500 kV輸電線路雷擊跳閘原因分析及防范措施

馬 釗

(保定供電公司,河北 保定 071000)

保定供電公司超高壓工區是華北電網公司系統內組建的第1批500 kV輸電線路專業運維單位。截至2009年12月,共維護華北電網公司500 kV輸電線路6條,線路總長715.081 km、鐵塔1 661基。輸電線路故障跳閘直接影響功率的輸送,同時也對電網的安全、穩定運行構成了重大威脅,盡最大可能降低輸電線路跳閘率,是線路運行單位追求的目標,也是打造“堅強智能電網”的前提和根本。所以,對維護的500 kV輸電線路以往發生的跳閘故障進行總結和分析,以數據為依據對設備存在的隱患進行分析,并提出了有針對性的防范措施。

1 故障情況介紹

保定供電公司超高壓工區500 kV輸電線路故障跳閘情況統計見表1。

從跳閘次數分析:雷擊跳閘14次,占跳閘總數的33.3%;污閃跳閘13次,占跳閘總數的31%;外力、覆冰、風偏、金具斷裂、帶電作業、樹木、異物引起的跳閘各2次,各占跳閘總數的4.8%;不明原因引起的跳閘1次,占跳閘總數的2.4%。

從跳閘后的重合成功率分析:14次雷擊跳閘重合不成功1次;13次污閃跳閘重合不成功7次;外力、風偏、帶電作業各引起的2次跳閘后重合不成功都是1次;由金具斷裂引起的2次跳閘重合不成功2次。通過這些統計數字可以得出如下結論:由雷擊、污閃引發的跳閘次數較多,由污閃引發的設備故障停運時間最長。這些數據印證了超高壓輸電線路發生故障的一些基本規律:由雷擊造成的絕緣子串閃絡引起的線路跳閘占線路總跳閘率的30%～60%,而由絕緣子串的污穢閃絡所造成的電量損失又為雷擊的9～10倍。超高壓工區500 kV輸電線路雷擊故障統計見表2。

表1 500 kV輸電線路故障跳閘情況統計 次

表2 500 kV輸電線路雷擊故障情況統計

由表2可以看出:自1988年7月21日至2009年8月1日,超高壓工區所轄設備共計發生14次雷擊跳閘故障,其中山區11次、平原3次。

2 雷擊跳閘的原因分析

2.1 桿塔所處位置

超高壓輸電線路作為長距離能源輸送通道,將電能由發電廠輸送到負荷中心時,其途經區域的地形、地質及氣象條件極為復雜。如:500 kV大房雙回、源安雙回4條線路,由西向東經過淶源、易縣、淶水等3個山區縣,地形呈西高東低之勢、起伏較大,山區段海拔標高800～2 200 m,年雷暴日大于40天。積累的運行數據表明,14次雷擊跳閘有11次在山區段,山區雷電跳閘數是平原雷擊跳閘數3～4倍,所以山區段線路防雷工作一直是工區防雷工作的重點。

能夠危害500 kV輸電線路運行安全的主要是直擊雷,直擊雷主要分反擊雷和繞擊雷2種,2種雷的表現區別見表3。500 kV輸電線路的繞擊耐雷水平一般為15～30 kA,而反擊雷耐雷水平一般在100 kA以上。只要電流幅值一般的雷繞擊到導線上就會造成線路跳閘,所以防止雷電繞擊又是線路防雷工作的重點。

表3 繞擊雷與反擊雷表現上的區別

雷電繞擊率與桿塔高度、避雷線保護角及桿塔地面坡度呈遞增函數關系。當塔高增加時地面的屏蔽效應減弱,繞擊區變大。同時桿塔高度增加時電感增大,雷電流流過桿塔時產生的電壓幅值增高。避雷線保護角與繞擊區成正比,保護角越大形成的繞擊區越大,從而使繞擊次數增加。隨著地面坡度的增大,導線的暴露弧段也將增大。當線路沿山坡走向架設時,山坡外側繞擊區增大,繞擊次數增加,山坡內側繞擊區減小,繞擊次數大為減少。表2的313項中,11次雷擊跳閘所涉及的10基塔所處地形非常典型,均為山坡或是小山包的山頂處,其主要誘因均屬于避雷線保護角與地面坡度形成的暴露弧過大。且有些鐵塔所處位置地下富含銅、鐵等礦物質,這種地質條件更易與雷云感應出相反極性的電荷,從而使此地段鐵塔起到了大地與雷云之間“放電間隙”的作用。加之鐵塔、導線均為良導體,輸電線路本身攜帶電荷,具有吸引雷的作用,所以較一般物體更易遭受雷擊。

2.2 避雷線保護角

架設架空避雷線是超高壓輸電線路最基本、最有效的防雷措施。避雷線對導線的保護效果與其保護角(避雷線與外側導線的連線和避雷線對地面垂線之間的夾角)的大小有密切關系。跳閘率隨著保護角的增大而增加,減小保護角可以有效降低繞擊率,當保護角降低到一定程度時甚至可以起到屏蔽作用,使導線基本上不會受到繞擊。由表2中的39項可知,這7次直線塔雷擊跳閘很大程度上與避雷線保護角有關,38項6次雷擊跳閘為大房二回的一代塔頭,其保護角為15°左右。而二代塔頭保護角減小到13°左右,其直線塔雷擊跳閘僅第9項源安一回304號塔發生過1次。由此可見,避雷線保護角對線路耐繞擊水平的影響較大。

2.3 桿塔接地電阻

表4 桿塔接地電阻與耐雷水平的關系

可以通過式(1)來驗算接地電阻與耐雷水平的關系:

式中:I1為線路耐雷水平;U50為絕緣子串的50%沖擊放電電壓;k為導線和避雷線間的耦合系數;k0為導線和地線間的幾何耦合系數;β為桿塔的分流系數;R i為桿塔的沖擊接地電阻;L t為桿塔電感;h c為導線對地平均高度;ha為桿塔橫擔對地高度;ht為桿塔高度;h g為避雷線對地平均高度。

從表4和式(1)可以看出,輸電線路桿塔接地電阻值越大,其線路的耐雷水平越低。要提高線路的耐雷水平,降低線路桿塔接地電阻是關鍵因素之一。但在實際工作中,由于山區輸電線路的地質原因,普遍存在土壤電阻率高而導致桿塔接地電阻值偏大的問題,所以對山區段接地電阻超標桿塔進行地網改造也是防雷重點工作之一。

2.4 桿塔外絕緣水平

桿塔外絕緣水平與雷擊跳閘有直接關系。據華北電力科學研究院統計數字:500 kV線路懸垂串每相25片絕緣子時,其在正常年份下線路雷擊跳閘率約為0.334次/(100 km·a),當每相調整到28片時跳閘率為0.087次/(100 km·a)。從表2第1、2、14項可以看出,3次平原地區雷擊閃絡全部發生在合成絕緣子串上,合成絕緣子4 m左右的有效絕緣距離與現掛網的玻璃絕緣子串所形成的4.8 m的空氣間隙相差甚遠,證實了合成絕緣子由于其自身原因,在有效提高了線路防污水平的同時,在防雷上的確存在缺陷。

觀察表2第11、12、13項,可以發現一個較特殊的現象,從2007年6月27日至2009年8月1日,源安二回山區段連續發生3次耐張塔水平絕緣子串雷擊閃絡,這三基塔地理位置都處在山區段多雷區,避雷線保護角13°左右。絕緣配置上這三基塔完全一致,均為賽迪維爾產FC240/170型玻璃絕緣子28片配置,有效絕緣距離4.76 m,絕緣距離從理論上看完全能夠滿足防雷需要。排除地形因素,發生該情況的根源在于配套使用的金具存在一定問題,主要表現在水平絕緣子串高壓端屏蔽環外形尺寸過大,過大的外型尺寸直接短接掉了2片絕緣子有效絕緣距離,使4.76 m的絕緣距離變為4.42 m。而4.42 m的絕緣距離在這種地形的多雷區,就成為了絕緣配置薄弱點,引發了雷擊跳閘事故。每次雷擊過后,均可以發現屏蔽環上留下的清晰放電痕跡,有的甚至將屏蔽環外壁擊穿形成多個小孔,可見尺寸過大的屏蔽環發揮了引弧環的作用。

3 雷擊跳閘的防范措施

3.1 降低桿塔接地電阻

依照華北電網公司對山區接地電阻小于15Ω、平原接地電阻小于7Ω的要求,對桿塔接地網進行了改造:其中大房雙回已先后改造過4次;自2005年以來,對源安雙回、房保一回接地網超標嚴重的桿塔各改造過1次;對全部1 661基鐵塔進行了接地電阻測量,共測出接地電阻超標桿塔186基,后組織專業測試班組進行復測,確認超標桿塔數為68基,并于雨季前全部進行了接地網改造,有效減少了因接地電阻超標引發的雷電反擊跳閘次數。

3.2 減小避雷線保護角

為已投運線路加裝側向防繞擊避雷針,長4m的金屬側針水平方向從避雷線掛點處向外側伸出,有效的減小了塔頭附近的保護角,增大了防護范圍。根據塔形的不同,安裝防雷側針后保護角全部小于3°,部分塔形已成負角。當雷電流較大時,雷擊的選擇性較強,而避雷針的接閃作用明顯,這樣就將較大的雷電流引向避雷針,從而有效的降低了繞擊發生的概率。避雷針的安裝增大了塔頭附近導線、地線的耦合系數,減小了作用在絕緣子串上的電壓,起到了提高耐雷水平的作用。自2006年起,保定供電公司已先后對1 334基桿塔加裝了防繞擊避雷針,加裝避雷針后的直線桿塔未發生過雷擊跳閘事故。

3.3 增加線路外絕緣水平

大房一回已于1993年、1999年、2001年進行了3次大規模絕緣配置調整,大房二回于1990年、2001年、2002年進行了3次大規模調爬,源安雙回于2004年進行了絕緣配置調整。調爬后直線塔雷擊跳閘僅發生過3次,通過絕緣配置調整,減少了雷擊閃絡事故的發生次數。

4 存在的問題與建議

目前,源安雙回山區段耐張塔水平串絕緣配置偏低問題仍未得到解決,FC240-170型玻璃絕緣子28片配置,其配套使用的絕緣子串高壓端屏蔽環尺寸過大,直接短接掉2片絕緣子的有效絕緣距離, 20062009年該配置水平絕緣子串已連續發生雷擊閃絡3次。建議對源安雙回山區段耐張塔水平串進行絕緣配置調整,增加水平串絕緣子片數。

針對平原段掛網合成絕緣子有效絕緣距離短,易發生雷擊閃絡跳閘的情況。建議對平原掛網的復合絕緣子,應經設計單位對塔頭尺寸進行驗算后,在高壓端加掛2～5片玻璃絕緣子。加掛玻璃絕緣子后,增加了絕緣子串的有效絕緣距離,可以緩解合成絕緣子分布電壓極不均勻的現狀,使玻璃絕緣子承受該絕緣串最高電壓,有效的防止了復合絕緣子高壓端硅橡膠電蝕、貫穿引發芯棒脆斷掉串的惡性事故。