“避雷器間隙距離正常，避雷器本體正常，高低壓側(cè)電極正常。”11月8日，安徽電力科學(xué)研究院輸變電技術(shù)中心過電壓專業(yè)主管劉靜利用輸電全景智慧管控平臺查看±1100千伏吉泉線新裝避雷器的運行情況。
10月14日，由國網(wǎng)安徽省電力有限公司、國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司等單位聯(lián)合研發(fā)的±1100千伏輸電線路用復(fù)合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器在吉泉線安徽段3基鐵塔上完成安裝調(diào)試，正式投入運行。
總結(jié)雷電活動規(guī)律，評估雷害風(fēng)險
2018年年底，起于新疆準東(昌吉)換流站、止于安徽宣城(古泉)換流站的±1100千伏吉泉特高壓輸電線路投運。該線路途經(jīng)新疆、甘肅、安徽等六個省份，總長3304.7千米。
“鑒于吉泉線的重要性，線路投運前，我們就在國網(wǎng)設(shè)備部的組織下研究該線路的防雷措施。”國網(wǎng)安徽電力設(shè)備部輸電處處長魏敏介紹，“在采取降低鐵塔接地電阻等防雷措施的同時，我們開展了±1100千伏避雷器研發(fā)工作。因為設(shè)備用于世界上最高電壓等級輸電線路，相關(guān)的雷電防護工作無從參考，研究工作面臨很多困難。”
2019年1月，安徽電科院與武漢南瑞有限責(zé)任公司、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、清華大學(xué)等聯(lián)合，組成項目團隊，從±1100千伏輸電線路防雷特性、避雷器研發(fā)及應(yīng)用、避雷器智能在線監(jiān)測裝置及平臺開發(fā)與應(yīng)用著手，開展雷電防護研究工作。
“避雷器可以保護輸電線路上的設(shè)備免受雷電過電壓影響。我們第一步統(tǒng)計分析了±1100千伏吉泉線沿線地區(qū)雷電活動情況，總結(jié)雷電活動規(guī)律，開展全線雷害風(fēng)險評估。”劉靜說。
項目團隊統(tǒng)計了吉泉線沿線6079基鐵塔的塔型、檔距、塔高以及鐵塔所在地區(qū)的地形地貌、氣候類型、海拔高度，根據(jù)雷電定位系統(tǒng)提供的歷年雷電活動數(shù)據(jù)，分析每基鐵塔的地閃密度、雷電流幅值等雷電參數(shù);考慮±1100千伏運行電壓影響，分析避雷器的額定電壓、雷電沖擊殘壓等參數(shù);研究在不同安裝位置、不同雷電流幅值及各種典型過電壓作用下，避雷器從一個穩(wěn)定狀態(tài)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的暫態(tài)過程。
通過一系列研究，項目團隊準確掌握了±1100千伏吉泉線沿線雷擊風(fēng)險分布規(guī)律及雷擊影響，最終確認雷擊風(fēng)險較高的鐵塔主要集中在安徽段、河南段和陜西段。安徽省蕪湖市境內(nèi)有3基鐵塔位于全線地閃密度最大的區(qū)段，其中2基鐵塔的雷擊風(fēng)險更是達到最高的D級。
“D級表示地閃密度大于7.98次/(平方千米·年)，雷電活動最強。”劉靜說，“只有應(yīng)用可靠的雷電防護系統(tǒng)、安裝性能優(yōu)良的避雷器，才能降低線路雷害風(fēng)險，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。”
逐個攻克難題，成功研發(fā)±1100千伏輸電線路避雷器
2020年1月，項目團隊基于±1100千伏吉泉線全線雷害風(fēng)險評估結(jié)果，著手研發(fā)±1100千伏輸電線路用復(fù)合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。
在不考慮雷電活動的時空分布差異等情況下，直流輸電線路正負兩極導(dǎo)線被雷擊時，會出現(xiàn)一個極性比另一個極性蝕除量大的現(xiàn)象，即直流輸電線路的電壓極性效應(yīng)。電壓極性效應(yīng)會造成正極導(dǎo)線的雷擊閃絡(luò)率居高不下，從而導(dǎo)致輸電線路發(fā)生單次換相失敗或者連續(xù)換相失敗。這是在研發(fā)過程中，項目團隊首先需要解決的問題。項目團隊開展直流輸電系統(tǒng)相關(guān)研究，提出了調(diào)節(jié)同步調(diào)相機、結(jié)合故障特征調(diào)節(jié)定關(guān)斷角控制器的關(guān)斷角、減小逆變側(cè)換流器觸發(fā)角等措施抑制換相失敗。
避雷器內(nèi)部最重要的元器件是電阻片。±1100千伏輸電線路對避雷器額定電壓、直流參考電壓、雷電沖擊殘壓等參數(shù)的要求比±800千伏輸電線路更高，因而裝在±1100千伏輸電線路上的避雷器需要容量更大、殘壓更低、沖擊穩(wěn)定性更強的氧化鋅電阻片。項目團隊反復(fù)試驗，調(diào)整電阻片中的氧化鋅及其他添加劑的比重，最終研制出具有大容量、小尺寸、低殘壓特點的電阻片。“這個電阻片高度比±800千伏避雷器電阻片低4.4%，容量大出11.3%，并且殘壓比也遠低于±800千伏避雷器電阻片。”劉靜說。
±1100千伏吉泉線多處于山區(qū)丘陵地帶，容易受潮氣影響。項目團隊在研制避雷器硅橡膠復(fù)合外套時，改善了硅橡膠及添加劑的配方，確保長期置于野外的避雷器內(nèi)部電阻片不受潮，不發(fā)生劣化。
2021年1月，國內(nèi)首臺±1100千伏輸電線路用復(fù)合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器在武漢下線，并通過試驗檢測。
今年8月，國網(wǎng)設(shè)備部組織專家對該避雷器掛網(wǎng)試運行方案進行評審。專家們一致認為該避雷器本體性能優(yōu)良，在雷電過電壓下能快速動作，釋放雷電能量，防止導(dǎo)線和鐵塔之間空氣間隙或絕緣子串被擊穿，針對±1100千伏輸電線路具有良好的雷電防護性能，可以掛網(wǎng)試運行。
選擇最優(yōu)安裝方案，避雷器掛網(wǎng)試運行
經(jīng)過20多名施工人員10天的努力，今年10月14日，±1100千伏吉泉線安徽段3基鐵塔上安裝了±1100千伏輸電線路用復(fù)合外套帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。
避雷器高11米，重約1噸。要把它穩(wěn)固地安裝在距離地面40多米的鐵塔支架上，需考慮它所受的側(cè)面風(fēng)壓，確保安裝后的穩(wěn)固性。此外，施工人員還要精準控制避雷器與導(dǎo)線之間2450毫米的空氣間隙距離，允許誤差僅為±50毫米。
安裝前，項目團隊、廠家、施工人員反復(fù)研討，提出三個安裝方案，分別是架設(shè)避雷器塔、懸吊式安裝、安裝支撐式支架并配合使用復(fù)合絕緣子串進行加固。
“第一個方案費用高，第二個方案需要補強鐵塔結(jié)構(gòu)，安裝時需要穿越導(dǎo)線，施工難度大。”劉靜介紹，“第三個方案，支撐式支架連在鐵塔主材上，鐵塔受力小，安全性高;無須穿越導(dǎo)線安裝，施工難度小;安裝位置低，裝卸維護方便。”最終第三個安裝方案得到專家的認可。
為了監(jiān)控避雷器的運行狀態(tài)、檢驗避雷器的應(yīng)用效果，項目團隊還研發(fā)了智能在線監(jiān)測裝置，在安裝避雷器的同時調(diào)試接入該裝置。后續(xù)，安徽電科院專業(yè)人員將通過該裝置監(jiān)測避雷器運行狀態(tài)，獲取線路遭受雷擊過程中避雷器動作時間、雷擊次數(shù)、雷電流參數(shù)與波形等信息，積累避雷器運行數(shù)據(jù)，為后續(xù)避雷器運行效果分析提供數(shù)據(jù)支撐。（祝捷 程洋）
作者：祝捷 程洋
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