国泰新华架空配电线路防雷策略研究与分析

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论文字数:35266 论文编号:sb2022061010260748226 日期:2022-06-17 来源:硕博论文网

本文是一篇电气自动化论文,本文基于地闪密度分布情况和历史运行经验数据开展避雷器的寿命评估,提出地区避雷器差异化轮换周期,完成新型垂直式镀铜接地体的仿真研究,进一步丰富 10kV 配电线路防雷设施、接地网的选型配置。
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
(1)课题研究背景
雷电作为自然界中的破坏性放电现象,对社会生产生活,特别是电力设施的安全运行有很大的影响。由于雷电等强对流天气频繁发生的特殊地理条件,每年平均闪电天数超过 50 天,雷电活动强烈。国泰新华公司配电网内共有 32 条配电馈线,架空配电线路已成为国泰新华干线配电网的主要馈线组成的一部分。由于该线路的电压等级低,很容易遭受雷击损坏。由于国泰新华所处特殊的自然地貌,暴雨雷电等强烈非对流灾害天气的经常发生,年平均雷电日数通常超过 57 天,雷电灾害活动强烈,因此,雷击也已经成为该电气配电系统线路频繁出现跳闸的主要构成原因[1]。

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国泰新华 10kV 电力架空配电线路是电力配电网的主要线路组成的一部分,该线路绝缘特性水平相对较低、分布广泛,易使人遭受重大雷害。长期以来,导致新疆国泰新华电力配电架空线路频繁发生跳闸的首要危险原因即为雷击。2019年 5 月至 9 月国泰新华架空中压配电系统线路发生雷击灾害故障总计 96 起,占全年中低压配电线路故障事件总数的 41.2%,雷电雷击灾害已成为影响配电系统设备正常运行的主要安全危害,严重直接影响配电设备正常运行安全和供电系统可靠性,大大增加了故障频率,危及现场应急工作人员的安全,因此架空配电线路的防雷设施优化改造已成为当前的重点。雷电活动不仅直接影响工业用电企业的正常生产,也直接影响区域内居民的财产生活和经济社会效益。以及随着工业园区环境绿化宜居型高质量高标准的建设,供电主要区域被花草树木,建筑物等等所覆盖,使配电网的绝缘安全可靠性发展面临新的严峻考验[2]。
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1.2 国内外研究发展现状
(1)国外研究动态
日本、德国等国也在较早时期开展过电压保护装置间隙研究,通过在线路杆塔上安装过电压保护装置间隙,在发生雷击闪络过程中,能有效对雷击电流释放产生的电弧进行灭弧,减少因工频续流引起的跳闸,防止因雷击过电压而导致的绝缘子闪络、爆瓶、断线等。各国也在结合运行实践和试验研究,不断丰富和完善配电网防雷技术。目前,有两种方法可以评估国内外配电线路的防雷性能[9]。
1)程序法
对于各类雷击事故,为了有效分析事故的具体情况,可以用公式法估算感应雷电过电压的大小,我们现在应用的编码方法是一种计算方法最简单有效,由于忽略了一些因素,使得最终结果有点偏差,通过规程法得出的线路耐压水平比较保守。
2)模拟分析
通过应用 PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/ElectroMagnetic Transientin DCSystem)电磁暂态仿真软件软件,通过分析雷电发生时的直流电磁瞬态效应,来解决针对性的配电线路雷电防护问题,目前已被许多用户所采用。其中:PSCAD 负责界面操作图形,而 EMTDC 负责模拟仿真计算[11]。
(2)国内研究动态
近年来,中国在电力配电网基础建设和水电改造上先后投入了大量科研资金,特别是配电网的自动化建设。在很大程度上提高了我国工业配电网的技术水平和服务质量,显著提高了供电网络的综合经济利用技术指标和可靠性。但和我国工业用电高质量高安全的要求相比还仍然存在较大技术差距,随着我们国民经济的高速高质量迅猛发展,国内对工业配电网的技术研究越来越受到重视,在10kV 配电网的线路电流故障原因研究分析方面,主要开展了配电线路故障定位技术、故障识别与诊断方法、配电线路故障分析及自动化技术、配电线路防雷技术等专业技术研究。
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2 国泰新华所处地域雷电活动规律及危害
2.1 雷电活动规律
雷电活动从每年发生季节时间不同来讲,一般雷电活动以夏季最为活跃,冬季期间极少;从发生地理位置不同,从每年地球北极地区附近自转轨道纬度线和经线方向分布来讲,一般来说雷电活动是地球赤道附近最活跃,随着每年四月地球纬度和经线不断升高而逐渐慢慢开始减少,极地最少。用来评价某一年或者该年某地区一个时期段内的雷电日期间发生雷电活动的数量大小强弱,习惯上多数国家会直接使用“雷电日”,只要在这一天内曾经发生过雷暴,听到过雷声,而不论雷暴延续了多长时间,都算作一个雷电日,“年雷电日数”等于全年雷电日数的总和,以此来表示该地区某年雷电发生频率的强弱,“年雷电日数”越大,表明该地域在该年一段时期内的雷电气象活动次数越多,反之则越弱[36]。
我国基本雷电活动区域分布以及时间分布,可以大致划分以下为四个特点显著的活动基本区域,西北地区一般地形地貌气候条件下在 15 日以下,黄河以北地区在 15-40 天之间;黄河以南长江以北在 40 天以上;北纬 23 度以南地区一般活动最长持续时间平均不会超过 80 天,其中广东的雷州半岛地区及海南全省,是目前为止每年我国较大的小规模雷电灾害活动和灾害最剧烈的两个地区,年平均累计发生较大雷电日数总时数高达 120 天及以上。我国一般按年平均雷电日期天数将雷电活动持续时间进行区分依次归类为少发大风暴风电雷区(≦15 天)、中发大风暴风电雷区(15 天≦,≦40 天)、多发大风暴风电雷区(41 天≦,≦90 天)、强烈大风暴风电雷区(90 天≦)。我国从南到北雷电发生区域随着维度高低不同,呈现低纬度地区雷电活动较为活跃频繁,随着纬度向北不断升高,逐雷电活动渐明显减少。
新疆国泰新华公司所处地域在新疆维吾尔自治区吉木萨尔县,南边紧邻天山中段山脉北麓,海拔 750 米左右,地势呈现北低南高,距离博格达峰不到 260公里(海拔 5445 米,位于东经 88.3 度,北纬 43.8 度)。根据新疆维吾尔自治区吉木萨尔县气象局雷电定位观测系统信息统计 2015 至 2020 年间雷电气象数据发现:雷电活动年分布较为集中,主要集中在每年的 5 至 9 月份,分别占全年落雷总数的85.78%、97.47%、80.82%、87.94%、92.45%、87.8%,每年平均闪雷天数超过41 天,属多雷区。
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2.2 雷电的分类及危害
雷击的直接危害主要表现有三个方面:一是雷电直击雷,当雷云对地面突出物的电场强度达到空气的击穿强度时,产生的放电现象;二是雷电感应雷,雷云接近地面时,在地面突出的建筑物顶部被感应出大量的异性电荷,一旦雷云与其他异性雷云放电后,聚集在该建筑物顶部的感应电荷就失去束缚,以雷电波的形式高速传播形成的。三是雷电入侵波,由于雷击在架空线路的导线上或架空的金属管道上产生的冲击电压,沿着线路或管道的两个方向迅速传播的雷电波称为雷电入侵波,雷电波可能沿着这些管线侵入屋内,危及人身安全或损坏设备。据目前国家有关主管部门近期统计数据分析表明,直击雷造成的直接损坏大约仅只占15%,感应雷造成的直接损坏则仅大约占 80%。目前,直击雷所可能直接造成的自然灾害已明显大幅度地减少,而随着我国重点大中城市地区国民经济的快速健康发展,感应雷和雷电入侵波可能造成的各种危害却大幅有所增加。一般避雷设备上的各种避雷针、避雷线一般只能用来预防直接冲击雷,而强大的长波电磁场所产生的电磁感应脉冲雷和电磁脉冲雷的电压却有可能直接危及避雷设备的安全正常运行[46]。
2.2.1 直击雷
当雷电直接降落在一些用电设备上时,强大的雷电冲击波及雷声和电流会使得粘附在该用电设备上的大量水分子,在其内部受热迅速发生汽化后并发生过热膨胀,从而还会使其内部产生很大的物理机械力和化学反应力,导致这些用电设备迅速发生燃烧或受热发生爆炸。当雷电波在攻击雷电接闪器,很可能会向整个接地引线临近的其他物体附近发生雷电跳击,称为对地面的雷电“反击”,从而也有可能直接造成供电站的设备遭受严重损坏[41]。
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3 国泰新华架空线路防雷现状分析........................................9
3.1 国泰新华架空线路概况............................................9
3.2 架空线路保护状况........................................9
4 国泰新华架空配电线路防雷技术研究.........................................28
4.1 架空配电线路防雷策略辅助系统的建立..................................28
4.2 运用策略辅助系统辨识雷电易击段...........................................35
5 国泰新华架空线路防雷改造实践分析..........................41
5.1 防雷改造线路概况..............................................41
5.2 涉及雷电的异常及事故处理...............................41
5 国泰新华架空线路防雷改造实践分析
5.1 防雷改造线路概况
新疆国泰新华电厂建设有 2×350MW 动力站和总变电站,其中动力站负责园区的生产用电生产,年设计利用 7200 小时,发电量 50 亿 kWh,同时可以向园区提供 1.0Mpa 和 2.5MPa 工业用汽,向准东管委会提供 120/80℃的热水用于供热。国泰新华变电站规划向西南进出线共 4 回,本期改造架空出线 2 回,面对变电站出线构架从左至右第一、二回为预留,第三回为本期,间隔布置示意图如下图所示;

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6 国泰新华架空线路防雷策略分析改造总结与展望
6.1 防雷策略主要研究成果总结
配电网防雷是一个系统而复杂的技术研究领域,为了有效减少雷击次数,降低雷击损坏的风险,提高供电可靠性。国泰新华架空配电线路防雷策略研究分析在现有系统标准和行业标准的基础上,通过近年来配电电路的典型防雷,防雷现状,对过去的工作经验和结果进行分析和抽象,对配电线路防雷技术要求,配电线路防雷设施运行要求进行了系统总结和阐述,旨在提高配电线路防雷的规范性、针对性和有效性。完成的主要工作以下:
(1)完成 10kV 架空配电线路防雷现状分析。包括对现有的防雷措施进行了简要的分析,对防雷措施失效原因进行了归纳。并通过对 10kV 架空配电线路雷击故障特性及故障原因的分析,统计分析对雷击故障的配电线路所处地形、地貌、地域分布规律,对以往防雷工作经验和成果进行分析与提炼等。
(2)完成 10kV 架空配电线路防雷技术策略研究与分析,运用大数据建立10kV 架空线路防雷决策信息系统,按照“注重设备本体运行状态,积累运行数据、因地制宜、科学选配”原则提出防雷设施选型的技术策略。建立 ATP-EMTP仿真模型,完成避雷线在 10kV 架空配电线路防雷应用方面的实用性进行研究分析。
(3)基于地闪密度分布情况和历史运行经验数据开展避雷器的寿命评估,提出地区避雷器差异化轮换周期,完成新型垂直式镀铜接地体的仿真研究,进一步丰富 10kV 配电线路防雷设施、接地网的选型配置。贯彻“差异化防雷”思想和“综合防雷”思想,根据设备重要度、雷电活动强度、地形地貌、杆塔结构、设备种类、运行条件、单回或同塔多回线路的差异性,制定差异化的防雷措施,不断提升配电线路综合防雷水平。
参考文献(略)


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