輸電線路防雷改進措施的研究

輸電線路防雷改進措施的研究

電網中的事故以輸電線路的故障占大部分，輸電線路的故障又以雷擊跳閘占的比重較大，尤其是在山區的輸電線路中，線路故障基本上是由于雷擊跳閘引起的，據運行記錄，架空輸電線路的供電故障一半是雷電引起的，所以防止雷擊跳閘可大大降低輸電線路的故障，進而降低電網中事故的發生頻率。經多年摸索，我國的輸電線路防雷基本形成了一系列行之有效的常規防雷方法，如降低接地電阻、架設避雷線、安裝自動重合閘等，但是對于一些山區線路，雷害十分頻繁，降低接地電阻又極其困難，而且費用高、工作量大，效果也受到一定的限制。由于近些年110 kV及以上電壓等級的合成絕緣外套金屬氧化物避雷器的研制成功，為解決線路的防雷提供了一種新的手段。華北電網內雷電活動頻繁的兩個地區之一的承德供電局內一條110 kV輸電線路——壽遵110 kV線路，該線路經過高山大嶺的一段桿塔，在雷雨季節經常遭受雷擊，造成線路跳閘，為了解決這個問題，在該線路129號～167號桿塔上共安裝了20只合成絕緣外套金屬氧化物避雷器，經過一年多的運行實踐和一系列的帶電監測研究，證明這種改進的防雷措施對于山區線路的防雷是經濟、有效的。

1　線路的基本情況及改造情況
1.1　壽遵線路的基本情況
　　承德地區位于燕山山脈深處，高山大嶺約占40%，雷電活動非常頻繁，年雷電日在40日以上，每年由于雷擊而引起的故障占全年運行故障的60%左右。壽遵110 kV線路全長49.40 km，導線均無換位，平地占13.2%，一般山地占53.1%，高山大嶺占33.7%。壽遵線是承德地區與電網的聯絡線，位置重要，該線路又是承德地區雷擊事故較多的線路之一，由于這些桿有近一半在山頂上，所以雷擊點的查找以及瓷瓶串的更換極其困難，工作量很大。
　　據資料介紹，雷擊是有選擇性的。220 kV新(安江)杭(州)一回全長119.4 km，于1960年9月28日投運，自1962年起在線路上安裝了大量的磁鋼棒進行測量記錄，通過1962年至1988年的雷電流幅值記錄和1961年至1994年的線路雷擊跳閘率分析指出，雷擊是有選擇性的，線路全長一半左右無雷擊記錄，多雷區和易擊點約占全線的三分之一，加強多雷區和易擊點的防雷措施能顯著降低雷擊跳閘率。所以我們決定在壽遵線129號～167號桿上安裝避雷器，以降低該線路的雷擊跳閘率。
1.2　壽遵線路129～167號桿的改進情況

1.2.1　接地的改善

129號～167號桿中接地電阻值高的桿塔共有11基：129、133、134、138、139、145、154、158、162、165、167號，見表1。此段桿塔高山大嶺占42%，一般山地占49%，平地占9%；我們對該段的接地進行了改善，重新埋設了接地引下線，對于接地土壤不好的采取了換土措施，較嚴重的采取了埋設連續伸長接地體的措施，工程實施后輸電桿塔的接地電阻有了明顯的降低，如表2所示

表1　11基桿塔接地電阻值高的情況

表2　11基桿塔改造前后接地電阻值的比較Ω

1.2.2　外絕緣的改善

　　對于這一段線路中所有的零值瓷瓶進行了更換，并且對所有的直線桿塔(保證對地距離足夠的條件下)每相增加一片絕緣子，改為采用8片 XP-7絕緣子。實施后的絕緣子爬電距離(下稱爬距)、泄漏比距(下稱泄比)與實施前的對照表參見表3，從表中可以明顯看到線路的絕緣水平有較大幅度的提高。

表3　改造前后爬距、泄比對照表

2　避雷器的選擇及參數的確定

2.1　避雷器的選擇

2.1.1　選擇復合絕緣外套氧化鋅避雷器
　　由于常用的避雷器是瓷外套，比較重，安裝不便，使用在線路上有一定的局限性，而且如果發生爆炸，它的碎片將危及臨近絕緣子的運行安全，所以必須選擇一種比較適合于線路上使用的避雷器。
　　隨著國內硅橡膠技術的發展，近些年研制成功的復合絕緣外套氧化鋅避雷器就是一種適合懸掛于線路桿塔上的避雷器，與傳統的瓷外套避雷器相比，它除去了笨重的外套，改用新型硅橡膠復合有機外套，因而它具有重量輕等優點，甚至在復合外套避雷器損壞時能允許線路繼續運行，而其電氣特性、保護特性方面大體與瓷外套避雷器相當。
　　國際上，美國、日本、俄羅斯等國已大量使用復合外套氧化鋅避雷器，在美國的公路上隨處可見運行中的配電變壓器都帶有復合外套氧化鋅避雷器，據統計美國己有上千萬只復合外套氧化鋅避雷器在電網中使用，日本也有百萬只復合外套氧化鋅避雷器在電網中使用。隨著我國硅橡膠技術的發展，我國也相繼研制成功了110 kV、220 kV的復合外套氧化鋅避雷器，表4是北京某公司研制的110 kV復合外套氧化鋅避雷器的電氣特性。

　表4　110 kV復合外套氧化鋅避雷器電氣特性kV

2.1.2　選擇外部帶間隙的復合絕緣外套氧化鋅避雷器

　　懸掛在線路鐵塔上的復合絕緣外套氧化鋅避雷器有兩種：一種是外部帶間隙的復合絕緣外套氧化鋅避雷器(簡稱 GMOA)；另一種是外部不串間隙的復合絕緣外套氧化鋅避雷器(WGMOA)。GMOA的外串間隙在線路正常運行時能夠隔離電網運行電壓，保持MOA不承受電壓，所以避雷器的額電壓可以選得較低，而且在MOA故障損壞時允許線路繼續運行，但是這種避雷器的保護特性較差，放電特性主要由間隙決定，其沖擊放電電壓比避雷器的殘壓要高得多。圖5給出了北京某公司研制的110 kV等級帶串聯外間隙的避雷器的外間隙沖擊放電電壓的試驗結果。當WGMOA懸掛在線路上運行時，其運行狀況可隨時得到監視，且安裝方便，保護特性相對來說較好，僅決定于避雷器的殘壓。兩種避雷器使用時各有優缺點，為了安裝方便、獲得好的保護效果，并便于監視避雷器的運行狀況，我們決定選擇使用外部不串間隙的復合絕緣外套氧化鋅避雷器。

表5　110 kV帶串聯間隙的氧化鋅避雷器的間隙特性

2.2　避雷器參數的選擇

　　由于選擇使用WGMOA，避雷器長期運行在相電壓下，且線路運行條件比變電站內的運行條件苛刻，為了避雷器運行的可靠性，將110 kV復合絕緣外套氧化鋅避雷器的額定電壓由100 kV提高到120 kV，持續運行電壓由73 kV提高到90 kV，直流1 mA電壓提高到170 kV，考慮到避雷器遭直擊雷的幾率大，因而避雷器的大電流耐受水平由65 kA提高到100 kA，具體參數見表6。

表6　WGMOA的參數

　　另外由于避雷器長期懸掛于線路上并承受相電壓的作用，我們在避雷器的型式試驗中增加了在避雷器施加拉力試驗過程中的局放試驗，試驗時取110 kV避雷器一支，軸向施加靜態機械負荷，施加拉力分別為500 kg,750 kg,在此負荷狀態下施加1.05倍Uc，測量避雷器的局部放電，試驗的結果見表7。

　　　　表7　局部放電試驗結果

　　試驗結果表明，當軸向機械負荷加到額定破壞負荷時，局部放電沒有變化，所以其機電性能是穩定的，達到了設計要求。

3　避雷器的安裝情況

3.1　避雷器的交接試驗

　　為了在安裝前了解避雷器的性能，1996年10月29～31日在華北電力科學研究院沙河高壓試驗大廳對北京中能瑞斯特公司的17只復合絕緣外套氧化鋅避雷器進行了交接試驗，試驗項目包括避雷器的絕緣電阻測試、直流試驗(直流1 mA電壓的測量、75%直流1 mA電壓下泄漏電流的測量)、交流試驗等，試驗結果合格。

3.2　避雷器安裝位置的確定

　　經過考慮研究，決定在直線絕緣子串和耐張絕緣子串上安裝避雷器的方式，安裝的具體位置見圖１。
　　考慮到在直線桿塔(垂直絕緣子串)上避雷器安裝位置緊臨絕緣子串，此時絕緣子串上的電壓分布是否會影響避雷器的電位分布，繼而影響避雷器的泄漏電流，從而加速避雷器的劣化過程，縮短避雷器的使用壽命，為此在沙河試驗大廳進行了模擬試驗，試驗的結果顯示，避雷器的這種安裝位置對于避雷器的使用壽命影響很小，也基本不會影響帶電試驗的試驗結果。
　　考慮到桿塔的海拔高度、地形地貌以及避雷器的保護范圍，并且考慮到水平排列的三相的中間相(B相)基本上不會遭受直擊雷，而三角形排列的頂相由于易遭雷擊而需安裝避雷器(如130 號桿)等原則，在桿塔上裝設了復合絕緣外套氧化鋅避雷器，具體安裝情況見表8。

圖 １　安裝具體位置

表8　氧化鋅避雷器具體安裝情況

4　避雷器的運行狀況及分析

4.1　避雷器帶電試驗

17只避雷器在進行了交接試驗后，1996年12月在壽遵線上安裝，并于1996年12月進行了第一次帶電測試，以積累避雷器帶電試驗的初始數據；然后在雷雨季開始后每個月進行了帶電測試。從帶電測試的結果看，避雷器運行正常。為了檢驗避雷器的性能，在雷雨季節過后，隨機抽取了兩只避雷器，然后帶電拆下進行了試驗，試驗結果合格，也就是說避雷器在經過一個雷雨季節的運行后，性能良好。
4.2　避雷器動作情況
　　截止1998年6月，避雷器總共動作了5次，其中1997年的雷雨季節期間動作了2次，都在140號桿塔的A相，1998年避雷器動作了3次，138號桿塔A相、140號桿塔A相，145號桿塔各一次。138號桿標高約367.2 m，與139號桿檔距達595 m，易遭雷擊，140號桿標高達464.9 m，是這一段桿塔中海拔高度較高的桿塔，該號塔位于一高山大嶺頂部，孤伶伶的，極易遭受雷擊，該號塔曾于1992年遭受到一次雷擊，145號桿高約428.2 m，也在一山頂上，易遭雷擊。
　　避雷器五次動作，使壽遵線五次受到避雷器的保護，避免了線路五次跳閘，所以安裝避雷器的效果是明顯的。

4.3　壽遵線的運行情況

　　壽遵110 kV線路自從1996年12月安裝避雷器以來，運行直到1998年6月，線路僅跳閘一次(1997年8月31日)，事故點在117號塔，是由于桿塔遭受雷擊造成的。該塔距129號桿12極桿塔，在安裝的避雷器的保護范圍以外，所以反過來可以說明，避雷器的保護效果是明顯的，即在避雷器的保護范圍以內的桿塔均受到避雷器的保護，而在保護范圍外的桿塔會遭受雷擊。由于在1997年7、8月間，140號桿的避雷器動作了兩次，保護了線路，鑒于這兩次成功的經驗，考慮到1996年117號也曾遭受雷擊，而且這段線路中116號、117號、118號連續三極塔為單避雷線，地勢高，山又陡，單避雷線改雙避雷線的工作量特別大，所以于1997年11月7日在117號塔上也安裝了三只合成絕緣外套氧化鋅避雷器。
　　運行表明，5次雷擊跳閘比較集中，所以避雷器的安裝位置是比較合理的，它避免了線路5次跳閘，避雷器的效果也是很明顯的。
　　綜合比較壽遵這幾年的運行情況，可以發現壽遵線自1996年12月安裝了避雷器以來，雷擊跳閘次數已于1996年的7次降至1997年的1次、1998年的0次(截止6月底)，雖然雷擊有一定的隨機性，但是避雷器1997年動作2次、1998年動作3次，確確實實保護了線路，減少了雷擊跳閘的次數，所以在線路上安裝合成絕緣外套氧化鋅避雷器能收到很好的保護效果。

5　小結

　　承德供電公司的一條110 kV輸電線路——壽遵110 kV線路，由于經過高山大嶺的一段桿塔，在雷雨季節經常遭受雷擊，造成線路跳閘，在這段桿塔降低接地電阻比較困難，且費用高、工作量大，效果也受到一定的限制。為了解決這個問題，我院與承德供電公司合作，在該線路117號、129號～167號桿塔上安裝了總共20只合成絕緣外套金屬氧化物避雷器，經過一年多的運行實踐，避雷器一共動作了5次，有效地保護了線路。這些避雷器選擇了適應線路運行的參數，經過帶電監測研究，證明避雷器的性能能夠滿足在線路上運行的需要，同時經過一個多雷雨季節的運行經驗證明這種改進的防雷措施對于山區線路的防雷是經濟的、有效的。
　　經一年多運行證明，合成絕緣外套避雷器參數選擇正確，布置合理，能很好地保護線路，防止雷擊跳閘。
　　在110 kV線路上安裝合成絕緣外套避雷器來保護線路，這在我國尚屬首次，運行經驗表明在線路上安裝適合于線路運行的合成絕緣外套金屬氧化物避雷器來保護線路是一種經濟的、有效的、可行的方法，是一種值得推薦的、有效的山區線路防雷方法。