林子翔 贾宏伟
摘 要：并联间隙防雷运用疏导电流原理，投资甚少，经济、实用，有着广泛的应用价值。本研究以110kV架空线路并联间隙防雷保护装置的原理为基础，探讨了其在选择及安装方面所涉及的重要内容，选取生产现场最为关注的跳闸率作为衡量指标，选取典型线路作为研究对象，分别对安装了不同间隙距离保护装置的线路进行了研究，并计算了其雷击跳闸率，分析了雷击跳闸率与间隙距离之间的关系，体现了架空线路采用并联间隙防雷保护的应用優势。
关键词：架空线路 防雷 并联间隙 保护应用
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0031-02
1 研究背景
架空输电线路的防雷一直是输配电线路运行管理部门积极探讨的课题，根据统计数据显示，电网中由雷击引起的故障占70%左右，特别是在南方地区，雷击造成线路绝缘破坏的情况频频发生，甚至可能恶化演变为掉线等恶性事故，引起局部停电，危及整个电力系统安全。所以，无论从发生频率还是引起后果来看，雷击都是影响电网安全的重要因素之一。为此，研究输电线路的防雷具有重要的意义。
目前，在架空线路上常用的防雷措施多采用架设避雷线、杆塔接地电阻降阻、绝缘强化、耦合地线加装、线路型避雷器加装等方式。以上防雷保护措施的根本目的是：通过提高线路耐雷水平来减少雷击跳闸率，也可统称为“堵塞型”防雷保护方式。然而，雷电是一种自然现象，其发生的频率、地点、强度等均具有很强的随机性，致使“堵塞型”防雷保护存在投资大、效率低、技术难等问题。此外，对于雷击线路本身，只属于一种小概率事件，耗费大量资金进行线路型避雷器加装，增加了线路的建设和运行成本，仅为防止这种小概率事件的发生，经济效益较差。为此，本研究提出的防雷保护措施，其根本目的是采用在绝缘子旁并联间隙装置的方式进行接收雷电、疏导工频电弧等工作，避免了绝缘子被电弧烧坏，虽有可能存在雷击闪络，但重合闸能够成功，以此提高供电的可靠性，这种方式也可称为“疏导型”防雷保护。此外，一串绝缘子仅需配一对间隙装置，投资较少，经济效益较为明显。如能将以上两种方式进行结合，因地制宜地采用，将能够有效提升防雷工作有效性。
2 研究途径
2.1 技术原理
本研究所设计和研发的并联间隙防雷保护，主要是通过将一对金属电极（又称招弧角或引弧角）并联在绝缘子串两端的方式，构成一个小于绝缘子串长度的保护间隙。在正常运行条件下，并联的间隙装置具有工频电场的作用；而当架空线路遭遇雷击情况时，保护间隙由于雷电冲击电压而先放电，工频电弧在电动力和热应力的作用下在其之后产生，再通过并联间隙引至电极端头，最终将电弧吹开消散，从而保护绝缘子，免于电弧的烧蚀破坏。
2.2 技术要求
本研究所设计的并联间隙防雷保护装置应同时具备“接闪雷电、疏导工频电弧、均匀电场”这3种功能。其中，接闪雷电、疏导工频电弧两项最为重要，能够有效避免绝缘子和金具的烧损破坏。
2.3 技术关键
本研究设计和研发的并联间隙防雷保护装置能够最终通过雷电冲击试验和工频电弧燃烧特性试验，充分展示对绝缘子和金具的保护效果。选用原则如下：（1）能够引弧离开绝缘子；（2）尽可能利用绝缘子串安装固定，对运行线路改动小；（3）容易安装和更换；（4）电极起弧放电点痕迹明显，便于故障查找定位；（5）电极材料燃烧损耗低、耐灼烧。
3 研究现状
（1）国外许多发达国家都对架空线路的并联间隙防雷保护进行了大量的研究。自20世纪60年代起，部分国家已陆续在线路绝缘子串上安装放电间隙装置，例如：早期使用的羊角引弧装置。经历了多年的更新和演变，放电间隙在许多国家的超高压、高压线路中都得到了广泛应用，一些国家甚至将并联间隙防雷作为架空线路防雷保护的基本措施之一写入规程之中。
（2）香港中华电力公司400kV/132kV架空线路采用的防雷保护措施主要包括架设双避雷线、降低杆塔接地电阻、同塔双回路线路全线安装绝缘子并联间隙（间隙距离不同）形成不平衡绝缘、雷击易发线路段安装纯空气间隙避雷器、变电站内安装自动重合闸装置、采用雷电监测和故障录波定位系统，对降低输电线路雷击事故的效果较为明显。该项措施简单、可靠，相比线路避雷器成本低廉，运行中几乎免维护，是架空线路防雷保护的较好措施。配合故障定位系统，可快速确定故障线路段。
针对目前的实际情况，从经济性考虑，较为理想的实施方式为雷击故障频发线路段采用线路避雷器，其他线路段采用并联间隙。
4 材料选择及设计
并联间隙的设计主要包含招弧电极形状设计、外形尺寸设计、间隙距离设计和联接金具设计等内容，许多专家学者都对此已进行了大量的研究和实验，本研究主要针对其中实际使用方面设计到的问题进行讨论。
4.1 材料设计
在电极截面不变的前提下，如果试验条件完全相同，那么材料的选用就直接决定了电弧的运动速度。根据相关试验数据可知，电弧在钢材料上运动的速度要比铝材料高出50%，而铜材料的情况则与铝材料大致相同。铝材料的热耗比明显优于钢材料，在热应力相同的情况下，铝材料弧根烧灼位置的金属损耗要比钢材料高4～5倍。在弧根烧灼位置损耗的材料，绝大部分并不是严格意义上的消失，而是以颗粒的形式被抛出。以目前的试验结果，还未能预见被抛出到绝缘子上面的氧化铝堆积物对绝缘子性能影响的程度，按常规试验角度考虑，绝缘水平应会明显下降。因此，考虑到防腐需要，热镀锌钢是最为合适的材料。
4.2 安装设计
（1）对于单联悬垂串，招弧角与导线平行；对于双联悬垂串，招弧角和导线呈45°夹角冲线路外侧（仅对于同塔双回线路或单回线路的边相）。从而满足即减小电弧掠过绝缘子的概率又易于观察招弧角烧蚀情况。（2）对于耐张串绝缘子可直接在连板的检修孔上安装。（3）对于高杆塔，若安装并联间隙会改变塔头间隙距离，则需进行特殊考虑。
4.3 外形设计
新型连接金具应尽可能不改变原有间隙长度，且便于安装、减小安装工作量。
5 并联间隙装置的跳闸率计算
雷击跳闸率无疑是输配电线路运行管理工作最为关心的指标之一。在其他参数（包括杆塔、導线、绝缘子、接地电阻等）不变的前提下，装设有并联间隙的架空线路，其雷击跳闸率可认为仅与并联间隙的雷电冲击50%放电电压（U50%）有关，而雷电又与间隙的绝缘距离存在一定的关联。
110kV线路的雷击故障均为三相跳闸再重合闸，且线路因雷击造成的两相反击闪络的事故也时有发生。
绝缘子雷击闪络后是否跳闸，取决于能否建弧。建弧概率，其中Un为系统标称电压，li为绝缘子串绝缘距离；每平方公里每年的落雷次数Ng和年雷电日Td的关系可由式确定，线路每百公里每年落雷次数，其中h为杆塔的高度，b为避雷线间距。线路每百公里每年绕击跳闸率，线路每百公里每年反击跳闸率，线路每百公里每年跳闸率，其中g为击杆率，对于双避雷线线路，平原击杆率取1/6，山丘击杆率取1/4；为超过雷击杆塔顶部时耐雷水平的雷电流概率，，I为雷电流幅值；为线路的绕击闪络率，平原取，α为导线保护角；P2为超过雷绕击导线时耐雷水平的雷电流概率。
根据计算结果可知，线路雷击跳闸率与间隙距离之间存在着一定线性关系，这为并联间隙电极的尺寸设计提供了技术依据。根据本研究所设计的并联间隙，既要满足上述保护绝缘子免于电弧灼烧的要求，又要满足线路雷击跳闸率的要求。一般情况下，采用并联间隙装置会使得绝缘子串的雷击跳闸率有所提高，但如果并联间隙能够在线路遭雷击后迅速吹散工频电弧，保护绝缘子及金具不受损坏，从而降低线路的事故率，也是工程可以接受的。基于此设计的重点就是找出并联间隙保护效果与雷击跳闸率的最佳结合点。
6 结论
（1）架空线路在安装并联间隙装置后线路雷击跳闸率有所增加。一般根据不同的线路参数及塔型、地理环境等数据，通过计算得出：安装并联间隙后线路雷击跳闸率会有5%～15%的增加（在容许范围内）。而安装并联间隙装置对线路的根本影响为：对于雷击跳闸率较高的线路，通过并联间隙装置的安装，可以使得其雷击跳闸率的影响小于雷击跳闸率低的线路。设计上可以通过增加绝缘子片数、优化电极尺寸等方式，将雷击跳闸率限制到原有水平。但增加绝缘子后会改变线路的弧垂及风偏，在线路运行中需根据实际的情况综合考虑加装并联间隙后的影响。
（2）架空线路的防雷措施应以传统的保护方式为基础，将并联间隙防雷保护作为补充，因地制宜、合理地进行配合使用。并联间隙装置相比线路避雷器而言，成本较低、方便安装，运行中几乎免维护，是一项非常理想的防雷辅助措施。并联间隙挂网运行后，除因动作频繁致使燃弧电极明显烧损需要更换外，并不需要定期巡视，几乎免维护，能够大幅提高电网可靠性。此外，如将其与雷电故障定位系统配合使用，能够实现线路故障段位置的快速确定。
参考文献
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