线路的总体耐雷水平是比较低的。矶郭线由于使用合成绝缘子、避雷线、塔型等因素，耐雷水平明显偏低。其中84、85号塔又因接地电阻较大，耐雷水平很低，致使在特定的地形地貌和气象环境下雷击闪络频发。杭郭线的总体耐雷水平尚可，有的杆塔如11、15号塔超过了100kA，线路雷击跳闸的主要原因应是地形地貌和当地气象条件较恶劣，雷电活动强烈的所致。如15号塔耐雷水平已达169kA，但因其处于山顶的特殊地形地貌而仍遭雷击闪络。表2线路避雷器安装位置和累计动作次数线路名称杆塔号塔型相别避雷器类型安装时间动作次数统计日期110kV矶郭线82直线左无间隙2000.6.1512002.3.20右无间隙083转角左带间隙1中带间隙0右带间隙084直线左带间隙2中带间隙1右带间隙185直线左无间隙1中带间隙0右无间隙686转角左带间隙7右带间隙0110kV杭郭线7直线左无间隙2000.11.2232002.3.20右无间隙08直线左无间隙0中无间隙011直线右无间隙0左无间隙7右带间隙212转角左带间隙0右无间隙013直线左无间隙4右无间隙315直线左无间隙0右无间隙117直线左无间隙0右无间隙220直线左无间隙1右无间隙021直线左无间隙2右无间隙0安装避雷器后，线路的耐雷水平有了较大提高，一般地三相安装避雷器的耐雷水平将提高3～3．6倍，两边相安装的将提高1．6～2倍［2］。取三相安装避雷器的耐水平提高3倍，两边相安装避雷器的耐雷水平提高1．8倍，杆塔达到了100kA及以上的耐雷水平，大大提高了线路的防雷能力。表3安装避雷器前后雷击杆塔耐雷水平线路名称杆塔号冲击接地电阻/Ω原耐雷水平/KA避雷器安装方式避雷器加装后耐雷水平/KA110kV矶郭线829.659两边相1078320.847三相142842133三相99857.450三相1508615.356两边相101110kV杭郭线76.792两边相1668698三相293113115两边相2081210.577两边相139136.792两边相166151.5169两边相304172.373两边相13220691两边相164211262111综合两条送电线路安装线路避雷器前后耐雷水平的比较、避雷器动作情况和线路的实际运行效果，可以看到通过应用线路避雷器，提高了线路的防雷水平，大幅降低了线路的雷击跳闸，收到了预期的理想效果。五、结论1、从上杭电网两条110kV线路的工程应用结果看，线路避雷器在110kV送电线路的实际应用效果是较为理想的，是一种有效的防雷措施。2、由于价格成本问题，送电线路大量使用线路型ZnO避雷器的技术经济比较有待论证，但对雷击跳闸率较高的线路，根据地形地貌地质和气象情况，在易雷击段或雷击频繁的杆塔，使用避雷器来提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率无论从技术上还是经济上都是完全可行的。3、国产线路型避雷器的运行可靠性虽尚需长期的运行考验，但从两年的运行情况看，两种类型的线路型ZnO避雷器运行可靠。4、由于线路型ZnO避雷器分有间隙和无间隙，在具体的选择上应注意避雷器与绝缘子串的绝缘配合问题，如合成绝缘子串与带串联间隙避雷器的配合裕度，即避雷器雷电冲击放电电压与绝缘子串U50％的