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        滇中配網(wǎng)雷擊隱患分析及防雷治理應(yīng)用實例

        2022-02-06 02:48:42李科瞿秋南
        云南電力技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:雷害避雷器過電壓

        李科,瞿秋南

        (云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明晉寧供電局,云南 昆明 650600)

        0 前言

        對于配電網(wǎng),線路跳閘一直是影響供電可靠性的重要因素,嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的供電可靠性。而由于歷史的原因,配電網(wǎng)的發(fā)展還很落后,在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、技術(shù)管理和運行維護(hù)上還有很多缺陷,導(dǎo)致配電網(wǎng)故障頻繁發(fā)生,尤其是在雷雨、大風(fēng)等惡劣天氣時配電網(wǎng)雷害事故更是頻繁,極大地影響了人民群眾的生產(chǎn)、生活的正常用電。雖然經(jīng)過農(nóng)網(wǎng)和城網(wǎng)改造后狀況有所好轉(zhuǎn),但在防止雷害事故,特別是防止雷擊跳閘事故方面并沒有發(fā)生根本的好轉(zhuǎn)。在雷電活動頻繁的地區(qū),雷害事故仍經(jīng)常發(fā)生,極大地影響了低壓電網(wǎng)的供電可靠性,影響了配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此,對配電網(wǎng)的防護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究,找出雷害事故頻發(fā)的原因,找出配電網(wǎng)在防雷措施和防雷設(shè)備上存在的缺陷和不足,提出改進(jìn)和完善措施是非常必要的[1]。

        1 滇中地區(qū)典型雷害區(qū)域配網(wǎng)現(xiàn)狀

        滇中高原淺切割的中山地帶及斷陷湖盆區(qū),海拔高度在1700~2700 m 之間,地形起伏大,地形地貌復(fù)雜。轄區(qū)內(nèi)10 kV 配電線路走廊經(jīng)過高山、山谷、農(nóng)田等高雷擊風(fēng)險區(qū)。另外,如圖1所示,山區(qū)線路的架設(shè)會不可避免地經(jīng)過河流山谷等需要跨越的地形,跨越桿塔檔距較大,大地屏蔽作用減弱,缺乏泄流通道。另外,從雷電監(jiān)測資料可得出結(jié)論,正極性的雷電流幅值、陡度隨著海拔的升高而增大,在海拔1000 m 以上為雷電頻次的最高值。且高海拔地區(qū)云層離地高度相對較近,也增加了落雷的機(jī)率。

        圖1 滇中高海拔配電網(wǎng)

        雷電直擊和雷電過電壓導(dǎo)致10 kV 配網(wǎng)線路設(shè)備損壞或斷路器跳閘,影響了該區(qū)域配電網(wǎng)的可靠運行,因此降低雷擊跳閘率,減少雷擊設(shè)備損壞,提高配電線路的綜合耐雷水平勢在必行。

        1.1 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雷害主要特點

        1)線路分布廣,線路走廊地理條件錯綜復(fù)雜,走廊周邊多處架設(shè)有基站或避雷針,與主網(wǎng)線路形成交叉跨越。當(dāng)雷擊中該段輸電線路、避雷針或基站時,落雷點周邊產(chǎn)生電場畸變,在線路上形成感應(yīng)過電壓,危害配網(wǎng)線路運行[2],如圖2、3 所示。

        圖2 配網(wǎng)線路通道附近的通信基站

        圖3 配網(wǎng)線路與主網(wǎng)線路平行架設(shè)

        2)城鎮(zhèn)化和產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)的加快,線路占地越來越緊張,傳統(tǒng)的架空裸導(dǎo)線逐步改造為絕緣線和電纜,絕緣線的使用大幅度降低了瞬時性短路故障,但對絕緣線耐雷水平低的弱點考慮不充分,常發(fā)生斷線事故。

        3)目前滇中地區(qū)的年均雷暴日大于40 d,屬于多雷區(qū),雷電的影響對配電線路安全可靠運行尤為突出。

        1.2 雷害的主要原因分析

        1)滇中配網(wǎng)線路雷害區(qū)域大部分處于山區(qū)和空曠地。山區(qū)主要分布在山頂、山坡迎風(fēng)面上和山體夾溝的迎風(fēng)帶中,地理及線路布置因素是配電線路易遭受雷擊的主要因素。

        2)只注重架空絕緣線的優(yōu)勢(一是解決“樹線矛盾”的有效性,二是較少相間距離和占用空間少帶來的經(jīng)濟(jì)性,三是施工簡單和建設(shè)周期短的便捷性),而對其耐雷水平差的弱點考慮甚少,導(dǎo)致絕緣線雷擊斷線時有發(fā)生。

        3)防雷手段單一且適用性差。主要采用分區(qū)段安裝避雷器,在安裝避雷器的同時,對主干線、分支線、柱上配電變壓器絕緣水平配置考慮不到位,形成配電線路“見子打子”的局面長期存在,防雷綜合技術(shù)欠缺。

        4)設(shè)備老化,耐雷水平降低。防雷設(shè)計、絕緣匹配不合理。

        5)運行維護(hù)不到位。主要體現(xiàn)在以下兩方面:一是大多數(shù)線路上的避雷器長期運行,定期輪換執(zhí)行不到位,常發(fā)生永久性故障或設(shè)備損壞。二是線路設(shè)備狀態(tài)檢修落實不到位,絕緣弱點不能及時消除,耐雷水平下降,雷擊跳閘率上升。

        1.3 雷害重點區(qū)域配網(wǎng)防雷措施現(xiàn)狀

        1)絕緣子老舊,采用大量針式絕緣子,針式絕緣子在結(jié)構(gòu)上有著致命的缺陷,絕緣子內(nèi)部的鋼腳螺栓與導(dǎo)線直線距離十分小(圖4紅色部分),容易發(fā)生內(nèi)部擊穿,而針式絕緣子在內(nèi)部擊穿后是極難發(fā)現(xiàn)的。每當(dāng)遇到小雨、大霧等天氣時,水汽會滲入到擊穿的縫隙,絕緣水平急劇下降,引起短路跳閘。

        圖4 針式絕緣子實物圖與剖面圖

        2)防雷設(shè)備布置不合理、施工工藝不達(dá)標(biāo)。零星安裝了帶空氣間隙的防雷絕緣子,以及極少數(shù)桿塔安裝有跌落式避雷器作為線路保護(hù)用。單一防雷裝置的保護(hù)范圍是有限的,且落雷具有一定的隨機(jī)性,若采用零星安裝方式,防雷效果微乎甚微。圖5所示防雷絕緣子,設(shè)計的放電路徑為C,若絕緣子安裝在連接板中間或引弧棒球頭朝向有誤,因為A的距離比C小,過電壓通過防雷絕緣子時放電路徑很可能為A,此時絕緣子的動作電壓降低,絕緣子折斷電弧的能力下降,降低絕緣子使用壽命,增加線路跳閘幾率。

        圖5 安裝不合理的防雷絕緣子示意圖

        圖6所示力矩螺母上半部分應(yīng)脫離掉落,則可能出現(xiàn)穿刺線夾咬合不深,且長期運行狀況下線路風(fēng)擺也易導(dǎo)致絕緣子放電回路無法與導(dǎo)線形成穩(wěn)定的電氣連接。若穿刺線夾咬合不到位,則線夾鈍齒與導(dǎo)線之間存在間隙。雷擊放電時,線夾與導(dǎo)線之間的間隙會產(chǎn)生電弧,電弧的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)線的熔點,會導(dǎo)致導(dǎo)線在咬合不當(dāng)處斷線。

        圖6 防雷絕緣子穿刺引發(fā)斷線故障點

        3)桿塔接地不合格。地形條件復(fù)雜,桿塔所處位置土壤電阻率高,桿塔及設(shè)備接地電阻高或接地裝置導(dǎo)通性差,導(dǎo)致落雷時接地電位上升,致使較大雷電流侵入時發(fā)生反擊,引發(fā)絕緣子閃絡(luò)。

        2 配網(wǎng)線路防雷的差異性

        圍繞著配電線路的雷害整治,雖采用了種類繁多的防雷舉措,但雷擊率仍然居高不下,不同地貌、不同環(huán)境、不同地閃密度雷擊故障情況也不同。

        2.1 配網(wǎng)線路防雷的差異性

        雷擊配電線路故障分布存在的差異。雷擊故障按照線路通道地貌、周邊環(huán)境分布情況來看,雷擊故障與周邊地貌和環(huán)境因素有關(guān)系。從地貌方面看雷擊故障(如圖7所示)主要發(fā)生在山腳(上山處)和山頂(下山處)。從環(huán)境因素(如圖8所示)來看雷擊故障主要發(fā)生在通信基站、水源地、礦場附近。同時查看地閃密度分布圖,相同時間內(nèi)各街道辦、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的雷電活動存在較大差異。大部分地閃密度處于C1 級,少數(shù)處于B2 級。這對評估線路通道內(nèi)地閃密度在防雷治理中不可或缺,是配電線路防雷線路耐雷水平評估中需采集的要素。

        圖7 配網(wǎng)雷擊故障地形統(tǒng)計分布

        圖8 配網(wǎng)雷擊故障周圍環(huán)境統(tǒng)計分布

        2.2 配電線路結(jié)構(gòu)特征參數(shù)存在差異

        1)配電線路雷擊過電壓的差異。配電線路雷擊過電壓分為直擊雷和感應(yīng)雷過電壓,直擊雷過電壓時,將有強(qiáng)大的雷電流通過被擊中的桿塔流入地面,同時產(chǎn)生很高的電壓降;雷擊配電線路附近的大地,在線路上產(chǎn)生由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓為感應(yīng)過電壓。盡管相關(guān)文獻(xiàn)表明,直擊雷不是10 kV 架空配電線路雷擊引起故障的主要原因,配電線路設(shè)備遭受直擊雷過電壓的概率也相對較小,但在配電線路差異化防雷評估中,除了正常通道線路主要考慮感應(yīng)雷過電壓,在特殊區(qū)段內(nèi)還是不能排除直擊雷的影響(特別是在多山區(qū)的云南)。

        2)配電線路絕緣配合存在的差異。目前,針式絕緣子、懸式絕緣子在配電線路中使用較多,按照防雷公式計算,若雷電幅值為100 kA,線路到雷擊點的距離為100 m,線路平均對地距離為10 m 時,在沒有任何防雷措施時,感應(yīng)雷過電壓的最大值約為250 kV,針式絕緣子和XP-70 沖擊閃絡(luò)電壓與片數(shù)的關(guān)系,配電線路極其易發(fā)生閃絡(luò)、擊穿、甚至斷線或設(shè)備損壞。

        3)配電線路桿塔及線路排列結(jié)構(gòu)存在的差異。配電線路以水平、垂直和三角排列居多,線路的對地距離的差異在一定程度上影響了感應(yīng)雷過電壓的大小,另外桿塔的高度對配電線路耐雷水平也有影響。隨著桿塔與雷擊點之間距離的增大,感應(yīng)雷過電壓的幅值有降低的趨勢;假設(shè)在桿塔與雷擊點之間距離不變的情況下,桿塔越高,感應(yīng)雷過電壓的幅值有升高的趨勢,引起線路閃絡(luò)所需的雷電流幅值越小,說明線路耐雷水平就越低[3-4]。

        4)配電線路防雷措施實施存在的差異。配電線路的防雷保護(hù)包括裸線和絕緣線的防雷保護(hù)。裸線的防雷措施主要有加強(qiáng)絕緣、裝設(shè)線路避雷器、降低桿塔的接地電阻、裝設(shè)自動重合閘裝置、架設(shè)避雷線等;鑒于絕緣線易斷線的弱點,防止斷線的主要防護(hù)措施基于“疏導(dǎo)型”和“堵塞型”開展[5],其他還有在絕緣子兩側(cè)局部加強(qiáng)絕緣、采用長閃絡(luò)路徑避雷器及其他基于降低工頻電弧建弧率的金具等。在配網(wǎng)中裸線、絕緣線和電纜混合輻射也十分常見,但在防雷運用時沒有綜合考慮。

        3 差異化配網(wǎng)防雷治理措施

        結(jié)合雷擊配電線路故障差異化分析以及線路實際情況確定重點雷害區(qū)域,針對區(qū)域內(nèi)的配電線路由主到次?;凇笆鑼?dǎo)型”和“堵塞型”防雷技術(shù)[3],先特殊再重點進(jìn)而一般的順序結(jié)合現(xiàn)有的防雷技術(shù)手段開展防雷治理。主要原則為摸清狀況,整合資源,效果匹配。針對轄區(qū)雷擊跳閘和斷線頻發(fā)的中壓配網(wǎng)線路梳理雷電的導(dǎo)流點,通過歷史斷線情況、地理位置、落雷情況、桿塔接地情況等,確定每條線路各個桿段的需要優(yōu)化布置的“防雷措施”。根據(jù)實際情況確定各重點中雷區(qū)及以上區(qū)域10 kV 線路的防雷治理方案。

        3.1 雷害頻發(fā)、高危區(qū)段治理措施

        雷害頻發(fā)、高危區(qū)段(歷史頻發(fā)、高山頂、大跨越、大海拔落差區(qū)段),基于“疏導(dǎo)型”和“堵塞型”并重的組合型防雷,采取架設(shè)架空避雷線;強(qiáng)化線路絕緣(針式絕緣子更換為瓷柱式絕緣子、存量已損傷的絕緣子,酌情合理選擇雷電沖擊耐受電壓的絕緣子);一定密度配置線路間隙避雷器,其中絕緣導(dǎo)線區(qū)段間隔4-5 桿段,裸導(dǎo)線區(qū)段間隔10 桿段,避雷器標(biāo)稱電流酌情可由5 kA 改為10 kA;間隔4-5 桿段強(qiáng)化桿塔接地電阻;裸導(dǎo)線區(qū)段間隔10 桿段合理配置防雷絕緣子。注意間隙擊穿電壓與絕緣子雷電沖擊耐受電壓的匹配。

        優(yōu)點:防范直擊雷,降低線路感應(yīng)雷過電壓,防范絕緣閃絡(luò),線路間隙避雷器阻斷工頻續(xù)流防止絕緣導(dǎo)線斷線。配置間隙設(shè)置絕緣薄弱點有效泄流。

        缺點:造價高,施工難度大,停電時間長,3 km 以內(nèi)分段實施。

        3.2 近基站、近水源、近大線路區(qū)段治理措施

        近基站、近水源、近大線路區(qū)段首先強(qiáng)化線路絕緣更換針式絕緣子,絕緣導(dǎo)線區(qū)段間隔4-5 桿段配置線路間隙避雷器為主,防范直擊雷標(biāo)稱電流酌情可由5 kA 改為10 kA,裸導(dǎo)線區(qū)段一定密度配置防雷絕緣子,線路間隙避雷器適當(dāng)放寬距離。間隔4-5 桿段強(qiáng)化桿塔接地電阻,以防范感應(yīng)雷過電壓為主,注意間隙擊穿電壓與絕緣子雷電沖擊耐受電壓的匹配。

        優(yōu)點:防范感應(yīng)雷,施工容易,效果顯著。

        缺點:防范直擊雷能力有限,大量線路避雷器增加運維難度。

        3.3 一般線路區(qū)段治理措施

        一般線路區(qū)段強(qiáng)化線路絕緣更換針式絕緣子,間隔4-5 桿段強(qiáng)化桿塔接地電阻,絕緣導(dǎo)線區(qū)段按耐張段配置線路間隙避雷器,裸導(dǎo)線區(qū)段按耐張段配置防雷絕緣子或線路間隙避雷器,注意間隙擊穿電壓與絕緣子雷電沖擊耐受電壓的匹配。

        優(yōu)點:經(jīng)濟(jì)性好,施工容易快捷。

        缺點:防雷效果有限。

        3.4 成功案例

        位于昆明市晉寧區(qū)的10 kV 大營線基本涵蓋了滇中地區(qū)的地質(zhì)地貌特點,該線路走廊同時囊括了影響雷害內(nèi)外部主要因素,同時該線路故障屬于昆明供電局排名前3 的高故障線路,也是雷擊災(zāi)害發(fā)生的重點線路。2019年9月-2020年5月10 kV 大營線以上述方法開展差異化防雷治理,如圖9和圖10所示。

        圖9 10 kV大營線差異化防雷治理1

        圖10 10 kV大營線差異化防雷治理2

        如表1所示,2017年1月-2022年10月10 kV 大營線雷擊故障占比43%,排在故障原因第一位,影響3576 時·戶,每年故障高峰出現(xiàn)在7-9月,經(jīng)過2020年5月防雷治理完成后前后對比,2022年11月10 kV 大營線雷擊故障影響時戶由1597 時·戶減少至71 時·戶。防雷治理效果顯著。

        表1 10 kV大營線2017年-2022年故障分析

        4 結(jié)束語

        本文從配網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雷害主要特點、雷害的主要原因分析滇中地區(qū)了典型雷害區(qū)域配網(wǎng)現(xiàn)狀。同時介紹了滇中配電網(wǎng)周邊地貌和環(huán)境因素的雷擊故障分布情況以及配網(wǎng)雷擊故障在配電線路結(jié)構(gòu)特征參數(shù)狀態(tài)下存在差異。提出了滇中地區(qū)的配網(wǎng)差異化防雷治理措施,給配電網(wǎng)長期遭受雷害困擾的供電企業(yè)提供一種差異化的防雷治理模式。

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