馬 釗

(保定供電公司,河北 保定 071000)

保定供電公司超高壓工區(qū)是華北電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)組建的第1批500 kV輸電線路專業(yè)運維單位。截至2009年12月,共維護華北電網(wǎng)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(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行構(gòu)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(wǎng)”的前提和根本。所以,對維護的500 kV輸電線路以往發(fā)生的跳閘故障進行總結(jié)和分析,以數(shù)據(jù)為依據(jù)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(qū)500 kV輸電線路故障跳閘情況統(tǒng)計見表1。

從跳閘次數(shù)分析:雷擊跳閘14次,占跳閘總數(shù)的33.3%;污閃跳閘13次,占跳閘總數(shù)的31%;外力、覆冰、風偏、金具斷裂、帶電作業(yè)、樹木、異物引起的跳閘各2次,各占跳閘總數(shù)的4.8%;不明原因引起的跳閘1次,占跳閘總數(shù)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(yè)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(tǒng)計數(shù)字可以得出如下結(jié)論:由雷擊、污閃引發(fā)的跳閘次數(shù)較多,由污閃引發(fā)的設備故障停運時間最長。這些數(shù)據(jù)印證了超高壓輸電線路發(fā)生故障的一些基本規(guī)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(qū)500 kV輸電線路雷擊故障統(tǒng)計見表2。

表1 500 kV輸電線路故障跳閘情況統(tǒng)計 次

表2 500 kV輸電線路雷擊故障情況統(tǒng)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(qū)所轄設備共計發(fā)生14次雷擊跳閘故障,其中山區(qū)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(fā)電廠輸送到負荷中心時,其途經(jīng)區(qū)域的地形、地質(zhì)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(jīng)過淶源、易縣、淶水等3個山區(qū)縣,地形呈西高東低之勢、起伏較大,山區(qū)段海拔標高800～2 200 m,年雷暴日大于40天。積累的運行數(shù)據(jù)表明,14次雷擊跳閘有11次在山區(qū)段,山區(qū)雷電跳閘數(shù)是平原雷擊跳閘數(shù)3～4倍,所以山區(qū)段線路防雷工作一直是工區(qū)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(xiàn)區(qū)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(xiàn)上的區(qū)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(shù)關系。當塔高增加時地面的屏蔽效應減弱,繞擊區(qū)變大。同時桿塔高度增加時電感增大,雷電流流過桿塔時產(chǎn)生的電壓幅值增高。避雷線保護角與繞擊區(qū)成正比,保護角越大形成的繞擊區(qū)越大,從而使繞擊次數(shù)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(cè)繞擊區(qū)增大,繞擊次數(shù)增加,山坡內(nèi)側(cè)繞擊區(qū)減小,繞擊次數(shù)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(zhì),這種地質(zhì)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(cè)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(fā)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(shù);k0為導線和地線間的幾何耦合系數(shù);β為桿塔的分流系數(shù);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(qū)輸電線路的地質(zhì)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(qū)段接地電阻超標桿塔進行地網(wǎng)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(jù)華北電力科學研究院統(tǒng)計數(shù)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(diào)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(qū)雷擊閃絡全部發(fā)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(xiàn)掛網(wǎng)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(fā)現(xiàn)一個較特殊的現(xiàn)象,從2007年6月27日至2009年8月1日,源安二回山區(qū)段連續(xù)發(fā)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(qū)段多雷區(qū),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(chǎn)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(fā)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(xiàn)在水平絕緣子串高壓端屏蔽環(huán)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?yōu)?.42 m。而4.42 m的絕緣距離在這種地形的多雷區(qū),就成為了絕緣配置薄弱點,引發(fā)了雷擊跳閘事故。每次雷擊過后,均可以發(fā)現(xiàn)屏蔽環(huán)上留下的清晰放電痕跡,有的甚至將屏蔽環(huán)外壁擊穿形成多個小孔,可見尺寸過大的屏蔽環(huán)發(fā)揮了引弧環(huán)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(wǎng)公司對山區(qū)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(wǎng)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(wǎng)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(yè)測試班組進行復測,確認超標桿塔數(shù)為68基,并于雨季前全部進行了接地網(wǎng)改造,有效減少了因接地電阻超標引發(fā)的雷電反擊跳閘次數(shù)。

3.2 減小避雷線保護角

為已投運線路加裝側(cè)向防繞擊避雷針,長4m的金屬側(cè)針水平方向從避雷線掛點處向外側(cè)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(jù)塔形的不同,安裝防雷側(cè)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(fā)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(shù),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(fā)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(guī)模絕緣配置調(diào)整,大房二回于1990年、2001年、2002年進行了3次大規(guī)模調(diào)爬,源安雙回于2004年進行了絕緣配置調(diào)整。調(diào)爬后直線塔雷擊跳閘僅發(fā)生過3次,通過絕緣配置調(diào)整,減少了雷擊閃絡事故的發(fā)生次數(shù)。

4 存在的問題與建議

目前,源安雙回山區(qū)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(huán)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(xù)發(fā)生雷擊閃絡3次。建議對源安雙回山區(qū)段耐張塔水平串進行絕緣配置調(diào)整,增加水平串絕緣子片數(shù)。

針對平原段掛網(wǎng)合成絕緣子有效絕緣距離短,易發(fā)生雷擊閃絡跳閘的情況。建議對平原掛網(wǎng)的復合絕緣子,應經(jīng)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(xiàn)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(fā)芯棒脆斷掉串的惡性事故。