彭向陽,周華敏
(1.廣東電力科學(xué)研究院,廣州市,510600;2.廣東電網(wǎng)公司,廣州市,510600)
通過對(duì)比同業(yè)對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),廣東主網(wǎng)線路故障跳閘次數(shù)明顯高于內(nèi)地省級(jí)電網(wǎng),如廣東110 kV及以上線路跳閘次數(shù)分別約為江蘇、山東電網(wǎng)同電壓等級(jí)線路跳閘次數(shù)的3~6倍,其最主要原因在于廣東雷電強(qiáng)烈。本文將對(duì)廣東地區(qū)雷電參數(shù)、線路雷擊跳閘規(guī)律及關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析,并提出線路防雷工作建議。
目前廣東雷電定位系統(tǒng)共有18個(gè)雷電方向、時(shí)差探測站,廣東電科院負(fù)責(zé)日常維護(hù)工作,以確保雷雨季系統(tǒng)正常運(yùn)行。運(yùn)用此系統(tǒng)可準(zhǔn)確指導(dǎo)線路雷擊故障點(diǎn)查找工作,大大減輕巡線勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短線路故障停電時(shí)間,并且運(yùn)用其開展雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)和線路防雷分析,成效顯著。
2008年廣東省平均地面落雷密度為18.39次/(年·km2),較2007年大幅增強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)表明,近年廣東雷電強(qiáng)度呈上升趨勢,特別是2007、2008年雷電強(qiáng)度明顯高于其他年份。
比較2008年廣東地區(qū)雷電流幅值概率分布曲線與過電壓保護(hù)規(guī)程[1]推薦曲線可知,15 kA以下雷電流幅值概率明顯高于規(guī)程推薦值,而15 kA以上雷電流幅值概率明顯低于規(guī)程推薦值。
雷電流幅值大于 20、40、60、80、100、120、150 kA的概率分別約為 54%、19%、8%、3%、1.5%、1.0%、0.5%。按照線路典型反擊耐雷水平,可近似認(rèn)為110、220、500 kV線路架空地線遭受雷電流后,發(fā)生反擊跳閘的概率分別大于8%、1.2%、0.4%,這是110 kV和220 kV線路反擊跳閘率明顯高于500 kV線路的原因。
一般情況下,線路雷擊跳閘率與地面落雷密度正相關(guān),但統(tǒng)計(jì)表明,有時(shí)雷電強(qiáng)度對(duì)線路雷擊跳閘率的影響規(guī)律并不典型,以廣東為例,其主要原因如下:
(1)地面落雷密度與線路走廊落雷密度并不完全等同,由于雷電活動(dòng)的分散性,線路走廊落雷次數(shù)不一定隨地面落雷次數(shù)增加。
(2)地面落雷密度是反映雷電強(qiáng)度的重要參量,卻并不能完全表征地區(qū)雷電強(qiáng)度,雷電強(qiáng)度還與雷電流幅值、波形等參數(shù)有關(guān)。
(3)2007年廣東新建梧州、玉林2個(gè)探測站,系統(tǒng)覆蓋面增大、探測效率提高,有可能探測到廣東西北地區(qū)此前探測不到的較小雷電流,因而2008年探測落雷次數(shù)較2007年明顯增加。
(4)2001—2007年探測站一直維持16個(gè),其間歷年雷電探測數(shù)據(jù)可比性較強(qiáng),但系統(tǒng)投運(yùn)以來軟硬件不斷改造升級(jí),個(gè)別探測站也時(shí)常故障停運(yùn),導(dǎo)致系統(tǒng)探測效率及探測精度動(dòng)態(tài)變化,影響歷年雷電探測數(shù)據(jù)的可比性。
(5)雷電探測站在全省布局并不均衡,因此21個(gè)地區(qū)探測數(shù)據(jù)可比性受到影響,但在全省探測站數(shù)量和布局相對(duì)穩(wěn)定的情況下,各地區(qū)本身的歷年雷電探測數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)可比性。
(6)線路雷擊跳閘率的變化,除與雷電分散性相關(guān)外,還與綜合防雷改造和防污調(diào)爬,線路耐雷水平提高有關(guān)。
2008年韶關(guān)、珠海500 kV線路雷擊跳閘率較高,但落雷密度均低于全省平均落雷密度;廣州、汕尾、清遠(yuǎn)跳閘率較低,但廣州、汕尾落雷密度高于全省平均落雷密度。因此,地區(qū)落雷密度對(duì)500 kV線路雷擊跳閘率的影響規(guī)律并不典型。
110 kV線路清遠(yuǎn)、肇慶、茂名的雷擊跳閘率較高,且肇慶、茂名落雷密度高于全省平均水平;揭陽、潮州、河源的跳閘率較低,且落雷密度均低于全省平均水平。
由以上分析可知,落雷密度對(duì)110 kV線路雷擊跳閘率的影響規(guī)律具有一定的典型性,即雷擊跳閘率與統(tǒng)計(jì)落雷密度的正相關(guān)性,110 kV線路最強(qiáng),220 kV線路次之,500 kV線路最弱。這與雷電活動(dòng)具有分散性和統(tǒng)計(jì)規(guī)律、各電壓等級(jí)線路覆蓋范圍不同相一致。
廣東2008年1—8月雷擊跳閘故障統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可知,500、220、110 kV線路雷擊重合成功率分別為 100%、93%、92.6%,220、110 kV 線路雷擊重合成功率相對(duì)較低,主要由于部分線路重合閘退出運(yùn)行,線路雷電反擊導(dǎo)致兩相或三相接地故障等因素。500、220、110 kV線路雷擊故障點(diǎn)查找成功率分別為92.3%、99%、96.6%,均較去年同期明顯提高。
表1 雷擊跳閘重合及故障點(diǎn)查找情況Tab.1 Lightning trip-out superposition and failure spot check-up
線路走廊地形地貌對(duì)線路防雷影響較大。地理位置不同,雷電活動(dòng)存在差別,如南方沿海地區(qū)靠近赤道且受海洋氣象影響、雷電強(qiáng)烈,一般情況下山區(qū)比平原雷電強(qiáng)度大等。大地對(duì)線路的屏蔽效能存在差別,屏蔽效果差則雷電更易擊中線路。
2008年110 kV及以上線路雷擊跳閘事件中,山地或丘陵地區(qū)占76%,其中處于山頂?shù)恼?0.8%,處于山腰的占15.3%;平原或其它地區(qū)雷擊跳閘占24%。這與山區(qū)雷電強(qiáng)烈,桿塔接地電阻相對(duì)較高有關(guān)。
110 kV及以上線路雷擊邊相跳閘事件中,處于下山側(cè)的占24%,處于上山側(cè)的占14%,其余跳閘相地形不明確,或?yàn)榉堑湫偷匦渭胺沁呄嗵l。因此,處于下山側(cè)的邊相導(dǎo)線由于大地屏蔽效果差,容易遭受雷電繞擊跳閘。
桿塔電感及桿塔接地阻抗決定桿塔雷電沖擊電位升高,降低桿塔接地電阻能顯著提高線路反擊耐雷水平,但對(duì)防止線路繞擊影響不大。鑒于降阻措施對(duì)線路防雷的有效性和針對(duì)性,應(yīng)盡可能降低桿塔接地電阻,如按低于15 Ω或10Ω進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造。
線路雷電反擊跳閘主要是由接地電阻偏高或雷電流幅值較大引起的,而廣東部分桿塔接地電阻偏高是因?yàn)樯絽^(qū)土壤電阻率高,降阻改造困難,桿塔接地引線或接地極盜失,因掩土被大雨沖刷桿塔接地極導(dǎo)體外露、接觸不良等造成[2]。
表2統(tǒng)計(jì)了雷擊跳閘桿塔接地電阻分布情況。500 kV桿塔接地電阻均小于20 Ω,雷電流幅值絕大部分處于60 kA以下,遠(yuǎn)未達(dá)到線路反擊耐雷水平,可見500 kV線路雷擊跳閘基本上由雷電繞擊引起。220、110 kV線路接地電阻大于15 Ω的雷擊跳閘比例分別僅為21%、29.2%,并不顯著高于低接地電阻桿塔跳閘次數(shù),原因在于高接地電阻桿塔運(yùn)行數(shù)量比例相對(duì)更少;此外,220、110 kV線路接地電阻小于10 Ω的跳閘比例分別達(dá)67%、47.1%,排除其中較大雷電流導(dǎo)致的反擊跳閘后可知,220 kV線路繞擊跳閘比例高于110 kV線路,而反擊跳閘比例低于110 kV線路。
表2 雷擊跳閘桿塔接地電阻分布Tab.2 Lightning trip-out pole ground resistance distribution
對(duì)于110 kV及以上線路,雷電流幅值較小時(shí)繞擊概率相對(duì)較大,3~30 kA雷電流就可導(dǎo)致繞擊跳閘,若雷電流幅值超過100 kA,則110、220 kV線路反擊跳閘概率明顯增大。
當(dāng)雷電流幅值超出反擊耐雷水平時(shí),雷擊線路反擊跳閘將不可避免。但出現(xiàn)較大雷電流概率較小,如2008年廣東地區(qū)大于150 kA雷電流的概率僅為0.5%,落到110 kV及以上線路的概率就更小。
表3統(tǒng)計(jì)了引起線路雷擊跳閘的雷電流幅值分布,500 kV線路120 kA以下雷電流比例為92.3%,大致低于線路反擊耐雷水平,基本為繞擊。220 kV線路60 kA以下雷電流比例為63.8%,大多為繞擊。110 kV線路30 kA以下雷電流比例為16.6%,60 kA以下比例為37.5%,大多為繞擊。
表4統(tǒng)計(jì)了線路繞擊、反擊跳閘情況。110 kV及以上線路反擊、繞擊跳閘比例與上述雷擊跳閘線路桿塔接地電阻、雷電流幅值分布基本吻合,具有一致性[3]。
表3 線路雷擊跳閘雷電流幅值分布Tab.3 Lightning current magnitude distribution during line trip-out caused by lightning
表4 線路雷電反擊、繞擊跳閘比例Tab.4 Line lightning strike-back,circle attack trip-out rate
減小地線保護(hù)角是防止線路雷電繞擊的主要技術(shù)措施,設(shè)計(jì)規(guī)程要求500、220、110 kV線路地線保護(hù)角分別小于 15°、20°、25°,由于廣東線路繞擊跳閘比例較高,建議500、220、110 kV設(shè)計(jì)保護(hù)角分應(yīng)小于 5°、10°、15°,特別是 500 kV 線路和同塔多回共架線路,可采用負(fù)保護(hù)角。
表5統(tǒng)計(jì)了雷擊跳閘線路的保護(hù)角情況,在相同保護(hù)角范圍,隨著電壓等級(jí)和桿塔高度增加,線路跳閘(主要是繞擊)比例明顯增加。
表5 線路雷擊跳閘地線保護(hù)角分布Tab.5 Line lightning trip-out ground wire protective angle distribution
表6統(tǒng)計(jì)了雷擊跳閘線路的故障絕緣子的類型,可見500 kV線路合成絕緣子雷擊閃絡(luò)比例較大,220、110 kV線路合成絕緣子、玻璃絕緣子雷擊閃絡(luò)比例相差不大。
線路絕緣子雷擊受損數(shù)量,可能由不同類型絕緣子掛網(wǎng)數(shù)量以及雷電活動(dòng)分散性決定,對(duì)于相同雷電耐受水平的合成絕緣子或玻璃絕緣子,暫時(shí)無運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明合成絕緣子比玻璃絕緣子更易遭受雷電閃絡(luò)[4]。
早期防污調(diào)爬使用的合成絕緣子確實(shí)存在電弧距離較短、與同電壓等級(jí)的玻璃或瓷絕緣子電氣性能不等效的情況,由此也導(dǎo)致了線路耐雷水平下降、雷擊跳閘率提高。同時(shí)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,合成絕緣子工頻電弧作用不如玻璃絕緣子,且耐受雷電流小,因而容易造成硅橡膠材料或端部密封結(jié)構(gòu)的缺陷。
表6 雷擊跳閘桿塔絕緣子類型統(tǒng)計(jì)Tab.6 Insulator type statistic of lightning trip-out towers
截至2008年,廣東110、220、500 kV線路分別安裝中間避雷器7406、2790、34相,安裝線路604、151、2回,占全部線路規(guī)模的 24.3%、24.5%、2.3%,其中2008年凈增中間避雷器1784相;絕緣子間隙、空氣間隙、無間隙的中間避雷器的比例分別為68.9%、23.2%、7.9%。
110、220 kV線路分別安裝終端避雷器3221、501相,安裝線路685、118回,其中帶脫離裝置、無脫離裝置、帶間隙的終端避雷器的比例分別為42.7%、53.3%、3.8%,絕大多數(shù)采取無間隙避雷器。2008年凈增終端避雷器1449相。
2008年110、220 kV線路中間避雷器平均每相動(dòng)作2.3、2.4次,110、220 kV線路終端避雷器平均每相動(dòng)作1.6、1.5次,避雷器動(dòng)作率和保護(hù)有效性均處于較高水平。
廣東線路避雷器運(yùn)行可靠性和效果總體良好,存在問題主要有:個(gè)別避雷器電氣、機(jī)械性能變差;由于安裝選點(diǎn)不當(dāng)、雷電活動(dòng)的分散性,部分線路防雷效果不明顯;由于絕緣配合不當(dāng)問題,個(gè)別避雷器存在保護(hù)失效現(xiàn)象;避雷器本體、絕緣子間隙受彎曲應(yīng)力累積作用發(fā)生斷裂;避雷器電氣連接受損或脫離裝置故障;避雷器金具及計(jì)數(shù)器等部件銹蝕損壞。
在當(dāng)前廣東線路雷擊跳閘率仍然居高的形式下,繼續(xù)推進(jìn)線路避雷器的防雷應(yīng)用具有重要意義[5-7],但不能盲目安裝和隨意擴(kuò)大規(guī)模,應(yīng)加強(qiáng)針對(duì)性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。
推進(jìn)線路防雷綜合改造,加強(qiáng)管理和積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。建議考慮對(duì)雷擊跳閘率較高、跳閘次數(shù)較多的500 kV東惠甲線、江茂甲線、曲花乙線,220 kV風(fēng)嶺線、東黎甲線、陽仙甲乙線,110 kV悅祿線、潖逕乙線、三安甲乙、桃呂線、睦悅線等實(shí)施綜合防雷改造。
防雷改造應(yīng)有針對(duì)性,應(yīng)至少積累該線路3~5年以上的雷擊跳閘數(shù)據(jù),以明確造成線路跳閘率高的主要原因,原則上500 kV線路重點(diǎn)防繞擊,110 kV線路重點(diǎn)防反擊,220 kV線路應(yīng)同時(shí)防繞擊和反擊。對(duì)于已開展或完成改造線路,應(yīng)跟蹤1~5年運(yùn)行數(shù)據(jù),明確改造是否取得實(shí)效。對(duì)于部分線路改造效果不明顯的,應(yīng)分析具體原因,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。
廣東經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)入新階段,線路走廊選擇困難或別無選擇,新建線路處山區(qū)或突出暴露地形居多,容易遭受雷擊,因此必須在規(guī)程基礎(chǔ)上提高防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7]。此外,已運(yùn)行線路桿塔高度、結(jié)構(gòu)和空氣間隙固定,開展防雷改造具有局限性,必須從設(shè)計(jì)源頭把關(guān)。
建議500 kV線路、同塔線路采取5°以下及負(fù)保護(hù)角,220、110 kV線路分別采取10°、15°以下保護(hù)角,減少線路繞擊跳閘。
建議加強(qiáng)線路絕緣設(shè)計(jì),采用電弧距離較大的合成絕緣子,增加玻璃絕緣子片數(shù),將瓷絕緣子更換為玻璃或合成絕緣子等。位于山頂或突出暴露地形易擊桿塔宜使用玻璃絕緣子。加強(qiáng)絕緣可按提高10%~20%考慮,同時(shí)也應(yīng)提高塔頭尺寸和空氣間隙裕度,防止塔頭間隙放電概率增大。
線路防雷在一次方面存在局限性,線路雷擊跳閘率只能降低到一個(gè)可接受水平,不可能降低到更低水平。
在采取措施降低雷擊跳閘率的同時(shí),更應(yīng)通過加強(qiáng)繼電保護(hù)和重合閘管理,避免不必要的重合閘退出。同時(shí),應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè),完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu),提高供電可靠性。
應(yīng)結(jié)合MIS建設(shè),統(tǒng)一和規(guī)范線路雷擊跳閘記錄格式和防雷運(yùn)行報(bào)表,完善線路雷擊跳閘信息,及時(shí)開展防雷運(yùn)行總結(jié)和分析評(píng)估;加強(qiáng)線路防雷運(yùn)行維護(hù),及時(shí)查找雷擊故障點(diǎn)和更換受損絕緣子;制定和執(zhí)行線路設(shè)備檢測、抽檢和改造計(jì)劃,組織落實(shí)重大反事故措施;加強(qiáng)雷電定位系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和軟硬件升級(jí),及時(shí)更新線路坐標(biāo),提高應(yīng)用水平,有效指導(dǎo)線路雷擊故障點(diǎn)查找和雷電參數(shù)分析;積極開展線路防雷科研和新技術(shù)應(yīng)用[8-14]。
輸電線路和電網(wǎng)雷電防護(hù)是一項(xiàng)長期工作,由于線路規(guī)模擴(kuò)大,氣候變化、雷電活動(dòng)頻繁,電網(wǎng)雷害事故明顯增多,加強(qiáng)雷電參數(shù)及線路防雷分析,開展防雷改造、采取有效的防雷措施顯得尤為重要。本文分析了廣東省線路雷擊跳閘率及雷擊原因,并提出了線路防雷策略,可為今后的防雷工作提供參考意見。近年來,雷電監(jiān)測技術(shù)研究取得顯著進(jìn)展,雷電仿真和試驗(yàn)工作積極開展,特別是電網(wǎng)整體防雷思想和差異化防雷策略初步貫徹實(shí)施[15],必將極大地提高輸電線路和電網(wǎng)雷電防護(hù)技術(shù)和水平。
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