输电线路运行中防雷措施效果分析

1绪论1.1研究背景雷电是影响电网正常运行的主要因素之一，另外输电线路分布地域广、长度长以及显著的地理位置、恶劣的气候条件、水文条件等因素都会增加输电线发生雷击跳闸的机率，继而给电网的安全运行埋下隐患。实验证明雷击是电力系统发生事故跳闸的主要原因，同时这也是频发各种停电事故的主因。因而，电力系统需要不断地提高供电的可靠性和稳定性来保证服务质量[1]。目前，随着我国各行业的迅猛发展，高压输电线路的建设已经非常频繁，它的特点是经过的地形错综复杂，且线路分布广泛，环境因素也不尽相同，因此，在各个地区受到雷击的原因和雷击的破坏程度都不同，这就需要根据不同的环境具有针对性的进行线路的防雷保护，虽然造成雷击事故的决定性因素很多，但是雷击的引起的停电事故，都会给我们的生活和生产带来很多的不便和损失[2]。因此针对高压输电线路防雷措施的研究具有现实的意义。1.2本文的主要内容论文分为五部分，第一部分是绪论，介绍研究背景，研究意义和研究的主要内容。第二部分是介绍分析雷电放电的过程，论述了输电线路绝缘子雷击闪络原理。第三章是分析输电线路运行中防雷措施效果，分析线路加装避雷器的效果，分析改善杆塔接地电阻的方法，分析线路绝缘水平加强效果。第四章是结合徐州地区高压输电线路防雷的具体措施进行分析探讨。第五部分是对论文的总结概括。1.3 研究意义徐州地区高压输电线路跳闸故障中雷击导致的故障比率最大，对徐州地区民众的日常生活和经济情况产生了极大的负面影响，因此针对高压输电线路防雷措施的探讨具有积极的意义。本文结合徐州地区高压输电线路运行实际情况，结合当地的气候气象条件，计算输电线路雷击跳闸相关参数，并提出相应防雷改造措施，做到高效性和经济性的平衡兼顾，有助于科学、全面的指导本地区输电线路防雷工作，并对今后新建线路的防雷措施的实施起到一定的借鉴指导作用。2雷电放电及雷击闪络原理2.1雷电的放电过程毋庸置疑雷云是形成雷电的主要原因。事实上除了积雨云以外还有多种云与雷电的形成有关。从大气流背景的角度分析积雨云是引起雷电灾害的主要原因。积雨云具有十分强烈的大气电场，其平均值的变化范围非常大，其数量级一般在104V/m至105V/m之间。总结雷电的形成与如下因素有关:积雨云本身就携带着大量电荷，加之静电感应作用，所以会使其一方的地面及物体不断积累电场，而一旦所积累的电场强度达到一定值后，地表与积雨云会发生雷电现象，即上述两者发生局部空气被击穿的现象。结合发生雷电的位置，一般可将雷电划分为如下两大类：其一是云闪；其二是地闪。前者是指基于云层间的放电，此种雷电通常不会对地面构造物造成较大的杀伤力；后者对电力设备、构造物会造成构大的危害，其放电过程发生于云内电荷中心与大地、地物间。当前研究防雷主要研究地闪所形成的放电过程。在雷云与地面间往往需要经过如下三个阶段：其一是先导放电；其二是主放电；其三是余晖放电。上述放电过程的反复发生即共同构成一次雷电。第一阶段是先导放电阶段。闪电可分为很多种类型，而负极性云地闪无疑是最常见的一种。这里设云中负电荷中心积累了106V/m左右的电场强度，大气在附近的电场为约3000kV/m时，即可破坏空气绝缘强度时即有可能会发生点击穿，并获得电子撞击气体分子分离负极性闪电形成导电介质的离子。第二阶段是主放电阶段。众所周知高出地面的物体或者所处地势较高的物体可较先感知到由于大气放电而产生的龟荷。在放电阶，局部电场可与地面保持一定距离时(一般为5-50之间)将突变增强。此时先导电随着聚集感应电荷的点发展，也就是地面突出物体的顶端。此时放电通道表现出定向性，即有选择性。定向高度，顾名思义即受放电先导影响所形成的距离，具有固定性。第三阶段是余晖放电阶段。云中剩余的电荷在完成主放电后，会继续沿雷电通道流向大地，即余晖放电。从拍摄的照片分析，其仅能够看到模糊的部分。通常余晖放电仅会持续30至150毫秒，其电流为100安培左右。2.2输电线路绝缘子雷击闪络原理在强电场中假设相较周围气体介质，固体绝缘介质具有较佳的绝缘性，则会在击穿气体介质的前提下，才对击穿固体介质。这一点己经通过实践得到证实，即通常以固体介质表面闪络的方式击穿气体介质，相较气体介质，沿线闪络电压的击穿电压较小。大气过电压，即被雷击后输电线路所形成的电压。其形成原理如下：雷电行波顺着避雷线、输电线路导线前进。并形成局部畸变高电场。其通常位于架空线路落雷点周围并形成局部过电压。相较表面闪路电压绝缘子电气绝缘性能良好的击穿电压较高，且高出幅度在30%至50%之间。换言之即大气过电压所形成的放电闪络仅会基于绝缘子表面而形成。雷击后，绝缘子表面会受电压的影响，而产生空气游离、放电通道。经过工频短路电流后，还会形成电弧(具有持续性)，这是损坏灼伤绝缘子表面的主要原因。相反的雷电闪络放电绝缘子的电阻非常低甚至为零等工况非常差的情况下产生，对绝缘子造成更大的影响，比如击穿、炸裂、烧熔等。导线因此而落地，极有可能演变为永久性事故。3输电线路运行中防雷措施效果分析3.1线路加装避雷器的效果分析避雷器的动作特性主要体现在其动作电压方面，假设相较于动作电压两端的电压较低，则会充分呈现出类似于开路的特性，相反的则有可能出现瞬时导通，并对电压形成抑制作用。一般情况下在需要保护设备周围安装避雷针。比如架空线路其通常并联设置被保护设备，可用于保护杆塔的绝缘子串。假设在避雷器后架设输电线路，那么在发生雷击后其一般会先导通绝缘子，同时导线、塔顶电位差变小。这有助于规避绝缘子串受电弧所影响。另外瞬时过程中其动作时间相较继电保护装置小，这就有效的避免了线路发生跳闸的情况。综上通过线路避雷器的加装能够显著的提升输电线路的防雷水平，从而有效避免闪络对绝缘子串的影响，继而减少线路发生雷击跳闸的机率。严格上说不管是杆塔还是相位只要进行避雷器的安装，即可获得相关保护。而如果未安装，那么其保护作用将十分有限。实验室计算时假设输电线的电压等级达到110kV，则线路避雷器仅有十分有限的应对反击性能。计算相邻杆塔的正常档距可知，一般情况下仅可增加2kA，这对于绕击耐雷水平并未有任何改变。基于此一般认为安装避雷器后，将有效的提高线路相、塔发生雷击跳闸的机率直到为零。但是对相邻杆塔的防雷效果、耐雷水平基本没有什么影响。通过分析线路在安装避雷器后发生跳闸事件的规律主要得出如下结论:因为仅对安装相导线可形成泄流作用，所以安装多少相导线决定着避雷器是否能够充分发挥作用，有效预防线路发生绕击的问题。比如单回线路，在安装单相后能够降低发生跳闸率，其降低的幅度为33%，而如果安装三相，则其跳闸率将为零。就防反击方面分析，不管在哪个相位安装也不管安装几个避雷器，都能够有效的降低发生跳闸的机率。研究标时杆塔的接地通道、雷电流幅值均与其下降的程度有关。以各种方式，比如避雷器的接地电阻、数量等均存在差异性的情况下安装子线路之上，那么即可见如图3-1所示的跳闸率情况。结合上述分析可知，在不考虑杆塔接地电阻(即设该值为恒定时)，只要安装避雷器即可大幅度的减少线路雷击跳闸率。同时其减少幅度与安装的数量呈正比。值得一提的是在确定线路安装避雷器的数量后，通过减少接地电阻将有助于预防线路发生跳闸。图3-1输电线路安装避雷器的方式、接地电阻及线路发生跳闸率的情况示意图3.2改善杆塔接地电阻方法分析接地装置输电线路杆塔可向大地直接引入输电线路雷电流，其可基于引下线、杆塔连接避雷线，继而避免升高杆塔电位，避免绝缘闪络因为雷击而发生故障现象。总之低地电阻表现出多重优势，其不仅能够有效预防线路反击跳闸，同时可避免杆塔升高电位，减少绝缘闪络故障。一般认为发生雷击后绝缘子的电压与杆塔接地装置的冲击接地电阻值有关，如此一来可有效的降低雷击闪络的机率。110kV线路接地电阻、反击跳闸率两者的关系，如图3-2的曲线所示。结合上述分析可知如输电线路的接地电阻数值越大，那么对应的较容易受反击跳闸所影响。这充分说明杆塔接地电阻是一个重要影响反击跳闸率的因素，即如果接地电阻数值变大，那么跳闸率也会越高。分析之所以会出现这样的原因是因为线路的杆塔的高度越高，其对应的耐雷水平将越低;因为雷电存在定向作用，所以在增加杆塔高度后，如果杆塔的高度越高，那么越容易遭受雷击。增加的击杆率，将增加反击跳闸率。另外通过对比杆塔的结构可知，对比塔高一样的耐张塔、直线塔，后者发生反击跳闸率的机率更高。这是因为前者相较后者的避雷线更加接近于两侧导线，其导地线间具有较大的祸合系数，所以直线塔更容易出现反击。结合上述分析可知如未能从源头上改变杆塔的结构、尺寸，就必须合理控制杆塔的接地电阻。假设其值为10Ω。时，如图3.2可知高度一般的110kV线路杆塔那么其反击跳闸率基本可控制在100km•年(2.0次以内)。图3-2杆塔发生反击跳闸与接地电阻的关系3.3线路绝缘水平加强效果分析在长期的发展中逐渐提高输电线路的绝缘水平，其附带效果有如下两种:首先是增加绝缘子的片数。这能够减少塔杆避雷线的保护角，继而提高其屏蔽效果，强化外绝缘，如此一来也就意味着绝缘子串所可承受的过电压将变大。然而现实操作中很难大幅度增加绝缘子串几何长度，这与杆塔固有的结构有关，所以绝缘的增加并不会对避雷线的保护角产生较大的影响。综上除了增加绝缘子片数这一措施，直到当前没有发现任何有效的方法可提高线路的耐雷水平。比如110kV输电线路，增加一个单片绝缘子，相应的可提高1kA耐雷水平。这就说明一定程度限制了线路的绝缘长度，所以如果单纯的增加绝缘其效果并不明显，换言之即不可将此作为输电线路预防绕击的唯一措施。众所周知线路是否具有较高的防绕击能力与避雷线保护角有着直接的关系。一般情况下如果保护角越小，则说明线路具有越强的防绕击能力。当然了要降低已建成且已经投入使用线路的保护角其难度较大。因此在设计阶段就应该充分考虑如何选择杆塔型号，合理确定保护角。4徐州地区高压输电线路防雷措施探讨4.1徐州地区110kV输电线路雷电活动情况概述4.1.1线路概况数据显示徐州电网截止2018年12月，共有52条架空输电线路，这些线路的电压等级在35kV-110kV之间，其总线路达到684.651公里，其中分别有25条、27条架空输电线的电压等级达到35kV，1lOkV，其线路里程为284.177公里、400.474公里。4.1.2雷电活动情况徐州地区有非常大比例的山区、丘陵，且都是高发雷电活动的区域。徐州地区雷电2015至2018年的雷电统计如表4-1所示：表4-12015年至2018年徐州地区跳闸原因统计年份 风偏 山火 冰灾 雷击 其他 合计2015 2 0 1 22 0 252016 0 0 2 19 1 222017 0 0 1 31 0 322018 1 0 2 11 2 16合计 3 0 6 83 3 95百分比 3.16% 0.00% 6.32% 87.37 3.16 100%结合相关参数可得出如下结论：1、通过分析雷电参数可知2015至2018年这几年间，该地区年均有201天为雷电日，其发生雷电事件的频繁程度可想而知；2、在这一期间在改造防雷措施前，其跳闸次数基本处于高位，属于平稳状态，总体在13至16次之间。其中2017年发生跳闸的次数最多，该年一共发生了31次跳闸事件，其落雷密度要远高于其它年份。3、2016年至2018年逐渐扩大线路总长度、规模。落雷密度与线路发生跳闸的次数两者间具有正相关的关系。4.1.3输电线路跳闸的特征分析110kV输电线路受雷击后会发生如下跳闸反映：1、塔杆线路在27米以上的较易发生雷电闪络，且均为单回路边相故障，双回线路的下相、中相较易发生故障，上相一般不会发生故障；2、由于雷击引起跳闸后，其以闪络绝缘子为主，发生闪络绝缘子的杆塔的避雷线保护角大于10度；3、一般情况下故障杆塔地电阻不会出现较高的情况，其引起故障的雷电流较低，雷电流幅值非常大的区域较小；4、曾发生过跳闸事件的线路有一个共同点，即普遍基于山上。另外通过研究还发现处于海拔越高山上的线路，其发生雷击的机率越大。此外研究还表明高发雷击的区域，普遍存在档距杆塔大、档距差距大等特点。综合上述分析可知与雷电反击有关的仅有第一、第二点，其它特点则具有使绕击概率变大的特点。这一点符合该公司110kV线路发生雷击跳闸次数的特点，其中约有75%为绕击。本文总结了近几年来徐州地区线路由于雷击而发生故障的现状，并结合故障导线相别、绝缘子种类等各个方面展开分析，指出如下因素均与线路发生雷击跳闸有关。（1）大量投运合成绝缘子。近年来同时兼具抗拉强度高、重量轻、便于施工等优势的合成绝缘子得到广泛应用。与此同时相较于玻璃绝缘子合成绝缘子还具有耐污性强等特点，其表面具有含增水性的复合硅辜负，所以成为线路不可或缺的一部分，极大的满足了线路对防污闪的要求。同时我们知道使用复合绝缘子即相当于固定了绝缘长度，即不可在改变外绝缘了。而合成绝缘子表面会随着运行年限的增加，而逐步出现龟裂老化的问题。加之线路本身的污染性，总之合成绝缘上存在较为严重的积污等现象，继而影响表面爬虫特性。研究表明在爬虫距离一样的情况下，合成绝缘子的耐受雷电流冲击能力要逊色于玻璃绝缘。（2）一般在山坡或者高山等山区位置布置塔杆。结合协电定向效应可知，杆塔的地势越高越容易成为雷击的对象。而在侧山坡设计杆塔，实际无法充分发挥避雷线的作用，其较所设计的保护角低，如此一来即相当于增加发生绕击率、击杆率。（3）未形成有效的提高现有线路饶击性能的策略。众所周知合理控制线路大档距数目、限制塔杆高度是预防线路绕击的重要措施。基于此在设计阶段应有意识的减少将线路架设于大角度山坡，使线路保护角在合理的范围之内。受地形以及造价等因素的影响，很难架设平行于线路的旁路祸合地线;最后侧向避雷针虽也有利于防止绕击，但是在实际运行中存在诸多不利之处，也不建议使用。（4）频繁发生的雷电活动也是徐州地区线路易受雷击攻击而发生跳闸的主要原因。近年来，祖国电网事业蒸蒸日上。在此背景下凸显廊道资源的有限性，因而相关部门积极增加多回线路等，增高线路杆塔的高度。正如上文所述无论是引雷概率还是发生绕击的机率，均与杆塔的高度成正比。与此同时随着高度增加而逐渐降低的反击耐雷性，则进一步增加发生雷击跳闸率。4.2徐州地区110kV输电线路防雷措施4.2.1塔杆接地电阻的改造当前输电线路铁塔的接地形式主要为6,7型，所以在装置接地或者敷设时选择通过增加接地射线或延长接地体等方式以减少工频接地电阻，从而满足其设计要求。简而言之即从6型扩展至7型、8型、9型等等。表4-1常用塔杆接地形式对应表工频接地电阻是实际工程中最应关注的一个点。接地装置是否合理通常可通过冲击接地电阻这一指标得以说明。准确的说两者存在差异性，假设接地装置在瞬间内流过的雷电冲击电流其幅值非常高，那么接地装置四周的土壤形成火花效应的机率非常高。继而电离土壤。简而言之即如果接地体截面积变大，那么对应的接地电阻变小，泄流能力变大。放射型接地体在传统线路设计中得到普遍性的应用，但是将杆塔上的雷电流引入接地装置这一个过程中，接地体越长，其越会降低雷电流，由于接地体端、末端两者的电位不一，存在较大的差距，即电位差非常大。加之接地体几乎可忽视的有限的火花效应。这样如果放射型接地体的长度达到某一值。将进一步弱化泄放雷电流的作用。结合上述分析，考虑到一方面要加大大地与接地体两者的接触面，另外一方面又不增加其屏蔽效应，可通过垂直接地极取代增加水平接地体。另外近几年来，广泛应用接地模块。接地模块能够在保持土质电阻率的情况下，有效的改善其泄流效果。此种实体模块是由众多低阻材料制作而成的，在敷设接地时接地模块通常需要连接于接地体，通过该实体模块所形成的接触面积有助于接地装置与周围土壤的有效接触。就整个散流路径而言通过此种方式能够实现在减少电感后，还可增大电容。部分存在孔隙的接地模块表面可作为路径方便电离子扩散，接地装置因此可紧密接触土壤。如此一来在降低接触电阻的同时，有助于提高散流通道的可靠性。4.2.2增设藕合地线毋庸置疑仅改善接地是很难有效预防频繁发生选择性雷击或者发生雷击频率较高的线路的雷击的。这些区域通常需要加设藕合地线且一般装于导线下方，这其中有部分线路为双避雷线，也可对应的在导线下面加装祸合地线(两条)。考虑到安装藕合地线往往需要反复设计、施工，所以通常不以藕合地线作为首要考虑的因素。这并不是说可忽视藕合地线。事实上基于实际的设计要求，而其它防雷措施又无法发挥作用时，则需要专门基于导线下方挂设藕合地线，从而提高线路的防雷水平。这些措施均能够显著的减少线路发生跳闸的机率。值得一提的是实际安装藕合地线往往受制于各种因素，比如地形地貌、交叉跨越、杆塔结构、停电时间等。基于此应结合如下要素合理进行此项防雷措施。认真校杆塔载荷。一般情况下将祸合地线架设于便于覆盖雷击的线路，考虑到所架设的长度非常长，所以杆塔的载荷也会发生相应的变化，杆塔时应保持谨慎的态度，尤其是在发生大风、覆冰等情况，更应有针对性的提高杆塔的加防措施，做好局部挂设。校核交叉跨越。正如下文所述通常在导线下方架设祸合地线，其与杆塔横担的距离通常为3.5至4.5米之间。所以应认真做好校核工作。具体需要校核的内容包括交叉跨越藕合地线，地距离、树木距离等等。判断这些参数是否达到规程要求。确保运行中不会存在任何威胁人身安全的情况，减少外力破坏的不力影响。校核电气距离。应基于规程要求合理设置导线与祸合地线两者间的电气距离，视情况升高架设，比如下方存在被交叉跨越物时。4.2.3加装线路避雷器众所周知在线路防雷方面线路型避雷器得到了普遍性的应用。虽说此种防雷措施有效性高、简便，但是同样存在昂贵的价格。因而在决定线路是否采取此类防雷措施时，需要综合考虑投入产出比。具体而言加装线路避雷器需要重点考虑如下问题：认真分析谈判易击点与易击败段，这是安装避雷器的前提条件。居高不下的成本决定着不可能普遍安装避雷器。基于此应统筹结合线路往年发生雷击的情况，划定具体杆塔及线路，并形成小范围覆盖安装。应尽量选择外串联间隙型避雷器。之所以要选择此类避雷器是有原因的。线路杆塔所处的环。所以应尽量选择方便维护的避雷器，以减少日后维护的不便之处。防反击与防绕击两者的具体安装位置及其数量存在差异性。所以在实际安装前应做好认真的分析。针对频频发生绕击的线路，即由于缺乏雷线保护角，可选择避雷器或者有针对性的提高线路的防反击能力。具体可结合如下策略进行安装：一般在普通单回线路的两侧各安装一只避雷器;可在处于山坡的杆塔安装一只避雷器，其通常安装于远离山坡外侧的区域；同杆双回输电线路，其避雷器一般安装于保护角较大的两侧；而如果处于山波，则同样在外侧(距离山坡较远)的下边、中各安装一只;针对易发生反击的单回线路，应合理选择安装位置，最好安装于三相上；结合一回三相法安装同杆双回线路。4.2.4改变线路绝缘配置依据关于绝缘配合、过电压保护交流电气装置的相关规定，针对输电线路电压等级在110kV以上的绝缘子其悬垂串上至少应有7片绝缘子数，如果线路为新建的则至少需要配置8片，另外耐张绝缘子串一般配置8，9片。绝缘子一般以钢化玻璃绝缘子为宜，其盘高通常可达到146mm以上。徐州110kV输电线中通常由玻璃绝缘子构成耐张塔、直线塔。瓷质绝缘子具有十分繁琐的测零工作，因而当前并未在线中得到普遍性应用。另外就徐州地区电网分析其各类特殊区域之中，瓷质绝缘子在变电站、高污染等相关区域中仍得到普遍运用，其运行比例较低，仅为5%以下。分析合成绝缘子的爬电距离可知，其一般为3150mm。也就是说爬电比距可达到2.8cmlkV；每串玻璃绝缘子通常会配置7-9片7至10T的片数。通常认为需要在设计线路的阶段就配置绝缘配置，同时在具体配置时还应充分考虑防雷及防污染等方面的要求。结合上文分析可知，绝缘子的增加有助于显著的降低发生反击跳闸数，而未见显著的减少绕击跳闸率。另外我们知道绕击跳闸是本论研究对象输电线的主要方式，因而不适宜增加绝缘子配置。绝缘子串加片将会对已经处于运行状态的线路产生较大的影响，其影响主要体现在电气距离以及弧垂直及高速附件、金具等各个方面。总之这些因素的存在进一步加剧了其施工的难度。所以一般以辅助措施，即除安装避雷器、改善接地外的措施，通过加片高影响较小的耐张跳线串、直线悬垂串。假设各多回线路、双回线路杆架的绝缘配置一致，且同时发生过跳闸的问题，则一般选择差异化绝缘方式，从而避免双回线路同跳。总结上文分析可知，明确所有线路的最小绝缘均符合要求，在向各回线路进行配置时采取不均衡配置的方法，这样一来杆塔在受到雷击后，杆塔电位升高，绝缘率较薄弱的区域将先被击穿网络，回路可因此而避免闪络，确保供电安全。4.2.5并联保护间隙技术众所周知绝缘子串闪络是雷击最为主要的破坏线路的方式。这里的绝缘子串闪络是由于工频电弧受绝缘子击穿而形成的。因而基于避免闪络对绝缘子串影响这一层面考量，非常有必要引入并联间隙技术从而减少雷击及其它不良的影响因素作为防雷技术，并联间隙技术具有疏导性，即可允许线路跳闸，但是此种跳闸并不会破坏设备，即非永久性故障。通过配合重合闸装置，即可实现送电。关联间隙装置基于正常运行的线路，可均匀化工频电场。雷击架空线路后，由于相较于绝缘串放电电压保护间隙所形成的冲击放电电压较小，所以其会先放电，因而形成工频电弧(持续燃烧)。电弧受电动力、热浮力的影响将不断向绝缘子串两级端部移动，并最终在电极端部燃烧。基于保护装置的线路发生跳闸，同时熄