500 kV交流線路避雷器不同配置方案對同塔雙回線路防雷性能的影響

陳 坤，谷山強，周 航，胡益香，徐志達(dá)，趙慶源

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京211000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；3.遼寧省電力有限公司本溪供電公司，遼寧 本溪 117000）

500 kV交流線路避雷器不同配置方案對同塔雙回線路防雷性能的影響

陳 坤1,2，谷山強1,2，周 航1,2，胡益香1,2，徐志達(dá)3，趙慶源3

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京211000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；3.遼寧省電力有限公司本溪供電公司，遼寧 本溪 117000）

為了研究500 kV交流線路避雷器在同塔雙回輸電線路上不同配置方案下的防雷效果，選擇500 kV交流輸電線路典型雙回線路桿塔，對配置2支、3支和4支線路避雷器的不同安裝方案下的雷擊跳閘率及單相單回、雙相單回和雙回閃絡(luò)耐雷水平進行仿真計算，結(jié)果表明，在配置2支、3支、4支線路避雷器后，不同的安裝方案，雷擊閃絡(luò)耐雷水平均有所提高，但雷擊跳閘率有持平和降低，因此需要根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化配置方案，為同塔雙回線路后期防雷改造提供參考和依據(jù)。

500 kV；同塔雙回；線路避雷器；耐雷水平；優(yōu)化配置；雷擊跳閘率

0 引言

依據(jù)我國多年對雷電活動的觀測統(tǒng)計，在高壓輸電線路運行中由雷擊引起的線路跳閘事故占40%～70%，尤其在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜、高桿塔等區(qū)域，雷擊引起的跳閘率更高[1]。對于500kV及以上的超特高壓輸電線路，由于線路絕緣水平提高，雷電反擊耐雷水平很高，超特高壓線路跳閘主要不是雷擊桿塔時引起的反擊造成的，而是繞擊導(dǎo)線引起的，防雷的主要目標(biāo)是減小繞擊跳閘率，同塔雙回及以上線路更加存在同跳現(xiàn)象[2-5]。目前運行單位主要采用降低接地電阻、控制保護角和安裝塔頭避雷針等防雷措施，但是這些措施在山區(qū)或土壤電阻率較高的地區(qū)，應(yīng)用效果并不理想。統(tǒng)計現(xiàn)有防雷措施運行情況，裝設(shè)避雷器是最有效的防雷手段[6-10]。

通過多年的防雷運行經(jīng)驗，線路避雷器在應(yīng)用時仍然存在著一些亟待解決的問題：一是線路避雷器在配置時還主要依賴于運行經(jīng)驗，缺乏統(tǒng)一的配置原則及規(guī)范，防雷針對性及技術(shù)經(jīng)濟性不高；二是對于持續(xù)供電要求較高的重要線路，僅為安裝線路避雷器安排停電極為困難。因此，開展線路避雷器配置方式的研究，不僅提高輸電線路防雷工作的針對性和技術(shù)經(jīng)濟性，還能夠避免因安裝線路避雷器的原因安排線路停電，減少電能及負(fù)荷損失。

筆者將通過對500 kV同塔雙回輸電線路在配置2支、3支和4支線路避雷器后不同安裝方案下的防雷效果進行仿真計算，挑選最為優(yōu)化的配置方案，在提升線路耐雷水平的同時降低雷擊跳閘率。

1 工程概況

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，無論是工業(yè)用電還是居民用電對輸電容量需求日益增加，但隨著城鎮(zhèn)化不斷擴大，輸電線路可使用通道日益緊張，同塔多回線路在我國大量應(yīng)用，其雷電防護也成為目前國內(nèi)外防雷研究的重點[11-13]。

對500 kV單回交流輸電線路三相導(dǎo)線通常選擇在其兩邊相導(dǎo)線位置處各安裝一支避雷器的配置方式，對同塔雙回交流輸電線路有六相導(dǎo)線，因此需要研究不同避雷器配置數(shù)量及不同安裝位置下的耐雷性能，同塔雙回線路避雷器若每回每相均安裝避雷器，最多可安裝6支，但避雷器的配置數(shù)量不宜過多，否則會帶來一次經(jīng)濟投入過大及后期運維工作量過大的問題，通常建議安裝2～4支避雷器。因此筆者將對安裝2支、3支和4支線路避雷器的不同安裝位置對同塔雙回線路的防雷性能的影響進行仿真計算。

2 仿真計算

2.1 建模

在輸電線路的反擊計算上，許多學(xué)者都曾對雷擊過程中桿塔建模做過研究[14-17]，鑒于采用規(guī)程法對高電壓等級和大跨越高桿塔輸電線路反擊耐雷水平進行計算時產(chǎn)生的誤差較大，蒙特卡洛法和故障樹法在應(yīng)用上的不便和比較明顯且難以克服的缺陷等，筆者采用基于行波法的EMTP程序來建立輸電線路反擊耐雷性能分析模型。詳細(xì)建模參數(shù)如下:

1）波阻抗選取400 Ω，雷電流源選取2.6/50.0 μs的標(biāo)準(zhǔn)波形[18]；

2）EMTP程序中可自動通過輸電線路結(jié)構(gòu)參數(shù)來獲取隨頻率變化的線路阻抗[18]；

3）對500 kV交流輸電線路典型同塔雙回鼓型塔建立多阻抗模型，詳細(xì)參數(shù)見表1，模型如圖1所示[19]；

4）采用先導(dǎo)法建立絕緣子閃絡(luò)判據(jù)[19]。

表1 500kV線路典型同塔雙回鼓型塔參數(shù)表Table 1 500kV lines with double drum tower towers typical parameter table

圖1 500 kV同塔雙回交流輸電線路桿塔塔型和波阻抗模型Fig.1 500 kV double circuit AC transmission tower type and wave impedance model

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 2支避雷器配置方式的仿真結(jié)果

根據(jù)排列組合計算2支避雷器在6相線路的配置方式，篩選左右相同配置后，共有9種不同配置結(jié)果，如圖2所示。

圖2 2支避雷器配置方式(黑點表示避雷器)Fig.2 Two lightning arrester configuration mode（Black said arrester）

根據(jù)配置方式，仿真計算同塔雙回線路裝設(shè)避雷器后的單相單回閃絡(luò)、雙相單回閃絡(luò)和雙回同時閃絡(luò)耐雷水平和跳閘率見表2及圖3、圖4所示。

表2 同塔雙回輸電線路2支避雷器不同配置方式下的耐雷水平和跳閘率Table 2 The same tower double circuit transmission line lightning arrester 2 different configurations under the lightning withstand level and trip rate

圖3 不同避雷器配置方式下單相單回、雙相單回及雙回雷擊閃絡(luò)跳閘率Fig.3 Single and double phase single and double phase single circuit and double return lightning flashover trip rate under different lightning arrester configuration

由表2、圖3和圖4可以看出，配置線路避雷器后其單相單回閃絡(luò)、雙相單回閃絡(luò)和雙回同時閃絡(luò)耐雷水平均有提高，從線路避雷器不同配置方式下的平均耐雷水平來看，其單相單回閃絡(luò)、雙相單回閃絡(luò)和雙回同時閃絡(luò)較未配置線路避雷器時的耐雷水平分別提高了9 kA、40 kA、150 kA，其雙回同時閃絡(luò)耐雷水平提高幅度最大。

圖4 不同避雷器配置方式下單相單回、雙相單回及雙回閃絡(luò)耐雷水平Fig.4 Different arrester configuration mode of single circuit and double phase single circuit and double back flashover lightning protection level

從圖中可以看出，在只配置兩支避雷器的情況下，建議采取第一種配置方式，即上橫擔(dān)兩相導(dǎo)線安裝線路避雷器。

2.2.2 3支避雷器配置方式的仿真結(jié)果

根據(jù)排列組合計算3支避雷器在6相線路的配置方式，篩選左右相同配置后，共有10種不同配置結(jié)果，如圖5所示。同塔雙回線路3支避雷器不同配置方式下單相單回閃絡(luò)、雙相單回閃絡(luò)和雙回同時閃絡(luò)耐雷水平和跳閘率見表3、圖6和圖7所示。

圖5 3支避雷器配置方式(黑點表示避雷器)Fig.5 Three lightning arrester configuration mode（black said arrester）

同塔雙回線路配置3支避雷器后其單相單回閃絡(luò)、雙相單回閃絡(luò)和雙回同時閃絡(luò)耐雷水平分別為154 kA、234 kA、345 kA，相比配置兩支避雷器的情況其耐雷水平進一步提高，相應(yīng)的跳閘率進一步降低。

圖7為同塔雙回線路3支避雷器不同配置方式下單回閃絡(luò)、雙回閃絡(luò)及第三相閃絡(luò)耐雷水平對比情況。

從圖7可以看出，同塔雙回線路3支避雷器不同配置方式下的單相單回閃絡(luò)、雙相單回閃絡(luò)和雙回同時閃絡(luò)耐雷水平呈現(xiàn)一定規(guī)律，變化趨勢一致，其中在第一、第四、第七種配置方式下的單回閃絡(luò)及雙回閃絡(luò)耐雷水平較高，而第三相閃絡(luò)耐雷水平則是第二、第五、第八種配置方式下較高，綜合二者的效果，在只配置3支避雷器的情況下，建議采取第一種配置方式。

表3 同塔雙回線路3支避雷器不同配置方式下的耐雷水平和跳閘率Table 3 The same tower double circuit transmission line lightning arrester 3 different configurations under the lightning withstand level and trip rate

圖6 不同避雷器配置方式下單相單回、雙相單回及雙回雷擊閃絡(luò)跳閘率Fig.6 Single and double phase single and double phase single circuit and double return lightning flashover trip rate under different lightning arrester configuration

圖7 不同避雷器配置方式下單相單回、雙相單回及雙回雷擊閃絡(luò)耐雷水平Fig.7 Different arrester configuration mode of single circuit and double phase single circuit and double back flashover lightning protection level

2.2.3 4支避雷器配置方式的仿真結(jié)果

排除左右相同組合，4支避雷器配置方式共有6種，見圖8所示。

圖8 4支避雷器配置方式(黑點表示避雷器)Fig.8 Four lightning arrester configuration mode（black said arrester）

同塔雙回線路安裝4支避雷器后，只有單回閃絡(luò)和雙回閃絡(luò)，不同配置方式下的跳閘率和耐雷水平見表4、圖9和圖10所示。

表4 同塔雙回線路4支避雷器不同配置方式下的耐雷水平和跳閘率Table 4 The same tower double circuit transmission line lightning arrester 4 different configurations under the lightning withstand level and trip rate

圖9 不同避雷器配置方式下單回及雙回閃絡(luò)跳閘率Fig.9 Single circuit and double circuit flashover trip rate of different lightning arrester configurations

從計算結(jié)果來看，相比配置2支、3支避雷器的情況其耐雷水平進一步提高，單回閃絡(luò)、雙回閃絡(luò)平均耐雷水平分別為173kA、302kA，從表4、圖9和圖10可以看出，同塔雙回輸電線路在配置四支避雷器的情況下，為防止同跳，建議采取圖8中第（5）種配置方式。

3 結(jié)論

圖10 不同避雷器配置方式下單回及雙回閃絡(luò)耐雷水平Fig.10 Arrester configuration of single circuit and double circuit flashover lightning protection level

1）500 kV同塔雙回交流輸電線路安裝2支線路避雷器，共有9種配置方案，如圖2所示，從仿真結(jié)果看，第（1）種在上相導(dǎo)線安裝避雷器方式的單相單回閃絡(luò)、雙相單回閃絡(luò)和雙回同時閃絡(luò)耐雷水平和跳閘率明顯優(yōu)于其他，但由于本安裝方式兩回路間絕緣配置對稱，根據(jù)運行經(jīng)驗，防止雙回路同時跳閘，建議采用圖2中的第（4）種方式，即兩支避雷器安裝在同一回線路上。

2）500 kV同塔雙回交流輸電線路安裝3支線路避雷器，共有10中安裝方式，如圖5所示，根據(jù)仿真結(jié)果，第一、第四、第七種配置方式下的單回閃絡(luò)及雙回閃絡(luò)耐雷水平較高，而第三相閃絡(luò)耐雷水平則是第二、第五、第八種配置方式下較高，綜合二者的效果，在只配置3支避雷器的情況下，建議采取第一種配置方式，但運行中為防止同跳，建議采取圖5中的第（10）種安裝方式進行配置，確保同一回路中相見不存在差絕緣，雷擊閃絡(luò)中可靠運行。

3）500 kV同塔雙回交流輸電線路安裝4支線路避雷器，共有6種安裝方式，如圖8所示，從計算結(jié)果來看，相比配置2支、3支避雷器的情況其耐雷水平進一步提高，為防止雙回線路在雷擊中同時閃絡(luò)，建議選擇圖8中第5種安裝方式。

[1]國家電網(wǎng)公司．國家電網(wǎng)公司2005—2010年架空輸電線路運行分析報告[R]．北京：國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)部 ，2011．State Grid Corporation of China．Operation analysis of overhead power transmission lines of State Grid Corpora?tion of China between 2005 to 2010[R]．Beijing：Produc?tion Technology Department of State Grid Corporation of China，2011．

[2]范冕，萬磊，戴敏，何慧雯，李志軍，谷定燮.1000kV/500kV特、超高壓同塔4回交流輸電線路雷電性能仿真分析[J].高電壓技術(shù)，2013（3）:584-591.FAN Mian，WANLei，DAI Min，etal． Lightning perfor?mance Simulation and analysis of Quadruple-circuit Transmission Line with Dual voltage 1000kV/500kV on the same tower[J].High Voltage Engineering，2013（3）:584-591.

[3]周浩，趙斌財，王東舉，等．500/220 kV同塔四回線路的耐雷性能研究[J]．高電壓技術(shù)，2008，34（10）：2075-2080.ZHOU Hao，ZHAO Bincai，WANG Dongju，et al.Light?ning performance of quadruple-circuit transmission line with dual voltage 500/220 kV on the same tower[J].High Voltage Engineering，2008，34（10）:2075-2080.

[4]李漢明，陳維江，詹銘，等．220/110 kV同桿四回線路耐雷性能的研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（21）：27-30．LI Hanming，CHEN Weijiang，ZHAN Ming，et al.Re?search on lightning performance of quadruple circuit trans?mission 1ine with dual voltage 220/110kV on the same tower[J].Power System Technology，2005，29（21）:27-30.

[5]李振，余占清，何金良，等．線路避雷器改善同塔多回線路防雷性能的分析[J].高電壓技術(shù)，2011，37(12):3120-3128．LI Zhen，YU Zhanqing，HE Jinliang，etal． Line surge ar?rester improving lightning protection performance of trans?mission lines with multi-circuits in a tower[J]．High Volt?age Engineering，2011，37(12)：3120-3128．

[6]張思寒.避雷器配置方式對220kV同塔多回輸電線路防雷效果研究[J].電瓷避雷器，2015（2）:82-86+93.ZHANG Si-han，Research of Arrester Installati on Config?uration on Lightning Protection Effect in 220kV Multi-Cir?cuit Transmission Lines[J].Insulatorsand Surge Arresters，2015（2）:82-86+93.

[7]彭曉亮，陳坤，劉新，等.±500kV直流線路避雷器在江城線的應(yīng)用[J].電瓷避雷器，2014（4）:111-115.PENG Xiaoliang，CHEN Kun，LIU Xin，etal.Application of±500kV DC transmission line arresters in Jiang cheng line[J]，Insulators and Surge Arresters，2014（4）:111-115.

[8]蘇杰，曹炯;姜文東;等.220kV/110kV同塔四回輸電線路雙回同時閃絡(luò)耐雷性能及防治[J].電瓷避雷器，2013（5）:90-96.SU Jie，CAO Jiong，JIANG Wen-dong，etal.Lightning Pro?tection Performance of Double-Circuit Flashover Simulta?neously and Its Prevention for Quadruple-Circuit Trans?mission Line with 220kV/110kV Voltage in a Tower[J].In?sulators and Surge Arresters，2013（5）:90-96.

[9]詹花茂，李成榕，陳秀娟，等．線路避雷器安裝方案及效果分析[J]．電瓷避雷器，2004（3）：32-35．ZHAN Huamao，LI Chengrong，CHEN Xiujuan，et al.Analysis on installation and effect of transmission line surge arresters[J].Insulators and Surge Arresters，2004（3）:32-35.

[10]鄭江，林苗．線路避雷器在防雷中的作用研究[J]．電瓷避雷器，2006（6）：38-41．ZHENG Jiang，LIN Miao.Study on function of line surge arresteratlinelightningprotection[J].InsulatorsandSurge Ar?resters，2006（6）:73-76.

[11]孫義豪，司馬文霞，楊慶，等．1000 kV/500 kV同塔混壓4回輸電線路的防雷性能[J].高電壓技術(shù)，2011，37（9）：2102-2110．SUNYihao，SIMA Wenxia，YANG Qing，eta1． Lightning performance of quadruple-circuit transmission line with dual voltage 1000 kV/500 kV on the same tower[J]．High Voltage Engineering，2011，37（9）：2102-2110．

[12]彭向陽，李振，李志峰，等.桿塔接地電阻對同塔多回線路防雷性能的影響[J].高電壓技術(shù)，2011（12）:3113-3119.PENG Xiang-yang，LI Zhen，LI Zh-fen，etal.Influence of Tower Grounding Resistance on Lightning Protection Per?formance of Transmission Lines with Multi-circuits on the Same Tower[J]，High Voltage Engineering，2011（12）:3113-3119.

[13]郭小莜，東莞電網(wǎng)220kV同塔多回架空線路防雷技術(shù)應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)，2013.GUO Xiao-you，Application of Lightning Protection Tech?nology to 220kV Multi-circuit Transmission Lines of the Same Tower in Dongguan Grid[D]，South China University of Technology，2013

[14]張永記，司馬文霞，張志勁．防雷分中桿塔模型的研究現(xiàn)狀[J]．高電壓技術(shù)，2006，32（7）：93-98．ZHANG Yongji，SIMA Wenxia，ZHANG Zhijin． Re?search status of tower model in lightning protection analy?sis[J]．High Voltage Engineering，2006，32（7）：93-98．

[15]袁兆祥，李琥，項玲．桿塔模型對特高壓變電站反擊波過電壓的影響[J]．高電壓技術(shù)，2008，34（5）：867-871．YUAN Zhao-xiang，LI Hu，XIANG Ling．Dependence of tower model to lightning strike back overvoltage in extra high voltage substation[J]．High Voltage Engineering，2008，34（5）：867-871．

[16]莫付江，陳允平，阮江軍．輸電線路桿塔模型與防雷性能計算研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（21）：81-84．MO Fujiang，CHEN Yunping，RUAN Jiangjun．Calculation re?search on transmission line tower model and lightning pro?tection performance[J]．Power System Technology，2004，28（21）：81-84．

[17]王東舉，周浩，陳稼苗，等．特高桿塔的多波阻抗模型設(shè)計及雷擊暫態(tài)特性分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（23）：12-16．WANG Dongju，ZHOU Hao，CHEN Jiamiao．etal．De?sign of multiimpedance model of extra high voltage trans?mission line tower and analysis of lightning strike transient performance[J]． Power System Technology，2007，31（23）：12-16．

[18]岳靈平，陸利平，章旭泳，戴建華.±500kV宜華直流輸電線路雷電性能評估研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012（7）:161-165.Assessment on Lightning Performance of 500kV Overhead DC Power Transmission Line From Yichang to Shanghai[J].PowerSystem Technology，2012（7）:161-165.

[19]梁義明，葛棟．同塔多回線路防雷計算中的桿塔模型[J]．高電壓技術(shù)，2006，32（1）：76-78．LIANG Yiming，GE Dong．Tower model in calculation of lightning protection on multi-circuit transmission line with same tower[J]．High Voltage Engineering，2006，32（1）：23-26．

Influence of Different Configuration Schemes of 500 kV AC Line Arrester on Lightning Protection Performance of Transmission Lines with Double-circuit on the Same Tower

CHEN Kun1,2,GU Shanqiang1,2,ZHOU Hang1,2,HU Yixiang1,2,XU Zhida3,ZHAO Qingyuan3
（1.NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute),NanJing 211000,China；2.Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China；3.Benxi power supply company of Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Benxi 11700，China）

In order to study the lightning protection effect of 500 kV AC line surge arrester on differ?ent configurations of double circuit transmission lines on the same tower,500 kV AC transmission line typical double circuit tower is selected,different installation scheme of configuration 2,3 and 4 branch line lightning arrester of lightning trip out rate and single-phase single circuit,double phase single circuit and double back flashover lightning withstand level are simulated and calculated.Results show that,with the configuration of 2，3 and 4 lightning line arrester,under different installation plan,the lightning with?stand level of flashover were improved,but the lightning trip rate is flat and reduced,therefore,according to the simulation results,the optimal configuration scheme is needed to provide reference and basis for the late-stage lightning protection of the same-tower double-circuit line.

500 kV；Double-circuit；Line arrester；Lightning protection level；Optimal allocation；Lightning trip-out rate

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.011

2016-05-20

陳 坤（1982—），男，工程師，從要從事電力系統(tǒng)雷電防護和接地技術(shù)研究。