高压架空线路并联间隙装置结构设计探讨

中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集高压架空线路并联间隙装置结构设计探讨谷山强1,2陈维江1何金良21国网武汉高压研究院2清华大学电机系摘要介绍了并联间隙防雷保护装置的优点以及其正逐渐成为我国高压架空线路防雷保护措施中的一种的趋势。比较了各国并联间隙装置的特点，根据架空线路并联间隙装置的保护功能，指出导弧性能是我国并联间隙装置结构设计的关键目标。通过从磁场力和电弧运动两个方面分别分析两种典型不同结构的并联间隙装置的导弧性能，得出了上下电极倾角为零的并联间隙装置比上下电极有一定倾角的并联间隙装置具有更强的导弧性能，是一个相对较好的结构。关键词架空线路并联间隙导弧性能工频电弧运动仿真1引言电力系统由于雷击输电线路引起的故障已成为困扰安全供电的一个普遍难题。目前我国所采用的架空线路防雷保护措施主要包括架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、加装耦合地线、安装线路避雷器等。这些传统的“堵塞型”防雷保护措施，对于近年来我国电网快速发展，网架结构越来越强，以及大量SF6开关、微机化继电保护和重合闸装置的普遍使用的情况，已显得保守和片面[1,2]。并联间隙防雷，是和传统的防雷保护方式不同的一种“疏导型”的防雷保护方式，优点是：（1）提高系统重合闸成功率，防止出现系统大事故；（2）降低线路的雷击事故率；（3）保护绝缘子不受损坏；（4）可以做到不巡线，大大减轻劳动强度，提高电力系统经济效益。鉴于并联间隙防雷保护方式的技术原理独特、装置结构简单、安装方便、经济性能优良等优点，日本、德国、法国等国家从20世纪60年代已开始研究在架空输电线路上使用并联放电间隙，并积累了丰富的技术资料和运行经验，现在几乎所有的绝缘子串上都安装有形状各异的放电间隙[3]。但在我国，架空输电线路上绝缘子串以前很少安装并联间隙，原因在于两个方面：一是由于解放后我国电力工业是学习苏联的技术，长期来没有应用这一技术[4]；二是过去开关设备性能水平比较落后，防雷措施侧重于减小雷击跳闸率。由于并联间隙防雷保护方式随着其优点越来越突出，正逐渐受到电力部门的接受和青睐。近年来国外在我国招标的输电线路都要求安装并联间隙装置，受此影响，在我国新建的线路上，如南京大胜关跨越先期运行的220kV线路和广东132kV输电线路上已开始设计和使用并联间隙装置[5]。另外，北京供电公司在某些35kV架空线路上也开始安装并联间隙装置[6]。目前，还有多家单位正在积极准备采用该装置。鉴于并联间隙防雷保护方式将逐渐成为我国防雷保护措施中的一种，设计和开发性能优良的、适合我国国情的架空输电线路并联间隙装置具有十分重要的意义。2国内外架空线路并联间隙装置介绍根据1989年IEC/TC22对18个国家的高压和超高压架空输电线绝缘子串保护装置的采用情况所做的调查表明[7]：大多数高压和超高压交流架空线装有保护装置，特别是欧洲和日本，不论电压高低，全部线路都安装保护装置。各国由于电力系统内的保护措施不同，对架空线路并联间隙装置的叫法也不相同。日本一般称招弧角，德国则称引弧保护装置。另外，根据架空线路电压等级的不同及所选用的绝缘子类型的不同，并联间隙装置也有不同的功能和形式，对于悬垂串，在220kV及以下架空线路一般以引弧为主，兼有改善绝缘子串电压分布的作用，因此，多表现棒中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集形电极的形式；而330kV及以上架空线路，主要为了改善绝缘子串电压分布和屏蔽电晕，并兼有引弧的功能，因此，多表现为均压屏蔽环的形式。对于复合绝缘子，由于电压分布更加不均匀，因此，在110kV及以上架空线路都采用均压屏蔽环。日本早在二十世纪六十年代根据电气事业联合会电力用规格A－302对招弧角实现了标准化[8]，据JEC－207－1979《架空送电用架空金具》所列，计有32种型式，280余个规格，可适用于66－154kV各级电压架空线路的导线悬垂绝缘组合串和耐张绝缘组合串[9]。图1给出了日本154kV架空线路悬垂绝缘子串的招弧角结构[8]。(a)单联(b)双联图1日本154kV架空线路悬垂绝缘子串的招弧角国外的并联间隙装置一般将绝缘子串短接较多，如日本，间隙长度与绝缘子串长的比值多数在75%～85%范围内，而根据计算，这将导致线路的雷击跳闸率比规程值提高30％以上[1]。由于我国架空线路绝缘子串长度较国外短，因此不宜照搬国外经验，而必须根据架空线路的实际情况进行设计。目前，中国电力科学研究院已经研制出适用于110kV架空线路的并联间隙装置并给出了可供用户选择的间隙参数与对应的雷击跳闸率[1]，并联间隙装置的结构图如图2所示。另外，华中科技大学林福昌等也曾对500kV大跨越工程的特高塔绝缘子串用招弧角进行了冲击试验的研究[10]。3并联间隙装置结构设计目标从架空线路并联间隙装置的保护思想来看，其功能有以下三个：（1）接闪雷电：当线路遭遇雷电冲击时，多数先在间隙处闪络，从而避免绝缘子发生沿串闪络；图2110kV架空线路并联间隙装置形状（2）转移疏导工频电弧：使雷击时少数发生在沿绝缘子串的闪络以及绝缘子串工频闪络产生的电弧，尽快沿着并联间隙电极向着远离绝缘子串的方向转移，直至将电弧疏导至电极端部稳定燃烧，从而有效保护绝缘子串；（3）均匀工频电场：在一定程度上均匀了绝缘子串两端附近的工频电场，改善了绝缘子串的电压分布。因此，并联间隙装置的结构设计也有与其功能相对应的三个目标，即遭遇雷击时尽可能多地使间隙先闪络、尽快地疏导工频电弧远离绝缘子和尽量地均匀工频电场。一般来说，对于220kV及以下电压等级来说，最关心的是前两个目标。对于并联间隙装置结构设计目标一来说，主要通过改变间隙长度与绝缘子串长的比值，利用雷电冲击放电实验确定其伏秒特性曲线，从而使间隙与绝缘子串保持良好的绝缘配合来实现，文献[1,2]中对此做了大量的试验研究。对于并联间隙装置结构设计目标二来说，主要涉及并联间隙装置的结构、电极的形状以及装置的安装方式[11]。在保证间隙长度与绝缘子串满足一定的绝缘配合时，如何优化设计并联间隙装置的结构以使其导弧性能达到最优，是结构设计的关键。下面将以110kV架空线路为例对此进行研究和分析。4110kV并联间隙装置结构设计分析文献[1]通过工频电弧试验表明，并联间隙电极流畅的形状设计有利于工频电弧的疏中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集导。在保证电极形状的流畅性的同时，上下电极的倾角对电弧运动的速度也有影响，为了分析电极倾角对电弧运动速度的影响，对于相同的电极水平长度和间隙距离，设计两种不同结构的并联间隙装置，如图3所示。结构I的上下两个电极从绝缘子串两侧开始向外延伸，一直保持水平形状，在端部向内弯折，形成间隙；结构II的上下两个电极则是从绝缘子串两侧水平向外延伸一段后，分别以和角度向内弯折，形成间隙。(a)结构I(b)结构II图3两种不同结构的并联间隙装置下面分别从磁场力和电弧运动两个方面来分别以上两种结构的并联间隙装置的导弧性能。（一）磁场力对于结构I和结构II，由于电极的倾角不同，会导致电弧所受的磁场力不同。为了方便比较，假设电弧是理想的直线型，这样电弧本身对其各段产生的磁场力为零，此时，计算得到的电弧所受磁场力皆是由外部短路电流产生的[11]。根据文献[11]介绍的架空线路并联间隙磁场力计算方法，对于两种结构的并联间隙装置，当直线型电弧处于距离电极端部同样距离的位置时，电弧所受的沿水平方向的磁场力计算结果如图4所示。从图中可以明显看出，结构I电弧所受磁场力大于结构II，特别是在电弧的两个弧根位置，前者几乎比后者大一倍。随着结构II电极倾角的增大，二者磁场力的差距更加明显。由于电弧所受磁场力决定了电弧的运动速度，因此，结构I的电弧弧根运动速度将大大超过结构II，而电弧整体的速度，前者也将大于后者。（二）电弧运动通过磁场力对两种结构的并联间隙装置的导弧性能进行了初步分析之后，可以通过仿真电弧在两种结构并联间隙装置电极上运动的情况来整体分析其导弧性能。0.00.20.40.60.81.00.00.10.20.3直线型电弧直线型电弧x1x1结构I结构II磁场力(10-3N)归一化长度结构I结构II图4两种结构并联间隙装置直线型电弧所受磁场力同样，为了便于比较，假设初始电弧仍是理想的直线型，初始位置皆在距离电极端部相同距离的位置——图3中的GH处。仿真的参数除了并联间隙装置的结构有以上的不同之外，其它所有条件都相同。利用文献[12-16]提出的架空线路工频电弧运动特性及仿真方法，对两种结构的并联间隙装置电弧的运动过程进行仿真，结果如图5所示。从结果中可以看出，结构I的电弧运动速度明显高于结构II。当t=0.20s时，结构I的下弧根已经到达并联间隙电极端部，而此时结构II的下弧根还未运动到电极长度的一半距离。结构I的上弧根在t=0.30s时到达上电极端部，而此时结构II上弧根才运动到上电极长度的一半距离处。由于下弧根对弧柱运动的影响，结构I的弧柱整体运动速度也高于结构II。因此，通过电弧运动过程仿真分析来看，结构I的并联间隙装置的导弧性能明显优于结构II。综上所述，上下电极倾角为零的并联间隙装置比上下电极有一定倾角的并联间隙装置具有更强的导弧性能。另外，由于间隙的距离没有改变，因此，其与绝缘子串的绝缘配合几乎不变，只不过均压性能可能有所降低。如果对并联间隙装置均压性能不做较多要求，并且安装形式满足要求，无疑上下电极倾角为零的并联间隙装置结构是一个相对较好的结构。中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集(a)t=0.00s(b)t=0.04s(c)t=0.08s(d)t=0.12s(e)t=0.16s(f)t=0.20s(g)t=0.3s(h)t=0.80s图5两种结构并联间隙装置电弧运动仿真过程5结论高压架空线路并联间隙防雷保护装置技术原理独特、装置结构简单、安装方便、经济性能优良，正逐渐受到我国电力工作者的青睐。由于各国架空线路绝缘配合水平和特点不同，导致并联间隙装置的功能侧重点及结构有所差异。在开发我国架空线路并联间隙装置时，不能照搬国外经验，必须结合我国国情对其结构进行合理设计。对于220kV及以下电压等级架空线路，接闪雷电和转移疏导工频电弧是并联间隙装置设计的关键。在保证间隙长度与绝缘子串满足一定的绝缘配合时，优化设计并联间隙装置导弧性能是其结构设计的关键。本文利用架空线路长间隙交流电弧运动特性和仿真分析方法，通过对两种典型不同结构的并联间隙装置的导弧性能进行分析，得出：如果安装形式满足要求，上下电极倾角为零的并联间隙装置比上下电极有一定倾角的并联间隙装置具有更强的导弧性能，是一个相对较好的结构。参考文献[1]中国电力科学研究院．110kV、220kV架空线路并联间隙防雷保护研究[R]．2003年12月．[2]陈维江，孙昭英，李国富，等．110kV和220kV架空线路并联间隙防雷保护研究[J]．电网技术，2006，30(13)：70-75．[3]吴光亚，蔡炜．DL/T812-2002《标称电压高于1000V架空线路用绝缘子串工频电弧试验方法》标准的编制说明[J]．电力标准化与计量，2002，41(3)：6-8．[4]吴盛麟．对我国输电线路工作的几点建议[J]．电网技术，1994，18(2)：49-52．[5]孙谓清，陈龙元．招弧角设计介绍[J]．电力金具，1991，(1)：1-5．[6]陈维江，孙昭英，王献丽．35kV架空送电线路防雷用并联间隙研究[J]．电网技术，2007，31(2)：61-65．[7]CurlierS．高压和超高压架空输电线路绝缘子串的保护装置采用和设计的调查分析[J]．王孟晋译．电力金具，1993，(2)：31-36．[8]日本电气学会．电工技术手册(第三卷)[M]．北京：机械工业出版社，1984．[9]陶可森．日、德、俄等国导线绝缘组合串的保护装置[J]．电力金具，1993，(2)：37-44．[10]林福昌，詹花茂，龚大卫，等．特高塔绝缘子串用招弧角的试验研究[J]．高电压技术，2003，29(2)：21-22．[11]谷山