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        淺談10kV架空配電線路的防雷保護(hù)

        2017-11-29 10:14:03洪雪燕洪澤均
        大陸橋視野·下 2017年12期
        關(guān)鍵詞:氧化鋅避雷器過(guò)電壓

        洪雪燕+洪澤均

        【摘 要】10kV架空配電線路電壓等級(jí)低,防雷方面和輸電線路有很大的不同。本文介紹了10kV架空配電線路的防雷措施

        【關(guān)鍵詞】10kV架空線路;雷害;防雷;氧化鋅避雷器

        引言

        10kV的配電線路,由于電壓等級(jí)低,絕緣裕度高、線路短、地處市區(qū)或城郊,受高大建筑的屏蔽,遭受直擊雷的概率比較低,一般不采取特殊的防雷措施。但是,若在山區(qū)或曠野等雷電活動(dòng)特別強(qiáng)烈的地帶,線路遭受雷擊的幾率高,可能造成絕緣子擊穿和導(dǎo)線燒斷事故,這時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,采取相應(yīng)的防雷措施來(lái)減少雷害。

        1.10kV架空配電線路

        10kV架空配電線路有架空裸導(dǎo)線和架空絕緣導(dǎo)線。架空配電線路采用絕緣導(dǎo)線,與裸導(dǎo)線相比,可以減小相間距離,防止相間短路,減少線路走廊,安全性比較好。與電纜相比,投資省、建設(shè)快,優(yōu)點(diǎn)特別明顯。但是,絕緣導(dǎo)線也有缺點(diǎn),就是雷擊斷線問(wèn)題。有關(guān)資料表明,絕緣導(dǎo)線在運(yùn)行中,其總故障數(shù)為裸導(dǎo)線故障總數(shù)的15.3%,故障數(shù)大幅下降;其中絕緣導(dǎo)線雷擊事故占總事故數(shù)的36.8%,而雷擊斷線率為96.8%。因此,架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線問(wèn)題是影響配電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素。

        架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線機(jī)理:架空絕緣線遭雷擊時(shí),雷電過(guò)電壓導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣層擊穿,擊穿通道通常只有針孔大,但是,當(dāng)雷電擊穿通道轉(zhuǎn)為工頻續(xù)弧,由于工頻續(xù)流的能量大,且由于絕緣層的阻礙作用,工頻續(xù)弧不會(huì)在導(dǎo)線表面滑動(dòng),而是固定在擊穿點(diǎn)燃燒,高溫弧根導(dǎo)致導(dǎo)線在斷路器跳閘前熔斷,熔斷點(diǎn)通常在距離線路絕緣子兩端30cm的距離內(nèi),因?yàn)檫@里的電場(chǎng)最強(qiáng)。

        2.架空配電線路的雷害

        架空配電線路的雷害有兩方面。

        一方面是雷直擊導(dǎo)線的直擊雷。雷直擊導(dǎo)線時(shí),產(chǎn)生的直擊雷過(guò)電壓由公式U=100I計(jì)算,I為雷電流幅值。10kV線路絕緣的沖擊耐壓按U50%=100kV來(lái)計(jì)算,則其耐雷水平的計(jì)算I=U50%/100=100/100=1kA,按我國(guó)大部分地區(qū)雷電流概率分布為lgP=-I/88的公式計(jì)算,出現(xiàn)雷電流I≥1kA的概率P=97.4%,也就是說(shuō),如果雷直擊10kV線路,100次的雷擊,10kV架空配電線路絕緣閃絡(luò)的概率高達(dá)97.4%。

        另一方面為感應(yīng)雷過(guò)電壓。雷擊線路附近的物體或雷擊線路桿塔,由于電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng),在線路上感應(yīng)出的過(guò)電壓稱感應(yīng)雷過(guò)電壓。當(dāng)雷電流I=20kA時(shí),感應(yīng)雷過(guò)電壓的計(jì)算公式U=Ih/2.6,假設(shè)雷電流為I=20kA,桿塔高度h=15m,則感應(yīng)雷過(guò)電壓為U=115kV,超過(guò)10kV線路的沖擊耐壓水平100kV,線路絕緣會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。按照l(shuí)gP=-I/88的公式計(jì)算,當(dāng)I≥20kA時(shí),P=53%,也就是說(shuō),10kV線路遭到感應(yīng)雷時(shí),線路絕緣閃絡(luò)的概率大約為53%。

        線路附近閃電在配電線路上感應(yīng)的過(guò)電壓多數(shù)小于300kV。屏蔽物體(如樹(shù)和建筑物)的高度和離配電線路的距離將影響線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的大小。

        3.架空配電線路防雷害的措施

        架空配電線路在防直擊雷方面,不架設(shè)避雷線,因?yàn)榕潆娋€路絕緣水平低,如果架設(shè)避雷線后,避雷線遭雷擊后容易反擊,防雷效果不好,況且架設(shè)避雷線成本太高。配電線路在防雷方面,主要采取以下措施:

        (1)提高線路的絕緣水平

        從感應(yīng)過(guò)電壓的數(shù)值分析結(jié)果知道,提高絕緣子的50%放電電壓,能大大提高線路的耐雷水平,降低雷擊跳閘率,因此建議更換針式支柱絕緣子為柱式支柱絕緣子或采用ZC-185、SC-185瓷橫擔(dān);嘗試使用硅橡膠合成絕緣子。加強(qiáng)局部絕緣(如增加絕緣導(dǎo)線的厚度)。

        (2)降低桿塔接地電阻

        當(dāng)雷擊桿塔時(shí),雷電流經(jīng)桿塔接地電阻流入大地,如果桿塔接地電阻高,雷電流在電阻上的壓降大,使桿塔絕緣子壓降增大,造成反擊。

        如果是線路避雷器動(dòng)作,雷電流經(jīng)桿塔接地電阻入地,如果桿塔接地電阻過(guò)大,雷電流在接地電阻上的壓降太大,使得導(dǎo)線電位升高,線路絕緣子壓降增大,造成閃絡(luò)。所以降低桿塔接地電阻可以提高線路絕緣的耐雷水平,減小線路雷擊跳閘率。

        在土壤電阻率低的地區(qū),應(yīng)充分利用鐵塔、鋼筋混凝土桿的自然接地電阻。在土壤電阻率高的地區(qū),當(dāng)采用一般措施難以降低接地電阻時(shí),可用多根放射形接地體,將接地電阻降低到30Ω以下。

        (3)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地

        在雷電活動(dòng)強(qiáng)烈、接地電阻又難以降低的地區(qū),中性點(diǎn)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地,消弧線圈可以抵消大部分單相接地電流,當(dāng)接地電流小于發(fā)弧電流時(shí),接地電弧會(huì)自動(dòng)熄滅,故障消除。在兩相或三相受雷時(shí),雷擊引起第一相閃絡(luò)并不會(huì)引起跳閘,先閃絡(luò)的導(dǎo)線相當(dāng)于地線,增加了分流和對(duì)未閃絡(luò)相的耦合作用,使未閃絡(luò)相絕緣上的電壓下降,從而提高了線路的耐雷水平。

        因此,10kV架空線常采用三角形排列,頂相做保護(hù)線。

        (4)線路絕緣子上安裝氧化鋅避雷器

        氧化鋅避雷器的工作原理:氧化鋅避雷器和線路絕緣子并聯(lián),當(dāng)線路正常工作時(shí),氧化鋅避雷器閥片電阻阻值很大,相當(dāng)于絕緣體,避雷器的存在對(duì)線路運(yùn)行沒(méi)影響;氧化鋅避雷器閥片對(duì)電壓敏感,當(dāng)線路電壓大于閥片起始動(dòng)作電壓(即U1mA,10kV系統(tǒng)氧化鋅避雷器U1mA大約為25kV)時(shí),閥片電阻驟降,閥片導(dǎo)通,把雷電流引入其接地裝置,并通過(guò)其接地裝置向大地泄流,使線路絕緣子壓降降低,保護(hù)線路絕緣。當(dāng)雷電過(guò)電壓降到起始動(dòng)作電壓以下,閥片又截止,恢復(fù)絕緣狀態(tài),沒(méi)有工頻續(xù)流。

        氧化鋅避雷器的閥片比傳統(tǒng)的SiC閥片有更好的非線性,如圖所示,閥片在中電場(chǎng)區(qū)域非線性系數(shù)只有0.015~0.05,比SiC避雷器的0.2小得多,這使得氧化鋅避雷器在通過(guò)的雷電流變化比較大的區(qū)域內(nèi)保持較穩(wěn)定、較低的殘壓,保護(hù)效果較好。

        4.帶外間隙氧化鋅避雷器在架空配電線路上的使用endprint

        配電線路防雷方面,比起架設(shè)避雷線或降低桿塔接地電阻,裝設(shè)氧化鋅避雷器成本要低得多,因此裝設(shè)氧化鋅避雷器是配電線路的主要防雷措施之一。

        氧化鋅避雷器有帶間隙和不帶間隙兩種,不帶間隙的氧化鋅避雷器,長(zhǎng)期在系統(tǒng)工作電壓的作用下,容易老化,閥片如果密封不嚴(yán)會(huì)受潮,工作電壓下的泄漏電流有功分量產(chǎn)生有功損耗,都會(huì)導(dǎo)致閥片劣化。無(wú)間隙氧化鋅避雷器由于避雷器質(zhì)量問(wèn)題或老化,雷擊或過(guò)電壓后擊穿,導(dǎo)致線路失地,該類型故障難以查找發(fā)現(xiàn)。所以線路上使用的氧化鋅避雷器大都是帶間隙的。

        帶外串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器,在線路正常工作的情況下,外間隙可以起到隔離工作電壓和閥片的作用。當(dāng)線路過(guò)電壓超過(guò)外間隙的擊穿電壓加上避雷器的起始動(dòng)作電壓(即U1mA)時(shí),外串聯(lián)間隙擊穿,同時(shí)避雷器導(dǎo)通,把雷電流引入其接地裝置,此時(shí)線路的電壓等于避雷器的殘壓,當(dāng)避雷器的殘壓小于線路絕緣的閃絡(luò)電壓,線路絕緣得到保護(hù)。

        串聯(lián)外間隙的氧化鋅避雷器其U50%是外間隙的U50%和閥片的U1mA的和,其數(shù)值不應(yīng)低于系統(tǒng)的操作過(guò)電壓和暫時(shí)過(guò)電壓。

        10kV架空導(dǎo)線加裝避雷器的基本原則:

        (1)對(duì)于雷擊跳閘率較高的架空裸導(dǎo)線的直線桿,安裝以高壓導(dǎo)線為電極的外串聯(lián)間隙避雷器,或安裝帶高壓金具電極的外串聯(lián)間隙避雷器。

        (2)對(duì)于雷擊跳閘率較高的絕緣導(dǎo)線的直線桿,安裝穿刺電極帶外串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器。當(dāng)雷電引起絕緣閃絡(luò)時(shí),接續(xù)的工頻短路電流電弧的弧根固定在穿刺電極上燃燒,直至線路斷路器跳閘以熄滅工頻續(xù)流,從而避免燒傷絕緣子和熔斷絕緣導(dǎo)線。

        (3)對(duì)于裸導(dǎo)線或絕緣導(dǎo)線的耐張桿,宜裝設(shè)帶支撐件的外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器。

        (4)對(duì)于安裝帶串聯(lián)間隙有困難的個(gè)別桿塔,可安裝無(wú)間隙的氧化鋅避雷器,但應(yīng)配脫離器,以便在避雷器損壞時(shí)自動(dòng)脫落,防止對(duì)線路運(yùn)行造成影響。

        (5)氧化鋅避雷器應(yīng)安裝在線路絕緣子的負(fù)荷側(cè),為達(dá)到較好的防雷效果,應(yīng)該整條線路的每基桿塔的每一相都要安裝。

        (6)對(duì)于既有線路,除配電變壓器、電纜頭,線路開(kāi)關(guān)兩側(cè)的桿塔要裝設(shè)人工接地裝置(接地電阻不大于30Ω)外,其他電桿可以不裝人工接地裝置。新建的線路桿塔要裝設(shè)人工接地裝置,且接地裝置要引出接地端子。

        5.泉州供電公司直供區(qū)配電線路的防雷

        2014年~2015年泉州供電公司直供區(qū)配網(wǎng)雷擊故障情況如表1:

        直供區(qū)2014年雷擊故障102次,涉及60回饋線,架空線路雷擊故障率5.01次/百公里,雷擊故障率最高為洛江8.3次/百公里,最低為泉港2.48次/百公里。

        直供區(qū)2015年1-6月雷擊故障41次,涉及31回饋線,架空線路雷擊故障率2.01次/百公里,雷擊故障率最高為洛江3.79次/百公里,最低為泉港0.99次/百公里。

        直供區(qū)雷擊故障主要發(fā)生在洛江片區(qū),約占直供區(qū)雷擊故障一半。

        存在問(wèn)題:泉港土嶺片區(qū)地形與洛江相似,但架空線路雷擊故障率相比洛江及其他區(qū)域低。

        主要原因:泉港架空線路瓷瓶已全部改造為瓷橫擔(dān)或柱式瓶,線路按照3~5根桿加裝一組避雷器。其他洛江、清濛、城區(qū)架空線路仍然存在PQ-15T、P-10T老舊瓷瓶,這些瓷瓶外部帶電部位與中心鐵腳絕緣層間距小,雷擊后瓷瓶易擊穿。除此,線路防雷設(shè)施不足,雷擊后線路易跳閘。部分線路避雷器接地電阻不符合要求,避雷器無(wú)法起到保護(hù)作用。

        從以上的分析可知,配電線路采用加強(qiáng)絕緣,安裝帶外間隙的氧化鋅避雷器,降低桿塔接地電阻,都有明顯的防雷效果。

        6.結(jié)束語(yǔ)

        福建省地處東南沿海,是雷電活動(dòng)的高發(fā)區(qū),10kV配電網(wǎng)主要承擔(dān)面向用戶輸送電能的任務(wù),該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)的地區(qū)復(fù)雜多樣,防雷設(shè)置應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)的雷電活動(dòng)情況,綜合采取防雷措施,不斷積累防雷經(jīng)驗(yàn),把架空線路的雷害降低到可接受的水平。

        參考文獻(xiàn):

        [1]洪雪燕、林建軍、王富勇編. 安全用電. 中國(guó)電力出版社,2008

        [2]張力主編. 高電壓技術(shù). 中國(guó)電力出版社,2008

        [3]張紅等主編. 高電壓技術(shù). 中國(guó)電力出版社,2006endprint

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