韓秋健 李 毅 蔡鴻吉
(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局,廣西 柳州 545000)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求的增長(zhǎng),電力工程的規(guī)模不斷擴(kuò)大,高壓輸電線路的建設(shè)也越來越普及[1]。然而,在輸電線路的日常運(yùn)行中,雷電是不可避免的自然災(zāi)害之一,精確地評(píng)估輸電線路的雷電防護(hù)性能,并采取有效的防護(hù)措施,能夠有效保障輸電線路的安全運(yùn)行和設(shè)備的正常使用[2]。目前,對(duì)于高壓輸電線路的雷電防護(hù)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。大多數(shù)研究是基于理論模擬和實(shí)際場(chǎng)測(cè)相結(jié)合的方式,減少了傳統(tǒng)場(chǎng)地試驗(yàn)的成本和投資,提高了研究的效率和準(zhǔn)確性[3]。然而,隨著輸電線路電壓等級(jí)的逐步提高和線路環(huán)境的復(fù)雜性增加,對(duì)于新型輸電線路的雷電防護(hù)性能仍需進(jìn)一步展開研究。
本文選取高電壓等級(jí)的±800 kV輸電線路為研究對(duì)象,通過理論分析和模擬計(jì)算,從地面傾角、工作相位、塔型和塔高、地線保護(hù)角等方面對(duì)輸電線路的雷電繞擊防護(hù)方案進(jìn)行了研究,探討了影響輸電線路耐雷性能的關(guān)鍵因素,通過實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析,得到了雷電繞擊防護(hù)優(yōu)化方案。
雷電是大自然中一種非常常見的自然災(zāi)害,通常出現(xiàn)在高溫、高濕等大氣環(huán)境中。雷電所引起的問題很多,當(dāng)在輸電線路中發(fā)生時(shí),將會(huì)帶來一系列的危害。在輸電線路中,雷電侵襲主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)設(shè)備損壞:雷電繞擊會(huì)產(chǎn)生高電壓脈沖,容易對(duì)輸電線路設(shè)備造成損壞,例如燒毀電纜、斷路器、開關(guān)等。
(2)電力系統(tǒng)故障:雷電繞擊會(huì)引起電力系統(tǒng)瞬時(shí)過電壓,可能導(dǎo)致輸電線路短路、跳閘等故障,影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
(3)安全事故:雷電繞擊可能會(huì)引起火災(zāi)、爆炸等安全事故,危及人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。
(4)經(jīng)濟(jì)損失:輸電線路遭受雷電繞擊后,需要維修和更換設(shè)備,會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí),電力系統(tǒng)故障可能會(huì)導(dǎo)致停電或停產(chǎn),給企業(yè)和社會(huì)帶來不良影響。
綜上,輸電線路雷電繞擊時(shí),如果能量過于巨大,可能會(huì)直接損壞輸電設(shè)備和附屬設(shè)備,造成財(cái)產(chǎn)損失,同時(shí)也可能給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來威脅。即使在未造成直接損壞的情況下,雷電侵襲也容易對(duì)輸電線路及其設(shè)備產(chǎn)生間接影響,如引發(fā)機(jī)械故障、縮短設(shè)備壽命等,對(duì)輸電線路生產(chǎn)、運(yùn)行造成嚴(yán)重影響,甚至導(dǎo)致局部區(qū)域的大面積停電,危及公共生活和經(jīng)濟(jì)秩序。
輸電線路雷電繞擊的機(jī)理是由于雷電云與地面間存在電勢(shì)差,空氣中的電荷會(huì)通過空氣中的電離和擊穿機(jī)制來形成閃電,而閃電通常會(huì)通過大氣中的最短路徑來釋放電荷,可能會(huì)擊中輸電線路[4]。當(dāng)閃電擊中輸電線路時(shí),電流會(huì)以極快的速度通過導(dǎo)線傳輸,產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng),從而在輸電線路中產(chǎn)生高電壓脈沖,這些高電壓脈沖可能會(huì)對(duì)輸電線路中的設(shè)備和元件造成損壞,導(dǎo)致設(shè)備燒毀或損壞[5]。此外,由于輸電線路長(zhǎng)距離輸送電能,電線和地面之間的電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng),這種靜電場(chǎng)也會(huì)引起雷電繞擊。因此,在設(shè)計(jì)輸電線路時(shí),需要采取相應(yīng)的防雷措施,以減少雷電繞擊對(duì)輸電線路的影響。不僅如此,雷電繞擊還可能引發(fā)電磁感應(yīng)效應(yīng),這將增加線路中的電壓和電流,從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。輸電線路在雷電天氣下具有非常復(fù)雜的電磁響應(yīng)特性,因此需要制定可靠的防護(hù)措施。
輸電線路主要由導(dǎo)線、塔架、絕緣子和接地系統(tǒng)等組成。其中,導(dǎo)線是輸送電能的核心部件,塔架是支撐和固定導(dǎo)線的主要結(jié)構(gòu)部件,絕緣子是導(dǎo)線與塔架、地面之間的電介質(zhì)隔離部件,接地系統(tǒng)則是將輸電線路接地,形成電地聯(lián)通[6]。
(1)導(dǎo)線直徑、高度和間距等幾何參數(shù):導(dǎo)線的直徑、高度和間距是影響導(dǎo)線自身放電特性和與周圍環(huán)境相互作用的關(guān)鍵因素,其參數(shù)設(shè)置對(duì)于導(dǎo)線的耐雷性能有著重要影響。
(2)絕緣子形式、材料和結(jié)構(gòu)參數(shù):絕緣子的種類、材料以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于防止導(dǎo)體與接地的介質(zhì)直接接觸或擊穿故障的發(fā)生具有重要作用。
(3)接地電阻值和接地方式:接地引線、接地網(wǎng)、電感耦合等接地方式的設(shè)立直接關(guān)系到線路終端處的大地電勢(shì),對(duì)于線路的耐雷性能有著重要影響。
(4)氣象環(huán)境參數(shù):雷電活動(dòng)頻度、平均電場(chǎng)強(qiáng)度等氣象環(huán)境參數(shù)直接影響著輸電線路的雷電繞擊情況,是輸電線路耐雷性能評(píng)估的重要參數(shù)[7]。
地面傾角的變化會(huì)影響特高壓輸電線路的雷電繞擊特性。當(dāng)?shù)孛鎯A角變化較大時(shí),線路的繞擊頻率會(huì)發(fā)生變化,繞擊頻率的變化會(huì)導(dǎo)致線路的振動(dòng)特性和傳輸特性發(fā)生變化,對(duì)線路的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性產(chǎn)生影響。針對(duì)繞擊概率最高的±800 kV正極性導(dǎo)線,分別選取0°、+8°、-8°和-15°保護(hù)角進(jìn)行雷電繞擊閃絡(luò)率統(tǒng)計(jì)分析,如圖1所示。
圖1 不同地面傾角下±800 kV輸電線路正極性導(dǎo)線繞擊閃絡(luò)率
通過圖1可以看出,地面傾角對(duì)±800 kV輸電線路正極性導(dǎo)線的繞擊特性影響較大,負(fù)保護(hù)角的增加明顯減弱了地面下導(dǎo)線屏蔽作用,擴(kuò)大了繞擊電流范圍。為此得出結(jié)論:±800 kV輸電線路繞擊跳閘頻率隨地面傾角的增加而增大。
3.2.1 工作相位對(duì)繞擊振動(dòng)的影響
工作相位是指輸電線路兩個(gè)相間電纜的電壓相位差,通常為0°、180°、270°、360°。在雷電天氣下,工作相位的不同會(huì)影響輸電線路的繞擊振動(dòng)。當(dāng)工作相位為0°和360°時(shí),線路的繞擊振動(dòng)較??;當(dāng)工作相位為180°時(shí),線路的繞擊振動(dòng)較大。因此,工作相位的不同會(huì)影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性。
3.2.2 工作相位對(duì)繞擊頻率的影響
工作相位的變化還會(huì)影響輸電線路的繞擊頻率,當(dāng)工作相位變化時(shí),線路的繞擊頻率會(huì)發(fā)生變化。對(duì)±800 kV高壓塔在0°、90°、180°、270°、360°等不同相位下的繞擊跳閘率進(jìn)行仿真評(píng)估,結(jié)果如圖2所示。
圖2 不同工作相位下±800 kV線路繞擊跳閘率
從圖2中可以看出,工作相位90°、270°時(shí),線路繞擊閃絡(luò)率幾乎等于0?!?00 kV線路在工作相位0°~180°正半周繞擊閃絡(luò)率呈下降趨勢(shì);在工作相位180°~360°負(fù)半周繞擊閃絡(luò)率呈上升趨勢(shì),即跳閘率高。
塔上絕緣子和導(dǎo)線的布置、保護(hù)角度和高度都會(huì)影響繞擊跳閘率。實(shí)際上,絕緣子和導(dǎo)線排列布置主要通過保護(hù)角起到相關(guān)作用。
±800 kV線路絕緣子和導(dǎo)線排列方式如圖3所示。相同塔高、保護(hù)角和絕緣子的M型排列布置與3V型排列布置相比,M型排列布置繞擊跳閘率比3V型排列布置小。而M型與3V型導(dǎo)線三角形排列與水平排列對(duì)比,3V型三角形排列的繞擊閃絡(luò)率更小。如此,可以得出結(jié)論,塔的高度和保護(hù)角度對(duì)繞擊特性有顯著影響。如果塔形高,保護(hù)角度大,大地與地線之間的屏蔽作用會(huì)減弱,增加繞擊的可能性。因此,需要通過驗(yàn)證來保證鐵塔防繞擊性能。
圖3 ±800 kV線路桿塔絕緣子及導(dǎo)線排列型式
架空地線是±800 kV線路常常采用的一種防雷手段,而地線保護(hù)角是影響架空地線對(duì)導(dǎo)線保護(hù)屏蔽性能的重要因素[8]。通過圖4不同保護(hù)角下±800 kV線路繞擊跳閘率可以看出,保護(hù)角小于0°時(shí),雷電繞擊閃絡(luò)率很低,即在負(fù)保護(hù)角時(shí)防繞擊性能較好,而在正保護(hù)角時(shí)繞雷擊閃絡(luò)概率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。
本文針對(duì)±800 kV輸電線路在雷電環(huán)境中的防護(hù)問題,通過評(píng)估不同工況下輸電線路的耐雷性能,探討了對(duì)其影響的關(guān)鍵因素,并對(duì)±800 kV輸電線路進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試對(duì)象包括輸電線路的地面傾角、工作相位、塔型和塔高、地線保護(hù)角等。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,找到了有效、實(shí)用的雷電繞擊防護(hù)優(yōu)化方案。