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用绝缘子提高配电线路的防雷性能
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用绝缘子提高配电线路的防雷性能

August 7, 2015 • Columns, Transient Thoughts, 最近文章汇总

我曾经和一个绝缘子厂商朋友讨论过 IEEE 指导 手册中关于如何提高架空配电线路防雷性能标 准中修改的内容。我答应他在 P1410TM 中将详细 叙述修改的相关部分。而且我认为 INMR 的读者也 会对这些问题感兴趣,因为他们希望配电系统的绝 缘等级标准能根据不同地区的情况而有所区别
多年来工程师们一直认为,任何直击到配电网输电线上的雷电都会在无保护的绝缘子上引起闪络。对
于输电线路电压等级的绝缘而言,利用架空地线把雷电引入大地是有效的,但是对于临界闪络电压为
100kV 的配电线路则不行。 因此在变压器的防雷保 护中,要并联避雷器来保护昂贵的油纸绝缘,而绝 缘子周围的空气是自恢复绝缘,因此它们可以自己 保护自己。继电器、重合器、分段器和熔断器构成 了配电系统的防雷保护。
原 IEEE 标准 1410(1997)以及它的校订版给读者 提供了一个计算配电线路直击雷故障次数的方法。 最新修订版也保留了这种计算方法。在修订时对其 中的一个步骤进行了改进。似乎每个国家都存在不 同的雷鸣与闪电之间的关系。相对于依靠雷电观测 的方法,使用NASA 的“光学瞬态密度”测量来估算 雷闪密度的方法更好,或者在那些有地面网络的国 家读取雷电定位网络数据则更为理想。 配电线路的防雷保护工程着眼于“可预防”的闪 络,这种闪络与雷击到导线附近的地面有关。这些 导线处在雷电产生的电磁场中,在绝缘或不绝缘的 导体中感应出电流和电压。它们的大小取决于电流 源的变化率。与典型的半峰值时间为 50 微秒的雷电
波相比,这些 感应电流和感应电压值在小于 3 微秒 的短脉冲宽度内为高幅值。 在许多国家,常常配备能耐受短时冲击电压的额外 绝缘。这些国家利用木横担冲击绝缘强度高的特点 - 1米长的木横担临界闪络电压大约为 235kV。 这反 过来意味着只要将线路的冲击绝缘。 水平增加到 300kV 左右,就可以排除感应闪络问 题,例如,用一个 CFO 为105kV 的绝缘子和一个一 米的木材串联可以得到 340kV 的总电压。
在一些国家,使用木横担经验是:在雷电季节有一 些效果,在一段时期湿润之后的干燥气候(包括冬 天)时效果不好。如果瓷绝缘子表面的盐分和污染 物没有被冲洗掉,泄漏电流就会沿着绝缘子的表面 流入木材。人们采用许多方法试图阻止泄漏电流流 入木材中,大多数方法时间长后就失去效果,导致 碳化和电线杆起火。可以用分离的三相输电线,为 泄漏电流提供一条单独的入地路径,或者使用复合 绝缘子或 RTV 涂料, 从而防止电极起火。
在其他国家,配电网系统的每个绝缘子都与混凝 土杆塔或者铁塔相连接。因此让它们保持CFO为 300kV 左右的要求不容易实现。这导致用现代计算 方法来研究感应过电压,以及用雷电冲击试验来进 行验证。 通过意大利、瑞士、美国、巴西、日本做过的工 作,证明了有三种不同的方法可以准确地解决电磁 场问题,并且正确使用时三种方法的结果是相符的 一种由过度简化的理想接地导出的传统模型,它描 述准确但是在量值上会受到限制。新模型都显示了 每种电阻率与感应过电压之间的关系。例如,原有 的理想接地模型预测当 CFO 为 130kV 时,典型传输 线每 100km 每年闪络一次。如果土壤电阻率为 100 欧米时,当其他所有因素都相同时,要达到同样的 闪络次数需要 150kV 的电压。如果土壤不好,降低 接地电阻困难时,其电阻率为 1000 欧米,则 CFO 需要 250kV。 配电线路的绝缘水平与它所处的土壤条件有关的思想 初看有些奇怪,尤其是感应电压强度与中性点和接地 棒的电阻无关。我发现用配电线路高于地面的“有效 高度”的概念有助于说明问题。对于理想接地情况, 计算中可以用镜像导体代替地面的作用,镜像导体相 对于地面与相导体是对称的。如果接地不是理想的, 则导体和镜像之间距离会更远,这将在更大的一个区 域内存在电磁场能量。有效高度和地区土壤电阻率之 间的简洁关系是由澳大利亚首先提出来的。
增设避雷器来提高配电线路的防雷性能的可能性也在修改过 的标准中进行了评价。我的讨论重点在于:在使用附加元件 来增加绝缘长度或者在较低绝缘水平的绝缘子上并联避雷器 这两种方法中,我的朋友偏重于前者,因为这种方法还可以 在其他方面提高可靠性。 在弱绝缘的结构中避雷器扮演着一种角色。即使在大多数 的杆塔上增加木质绝缘或者使用长复合绝缘子,拉线的存 在或者杆塔上其他的装置可能会降低绝缘强度。每个接地 杆塔都要有避雷器的建议通常对防止感应过电压有好处。 对于如 CFO 低于 70kV 的弱绝缘线路,因为避雷器性能降 低使得行波发展,进而可能在其他地方引起问题。 新的 P1410TM 标准比以前的版本更具综合性,它在附录 中详细记录了在实际土壤中计算耦合和行波问题的数学方
法。P1410TM 修订版中给出了一个在线计算模型用于计算 提高传输线的防雷性能,根据 FLASH 工程和 IEEE1243TM 中的介绍,这种方法在以下网址中可以查到: www.ieee.org/pes-lightning 令人振奋的是,这种具有国际合作精神的探讨不仅使 P1410TM 标准的修订在技术上正确无误,并通过这种简单 可行的方式使意见达到统一。修订委员会还有许多的工作 要进行,我希望INMR 读者中的 IEEE 标准委员会成员,都 来关注投票并提出自己的观点。
Dr. William A. Chisholm

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