35kV线路雷击断线原因分析与对策

35 kV 线路雷击断线原因分析与对策 何 　勇1 ,叶 　涛2 (1. 什邡供电局 ,四川什邡 　618400 ;2.德阳电业局调度局 ,四川德阳 　618000) 摘 　要 :近年来 ,35 kV 电力线路频繁发生雷击断线事故 ,损失较大。通过调查研究 ,曾有一种解决强调从改善绝 缘子性能方面来着手解决这一问题。根据导线热效应理论对雷击断线事件进行仔细分析 ,从线路继电保护的角度出 发 ,提出解决措施 ,并通过实践 ,取得良好效果。 关键词 :雷击断线 ;热效应 ; 继电保护 Abstract : In recent years , disconnection faults caused by lightning strike happened frequently in power line , which has caused heavy losses. After investigation , there has been a resolution whose emphasis is to improve insulator performance to solve this problem. But a new method is put forward here : the disconnection event caused by lightning strike is analyzed carefully according to the conductor hot effect and the measures are given as viewed from line relay protection. The good effect has been obtained through the practice. Key words : power line disconnection caused by lightning strike ; hot effect ; relay protection 中图分类号 :TM86 　文献标识码 :B 　文章编号 :1003 - 6954(2006) 04 - 0030 - 03 　　某市地处川西平原边缘 ,地形呈香蕉状 ,一半平 原 ,一半山区。目前 ,该市电力系统拥有四个电压等 级 ,分别为 220 kV、110 kV、35 kV 和 10 kV。由于 35 kV 电压等级较适宜于山区负荷轻、线路较长的情况 , 因此 ,为山区提供电源的主线以 35 kV 电压等级为 主。但近几年 ,35 kV 线路相继发生多起雷击断线事 故 ,损失较大。为此 ,什邡供电局技术人员对该类断 线事故进行了仔细的分析总结 ,并逐步采取了一些措 施 ,最终取得良好效果。 1 　35 kV 线路雷击断线事故经过 1. 1 　线路基本情况简介 35 kV 线路全长 15. 58 km ,连接一座 110 kV 站和 一座 35 kV 站 ,导线型号 :LGJ - 120 ,沿线地形为 :1～ 21 号杆为平原 ,21～58 号杆为大山、河谷地形。该线 于 1996 年 9 月投运。由于部分线路处于污染区 ,为 了提高全线的防污能力 ,于 2000 年将全线普通瓷质 绝缘子更换为合成绝缘子。 1. 2 　雷击断线的经过及早期分析 1. 2. 1 　第一次雷击断线故障 2003 年 8 月 1 日 ,18 号杆处发生雷击断线事故 , 导致 C相断线 ,其他两相有明显烧伤痕迹。 1. 2. 2 　雷击断线故障分析 事故发生后 ,什邡供电局立即安排了事故调查和 分析 ,并邀请四川电力试验研究院的有关专业技术人 员协助调查。经分析 110 kV 站侧的故障录波资料和 现场断线的情况 ,认为断线过程及原因应为 : 2003 年 8 月 1 日 22∶53∶55 ,直击雷打在 18 号杆 塔 C相导线上 ,造成 C 相绝缘子闪络。接地电弧在 工频电流过零时暂时性熄灭 ,当恢复电压超过绝缘子 击穿强度时 ,又再一次发生对地击穿 ,伴随着每次的 再度击穿 ,都会引起电网中电磁能的强烈振荡 ,使非 故障相、系统中性点和故障相产生过渡过程过电压 , 即形成弧光接地过电压 (这与当地农民反映的现象一 致) 。过电压持续时间长 ,遍及全网 ,对网内设备和线 路绝缘薄弱处造成威胁 ,导致 18 号杆塔 A 相绝缘子 击穿、C相线夹边线处断线 ,A、C 相形成接地短路 ,持 续 1. 5 s 后 ,577 号断路器跳闸。 提出整改措施 : 线路雷击事故 ,从概率上讲 ,雷击塔顶由于反击 过电压引起绝缘子闪络造成事故比雷直击导线的几 率要大 ,而反击过电压的大小决定因素是接地电阻的 大小。因此 ,为避免线路频繁遭受雷击 ,要作好全线 接地装置的改造 ,提高雷电冲击水平[1 ] 。 1. 2. 3 　雷击断线故障后的处理措施 为了提高绝缘子耐雷水平 ,保障线路安全运行 , 根据上述整改要求制定了反事故措施。 ①安装线路避雷器。考虑到在输配电线路上安 装避雷器可限制线路雷电过电压 :一是限制感应过电 ·03· 第 29 卷第 4 期 2006 年 8 月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol . 29 ,No. 4 Aug. ,2006 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 压幅值 ,二是雷击闪络后吸收放电能量 ,限制工频续 流 ,达到保护导线的目的。于 2004 年 5 月 31 日前 , 在该线路 18 号、24 号杆处安装了线路避雷器。 ②测量和改造全线杆塔的接地电阻。断线事故 发生后 ,对该线所有杆塔的接地电阻进行多次测量 , 并对某些接地电阻较高的杆塔地基进行了改造。改 造后 ,将测试数据同规程要求比较 ,测试结果均合格。 1. 2. 4 　第二次雷击断线故障经过及分析意见 2004 年 7 月 19 日 ,该线再次发生了雷击断线事 故 ,导致 40 号塔处导线 C相断线 ,其他两相有明显烧 伤痕迹。避雷器动作情况 :该线的 110 kV 站侧避雷 器 C相动作 1 次 ;18 号杆 A 相动作 1 次 ,C 相动作 3 次 ,B 相避雷器有裂纹 ;24 号杆 A 相动作 1 次 ,C 相脱 离器动作 ;40 号杆 C相导线在船型线夹处被烧断 ,三 相合成绝缘子均有被烧伤的痕迹 ,C 相最严重。 在 2000 年 ,为了提高防污水平 ,曾将原有的瓷制 绝缘子更换成合成绝缘子。因此 ,在此次事故分析 时 ,一部分意见认为 :该线原未发生雷击断线 ,而更换 了绝缘子后 ,由于合成绝缘子的耐雷水平比磁绝缘子 低 ,导致线路耐雷水平降低 ,才最终发生雷击断线事 故。因此将线路断线原因全部归咎于合成绝缘子绝 缘性能方面。 即使合成绝缘子耐雷水平的确较普通磁绝缘子 低 ,但这只能是发生雷击闪络的次数可能增多 ,而不 是导致断线的根本原因。导致断线的根本原因应该 是发生雷击时在部分绝缘子上形成了闪络通道 ,随后 过电压形成的工频续流通过该通道在持续一段时间 后才将导线烧断。 2 　雷击断线原因分析和理论推断 如前述 ,导致断线的根本原因是 :发生雷击时 ,在 部分绝缘子上形成了闪络通道 ,随后过电压形成的工 频续流继续通过该通道并产生高温 ,在持续一段时间 后温度达到导线熔点 ,将导线烧断。但事实是不是这 样呢 ? 2. 1 　合成绝缘子和瓷绝缘子性能比较 为了证明上述观点 ,通过查阅绝缘子厂家的技术 资料 ,对合成绝缘子和瓷绝缘子性能进行比较 (见 1) 。 通过表 1 数据比较 ,合成绝缘子的防污水平明显 比瓷绝缘子高 ,耐污闪电压高 ,相同的爬距 ,合成绝缘 子等效于瓷绝缘子 1. 3～1. 4 倍的绝缘水平 ,而且耐 雷冲击闪烁电压也略优于瓷绝缘子。但是合成绝缘 子的工频干闪电压比瓷绝缘子低 ,这说明瓷绝缘子耐 受系统过电压的水平的确要好于合成绝缘子 ,利于隔 断工频续流 ,而合成绝缘子在发生闪络的情况下 ,自 恢复能力较差。不过这也恰恰可以说明发生雷击时 , 导线是被其后的工频续流烧断的。 2. 2 　线路雷击断线的模拟过程和计算 根据大量科研资料 ,结合事故现象分析 ,可证实 雷击断线过程如下 : 架空导线因雷击过电压造成闪络时 ,瞬间电弧电 流很大但时间很短 (约几微秒至几毫秒) ,仅在绝缘层 上出现击穿孔 ,不会烧断导线。但是 ,当发生雷击过 电压闪络 ,特别是在两相或三相 (不一定是在同一电 杆上)之间闪络而形成金属性短路通道时 ,将引起高 达数千安培工频续流 ,电弧能量将骤增。此时 ,架空 导线与绝缘子间接触部分因接触面原因而导致高温 电弧被固定在局部某一点 ,一段时间积累后 ,超过金 属导线熔点 ,将导线烧断。 根据电流热效应的计算公式 (焦耳 - 楞次定律) : 热量 (J ) 　Q = I2 TR 可以发现 ,导致导线温度升高所需热量与短 路电流的大小的平方及短路时间的长短呈线性关系。 通过查阅有关资料《现代电工实用手册》[2 ] ,钢的 熔点 1 500 ℃,固态平均比热 0. 705 kJ / (kg·℃) ;铝的 熔点在 650 ℃左右 ,固态平均比热 0. 974 kJ / (kg·℃) 。 由于钢芯铝导线中的钢芯承担主要拉力 ,故以下计算 以钢材为主。 表 1 　合成绝缘子和瓷绝缘子性能比较 电压等级 绝缘子类别 工频干闪 雷冲击闪烁 爬电距离 泄漏比距 电压 (kV) 电压 (kV) (mm) (cm/ kV) 备 　注 35 kV 合成绝缘子 187 330 1150 3. 286 单只 瓷绝缘子 225 300 870 2. 485 3 片 ·13· 第 29 卷第 4 期 2006 年 8 月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol . 29 ,No. 4 Aug. ,2006 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 根据钢的比热数据可以得出 :每公斤钢材熔化所需热 量大致为 1 057 kJ 。 线路全长大约 15. 58 km ,则 R≈0. 4 ×15. 58 = 6. 232Ω 线路末端两相短路电流约为 1 kA (根据什邡供 电局阻抗值计算得出) 。 将上述值代入电流热效应公式 : Q = I2 TR 则 : T≈0. 17 s (简约计算 ,未考虑导线热的传导性等情况) 从这个结果可以看出 ,导线在工频续流的作用下 发生断线是有个时间过程的 ,这个过程也是热量的积 累过程 ,本线路的这个时间过程一般大于 0. 1 s ,但也 不长于 0. 5 s。因此如何在这段时间之前限制或隔断 工频续流将能有效地减少雷击断线故障。 3 　采用继电保护手段避免雷击断线的 分析和效果 　　限制或隔断工频续流可考虑加强绝缘子绝缘性 能 ,即增加绝缘子片来改善绝缘子性能 ,从而提高耐 压水平 ,利于隔断工频续流。但这样做不仅增加设备 成本、大量人工劳动成本以及线路停电损失 ,还降低 了导线对地安全距离 ,具体实施困难较多。 另外一个方法就是通过继电保护中的速断保护 瞬时动作切除故障 ,迅速隔断工频续流 ,从而达到保 护线路 ,防止断线的目的。即牺牲了保护的选择性来 确保线路安全。 众所周知 ,35 kV 电压等级的线路保护一般考虑 三段式电流保护 ,分别为[3 ] : ①电流速断保护。整定原则以最大运行方式下 线路全长的 85 %考虑 ,无时间延时。 ②限时速断保护。为线路全长及配合相邻线路 保护 ,有较短延时 ,一般为 0. 5 s。 ③过流保护。为躲过最大负荷以及与相邻线路 限时速断保护配合 ,有较长延时。 什邡供电局原按此整定原则对该线路进行了保 护整定 ,但是事实证明 ,没有能够可靠保护线路 ,避免 线路断线。通过分析也可说明 :假设雷电击中线路中 后段 ,引发闪络 ,并导致相间短路 ,由于保护的时限配 合 ,在线路后半段主要靠有延时的保护动作切除故 障 ,保护时间为 0. 5 s 以上 ,因此很难避免断线事故。 为了避免这种情况 ,重新计算了保护定值 ,将速 断保护整定为保护线路全长 ,同时配合以间隔 2 s 的 重合闸保护 ,以尽快恢复供电。 采取这种方法后 ,经过 2004 年下半年及 2005 全 年运行实践 ,未再发生雷击断线事故。根据 35 kV 某 线变电站侧避雷计数器动作情况来看 ,该线发生雷击 情况至少 11 次 (见表 2) ,保护装置速断动作一次 (根 据什邡局调度运行记录 :2005 年 6 月 29 日某线速断 保护动作 ,动作原因 :雷击) ,但未再发生断线事故。 在故障后的雷击点登杆检查 ,发现导线受伤轻微 ,只 有轻微变白 ,而没有发生烧断股的情况。因此 ,采用 速断保护尽快切除短路电流是防止雷击断线的有效 手段。 表 2 　35 kV 某线变电站侧避雷计数器动作情况 年 　份 A 相次数 B 相次数 C相次数 2003 3 2 4 2004 3 2 3 2005 5 7 11 上述方法是以牺牲保护的选择性来确保线路安 全。但这会产生一个问题 :这么做会不会导致保护范 围过长而发生越级动作 ,降低供电可靠率呢 ? 由于该 线路向山区供电 ,线路末端是个 35 kV 电压等级的终 端站。经核算 ,上述保护整定范围也仅限于变压器内 部 ,因此对于该站低压侧线路故障 ,并不会发生越级 动作情况。 4 　计算分析雷击断线与合成绝缘子间 的联系 　　前述有种观点认为断线事故就确定是更换绝缘 子造成的。理由是 :35 kV 某线路是 1996 年投运的 , 到 2000 年更换合成绝缘子前均未发生断线事故 ,可 是绝缘子更换后就分别于 2003 年、2004 年连续发生。 雷击断线事故时有发生 ,许多雷击断线事故就发 生在合成绝缘子在国内推广之前 ,可见并不是合成绝 缘子更容易引发雷击断线。 在 2000 年以前 ,尤其是在 1998 年 11 月该市一座 220 kV 站投运前 ,系统短路容量相对较小 ,该线电源 侧 110 kV 变电站也只有单台主变 ,而其后 4 年 ,该地 区新增 220 kV 变电站三座 ,其 110 kV 变电站扩容为 两台主变 ,整个系统运行方式均 (下转第 38 页) ·23· 第 29 卷第 4 期 2006 年 8 月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol . 29 ,No. 4 Aug. ,2006 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 的雷电活动情况和活动规律 ,决定所采取的防雷措施 及其对杆塔接地电阻的要求 ; ③调查线路杆塔经过地 段土壤对钢接地体的年腐蚀和土壤的酸碱度 ; ④计算 电网最大运行方式下的接地短路电流 ,以及线路的使 用寿命 ,校核接地装置的热稳定 ; ⑤根据以上 4 项内 容进行计算 ,制定出切合实际的设计 ,并制定出切合 实际的降阻措施和。降低杆塔接地电阻的 措施主要有 :1)水平外延接地。如杆塔所在的地方有 水平放设的地方。因为水平放设施工费用低 ,不但可 以降低工频接地电阻 ,还可以有效地降低冲击接地电 阻。2)深埋式接地极。如地下较深处的土壤电阻率 较低 ,可用竖井式或深埋式接地极。在选择埋设地点 时应注意以下几点 :选在地下水位较丰富及地下水位 较高的地方 ;杆塔附近如有金属矿体 ,可将接地体插 入矿体上 ,利用矿体来延长或扩大接地体的几何尺 寸 ;利用山岩的裂缝 ,插入接地极并灌入降阻剂 ;铺设 水下接地装置 ,如杆塔附近有水源 ,可以考虑利用这 些水源在水底或岸边布置接地极 ,可以收到很好的效 果。⑥精心施工。设计图纸和施工方案制定出后 ,就 要到现场精心地组织施工。对水平接地体 ,垂直接地 体的布置严格按设计要求布置 ,对各焊接头的质量 , 降阻剂的使用 ,回填土每一个环节严格把关 ,对整个 施工过程实行全过程的质量监督。 线路运行维护单位应该重点作到 :1)把好竣工验 收关 ,收集接地相关设计、施工资料完整 ,抽检合格 , 必要时开挖检查。2) 要针对杆塔接地装置运行中容 易发生的问题 ,加强运行维护和巡视检查 ,及时进行 缺陷处理。为降低农田青苗赔偿费用 ,应充分利用庄 稼收割播种的间隙期安排接地开挖检查修补。3) 消 缺应该推广应用新技术、新工艺 ,特别是在降低杆塔 接地各连接点的接触电阻方面 ,应坚决摒弃落后的连 接方式 ,如并沟线夹连接 ;杜绝错误的连接 ,如搭接缠 绕、点焊、点线接触等。4)认真学习规程 ,防止错误的 理解导致实际工作的偏差。如对《交流电气装置的过 电压保护和绝缘配合》规程中“35 kV 及 66 kV 无避雷 线线路宜采取措施 ,减少雷击引起的多相短路和两相 异点接地引起的断线事故 ,钢筋混凝土杆和铁塔宜接 地 ,接地电阻不受限制”,就不能断章取义地理解“不 受限制”为不测、不维护处理 ,甚至取消。5)运行人员 应正确掌握测量方法 ,定期进行接地电阻测量 ,以掌 握接地电阻变化情况 ,为理论分析提供准确的数据。 4 　结束语 架空线路的接地 ,既是杆塔保护接地 ,又是线路 防雷保护接地。接地装置的设计施工及运行维护 ,是 一个系统的 ,只有全过程质量控制 ,才能保证线 路的接地始终处于良好状态 ,才能保证线路安全运 行。 (收稿日期 :2006 - 05 - 15) (上接第 32 页) 　发生较大变化 ,因此系统短路容量也 随之发生较大变化。经按 1999 年前 110 kV 站 35 kV 侧母线归算阻抗值计算 ,该线路末端两相短路电流约 为 500 A ,将其代入前电流热效应计算公式 : T≈0. 7 s 而 0. 5 s 后其它后备保护已经动作切除故障 ,因 此不会发生断线故障。这与调查情况基本相符 :2000 年前 ,某线也时有雷击跳闸故障 ,基本上是过流保护 动作。故障点导线曾出现烧断股 ,严重时只剩下钢 芯 ,以及磁瓶炸坏的现象 ,但未发生断线事故。所以 合成绝缘子与瓷绝缘子一样 ,并不是导致雷击断线的 必然原因。 5 　结论 在多雷山区的 35 kV 及 10 kV 线路运行工作中 , 提高线路防雷特性 ,减少或杜绝雷击等原因导致的断 线事故 ,除了增加线路避雷器 ,以及增加绝缘子爬距 外 ,采用快速保护来保护线路全长 ,尽快切除雷击线 路所引起的瞬时故障 ,并辅以重合闸以提高供电可靠 性 ,也是一种很有效的办法。而只有综合考虑这些因 素 ,才能从根本上消除雷击断线事故 ,减少因雷电造 成的线路事故。 参考文献 [1 ] 　肖红. 关于什邡供电局 35 kV 某线雷击断线原因分析 [ R] .四川电力试验研究院. [2 ] 　现代电工实用手册 [ S] . 中国环境科学出版社 ,1997 年 1 月. [3 ] 　3～110 kV 电网继电保护装置运行整定规定 [ S] . 中国电 力出版社 ,2001 年 11 月. (收稿日期 :2006 - 05 - 15) ·83· 第 29 卷第 4 期 2006 年 8 月 四 川 电 力 技 术 Sichuan Electric Power Technology Vol . 29 ,No. 4 Aug. ,2006 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net