电力论文：电网建设输电线路防雷设计要点探析
电网建设输电线路防雷设计要点探析
广西绿能电力勘察设计有限公司张凯530031
摘要：随着国民经济的发展与电力需求的不断增长,电力生产的安全问题也越来越突出,笔者在文中以输电线路防雷保护设计为重点进行了分析。
关键词：110kV；防雷；设计
引言
随着国民经济的发展与电力需求的不断增长,电力生产的安全问题也越来越突出。对于输电线路来讲,雷击跳闸一直是影响输电线路供电可靠性的重要因素。由于大气雷电活动的随机性和复杂性,目前对于输电线路雷害的研究还有诸多未知的成分。进行输电线路设计时要全面考虑,综合分析每一条线路的具体情况,通过安全、经济、质量比较,选取有针对性的防雷设计技术措施,以达到提高供电可靠性的目的。
一、防雷设计作用
在电力工业建设中,由于110kV架空输电线路地处旷野,线路距离长,较容易遭受雷击。因雷击线路引起的直击雷过电压,常会造成绝缘子串闪络烧毁,线路跳闸停电等事故。据统计,近十年来国内外运行经验表明,输电线路50%以上的事故是由雷害引起的,因此,目前大气过电压引起的绝缘闪络已经成为线路故障的主要原因。降低杆塔电阻主要用于减少雷电反击,提高线路的耐雷水平;避雷线可以屏蔽线路,减少雷电绕击导线的概率,但不能完全防止绕击的发生;加强绝缘可提高耐雷水平,但受杆塔尺寸的限制;安装线路避雷器效果好,但投资巨大,只能用于线路雷电易击段、易击点、易击相。针对这种情况,为110kV输电线路设计了这种结构简单,维护方便的保护间隙,安装在绝缘子串两端,当雷击线路时它在系统中与自动重合闸配合使用,即可将雷电流及时接地,又可对用户不间断供电,从而起到防止绝缘子闪络烧毁,维持线路正常运行的作用。
二、设计要求
根据保护间隙的设计原则,用于110kV输电线路的防雷保护间隙的设计也应该考虑以下几个方面的要求:首先,雷击线路时,保护间隙应当能够先于绝缘子串放电,捕捉放电电弧根部引导雷电流入地,从而保护绝缘子串和线路不被烧毁,这是保护间隙的首要作用。其次,保护间隙与线路的绝缘配合也应当保证在线路最大操作过电压下不击穿,不降低线路绝缘水平。最后,由于110kV线路的绝缘子串较长,因此应当考虑由于杂散电容造成的绝缘子串电压分布不均匀问题,即要求保护间隙对绝缘子串有均压作用,减小电晕产生的可能性。
三、构造形式、材料的选择及安装
可用于110kV输电线路的保护间隙主要有以下两种形式:
(一)棒形。
用直径为28㎜的圆钢制造两个棒形电极,使其相对,其间保持一定距离形成放电间隙。为保护棒形电极端部在间隙放电时不被烧伤,通常在棒端安装两个直径为38㎜的金属球,以形成球形间隙。由于电压等级较高时,棒形间隙仍有被烧伤的可能,所以此种间隙通常用于220kV等级以下的线路。
(二)环形。
它是用直径为28㎜的圆钢弯曲制成,两环相对形成放电间隙。它对绝缘子串有明显的均压作用,按照110kV线路保护间隙的设计原则,为110kV线路设计的保护间隙。
这种110kV线路保护间隙可采用镀锌钢作为制造材料。保护间隙由直径为28㎜的圆钢制成,两端张开712㎜,两个引弧端头之间的距离由以下的保护间隙和绝缘子串的绝缘配合决定。
四、防雷保护间隙和绝缘子串的绝缘配合
(一)雷电冲击过电压下的绝缘配合
雷电过电压的波形具有随机性,实测的数据分散性很大,雷电冲击波的波头时间是在1～5μs的范围内变化,波长在20～100μs的范围内,多数为50μs左右,雷电冲击波的预放电时间通常不大于10μs,因此110kV输电线路防雷保护间隙与绝缘子串在雷电过电压下的绝缘配合也采取1.2/50μs的标准雷电冲击波形进行。同时,在雷电冲击击穿电压下,空气间隙击穿电压或绝缘子串的闪络电压的概率大体上遵从正态分布。
(二)操作过电压下的绝缘配合
规程DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合对以下几种操作过电压进行绝缘配合的相对地最大过电压值进行了规定:空载线路合闸时,由于线路电感和电容的振荡产生的合闸过电压,它在线路重合闸时,由于电源电势较高以及线路上残余电荷的存在,进一步加剧了这一电磁振荡过程,使过电压进一步提高。我国35～220kV电网中,虽然绝缘水平选的较高,但也曾经因为切除空载线路时的过电压而引起多次绝缘闪络或击穿的事故。产生这种过电压的根本原因是因为电弧重燃。所以在按操作过电压要求确定220kV及以下电网的绝缘水平时,主要以切除空载线路的过电压为计算依据。规程对开断采用热轧硅钢片铁芯的110kV和220kV变压器的过电压规定为一般不超过3倍的线路最大运行相电压。因此,对于110kV系统的绝缘配合,系统的最大操作过电压可取为3倍的线路最大运行相电压,即309kV。
五、电压分布计算
(一)有限元计算软件ANSYS简介
ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的融结构、传热学、流体、电磁、声学和爆破分析于一体的大型通用有限元软件,它具有功能极为强大的前后处理和计算分析能力,能够同时模拟结构、热、流体、电磁、声学以及多种物理场间的耦合效应。
(二)计算模型的建立
建模采用了ANSYS软件中的电磁场分析部分,电磁场分析的思想和原理如上所述,其基本原理就是将所处理的对象划分成包含若干节点的有限单元,然后按照麦克斯韦方程,根据矢量磁势或标量电势求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的磁势或电势,继而进一步求解出其他相关量。绝缘子串电压分布的计算属于电场有限元分析,它的计算基础是泊松方程,通过输入模型对象的介电常数,求出节点自由度值,即电标量势电压,然后可以再从求得的节点电压求出电场的其他物理量。
利用三维有限元计算软件ANSYS,按照实体模型进行建模。
(三)计算结果和分析
分别对绝缘子串带保护间隙和不带保护间隙两种情况进行了计算,每片绝缘子上的电压降如表所示,绝缘子序号由小至大为由横担端指向导线端。
表1绝缘子串电压分布计算结果
绝缘子序号 绝缘子电压降(不同间隙) 绝缘子电压带(带间隙)
1 9.412 8.957
2 7.95 8.206
3 7.831 8.054
4 8.054 8.305
5 8.603 8.922
6 9.609 9.887
7 12.051 11.179
由表1可以看出,与以上的分析相一致,在线路运行电压的作用下,随着绝缘子串片数的增加,沿绝缘子串的电压分布明显呈现不均匀的分布。由于绝缘子金属部分和导线间电容的影响,靠近导线的三片绝缘子承担的电压明显高于其它几片远离导线的绝缘子,在绝缘子串不安装间隙的情况下,第5、6、7片绝缘子分别承担了全部电压的13.5%、15.1%和19%,靠近导线的第一片绝缘子上的电压降最大,是第3片绝缘子上电压降的1.5倍。靠近横担的第一片绝缘子又因为绝缘子和杆塔间的电容的影响,承担的电压降又有增高。在绝缘子串安装了保护间隙以后,由表1可以看到,靠近导线端和靠近横担端的绝缘子上的电压降都有所降低,靠近横担端的第一片绝缘子上的电压降比不加装间隙时电压降降低了5%,靠近导线端的第一片绝缘子上的电压降比不加装间隙时降低了7%,而且绝缘子串加装间隙后整个绝缘子串的电压分布也比不加装间隙时要均匀的多,可见加装保护间隙对绝缘子串的电压分布有明显的改善效果,而且电压等级越高,绝缘子串片数越长,保护间隙对绝缘子串电压分布的改善效果越明显。
六、结束语
要做好输电线路的防雷工作,就必须抓住其关键点。通过对雷击过程及线路遭受各种雷击时过电压产生原因的分析,阐述了影响线路耐雷水平的因素,在此基础上提出了在线路防雷设计、运行维护、施工过程中应加以考虑的一些问题,针对不同雷击特点提出了相应解决办法,以提高输电线路的耐雷水平,减少线路因雷击引起的跳闸,以保证线路的安全运行。
综上所述,为防止和减少雷害所造成的故障,设计中要全面考虑输电线路经过地区雷电活动强弱程度、地形地貌特点和土壤电阻率的高低等情况,还要结合原有输电线路运行经验以及系统运行方式等,通过比较选取合理的防雷设计,提高高压输电线路的耐雷水平。雷电活动是一个复杂的自然现象,需要电力系统内各个部门的通力合作,才能尽量减少雷害的发生,将雷害带来的损失降低到最低限度。
