電網(wǎng)建設(shè)輸電線路防雷設(shè)計要點探析
　　廣西綠能電力勘察設(shè)計有限公司張凱530031
　　摘要：隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展與電力需求的不斷增長,電力生產(chǎn)的安全問題也越來越突出,筆者在文中以輸電線路防雷保護設(shè)計為重點進行了分析。
　　關(guān)鍵詞：110kV；防雷；設(shè)計
　　引言
　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展與電力需求的不斷增長,電力生產(chǎn)的安全問題也越來越突出。對于輸電線路來講,雷擊跳閘一直是影響輸電線路供電可靠性的重要因素。由于大氣雷電活動的隨機性和復(fù)雜性,目前對于輸電線路雷害的研究還有諸多未知的成分。進行輸電線路設(shè)計時要全面考慮,綜合分析每一條線路的具體情況,通過安全、經(jīng)濟、質(zhì)量比較,選取有針對性的防雷設(shè)計技術(shù)措施,以達到提高供電可靠性的目的。
　　一、防雷設(shè)計作用
　　在電力工業(yè)建設(shè)中,由于110kV架空輸電線路地處曠野,線路距離長,較容易遭受雷擊。因雷擊線路引起的直擊雷過電壓,常會造成絕緣子串閃絡(luò)燒毀,線路跳閘停電等事故。據(jù)統(tǒng)計,近十年來國內(nèi)外運行經(jīng)驗表明,輸電線路50%以上的事故是由雷害引起的,因此,目前大氣過電壓引起的絕緣閃絡(luò)已經(jīng)成為線路故障的主要原因。降低桿塔電阻主要用于減少雷電反擊,提高線路的耐雷水平;避雷線可以屏蔽線路,減少雷電繞擊導(dǎo)線的概率,但不能完全防止繞擊的發(fā)生;加強絕緣可提高耐雷水平,但受桿塔尺寸的限制;安裝線路避雷器效果好,但投資巨大,只能用于線路雷電易擊段、易擊點、易擊相。針對這種情況,為110kV輸電線路設(shè)計了這種結(jié)構(gòu)簡單,維護方便的保護間隙,安裝在絕緣子串兩端,當(dāng)雷擊線路時它在系統(tǒng)中與自動重合閘配合使用,即可將雷電流及時接地,又可對用戶不間斷供電,從而起到防止絕緣子閃絡(luò)燒毀,維持線路正常運行的作用。
　　二、設(shè)計要求
　　根據(jù)保護間隙的設(shè)計原則,用于110kV輸電線路的防雷保護間隙的設(shè)計也應(yīng)該考慮以下幾個方面的要求:首先,雷擊線路時,保護間隙應(yīng)當(dāng)能夠先于絕緣子串放電,捕捉放電電弧根部引導(dǎo)雷電流入地,從而保護絕緣子串和線路不被燒毀,這是保護間隙的首要作用。其次,保護間隙與線路的絕緣配合也應(yīng)當(dāng)保證在線路最大操作過電壓下不擊穿,不降低線路絕緣水平。最后,由于110kV線路的絕緣子串較長,因此應(yīng)當(dāng)考慮由于雜散電容造成的絕緣子串電壓分布不均勻問題,即要求保護間隙對絕緣子串有均壓作用,減小電暈產(chǎn)生的可能性。
　　三、構(gòu)造形式、材料的選擇及安裝
　　可用于110kV輸電線路的保護間隙主要有以下兩種形式:
　　(一)棒形。
　　用直徑為28㎜的圓鋼制造兩個棒形電極,使其相對,其間保持一定距離形成放電間隙。為保護棒形電極端部在間隙放電時不被燒傷,通常在棒端安裝兩個直徑為38㎜的金屬球,以形成球形間隙。由于電壓等級較高時,棒形間隙仍有被燒傷的可能,所以此種間隙通常用于220kV等級以下的線路。
　　(二)環(huán)形。
　　它是用直徑為28㎜的圓鋼彎曲制成,兩環(huán)相對形成放電間隙。它對絕緣子串有明顯的均壓作用,按照110kV線路保護間隙的設(shè)計原則,為110kV線路設(shè)計的保護間隙。
　　這種110kV線路保護間隙可采用鍍鋅鋼作為制造材料。保護間隙由直徑為28㎜的圓鋼制成,兩端張開712㎜,兩個引弧端頭之間的距離由以下的保護間隙和絕緣子串的絕緣配合決定。
　　四、防雷保護間隙和絕緣子串的絕緣配合
　　(一)雷電沖擊過電壓下的絕緣配合
　　雷電過電壓的波形具有隨機性,實測的數(shù)據(jù)分散性很大,雷電沖擊波的波頭時間是在1～5μs的范圍內(nèi)變化,波長在20～100μs的范圍內(nèi),多數(shù)為50μs左右,雷電沖擊波的預(yù)放電時間通常不大于10μs,因此110kV輸電線路防雷保護間隙與絕緣子串在雷電過電壓下的絕緣配合也采取1.2/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形進行。同時,在雷電沖擊擊穿電壓下,空氣間隙擊穿電壓或絕緣子串的閃絡(luò)電壓的概率大體上遵從正態(tài)分布。
　　(二)操作過電壓下的絕緣配合
　　規(guī)程DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合對以下幾種操作過電壓進行絕緣配合的相對地最大過電壓值進行了規(guī)定:空載線路合閘時,由于線路電感和電容的振蕩產(chǎn)生的合閘過電壓,它在線路重合閘時,由于電源電勢較高以及線路上殘余電荷的存在,進一步加劇了這一電磁振蕩過程,使過電壓進一步提高。我國35～220kV電網(wǎng)中,雖然絕緣水平選的較高,但也曾經(jīng)因為切除空載線路時的過電壓而引起多次絕緣閃絡(luò)或擊穿的事故。產(chǎn)生這種過電壓的根本原因是因為電弧重燃。所以在按操作過電壓要求確定220kV及以下電網(wǎng)的絕緣水平時,主要以切除空載線路的過電壓為計算依據(jù)。規(guī)程對開斷采用熱軋硅鋼片鐵芯的110kV和220kV變壓器的過電壓規(guī)定為一般不超過3倍的線路最大運行相電壓。因此,對于110kV系統(tǒng)的絕緣配合,系統(tǒng)的最大操作過電壓可取為3倍的線路最大運行相電壓,即309kV。
　　五、電壓分布計算
　　(一)有限元計算軟件ANSYS簡介
　　ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的融結(jié)構(gòu)、傳熱學(xué)、流體、電磁、聲學(xué)和爆破分析于一體的大型通用有限元軟件,它具有功能極為強大的前后處理和計算分析能力,能夠同時模擬結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)以及多種物理場間的耦合效應(yīng)。
　　(二)計算模型的建立
　　建模采用了ANSYS軟件中的電磁場分析部分,電磁場分析的思想和原理如上所述,其基本原理就是將所處理的對象劃分成包含若干節(jié)點的有限單元,然后按照麥克斯韋方程,根據(jù)矢量磁勢或標(biāo)量電勢求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點處的磁勢或電勢,繼而進一步求解出其他相關(guān)量。絕緣子串電壓分布的計算屬于電場有限元分析,它的計算基礎(chǔ)是泊松方程,通過輸入模型對象的介電常數(shù),求出節(jié)點自由度值,即電標(biāo)量勢電壓,然后可以再從求得的節(jié)點電壓求出電場的其他物理量。
　　利用三維有限元計算軟件ANSYS,按照實體模型進行建模。
　　(三)計算結(jié)果和分析
　　分別對絕緣子串帶保護間隙和不帶保護間隙兩種情況進行了計算,每片絕緣子上的電壓降如表所示,絕緣子序號由小至大為由橫擔(dān)端指向?qū)Ь�端。
　　表1絕緣子串電壓分布計算結(jié)果
　　絕緣子序號 絕緣子電壓降(不同間隙) 絕緣子電壓帶(帶間隙)
　　1 9.412 8.957
　　2 7.95 8.206
　　3 7.831 8.054
　　4 8.054 8.305
　　5 8.603 8.922
　　6 9.609 9.887
　　7 12.051 11.179
　　由表1可以看出,與以上的分析相一致,在線路運行電壓的作用下,隨著絕緣子串片數(shù)的增加,沿絕緣子串的電壓分布明顯呈現(xiàn)不均勻的分布。由于絕緣子金屬部分和導(dǎo)線間電容的影響,靠近導(dǎo)線的三片絕緣子承擔(dān)的電壓明顯高于其它幾片遠(yuǎn)離導(dǎo)線的絕緣子,在絕緣子串不安裝間隙的情況下,第5、6、7片絕緣子分別承擔(dān)了全部電壓的13.5%、15.1%和19%,靠近導(dǎo)線的第一片絕緣子上的電壓降最大,是第3片絕緣子上電壓降的1.5倍�？拷鼨M擔(dān)的第一片絕緣子又因為絕緣子和桿塔間的電容的影響,承擔(dān)的電壓降又有增高。在絕緣子串安裝了保護間隙以后,由表1可以看到,靠近導(dǎo)線端和靠近橫擔(dān)端的絕緣子上的電壓降都有所降低,靠近橫擔(dān)端的第一片絕緣子上的電壓降比不加裝間隙時電壓降降低了5%,靠近導(dǎo)線端的第一片絕緣子上的電壓降比不加裝間隙時降低了7%,而且絕緣子串加裝間隙后整個絕緣子串的電壓分布也比不加裝間隙時要均勻的多,可見加裝保護間隙對絕緣子串的電壓分布有明顯的改善效果,而且電壓等級越高,絕緣子串片數(shù)越長,保護間隙對絕緣子串電壓分布的改善效果越明顯。
　　六、結(jié)束語
　　要做好輸電線路的防雷工作,就必須抓住其關(guān)鍵點。通過對雷擊過程及線路遭受各種雷擊時過電壓產(chǎn)生原因的分析,闡述了影響線路耐雷水平的因素,在此基礎(chǔ)上提出了在線路防雷設(shè)計、運行維護、施工過程中應(yīng)加以考慮的一些問題,針對不同雷擊特點提出了相應(yīng)解決辦法,以提高輸電線路的耐雷水平,減少線路因雷擊引起的跳閘,以保證線路的安全運行。
　　綜上所述,為防止和減少雷害所造成的故障,設(shè)計中要全面考慮輸電線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動強弱程度、地形地貌特點和土壤電阻率的高低等情況,還要結(jié)合原有輸電線路運行經(jīng)驗以及系統(tǒng)運行方式等,通過比較選取合理的防雷設(shè)計,提高高壓輸電線路的耐雷水平。雷電活動是一個復(fù)雜的自然現(xiàn)象,需要電力系統(tǒng)內(nèi)各個部門的通力合作,才能盡量減少雷害的發(fā)生,將雷害帶來的損失降低到最低限度。

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