陳錫陽(yáng),尹創(chuàng)榮,楊挺,王偉然,葛棟,張翠霞,王獻(xiàn)麗,賀子鳴

(1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局,廣東省東莞市,523008;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京市,100192)

0 引言

由于雷擊造成的架空輸電線路故障,是架空輸電線路的主要故障類型之一,往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。架空輸電線路防雷工作經(jīng)過不斷的研究探索,雖取得了一定成效,但是,電網(wǎng)中由雷擊引起的故障仍占很大比例。我國(guó)近年來的架空輸電線路故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明雷擊故障仍占線路總故障的 70%左右。雷擊故障往往會(huì)造成線路絕緣破壞,甚至導(dǎo)致掉線等惡性事故,引起局部停電危及系統(tǒng)安全,不論從發(fā)生頻度,還是從產(chǎn)生的后果來看,雷擊故障仍然是影響電網(wǎng)安全的重要因素之一。

架空線路現(xiàn)有的防雷措施有:架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)絕緣、安裝線路型避雷器、加裝耦合地線、采用不平衡絕緣等。這些防雷保護(hù)措施的核心思想是盡可能地提高線路的耐雷水平,減少雷擊跳閘率。這些防雷思想歸納為“堵塞型”防雷保護(hù)方式。雷電是一種自然現(xiàn)象,隨機(jī)性大,“堵塞”雷擊閃絡(luò)意味著巨額投資,且技術(shù)上難以實(shí)施。因此,提出研究“并聯(lián)間隙防雷”這一“疏導(dǎo)型”防雷保護(hù)方式,其核心思想是允許線路有一定的雷擊跳閘率,采用間隙裝置并聯(lián)于絕緣子串旁,接閃雷電,疏導(dǎo)工頻電弧,避免絕緣子被電弧燒壞,雖有雷擊閃絡(luò),但重合閘能夠成功。把現(xiàn)有的“堵塞型”和將要研究的“疏導(dǎo)型”2種方式很好地結(jié)合起來,因地制宜地采用,必將使我國(guó)的輸電線路防雷保護(hù)工作邁上一個(gè)新臺(tái)階。

采用并聯(lián)間隙作為架空輸電線路的防雷保護(hù)措施是對(duì)現(xiàn)有防雷措施的有效補(bǔ)充,有著廣闊的應(yīng)用前景。21世紀(jì)初,中國(guó)電力科學(xué)研究院及多家網(wǎng)省公司開始全面開展絕緣子并聯(lián)間隙的研究,研制了相關(guān)產(chǎn)品,并已在多個(gè)省市掛網(wǎng)運(yùn)行,積累了寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),特別是在江蘇和北京經(jīng)過多個(gè)雷雨季的考驗(yàn),絕緣子并聯(lián)間隙運(yùn)行情況良好[1-6]。但上述研究主要是針對(duì)瓷絕緣子串的,復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙在我國(guó)還尚未大規(guī)模應(yīng)用。針對(duì)復(fù)合絕緣子加裝并聯(lián)間隙的問題,文獻(xiàn)[4]開展過相關(guān)的研究工作,研究了適合110,220 kV復(fù)合絕緣子防雷保護(hù)的 I型間隙裝置。

東莞地區(qū)地處我國(guó)南部,毗鄰南海,屬于低緯度亞熱帶季風(fēng)區(qū)。近幾年氣象部門統(tǒng)計(jì)年平均雷暴日在80天以上(雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的雷暴日更多),雷暴活動(dòng)劇烈,雷電強(qiáng)度大,系多雷區(qū)。東莞地區(qū)輸電線路多采用復(fù)合絕緣子,線路雷擊閃絡(luò)后,絕緣子及附件有損壞現(xiàn)象,特別是復(fù)合絕緣子的均壓環(huán)損壞情況嚴(yán)重。絕緣子并聯(lián)間隙可起到保護(hù)絕緣子及其附件的作用,但國(guó)內(nèi)并聯(lián)間隙尚未在雷電活動(dòng)如此強(qiáng)烈的地區(qū)得到應(yīng)用。國(guó)外并聯(lián)間隙在線路設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)使用,不適合直接照搬于東莞地區(qū),尤其是對(duì)已有線路安裝并聯(lián)間隙。

針對(duì)廣東東莞地區(qū)110 kV輸電線路遭雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流損壞絕緣子及其金具、導(dǎo)致線路事故的實(shí)際情況,開展了110 kV架空線路并聯(lián)間隙防雷保護(hù)裝置的研究。設(shè)計(jì)了多種并聯(lián)間隙防雷保護(hù)裝置。通過試驗(yàn)研究,驗(yàn)證其接閃雷電、疏導(dǎo)工頻續(xù)流、均勻工頻電場(chǎng)、保護(hù)絕緣子及金具的效果。經(jīng)過逐步優(yōu)化設(shè)計(jì),確定并聯(lián)間隙的電氣參數(shù)和外形尺寸,研制出樣品,并分別應(yīng)用于 5條 110 kV線路上。經(jīng)過 1個(gè)雷雨季的考核,并聯(lián)間隙運(yùn)行情況良好,起到了保護(hù)絕緣子的作用。

1 并聯(lián)間隙設(shè)計(jì)原則

并聯(lián)間隙的設(shè)計(jì)主要包括并聯(lián)間隙的招弧電極形狀和外形尺寸,間隙距離的確定和聯(lián)接金具的設(shè)計(jì)[7-10]。

1.1 并聯(lián)間隙招弧電極的形狀

招弧電極的基本形式可分為 2類:棒形和環(huán)形。前者為了改善端頭的電場(chǎng)分布,防止棒端燒損過快,可將端頭設(shè)計(jì)為小球或羊角形;后者是為了獲得明顯的均壓作用和較好地保護(hù)絕緣子。對(duì)于復(fù)合絕緣子,采用并聯(lián)間隙,不僅需考慮保護(hù)絕緣子和導(dǎo)線免受工頻電弧灼燒,還應(yīng)考慮是否滿足可見電暈和無線電干擾要求,是否改善絕緣子串電壓分布,之后才是其保護(hù)絕緣子免受工頻電弧灼燒的作用。從國(guó)外產(chǎn)品手冊(cè)可知,國(guó)外現(xiàn)有產(chǎn)品上招弧角多采用針型,下招弧角采用針型、橢圓型或是 U型。中國(guó)電力科學(xué)研究院以往的研究表明,招弧角形狀不同的間隙在雷電放電電壓(U50%值)與放電路徑方面,無明顯差別。

德國(guó)專家Lotar Mocks對(duì)電弧燃燒理論作了大量理論研究工作,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,試驗(yàn)證明:具有10 kA電流強(qiáng)度的電弧沿著絕緣串燃燒,當(dāng)短路時(shí)間大于0.5 s時(shí),對(duì)絕緣危險(xiǎn)較大。如果故障時(shí)間處于0.05～0.1 s之間,絕緣子串遭受損壞的概率是比較低的[11]。我國(guó)電網(wǎng)的最大短路電流越來越大,若短路電流電弧直接燒灼絕緣子,絕緣子被破壞的概率就越來越高。目前復(fù)合絕緣子大多帶有均壓環(huán),也可起到一定的保護(hù)作用。

但此種閉環(huán)均壓環(huán)或間隙裝置不具有快速轉(zhuǎn)移電弧弧根的能力。由于剛起弧時(shí),電弧就受到來自 2個(gè)方向的電流供電,這 2個(gè)方向的電流對(duì)電弧的作用力相反,這樣電弧弧根一開始沿環(huán)周的運(yùn)動(dòng)就相當(dāng)遲緩。當(dāng)電弧弧根運(yùn)動(dòng)到電流平衡點(diǎn)時(shí),弧根會(huì)在此靜止下來。當(dāng)然,這是理想的狀態(tài),電弧還受其他因素的影響,但弧根總體上有在電流平衡點(diǎn)附近緩慢移動(dòng)的趨勢(shì)?；「o止后,等離子流的噴射方向沿著電極表面是不穩(wěn)定的,弧根噴出的等離子流就有足夠的時(shí)間和機(jī)會(huì)去烘烤絕緣材料。也就是說,現(xiàn)在廣泛使用的閉環(huán)型均壓環(huán)或僅在高壓側(cè)安裝均壓環(huán)的方式具有部分引弧功能,但達(dá)不到并聯(lián)間隙的要求。

參考以往研究結(jié)果,可將直線串的高低壓招弧電極設(shè)計(jì)為開口環(huán)狀,而且開口環(huán)狀的設(shè)計(jì)還便于安裝和更換。

1.2 并聯(lián)間隙招弧電極的材料

并聯(lián)間隙招弧電極的電弧燃燒特性是選擇材料的決定性因素。目前,線路金具的常規(guī)材料有鋼、銅、鋁。

如果電極截面不變,在試驗(yàn)條件相同的情況下,電弧運(yùn)動(dòng)的速度只取決于材料。采用鋼材料電極上電弧的運(yùn)動(dòng)速度要比采用鋁材料上的高出 50%,而銅和鋁的情況則大體相同。鋁的熱耗比鋼高得多,在同樣的熱應(yīng)力下,不同電極在弧根燒灼的位置,鋁的金屬損耗要比鋼高 4～5倍。在弧根燒灼的位置,損耗的材料中的絕大部分并不是嚴(yán)格意義上的燒掉,而是以顆粒的形式被拋出。在鋁電極的短路試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后有大量的損耗掉的材料以氧化鋁的形式散落在地板上。

假設(shè)在 1根很長(zhǎng)的圓棒形電極頂端有溫度為2萬℃的弧根,則由此產(chǎn)生的溫度波就會(huì)以很快的速度由棒頂端朝著棒中溫度低的方向傳播,流入的熱量將和棒中由短路電流產(chǎn)生的熱量相疊加。溫度波的傳播速度取決于材料的導(dǎo)熱性能,在金屬導(dǎo)體中,銅和鋁比鋼可傳輸更多的熱量,且傳播速度更快,貫入棒中也更深入。由于強(qiáng)大的熱流進(jìn)入間隙裝置的電極中,溫度就會(huì)很快上升,容易達(dá)到材料的屈服點(diǎn)。在此前提下,間隙裝置由于電磁力的作用可能產(chǎn)生永久變形。

在間隙裝置所用的棒或管尺寸相同的情況下,其機(jī)械強(qiáng)度與材料強(qiáng)度成正比。鋁質(zhì)間隙裝置只有在采用更大的尺寸時(shí)才能達(dá)到與鋼質(zhì)間隙裝置相同的穩(wěn)定性。正因如此,鋁較之鋼在重量上的優(yōu)勢(shì)也就不那么明顯了。從材料的價(jià)格等因素考慮,銅等其他材料不適合于用作間隙裝置的材料。

考慮到防腐需要,熱鍍鋅鋼是制作架空線路并聯(lián)間隙招弧電極最合適的材料。

1.3 并聯(lián)間隙招弧電極的截面

并聯(lián)間隙應(yīng)可多次動(dòng)作而不損壞,這就要求其具有一定的熱穩(wěn)定性。招弧電極的截面決定了其熱穩(wěn)定性,截面的選擇受系統(tǒng)短路電路大小和短路持續(xù)時(shí)間影響。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、電網(wǎng)容量的增加和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,電力系統(tǒng)的短路容量也越來越大。若雷擊使得離變電站較近的桿塔閃絡(luò),則短路電流和母線處短路電流相差不大。若在此處安裝并聯(lián)間隙,招弧電極應(yīng)滿足短路電流的熱穩(wěn)定要求。

招弧電極的最小截面可參照接地裝置的熱穩(wěn)定校驗(yàn)所需符合的截面要求。由于均壓引弧環(huán)在制造過程中需鉆安裝孔,在鉆孔處會(huì)損失一部分金屬,為使鉆孔處也能滿足熱穩(wěn)定要求,需留有一定的裕度。而且招弧電極上的電弧由于熱動(dòng)力、電動(dòng)力等作用下高速運(yùn)動(dòng),會(huì)對(duì)招弧電極有機(jī)械作用力,留有裕度是十分必要的。

1.4 并聯(lián)間隙的幾何尺寸

為減小可聽噪聲以及提高電暈特性,并聯(lián)間隙的下招弧角(高壓側(cè))的位置需結(jié)合電場(chǎng)計(jì)算或可見電暈試驗(yàn)確定,并參照并聯(lián)間隙初步設(shè)計(jì)時(shí)線路雷擊跳閘率計(jì)算、電場(chǎng)分布計(jì)算的研究結(jié)果。

1.5 并聯(lián)間隙聯(lián)接金具的設(shè)計(jì)

在并聯(lián)間隙聯(lián)接金具(球頭、碗頭)的設(shè)計(jì)上,原則上盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件,再根據(jù)需要對(duì)某些金具進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。耐張串招弧電極的安裝不使用碗頭掛板,而將招弧電極直接安裝在聯(lián)板上。

1.6 并聯(lián)間隙的安裝原則

并聯(lián)間隙裝置在絕緣子上的布置應(yīng)合理,使得來自于鄰近電流路徑的電磁力有助于促使間隙裝置把電弧推離絕緣子。

對(duì)于直線塔的瓷絕緣子串或復(fù)合絕緣子,為避免電弧引起的相間或相對(duì)側(cè)梁短路,并聯(lián)間隙的招弧電極是順著導(dǎo)線放置。由于工頻大電流產(chǎn)生的電弧能量很大,弧根經(jīng)由下電極的端部吹出后,有時(shí)會(huì)迅速飄移到同方向的導(dǎo)線上,并繼續(xù)擴(kuò)散 3～4 m,但由于弧根移動(dòng)速度非?？?不會(huì)損傷導(dǎo)線。

對(duì)于耐張絕緣子串上的電弧,受熱動(dòng)力和電動(dòng)力共同作用下,電弧會(huì)向上飄移。則對(duì)于耐張絕緣子串的并聯(lián)間隙,僅在絕緣子串向上的一側(cè)安裝招弧角,以保證起弧點(diǎn)在耐張串上方,這樣電弧在向上運(yùn)動(dòng)的過程中就不會(huì)掠過耐張串絕緣子。

2 110 kV線路復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙設(shè)計(jì)方案

針對(duì)東莞地區(qū)110 kV輸電線路復(fù)合絕緣子安裝方式,設(shè)計(jì)了4種并聯(lián)間隙安裝方案(3種直線串安裝方案和 1種耐張串安裝方案),其結(jié)構(gòu)分別如圖 1、圖 2所示。直線串方案 1參照已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的角形招弧角進(jìn)行改動(dòng),保留復(fù)合絕緣子原有均壓環(huán);直線串方案 2采用環(huán)形招弧角替代原有均壓環(huán),招弧角同時(shí)起到均壓作用;直線串方案 1和方案 2都需更換改制的碗頭和球頭,直線串方案 3不必更換改制的球頭碗頭,采用角形招弧角直接固定在絕緣子上,為增大工頻電流通流能力,上、下電極均采用了引流線。耐張串并聯(lián)間隙利用三角連板操作孔安裝,不必解開耐張串,縮減了現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量。

3 并聯(lián)間隙的電氣性能試驗(yàn)

并聯(lián)間隙防雷保護(hù)裝置應(yīng)具有引導(dǎo)雷電放電、轉(zhuǎn)移疏導(dǎo)工頻電弧和均勻工頻電場(chǎng) 3種功能,而這 3種功能需通過電氣性能試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

3.1 雷電沖擊放電電壓及伏秒特性試驗(yàn)

安裝并聯(lián)間隙裝置后,雷電沖擊 50%放電電壓和雷電沖擊伏秒特性降低了15%～20%。這主要是由于并聯(lián)間隙裝置減小了絕緣距離,另外,并聯(lián)間隙端部為球頭,造成局部電場(chǎng)略微的畸變,會(huì)使放電電壓有所降低。間隙距離與雷電沖擊50%放電電壓值之間具有較好的線性關(guān)系。各并聯(lián)間隙的雷電沖擊伏秒特性曲線均在復(fù)合絕緣子的伏秒特性曲線之下,并聯(lián)間隙可起到在雷電過電壓下保護(hù)復(fù)合絕緣子的作用。

3.2 可見電暈和無線電干擾試驗(yàn)

當(dāng)工頻試驗(yàn)電壓升高到100 kV時(shí)(大于規(guī)定試驗(yàn)電壓87.6 kV),并聯(lián)間隙的上、下電極仍未見可見電暈。并聯(lián)間隙的可見電暈性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]要求。

在無線電干擾特性的試驗(yàn)中,當(dāng)工頻試驗(yàn)電壓升高到100 kV時(shí)(大于規(guī)定試驗(yàn)電壓87.6 kV),復(fù)合絕緣子用并聯(lián)間隙在1 MHz下的無線電干擾電壓分別為126和141μV,小于1 000μV規(guī)定值?？芍⒙?lián)間隙的無線電干擾性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]要求。

3.3 工頻電弧燃弧特性試驗(yàn)

工頻大電流燃弧特性試驗(yàn)驗(yàn)證了線路絕緣子雷擊閃絡(luò)過后,后續(xù)的工頻短路電流產(chǎn)生的電弧是否能被引導(dǎo)到并聯(lián)間隙裝置上,且電弧是否能夠固定在并聯(lián)間隙裝置的球頭位置燃燒,從而使絕緣子串免于灼燒。在模擬導(dǎo)線上有電弧燒蝕的痕跡,說明電弧在電動(dòng)力的作用下向電源外側(cè)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的110 kV并聯(lián)間隙裝置滿足設(shè)計(jì)要求。

4 并聯(lián)間隙的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

2010年 1月起東莞供電局陸續(xù)在 5條 110 kV線路上安裝了復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙,表 1為安裝情況列表。安裝線路選擇了同塔雙回(或多回)線路中的1回,實(shí)現(xiàn)了不平衡絕緣,還有利于降低雙回線路同時(shí)發(fā)生反擊跳閘的概率。經(jīng)過幾個(gè)月的運(yùn)行,這 5條線路已有 6次雷擊閃絡(luò),并聯(lián)間隙起到了保護(hù)絕緣子的作用。

表1 東莞110 kV復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙安裝情況Tab.1 Distribution of parallel gap installations for 110 kV composite insulator in Dongguan

圖3為2010年 6月26日110 kV元浦甲線雷擊跳閘后并聯(lián)間隙的閃絡(luò)點(diǎn),從圖中可見,復(fù)合絕緣子上無電弧燒灼痕跡,并聯(lián)間隙起到了保護(hù)絕緣子的作用。

圖3 110 kV元浦甲線復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙閃絡(luò)點(diǎn)Fig.3 Flashover point on parallelgap of composite insulator for 110 kV Yuan-Pu I line

安裝并聯(lián)間隙后,線路的耐雷水平有所下降,使得安裝并聯(lián)間隙的線路相對(duì)較容易發(fā)生跳閘,但由于并聯(lián)間隙的作用,線路絕緣子均未遭受損壞,線路重合成功,達(dá)到了絕緣子并聯(lián)間隙保護(hù)絕緣子及其附件的目的。特別對(duì)于同塔雙回線路,間隙設(shè)計(jì)合理,可以減少雙回線路同時(shí)雷擊跳閘的概率。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可較充分證實(shí)雷擊故障下安裝并聯(lián)間隙的絕緣子幾乎不受損傷,這可以為制定故障巡查策略提供參考,對(duì)減少山區(qū)雷擊故障巡線和更換絕緣子及其金具的工作量,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的 “并聯(lián)間隙防雷裝置”采用招弧角與絕緣子串并聯(lián),適用于 110 kV等級(jí)輸電線路復(fù)合絕緣子,使雷電沿間隙放電,疏導(dǎo)工頻電弧,保護(hù)絕緣子免于燒傷,適于工程應(yīng)用,該防雷方式是傳統(tǒng)輸電線路防雷保護(hù)措施的有力補(bǔ)充。

通過 1個(gè)雷雨季考核,110 kV復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況良好,起到了保護(hù)絕緣子的作用。

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