张德赛:无避雷线线路的雷击跳闸率

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无避雷线线路的雷击跳闸率

Posted on 2005年12月16日 16:37

以前我们曾经说过,线路防雷有四项基本原则:1.尽量使导线不受雷击;2.雷击之后尽量使绝缘不闪络;3.闪络之后尽量不建立稳定的工频电弧;4.工频电弧建立之后尽量不跳闸。再把这四项基本原则浓缩一下,即归根结底就是一句话:雷击最好不要跳闸,这就是架空导线防雷的根本目的。具体来说,防雷设计就是要求出某条线路在某个地区100公里长每年会跳闸几次,这就是雷击跳闸率。本节讨论的是没有避雷线时的导线的雷击跳闸率。

我们已经知道,在我国中等雷电活动地区(雷电日T=40日),每百公里的雷击次数为N=0.015×40×hd=0.6hd,而且通过计算,如果导线高度hd=8米,50公里长的线路上每年受雷击的次数为2.4次,所以送电线路如果不采取防雷措施,是不能保证安全送电的。于是按照防雷第一项原则,应该保护导线不受雷击。为此可以采用避雷针、避雷线或改用电缆。

但是对于35千伏及以下送电线路,它们的绝缘通常只有三个盘型绝缘子或更小,即这些线路的绝缘电气强度很低,实际上任何一次雷击避雷线都可以引起线路的闪络,所以加了避雷器也无用,因为自身条件太差了。所以我国35千伏及以下的送电线路,一般不沿全线装设避雷线.既然第一道防线被攻破了,那么我们实施第二道防线,即是导线受雷击后不使线路绝缘发生闪络。线路绝缘闪络就是线路上的绝缘子串发生闪络,所以要讨论这个问题,首先要了解在什么条件下绝缘子串会产生闪络?例如35千伏线路一般挂三个X-4.5绝缘子,该绝缘子串的正极性50%冲击放电电压约为350千伏,即当该绝缘子串两端的冲击电压达到350千伏时,35千伏的线路就发生闪络了。

(补充:电力系统的电压为工频电压,雷电的变化速度很快,所以称为冲击电压。冲击电压有正有负,所以有正极性冲击电压和负极性冲击电压之说,雷电流绝大多数属于负极性冲击电压,路的绝缘闪络就是与绝缘子表面相接触的空气放电了。通过理论分析与实验研究,在正极性冲击电压下,空气的击穿电压低,而在负极性冲击电压下,空气的击穿电压高。在线路防雷中,我们取绝缘子串上的冲击电压为正极性,这样的做法比较严格,偏于安全。又由于空气在短暂的冲击电压下的放电受到很多因素的影响,每一次测出的冲击放电电压不会100%的相同,只要50%相同我们就认为这就是冲击放电电压值,因为电压U的下标要加上50%,即U50%来表示冲击放电电压)。

首先做的第一步工作就是得搞清楚雷击线路时绝缘子上所承受的电压有多大。因此,先要研究雷击杆(塔)顶时,雷电流i使杆(塔)顶具有的电位值Ugt,由于各种型式的杆(塔)均具有电感,变化的雷电流在它上面会产生压降,感(塔)下面有接地电阻,雷电流通过它也会有电压降,所以Ugt显然等于Ugt=Rch i+Lgt×di/dt

式中Rch是杆(塔)的冲击接地电阻,Lgt是感(塔)身的电感(35千伏线路的典型杆型是钢筋混凝土杆带两根拉线,其杆塔电感为0.42微亨/米,在一般地区,Rch约为20欧)。要计算出Ugt,必须知道di/dt等于什么。

di/dt就是雷电流的变化率,或称雷电流的陡度,即雷电流在多少时间内到达其幅值.综合整理国内外运行经验,我国在线路防雷设计中一般取2.6微秒内雷电流i达到其幅值I.雷电波的波形的规定也会影响到设计结果,对一般线路来说,设计中可以取斜角波波头作为根据,这样可以大大简化计算过程。综上所述,于是

di/dt=I/2.6

而Ugt的幅值等于

Ugt=I(Rch+Lgt/2.6)

当Ugt的值等于或大于35KV线路某一相绝缘子串的U50%时,该相绝缘子串闪络,即杆塔向导线放电(称为逆闪络或反击)。

讲到这里,我们还要强调一件事。我国,35千伏及以下电网中性点是不直接接地的。所以在这些电网中,当塔顶受雷击对一相导线放电时(逆闪络或反击),工频短路电流很小,不会引起线路跳闸,仍能继续送电.必须再接再厉,得再向第二相反击后,才可能形成相间短路的大电流,从而引起线路跳闸(即在中性点直接接地系统中,一串绝缘子闪络会引起跳闸,而在中性点非直接接地系统中,要两串绝缘子闪络形成相间短路后才引起跳闸)。因此还应该继续计算向第二相反击的条件。

杆顶与第一相导线之间闪络后,第一相导线即获得了杆顶电位Ugt,相当于雷击了第一相导线,因此对第二相导线会产生偶合作用,所以两相导线间的电位差为

Ugt-k Ugt=Ugt (1-k)

以前曾讲过:雷击导线有偶合,雷击大地有感应,在讲到后者时,也讲过雷击中杆顶也会在导线上感应出符号相反的过电压,在有避雷线存在时,导线的感应过电压为

Ugd*=ah(1-k)

现在由于雷击杆顶,导线1先发生了闪络,即导线接地了,于是导线1此时变成了避雷线,所以导线2上的感应过电压为

Ug*=ah(1-k)

应用叠加原理,可以求出导线2上绝缘子串上所受的电压幅值

Uj12=Ugt (1-k)-[-ah(1-k)]=(Ugt+ah)(1-k)

看到这个公式,我们可以感觉到:雷击大地产生的感应过电压同样可以在雷击避雷线或雷击杆塔时发生,此时感应过电压将叠加到直击雷过电压上,增大了绝缘子串的电位差。

经过了一番折腾之后,我们现在终于知道了雷击杆顶时在导线2上绝缘子上所承受的电压.我们知道,在35KV线路上,导线2的绝缘子串的绝缘强度(或者严格一些,因为是雷电冲击电压,所以是导线2的绝缘子串的冲击绝缘强度,再专业化一点,应该是导线2的绝缘子串的正极性50%冲击放电电压――因为正极性放电电压低,所以采用正极性偏严格,因为冲击电压放电有分散性,所以采用50%冲击放电电压)为350千伏.所以当Uj12≥350千伏时,导线2闪络,从而可能引起跳闸事故。在现有35千伏线路结构中,经过计算,只要雷电流达到19.1千安,Uj12就会大于350千伏,而在我国,67%的雷电流是大于19.1千安的所以当雷击杆塔时,67%的可能性在35KV的线路中是会造成相间短路的。

从U j12≥350千伏为线路跳闸条件看,我们的第二道防线应该是增加绝缘子串的冲击绝缘强度或者减小U j12(例如减小杆塔的接地电阻).如果进行了许多措施之后,或者雷电流过大,不能满足U j12<350千伏,则我们进入第三道防线,即线路发生相间冲击闪络后,不让它转变为稳定的工频电弧。

当线路发生相间闪络后,电网的工频电流将沿着闪络路径流过,这是接地的短路电流,如果此电流的电弧稳定燃烧,则将发生线路的跳闸.雷电流的持续时间为几十微秒左右,而工频半周的时间是0.01秒,即1万微妙,两者相差几百倍,所以雷击瞬间电网电位的相位对电弧的燃烧起着很大的作用.当电网电压瞬间值很小和冲击闪络路径很长时,就不存在着工频稳定燃烧的条件。在工程计算中,为了偏严格,通常按在最大工作电压下沿闪络路径的场强来估计冲击闪络转为稳定电弧的概率(称为建弧率),用η表示.根据实验数据与运行经验,建弧率η与弧道的平均电场强度E(千伏/米)有关,在一般情况下,可以近似地表示为:

η=E/72

在我国的情况下,已知每个X-4.5绝缘子高0.146米,所以两串绝缘子(每串三个)的总长为0.146×6=0.876米,而沿绝缘子串的平均电场强度E为

E=35/0.876=40千伏/米

从而求出的建弧率η=58%,由此可见,在现有绝缘子结构的情况下,35KV线路相间闪络后大约58%的可能性要建立稳定的工频电弧而引起跳闸。所以第三道防线的核心是如何增加闪络路径的长度。

通过上面的工作,我们已经得出了以下重要的结论:对于一条在我国中等雷区运行的35千伏的线路,由于一般不沿全线装设避雷线,每年受雷击的次数约为2.4次,防雷的第一道防线被攻破.线路受到雷击后,有67%的可能将会造成相间短路,防雷的第二道防线被攻破。相间闪络后,又有58%的可能将会转变为稳定的工频电弧而引起跳闸,防雷的第三道防线被攻破。于是只有启用第四道防线,即采用自动重合闸装置,对重要的用户,采用环网供电或不同杆的双回路供电,必要时可改为电缆供电。

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