CN111431129B - 无避雷线输电线路 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种无避雷线输电线路，通过取消易覆冰避雷线并加装大容量防雷防冰闪合成绝缘子同时增强输电线路防雷防冰性能。无避雷线输电线路，包括防雷防冰绝缘子、杆塔、导线以及通信介质，其中防雷防冰绝缘子通流能力高于传统避雷器，用于悬挂导线的同时，可以导通雷电流至杆塔；杆塔，采用自然接地的方式，用于将雷电流导入地面。该无避雷线输电线路方案解决了传统线路易发生避雷线覆冰断线的问题，在提升输电线路防雷防冰性能的同时，降低了输电线路建设成本，提升了输电线路经济性与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电力传输领域，具体涉及一种无避雷线输电线路。
背景技术
随着电力建设的迅速发展，电网覆盖的区域越来越广，输电线路经常需要架设到一些地形复杂的山区，而这些区域往往同时存在冬季寒冷易覆冰、春夏季雷电多发的气候现象。在上述地理环境特殊的地区，当遭遇恶劣天气时，输电线路极易发生覆冰闪络或雷击闪络而引发跳闸停电事故，严重威胁大电网安全稳定运行。
输电线路中，避雷线用于防止过大的雷电流直接击中导线，起到防雷作用，但现有输电线路避雷线仍无法有效防治绕击雷，每年雷击造成的跳闸占电网故障次数的50％以上。与此同时，由于避雷线位于导线上方，且不存在工频运行电流，使得避雷线冬季覆冰更加严重，极易发生覆冰引起的避雷线断线或相间短路事故，引发电力系统跳闸停电。2008年南方雨雪冰冻灾害中，以湖南省电力公司为例，多条输电线路因覆冰导致导线与避雷线间距小于其电气绝缘距离而跳闸；500kV输电线路发生避雷线断线35条，220kV输电线路避雷线断线83条，110kV输电线路避雷线断线22条。2008年以后，尽管未出现大范围的冰冻灾害，但避雷线覆冰断线事故仍然频繁发生，给电网的安全运行造成了严重影响。
现有技术中，通常采用直流融冰法进行导线融冰。然而，由于避雷线采用逐基杆塔接地的方式，其融冰方法与常规的导线融冰存在明显的差异，融冰技术难度大，融冰成本高。取消避雷线可以有效提升输电线路防冰能力。然而，取消避雷线后输电线路防雷性能大幅降低。因此有必要提升无避雷线输电线路的防雷能力。现有输电线路防雷措施中，除采用架设耦合地线、降低杆塔接地电阻等传统方法外，还可以在易遭受雷击的输电线路杆塔上加装线路避雷器，以提高该处的电网防雷性能。但是，由于避雷器与绝缘子并联安装，需要在杆塔上额外增加外挂点，施工量大，经济性差，绝缘配合复杂，国内曾多次出现因安装和改造困难而取消采用线路避雷器防雷击闪络方法的案例；与此同时，现有避雷器通流能力不足，遭受雷电直击易损坏，无法应用于无避雷线输电线路。
基于此，迫切需要提出无避雷线输电线路防雷防冰技术方案，有效解决高寒山区输电线路防雷与防冰技术难题。
发明内容
本发明实施例提供了一种无避雷线输电线路，解决了相关技术中高寒山区输电线路中避雷线覆冰断线与雷击故障的难题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种无避雷线输电线路，包括防雷防冰绝缘子、杆塔、导线以及通信介质，所述绝缘子的下端用于悬挂导线和通信介质，所述绝缘子的上端用于连接杆塔；所述绝缘子用于连接所述导线与杆塔，所述杆塔用于支撑导线以及通信介质的重量，同时将雷电流导入地面；所述绝缘子包括防雷段、绝缘段和穿心芯棒；所述穿心芯棒贯穿所述防雷段和绝缘段，用于连接杆塔并悬挂导线以及通信介质；
所述防雷段的一端与绝缘的一端串联，所述防雷段的另一端悬挂于杆塔，所述绝缘段的另一端悬挂导线；
所述绝缘段包括一对均压环和绝缘伞裙，所述一对均压环套装于所述穿心芯棒上并位于绝缘段的两端，用于构成防雷段串联间隙；所述绝缘伞裙套装于所述穿心芯棒上，用于防止外绝缘闪络；
所述防雷段包括氧化锌电阻片和一对金具；所述氧化锌电阻片套装于穿心芯棒上，所述一对金具为位于所述防雷段两端的两个弯折的金属电极，每一个所述金属电极的一端通过压接固定在所述穿心芯棒上，另一端为球形结构的电极，两个所述电极之间构成并联保护间隙；所述氧化锌电阻片是具有高电位梯度与高通流能力的环形氧化锌电阻片，优选的，氧化锌电阻片电位梯度不小于300V/mm，4/10μs，通流能力不小于300kA。
在本发明实施例中的防雷防冰绝缘子，保证绝缘的同时导通雷电流至所述杆塔，其通流能力高于传统避雷器，可以耐受雷电直击，保证无避雷线输电线路雷击跳闸率小于相同电压等级的有地线输电线路。
在本发明实施例中，在输电线路中取消避雷线并加装防雷防冰绝缘子的输电线路防雷防冰方案，建立无避雷线输电线路防雷防冰绝缘子参数性能计算模型，设计了无避雷线杆塔结构与传统OPGW通信替代方法。突破高寒山区输电线路防雷防冰技术瓶颈，彻底解决了避雷线覆冰断线与雷击故障难题，同时提升了输电线路防雷和防冰性能，大幅降低了线路建设成本，增强了电力系统可靠性与经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种输电线路的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种无避雷线输电线路的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种防雷防冰绝缘子的示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种防雷防冰绝缘子的示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种防雷防冰绝缘子的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种杆塔传统接地结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种杆塔自然接地结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
在相关技术中，如图1所示，传统输电线路中都存在避雷线，通过设置避雷线支架来支撑避雷线，而设置避雷线无法应对高寒地区输电线路中避雷线覆冰断线难题。
为了解决上述技术问题，根据本发明实施例，提供了一种无避雷线输电线路，如图2所示，该输电线路包括防雷防冰绝缘子100、杆塔200、导线300以及通信介质(图上未示出)，其中：防雷防冰绝缘子100，其下端用于悬挂导线300和通信介质，其上端用于连接杆塔200，从而导通雷电流至杆塔200；杆塔200，用于支撑导线300与绝缘子100重量，同时将雷电流导入地面；输电线路的通信介质包括以下之一：全介质自承式光缆ADSS或光纤复合相线OPPC。在具体的应用场景中，电力通信用于传输电力调度，继电保护，设备状态等电力信息。现有技术中高压线路多采用OPGW通信光缆作为通信介质，在本实施例取消避雷线后，将OPGW更换为ADSS或OPPC，ADSS安装于输电导线下方，OPPC光缆安装于导线中，用于取消避雷线后的输电线路信号传输。
在本实施例中，通过在输电线路中设置了防雷防冰绝缘子，而取消了相关技术中的避雷线，因此可以良好的应对高寒地区的相应的环境问题。而在具体的应用中，通过防雷防冰绝缘子支撑导线，杆塔承载导线的重力，防雷防冰绝缘子将雷电流导通至杆塔，杆塔将雷电流导入地面，可以有效地防止雷电对输电线路的损害。
可选的，如图3所示在本实施例中，防雷防冰绝缘子100包括防雷段10、绝缘段20和穿心芯棒30。穿心芯棒30贯穿防雷段10和绝缘段20，其下端用于悬挂导线300。绝缘段20包括一对均压环202和绝缘伞裙204，均压环202位于绝缘段20的两端，用于构成防雷段10串联间隙。防雷段10中安装有氧化锌电阻片102，用于雷击时吸收雷电流。
具体地，防雷段10与绝缘段20串联，防雷段10的上端悬挂于杆塔200，用于悬挂导线300。防雷段10和绝缘段20中贯穿有圆柱形穿心芯棒30，芯棒30由环氧树脂制成，保证绝缘的同时用于承受导线拉力。
当雷电流作用于导线300时，绝缘段20两端被电弧击穿，雷电流沿防雷段10内部氧化锌电阻片102进入大地，雷电流衰减后，氧化锌电阻片102与绝缘段20间隙配合熄灭工频续流电弧，保证线路正常稳定运行。
可选地，在本实施例中，防雷段10包括氧化锌电阻片102和金具104，其中氧化锌电阻片102，套装于穿心芯棒30上；金具104为两个弯折的金属电极，电极一端通过压接固定在环氧树脂芯棒30上，另一端为球形结构，两球形电极之间构成保护间隙。
防雷段内部套装有的环形电阻可以是具有高电位梯度与高通流能力氧化锌电阻片，优选的，氧化锌电阻片电位梯度不小于300V/mm，4/10μs通流能力不小于300kA，而防雷防冰绝缘子结构的高度可以根据实际窗口尺寸进行设置，能在雷电流衰减后熄灭工频续流电弧。
防雷段10两端金具104并联成防雷保护间隙，当雷电流幅值过大时，雷电流在氧化锌电阻片102两端产生的残压超过保护间隙击穿电压，防雷保护间隙被雷电击穿，雷电流经防雷保护间隙以及绝缘段20流入杆塔与大地，防止雷电流过大导致氧化锌电阻片102损坏。
可选地，在本实施例中，绝缘段20包括均压环202和绝缘伞裙204，其中均压环202位于绝缘段20的两端，用于构成防雷段10串联间隙。在实际的应用场景中，当雷击发生时，绝缘段20两端的均压环构成的防雷段10串联间隙被击穿，雷电流经防雷段10流入大地。在防雷防冰绝缘子外表面包裹有硅橡胶伞裙204，用于防止外绝缘闪络。
防雷段10一端与绝缘段10连接，另一端悬挂于杆塔200。通过对防雷段10以及绝缘段20的串联，实现了绝缘子避雷器一体化的技术效果，进而同时解决了避雷线覆冰与避雷器防雷安装困难，经济性差的问题。
进一步可选的，如图4所示的另一实施例中，防雷防冰绝缘子100包括防雷段10、绝缘段20和穿心芯棒30。防雷段10的结构与图3中实施例相同，但是不同的是防雷段10连接的绝缘段20包括两段并联的部分，这两个并联部分的每一个的结构与图3中的单个绝缘段20相同。穿心芯棒30为倒Y字型，且贯穿防雷段10和绝缘段20的两个并联部分，倒Y字型穿心芯棒30的两个下端用于悬挂导线300。优选的，倒Y字型穿心芯棒30的下半部分与导线300构成等腰三角形。进一步的，绝缘段20可以包括两段以上的并联部分，且每一个并联部分的结构与图3中的单个绝缘段20相同。
进一步可选的，如图5所示的再一实施例中，防雷防冰绝缘子100包括防雷段10、绝缘段20和穿心芯棒30。绝缘段20的结构与图3中实施例相同，但是不同的是绝缘段20连接的防雷段10包括两段并联的部分，这两个并联部分的每一个的结构与图3中的单个防雷段10相同。穿心芯棒30为Y字型，且贯穿防雷段10的两个并联部分和绝缘段20，Y字型穿心芯棒30的两个上端悬挂于杆塔300。优选的，Y字型穿心芯棒30的上半部分与悬挂的杆塔200水平部分构成等腰三角形。进一步的，防雷段10可以包括两段以上的并联部分，且每一个并联部分的结构与图3中的单个防雷段10相同。
防雷防冰绝缘子中的防雷段可以视为是传统意义上的避雷器，为保证防雷防冰绝缘子可以有效进行雷电防护，必须具备足够的能量吸收能力，防雷段通流能力由线路走廊雷电活动特性、杆塔结构、接地电阻等参数共同决定。假设无避雷线输电线路耐雷水平为I0，则防雷段的避雷器通流能力由下式计算：
上式中，i(t)为防雷段标准冲击大电流通流能力，其波头/波尾时间分别为4/10μs；u(t)表示大电流作用下对应的防雷段残压；i0(t)为流过防雷段的雷电流，波形取标准雷电波，其波头/波尾时间分别为2.6/50μs，幅值为I0*a，a为雷击导线时进入防雷段的雷电流分流系数；u0(t)为i0(t)作用下防雷段两端残压；T表示雷电流作用时间。
在仿真软件中建立包含防雷防冰绝缘子的无避雷线输电线路电磁暂态仿真模型，在仿真结果中，计算得到了防雷防冰绝缘子通流能力与雷击跳闸率的关系，仿真中杆塔采用多波阻抗模型，接地电阻取5欧姆。雷电流采用2.6/50μS的标准雷电流波形。雷电击中中央杆塔防雷防冰绝缘子正下方时，单个防雷防冰绝缘子承受的雷电流最大。在具体的应用场景中，取多雷地区落雷密度3.1次/km2.a，雷电流幅值概率P如式(2)所示，其中I为雷电流幅值：
得到防雷防冰绝缘子通流能力与雷击跳闸率关系如表1所示，考虑到多重雷过程，根据实际应用中不同电压等级的防雷需求选择对应的防雷防冰绝缘子通流能力。
表1通流能力与雷击跳闸率对应关系
不同电压等级输电线路与防雷防冰闪合成绝缘子通流能力对应关系如表2所示。
表2不同电压等级防雷防冰闪合成绝缘子通流能力参数
| 电压等级 | 110kV | 220kV | 500kV | 1000kV |
| 4/10μs冲击通流 | 150-175kA | 175-400kA | 400-500kA | ≥500kA |
| 2ms方波通流 | 1000-1500A | 1500-2000A | 2000-3000A | ≥3000A |
现有技术中是根据雷击过电压超出绝缘子闪络电压时确定发生击穿事故，而本实施例是根据流过防雷段的能量超出防雷防冰闪合成绝缘子能量耐受能力时确定发生跳闸事故，也就是根据雷电分布特性计算输电线路的雷击跳闸率与通流能力之间的对应关系。
可选的，在本实施例中，防雷防冰绝缘子防雷段并联保护间隙，电极距离由下式确定：
上式中，i(t)为雷电流，u代表雷电流作用下防雷段两端过电压，A，B，C为常数，通过测试获得氧化锌电阻片的伏安特性曲线，并拟合得到；d代表防雷段并联保护间隙之间的距离，M，N为常数，通过测试获得不同距离d下金具104球-球电极之间的雷电放电电压，并拟合得到；其中J表示考虑湿度，降雨等因素后的放电电压偏差，J的取值范围为0.9-1.1之间。
与现有技术不同，本实施例在计算间隙的击穿电压时，考虑了降雨、湿度的影响，例如当空气湿度为100％时，相对于70％-80％湿度时，击穿电压升高1.1倍(J取1.1)；降雨条件下，击穿电压降低为原来的0.9倍(J取0.9)。
对于无避雷线输电线路，接地电阻在5Ω-3000Ω之间不断增加时，随着接地电阻上升，输电线路防雷性能不断提高。图6为本发明实施例提供的一种杆塔传统接地结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种杆塔自然接地结构示意图。图6和图7中，实线表示金属杆塔，虚线表示地平面，地平面下方为杆塔接地体。可选地，在本实施例中，对杆塔结构进行了改进，取消避雷线前后杆塔接地电极，对比关系如图6和图7所示。其中由图7可知，取消地线后的杆塔采用自然接地方式，无需单独的接地体结构，同时无需土壤降阻措施，增加了输电线路雷击防雷性能的同时，降低了输电线路建设成本。
可选地，在本实施例中，输电线路不设置避雷线。在具体的应用场景中，例如在相关技术中，避雷线支架是杆塔受力的薄弱点，对于本实施例中无避雷线输电线路中的杆塔，可以取消对应的避雷线支架，防止在重覆冰下避雷线支架发生断裂。
通过本发明实施例，在输电线路中取消避雷线并加装防雷防冰绝缘子的输电线路防雷防冰方案，建立无避雷线输电线路防雷防冰绝缘子参数性能计算模型，设计了无避雷线杆塔结构与传统OPGW通信替代方法。突破高寒山区输电线路防雷防冰技术瓶颈，彻底解决了避雷线覆冰断线与雷击故障难题，同时提升了输电线路防雷和防冰性能，大幅降低了线路建设成本，增强了电力系统可靠性与经济性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种无避雷线输电线路，包括防雷防冰绝缘子(100)、杆塔(200)、导线(300)以及通信介质，所述绝缘子(100)的下端用于悬挂导线(300)和通信介质，所述绝缘子(100)的上端用于连接杆塔(200)；所述绝缘子(100)用于连接所述导线(300)与杆塔(200)，所述杆塔(200)用于支撑导线(300)以及通信介质的重量，同时将雷电流导入地面，其特征在于：所述绝缘子(100)包括防雷段(10)、绝缘段(20)和穿心芯棒(30)；所述穿心芯棒(30)贯穿所述防雷段(10)和绝缘段(20)，用于连接杆塔(200)并悬挂导线(300)以及通信介质；
所述防雷段(10)的一端与绝缘段(20)的一端串联，所述防雷段(10)的另一端悬挂于杆塔(200)，所述绝缘段(20)的另一端悬挂导线(300)；
所述绝缘段(20)包括绝缘伞裙(204)和一对均压环(202)，所述一对均压环(202)套装于所述穿心芯棒(30)上并位于绝缘段(20)的两端，用于构成防雷段串联间隙；所述绝缘伞裙(204)套装于所述穿心芯棒上，用于防止外绝缘闪络；所述防雷段(10)包括氧化锌电阻片(102)和一对金具(104)；所述氧化锌电阻片(102)套装于穿心芯棒(30)上，所述一对金具(104)为位于所述防雷段(10)两端的两个弯折的金属电极，每一个所述金属电极的一端通过压接固定在所述穿心芯棒(30)上，另一端为球形结构的电极，两个所述电极之间构成并联保护间隙；所述氧化锌电阻片电位梯度不小于300V/mm，4/10μs通流能力不小于300kA；
构成所述防雷段的并联保护间隙的两个球形电极之间的距离由下式确定：
其中，i(t)为雷电流，u代表雷电流作用下防雷段两端过电压，A，B，C为常数，通过测试、拟合得到获得氧化锌电阻片的伏安特性曲线；d代表防雷段并联保护间隙之间的距离；M，N为常数，通过测试、拟合得到不同距离d下所述一对金具(104)的球-球电极之间的雷电放电电压；J表示放电电压偏差，J的取值范围为0.9-1.1之间；
无避雷线输电线路不设置架空避雷线以及避雷线支架。
2.根据权利要求1所述的无避雷线输电线路,其特征在于，所述绝缘段(20)包括至少两段并联的部分，其中每一个部分都包括绝缘伞裙(204)和一对均压环(202)，所述一对均压环(202)套装于所述穿心芯棒(30)上并位于每个并联部分的两端，用于构成防雷段串联间隙；所述绝缘伞裙(204)套装于所述穿心芯棒上，用于防止外绝缘闪络；
所述穿心芯棒(30)为倒Y字型，且贯穿所述防雷段(10)和所述绝缘段(20)的两段并联的部分，所述倒Y字型穿心芯棒(30)的两个下端用于悬挂导线(300)。
3.根据权利要求2所述的无避雷线输电线路,其特征在于，倒Y字型穿心芯棒(30)的下半部分与导线(300)构成等腰三角形。
4.根据权利要求1所述的无避雷线输电线路,其特征在于，
所述防雷段(10)包括至少两段并联的部分，其中每一个部分都包括氧化锌电阻片(102)和一对金具(104)；所述氧化锌电阻片(102)套装于穿心芯棒(30)上，所述一对金具(104)为位于所述防雷段(10)两端的两个弯折的金属电极，每一个所述金属电极的一端通过压接固定在所述穿心芯棒(30)上，另一端为球形结构的电极，两个所述电极之间构成并联保护间隙；
所述穿心芯棒(30)为Y字型，且贯穿所述防雷段(10)的两个并联部分和所述绝缘段(20)，所述Y字型穿心芯棒(30)的两个上端悬挂于杆塔(200)。
5.根据权利要求4所述的无避雷线输电线路,其特征在于，Y字型穿心芯棒(30)的上半部分与悬挂的杆塔(200)水平部分构成等腰三角形。
6.根据权利要求1所述的无避雷线输电线路,其特征在于，所述绝缘子中的防雷段的避雷通流能力由下式计算：
其中，i(t)为防雷段标准冲击大电流通流能力，其波头/波尾时间分别为4/10μs；u(t)表示大电流作用下对应的防雷段残压；i0(t)为标准雷电波，其波头/波尾时间分别为2.6/50μs，幅值为I0*a，a为雷击导线时进入防雷段的雷电流分流系数，I0为无避雷线输电线路耐雷水平；u0(t)为i0(t)作用下防雷段两端残压；T表示雷电流作用时间；
在仿真软件中建立包含防雷防冰绝缘子的无避雷线输电线路电磁暂态仿真模型，计算得到防雷防冰绝缘子通流能力与雷击跳闸率的关系，根据实际应用中不同电压等级的防雷需求选择对应的防雷防冰绝缘子通流能力。
7.根据权利要求6所述的无避雷线输电线路,其特征在于，在所述仿真软件中杆塔采用多波阻抗模型，接地电阻取5欧姆；雷电流采用2.6/50μS的标准雷电流波形；雷电击中中央杆塔防雷防冰绝缘子正下方时，单个防雷防冰绝缘子承受的雷电流最大；在具体的应用场景中，取多雷地区落雷密度3.1次/km2·a，雷电流幅值概率P如下式所示，其中I为雷电流幅值：
8.根据权利要求1所述的无避雷线输电线路,其特征在于，所述通信介质包括以下之一：全介质自承式光缆ADSS或光纤复合相线OPPC；
所述ADSS安装于输电导线下方，所述OPPC安装于输电导线中。
9.根据权利要求1所述的无避雷线输电线路，其特征在于，所述杆塔采用自然接地，无需单独的接地体结构。
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