雷擊災(zāi)害下多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障控制方法研究*

叢日立，安 博，王曉艷，康赫然,3

(1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010020；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特010051 )

我國電力事業(yè)快速發(fā)展，超高壓、遠距離輸電逐漸廣泛應(yīng)用各大領(lǐng)域中，大電網(wǎng)格局逐漸形成[1]。我國地域?qū)拸V，地形冗雜，氣候瞬息萬變，且跨越高寒山區(qū)的輸電線路較多，大多電網(wǎng)都備有多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器，用于防雷防災(zāi)[2]。多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器可理解為保護電網(wǎng)安全用電的裝置，其內(nèi)置存在智能性防高壓裝置，在電網(wǎng)遭到雷擊災(zāi)害時，能夠開啟內(nèi)部保護裝置，保證用電安全。而在雷擊災(zāi)害下，多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器也容易受到損壞，會出現(xiàn)斷線的事故，這是導(dǎo)致輸電設(shè)備非正常停止運行的主要因素[3]。所以，必須控制多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器實行斷線故障，維護我國輸電線路的安全運行。以往雷擊災(zāi)害后，輸電線路多級串聯(lián)保護器的斷線故障排查主要通過人為完成，而人為控制存在一定危險性，且數(shù)據(jù)計算存在誤差[4]。本文深入探討雷擊災(zāi)害下多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障控制方法，通過故障特性分析方法準確計算雷擊災(zāi)害下多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線區(qū)的電壓、電流等數(shù)據(jù)，提高多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障控制的安全性，判斷故障點，并在故障點附近采用可調(diào)間隙保護裝置完成多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障控制。

1 多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障控制

1.1 雷擊危害的性質(zhì)與對輸送電路多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器的危害

(1)雷擊及其雷擊危害的性質(zhì)

多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器受到的雷擊屬于直擊雷，按照雷擊形式的差異性可分成繞擊雷與反擊雷，均對多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器的安全存在較大威脅[5]。因此，控制雷擊災(zāi)害下多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障時，必須準確分析雷擊性質(zhì)，才可以獲取較高的控制效果。若雷電擊中配有多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器的電線桿頂或者避雷線，則可認為是反擊雷電過壓，攜帶的電壓強度與桿塔接地電阻、絕緣強度存在較高的關(guān)聯(lián)性。反擊雷過電壓一般會出現(xiàn)于絕緣弱項，不存在固定的閃絡(luò)相別。因此，控制反擊雷過電壓最有效的方法是降低桿塔的接地電阻，提高輸電線路保護層的絕緣性，完成多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線控制。

(2)雷擊對輸送電線路多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器產(chǎn)生的危害

因為輸送電線路絕緣性能劣，架線較高，雷擊機率較大，而輸送電線路多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器在雷擊的傷害下，容易出現(xiàn)斷線、跳閘等情況，雷擊斷線會造成用戶斷點，維修耗時長，停電時間久，對人們的生活與工作存在較大的不便[6]。

1.2 多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器故障點、電源側(cè)與負荷側(cè)正序、負序以及零序等數(shù)據(jù)計算

當多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器正常運行時，線路中的電壓與電流屬于正序分類，通過對稱分量法的基本原理可知，僅有正序故障分量是在各種種類故障下都會出現(xiàn)[7]。

(1)

(2)

(3)

在雷擊災(zāi)害下多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器出現(xiàn)斷線故障時，電源側(cè)符合斷線故障的邊界條件，負荷側(cè)符合斷線的邊界條件，則：

(4)

(5)

(6)

。(7)

(8)

(9)

(10)

則存在：

(11)

(12)

(13)

(14)

在多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器出現(xiàn)a相斷線接地故障時，假定：

(15)

(16)

(17)

則存在：

(18)

(19)

(20)

(21)

通過理論推理對比可知，在雷擊災(zāi)害下，多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器出現(xiàn)電源側(cè)或負荷側(cè)斷線故障時，都存在正序電流暫態(tài)分量高于負序分量；同時正序電流暫態(tài)分量在全部類型故障時都存在；并和正常運行時的電流方向相反[9]。

1.3 可調(diào)間隙保護裝置

基于所判斷故障點，在故障點附近安裝可調(diào)間隙保護裝置便可完成斷線故障控制。

1.3.1 基本結(jié)構(gòu)

絕緣子串、導(dǎo)線側(cè)電極與接地側(cè)電極建立了并聯(lián)可調(diào)間隙保護系統(tǒng)。它在絕緣子串的兩側(cè)連接導(dǎo)線側(cè)電極與接地側(cè)電極，在導(dǎo)線側(cè)電極與接地測電極間將空氣為絕緣介質(zhì)，建立和絕緣子串并聯(lián)的保護間隙，讓保護間隙的長度不大于絕緣子串的長度，若多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器遭到雷擊時，并聯(lián)間隙里會出現(xiàn)放電通道[10]。

可調(diào)間隙保護裝置主要通過可調(diào)固定支架、接地球形電機、導(dǎo)線球狀電極與固定金具建立[11]。導(dǎo)線用于固定上下固定金具，同時與導(dǎo)線球狀電極相連，導(dǎo)線和固定線夾與接線球狀電極相連。通過可調(diào)固定支架，在線路橫擔上承載接地球狀電極，維持接地狀態(tài)。并變換螺絲調(diào)整間隙的大小，讓放電電壓低于雷擊擊穿電壓。

絕緣子串加裝可調(diào)保護間隙結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 絕緣子串加裝可調(diào)保護間隙圖

1.3.2 保護控制原理

圖1中間隙可調(diào)設(shè)計部分中間隙可調(diào)裝置能夠按照裝置投入應(yīng)用后的現(xiàn)實狀況調(diào)整球狀電極間的距離A，讓它可以靈活調(diào)整間隙距離最終完成對多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器線路、絕緣子的保護控制；可調(diào)設(shè)計還能夠經(jīng)過逐次調(diào)整間隙間隔使多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器的放電電壓下降，建立多組差異放電電壓的保護間隙，與站內(nèi)和線路其他防雷裝置實現(xiàn)綜合保護控制[12]，降低雷電入侵波對多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器的傷害，對斷線故障進行及時控制[13]。

雷擊沖擊電壓時，空氣介質(zhì)下50%多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器電壓的概率屬于正態(tài)分布q：

(22)

式中：w表示放電兩側(cè)的電壓峰值，w50%表示50%的閃絡(luò)電壓值，β表示標準差。

將間隙的50%閃絡(luò)電壓設(shè)成wg50%，絕緣子的50%閃絡(luò)電壓設(shè)成wi50%。經(jīng)計算可知，若多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器可調(diào)間隙的50%閃絡(luò)電壓，是絕緣子50%閃絡(luò)電壓的0.85倍時，可調(diào)間隙保護裝置的間隙可以完成絕緣子安全保護[14]。

若多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器線路正常運行，可調(diào)保護間隙在工頻電場里，因為工頻電場強度不能讓空氣間隙擊穿，此刻間隙對多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器線路的運行不存在干擾；若多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器線路受到雷電過電壓的干擾時，絕緣子串兩側(cè)便會承載較大的雷電過電壓，這時間隙會先將雷電流導(dǎo)入大地，間隙間電弧會在電磁力和風力等外力的推動下出現(xiàn)拉長形態(tài)后快速熄滅，以此便可控制斷線故障程度，不出現(xiàn)嚴重損耗。

2 模型檢驗及其分析

因為實際雷擊災(zāi)害里，大部分的雷電存在負極性，所以，使用1.5/60的負極性雷電波進行實驗。對多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器實行50%雷電沖擊實驗，各個電壓等級下，反復(fù)進行9次沖擊電壓試驗，獲取多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器絕緣子的50%雷電放電電壓w50%；于多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障點兩側(cè)安裝可調(diào)間隙防雷裝置后，分析其控制效果。表1是多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器未使用本文模型時，多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器絕緣子50%雷電沖擊電壓數(shù)據(jù)。分析表1可知，未使用本文模型控制前，雷電災(zāi)害下，保護器放電路徑均是在多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器絕緣子外表，輕則會出現(xiàn)斷線故障，重則會出現(xiàn)炸裂。

表1 多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器絕緣子50%雷電沖擊電壓數(shù)據(jù)

由于雷電沖擊電壓的過程較短，多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器間隙的擊穿具有放電延遲情況，只依賴w50%沖擊擊穿電壓來表示間隙雷擊特征遠遠不足，必須通過多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器的伏秒特征對它擊穿特征進行分析。伏秒特征實驗方法流程是：固定放電間隙間隔、固定沖擊電壓波形，并逐次提高電壓讓氣隙出現(xiàn)擊穿，繪制電壓波形并采集擊穿電壓值w和擊穿時間e的數(shù)據(jù)。多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器絕緣子的伏秒特征實驗數(shù)據(jù)如表2所示，將使用本文模型安裝可調(diào)間隙防雷裝置后的絕緣子實驗數(shù)據(jù)繪制為伏秒特性曲線(圖2)。圖2表示了多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器被保護絕緣子與保護間隙的伏秒特征曲線，絕緣子伏秒特征曲線始終位于保護間隙伏秒特征曲線上方，電壓過大，保護器安全性較低。同時結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，使用本文模型安裝可調(diào)間隙防雷裝置后的放電路徑都處于間隙之間。因此，在雷擊災(zāi)害下，過電時保護間隙能夠優(yōu)先保護絕緣子的絕緣，有效避免多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器絕緣子由于雷擊災(zāi)害而出現(xiàn)損害、炸裂等嚴重情況的出現(xiàn)。由此可見，本文模型的有效可行。

為進一步驗證本文模型的性能情況，統(tǒng)計上述實驗過程中本研究給出的模型、短路阻抗距離控制方法、基于半控橋的新型短路故障控制方法進行對比實驗。

表2 伏秒特征實驗數(shù)據(jù)

圖2 伏秒特征曲線

(1)跳閘率

將三種方法應(yīng)用于相同多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障控制中，并統(tǒng)計三種方法控制下多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器線路跳閘率，三種方法的跳閘率對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種方法跳閘率對比結(jié)果

分析圖3數(shù)據(jù)可知，上述實驗過程中50%雷電沖擊下，采用三種方法多次控制多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障時，本文模型的跳閘率始終位于短路阻抗距離控制方法、基于半控橋的新型短路故障控制方法的下方，本文模型的跳閘率未超過2%，跳閘率較小。

(2)控制效率

在50%雷電沖擊下，多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障的控制效率極為重要，若稍有不慎，電路將會產(chǎn)生炸裂等嚴重情況，從響應(yīng)延遲與控制耗時兩種角度分析三種方法的控制效率(表3)。

表3 三種方法的控制效率對比結(jié)果 ms

分析表3數(shù)據(jù)可知，50%雷電沖擊下，采用三種方法多次控制多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障后，短路阻抗距離控制方法的響應(yīng)延遲與控制耗時兩方面均值為11.4 ms；基于半控橋的新型短路故障控制方法的響應(yīng)延遲與控制耗時兩方面均值為18.3 ms。本文模型的響應(yīng)延遲與控制耗時兩方面均值為3.11 ms；由此可知，本文模型的控制響應(yīng)延遲最小，控制耗時最短，在控制多次控制多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障時的控制效率最高。

3 結(jié)論和討論

本文深入研究雷擊災(zāi)害下多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器斷線故障控制方法，經(jīng)驗證50%雷電沖擊下，本文模型控制的多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器跳閘率未超過2%，跳閘率較小，且響應(yīng)延遲與控制耗時兩方面均值為3.11 ms，本文模型控制性能較同類控制方法顯著。

除了本文模型外，配有多級串聯(lián)閃絡(luò)保護器的輸送電線路需要合理的布置避雷線與塔腳電阻，電阻較大則輸送電線路多級串聯(lián)保護器的抗雷水平低，合理的布置避雷線與塔腳電阻可以大大降低斷線故障的出現(xiàn)機率，有效降低雷擊過電壓的損害程度。