基于ATP-EMTP線路避雷器安裝位置的仿真分析

郝捷, 鄭惠萍, 陳蕭霖, 張穎, 武娜

(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 電力科學(xué)研究院,山西 太原　030001； 2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 檢修分公司,江蘇 南京　210000)

0　引　言

在架空線路中的易擊桿塔上安裝線路避雷器能有效提高線路的耐雷水平，但是否有必要在易擊桿塔附近的桿塔上都安裝線路避雷器卻鮮有文獻(xiàn)介紹，本文通過仿真分析，對(duì)某實(shí)際運(yùn)行的35kV線路仿真研究，探討易擊桿塔線路避雷器的安裝位置對(duì)其防雷效果的影響[1]。

1　易擊桿塔線路避雷器安裝位置的研究

1.1　避雷器安裝位置對(duì)耐雷水平仿真研究

本文采用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，以某實(shí)際35 kV線路建立了其線路的防雷仿真系統(tǒng)，部分仿真模型如圖1所示[2-3]。線路全線架設(shè)單避雷線，接地電阻和絕緣水平基本一致，其中接地電阻取10 Ω，絕緣水平采取4片XP-70瓷絕緣子配置，線路三相均未加設(shè)避雷器。在所建模型中，桿塔之間的檔距也均為統(tǒng)一值，為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文所研究的上字型桿塔，均設(shè)B相與C相位于桿塔同側(cè)，其中C相位于B相上方，而A相位于另外一側(cè)。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，4#桿塔為線路易遭受雷擊的桿塔。首先通過試探法即逐次改變擊中未安裝避雷器時(shí)的各基桿塔計(jì)算每基桿塔所對(duì)應(yīng)的耐雷水平，如表1所示。通過在4#桿塔安裝單相、兩相以及三相避雷器，可仿真計(jì)算每一基桿塔在避雷器不同安裝方式下的耐雷水平，仿真結(jié)果如表2所示。

圖1　 線路避雷器仿真分析研究模型截圖

被擊桿塔號(hào)2#3#4#5#6#被擊桿塔的耐雷水平/kA3131313131

通過表(1)、(2)我們可以發(fā)現(xiàn)，易擊桿4#桿塔裝設(shè)不同方式的線路避雷器后，雷擊時(shí)由于避雷器的分流作用，雷電流通過避雷器進(jìn)入導(dǎo)線，降低了4#桿塔塔頂電位，減小絕緣子兩端所承受的電壓，從而使其耐雷水平得到了較大的提高。而4#附近并未裝設(shè)線路避雷器的桿塔在遭受雷擊時(shí)，其耐雷水平?jīng)]有明顯變化，依然保持31 kA。在4#桿塔AC相與三相同時(shí)安裝避雷器時(shí)，其耐雷水平提升幅度最大，考慮到線路避雷器的造價(jià)較高，本文采用兩邊(AC)相安裝線路避雷器進(jìn)行仿真[4]。在所選定的4#桿塔相鄰桿塔任選一基配合4#桿塔進(jìn)行安裝線路避雷器，此時(shí)當(dāng)各基桿塔分別遭受雷擊時(shí)，其對(duì)應(yīng)的耐雷水平如表3所示。

表2　4#桿塔A、C兩相裝設(shè)線路避雷器時(shí)的耐雷水平

表3　不同桿塔A、C兩相裝設(shè)線路避雷器時(shí)的耐雷水平

由表3可知，當(dāng)3#、4#或4#、5#桿塔A、C兩相安裝線路避雷器時(shí)，由于避雷器的分流作用，安裝有線路避雷器的桿塔，其耐雷水平均有所提高，而未安裝避雷器的桿塔，其仿真結(jié)果依然不變。在4#桿塔已安裝線路避雷器的前提下，對(duì)3#和5#桿塔中任選一基桿塔加裝線路避雷器，均不會(huì)對(duì)4#桿塔耐雷水平的仿真結(jié)果造成影響。這是因?yàn)?#桿塔的耐雷水平并非由其自身的絕緣子的閃絡(luò)情況所決定，雷電流擊于4#桿塔時(shí)，即使其自身的絕緣子并未閃絡(luò)，而附近的3#、5#桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，則同樣認(rèn)為4#桿塔不足以承受如此幅值的雷電流。在3#或5#桿塔安裝避雷器時(shí)，避雷器僅能有效降低自身?xiàng)U塔絕緣子兩端的電壓差，對(duì)于4#桿塔的另一側(cè)相鄰桿塔則不具有保護(hù)作用。

當(dāng)線路中3#、4#和5#桿塔連續(xù)安裝線路避雷器時(shí)，其耐雷水平均有所提高，而未安裝避雷器的2#和6#桿塔，其仿真結(jié)果依然不變。連續(xù)安裝避雷器時(shí)，易擊桿塔4#的耐雷水平提升幅度比兩基桿塔安裝時(shí)要大。造成這種結(jié)果的原因是，由于3#和5#桿塔均加裝線路避雷器，雷擊4#桿塔時(shí)，雷電流經(jīng)4#桿塔的避雷器分流至導(dǎo)線中，沿導(dǎo)線向兩端傳播，流經(jīng)3#和5#桿塔時(shí)，由于避雷器的分流作用，導(dǎo)線中的雷電流通過3#和5#桿塔上的避雷器分流，隨桿塔自身接地裝置入地。同時(shí)，雷電流通過避雷線傳遞至相鄰桿塔，通過其接地裝置泄流入地。這樣就大大增加了桿塔的分流能力，減小雷電流對(duì)線路的危害。

同樣，當(dāng)線路中2#、4#和6#桿塔間斷安裝線路避雷器時(shí)，安裝避雷器的桿塔其耐雷水平均有所提高，而未安裝避雷器的3#和5#桿塔，其仿真結(jié)果依然不變。而線路當(dāng)間斷安裝線路避雷器時(shí)，易擊桿塔4#的耐雷水平提升幅度并未比兩基桿塔安裝時(shí)要大，依然保持45 kA。

在2#～6#連續(xù)五基桿塔安裝線路避雷器時(shí)，每基桿塔的耐雷水平均有所提高，這是最安全的情況。而其中3#、4#和5#桿塔的耐雷水平均被提升至60 kA。通過對(duì)比可知，2#和6#桿塔安裝避雷器對(duì)4#桿塔的耐雷水平的提升沒有影響，而當(dāng)3#和5#桿塔安裝避雷器時(shí)，在2#和6#桿塔加裝避雷器可以有效提高3#和5#桿塔的耐雷水平。

從上述仿真分析中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于35 kV架空線路易擊桿塔，安裝線路避雷器僅能提高安裝桿塔的耐雷水平，若相鄰未安裝桿塔遭受雷擊，線路同樣發(fā)生接地故障。另一方面，連續(xù)安裝線路避雷器對(duì)于提高易擊桿塔的耐雷水平要比間斷安裝時(shí)效果好。而過多的加裝避雷器并不能更高幅度的提升易擊桿塔的耐雷水平。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇易擊桿塔及相鄰共三基桿塔連續(xù)安裝的方式進(jìn)行加裝避雷器。

1.2　線路避雷器對(duì)相鄰桿塔的保護(hù)

安裝線路避雷器后對(duì)相鄰塔的耐雷水平是否有影響，本文以6#塔為例，6#到7#塔檔距為311 m，絕緣配置為4片XP-70型瓷絕緣子。利用ATP軟件仿真出的6#桿塔的耐雷水平為31 kA。7#塔加裝避雷器前后，當(dāng)雷電流幅值為31 kA的雷電流擊于6#桿塔時(shí)，6#塔三相絕緣子兩端電壓波形對(duì)比圖如圖2所示。

圖2　加裝避雷器前后相鄰桿塔絕緣子兩端電壓波形對(duì)比圖

由圖2可知，無(wú)論A、B、C三相，在7#塔加裝線路避雷器前后，6#塔每相絕緣子串兩端電壓波形幾近重合，尤其在第一次峰值時(shí)數(shù)值一致，且相鄰桿塔避雷器未動(dòng)作。而且通過加裝避雷器前后仿真發(fā)現(xiàn)，在誤差1 kA范圍內(nèi)，加裝避雷器前后6#桿塔的耐雷水平均為31 kA。這說明相鄰桿塔安裝線路避雷器后，不會(huì)對(duì)本基桿塔的耐雷水平帶來(lái)太大的變化。

事實(shí)上，如果設(shè)雷電流為一斜角波u，陡度為a，該斜角波u傳輸?shù)?#塔時(shí)，若峰值仍可達(dá)到避雷器的動(dòng)作值，即避雷器發(fā)生動(dòng)作，9#塔絕緣子串的電壓為避雷器殘壓U，此時(shí)，在避雷器安裝處就產(chǎn)生一負(fù)電壓波-at向兩側(cè)傳播，電壓波傳到6#塔時(shí)，6#塔上的電壓為U，且:

U=Uc+2aL/V

(1)

式中：V為雷電流傳播速度。

當(dāng)U>U50%時(shí)，絕緣子閃絡(luò)。因此要求：

(2)

即避雷器根據(jù)絕緣子片數(shù)及避雷器參數(shù)的不同有一定的保護(hù)范圍，而且該保護(hù)范圍相對(duì)于兩基桿塔間的檔距來(lái)說要小很多，所以相鄰桿塔一般不在避雷器保護(hù)范圍內(nèi)[5-6]。

1.3　避雷器安裝位置對(duì)雷電沖擊過電壓仿真研究

為對(duì)比分析不同安裝位置的線路避雷器對(duì)線路中雷電沖擊過電壓幅值的影響，本文選取峰值為30 kA的同一雷電流擊于4#桿塔，通過ATP-EMTP軟件仿真分析線路發(fā)生雷擊時(shí)雷電流對(duì)導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的影響。

同樣，對(duì)4#桿塔、4#和5#桿塔、4#和6#桿塔以及4#、5#和6#桿塔A、C相安裝線路避雷器時(shí)，導(dǎo)線中因雷擊而產(chǎn)生的導(dǎo)線傳輸過電壓進(jìn)行仿真研究。

(1)A相導(dǎo)線傳輸過電壓

分別對(duì)4#桿塔、4#和5#桿塔、4#和6#桿塔以及4#、5#和6#桿塔A、C相安裝避雷器，雷擊4#桿塔時(shí)各基桿塔A相導(dǎo)線傳輸過電壓的波形如圖3所示。

圖3　避雷器不同安裝位置時(shí)A相導(dǎo)線過電壓波形圖

圖3中圖(a)、(b)、(c)、(d)分別表示4#桿塔、4#和5#桿塔、4#和6#桿塔以及4#、5#和6#桿塔A、C相安裝線路避雷器的情況下，雷擊4#桿塔時(shí)各基桿塔A相導(dǎo)線傳輸過電壓的波形。圖3(a)中，4#桿塔安裝線路避雷器，雷電流經(jīng)避雷器流入A相導(dǎo)線，在導(dǎo)線中產(chǎn)生幅值高達(dá)300 kV的過電壓。雷電流沿A相導(dǎo)線向兩側(cè)傳播并不斷衰減，由于線路模型中各桿塔接地電阻、絕緣水平和桿塔之間的檔距均設(shè)為一致，因此，關(guān)于4#桿塔對(duì)稱的3#、5#桿塔和2#、6#桿塔以及1#、7#桿塔的傳輸過電壓波形發(fā)生重合。由圖可知，除受雷擊桿塔外，其余桿塔傳輸過電壓衰減幅度均較小。圖3(b)中，由于5#桿塔安裝有線路避雷器，雷電流經(jīng)導(dǎo)線傳輸至5#桿塔時(shí)，導(dǎo)線中的雷電流經(jīng)避雷器進(jìn)入5#桿塔，通過其自身接地裝置泄入大地，因此其相應(yīng)的5#、6#及7#桿塔處A相導(dǎo)線傳輸過電壓明顯減小，而另一側(cè)的1#、2#、3#桿塔導(dǎo)線傳輸過電壓保持不變。圖3(c)中，4#和6#桿塔安裝避雷器，雷擊4#桿塔時(shí)，5#桿塔處A相導(dǎo)線傳輸過電壓波形與3#桿塔處A相導(dǎo)線傳輸過電壓波形相重合，而6#桿塔由于安裝避雷器，其傳輸過電壓明顯降低，相應(yīng)的7#桿塔也隨之降低。圖3(d)中，4#、5#和6#桿塔連續(xù)安裝線路避雷器時(shí)，5#、6#和7#桿塔處A相傳輸過電壓明顯降低，而1#、2#和3#桿塔處A相傳輸過電壓仍保持原值。

對(duì)比圖3(b)和圖3(d)可以發(fā)現(xiàn)，5#桿塔處A相傳輸過電壓并未發(fā)生變化，而當(dāng)6#桿塔安裝避雷器時(shí)，圖3(d)中6#、7#桿塔處A相傳輸過電壓明顯低于圖3(b)。

(2)C相導(dǎo)線傳輸過電壓

分別對(duì)4#桿塔、4#和5#桿塔、4#和6#桿塔以及4#、5#和6#桿塔A、C相安裝線路避雷器，雷擊4#桿塔時(shí)各基桿塔C相導(dǎo)線傳輸過電壓的波形如圖4所示。

圖5中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示4#桿塔、4#和5#桿塔、4#和6#桿塔以及4#、5#和6#桿塔A、C相安裝線路避雷器的情況下，雷擊4#桿塔時(shí)各基桿塔C相導(dǎo)線傳輸過電壓的波形。其仿真結(jié)果與A相導(dǎo)線中傳輸過電壓幾乎相同。

圖4　避雷器不同安裝位置時(shí)B相導(dǎo)線過電壓波形圖

圖5　避雷器不同安裝位置時(shí)C相導(dǎo)線過電壓波形圖

綜合上述避雷器安裝位置對(duì)三相導(dǎo)線中傳輸過電壓的仿真研究，在實(shí)際應(yīng)用中，在易擊桿及左右相鄰桿塔安裝線路避雷器，不僅能有效降低各基桿塔三相導(dǎo)線中的傳輸過電壓，也有效減少了線路的運(yùn)行造價(jià)。

2　結(jié)束語(yǔ)

本文通過建立35 kV線路防雷仿真模型，得出以下結(jié)論：

(1)以4#桿塔作為易擊桿塔，在易擊桿塔及附近桿塔A、C兩相安裝線路避雷器，通過仿真分析認(rèn)為安裝線路避雷器僅能提高安裝桿塔的耐雷水平，對(duì)相鄰桿塔無(wú)外延保護(hù)。

(2)在易擊桿塔附近連續(xù)安裝線路避雷器對(duì)提高易擊桿塔的耐雷水平和降低導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的峰值要比間斷安裝時(shí)效果好。因此在實(shí)際應(yīng)用中，建議在易擊桿及左右相鄰連續(xù)三基桿塔安裝線路避雷器。

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