CN107742881B - 一种高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置 - Google Patents
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Abstract
一种高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置，它是由悬空绝缘的虚拟正极避雷线、高压电抗器、高压限流电阻器、直流避雷器、高压先导电阻器、悬式绝缘子、高压屏蔽同轴电缆构成；位于铁塔顶端的虚拟正极避雷线与铁塔悬空绝缘后与高压电抗器和高压限流电阻器串联接线，再与输电线路的正极导线相连接；所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线通过绝缘子固定于铁塔的上方顶端，并悬空与大地绝缘，呈现与正极线路等同的对地电位的电压值，所述虚拟正极避雷线同时与直流避雷器连接，高压先导电阻器与直流避雷器并联接线，高压屏蔽同轴电缆与直流避雷器并联接线，直流避雷器作为所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线的防雷接地过电压时排泄大电流的通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力工程高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置，属于高压直流架空输电线路的安全防护技术领域。
背景技术
直流输电技术从上世纪中叶在世界各地电力系统中应用以来，在远距离、大容量电力系统联网方面表现出了明显的优点，直流输电技术不仅提高了电力系统的经济指示、技术性能，而且使电力系统运行更加可靠。
随着国家电网公司和中国南方电网公司的“西电东送，南北互供，全国联网”发展战略的实施，特高压交直流输电线路的大力建设和投入运行，我国电力事业已进入高速发展期。
2010年年底，我国已建立5条直流输电线路将华中、华东电网相联接，南方电网也形成2个交直流并列输电通道，并通过一回直流输电线路与华中电网相连。直流输电技术在我国西电东送以及全国联网工程中将起到非常重要的作用。
从目前我国电网的建设和预期发展来看，线路传输距离远，且由于我国地形特点，输电线路必将经过大量复杂气候环境的地区，在这些地区中，输电线路将面临雷击、覆冰，污秽等多种因素的考验。尤其是雷电灾害。统计表明，雷击线路是造成线路故障的主要原因。我国直流输电线路主要以±500kV等级为主，自1989年建设第一条葛洲坝-南桥±500kV直流输电工程至今，先后共建设了7条±500kV直流线路。国家电网公司对±500kV直流线路雷击闪络率统计情况见表一。
表一、国家电网公司±500kV直流线路雷电闪络(2004～2007)
为了表明直流输电线路雷击闪络的特点，表二给出了国内雷电活动较强烈的广东地区直流线路的雷击统计数据。
从表二数据可见，我国±500kV线路的雷击闪络率明显高于交流500kV线路雷击跳闸率。由表中数据可见，正极性导线雷击事故占据了87.5％，这是因为我国的雷电以负极性雷居多(约占90％)。
表二广州直流线路雷击闪络率统计表
现有直流架空线路的防雷措施：现有技术通常是与交流高压架空线路一样，在铁塔的顶端架设二根接地的避雷线装置。
目前对高压直流线路的防雷防护措施有：1)减少发生雷击线路的绕击闪络率，主要而有效的措施是减小避雷线保护角。由于高压直流线路只有两根线，若避雷线采用负保护角，不会因2根避雷线的距离拉大而产生中相绕击问题，这一点与单回交流线路不同，因此通常高压直流线路避雷线尽可能采用小的保护角。2)减少发生雷击线路反击闪络率，主要措施是增加线路绝缘和减小杆塔接地电阻。
直流线路防雷保护的具体要求为：超高压直流架空线路的大气过电压造成的危害，同时鉴于在系统中的重要性，对全程线路仍以全线架设地线。由于直流输电线路由于导线只有正负两极，故两极呈水平排列，两避雷线亦采用水平排列。要求杆塔上两根地线之间距离不应超过地线与导线间垂直距离的5倍，地线对导线的保护角，双地线一般采用15°左右。
通常设计手册中高压直流输电工程采取了以下防雷方案：
一般线路段采用双地线，在山地地线的保护角控制在-10℃，在乎地地线对外侧导线的保护角控制在10°。地线全线直接接地，两根地线间的水平距离不超过地线与导线间垂直距离的5倍。避雷线与铁塔均为逐基接地，接地电阻值满足设计要求。铁塔采用四点引下线接地，接地装置均采用圆钢。
根据运行部门的统计情况，如向家坝-上海±800kV特高压直流输电工程(线路全长为1907km)，投运的第一年发生雷击闪络2次，雷击闪络率为0.105次/(100km·年)；锦屏-苏南±800kV特高压直流输电工程(线路全长为2090km)，平均每年雷击闪络2次，雷击闪络率为0.095次/(100km·年)。雷击闪络率运行数据均在0.1次/(100km·年)左右。
从我国±500kV运行经验可知，正极性导线容易发生雷击闪络，这是因我国雷电大多为负极性，约占90％，这也说明直流工作电压对雷电绕击是有很大影响，特别是对于特高压直流输电线路。由于直流工作电压高，其影响因素更加明显，故对于导线的击距还需考虑其上的工作电压值。且根据初步判定，雷击闪络事故均为发生在正极极线上的绕击闪络，从已有的运行经验来看。特高压直流线路中的正极性导线“引雷”效果明显，比负极性导线更易于发生雷击。
关于大气物理学的雷电理论描述：
雷电就是发生在雷雨云中的电学现象，也只有雷雨云才可能产生雷电。
闪电是指积雨云中不同符号荷电中心之间的放电过程，或云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程，或云中荷电中心与云外大气不同符号大气体电荷中心之间的放电过程。
根据闪电部位可分成云闪和地闪两大类，其中：
(1)云闪：是指不与大地和地物发生接触闪电。它包括云内闪电、云际闪电和云空闪电。
云内闪电是指云内不同符号荷电中心之间的放电过程；
云际闪电是指两块云中不同符号荷电中心之间的放电过程。
(2)地闪：是指云内荷电中心与大地和地物之间的放电过程，亦指与大地和地物发生接触的闪电。
雷电研究科学工作者的测试结果表明，大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正电荷向大地放电。
同时观测发现，大气中放电的云闪数大于地闪，云闪占全部闪电的三分之二以上。为什么直流正极线路的雷击概率大于交流线路呢？本文分析：因为大部份(90％)是负极性雷，由云层的负极性电荷极易与导线的正极发生以正负电荷放电的云闪现象，它是一种人为方式的直接的“云闪”，这就是直流输电线路的雷击跳闸率高于交流输电线路雷击跳闸率的原因所在。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成合理、简单，使用方便、可靠，能有效的防止雷击，保障电力工程的高压直流架空输电线路安全运行的高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置，它是由悬空绝缘的虚拟正极避雷线、高压电抗器、高压限流电阻器、直流避雷器、高压先导电阻器、悬式绝缘子、高压屏蔽同轴电缆构成；所述位于直流架空输电线路正极上方、即位于铁塔顶端的虚拟正极避雷线与铁塔悬空绝缘后与高压电抗器和高压限流电阻器串联接线，再与高压直流输电线路的正极导线相连接；
所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线通过绝缘子固定于铁塔的上方顶端，并悬空与大地绝缘，呈现与正极线路等同的对地电位的电压值，所述虚拟正极避雷线同时与直流避雷器连接，高压先导电阻器与直流避雷器并联接线，高压屏蔽同轴电缆的芯导体与直流避雷器并联接线，直流避雷器作为所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线的防雷接地过电压时排泄大电流的通道。
作为优选：所述的防雷装置在高压直流架空输电线路中布置的间隔距离为50～100公里为一个单元组；所述的高压电抗器为铁芯式多匝数绕组的电抗器；所述的高压限流电阻器和高压先导电阻器均为水泥式或者陶瓷式高压电阻器；所述的悬式绝缘子为XP-70型的通用型户外绝缘子或是棒型支柱式绝缘子；选用耐压等级与输电线路中的电压等级相匹配；所述的高压屏蔽同轴电缆为具有双导体结构的高压电缆，耐压水平与输电线路电压等级相匹配，电缆线内导体层的芯线首端与悬空绝缘的虚拟正极避雷线连接，电缆线的尾端悬空绝缘，由棒式支柱型绝缘子支撑固定，电缆线的外层屏蔽导体与大地接地极连接。
本发明属于对现有技术的改造，具有结构组成合理、简单，使用方便、可靠，能有效的防止雷击，保障电力工程的高压直流架空输电线路安全运行等特点。
附图说明
图1为直流输电线路传统式未经改造的避雷线BL结构示意图。
图2为直流输电线路“虚拟正极”诱导式避雷线改造示意图。
图3为高压直流输电系统中“虚拟正极”诱导式防雷体系结构示意图。
图4为直流输电线路传统避雷线体系俯视图。
图5为直流输电线路正极性导线上方避雷线改造示意图。
图6为直流输电线路虚拟正极避雷线改造剖面示意图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图2—6所示，本发明所述的一种高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置，它是由悬空绝缘的虚拟正极避雷线BL、高压电抗器DK、高压限流电阻器R1、直流避雷器FZ、高压先导电阻器R2、悬式(支柱式)绝缘子JY、高压屏蔽同轴电缆L构成；所述位于直流架空输电线路正极(又称I极)上方、即位于铁塔顶端的虚拟正极避雷线BL(又称之为1#避雷线BL1)与铁塔悬空绝缘后与高压电抗器线圈DK和高压限流电阻器R1串联接线，再与高压直流输电线路的正极导线相连接；
所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线BL通过绝缘子JY固定于铁塔的上方顶端，并悬空与大地绝缘，呈现与正极线路等同的对地电位的电压值，所述虚拟正极避雷线BL同时与直流避雷器FZ连接，高压先导电阻器R2与直流避雷器FZ并联接线，高压屏蔽同轴电缆L的芯导体与直流避雷器FZ并联接线，直流避雷器FZ作为所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线BL1的防雷接地过电压时排泄大电流的通道。
图中所示，所述的防雷装置在高压直流架空输电线路中布置的间隔距离为50～100公里为一个单元组；所述的高压电抗器DK为铁芯式多匝数绕组的电抗器；所述的高压限流电阻器R1，高压先导电阻器R2均为水泥式或者陶瓷式高压电阻器；所述的悬式绝缘子JY为XP-70型的通用型户外绝缘子或是棒型支柱式绝缘子；选用耐压等级与输电线路中的电压等级相匹配；所述的高压屏蔽同轴电缆L为具有双导体结构的高压电缆，耐压水平与输电线路电压等级相匹配，电缆线内导体层的芯线首端与悬空绝缘的虚拟正极避雷线BL连接，电缆线的尾端悬空绝缘，由棒式支柱型绝缘子支撑固定，电缆线的外层屏蔽导体与大地接地极连接。
本发明的原理性说明：现有技术的高压直流架空输电线路容易遭受雷击，主要是在带有正(+)极称I极的输电线路上，占据了90％以上的雷击概率，究其大气物理学上的原因，是负极性雷电的概率较高，同时，也可以认为当杆塔足够高度时，在正极上所发生的闪电未必是地闪引起的，而极有可能是以“半云闪”的方式发生闪电。即正极线路的“+”与“－”电荷的带电云团直接发生闪络放电的“半云闪”的过程，这样才会导致正极线路故障特别高(达90％)的原因所在。
本发明将位于正极线路上方的传统避雷线进行改造，首先将原避雷线在铁塔上直接接地的连线端进行拆除，并通过悬式绝缘子JY与铁塔固定连接的方法，这样使得避雷线BL得以与大地悬空并绝缘，再通过高压电抗器DK和高压限流电阻器R1串联后与正极线路I极连接，其电气回路中的实质是使避雷线BL与正极线路导电位，并在正极线路的上方，这样，由于避雷线BL比导线高，雷云中的负电荷更容易接近具有虚拟正极的避雷线BL，通过本装置以“半云闪”的方式提前进行闪络放电，从而保护正极输电线路免予遭受负极性雷电的放电，而进行的一种新型防雷方法。
1、本发明设置高压电抗器线圈DK的目的是当遭受雷击时，由于雷电波是一种高频率的脉冲电流，其频率f＝100KZ～1MHZ左右。因此，使用电抗器由电感器原理：XL＝2πfL，当f足够大时，所呈现的电抗值变得很大，因而电抗器可以有效地阻挡雷电波的前进，以保护“正极”输电线路I极的安全。但对于直流电，它却是导通的，因此可以将电引导至避雷线BL-(1)上面。
2、高压限流电阻器R1的设置是为了当避雷线BL遭受地闪情况下的雷击时，由于避雷器FZ动作，这样，有可能使正极线路与大地直接短路的故障危险，为减少和控制直流系统的短路电流而设置了高压限流电阻器电阻器R1，其阻抗值按控制的直流系统安全短路电流值来设计阻抗值。
3、连接于虚拟正极避雷线BL与大地间的高阻抗的高压先导电阻器R2的作用是使地线具有大地电荷的先导作用，由于避雷线BL处于悬空状态，当发生地闪型雷击时，避雷线BL先导能力下降，并联上高压先导电阻器R2后，可以提高地线与地闪雷击的先导作用而保护正极线路免遭雷击的作用。
4、使用在避雷器FZ上并联高压屏蔽电缆线L的目的是为雷电流提供一个高频的通道。其原理为当电缆线的电容量大于0.01μf时，其雷电波的主高频脉冲为1MHZ时，电缆线的容抗值/>Xc容抗大大下降了，说明利用该电缆可吸收雷电脉冲波的高频分量。
在本方案中，架空直流输电线路的负极性导线上方的避雷线装置维持地线进行直接接地方式的原状态是不加以改造的。
实施例：本发明是通过将位于直流架空输电线路“正”极导线上方、原来逐塔接地的避雷线BL进行拆除，与铁塔的接地连线通过悬式绝缘子JY进行悬空后，再由高压电抗器DK、高压限流电阻器R1串接后，桥接至“正极”的输电导线上。同时，避雷线BL通过避雷器FZ与高压先导电阻器R2并联后与大地(铁塔)进行连接的方式，以此作为一个单元组接线，在很长的输电线路中，每间隔50～150KM，设置这样一个单元的设备装置。
具体设备的选型如下：
1、高压电抗器DK，按雷击电压为1000kV时，涌入直流正极导线的电流后超过100A的水平计算电抗器的电抗值XL
电感量XL＝2πfL(电抗感抗公式)
若取雷电流频率为5KHZ时，10000Ω＝2π×5000L，亨，所设计的电抗器电感值为L＝0.15亨利的值，以线径不小于4mm2的漆包线绕制。按电抗器设计原理，取电抗器直径为DPJ＝60cm时，匝数N取500匝。生产厂家为沈阳变压器厂。
2、高压限流电阻器R1的选择：设置该电阻的目的是当避雷线BL遭受雷击时，产生高电位，会使避雷器FZ导通，而对于直流输电线路来说，当“正极”导线与大地连通时，则相当于输电线路处于短路的状态，因为直流输电系统中，其中一根导线是以大地作为导体来使用的，因此，当避雷器FZ动作后，必须要控制直流系统的短路电流值ID，而电抗器DK对于直流而言相当于是一个通路，没有明显的阻抗作用。因此，必须使用限流电阻器R1来充当控制短路电流值。假设为该直流系统电压为500kV等级，短路电流控制在100A的水平，则电阻
选择限流电阻R1的电阻值为5kΩ，采用大功率的水泥耐热陶瓷高压电阻器，厂家为深圳国华电子有限公司。
3、引雷先导电阻器R2的选择
由于正极上方的避雷线BL被架空后，将会影响地闪雷击的上行先导作用，因此有必要使该避雷器与大地有一个弱电荷的连接通道，但是由于避雷线BL平时运行的电位高达直流额定电压值Ue，为使损耗值降低，取该电阻值平时的功率损耗值为1000瓦左右时，由此，取电阻值为高压高阻的先导电阻器。电阻器亦选用水泥陶瓷电阻，厂家为深圳国华电子有限公司。
4、直流避雷器FZ的选择
对应的直流输电线路选择相匹配的电压等级的直流专用避雷器装置，本例中以±500kV线路为例，所选避雷器为型号YH20CXL-571/1200，生产厂家：国网电科院武汉南瑞有限公司。
5、绝缘子的选择(悬挂式与棒型支柱式)
由于将直流输电线路中的正极导线上空的避雷线BL悬空绝缘了，固定该绝缘装置的XP-70的悬式绝缘子，并根据线路的电压等级来确定串联的绝缘子的片数，对±500kV通常使用XP-70的悬式绝缘子25～30片串联叠加的安装方式，对棒型支柱式绝缘子选用ZSW1-500/14K-3,生产厂家均为西安电瓷厂。
6、高压屏蔽同轴电缆L选用耐压水平在±500kV电压的交联聚乙烯同轴电缆，要求绝缘层厚度大于30mm，波阻抗值小于20Ω的同轴电缆线。其作用为吸收避雷器FZ的雷电高频脉冲分量，为达到好的吸收效果，要求该屏蔽电缆的长度大于100M，可以两根并联的方式安装于从塔顶至地面挂接，其中内芯层上端与悬空的地线BL连接，下端悬空呈绝缘状态，,并且以棒型支柱式绝缘子JY-6-1作固定。电缆线的外层导体，与接地极连接，其目的是利用同轴电缆线的二个导体之间的电容层所形成的耐高压电容效应来吸收雷电高频脉冲波的能量。电缆线选用厂家：山东鲁能电缆厂生产的交联330kV～500kV的高压单芯绝缘电缆。
Claims (2)
1.一种高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置，它是由悬空绝缘的虚拟正极避雷线(BL)、高压电抗器(DK)、高压限流电阻器(R1)、直流避雷器(FZ)、高压先导电阻器(R2)、悬式绝缘子(JY)、高压屏蔽同轴电缆（L）构成；其特征在于所述直流架空输电线路正极上方、即位于铁塔顶端的虚拟正极避雷线(BL)与铁塔悬空绝缘后与高压电抗器(DK)和高压限流电阻器(R1)串联接线，再与高压直流输电线路的正极导线相连接；
所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线(BL)通过绝缘子(JY)固定于铁塔的上方顶端，并悬空与大地绝缘，呈现与正极线路等同的对地电位的电压值，所述虚拟正极避雷线(BL)同时与直流避雷器(FZ)连接，高压先导电阻器(R2)与直流避雷器(FZ)并联接线，高压屏蔽同轴电缆(L)的芯导体与直流避雷器(FZ)并联接线，直流避雷器(FZ)作为所述悬空绝缘的虚拟正极避雷线(BL)的防雷接地过电压时排泄大电流的通道。
2.根据权利要求1所述的高压直流架空输电线路上虚拟正极诱导式避雷线防雷装置，其特征在于所述的防雷装置在高压直流架空输电线路中布置的间隔距离为50～100公里为一个单元组；所述的高压电抗器(DK)为铁芯式多匝数绕组的电抗器；所述的高压限流电阻器(R1)和高压先导电阻器(R2)均为水泥式或者陶瓷式高压电阻器；所述的悬式绝缘子(JY)为XP-70型的通用型户外绝缘子或是棒型支柱式绝缘子；选用耐压等级与输电线路中的电压等级相匹配；所述的高压屏蔽同轴电缆(L)为具有双导体结构的高压电缆，耐压水平与输电线路电压等级相匹配，电缆线内导体层的芯线首端与悬空绝缘的虚拟正极避雷线(BL)连接，电缆线的尾端悬空绝缘，由棒式支柱型绝缘子支撑固定，电缆线的外层屏蔽导体与大地接地极连接。
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