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[摘要]探索避雷线加装水平侧向避雷针对于减小输电线路绕击概率的效果,通过模拟试验和雷击过程的计算,对其有效性和主要技术参数进行了研究。
[关键词]水平侧向避雷针 防绕击 输电线路 雷击跳闸
0 引言
雷击是高压及超高压输电线路事故的主要原因之一。而超高压的雷击跳闸事故中,绕击跳闸是主要原因。
雷电现象是极其复杂的。由于实际情况下雷击电流可从几千安到几百千安,来雷的方位也变化很大,同一屏蔽系统对不同落雷的屏蔽效果大为不同,再加上对屏蔽效果影响显著的地形地貌和气象因素的复杂多变,输电线路在某些地段常常出现屏蔽失效,成为绕击跳闸事故的易击段。从我国高压及超高压线路的运行经验来看,现有的屏蔽措施基本上保证了线路的雷击跳闸率在某一水平。因此,在现有屏蔽系统的基础上,有针对性地对易击段采取补漏与强化措施,以不高的代价来进一步提高线路的运行安全性,是十分有意义的。
本文基于对高压输电线路雷害事故的调查分析,提出了避雷线加装水平侧向短针的措施,它能有效提高避雷线的引雷能力,防止绕击跳闸事故的发生;并对其有效性和主要技术参数进行了模拟试验和仿真计算研究。
1 水平侧向避雷针
根据对我国部分地区500kV输电线路雷击事故的调查分析认为,输电线路出现绕击跳闸的主要原因是:较小雷电流容易穿过屏蔽系统的防护而发生绕击跳闸事故,特别在易形成强度不大的雷暴地区。输电线路直击雷事故有绕击和反击两种,线路的绕击耐雷水平是远低于其反击耐雷水平的,对超高压线路,前者一般为十几或二十几千安,而后者可达上百千安。输电线路的地线和杆塔将强雷截获,使线路承受反击的考验而免于绕击跳闸事故的发生。由于地线和杆塔对弱雷的吸引不如强雷那么强烈,弱雷可能穿透它们的防护而绕击于导线上。当其强度超过绕击耐雷水平时,则会发生雷击跳闸。因此,如何增加地线和杆塔对弱雷的吸引能力,可以解决输电线路受较小雷电流绕击跳闸问题。
在地线上架设水平侧向短针能有效提高地线的引雷能力,防止绕击跳闸事故的发生。这种分布式的绕击防治措施,具有能够对档距内任意危险段进行保护的优点。由于所需针的长度很短,因此在工程上易于实现。
针比线更容易产生迎面放电去拦截下行先导,有更强的引雷能力;水平方向装设短针能更有效地吸引渗透至较低空间而发生绕击跳闸的弱雷,同时又不会增加对强度很大而定位于较高空间的强雷的吸引,因此,
在地线上加装侧向水平短针。侧针的长度是其能否应用于工程实际的关键问题。
2 比例试验研究
通过比例模拟试验研究多长的侧针能起到效果以及架设一支侧针能够保护多大范围。
图1示出了模拟实验的实验布置示意图。
本实验以1:44的比例构建220kV输电线路的微缩模型,实验中使用的微缩杆塔塔高0.5m,相对于实际中的22m高的杆塔,其比例为1:44,本实验中其他各项参数的比例以此为准,都设为1:44。分别采用直径为1mm的铁丝和铜线模拟避雷线和输电导线这两种线路。实验中模拟输电线的三根输电线用绝缘条悬吊于杆塔下方,与杆塔绝缘,并且通过小电阻(100)接地。确定避雷线和输电线的位置分布使其保护角a=24.8°(具体实验操作时,由于模型较小,有一定偏差)。取实验电压幅值为该实验间隙的90%～100%击穿电压,另外考虑到实际情况中云地放电90%为负极性,采用负极性的冲击电压。因此分别使用峰值为640kV的负极性雷电冲击电压(1.2/50us)和操作冲击电压(250/2500us)进行模拟实验。每个实验项目放电50次,统计击中点情况,研究水平侧向避雷针对绕击概率的影响效果。
实验结果见表1、表2。表中距离差等于放电针到避雷线的距离减去放电针到输电线的距离。(在这里放电针的位置仅是实验参数,不能代表实际情况。)
5mm的横向避雷针就能够使绕击概率从50%下降到20%,减小了30个百分点。而10mm长的避雷针就使绕击概率下降到了4%左右,已经达到了相当的水平。可见在侧针长度L≥10mm时,防绕击效果十分明显;防止绕击的效果随偏移距离d的增加而减弱。水平侧针对架空线路降低绕击概率具有十分明显的作用。
因此可以认为,当地线上所架设侧针的长度大于相应间隙下地线的临界电晕半径时,侧针就能显著提高地线的引雷能力,从而大大降低绕击的概率。当针长小于线的临界电晕半径时,针是淹没在线形成的电晕层之中的,针的存在并未形成突出的尖端,而针长大于线的临界电晕半径后,针就能突出在电晕层之外,并且针比线更容易产生迎面上行先导,于是可提前拦截渗透至低处可能发生绕击的弱雷。当间隙尺寸增大时,线的临界电晕是趋于饱和的,其饱和值为10cm左右。自然雷击情况下,强度不大的落雷最后定位距离线路约几十米,又由于在下行雷先导作用下所形成的间隙电极结构形式与线——板形式有所不同,临界电晕半径会有些差异,因此建议采用20cm或更长一点的侧向水平短针。关于下行先导作用下,地线的临界电晕半径值,有待进一步的理论研究。一定长度的侧针,其有效作用范围到底有多大,这一点可作如下推算。
3 水平侧向避雷针针长及其保护范围的计算
针的引雷能力与针长的关系为ra=k{1}0.6mm。根据试验,当侧针长度L=2.0m时,ra=12m,故k=7.92。若采用侧针长20cm,可得ra=k0.20.6m=3.02m。因此,在地线上架设一支20cm的侧向水平短针,可保护左右各3m的范围。若档距中某段区域易发生绕击,可架设多根侧针来保护,每两根间距为6m。
对于地线加装侧针的有效性,还开展了雷击物理过程的仿真计算。仿真程序以长间隙及雷放电原理的最新进展以及实验室火花击中点影响因素的研究为物理背景,考虑了下行先导作用下,多条上行先导的起始、相对运动和最后跃变等物理过程。对调查报告提供的五条不同线路进行的仿真计算表明,仿真计算结果与运行经验相符。仿真程序对地线上架设侧针的仿真计算表明:所装侧针虽短,但当其长度超过线的临界电晕半径时,产生迎面上行先导将更容易,从侧针上触发的上行先导在最后跃变前可发展十几到二十几米的长度。因此认为,侧针在下行先导作用下发展伸长,动态“伸长”的侧针形成局部的负保护角保护。
4 结论
根据模拟实验所得比例数据和理论计算所得数据的比较,综合考虑针的临界电晕长度、针长对电气距离的影响和避雷线保护角的改善,档距大小以及导地线弧垂特性,针长初步确定为300mm和600mm,能够大大减小避雷针范围内的绕击概率,即使在两根针保护范围的最小部分,也能够将绕击概率降低30%。
5 参考文献
[1]钱冠军,王晓瑜.500kV输电线路典型雷害事故调查研究[J],高电压技术,1997(2):72～74.
[2]杨津基.气体放电[M].北京:科学出版社,1983.
[关键词]水平侧向避雷针 防绕击 输电线路 雷击跳闸
0 引言
雷击是高压及超高压输电线路事故的主要原因之一。而超高压的雷击跳闸事故中,绕击跳闸是主要原因。
雷电现象是极其复杂的。由于实际情况下雷击电流可从几千安到几百千安,来雷的方位也变化很大,同一屏蔽系统对不同落雷的屏蔽效果大为不同,再加上对屏蔽效果影响显著的地形地貌和气象因素的复杂多变,输电线路在某些地段常常出现屏蔽失效,成为绕击跳闸事故的易击段。从我国高压及超高压线路的运行经验来看,现有的屏蔽措施基本上保证了线路的雷击跳闸率在某一水平。因此,在现有屏蔽系统的基础上,有针对性地对易击段采取补漏与强化措施,以不高的代价来进一步提高线路的运行安全性,是十分有意义的。
本文基于对高压输电线路雷害事故的调查分析,提出了避雷线加装水平侧向短针的措施,它能有效提高避雷线的引雷能力,防止绕击跳闸事故的发生;并对其有效性和主要技术参数进行了模拟试验和仿真计算研究。
1 水平侧向避雷针
根据对我国部分地区500kV输电线路雷击事故的调查分析认为,输电线路出现绕击跳闸的主要原因是:较小雷电流容易穿过屏蔽系统的防护而发生绕击跳闸事故,特别在易形成强度不大的雷暴地区。输电线路直击雷事故有绕击和反击两种,线路的绕击耐雷水平是远低于其反击耐雷水平的,对超高压线路,前者一般为十几或二十几千安,而后者可达上百千安。输电线路的地线和杆塔将强雷截获,使线路承受反击的考验而免于绕击跳闸事故的发生。由于地线和杆塔对弱雷的吸引不如强雷那么强烈,弱雷可能穿透它们的防护而绕击于导线上。当其强度超过绕击耐雷水平时,则会发生雷击跳闸。因此,如何增加地线和杆塔对弱雷的吸引能力,可以解决输电线路受较小雷电流绕击跳闸问题。
在地线上架设水平侧向短针能有效提高地线的引雷能力,防止绕击跳闸事故的发生。这种分布式的绕击防治措施,具有能够对档距内任意危险段进行保护的优点。由于所需针的长度很短,因此在工程上易于实现。
针比线更容易产生迎面放电去拦截下行先导,有更强的引雷能力;水平方向装设短针能更有效地吸引渗透至较低空间而发生绕击跳闸的弱雷,同时又不会增加对强度很大而定位于较高空间的强雷的吸引,因此,
在地线上加装侧向水平短针。侧针的长度是其能否应用于工程实际的关键问题。
2 比例试验研究
通过比例模拟试验研究多长的侧针能起到效果以及架设一支侧针能够保护多大范围。
图1示出了模拟实验的实验布置示意图。
本实验以1:44的比例构建220kV输电线路的微缩模型,实验中使用的微缩杆塔塔高0.5m,相对于实际中的22m高的杆塔,其比例为1:44,本实验中其他各项参数的比例以此为准,都设为1:44。分别采用直径为1mm的铁丝和铜线模拟避雷线和输电导线这两种线路。实验中模拟输电线的三根输电线用绝缘条悬吊于杆塔下方,与杆塔绝缘,并且通过小电阻(100)接地。确定避雷线和输电线的位置分布使其保护角a=24.8°(具体实验操作时,由于模型较小,有一定偏差)。取实验电压幅值为该实验间隙的90%～100%击穿电压,另外考虑到实际情况中云地放电90%为负极性,采用负极性的冲击电压。因此分别使用峰值为640kV的负极性雷电冲击电压(1.2/50us)和操作冲击电压(250/2500us)进行模拟实验。每个实验项目放电50次,统计击中点情况,研究水平侧向避雷针对绕击概率的影响效果。
实验结果见表1、表2。表中距离差等于放电针到避雷线的距离减去放电针到输电线的距离。(在这里放电针的位置仅是实验参数,不能代表实际情况。)
5mm的横向避雷针就能够使绕击概率从50%下降到20%,减小了30个百分点。而10mm长的避雷针就使绕击概率下降到了4%左右,已经达到了相当的水平。可见在侧针长度L≥10mm时,防绕击效果十分明显;防止绕击的效果随偏移距离d的增加而减弱。水平侧针对架空线路降低绕击概率具有十分明显的作用。
因此可以认为,当地线上所架设侧针的长度大于相应间隙下地线的临界电晕半径时,侧针就能显著提高地线的引雷能力,从而大大降低绕击的概率。当针长小于线的临界电晕半径时,针是淹没在线形成的电晕层之中的,针的存在并未形成突出的尖端,而针长大于线的临界电晕半径后,针就能突出在电晕层之外,并且针比线更容易产生迎面上行先导,于是可提前拦截渗透至低处可能发生绕击的弱雷。当间隙尺寸增大时,线的临界电晕是趋于饱和的,其饱和值为10cm左右。自然雷击情况下,强度不大的落雷最后定位距离线路约几十米,又由于在下行雷先导作用下所形成的间隙电极结构形式与线——板形式有所不同,临界电晕半径会有些差异,因此建议采用20cm或更长一点的侧向水平短针。关于下行先导作用下,地线的临界电晕半径值,有待进一步的理论研究。一定长度的侧针,其有效作用范围到底有多大,这一点可作如下推算。
3 水平侧向避雷针针长及其保护范围的计算
针的引雷能力与针长的关系为ra=k{1}0.6mm。根据试验,当侧针长度L=2.0m时,ra=12m,故k=7.92。若采用侧针长20cm,可得ra=k0.20.6m=3.02m。因此,在地线上架设一支20cm的侧向水平短针,可保护左右各3m的范围。若档距中某段区域易发生绕击,可架设多根侧针来保护,每两根间距为6m。
对于地线加装侧针的有效性,还开展了雷击物理过程的仿真计算。仿真程序以长间隙及雷放电原理的最新进展以及实验室火花击中点影响因素的研究为物理背景,考虑了下行先导作用下,多条上行先导的起始、相对运动和最后跃变等物理过程。对调查报告提供的五条不同线路进行的仿真计算表明,仿真计算结果与运行经验相符。仿真程序对地线上架设侧针的仿真计算表明:所装侧针虽短,但当其长度超过线的临界电晕半径时,产生迎面上行先导将更容易,从侧针上触发的上行先导在最后跃变前可发展十几到二十几米的长度。因此认为,侧针在下行先导作用下发展伸长,动态“伸长”的侧针形成局部的负保护角保护。
4 结论
根据模拟实验所得比例数据和理论计算所得数据的比较,综合考虑针的临界电晕长度、针长对电气距离的影响和避雷线保护角的改善,档距大小以及导地线弧垂特性,针长初步确定为300mm和600mm,能够大大减小避雷针范围内的绕击概率,即使在两根针保护范围的最小部分,也能够将绕击概率降低30%。
5 参考文献
[1]钱冠军,王晓瑜.500kV输电线路典型雷害事故调查研究[J],高电压技术,1997(2):72～74.
[2]杨津基.气体放电[M].北京:科学出版社,1983.