避雷線絕緣架設(shè)對變電站地網(wǎng)分流系數(shù)影響的研究

田明明, 曹曉斌， 高竹青， 杜俊樂

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

避雷線絕緣架設(shè)對變電站地網(wǎng)分流系數(shù)影響的研究

田明明, 曹曉斌， 高竹青， 杜俊樂

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

地網(wǎng)分流系數(shù)反映了變電站接地系統(tǒng)對短路電流的分流能力，變電站地網(wǎng)分流系數(shù)的合理選擇是變電站接地安全設(shè)計的基礎(chǔ)。變電站內(nèi)發(fā)生短路故障時，短路電流主要通過變電站地網(wǎng)和避雷線-桿塔接地系統(tǒng)分流，融冰避雷線絕緣架設(shè)后，輸電線路桿塔無法參與到短路電流的分配，從而影響變電站地網(wǎng)分流系數(shù)，因此有必要針對避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)進行研究。本文利用ATP-EMTP建立避雷線絕緣架設(shè)前后變電站短路仿真模型，分析了避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)接地電阻、桿塔接地電阻、進出線回路數(shù)、避雷線型號對地網(wǎng)分流系數(shù)的影響，同時提出了降低地網(wǎng)分流系數(shù)的方法。研究結(jié)果表明，避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)增加10%～40%左右，避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)與地網(wǎng)接地電阻、桿塔接地電阻、進出線回路、避雷線型號相關(guān)，并且二者的變化趨勢并不相同。避雷線絕緣架設(shè)后，在變電站出口處6～8基桿塔處設(shè)置臨時接地點，地網(wǎng)分流系數(shù)可以有效降低18%左右。

地網(wǎng)分流系數(shù)； 變電站短路； 避雷線絕緣； 接地安全； 接地電阻； ATP-EMTP

1 引言

變電站內(nèi)發(fā)生短路接地故障時，短路電流進入地網(wǎng)后會引發(fā)一系列的安全問題，入地會引發(fā)地電位升、網(wǎng)孔電位差、跨步電壓、接觸電壓以及二次騷擾電壓等安全問題，對站內(nèi)的二次設(shè)備以及工作人員的安全構(gòu)成威脅[1,2]。避雷線作為變電站短路電流分流的有效途徑，對變電站地網(wǎng)入地電流以及接地安全影響較大。而在一些嚴寒地區(qū)輸電線路覆冰嚴重，特別是避雷線上覆冰后會造成對線路放電、地線斷線、地線支架受損等事故，嚴重危害輸電線路安全運行。直流融冰多用于高電壓長距離輸電線路，有效避免了傳統(tǒng)交流融冰無功需求大、受電源容量制約的不足[3]，直流融冰是解決避雷線覆冰問題的有效措施，而直流融冰的前提是需要對避雷線進行全線絕緣化架設(shè)，避雷線絕緣化間隙達到120mm，遠大于為了減小地線損耗而采用的絕緣間隙(15～40mm)[4,5]。當避雷線采用絕緣架設(shè)后，輸電線路桿塔接地極將不再參與故障電流的分配，從而影響變電站地網(wǎng)的入地電流。因此有必要針對避雷線絕緣架設(shè)前后變電站地網(wǎng)入地電流大小進行研究。

地網(wǎng)分流系數(shù)表征了變電站接地網(wǎng)對故障電流分流大小的能力，分流系數(shù)的合理選擇是變電站接地系統(tǒng)安全設(shè)計的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到變電站的接地安全。避雷線絕緣化對電力系統(tǒng)接地安全的影響主要通過改變地網(wǎng)分流系數(shù)來實現(xiàn)，因此有必要針對避雷線絕緣架設(shè)前后變電站地網(wǎng)分流系數(shù)進行研究。國內(nèi)外學(xué)者對地網(wǎng)分流系數(shù)展開了大量的研究，主要集中在短路電流的分布以及模擬計算上[6,7]，部分學(xué)者研究了變電站或輸電線路發(fā)生短路故障時，避雷線非絕緣架設(shè)情況下，地網(wǎng)分流系數(shù)計算方法和影響因素[8-15]，并未研究避雷線絕緣架設(shè)情況。避雷線絕緣架設(shè)時，現(xiàn)有的研究主要集中在輸電線路正常和短路故障時避雷線的損耗和感應(yīng)過電壓研究[16-19]，從節(jié)能的角度分析超高壓輸電線路避雷線絕緣子間隙取值的問題。因此有必要針對避雷線絕緣架設(shè)情況下的地網(wǎng)分流系數(shù)進行研究。

在電力系統(tǒng)中，短路故障一般分為變電站內(nèi)短路和站外短路兩種類型。與站外短路相比，站內(nèi)短路對變電站短路安全運行有更大的危害，更容易引起事故[15]。因此本文利用電磁暫態(tài)分析程序ATP-EMTP仿真軟件進行計算，分析避雷線絕緣架設(shè)前后變電站短路后，地網(wǎng)分流系數(shù)變化以及影響因素，并提出改進地網(wǎng)分流系數(shù)方法。

2 變電站短路電流分布

避雷線絕緣架設(shè)前后電網(wǎng)接地系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，避雷線絕緣架設(shè)后，當變電站短路時，其短路電流分布如圖1所示。變電站發(fā)生短路時，總的短路電流(Iz1)主要沿著避雷線(Id1)以及地網(wǎng)(Ig1)分流，不考慮變壓器及相關(guān)變電站相關(guān)參數(shù)的影響。避雷線非絕緣架設(shè)時，變電站發(fā)生短路時，Id1將沿著避雷線從每一基桿塔分流；當避雷線絕緣架設(shè)后，避雷線絕緣的輸電線路桿塔將無法參與到短路電流的分配，從而影響變電站地網(wǎng)入地電流的大小。

圖1 避雷線絕緣架設(shè)時變電站短路模型示意圖Fig.1 Sketch map of short-circuit model of substation

3 仿真模型的建立

某500kV超高壓輸電線路線路全長100km， 其線路相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 線路相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of transmission line

結(jié)合變電站短路模型，利用EMTP建立變電站短路仿真模型，在模型中不考慮變壓器及變電站相關(guān)參數(shù)的影響。在EMTP模型中采用LCC模塊來表示架空輸電線路中架空導(dǎo)線和避雷線，采用Bergeron模型來模擬輸電線路；輸電線路桿塔采用波阻抗來模擬，其桿塔波阻抗取值150Ω,平均高度45m；避雷線絕緣子采用壓控開關(guān)模型，避雷線絕緣間隙閃絡(luò)電壓66kV，桿塔接地電阻5～30Ω變化，變電站地網(wǎng)接地電阻0.1～1Ω變化，土壤電阻率取值200Ω·m。

4 避雷線絕緣間隙擊穿情況分析

考慮到避雷線絕緣子的耐壓等級較低，因此首先討論變電站內(nèi)部短路時避雷線絕緣子是否擊穿。隨著短路電流幅值的增大，避雷線絕緣子所承受的電壓也隨之增大。變電站設(shè)計規(guī)程中規(guī)定，500kV變電站最大短路電流可達到63kA，因此本文選取最嚴重情況，變電短路電流幅值為63kA。仿真計算避雷線絕緣架設(shè)后變電站出口處15基桿塔塔頂電位即避雷線絕緣子兩端所承受電壓，結(jié)果如圖2所示，其中變電站接地電阻從0.1～0.5Ω變化。

圖2 變電站附近桿塔塔頂電位分布Fig.2 Potential distribution of top tower near substation

可以看出，當變電站接地電阻從0.1Ω增大到0.5Ω時，隨著輸電線路桿塔遠離變電站，避雷線絕緣子兩端所承受電壓逐漸降低，變電站出口處桿塔避雷線絕緣子所承受電壓最大。桿塔避雷線絕緣子承受的電壓均遠小于避雷線絕緣子擊穿電壓66kV，因此桿塔避雷線絕緣子不會被擊穿。造成該現(xiàn)象的主要原因是，當變電站發(fā)生短路時，避雷線承受電壓將沿整個輸電線路分布，其總幅值等于兩個變電站地網(wǎng)電位值的差值，考慮到兩個變電站地網(wǎng)電流流向相反，因此最大電壓將出現(xiàn)在變電站出口桿塔處的避雷線上，其對地電壓約為地網(wǎng)電位升。由于變電站地網(wǎng)接地電阻較小，因此輸電線路避雷線絕緣子承受的電壓非常小，不會導(dǎo)致避雷線絕緣子間隙的擊穿。因此，輸電線路避雷線融冰絕緣架設(shè)后，輸電線路桿塔將不會參與到變電站短路電流的分配。

5 避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)影響因素分析

5.1 變電站接地電阻

地網(wǎng)入地電流大小與變電站接地電阻相關(guān)，仿真過程中變電站地網(wǎng)接地電阻在0.1～1Ω變化，輸電線路桿塔接地電阻取為10Ω，避雷線絕緣前后變電站地網(wǎng)分流系數(shù)計算如圖3所示。

圖3 地網(wǎng)接地電阻與分流系數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between substation grounding resistance and shunt coefficient

可以看出，避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)增大。當?shù)鼐W(wǎng)接地電阻為0.1Ω時，地網(wǎng)分流系數(shù)從0.447增大到0.50，避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)增加了11.7%；當接地電阻為1Ω時，地網(wǎng)分流系數(shù)從0.327增加到0.468，避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)增加了41.4%。避雷線絕緣架設(shè)前后變電站地網(wǎng)分流系數(shù)均隨變電站地網(wǎng)接地電阻增大而減小，并且避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)隨變電站接地電阻增大而減小較緩慢。變電站設(shè)計之初并沒有考慮避雷線絕緣架設(shè)情況，因此輸電線路融冰絕緣改造后，地網(wǎng)分流系數(shù)增加，會對變電站地網(wǎng)接地安全產(chǎn)生影響。

5.2 桿塔接地電阻

輸電線路避雷線融冰絕緣架設(shè)時，避雷線并非全線絕緣架設(shè)，線路中間每隔一定距離設(shè)置了臨時接地點，非融冰季節(jié)時，臨時接地點可靠打開，避雷線可靠接地。保證其他參數(shù)不變，變電站接地電阻取0.5Ω，改變輸電線路桿塔的接地電阻，得到避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)，其計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 桿塔接地電阻與分流系數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between tower grounding resistance and shunt coefficient

可以看出，隨著桿塔接地電阻的增大，避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)均增加。避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)增加，主要是由于桿塔接地電阻增大時，避雷線的分流阻抗增加，經(jīng)過避雷線的短路電流減小，經(jīng)過地網(wǎng)的短路電流增加。不同的是避雷線絕緣架設(shè)后，隨著桿塔接地電阻的增加，地網(wǎng)分流系數(shù)變化較緩慢，即避雷線絕緣架設(shè)后，地網(wǎng)分流系數(shù)受桿塔接地電阻影響較小，這主要是由于輸電線路存在少量臨時接地點的緣故。

5.3 輸電線路回路數(shù)

其他條件不変，變電站有多回輸電線路進出時，變電站地網(wǎng)分流系數(shù)計算如圖5所示。可以看出，避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)均隨著變電站進出線回路數(shù)增加而降低。多條避雷線并聯(lián)使避雷線分流阻抗減小，分流途徑增多，避雷線短路電流分流增加，地網(wǎng)分流減小。避雷線絕緣架設(shè)后，當進出線回路數(shù)超過4回時，進出線回路數(shù)對地網(wǎng)入地電流影響較小。

圖5 進出線回路數(shù)與分流系數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between circuit number and shunt coefficient

5.4 避雷線型號

本文同時研究了避雷線型號對地網(wǎng)分流系數(shù)的影響，選取LBGJ-60、LBGJ-90、LBGJ-120、LBGJ-150、LBGJ-180五種不同型號的避雷線，其他條件不變，分別計算了不同避雷線條件下地網(wǎng)分流系數(shù)，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 避雷線型號與分流系數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between lightning conductor and shunt coefficient

通過分析可知，隨著避雷線型號的增大，導(dǎo)線相應(yīng)的半徑增大，直流電阻降低，從而避雷線相應(yīng)分流阻抗隨之降低，避雷線分流系數(shù)增加，變電站地網(wǎng)分流系數(shù)降低。圖6計算結(jié)果也反映了這一規(guī)律，從圖6可以看出，隨著避雷線型號的增加，地網(wǎng)分流系數(shù)均逐漸降低，并且避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)的降低程度并不相同。

6 避雷線絕緣化后提高變電站接地安全性能的方法

避雷線絕緣架設(shè)后的輸電線線路桿塔無法參與短路電流的分配。從圖3～圖6地網(wǎng)分離系數(shù)計算結(jié)果可以看出，避雷線絕緣架設(shè)后，地網(wǎng)分流系數(shù)增大，即變電站地網(wǎng)入地電流增大。影響地網(wǎng)安全性能的主要因素是接地網(wǎng)的入地電流，因此避雷線絕緣架設(shè)后會對地網(wǎng)接地安全產(chǎn)生一定影響。本文提出兩種降低避雷線絕緣架設(shè)后地網(wǎng)分流系數(shù)的方法，并在文中討論其有效性。

6.1 輸電線路中間增加臨時接地點

非融冰季節(jié)時，避雷線并不需要進行融冰，為降低變電站地網(wǎng)的分流系數(shù)，此時可以在線路中間每隔一段距離設(shè)置臨時接地點。在非融冰季節(jié)臨時接地點可靠接地，在融冰季節(jié)臨時接地點可以有效地退出運行。在這里分別討論不同間隔距離接地時對變電站地網(wǎng)分流系數(shù)的影響。設(shè)線路長度100km，變電站接地電阻為0.5Ω時，桿塔接地電阻為10Ω。每隔10km、20km、30km、40km、50km接一次地時，計算變電站地網(wǎng)分流系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 臨時接地點間距與分流系數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between distance of temporary grounding point and shunt coefficient

可以看出，避雷線絕緣架設(shè)后在輸電線路中間增加臨時接地點對地網(wǎng)入地電流影響較小。未改造之前地網(wǎng)分流系數(shù)為38.49%，臨時接地點間距從50km縮短到10km，其分流系數(shù)從49.9%減小到48.68%，地網(wǎng)分流系數(shù)只是略微減小，效果并不明顯，其變化范圍僅在2%左右。

6.2 將變電站出口處桿塔設(shè)置臨時接地點

避雷線非絕緣架設(shè)時，變電站發(fā)生短路時，變電站出口處桿塔參與主要的分流。因此避雷線絕緣架設(shè)后，僅考慮在變電站出口數(shù)基桿塔設(shè)置臨時接地點，即將避雷線接地。為了研究最佳短接桿塔數(shù)量，計算了不同基數(shù)短接桿塔數(shù)量對變電站地網(wǎng)分流系數(shù)的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 變電站附近臨時接地點數(shù)量與分流系數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationship between number of temporary grounding point and shunt coefficient

可以看出，隨著短接桿塔數(shù)量的增加，變電站地網(wǎng)分流系數(shù)快速下降，但當短接桿塔數(shù)量達到6基之后，地網(wǎng)分流系數(shù)下降緩慢，短接桿塔數(shù)量超過8基后，地網(wǎng)分流系數(shù)趨于平緩。因此可見，將變電站出口處桿塔設(shè)置臨時接地點是降低地網(wǎng)分流系數(shù)的有效方法，最佳短接桿塔基數(shù)為6～8基，此時地網(wǎng)分流系數(shù)降低了18%左右。

7 結(jié)論

本文基于ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件建立避雷線融冰絕緣改造后仿真模型，分析變電站短路時避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)變化，并得出以下結(jié)論：

(1)避雷線絕緣架設(shè)后，避雷線絕緣間隙未能擊穿，輸電線路桿塔接地極將不能有效參與短路電流的分配，從而導(dǎo)致地網(wǎng)分流系數(shù)增加，變電站地網(wǎng)入地電流增加，因此避雷線絕緣化對變電站接地安全的影響應(yīng)該引起重視。

(2)通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)與地網(wǎng)接地電阻、桿塔接地電阻、進出線回路數(shù)、避雷線型號均有關(guān)，但是這些因素對避雷線絕緣架設(shè)前后地網(wǎng)分流系數(shù)的影響程度并不相同。

(3)避雷線絕緣化架設(shè)后，為降低變電站地網(wǎng)分流系數(shù)可以采取設(shè)置臨時接地點的方法。輸電線路中間不同間隔距離設(shè)置臨時接地點對地網(wǎng)分流系數(shù)影響較小，而在變電站出口處設(shè)置臨時接地點可以有效降低地網(wǎng)分流系數(shù)，并且最佳短接桿塔數(shù)量為6～8基，此時地網(wǎng)分流系數(shù)可以有效降低18%左右。

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Study on shunt coefficient of earthing network when the short-circuit taking place in substation

TIAN Ming-ming, CAO Xiao-bin, GAO Zhu-qing, DU Jun-le

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The shunt coefficient of earthing network represents the capacity for shunting the short current of substation grounding system. The reasonable choice of the shunt coefficient of the substation network is the foundation for the safety design of substation grounding system. The short-circuit current mainly flows to the substation network and lightning conductor and tower grounding system when the short-circuit takes place in substation. The insulated ground wire makes it impossible for the tower to participate in the distribution of short-circuit current, thus affecting the shunt coefficient of substation network. Therefore, it is necessary to study the shunt coefficient of substation network when the ground wire is insulated. In this paper, the ATP-EMTP software is used to establish the short-circuit simulation model of substation. The influence of grounding resistance, tower grounding resistance, circuit number and the type of lightning conductor on the network shunt coefficient is analyzed. At the same time, it also puts forward the method to reduce the network coefficient. The results show that the network shunt coefficient is increased by 10% to 40% after the lightning conductor is insulated. The network shunt coefficient is related to the grounding resistance, tower grounding resistance, circuit number and the type of lightning conductor and the tendency of the coefficient is different around erecting the insulated lightning conductor. The network shunt coefficient can be effectively reduced at about 18% when setting about 6 to 8 temporary grounding point after the lightning conductor is insulated.

shunt coefficient; substation short-circuit; insulated lightning conductor; grounding safety; grounding resistance; ATP-EMTP

2015-12-20

田明明(1990-)， 男， 湖北籍， 碩士研究生， 主要從事過電壓以及防雷與接地相關(guān)技術(shù)研究； 曹曉斌(1974-)， 男， 湖南籍， 副教授， 博士， 主要從事特高壓輸電、 防雷與接地、 過電壓及接地技術(shù)的應(yīng)用與研究。

TM81

A

1003-3076(2016)12-0026-06