输电线路防雷改进措施的研究

输电线路防雷改进措施的研究

电网中的事故以输电线路的故障占大部分，输电线路的故障又以雷击跳闸占的比重较大，尤其是在山区的输电线路中，线路故障基本上是由于雷击跳闸引起的，据运行记录，架空输电线路的供电故障一半是雷电引起的，所以防止雷击跳闸可大大降低输电线路的故障，进而降低电网中事故的发生频率。经多年摸索，我国的输电线路防雷基本形成了一系列行之有效的常规防雷方法，如降低接地电阻、架设避雷线、安装自动重合闸等，但是对于一些山区线路，雷害十分频繁，降低接地电阻又极其困难，而且费用高、工作量大，效果也受到一定的限制。由于近些年110 kV及以上电压等级的合成绝缘外套金属氧化物避雷器的研制成功，为解决线路的防雷提供了一种新的手段。华北电网内雷电活动频繁的两个地区之一的承德供电局内一条110 kV输电线路——寿遵110 kV线路，该线路经过高山大岭的一段杆塔，在雷雨季节经常遭受雷击，造成线路跳闸，为了解决这个问题，在该线路129号～167号杆塔上共安装了20只合成绝缘外套金属氧化物避雷器，经过一年多的运行实践和一系列的带电监测研究，证明这种改进的防雷措施对于山区线路的防雷是经济、有效的。

1　线路的基本情况及改造情况
1.1　寿遵线路的基本情况
　　承德地区位于燕山山脉深处，高山大岭约占40%，雷电活动非常频繁，年雷电日在40日以上，每年由于雷击而引起的故障占全年运行故障的60%左右。寿遵110 kV线路全长49.40 km，导线均无换位，平地占13.2%，一般山地占53.1%，高山大岭占33.7%。寿遵线是承德地区与电网的联络线，位置重要，该线路又是承德地区雷击事故较多的线路之一，由于这些杆有近一半在山顶上，所以雷击点的查找以及瓷瓶串的更换极其困难，工作量很大。
　　据资料介绍，雷击是有选择性的。220 kV新(安江)杭(州)一回全长119.4 km，于1960年9月28日投运，自1962年起在线路上安装了大量的磁钢棒进行测量记录，通过1962年至1988年的雷电流幅值记录和1961年至1994年的线路雷击跳闸率分析指出，雷击是有选择性的，线路全长一半左右无雷击记录，多雷区和易击点约占全线的三分之一，加强多雷区和易击点的防雷措施能显著降低雷击跳闸率。所以我们决定在寿遵线129号～167号杆上安装避雷器，以降低该线路的雷击跳闸率。
1.2　寿遵线路129～167号杆的改进情况

1.2.1　接地的改善

129号～167号杆中接地电阻值高的杆塔共有11基：129、133、134、138、139、145、154、158、162、165、167号，见表1。此段杆塔高山大岭占42%，一般山地占49%，平地占9%；我们对该段的接地进行了改善，重新埋设了接地引下线，对于接地土壤不好的采取了换土措施，较严重的采取了埋设连续伸长接地体的措施，工程实施后输电杆塔的接地电阻有了明显的降低，如表2所示

表1　11基杆塔接地电阻值高的情况

表2　11基杆塔改造前后接地电阻值的比较Ω

1.2.2　外绝缘的改善

　　对于这一段线路中所有的零值瓷瓶进行了更换，并且对所有的直线杆塔(保证对地距离足够的条件下)每相增加一片绝缘子，改为采用8片 XP-7绝缘子。实施后的绝缘子爬电距离(下称爬距)、泄漏比距(下称泄比)与实施前的对照表参见表3，从表中可以明显看到线路的绝缘水平有较大幅度的提高。

表3　改造前后爬距、泄比对照表

2　避雷器的选择及参数的确定

2.1　避雷器的选择

2.1.1　选择复合绝缘外套氧化锌避雷器
　　由于常用的避雷器是瓷外套，比较重，安装不便，使用在线路上有一定的局限性，而且如果发生爆炸，它的碎片将危及临近绝缘子的运行安全，所以必须选择一种比较适合于线路上使用的避雷器。
　　随着国内硅橡胶技术的发展，近些年研制成功的复合绝缘外套氧化锌避雷器就是一种适合悬挂于线路杆塔上的避雷器，与传统的瓷外套避雷器相比，它除去了笨重的外套，改用新型硅橡胶复合有机外套，因而它具有重量轻等优点，甚至在复合外套避雷器损坏时能允许线路继续运行，而其电气特性、保护特性方面大体与瓷外套避雷器相当。
　　国际上，美国、日本、俄罗斯等国已大量使用复合外套氧化锌避雷器，在美国的公路上随处可见运行中的配电变压器都带有复合外套氧化锌避雷器，据统计美国己有上千万只复合外套氧化锌避雷器在电网中使用，日本也有百万只复合外套氧化锌避雷器在电网中使用。随着我国硅橡胶技术的发展，我国也相继研制成功了110 kV、220 kV的复合外套氧化锌避雷器，表4是北京某公司研制的110 kV复合外套氧化锌避雷器的电气特性。

　表4　110 kV复合外套氧化锌避雷器电气特性kV

2.1.2　选择外部带间隙的复合绝缘外套氧化锌避雷器

　　悬挂在线路铁塔上的复合绝缘外套氧化锌避雷器有两种：一种是外部带间隙的复合绝缘外套氧化锌避雷器(简称 GMOA)；另一种是外部不串间隙的复合绝缘外套氧化锌避雷器(WGMOA)。GMOA的外串间隙在线路正常运行时能够隔离电网运行电压，保持MOA不承受电压，所以避雷器的额电压可以选得较低，而且在MOA故障损坏时允许线路继续运行，但是这种避雷器的保护特性较差，放电特性主要由间隙决定，其冲击放电电压比避雷器的残压要高得多。图5给出了北京某公司研制的110 kV等级带串联外间隙的避雷器的外间隙冲击放电电压的试验结果。当WGMOA悬挂在线路上运行时，其运行状况可随时得到监视，且安装方便，保护特性相对来说较好，仅决定于避雷器的残压。两种避雷器使用时各有优缺点，为了安装方便、获得好的保护效果，并便于监视避雷器的运行状况，我们决定选择使用外部不串间隙的复合绝缘外套氧化锌避雷器。

表5　110 kV带串联间隙的氧化锌避雷器的间隙特性

2.2　避雷器参数的选择

　　由于选择使用WGMOA，避雷器长期运行在相电压下，且线路运行条件比变电站内的运行条件苛刻，为了避雷器运行的可靠性，将110 kV复合绝缘外套氧化锌避雷器的额定电压由100 kV提高到120 kV，持续运行电压由73 kV提高到90 kV，直流1 mA电压提高到170 kV，考虑到避雷器遭直击雷的几率大，因而避雷器的大电流耐受水平由65 kA提高到100 kA，具体参数见表6。

表6　WGMOA的参数

　　另外由于避雷器长期悬挂于线路上并承受相电压的作用，我们在避雷器的型式试验中增加了在避雷器施加拉力试验过程中的局放试验，试验时取110 kV避雷器一支，轴向施加静态机械负荷，施加拉力分别为500 kg,750 kg,在此负荷状态下施加1.05倍Uc，测量避雷器的局部放电，试验的结果见表7。

　　　　表7　局部放电试验结果

　　试验结果表明，当轴向机械负荷加到额定破坏负荷时，局部放电没有变化，所以其机电性能是稳定的，达到了设计要求。

3　避雷器的安装情况

3.1　避雷器的交接试验

　　为了在安装前了解避雷器的性能，1996年10月29～31日在华北电力科学研究院沙河高压试验大厅对北京中能瑞斯特公司的17只复合绝缘外套氧化锌避雷器进行了交接试验，试验项目包括避雷器的绝缘电阻测试、直流试验(直流1 mA电压的测量、75%直流1 mA电压下泄漏电流的测量)、交流试验等，试验结果合格。

3.2　避雷器安装位置的确定

　　经过考虑研究，决定在直线绝缘子串和耐张绝缘子串上安装避雷器的方式，安装的具体位置见图１。
　　考虑到在直线杆塔(垂直绝缘子串)上避雷器安装位置紧临绝缘子串，此时绝缘子串上的电压分布是否会影响避雷器的电位分布，继而影响避雷器的泄漏电流，从而加速避雷器的劣化过程，缩短避雷器的使用寿命，为此在沙河试验大厅进行了模拟试验，试验的结果显示，避雷器的这种安装位置对于避雷器的使用寿命影响很小，也基本不会影响带电试验的试验结果。
　　考虑到杆塔的海拔高度、地形地貌以及避雷器的保护范围，并且考虑到水平排列的三相的中间相(B相)基本上不会遭受直击雷，而三角形排列的顶相由于易遭雷击而需安装避雷器(如130 号杆)等原则，在杆塔上装设了复合绝缘外套氧化锌避雷器，具体安装情况见表8。

图 １　安装具体位置

表8　氧化锌避雷器具体安装情况

4　避雷器的运行状况及分析

4.1　避雷器带电试验

17只避雷器在进行了交接试验后，1996年12月在寿遵线上安装，并于1996年12月进行了第一次带电测试，以积累避雷器带电试验的初始数据；然后在雷雨季开始后每个月进行了带电测试。从带电测试的结果看，避雷器运行正常。为了检验避雷器的性能，在雷雨季节过后，随机抽取了两只避雷器，然后带电拆下进行了试验，试验结果合格，也就是说避雷器在经过一个雷雨季节的运行后，性能良好。
4.2　避雷器动作情况
　　截止1998年6月，避雷器总共动作了5次，其中1997年的雷雨季节期间动作了2次，都在140号杆塔的A相，1998年避雷器动作了3次，138号杆塔A相、140号杆塔A相，145号杆塔各一次。138号杆标高约367.2 m，与139号杆档距达595 m，易遭雷击，140号杆标高达464.9 m，是这一段杆塔中海拔高度较高的杆塔，该号塔位于一高山大岭顶部，孤伶伶的，极易遭受雷击，该号塔曾于1992年遭受到一次雷击，145号杆高约428.2 m，也在一山顶上，易遭雷击。
　　避雷器五次动作，使寿遵线五次受到避雷器的保护，避免了线路五次跳闸，所以安装避雷器的效果是明显的。

4.3　寿遵线的运行情况

　　寿遵110 kV线路自从1996年12月安装避雷器以来，运行直到1998年6月，线路仅跳闸一次(1997年8月31日)，事故点在117号塔，是由于杆塔遭受雷击造成的。该塔距129号杆12极杆塔，在安装的避雷器的保护范围以外，所以反过来可以说明，避雷器的保护效果是明显的，即在避雷器的保护范围以内的杆塔均受到避雷器的保护，而在保护范围外的杆塔会遭受雷击。由于在1997年7、8月间，140号杆的避雷器动作了两次，保护了线路，鉴于这两次成功的经验，考虑到1996年117号也曾遭受雷击，而且这段线路中116号、117号、118号连续三极塔为单避雷线，地势高，山又陡，单避雷线改双避雷线的工作量特别大，所以于1997年11月7日在117号塔上也安装了三只合成绝缘外套氧化锌避雷器。
　　运行表明，5次雷击跳闸比较集中，所以避雷器的安装位置是比较合理的，它避免了线路5次跳闸，避雷器的效果也是很明显的。
　　综合比较寿遵这几年的运行情况，可以发现寿遵线自1996年12月安装了避雷器以来，雷击跳闸次数已于1996年的7次降至1997年的1次、1998年的0次(截止6月底)，虽然雷击有一定的随机性，但是避雷器1997年动作2次、1998年动作3次，确确实实保护了线路，减少了雷击跳闸的次数，所以在线路上安装合成绝缘外套氧化锌避雷器能收到很好的保护效果。

5　小结

　　承德供电公司的一条110 kV输电线路——寿遵110 kV线路，由于经过高山大岭的一段杆塔，在雷雨季节经常遭受雷击，造成线路跳闸，在这段杆塔降低接地电阻比较困难，且费用高、工作量大，效果也受到一定的限制。为了解决这个问题，我院与承德供电公司合作，在该线路117号、129号～167号杆塔上安装了总共20只合成绝缘外套金属氧化物避雷器，经过一年多的运行实践，避雷器一共动作了5次，有效地保护了线路。这些避雷器选择了适应线路运行的参数，经过带电监测研究，证明避雷器的性能能够满足在线路上运行的需要，同时经过一个多雷雨季节的运行经验证明这种改进的防雷措施对于山区线路的防雷是经济的、有效的。
　　经一年多运行证明，合成绝缘外套避雷器参数选择正确，布置合理，能很好地保护线路，防止雷击跳闸。
　　在110 kV线路上安装合成绝缘外套避雷器来保护线路，这在我国尚属首次，运行经验表明在线路上安装适合于线路运行的合成绝缘外套金属氧化物避雷器来保护线路是一种经济的、有效的、可行的方法，是一种值得推荐的、有效的山区线路防雷方法。