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高压输电线路防雷保护的若干问题

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2001年3月 电 力 设 备 Mar. )01 第2卷第1期 Electrical Equipment VoI.2 No.1 高压输电线路防雷保护的若干问题 杜澍春 (中国电力科学研究院,北京100085) 摘要:概述了线路雷电性能计算用参数和方法。讨论了各种改善线路雷电性能的措施。指出线路金属氧化物避雷器 (MOA)在实践中的良好效果并对其应用提出了建议。 关键词:输电线路;线路避雷器 中图分类号:TM726.1;TM862 输电工程伊始,架空输电线路的雷击跳闸一直 分地区(这类地区的平均年雷暴日数一般在20及以 是困扰安全供电的一个难题,雷害事故几乎占线路 下)的雷电流幅值的累积概率分布公式,参照以前标 全部跳闸事故的1/3或更多。因此,寻求更有效的线 准的处理方法:在式(2)的基础上,对等概率的雷电 路防雷保护措施,一直是世界各国电力工作者关注 流值减半。 的课题。 图1给出了式(2)及国外发表的雷电流概率数 本文从分析我国输电线路雷击跳闸事故的经验 据曲线。图中,曲线3为ANDERSON-ERIKSSON的 和有关研究人手,重点讨论了线路雷击次数、雷电流 对数正态分布[4],曲线2为IEEE(输电线路雷电性能 幅值概率、线路常规防雷保护措施的效果,以及近年 工作组报告》推荐曲线[5],曲线1为对应本文式(2) 来涌现的线路防雷用金属氧化物避雷器卓越的保护 的曲线。由图可见,当雷电流在50kA以下时,曲线 性能等有关问题,并对线路避雷器的应用提出了建 1与曲线3的差异较大;在50kA以上时则三条曲线 议,供有关部门参考。 相当接近。由于我国雷电流数据直接取自线路杆塔 1 与线路雷电性能有关的参数和线路耐雷 塔顶上测雷专用小避雷针,因而数据是相当可信的。 水平的计算方法 1.1 雷电流幅值累积概率分布 1979年我国标准…就线路防雷计算的基本参 浔 整 数——雷电流幅值累积概率分布给出了计算式。该 g 暴 蟋 式是基于我国各地实测的1 205个雷电流数据整理 捌 靶 出来的。限于当时条件,其绝大多数雷电流数据是利 用磁钢记录器由多塔电流相加而得,但实际上各塔 雷电流峰值并非在同一时刻出现,这就使得相加结 果明显偏大。我国220 kV新杭线经20多年的现场 图1 负极性雷电流幅值概率的累积分布 实测获得了非常宝贵的数据f 。由106个雷击塔顶 的雷电流幅值测试数据推出的概率分布公式为 1.2地面落雷密度和线路收集雷击宽度 lgP,=一,/87.6 (1) 以前的标准中,对地落雷密度 (即每km2每个 式中,,为雷电流,kA; 为雷电流超过,的累积概 雷暴日D平均雷击地面的次数)取为0.015,/kl,ii2 ̄D[1]。 率。 近年来我国一些单位的雷电定位系统(LLS)的测量 参照上式,1997年的标准[3]采用以下公式作为 表明,多数情况下y=0.09-0.1。在国外最小值为 我国雷电流幅值概率分布的计算公式 0.06。实际上, 值与年平均雷暴日数乃有关 J。一 l =-//88 (2) 般来说,若乃变大,则 也随之变大。由于我国幅员 对除陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部 辽阔, 的变化很大,如西北格尔木的乃仅为0-3, ▲ ◆ ▲ / 维普资讯 http://www.cqvip.com

■ 第1期 杜澍春:高压输电线路防雷保护的若干问题 41 而海南省的澄迈高达133。因此,在标准中仍取用同 值是不妥当的。经过对我国35 ̄220 kV共 9400 km·a架空线路雷害事故统计得出的 和 之间的非线性关系[6]进行比较(参见图2),本文认为 采用国际大电网会议33委员会推荐的计算式较为 合理。该计算式为 ^ 0.023 (3) 式中, 为在年平均雷暴日为 的条件下,每1 km 大地1年的雷击次数。 图2中的圆点,是根据文献[7]中的 值推算 出的相应的 ,可见它们与按式(3)计算出的结果 相当接近。 线路每年受雷击次数取决于 和线路收集雷 击的等值面积。等值面积取决于线路长度和线路收 集雷击的等值宽度 。 一般可用下式描述: 6+ b (4) 式中,b为避雷线间宽度,m;Ks为系数,一般取2-4; hb为避雷线平均高度,m。 我国以前的标准沿袭前苏联的规定,取b=0和 Kh=10。该值与模拟试验和直击雷保护的运行经验相 比,似乎偏大。从原理及其与运行经验的对照关系考 虑,本文推荐采用IEEE(输电线路雷电性能工作组 报告》使用的线路收集雷击宽度公式[5],即 W=b+4hb (5) 该式经与根据我国110 kV平原单杆线路4 683 km·a雷击跳闸次数的运行经验数据[7]反推出的线 路收集雷击宽度确定的 (变动于3.00 ̄3.52)比较, 表明式(5)是可用的。 1.3有避雷线线路雷击塔顶时线路绝缘上所受电 压的计算方法 以前的标准:对雷击有避雷线线路杆塔塔顶时, 绝缘上所受的最大雷电过电压按下式计算: ( + )(1一K) (6) 式中, 为绝缘上受到的最大电压; 为杆塔顶部 电压最大值; 为导线上感应过电压最大值;K为导 线与避雷线之间考虑避雷线电晕的耦合系数。 式(6)中有两点值得注意:其一,绝缘子串悬挂 于杆塔横担处,所以绝缘子串的反击电压应取横担 处的杆塔电压,而不应取塔顶处电压;其二,避雷线 对导线上与反击电压异号的感应过电压的屏蔽作用 f L  、应采用 《1一 J计算(式中h 为导线平均高 度; 为导线与避雷线之间的几何耦合系数)。由 此,式(6)宜修改为 f L 、 , L 、 (卺一 )+ (卜卺 ) (7) 式中,h 为塔杆高度。据此,可计算出线路的耐雷水 平等指标。式(7)已被新标准[3 采用。 1.4线路雷击跳闸次数的计算结果与讨论 除上述各点外,以前的标准中,关于输电线路雷 击跳闸率计算的其他参数(如绕击率 、建弧率 、 击杆率g等)在新标准[3 中均未作变化。雷电流波头 长度也仍为2.6 Izs(该值与文献[5]推荐的2.5 s斜 角波头极为接近)。按式(7)计算出的我国110-500 kV线路耐雷水平和雷击跳闸次数的结果与运行统 计数据已在文献[8]中发表。从其基本接近的结果可 以看出,按本文提出的线路绝缘所受最大电压计算方 法、所取的雷电参数(雷电流幅值累积概率分布、对地 落雷次数和线路雷击次数等)以及线路雷击跳闸次数 计算方法计算出的跳闸次数与运行经验统计值基本 相当。这说明本文的计算方法是合理、可用的。 2线路常规的防雷保护措施与效果 当前,线路的常规防雷保护措施主要是通过架 设避雷线,以减少雷电直击导线的概率;另一方面则 是尽可能的提高耐雷水平,以减少雷电击中杆塔或 避雷线时反击至导线的概率。对于前者,主要是采用 双避雷线以获得较小的保护角。在山区,由于地形的 影响即使是0o的保护角,也难免出现雷绕击导线的情 况 。而对于后者,实际可能采用的措施是尽量减少杆 塔的接地电阻、架设耦合地线、对于同塔双回线线路 适当地采用不平衡绝缘技术以减少双回线同时雷击 跳闸的概率等。现主要就减少反击的措施讨论如下: 2.1 降低杆塔接地电阻的防雷效果分析 当杆塔型式、尺寸和绝缘子型式、数量确定后, 维普资讯 http://www.cqvip.com

42 电 力 设 备 第2卷 表1 110-500kV线路耐雷水平与杆塔接地电阻的关系 系统标称电压/1‘V 11O 220 5oo 接地电阻/Q 7 15 3O l 5O 7 15 30 5O 7 15 3O 5O 耐雷水平/kV 63-4 40.7 24.3 I 15.8 l1O.2 75.7 47.7 32 176.7 125-4 81.2 55.2 Pl,% l9 34.5 52.9 J 66.1 5.6 l3.8 28.7 43.3 0.98 3.8 11.9 23.6 相对危险因数 1.O 1.8 2.8 3.5 1 2.5 5.1 7.7 1 3.9 12.1 24.1 影响线路反击耐雷水平的主要因素则是杆塔接地电 出线路电压等级愈高对接地电阻愈加敏感的结论。 阻的阻值。 2.2架设耦合地线的防雷效果 现将按1997年电力行业标准[3]中的l10~500 对运行中查明经常发生选择性雷击的杆塔或线 kV线路的杆塔尺寸和绝缘子的50%雷冲击绝缘水 段,我国运行部门曾对l10kV和220kV有避雷线线 平,针对不同的杆塔接地电阻冲击值计算出的各自 路采用过加装耦合地线的作法。 的耐雷水平列入表1。 耦合地线的作用主要有两个:一是增大避雷线 由表1可见,各种电压等级,线路耐雷水平均随 与导线之间的耦合系数,从而减少绝缘子串两端电 杆塔接地电阻的增加而降低。依据雷电流幅值累积 压的反击电压和感应电压的分量;二是增大雷击塔 概率分布的固有特点:低幅值雷电流出现的概率明 顶时向相邻杆塔分流的雷电流。现从运行经验来观 显大于高幅值雷电流出现的概率。由此可知,随着系 察其防雷效果。表2为我国部分有耦合地线线路的 统标称电压的提高,杆塔接地电阻的作用将变得更 运行结果汇总[11]。 加重要。表1中引入了“相对危险因数”参数。对于各 将上述3条线路平均, /n=O.54或no=1.84:1。 种电压等级下的“相对危险因数”,均以杆塔接地电 即架耦合线后,跳闸率降低46%。此外,澳大利亚在 阻为7n时耐雷水平的相应概率下的危险因素1.0 条几百km长的330 kV线路上,全线架设了耦合 为参考,其他杆塔接地电阻时的相对危险因数,则由 线,在一条双回路330 kV线路上也架设一根耦合 该接地电阻下相应耐雷水平的相应概率与接地电阻 线来提高耐雷性(1968年国际大电网会议报告第 为7Q时耐雷水平的相应概率之比来确定。这样110~ 33-04号)。意大利的文献也认为架设耦合线是有效的。 500kV,50Q时的相对危险因数分别为35、7.7和24.1。 2.3同杆双回线路不平衡绝缘的防雷效果 杆塔接地电阻对高压直流输电线路也有类似的 同杆双回线路因线路走廊占地少,近年来有一 作用。随杆塔接地电阻的增加,对于.4-500kV高压直 定发展。但因导线垂直排列,杆塔较高,线路反击耐 流线路,单极反击或双极反击的概率均有所增加。因 雷水平一般比同电压等级、导线水平排列的线路要 双极反击耐雷水平一般明显高于单极反击耐雷水 低。国内外此种线路的运行经验表明,会产生同塔 平,所以因杆塔接地电阻变大(由7Q增加至30Q 双回线路的绝缘子相继反击的现象,从而造成双 时),双极反击的相对危险因数高达48.8而单极反 回路同时跳闸。日本曾在这种线路上采用过不平 击的相对危险因数则为13.0 E川。 衡绝缘技术(一回线路绝缘较正常的另一回降低 综合以上分析可知,通过相对危险因数可以得 20%-30%)。但运行经验表明,此种作法效果不大。 表2几条有耦合线线路的雷电性能比较 线路名 对比线段总长 架耦合线前运行 跳闸率 架耦合线后运行 跳闸率 有耦合线与无耦合线 /km /kin-a /100kin·a /km·a /100kin·a 的跳闸率对比 220 kV广东某线 862 (1961.01-1969.05; 249 (1964.01—1972.09) 116 0455。 ( 82) 1971.08—1972.09)681 345 220kV华东某一回 4909-1964.12) 4(1965.01—1972.09) 22 (1960.O1 57 O.64 线(r ̄-60) 199 388 110 kV福建某线 29 f1960.03-1972.09) 6(1965 ̄1972.09) 34 47 054 ̄ ( -7O) 219 114 注:①著无耦合线期间扣去线路运行初期(1961.O1—1963.12),则为419kin-a,ne/n=O.44。 ( 若无藕合线期问只计1965—1972年,则为82.8kin·8,,I==9.7,n,/n.-'-'O.40。 ‘ , 维普资讯 http://www.cqvip.com

- 第1期 杜澍春:高压输电线路防雷保护的若干问题 43 我们曾就另一种不平衡绝缘技术(~回线路 比正常绝缘的另一回线路增加部分绝缘),对某 110kV同杆双回线路,应用自编程序进行过研究。 该110kV同杆双回线路原均采用110kV合成绝缘 子。对不平衡绝缘的作法是,在某一回线上每相再加 2片玻璃绝缘子(LXP-70)。根据实测的线路绝缘雷 电冲击放电电压,对ZGU1-15型塔采用不平衡绝缘 后线路的雷击反击闪络概率进行了统计计算,给出 了如表3所示的具体结果。 表3雷击塔顶时线路绝缘闪络概率 冲击接地 平衡绝缘 不平衡绝缘’ 效果 电阻/n 第1回 第2回 第1回 第2回 [(2)一(1)/(1)] 7 O.2O 0.14 O.2O 0.019 -86.4 l5 O_33 O.27 0.33 0.066 -75.6 30 O.48 O.42 0.48 O.11 -73.8 注: 两回线路绝缘子50%霄电放电电压相差24%。 上述结果表明,不平衡绝缘方式下双回线路同 时闪络的概率较目前平衡绝缘方式下有降低。杆塔 接地电阻越小,效果越大。 研究结果显示,在同杆双回线路的一回线路上 增加绝缘子,确实可使双回线路同时跳闸的概率降 低,但无法完全消除同时跳闸事故。 3线路避雷器的防雷保护效果及其应用的 若干建议 运行经验表明,防止输电线路雷击闪络的常规 措施效果是有限的。然而在应用了线路金属氧化物 避雷器后,却出现了重要的变化。国内外工程实践表 明,线路防雷用金属氧化物避雷器无论在防止雷直 击导线方面,还是在雷击塔顶或避雷线时的反击方 面都是非常有效的。 1980年美国AEP和GE公司开始开发线路防 雷用MOA。75支138kV避雷器于1982年开始在杆 塔接地电阻一般为1ooQ(最大的194f1)的25个杆 塔上试运行。取得了在这些杆塔上从未出现过的防 雷击闪络的良好效果n2 ]。 在日本,1986年开发出带串联间隙的线路 MOA。1988年275 kV合成绝缘子线路MOA也已在 双回线路上运行。为防止同杆双回500kV线路的双 回路线同时雷击闪络,从1990年开始500 kV线路 MOA安装在双回线路的某一回线上运行。据统计,截 止到1993年,在66、77、275和500kV线路上运行的 线路MOA已达30000支,且均取得良好的效果。日本 在分析77 kV线路各种防雷措施的效果时指出Ⅱ4】1增 加绝缘、架设耦合地线和减少杆塔接地电阻。只 能使跳闸次数分别降至62%、56%和45%。但安 装了线路金属氧化物避雷器后则可消除雷击跳闸 事故。 我国江苏220kV谏奉线[1 在长江大跨越段有 跨越塔2基、耐张塔2基,总长2.338 km。原为单回 路,改成双回路后,顶端原两根避雷线改为运行的相 线,成为无避雷线的双回路跨江段。1989年5月到 1996年11月,在2基高塔顶上两相导线与横担之间 安装了MOA(具有0.5 m串联空气间隙)。其间,所 装4支MOA共动作6相次,线路均未发生闪络, 开创了我国长江流域220 kV线路无避雷线运行的 先河。 我院曾对l10、220 kV有避雷线线路应用线路 避雷器的防雷效果进行过计算研究[1刚。未安装线路 避雷器时220 kV线路反击耐雷水平仅为32 kA(杆 塔接地电阻50Q)。有线路避雷器时为350kA以上。 如以前者相应概率下的相对危险因数为1.0,则后者 比0.000 1还要小,即根本不会发生闪络。 为了充分利用有限的资金获得较好的效益,根 据线路雷击特点,建议线路避雷器优先安装在下 列杆塔:山区线路易击段易击点[9 的杆塔;山区线路 杆塔接地电阻超过looQ且发生过闪络的杆塔;水 电站升压站出口线路接地电阻大的杆塔;大跨越 高杆塔;多雷区双回路线路易击段易击点的一回 线路。 4结束语 (1)根据对我国不同年平均雷暴日地区输电线 路雷击跳闸情况的分析,并参照国外的研究成果,可 以认为:地面落雷密度 与年平均雷暴日数 呈非 线性关系;线路因地形地貌影响呈现出明显的选择 性,会形成易击段易击点。因此,对于 较高地区的 线路以及频发雷击闪络线路上的易击段易击点,采 取有效的防雷保护措施是非常必要的。 (2)输电线路常规的防雷保护措施仅能部分的 减少线路雷击跳闸次数,为大幅度降低或消除线路 雷害事故,必须采取更有效的新措施。 (3)线路防雷用金属氧化物避雷器可以防止雷 直击导线或雷击塔顶、避雷线后绝缘子的冲击闪络, 从而可以根本上消除线路雷击跳闸。 (4)为充分利用有限资金以求得最佳效益,应 根据运行经验,力争较准确的选择线路防雷避雷器 的安装地点。 维普资讯 http://www.cqvip.com

电 力 设备 第2卷 1O杜澍春,陈维江.高压直流输电线路的雷电性能.中国电机工程 5参考文献 学报,1992(2) 1 水利电力部.SDJ7—79电力设备过电压保护设计技术规程.北 1】SDJ7—79电力设备过电压保护设计技术规程.(试行)嫠订说 京:水利电力出版社,1979 明.北京:水利电力出版社.1979 2孙萍.220 kV新杭I回路1962~1988年雷电流实测结果的统 12 Shih C H.Application of Special Arrestera on 138 kV Lines of 计分析.浙江省电力试验研究所,1995 Appalachian Power Company.T-PAS,Oct.1985 3 D【/T 620--1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合.北京: 13 Koch R E.Design of Zinc Oxide Transmision Line Arrestera for Applicationon 138kVTowe ̄.T-PAS.Oct.1985 电力出版社,1997 4 Anderson R B.Lightning Parameters for Engineering Applications. 14 Polymer Be Arrester(wlth Series Gap),NGK RELESE No.105/ Pretoria.South Africa:CSIR,June 1979,Report ELEK 120 1994 5 Grant I s.A Simplified Method for Estimatign Lihgtning Perofr- 15岳健民.金属氧化物避雷器(MOA)在江苏电网中的运行状况.中 maJlce of Transmission Lines.T.PAS.Apri.1985 国电机工程学会高电压专业委员会过电压与绝缘配合分专业委 6刘继.山丘地区输电线路防雷设计中的一些问题.电力技术,1962 员会编.过电压学术会议论文集,1997 (9)一(1O) 16中国电力科学研究院高压所.高压交流线路用金属氧化物避雷 7刘继.电气装置的过电压保护,北京:电力工业出版社,1982 器技术特性.北京:中国电力科学研究院,2O00 8杜澍春.关于输电线路防雷计算中若干参数及方法的修改建议. 电网技术,1996(12) 收稿日期:20oO一10—20 9杜澍春,何兆璋.辽宁220 kV送电线路雷害事故的分析.电力技 作者简介:杜澍春(1936一),男,高级工程师(教授级),从 术,1962(5) 事电力系统过电压保护和绝缘配合研究。 Some Problems on High Voltage Transmission Line Lightning Protection Du Shuchun (Electric Power Research Institute of China,Beijing,100085) Abstract:The paper briefly describes the parameters and method of computing lightning performance of transmission lines.Some ad— vanced approaches on ilhgtning eprformance transmission line are discussed and hte excellent performance of MOA lihgtning arrestem are introduced.The paper also presents Some suggestions on application of transmission line arresters. Key words:transmission line;attester 中国电机工程学会汽轮发电机学术交流会征文 为总结近年来我国汽轮发电机组科研、设计、安装、使 主题进行专题发言。请大电机专委会各位委员、电力行业电 用、维护经验,进一步提高我国汽轮发电机组的制造质量 机标准化技术委员会各位委员及有关单位就上述会议主题 和运行管理水平,中国电机工程学会、中国电机工程学会大 组织文章并速投稿;请各省级学会结合本地实际推荐2-3篇 电机专业委员会、电力行业电机标准化技术委员会拟于 学术论文。文章可以是新撰写的或近期有关会议上发表的重 2001年7月联合举办汽轮发电机学术交流会。会议的主 点论文。投稿截止时间为2001年4月15日。论文录用通知 题是: 5月15日发出,录用的论文将刊登在会议论文集上。 1.300 MW、600 MW引进优化汽轮发电机、新系列空内 联系单位:哈尔滨大电机研究所 冷发电机及以上容量范围内进121机组,近年来在设计、制造、 联系人:沈梁伟梁广泰 安装、运行、维护方面采用的新技术、新工艺; 联系电话:(0451)2102601—2284、2891或2102576 2.发生的主要事故案例、事故分析及反事故措施; 传真:(0451)2100926 3.包括在线检测在内的旨在延长发电机使用寿命、提高 地址:哈尔滨市大庆路89号 可靠性方面的新技术、新经验。 邮编:150O40 届时将邀请有关部门的著名专家、学者参加,并就会议 E.mail:ghzr@hec.china.com ._ ▲ ., 

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