6kv配电线路防雷技术研究

6kV 配电线路防雷技术研究 蔡国庆 （中油辽河油田沈阳采油厂 辽宁盘锦 110316） 摘 要：本文根据油气田企业的供电特点,总结了 6kV 供电线路防雷措施的研究过程,特别是对安装金属氧 化物避雷器的 6 kV 配电线路的耐雷水平进行了分析，并对实施应用加密安装氧化锌避雷器三年的配电线路运行 情况进行了总结分析，证明加密安装氧化锌避雷器对防雷有一定的积极作用。 关键词：6kV 配电线路，防雷技术研究 1 引 言 1.1 问题的提出 1）辽河油田沈阳采油厂的地理环境多为平原、沼泽，每年雷雨季节电网都会频繁发生雷 击故障，雷害造成的故障约占电网总故障数的 60%以上。 2）辽河油田沈阳采油厂电网始建于 80 年代初，在电网建设中受当时技术条件的制约，电 网防雷技术不够成熟。虽经多年努力，但始终未找到成熟有效的防雷技术。 3）线路多为水平排列式布线。 4）没有有效的防雷击装置。 5）随着油田生产对供电可靠性不断提高，从技术上增强电网防灾水平，提高电网防雷能 力势在必行。 1.2 研究目标 通过对小电流接地系统雷击特点的研究，结合目前各级电网的防雷措施，寻找安全与经济 效率最佳的防雷方案，最大限度的减少 6kV 配电网受雷击形成永久性故障的概率，从而解决目 前 6kV 配电网雷击事故率高的问题。 2 研究过程 本专题研究自 2004 年 6 月开始至 2007 年 6 月完成，主要分成试验场所选址、研究方案论 证及实施、试验验证三个阶段。 2.1 试验场所选址阶段 在试验场所选址阶段，我们根据辽河油田沈阳采油厂的地理环境情况和电网运行实际，配 合试验整体思路，确定了在沈阳采油厂采油三区先期进行防雷前导试验，随后进行扩大性防雷 应用； 2.2 研究方案论证及实施阶段 根据整体试验思路，结合近几年辽河油田沈阳采油厂电网运行的经验，防雷方案采用避雷 线和密集避雷器技术。 1）2004 年在沈阳采油厂采油三区落雷集中的沈三变 3628 线上增加避雷器的装设密度； 2）2005 年 10 月在沈阳采油厂对 51 条 6kV 配电线路加密安装避雷器 1320 组。 2.3 试验验证阶段 1）沈三变 3628 线试验结果 沈阳采油厂采油三区沈三变 3628 线线地理位置处于多雷区，每年因雷击造成跳闸和设备损 -1- 坏情况时有发生，2004 年沈阳采油厂在确定进行防雷试验后，首先选取了该线路作为试验线路， 采用 5 基杆 1 组的方式加密避雷器装设，为保证试验效果，要求采用防盗方式处理避雷器接地 装置，同时为避免加密避雷器有可能导致增加事故点的现象，要求采用热爆式脱扣避雷器。 2004 年改造结束后该线路，雷击事故率明显下降，至今未发生雷击设备损坏事故（详见表 1） 。 表 1.沈三变 3628 线加密避雷器前后事故情况对比 未加密避雷器前 加密避雷器后 00 年 01 年 02 年 03 年 04 年 05 年 06 年 故障数 7 9 5 6 1 2 1 设备损坏 次数 2 2 1 2 0 0 0 2）沈阳采油厂扩大推广应用结果 雷击跳闸多年来一直高居辽河油田沈阳采油厂电网故障率之首， 2005 年因雷雨大风导致线 路跳闸达 139 次，占 6kV 配电线路总故障次数 173 次的 80.3%。 2005 年 10 月辽河油田公司投资对沈阳采油厂 6kV 配电网的防雷系统进行了大面积的技术改 造，共对 51 条 6kV 配电线路加密安装避雷器 1320 组；对 11 条 6kV 配电线路架空接地线进行完 善安装接地装置 1536 套。大幅度改善了沈阳采油厂 6kV 配电网的防雷水平。 2006 年因雷雨大风导致线路跳闸 6 次，仅占 6kV 配电线路总故障次数 31 次的 19.4%。 2007 年因雷雨大风导致线路跳闸 18 次，仅占 6kV 配电线路总故障次数 51 次的 35.2%。 表 2.沈阳采油厂防雷改造前后情况对比 2005 2006 2007 故障 事故 故障 事故 故障 事故 总次数 142 31 19 12 23 28 雷暴日 26 29 13 因雷雨障碍 次数 114 25 5 1 11 7 雷雨占总次 数比例% 80.3 80.6 26.3 8.3 47.8 25.0 通过表 2 对比发现，2006 年沈阳油田雷暴日略高于 2005 年，但因雷击引起电网故障和事故 次数却分别比 2005 年减少 123 次和 19 次，故障率和事故率分别下降了 54%和 72.3%。2007 年雷 暴日较少，但雷击频度高，特别是低空直击雷较多，造成故障跳闸次数增加。 2 3 关键技术解决情况 3.1 雷击产生的过电压对线路的影响 1）在 6kV 配电线路附近产生雷击过电压的情况 感应过电压的幅值 ug:与雷击主放电电流的幅值 Ig成正比：主放电电流大，感应过电压就 高；和雷击地面点距导线的距离成反比：离得越远，感应越弱；与被感应线路导线离地面 高度成正比：即使同样的感应电荷，当导线离地面越高时，感应过电压越大。实际测量结果证 实，当直接雷击点距线路的距离 S50m 时，由于线路吸引，在线路上感应过电压的幅值 ug可近 似地按下式求得: ug=25Ighd/s (kV) 式中：I g雷电流幅值（kA） Hd导线悬挂的平均高度（m） 由于雷击点的自然接地电阻都非常大，所以最大雷击电流可采用 Ig100kA，实测证明，感 应雷的幅值可达 300-400 kV, 足以使 60-80cm 的空气间隙击穿，所以对 3 kV 级以下的电气设备 会引起一定的闪络事故，而对 60kV 级以上的电气设备，由于其从及绝缘强度都在 500kV 以上， 感应过电压一般不会引起闪络。 如果线路上挂有避雷线，由于它的屏蔽效应，导线上的感应过电压 ug在同等条件下，将比 无避雷线的感应过电压 ug低，即 u g= ug ( 1-K) 式中：K-避雷线与导线间的耦合系数。 2)、雷击杆塔或线路附近避雷针（线）的情况 当雷击杆塔时雷电流将经过杆塔及接地电阻流入大地，这时空中迅速变化的电磁场将在 导线上感应出符号相反的过电压。在无避雷线线路，这一感应过电压的最大值可用下式计算 ug=ahd (kV) 式中：a-系数，其值等于以 kA/s 计的雷电流平均陡度； hd导线悬挂平均高度（m） 。指对一般高度的线路而言。 -3- 在有避雷线时，由于它的屏蔽效应，上式也应乘以( 1-K)的屏蔽效应系数，即 u g= ahd ( 1-K) 对于油田 6 kV 配电线路，雷击塔顶超过绝缘子耐雷水平时，绝缘子会发生闪络，塔顶对导 线放电，由于工频电流很小，不能产生稳定电弧，原则上不会引起线路跳闸，还能安全送电， 只有当一相发生闪络后，在向第二相发生反击，导致两相绝缘子闪络，形成相间短路，才会出 现较大的短路电流，引起线路跳闸。对于此类情况，只能采用安装避雷器的方式才能解决。 3)、我们分析认为，采用综合治理的方法是：选用加密安装线路避雷器，提高绝缘子耐雷 水平，降低接地电阻的阻值以及在部分线路上安装架空避雷线等是有效防止雷击引起线路跳闸 的基本措施。 3.2 线路防雷主要采取的技术方案 1、提高线路绝缘子绝缘等级，增强线路自身耐雷水平。从 1998 年开始，辽河油田沈阳采 油厂 6kV 配电线路的绝缘子开始进行大量更换，将原来 PQ-15 绝缘子换为 PQ-20 的，到 2004 年 全网全部更换完毕。绝缘子的更换大幅提高配电线路的绝缘强度，减少了雷击立瓶击穿的事故。 2、陆续将水平布线的 6kV 配电线路改为三角布线方式。辽河油田沈阳采油厂配电网络在 80 年代后期基本成形，当时导线的排列方式几乎全部是水平排列的。水平排列方式由于三相立瓶 处于同一平面从防雷上技术上不如三角排列，三角排列由于顶相高出其它两相，在遭受雷击时 更可能出现的是单相击穿从而形成接地，而水平排列两相同时击穿形成短路导致跳闸的概率更 高。 3、进一步完善现有的 6kV 配电线路架空避雷线，通过近几年沈阳油田 6kV 配电线路运行统 计情况来看，全线安装架空地线的线路抗雷击能力较强，线路因雷击造成的跳闸、立瓶击穿、 断线事故很少，但由于成本高，施工不方便，线路停电时间过长，需要油井、计量站长时间停 电，施工难度大，因此我们对电杆逐基完善避雷线的接地装置，降低杆塔的接地电阻，防止落 雷直击导线，降低导线上的感应过电压，分流杆塔上的雷击电流。 4、加密安装氧化锌避雷器。按照雷电波的传输速率和传输衰减率及过电压计算的要求，通 常雷电流用斜角波代表，即上升时间为 2.6s，当雷电流作用于导线，沿导线传输到绝缘子上 时，会变成冲击电压波作用，冲击电压波通常用 1.2/50s 的波形表示，设绝缘子在冲击电压 最高值时发生闪络，则存在上升时延现象，即 1.2s。雷电流传输以光速传播 c=300m/s，则 简单估算保护档距可确定为 1.2300=360m。 据此， 6kV 配电线路避雷器的保护距离应按照 300360mm 进行选择，即每 5 基电杆加装一 组氧化锌避雷器。在避雷器选型上我们考虑到避雷器应具备以下特征： 1）具备完全的防雷功能，即对雷陡波和雷电幅值同样有限压保护作用； 2）防雷保护作用不会造成电网接地故障或相间短路故障； 3）防雷保护作用不应有短路电流或工频续流等工频能源浪费； 4）动作特性应具备长期运行稳定性，免受暂态过电压危害； 5）应具有连续雷电冲击能力； 6）能附带脱离器便于监查运行情况，当避雷器失效或故障时自动退出运行，避免造成更大 损失和事故。 根据油田供电系统的实际状况，经过多方论证及实际考察，我们选用线路专用无间隙氧 4 化锌避雷器，并对避雷器整体结构进行优化设计，复合外套采用特大伞形结构，使其具有良好 的耐污特性和抗覆冰特性；避雷器本体采用硅橡胶一次注压成型工艺是绝缘外套及电阻片柱与 绝缘管之间空隙均由硅橡胶材料所填充（ABB 产品结构） ，确保产品成为不含空气的实心体， 保证避雷器的密封性能和防爆特性；复合外套采用美国 GE 公司硅橡胶材料，具有优良耐污性、 憎水性和耐气候老化性；氧化锌电阻片采用日立公司技术，在相同尺寸下，具有较高的方波通 流性能和大电流耐受性能。由于线路型避雷器的安装方式和电站型避雷器的安装方式不同，对 产品的机械强度的要求较高，所以在设计避雷器时，要根据现场的安装方式考虑避雷器的机械 强度，保证避雷器在正常运行时电气性能的正常发挥。 4 研究结论 4.1 研究评价 通过试验对比发现，2006 年沈阳油田区域雷暴日与 2005 年上半年基本相同，但因雷击引起 电网事故和故障次数却大幅下降。由此可见，避雷线结合密集避雷器电网防雷技术已初见成效。 4.2 研究目标完成情况 主要研究目标的完成情况见表 3。 表 3. 研究目标完成情况对照 序号 研究目标要求 完成情况 1 试验线路年雷击事故率下降 60%以上 达到目标要求 2 试验线路雷击设备损坏率：5% 未发生雷击设备损坏情况 5 几点认识 中油辽河油田沈阳采油厂管辖电网以 10（6）kV 架空配电网为主，电网每年因遭受雷击导 致的故障及设备损坏情况严重，所以开展电网防雷研究对于提高电网运行水平，实现为原油生 产提供可靠电力保障的目的十分必要。为此，我们从理论研究、前导试验到扩大性试验，经历 了多年的研究试验工作，对架空线路防雷技术的试验和应用工作取得了一定成绩。 同时在试验过程中，我们也得到如下认识： 1、目前人们对雷电机理形成的规律还没有真正完全掌握，对灾害对电网造成破坏的真实准 -5- 确原因还不能做到足够的了解，大部分灾害参数、危害程度都是凭经验参数进行概率统计获得， 所以从技术上做到彻底消除灾害对电网的影响，目前来说还是不可能达到的。 2、目前所采用的防雷装置和设施，在防雷减灾的过程中见到了一定的效果，对保证电网安 全可靠运行也起到了一定的积极作用。但必须要加强防雷装置及设施的日常管理，通过对前几 年辽河油田沈阳采油厂 6kV 配电线路因雷击造成停电的事故分析来看，一方面是防雷装置及设 施不够完善，另一方面防雷设施、接地装置等丢失现象较为普遍，接地电阻不达标等现象也不 同程度的存在，使现有的防雷装置不能起到应有的作用。 3、要加强 6kV 配电线路灾害事故的统计分析，要对每年的雷暴日、风雪日等灾害天气进行 详细统计，及时形成灾害分析报告，要对防灾装置和设施按周期进行巡视检查和维护，每年要 根据季节的不同对所有的防灾装置进行检测并投入正常运行，并建立完整的防灾技术档案，以 便指导今后 6kV 配电线路防灾工作。 4、6kV 线路防雷型无间隙氧化锌避雷器结构简单、安装方便、保护距离大（无间隙特性） ， 但该型避雷器长期在系统持续电压作用下，使用寿命会有所降低，无间隙氧化锌避雷器其拐点 电压偏低，仅为 2.212.26Ugx（最大相电压） ，而有些暂态过电压最大幅值达到 2.53.5Ugx，故有暂态过电压承受