欖普一線500 kV線路取消架空地線防雷性能分析

龔奕宇，王 言，范松海，雷云澤（．國(guó)網(wǎng)四川電力科學(xué)研究院，成都 60000； ．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 58055）

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欖普一線500 kV線路取消架空地線防雷性能分析

龔奕宇1，王 言2，范松海1，雷云澤2
（1．國(guó)網(wǎng)四川電力科學(xué)研究院，成都 610000； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：欖普一線500 kV線路由于地線覆冰嚴(yán)重，多次出現(xiàn)線路跳閘、地線斷裂等事故，因此需要將架空地線取消。結(jié)合行波法和ATP-EMTP電磁暫態(tài)分析，對(duì)取消地線前后欖普一線的耐雷強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，取消地線后雷擊基本都變?yōu)槔@擊，并且繞擊耐雷強(qiáng)度和反擊耐雷強(qiáng)度均有所降低，需要采用其他防雷措施進(jìn)行保護(hù)。

關(guān)鍵詞：欖普一線；取消地線；耐雷強(qiáng)度；ATP-EMTP

引言

四川省涼山地區(qū)平海拔2 000-3 000 m，冬季平均氣溫-1 ℃，地理環(huán)境復(fù)雜多變，具有多處特殊的微地形區(qū)域。相對(duì)于其他地區(qū)，微地形區(qū)域內(nèi)較容易形成極端氣候條件，對(duì)特高壓輸電線路的正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。涼山地區(qū)有等數(shù)條特高壓輸電線路。以欖普一線為例：欖普一線途徑小臺(tái)灣區(qū)域，區(qū)域內(nèi)微氣象條件突出，極易發(fā)生冰災(zāi)。僅在2009年到2012年1月三年內(nèi)就發(fā)生了8起以上嚴(yán)重冰災(zāi)事故。架空地線由于不能采取融冰等措施，覆冰情況尤為嚴(yán)重。架空地線嚴(yán)重覆冰后，一方面容易導(dǎo)致地線向覆冰較重的一端滑動(dòng)，增大地線弧垂，使地線與導(dǎo)線間距減小，引起導(dǎo)線對(duì)地線的放電；另一方面，由于地線直徑較小，覆冰嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生地線斷裂事故。為了提高線路的抗冰性能，某些地區(qū)采用了取消架空地線的措施。取消架空地線后，整條線路失去了對(duì)雷擊的防護(hù)，線路的耐雷強(qiáng)度以及相應(yīng)的雷擊跳閘率需要重新計(jì)算。

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定了線路耐雷水平、線路跳閘率等參數(shù)的計(jì)算方法。然而此標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法是以一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)條件為基礎(chǔ)的，計(jì)算精度僅適用于220 kV及以下線路，稱為規(guī)程法。500 kV及以上輸電線路由于輸電桿塔較高、線路走廊加寬以及運(yùn)行電壓提高，不可忽略雷電波在桿塔內(nèi)的折返射現(xiàn)象，其耐雷強(qiáng)度無(wú)法采用規(guī)程法計(jì)算，需要結(jié)合行波法和EMTP/ATP法進(jìn)行計(jì)算。

1　模型建立

采用行波法計(jì)算時(shí)，由于高桿塔高度較高，波沿桿塔傳播時(shí)，不同高度的桿塔部分由于L0和C0都不同，使得沿桿塔分布的波阻抗是變化的。為了精確起見，可以使用多段波阻抗模型來(lái)模擬輸電線路的桿塔。

欖普一線桿塔主要由酒杯型桿塔構(gòu)成，對(duì)應(yīng)的ATPEMTP模型如圖1所示。

欖普一線各個(gè)部分的阻抗值單獨(dú)計(jì)算，接地電阻選擇為20 Ω。

圖1　多段波阻抗模型來(lái)模擬輸電線路的桿塔

圖2　取消地線后繞擊閃絡(luò)分析

2　仿真結(jié)果分析

2.1 取消地線后繞擊閃絡(luò)（見圖2）和非閃絡(luò)分析

以取消地線后的欖普一線為例。發(fā)生雷電繞擊閃絡(luò)后，絕緣子A相電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖銳的正向峰值，對(duì)應(yīng)的是絕緣子被擊穿的電氣過程。尖峰出現(xiàn)后，絕緣子A相電壓瞬間變?yōu)?，證明絕緣子已經(jīng)發(fā)生了繞擊閃絡(luò)。流過絕緣子的瞬時(shí)電流也很大，可達(dá)到15 kA以上。而如果沒有發(fā)生閃絡(luò)，絕緣子A相電壓會(huì)先出現(xiàn)一個(gè)正向的波動(dòng)，但是電壓波動(dòng)的峰值較小，變化率較緩。波動(dòng)之后，由于未發(fā)生閃絡(luò)，絕緣子無(wú)電流通過。對(duì)于母線電流，發(fā)生繞擊閃絡(luò)后，母線A相電流會(huì)先出現(xiàn)一個(gè)負(fù)向峰值，在出現(xiàn)一個(gè)正向峰值，負(fù)向和正向峰值對(duì)應(yīng)絕緣子擊穿前瞬間和擊穿后瞬間電路的狀態(tài)。之后母線電流逐漸平穩(wěn)，但無(wú)法回到雷擊前的電流值。這是因?yàn)榻^緣子被擊穿，整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，母線電流會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)向波動(dòng)，但很快能恢復(fù)到雷擊前的值。

線路存在架空地線（見圖3）的情況下，由于架空地線的分流作用，部分電流會(huì)從地線中流出。因此流經(jīng)絕緣子的電流衰減較快，母線電流也不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正向峰值。后續(xù)結(jié)果還可以說明，架空地線的分流作用都大于取消地線的情況。另一方面，由于地線較長(zhǎng)，電磁波在其中會(huì)產(chǎn)生明顯的折返射，因此電流和電壓都有較為明顯的震蕩現(xiàn)象。可以證明，改變輸電線路長(zhǎng)度時(shí)，仿真所得電流和電壓的震蕩周期也會(huì)隨之改變。

反擊閃絡(luò)情況下絕緣子兩端電壓以及流經(jīng)絕緣子電流的方向均與繞擊閃絡(luò)時(shí)相反。這是因?yàn)槔纂姺磽羲?，?huì)引起塔頂電位的抬升，絕緣子靠近桿塔一側(cè)電壓較高。而雷電繞擊導(dǎo)線時(shí)，會(huì)引起導(dǎo)線電位抬升，從而導(dǎo)致絕緣子靠近導(dǎo)線一側(cè)電壓較高。其余特征與繞擊結(jié)果類似。

3　欖普一線耐雷強(qiáng)度

采用二分法對(duì)欖普一線的耐雷強(qiáng)度進(jìn)行研究。經(jīng)過反復(fù)嘗試，最終得出三條線路在有無(wú)架空地線兩種情況下的繞擊與反擊耐雷強(qiáng)度表1所示。

表1中的概率P是指一般地區(qū)雷電流超過線路耐雷強(qiáng)度的概率，計(jì)算公式為：

如表1所示，欖普一線有無(wú)架空地線對(duì)應(yīng)的繞擊耐雷強(qiáng)度相差不大，有架空地線時(shí)繞擊耐雷強(qiáng)度略高。證明了繞擊耐雷強(qiáng)度僅和絕緣子強(qiáng)度與線路運(yùn)行電壓有關(guān)，而與桿塔結(jié)構(gòu)以及有無(wú)架空地線基本無(wú)關(guān)。在具有架空地線時(shí)，欖普一線的反擊耐雷強(qiáng)度明顯大于無(wú)地線時(shí)的反擊耐雷強(qiáng)度。這是因?yàn)樗敺磽綦妷号c架空地線的分流作用以及桿塔結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。取消架空地線后，地線分流作用消失，雷電流更容易在塔頂產(chǎn)生高電壓。

圖3　存在架空地線時(shí)繞擊閃絡(luò)分析

表1　三條線路繞擊耐雷強(qiáng)度

4　結(jié)論和建議

欖普一線取消架空地線后，一方面雷擊類型基本上都變?yōu)槔@擊雷，線路整體繞擊耐雷強(qiáng)度較低，自然界中雷電流數(shù)值超過其耐雷強(qiáng)度的可能性較高；另一方面，即使在桿塔附近出現(xiàn)反擊雷，線路整體的耐雷強(qiáng)度也遠(yuǎn)低于存在架空地線的情況。因此，取消架空地線后欖普

一線抗雷水平明顯降低，必須要采取其他有效措施來(lái)預(yù)防可能發(fā)生的雷擊跳閘事故。實(shí)際工程中，可以加裝帶純空氣間隙的500 kV線路避雷器。由于取消架空地線后線路整體抗雷性能降低，因此需要對(duì)避雷器的通流容量以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全校核。

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龔奕宇（1986），男，碩士，工程師，主要從事輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)價(jià)、狀態(tài)信息高級(jí)應(yīng)用。

王言(1992)，男，碩士研究生，主要從事特高壓輸電線路仿真計(jì)算研究。

雷云澤(1991)，男，碩士研究生，主要從事外絕緣檢測(cè)方面的研究。

Analysis of Maximum Allowable Lightning Current on Lanpu No.1 Line When Canceling Earth Line

GONG Yi-yu1, WANG Yan2, FAN Song-hai1, LEI Yun-ze2
(1. Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

Abstract：Lanpu No.1 overhead transmission line has occurred many line trip and fracture of earth line by the reason of seriously covering ice of earth line. So it’s a necessity to cancel the earth line. By using the traveling wave method and Electromagnetic Transients Program, this paper calculates the maximum allowable lightning current of Lanpu No.1 line with and without earth line respectively. The result shows that firstly, when canceling the earth line, the lightning always strikes the transmission; secondly, the maximum allowable lightning current decreases whether it’s lightning shielding failure or back flashover. So Lanpu No.1 line needs other protection measure.

Key words：lanpu No.1 line; canceling earth line; maximum allowable lightning current; ATP-EMT

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào)：TM863

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）01-0036-04