林子翔 賈宏偉

摘 要：并聯(lián)間隙防雷運(yùn)用疏導(dǎo)電流原理，投資甚少，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本研究以110kV架空線路并聯(lián)間隙防雷保護(hù)裝置的原理為基礎(chǔ)，探討了其在選擇及安裝方面所涉及的重要內(nèi)容，選取生產(chǎn)現(xiàn)場最為關(guān)注的跳閘率作為衡量指標(biāo)，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(hù)裝置的線路進(jìn)行了研究，并計(jì)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(guān)系，體現(xiàn)了架空線路采用并聯(lián)間隙防雷保護(hù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：架空線路 防雷 并聯(lián)間隙 保護(hù)應(yīng)用

中圖分類號：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)行管理部門積極探討的課題，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，電網(wǎng)中由雷擊引起的故障占70%左右，特別是在南方地區(qū)，雷擊造成線路絕緣破壞的情況頻頻發(fā)生，甚至可能惡化演變?yōu)榈艟€等惡性事故，引起局部停電，危及整個(gè)電力系統(tǒng)安全。所以，無論從發(fā)生頻率還是引起后果來看，雷擊都是影響電網(wǎng)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(shè)避雷線、桿塔接地電阻降阻、絕緣強(qiáng)化、耦合地線加裝、線路型避雷器加裝等方式。以上防雷保護(hù)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(tǒng)稱為“堵塞型”防雷保護(hù)方式。然而，雷電是一種自然現(xiàn)象，其發(fā)生的頻率、地點(diǎn)、強(qiáng)度等均具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，致使“堵塞型”防雷保護(hù)存在投資大、效率低、技術(shù)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(fèi)大量資金進(jìn)行線路型避雷器加裝，增加了線路的建設(shè)和運(yùn)行成本，僅為防止這種小概率事件的發(fā)生，經(jīng)濟(jì)效益較差。為此，本研究提出的防雷保護(hù)措施，其根本目的是采用在絕緣子旁并聯(lián)間隙裝置的方式進(jìn)行接收雷電、疏導(dǎo)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(luò)，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(dǎo)型”防雷保護(hù)。此外，一串絕緣子僅需配一對間隙裝置，投資較少，經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。如能將以上兩種方式進(jìn)行結(jié)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(shù)原理

本研究所設(shè)計(jì)和研發(fā)的并聯(lián)間隙防雷保護(hù)，主要是通過將一對金屬電極（又稱招弧角或引弧角）并聯(lián)在絕緣子串兩端的方式，構(gòu)成一個(gè)小于絕緣子串長度的保護(hù)間隙。在正常運(yùn)行條件下，并聯(lián)的間隙裝置具有工頻電場的作用；而當(dāng)架空線路遭遇雷擊情況時(shí)，保護(hù)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(yīng)力的作用下在其之后產(chǎn)生，再通過并聯(lián)間隙引至電極端頭，最終將電弧吹開消散，從而保護(hù)絕緣子，免于電弧的燒蝕破壞。

2.2 技術(shù)要求

本研究所設(shè)計(jì)的并聯(lián)間隙防雷保護(hù)裝置應(yīng)同時(shí)具備“接閃雷電、疏導(dǎo)工頻電弧、均勻電場”這3種功能。其中，接閃雷電、疏導(dǎo)工頻電弧兩項(xiàng)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(shù)關(guān)鍵

本研究設(shè)計(jì)和研發(fā)的并聯(lián)間隙防雷保護(hù)裝置能夠最終通過雷電沖擊試驗(yàn)和工頻電弧燃燒特性試驗(yàn)，充分展示對絕緣子和金具的保護(hù)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(yùn)行線路改動??；（3）容易安裝和更換；（4）電極起弧放電點(diǎn)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(xiàn)狀

（1）國外許多發(fā)達(dá)國家都對架空線路的并聯(lián)間隙防雷保護(hù)進(jìn)行了大量的研究。自20世紀(jì)60年代起，部分國家已陸續(xù)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(jīng)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(yīng)用，一些國家甚至將并聯(lián)間隙防雷作為架空線路防雷保護(hù)的基本措施之一寫入規(guī)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(hù)措施主要包括架設(shè)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(lián)間隙（間隙距離不同）形成不平衡絕緣、雷擊易發(fā)線路段安裝純空氣間隙避雷器、變電站內(nèi)安裝自動重合閘裝置、采用雷電監(jiān)測和故障錄波定位系統(tǒng)，對降低輸電線路雷擊事故的效果較為明顯。該項(xiàng)措施簡單、可靠，相比線路避雷器成本低廉，運(yùn)行中幾乎免維護(hù)，是架空線路防雷保護(hù)的較好措施。配合故障定位系統(tǒng)，可快速確定故障線路段。

針對目前的實(shí)際情況，從經(jīng)濟(jì)性考慮，較為理想的實(shí)施方式為雷擊故障頻發(fā)線路段采用線路避雷器，其他線路段采用并聯(lián)間隙。

4 材料選擇及設(shè)計(jì)

并聯(lián)間隙的設(shè)計(jì)主要包含招弧電極形狀設(shè)計(jì)、外形尺寸設(shè)計(jì)、間隙距離設(shè)計(jì)和聯(lián)接金具設(shè)計(jì)等內(nèi)容，許多專家學(xué)者都對此已進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，本研究主要針對其中實(shí)際使用方面設(shè)計(jì)到的問題進(jìn)行討論。

4.1 材料設(shè)計(jì)

在電極截面不變的前提下，如果試驗(yàn)條件完全相同，那么材料的選用就直接決定了電弧的運(yùn)動速度。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電弧在鋼材料上運(yùn)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(yōu)于鋼材料，在熱應(yīng)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(yán)格意義上的消失，而是以顆粒的形式被拋出。以目前的試驗(yàn)結(jié)果，還未能預(yù)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(guī)試驗(yàn)角度考慮，絕緣水平應(yīng)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(shè)計(jì)

（1）對于單聯(lián)懸垂串，招弧角與導(dǎo)線平行；對于雙聯(lián)懸垂串，招弧角和導(dǎo)線呈45°夾角沖線路外側(cè)（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(lián)間隙會改變塔頭間隙距離，則需進(jìn)行特殊考慮。

4.3 外形設(shè)計(jì)

新型連接金具應(yīng)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(lián)間隙裝置的跳閘率計(jì)算

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

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(luò)的事故也時(shí)有發(fā)生。

絕緣子雷擊閃絡(luò)后是否跳閘，取決于能否建弧。建弧概率，其中Un為系統(tǒng)標(biāo)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(shù)Ng和年雷電日Td的關(guān)系可由式確定，線路每百公里每年落雷次數(shù)，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(shù)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(shí)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(luò)率，平原取，α為導(dǎo)線保護(hù)角；P2為超過雷繞擊導(dǎo)線時(shí)耐雷水平的雷電流概率。

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(guān)系，這為并聯(lián)間隙電極的尺寸設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。根據(jù)本研究所設(shè)計(jì)的并聯(lián)間隙，既要滿足上述保護(hù)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(lián)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(lián)間隙能夠在線路遭雷擊后迅速吹散工頻電弧，保護(hù)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?；诖嗽O(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是找出并聯(lián)間隙保護(hù)效果與雷擊跳閘率的最佳結(jié)合點(diǎn)。

6 結(jié)論

（1）架空線路在安裝并聯(lián)間隙裝置后線路雷擊跳閘率有所增加。一般根據(jù)不同的線路參數(shù)及塔型、地理環(huán)境等數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得出：安裝并聯(lián)間隙后線路雷擊跳閘率會有5%～15%的增加（在容許范圍內(nèi)）。而安裝并聯(lián)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(lián)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(shè)計(jì)上可以通過增加絕緣子片數(shù)、優(yōu)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(fēng)偏，在線路運(yùn)行中需根據(jù)實(shí)際的情況綜合考慮加裝并聯(lián)間隙后的影響。

（2）架空線路的防雷措施應(yīng)以傳統(tǒng)的保護(hù)方式為基礎(chǔ)，將并聯(lián)間隙防雷保護(hù)作為補(bǔ)充，因地制宜、合理地進(jìn)行配合使用。并聯(lián)間隙裝置相比線路避雷器而言，成本較低、方便安裝，運(yùn)行中幾乎免維護(hù)，是一項(xiàng)非常理想的防雷輔助措施。并聯(lián)間隙掛網(wǎng)運(yùn)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(hù)，能夠大幅提高電網(wǎng)可靠性。此外，如將其與雷電故障定位系統(tǒng)配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)線路故障段位置的快速確定。

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