±500 kV直流輸電線路避雷器防雷性能研究

李 智，吳 凡，王藝霖

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

近幾年，中國架空輸電線故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計監(jiān)測表明，雷電災(zāi)害是引起線路跳閘的主要因素之一。伊穆±500 kV直流輸電線路橫跨內(nèi)蒙古東部地區(qū)，途經(jīng)平原、丘陵，地形較為復(fù)雜，輸電走廊占地面積大，所以十分容易遭受雷電事故［1］。本文通過對伊穆±500 kV直流輸電線路進行仿真計算，分析影響線路反擊耐雷水平和繞擊跳閘率的主要原因，并針對伊穆±500 kV直流輸電線路主要塔型G52P－39桿塔安裝避雷器前后耐雷水平的變化進行分析，考慮避雷器最大吸收能量和放電電流，從而對線路避雷器的防雷性能進行研究。

1 直流輸電線路直擊雷雷擊特性分析

1.1 雷電放電過程模型

雷電放電的物理過程涉及到長間隙放電理論，其物理過程十分復(fù)雜。但從實際工程角度，可以將其簡化成一個波過程，將雷電通道波阻抗設(shè)為一個固定值，雷電沿著該通道向地面?zhèn)鞑?，并由彼得遜法則建立相應(yīng)的雷電流等值電路模型［2］，如圖1所示，其中i0為雷電流，Z0為雷電通道波阻抗，Z為地面擊中物體波阻抗。顯然i與Z有關(guān)，當Z=Z0時，i=i0;當Z=0時，i=2i0。但無論是Z為零還是等于Z0在實際中都是不可能的。工程中一般將雷擊低阻抗物體時流過接地裝置的電流稱為雷電流。通常實驗室用電流源來模擬雷電流。

圖1 雷電流源等值電路Fig.1 Lightning current source equivalent circuit

1.2 雷電流極性及波形

依據(jù)國內(nèi)外多年實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，負極性雷在雷電害中占90%左右。因此目前關(guān)于輸電線路保護都是根據(jù)負極性雷來研究分析的。而且電力系統(tǒng)防雷分析和電氣設(shè)備的雷電沖擊試驗要求用可以解析的典型波形對雷電波的波形進行等值建模［3］，所以工程中一般采用雷電波等值模型，主要有半余弦波、標準沖擊波、雙指數(shù)波和等值斜角波等幾種。工程上，一般認為與實際雷電流波形最相似的等值模型是標準沖擊波模型，其表達式為

1.3 仿真模型建立

1.3.1 桿塔模型

建立多阻抗桿塔模型。建模時，將桿塔分成幾個模塊來進行模擬，每部分桿塔的波阻抗與其距地面的高度有關(guān)［4］。直流輸電線路桿塔主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，ATP－EMTP仿真計算中的多波阻抗模型如圖3所示。

圖2 直流輸電線路桿塔主體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 DC transmission line tower body structure

圖3 多波阻抗模型Fig.3 Multi wave impedance model

桿塔主體部分等效波阻抗計算公式為

1.3.2 絕緣子閃絡(luò)模型

目前，絕緣子閃絡(luò)模型一般采用相交法。相交法的原理是:若絕緣子串上的過電壓曲線與絕緣子串自身的伏秒特性曲線相交，此時判定發(fā)生閃絡(luò)，并認定相交的那一時刻即為閃絡(luò)時刻;若兩條曲線不相交，則認定為不發(fā)生閃絡(luò)。

1.3.3 ±500 kV直流氧化鋅線路避雷器伏安特性曲線

±500 kV直流氧化鋅線路避雷器伏安特性曲線如圖4所示。

圖4 ±500 kV直流氧化鋅線路避雷器伏安特性曲線Fig.4 ±500 kV DC line zinc oxide arrester volt ampere characteristic curve

1.3.4 仿真電路圖

在ATP中建立仿真模型如圖5所示。

圖5 伊穆直流±500 kV直流輸電線路仿真電路圖Fig.5 Gimo DC ±500 kV DC transmission line circuit simulation model

模型說明:

1)線路采用JMarti模型，可精確考慮避雷線、已閃絡(luò)相導(dǎo)線與其他相導(dǎo)線之間的耦合作用。

2)判斷絕緣子閃絡(luò)采用相交法。

3)線路為雙端供電雙回線路，故模型中含有4個500 kV直流電源。

4)桿塔接地電阻采用線路實測接地電阻。

2 不加裝避雷器的耐雷水平

2.1 不加裝避雷器線路反擊結(jié)果分析

2.1.1 桿塔高度對反擊耐雷水平的影響

本文對伊穆±500 kV直流輸電線路0008號、504號、0226號、0290號桿塔分別用ATP－EMTP軟件進行仿真計算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同桿塔高度對反擊耐雷水平的影響Tab.1 Effect of different height of tower on counterattack lightning withstand level

從表1可以看出，當桿塔的接地電阻相同時，直流輸電線路的反擊耐雷水平隨著桿塔高度增加而減小。主要有兩方面原因:首先，隨著桿塔高度的增加，桿塔的引雷面積也隨之增加;其次，隨著桿塔高度的增加，雷電波在桿塔中正向傳播時間和和反向傳播時間都增加，雷電波削弱作用減?。?］。

2.1.2 桿塔接地電阻對反擊耐雷水平的影響

為了分析桿塔接地電阻對反擊耐雷水平的影響，對伊穆±500 kV直流輸電線路G52P－39型號桿塔用ATP－EMTP軟件進行仿真計算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同桿塔接地電阻對反擊耐雷水平的影響Tab.2 Effect of different grounding resistance of tower on counterattack lightning withstand level

從表2可以看出，桿塔接地電阻對直流輸電線路的反擊耐雷水平有一定的影響，直流輸電線路的反擊耐雷水平隨著桿塔接地電阻增加而減?。?］。

2.2 不加裝避雷器線路繞擊結(jié)果分析

2.2.1 地面傾角對雷電繞擊跳閘率的影響

考慮山地、丘陵、平原三種地理情況下應(yīng)用改進電氣幾何模型計算部分伊穆±500 kV直流輸電線路桿塔的繞擊跳閘率，統(tǒng)計得出三種地形情況下雷電繞擊跳閘率如表3所示。

表3 不同地面傾斜角對繞擊跳閘率的影響Tab.3 Effect of different ground inclination angle on shielding failure rate

由表3不難看出，隨著地面傾角的增大，雷電繞擊跳閘率也隨之顯著增加［7］。

2.2.2 線路極性對雷電繞擊跳閘率的影響

通過對伊穆±500 kV直流輸電線路桿塔進行繞擊跳閘率進行計算，可以看出線路正極平均繞擊跳閘率要明顯高于線路負極性繞擊跳閘率，這主要是因為中國雷害中絕大部分為負極性雷，而正極性線路的工頻電壓對負極性的雷云先導(dǎo)發(fā)展有較強的引雷作用［8］。

3 加裝避雷器的耐雷水平

3.1 線路避雷器安裝方案

選定伊穆±500 kV直流輸電線路主要塔型G52P－39型號桿塔進行研究，根據(jù)中國架空輸電線路運行規(guī)范中的要求，對雷擊跳閘率不合格的桿塔加裝一臺避雷器，安裝情況如圖6所示。其中縱坐標0代表不安裝避雷器，1代表安裝避雷器。

圖6 G52P－39型桿塔安裝方案Fig.6 G52P －39 tower installation scheme

塔型G52P－39絕緣子型號為FXBZ－±500/160，導(dǎo)線型號為ACSR－720/50。地線型號分別為GJ－100和 OPGW －100，保護角為10°。

3.2 安裝線路避雷器反擊耐雷水平分析

G52P－39型桿塔安裝避雷器前后反擊耐雷水平如表4所示。由表4可知，伊穆±500 kV直流輸電線路G52P－39型號桿塔安裝避雷器后，其反擊耐雷水平均可達到400 kA以上，能可靠保護線路不發(fā)生反擊跳閘事故。

表4 線路改造前后反擊耐雷水平Tab.4 Counterattack lightning withstand level of lines before and after transformation

3.3 安裝線路避雷器繞擊耐雷水平分析

G52P－39型桿塔安裝避雷器前后繞擊耐雷水平如表5所示。

表5 G52P－39型桿塔改造前后繞擊耐雷水平Tab.5 Counterattack around lightning withstand level of G52P－39 tower before and after transformation

由表5可知，伊穆 ±500 kV直流輸電線路G52P－39型號桿塔安裝避雷器后，其繞擊耐雷水平顯著提高，均大于其最大繞擊電流，能可靠保證線路不發(fā)生繞擊跳閘事故。

3.4 避雷器吸收能量和放電電流

雷電流流經(jīng)避雷器時，避雷器吸收能量為

由上式可得G52P－39桿塔在反擊和繞擊情況下避雷器最大吸收能量Wm和放電電流Im，結(jié)果如表6所示。

表6 避雷器最大吸收能量和放電電流Tab.6 Maximum absorbed energy and discharge current of arrester

根據(jù)中國架空輸電線路運行規(guī)范的設(shè)計要求，500 kV直流線路避雷器的最小吸收能量為1898 KJ，要求沖擊耐受電流為100 kA。根據(jù)表6計算結(jié)果，伊穆±500 kV直流輸電線路G52P－39型號桿塔安裝線路避雷器后，完全能夠滿足安全可靠運行要求。

4 結(jié)論

1)±500 kV直流輸電線路反擊耐雷水平隨著桿塔高度的增加而減小，隨著接地電阻的增大而減小。

2)±500 kV直流輸電線路繞擊率隨著地面傾角的增大而增大，導(dǎo)線的極性對雷電先導(dǎo)有明顯的吸引作用。

3)±500 kV直流輸電線路安裝線路避雷器可有效提高線路的耐雷水平，避免發(fā)生繞擊和反擊跳閘事故。

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