110kV架空線路并聯間隙防雷保護應用研究

林子翔 賈宏偉

摘 要：并聯間隙防雷運用疏導電流原理，投資甚少，經濟、實用，有著廣泛的應用價值。本研究以110kV架空線路并聯間隙防雷保護裝置的原理為基礎，探討了其在選擇及安裝方面所涉及的重要內容，選取生產現場最為關注的跳閘率作為衡量指標，選取典型線路作為研究對象，分別對安裝了不同間隙距離保護裝置的線路進行了研究，并計算了其雷擊跳閘率，分析了雷擊跳閘率與間隙距離之間的關系，體現了架空線路采用并聯間隙防雷保護的應用優勢。

關鍵詞：架空線路 防雷 并聯間隙 保護應用

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0031-02

1 研究背景

架空輸電線路的防雷一直是輸配電線路運行管理部門積極探討的課題，根據統計數據顯示，電網中由雷擊引起的故障占70%左右，特別是在南方地區，雷擊造成線路絕緣破壞的情況頻頻發生，甚至可能惡化演變為掉線等惡性事故，引起局部停電，危及整個電力系統安全。所以，無論從發生頻率還是引起后果來看，雷擊都是影響電網安全的重要因素之一。為此，研究輸電線路的防雷具有重要的意義。

目前，在架空線路上常用的防雷措施多采用架設避雷線、桿塔接地電阻降阻、絕緣強化、耦合地線加裝、線路型避雷器加裝等方式。以上防雷保護措施的根本目的是：通過提高線路耐雷水平來減少雷擊跳閘率，也可統稱為“堵塞型”防雷保護方式。然而，雷電是一種自然現象，其發生的頻率、地點、強度等均具有很強的隨機性，致使“堵塞型”防雷保護存在投資大、效率低、技術難等問題。此外，對于雷擊線路本身，只屬于一種小概率事件，耗費大量資金進行線路型避雷器加裝，增加了線路的建設和運行成本，僅為防止這種小概率事件的發生，經濟效益較差。為此，本研究提出的防雷保護措施，其根本目的是采用在絕緣子旁并聯間隙裝置的方式進行接收雷電、疏導工頻電弧等工作，避免了絕緣子被電弧燒壞，雖有可能存在雷擊閃絡，但重合閘能夠成功，以此提高供電的可靠性，這種方式也可稱為“疏導型”防雷保護。此外，一串絕緣子僅需配一對間隙裝置，投資較少，經濟效益較為明顯。如能將以上兩種方式進行結合，因地制宜地采用，將能夠有效提升防雷工作有效性。

2 研究途徑

2.1 技術原理

本研究所設計和研發的并聯間隙防雷保護，主要是通過將一對金屬電極（又稱招弧角或引弧角）并聯在絕緣子串兩端的方式，構成一個小于絕緣子串長度的保護間隙。在正常運行條件下，并聯的間隙裝置具有工頻電場的作用；而當架空線路遭遇雷擊情況時，保護間隙由于雷電沖擊電壓而先放電，工頻電弧在電動力和熱應力的作用下在其之后產生，再通過并聯間隙引至電極端頭，最終將電弧吹開消散，從而保護絕緣子，免于電弧的燒蝕破壞。

2.2 技術要求

本研究所設計的并聯間隙防雷保護裝置應同時具備“接閃雷電、疏導工頻電弧、均勻電場”這3種功能。其中，接閃雷電、疏導工頻電弧兩項最為重要，能夠有效避免絕緣子和金具的燒損破壞。

2.3 技術關鍵

本研究設計和研發的并聯間隙防雷保護裝置能夠最終通過雷電沖擊試驗和工頻電弧燃燒特性試驗，充分展示對絕緣子和金具的保護效果。選用原則如下：（1）能夠引弧離開絕緣子；（2）盡可能利用絕緣子串安裝固定，對運行線路改動小；（3）容易安裝和更換；（4）電極起弧放電點痕跡明顯，便于故障查找定位；（5）電極材料燃燒損耗低、耐灼燒。

3 研究現狀

（1）國外許多發達國家都對架空線路的并聯間隙防雷保護進行了大量的研究。自20世紀60年代起，部分國家已陸續在線路絕緣子串上安裝放電間隙裝置，例如：早期使用的羊角引弧裝置。經歷了多年的更新和演變，放電間隙在許多國家的超高壓、高壓線路中都得到了廣泛應用，一些國家甚至將并聯間隙防雷作為架空線路防雷保護的基本措施之一寫入規程之中。

（2）香港中華電力公司400kV/132kV架空線路采用的防雷保護措施主要包括架設雙避雷線、降低桿塔接地電阻、同塔雙回路線路全線安裝絕緣子并聯間隙（間隙距離不同）形成不平衡絕緣、雷擊易發線路段安裝純空氣間隙避雷器、變電站內安裝自動重合閘裝置、采用雷電監測和故障錄波定位系統，對降低輸電線路雷擊事故的效果較為明顯。該項措施簡單、可靠，相比線路避雷器成本低廉，運行中幾乎免維護，是架空線路防雷保護的較好措施。配合故障定位系統，可快速確定故障線路段。

針對目前的實際情況，從經濟性考慮，較為理想的實施方式為雷擊故障頻發線路段采用線路避雷器，其他線路段采用并聯間隙。

4 材料選擇及設計

并聯間隙的設計主要包含招弧電極形狀設計、外形尺寸設計、間隙距離設計和聯接金具設計等內容，許多專家學者都對此已進行了大量的研究和實驗，本研究主要針對其中實際使用方面設計到的問題進行討論。

4.1 材料設計

在電極截面不變的前提下，如果試驗條件完全相同，那么材料的選用就直接決定了電弧的運動速度。根據相關試驗數據可知，電弧在鋼材料上運動的速度要比鋁材料高出50%，而銅材料的情況則與鋁材料大致相同。鋁材料的熱耗比明顯優于鋼材料，在熱應力相同的情況下，鋁材料弧根燒灼位置的金屬損耗要比鋼材料高4～5倍。在弧根燒灼位置損耗的材料，絕大部分并不是嚴格意義上的消失，而是以顆粒的形式被拋出。以目前的試驗結果，還未能預見被拋出到絕緣子上面的氧化鋁堆積物對絕緣子性能影響的程度，按常規試驗角度考慮，絕緣水平應會明顯下降。因此，考慮到防腐需要，熱鍍鋅鋼是最為合適的材料。

4.2 安裝設計

（1）對于單聯懸垂串，招弧角與導線平行；對于雙聯懸垂串，招弧角和導線呈45°夾角沖線路外側（僅對于同塔雙回線路或單回線路的邊相）。從而滿足即減小電弧掠過絕緣子的概率又易于觀察招弧角燒蝕情況。（2）對于耐張串絕緣子可直接在連板的檢修孔上安裝。（3）對于高桿塔，若安裝并聯間隙會改變塔頭間隙距離，則需進行特殊考慮。

4.3 外形設計

新型連接金具應盡可能不改變原有間隙長度，且便于安裝、減小安裝工作量。

5 并聯間隙裝置的跳閘率計算

雷擊跳閘率無疑是輸配電線路運行管理工作最為關心的指標之一。在其他參數（包括桿塔、導線、絕緣子、接地電阻等）不變的前提下，裝設有并聯間隙的架空線路，其雷擊跳閘率可認為僅與并聯間隙的雷電沖擊50%放電電壓（U50%）有關，而雷電又與間隙的絕緣距離存在一定的關聯。

110kV線路的雷擊故障均為三相跳閘再重合閘，且線路因雷擊造成的兩相反擊閃絡的事故也時有發生。

絕緣子雷擊閃絡后是否跳閘，取決于能否建弧。建弧概率，其中Un為系統標稱電壓，li為絕緣子串絕緣距離；每平方公里每年的落雷次數Ng和年雷電日Td的關系可由式確定，線路每百公里每年落雷次數，其中h為桿塔的高度，b為避雷線間距。線路每百公里每年繞擊跳閘率，線路每百公里每年反擊跳閘率，線路每百公里每年跳閘率，其中g為擊桿率，對于雙避雷線線路，平原擊桿率取1/6，山丘擊桿率取1/4；為超過雷擊桿塔頂部時耐雷水平的雷電流概率，，I為雷電流幅值；為線路的繞擊閃絡率，平原取，α為導線保護角；P2為超過雷繞擊導線時耐雷水平的雷電流概率。

根據計算結果可知，線路雷擊跳閘率與間隙距離之間存在著一定線性關系，這為并聯間隙電極的尺寸設計提供了技術依據。根據本研究所設計的并聯間隙，既要滿足上述保護絕緣子免于電弧灼燒的要求，又要滿足線路雷擊跳閘率的要求。一般情況下，采用并聯間隙裝置會使得絕緣子串的雷擊跳閘率有所提高，但如果并聯間隙能夠在線路遭雷擊后迅速吹散工頻電弧，保護絕緣子及金具不受損壞，從而降低線路的事故率，也是工程可以接受的。基于此設計的重點就是找出并聯間隙保護效果與雷擊跳閘率的最佳結合點。

6 結論

（1）架空線路在安裝并聯間隙裝置后線路雷擊跳閘率有所增加。一般根據不同的線路參數及塔型、地理環境等數據，通過計算得出：安裝并聯間隙后線路雷擊跳閘率會有5%～15%的增加（在容許范圍內）。而安裝并聯間隙裝置對線路的根本影響為：對于雷擊跳閘率較高的線路，通過并聯間隙裝置的安裝，可以使得其雷擊跳閘率的影響小于雷擊跳閘率低的線路。設計上可以通過增加絕緣子片數、優化電極尺寸等方式，將雷擊跳閘率限制到原有水平。但增加絕緣子后會改變線路的弧垂及風偏，在線路運行中需根據實際的情況綜合考慮加裝并聯間隙后的影響。

（2）架空線路的防雷措施應以傳統的保護方式為基礎，將并聯間隙防雷保護作為補充，因地制宜、合理地進行配合使用。并聯間隙裝置相比線路避雷器而言，成本較低、方便安裝，運行中幾乎免維護，是一項非常理想的防雷輔助措施。并聯間隙掛網運行后，除因動作頻繁致使燃弧電極明顯燒損需要更換外，并不需要定期巡視，幾乎免維護，能夠大幅提高電網可靠性。此外，如將其與雷電故障定位系統配合使用，能夠實現線路故障段位置的快速確定。

參考文獻

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