輸配電及用電工程專業(yè)技術(shù)報告

PAGEPAGE6輸配電及用電工程專業(yè)技術(shù)報告[摘要]本文總結(jié)了線路型金屬氧化物避雷器在上杭電網(wǎng)兩條110kV送電線路上兩年來的運(yùn)行情況，比較分析了安裝避雷器前后線路耐雷水平和應(yīng)用效果，認(rèn)為線路型避雷器是送電線路有效的防雷措施，值得在雷電高發(fā)區(qū)的高壓送電線路上的推廣應(yīng)用。[關(guān)鍵詞]金屬氧化物避雷器110KV線路防雷一、問題的提出高壓輸電線路故障跳閘的一個重要原因是雷擊故障。上杭電網(wǎng)1998～2001年110kV及以上線路故障跳閘統(tǒng)計表明，雷擊故障跳閘達(dá)到了50％～60％。減少送電線路的雷擊故障跳閘已成為送電線路安全運(yùn)行的一個突出問題，是技術(shù)部門一項十分重要的任務(wù)。分析1997年來的上杭縣電網(wǎng)雷擊跳閘記錄，發(fā)現(xiàn)雷擊跳閘率最高的是110kV杭-郭線和磯-郭線，僅1998、1999兩年跳閘就達(dá)14次，其中杭-郭線8次，磯-郭線6次，占同期整個上杭電網(wǎng)110kV及以上送電線路雷擊跳閘的43．8％，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。如何減少這兩條線路的雷擊跳閘，成為一個焦點問題。110kV磯郭線長30．3km，拉線塔和自立塔混合使用，共89基，其中70％為山地，全線采用雙避雷線，直線塔采用XSH－110／70型合成絕緣子，耐張塔8片XWP2－7防污絕緣子。110kV杭郭線長52．2km，拉線塔和自立塔混合使用，共156基，85％為山地，全線采用雙避雷線，直線塔采用7片XWP－7、XWP－10和8片LXP－7絕緣子，耐張塔8～9片LXP－7，8片XWP－7和9片XWP－10絕緣子。磯郭線和杭郭線均處于上杭縣東南片的丘陵山地，屬Ⅱ－Ⅲ級污穢區(qū)。兩線路投運(yùn)以來，由于路徑地形地貌和當(dāng)?shù)貧庀髼l件較為惡劣，雷擊故障一直來較多。為降低線路雷擊跳閘率，在1998年前已經(jīng)采取了降低接地電阻，安裝防雷多針系統(tǒng)等措施。從兩線路的接地電阻測試情況看，除個別桿塔外均符合設(shè)計和規(guī)程要求，但雷擊故障仍然頻發(fā)，裝有多針裝置的桿塔仍遭雷擊。因此，借鑒省內(nèi)外同行部門的成功經(jīng)驗，考慮在這兩條高雷擊跳閘率的110kV路線上應(yīng)用線路型金屬氧化物避雷器（ZnO）作為線路的防雷措施。二、線路型避雷器的基本原理、產(chǎn)品種類及應(yīng)用情況1、基本原理用于送電線路防雷的避雷器并聯(lián)于線路絕緣子串旁，通過保護(hù)絕緣子串，提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率，達(dá)到防雷目的。線路型避雷器分為帶串聯(lián)間隙和無串聯(lián)間隙兩種結(jié)構(gòu)類型。帶串聯(lián)間隙型避雷器與導(dǎo)線通過空氣間隙來連接，間隙擊穿電壓低于絕緣子串的閃絡(luò)電壓，正常時避雷器處于“休息”狀態(tài)，不承受工頻電壓的作用，只在一定幅值的雷電過電壓作用下串聯(lián)間隙動作后避雷器本體才處于工作狀態(tài)，因此具有電阻片的荷電率較高，雷電沖擊殘壓降低，可靠性較高，運(yùn)行壽命較長等特點。無串聯(lián)間隙型避雷器直接與導(dǎo)線連接，利用避雷器電阻的非線性特性保護(hù)絕緣子串，與帶串聯(lián)間隙型相比具有吸收沖擊能量可靠，無放電延時的優(yōu)點。同時，為防止避雷器本身故障時影響線路正常運(yùn)行，無間隙避雷器一般裝有故障脫落裝置。2、產(chǎn)品種類[4]一般ZnO避雷器的典型結(jié)構(gòu)有兩種：一為支柱式，另一為GIS型(罐式結(jié)構(gòu))。支柱式ZnO避雷器可單獨裝設(shè)使用，而罐式結(jié)構(gòu)裝于GIS內(nèi)。支柱式的外殼經(jīng)歷了瓷絕緣——EPDM(三元乙丙膠)——硅橡膠。罐式尺寸的減少有助于縮小GIS。2.1支柱式ZnO避雷器自從80年代末和90年代初以來，ZnO避雷器的使用和被用戶普遍認(rèn)可，大大減少了電力系統(tǒng)的保護(hù)問題。在初期的結(jié)構(gòu)中，ZnO元件裝在瓷套內(nèi)，而且端部封裝一膠要用O型密封圈加以密封。隨著時間的推移，特別在惡劣的環(huán)境中，密封圈容易劣化而讓潮氣侵入。80年代，聚合物殼體避雷器問世，英國BowthorpeEMP公司制造出一整個系列聚合物殼體避雷器，電壓直到400kV。在設(shè)計時，ZnO元件柱的表面被玻纖增強(qiáng)的樹脂均勻地包封。這種結(jié)構(gòu)無氣孔，機(jī)械強(qiáng)度高，而且在ZnO柱的表面形成均勻的介電強(qiáng)度。這種殼體的材料為EPDM(三元乙丙膠)。它抗電痕，特別適用于污穢地區(qū)。繼EPDM聚合物之后，出現(xiàn)了硅像膠殼體，硅橡膠殼體相比EPDM殼體，具有明顯的優(yōu)勢，這特別表現(xiàn)在：①硅橡膠的主化學(xué)鍵上不含碳氮化合物，使之具有高度抗表面污染力和防止碳化泄漏通道時的形成；②硅原上了附著許多CH3使之具有疏水性，若表面沉積污穢層，硅能將它的疏水性轉(zhuǎn)移到附著膜上，這就是說，低分子量的硅油能夠從本體轉(zhuǎn)移到表面，這就叫低濃度硅遷移；③硅橡膠中硅氧鍵是一個很強(qiáng)的化學(xué)鍵，因之硅像股能受環(huán)境的影響諸如臭氧、紫外線輻射或溫度極端波動。④硅橡膠外殼在內(nèi)部出現(xiàn)過壓力時，它不會像瓷那樣爆炸，并有碎片飛出，危及人身及設(shè)備安全，硅橡膠僅形成小洞，將壓力排出。⑤硅像膠運(yùn)輸方便，安裝容易。硅橡膠相比瓷絕緣減輕重量約50％，減小長度25％。由于硅橡膠具有以上優(yōu)異性能，越來越多的制造公司在避雷器上用硅橡膠取代瓷絕緣。如ABB公司目前提供的中壓避雷器，80％為硅橡膠避雷器。2.2罐式新型避雷器將避雷器作成罐式結(jié)構(gòu)，廣泛地用于SF6封閉式組合電器(GIS)中。高電位梯度ZnO元件的使用，大大降低了避雷器的高度。普通ZnO元件避雷器高度為470mm，而高電位梯度ZnO元件避雷器高度僅為250mm。其高度約為普通式的一半，這有助于減小GIS的尺寸。采用高電位梯度ZnO元件，可使避雷器呈單柱式，而不需要柱間引線。這就減小了罐式避雷器的內(nèi)部電感。高電位梯度ZnO元件的單個通訊能力亦好于普通的ZnO元件。3、應(yīng)用情況國外如美國和日本從20世紀(jì)80年代開始將避雷器應(yīng)用于送電線路上，取得良好效果。有關(guān)資料顯示［3］，我國從90年代中后期開始在送電線路使用避雷器來提高耐雷水平，降低線路雷擊跳閘率，如廣東、四川等地的高壓線路應(yīng)用避雷器都取得較為理想的效果。理論和工程實驗都表明安裝線路避雷器作為送電線路的防雷措施是可行而且是有效的，但我縣此前尚無110kV送電線路上應(yīng)用線路型避雷器方面的運(yùn)行經(jīng)驗。三、安裝位置選擇我縣兩條110KV線路避雷器選用的是寧波市北侖國創(chuàng)電器有限公司生產(chǎn)的HY20CX－84／244型帶串聯(lián)間隙和HY10WX－120／334TL帶脫離裝置的無間隙線路型金屬氧化鋅避雷器，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。表1110KV線路型ZNO避雷器主要技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品型號HY20CX-84/244HY10WX-120/334TL結(jié)構(gòu)類型帶串聯(lián)間隙無間隙系統(tǒng)電壓（有效值，KV）110110額定電壓（有效值，KV）84120直流1mA參考電壓不小于（KV）1241808/20μs雷電殘壓不大于10KV3448/20μs雷電殘壓不大于20KV2442ms方波通流能力（A）4004004/10μs沖擊通流能力（KA）100100備注帶脫離裝置從表1的技術(shù)參數(shù)可見，兩種型號的線路型ZnO避雷器在伏－安特性、暫態(tài)電壓承受能力、耐污能力以及密封性能方面，能滿足110kV線路的運(yùn)行和防雷要求。而且，無間隙型避雷器的脫離裝置其工頻故障電流下的動作特性、耐受電流沖擊和動作負(fù)載不動作能力均較好，能保證避雷器故障時不影響線路的正常運(yùn)行，實現(xiàn)免維護(hù)。避雷器安裝地點的選擇，主要針對易雷擊桿塔和區(qū)段。分析兩條線路近年來查到的雷擊故障點分布，發(fā)現(xiàn)雷擊桿塔主要是兩個區(qū)域。磯郭線集中在83～85號塔之間，地形地貌特征為線路右邊相側(cè)為山峰、左邊相側(cè)為空曠的山谷或水庫，故障點主要在左邊相和中相，位于山頂附近的84號塔左相和中相分別故障4次和3次，相鄰的85號塔左相和中相也各有3次故障閃絡(luò)。杭郭線故障點分布相對較廣，但7～21號塔區(qū)段故障占了一半以上，故障點主要在兩邊相絕緣子，中相絕緣子閃絡(luò)較少，該易擊區(qū)域的地形地貌特征為連續(xù)跨越多個山峰，跨越較大，最大一檔達(dá)879m。為此，將此兩個易雷擊的區(qū)段作為線路避雷器的安裝地段，并按故障點情況確定安裝避雷器的桿塔。磯郭線除83～85號塔外，相鄰的82、86號塔耐雷水平也較低（見表3），因此82、86號塔也考慮在兩邊相安裝避雷器。杭-郭線由于易擊段范圍較大，故考慮故障的7、8、11、12、15、20、21號等7基桿塔安裝避雷器，同時對位于頂峰兩側(cè)山腰，從地形地貌分析易遭雷擊的13、17號塔也予加裝，兩線路共確定14基桿塔安裝線路避雷器。考慮到安裝費(fèi)用及線路中相負(fù)角保護(hù)的特點，一般只在每基桿塔的兩邊相安裝避雷器，結(jié)合雷擊故障相別情況，磯-郭線83～85號以及杭郭線8號地貌有可能為繞擊雷，為防繞擊在上述4基桿塔上每相均安裝避雷器［1］。為積累運(yùn)行經(jīng)驗，視安裝地點桿塔結(jié)構(gòu)，分別使用帶間隙和帶脫離裝置的無間隙避雷器。實際安裝時磯郭線以帶間隙型避雷器為主，杭郭線以無間隙型避雷器為主，共安裝線路ZnO避雷器32支，其中帶間隙12相、無間隙20相。線路避雷器的安裝地點和類型見表2，安裝分裝用支架將避雷器外挑，帶串聯(lián)間隙型用支架將避雷器外挑并吊高后與絕緣子串并接。對桿塔的中相，直接用支架將避雷器固定在導(dǎo)線與桿塔之間，對耐張塔邊相，采用將避雷器固定于橫梁與跳線間方法。另外，線路避雷器的安裝應(yīng)充分考慮風(fēng)速的影響，對支架結(jié)構(gòu)按線路設(shè)計要求進(jìn)行相應(yīng)校核。四、線路避雷器運(yùn)行情況及效果線路型ZnO避雷器自2000年6月起分批投入運(yùn)行，從投入運(yùn)行以來的情況看，運(yùn)行情況良好，避雷器動作記錄累計已達(dá)39次，防雷效果較為理想。安裝線路避雷器以來，110kV磯郭線未發(fā)生雷擊跳閘，線路避雷器已記錄動作20次。110kV杭郭線只在2001年7月21日發(fā)生一次雷擊跳閘，雷擊故障點為遠(yuǎn)離避雷器安裝區(qū)域的86號桿，線路避雷器動作19次。線路避雷器的動作次數(shù)見表2。在此期間，處于同一區(qū)域的110kV線路多次發(fā)生雷擊跳閘，35kV送電線路的雷擊跳閘率仍較高。參照DL／T620－1997標(biāo)準(zhǔn)的線路耐雷水平計算參數(shù)、方法，線路加裝線路型避雷器前雷擊桿塔時的耐雷水平計算數(shù)據(jù)見表3。表中數(shù)據(jù)表明，安裝避雷器前線路的總體耐雷水平是比較低的。磯郭線由于使用合成絕緣子、避雷線、塔型等因素，耐雷水平明顯偏低。其中84、85號塔又因接地電阻較大，耐雷水平很低，致使在特定的地形地貌和氣象環(huán)境下雷擊閃絡(luò)頻發(fā)。杭郭線的總體耐雷水平尚可，有的桿塔如11、15號塔超過了100kA，線路雷擊跳閘的主要原因應(yīng)是地形地貌和當(dāng)?shù)貧庀髼l件較惡劣，雷電活動強(qiáng)烈的所致。如15號塔耐雷水平已達(dá)169kA，但因其處于山頂?shù)奶厥獾匦蔚孛捕栽饫讚糸W絡(luò)。表2線路避雷器安裝位置和累計動作次數(shù)線路名稱桿塔號塔型相別避雷器類型安裝時間動作次數(shù)統(tǒng)計日期110kV磯郭線82直線左無間隙2000.6.1512002.3.20右無間隙083轉(zhuǎn)角左帶間隙1中帶間隙0右?guī)чg隙084直線左帶間隙2中帶間隙1右?guī)чg隙185直線左無間隙1中帶間隙0右無間隙686轉(zhuǎn)角左帶間隙7右?guī)чg隙0110kV杭郭線7直線左無間隙2000.11.2232002.3.20右無間隙08直線左無間隙0中無間隙011直線右無間隙0左無間隙7右?guī)чg隙212轉(zhuǎn)角左帶間隙0右無間隙013直線左無間隙4右無間隙315直線左無間隙0右無間隙117直線左無間隙0右無間隙220直線左無間隙1右無間隙021直線左無間隙2右無間隙0安裝避雷器后，線路的耐雷水平有了較大提高，一般地三相安裝避雷器的耐雷水平將提高3～3．6倍，兩邊相安裝的將提高1．6～2倍［2］。取三相安裝避雷器的耐水平提高3倍，兩邊相安裝避雷器的耐雷水平提高1．8倍，桿塔達(dá)到了100kA及以上的耐雷水平，大大提高了線路的防雷能力。表3安裝避雷器前后雷擊桿塔耐雷水平線路名稱桿塔號沖擊接地電阻/Ω原耐雷水平/KA避雷器安裝方式避雷器加裝后耐雷水平/KA110kV磯郭線829.659兩邊相1078320.847三相142842133三相99857.450三相1508615.356兩邊相101110kV杭郭線76.792兩邊相1668698三相293113115兩邊相2081210.577兩邊相139136.792兩邊相166151.5169兩邊相304172.373兩邊相13220691兩邊相164211262111綜合兩條送電線路安裝線路避雷器前后耐雷水平的比較、避雷器動作情況和線路的實際運(yùn)行效果，可以看到通過應(yīng)用線路避雷器，提高了線路的防雷水平，大幅降低了線路的雷擊跳閘，收到了預(yù)期的理想效果。五、結(jié)論1、從上杭電網(wǎng)兩條110kV線路的工程應(yīng)用結(jié)果看，線路避雷器在110kV送電線路的實際應(yīng)用效果是較為理想的，是一種有效的防雷措施。2、由于價格成本問題，送電線路大量使用線路型ZnO避雷器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較有待論證，但對雷擊跳閘率較高的線路，根據(jù)地形地貌地質(zhì)和氣象情況，在易雷擊段或雷擊頻繁的桿塔，使用避雷器來提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率無論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都是完全可行的。3、國產(chǎn)線路型避雷器的運(yùn)行可靠性雖尚需長期的運(yùn)行考驗，但從兩年的運(yùn)行情況看，兩種類型的線路型ZnO避雷器運(yùn)行可靠。4、由于線路型ZnO避雷器分有間隙和無間隙，在具體的選擇上應(yīng)注意避雷器與絕緣子串的絕緣配合問題，如合成絕緣子串與帶串聯(lián)間隙避雷器的配合裕度，即避雷器雷電沖擊放電電壓與絕緣子串U50％的