工頻電壓對(duì)220 kV同塔雙回輸電線路雷擊閃絡(luò)特性的影響

邱建江

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶供電局， 廣東 肇慶 526060）

引言

雷擊是造成輸電線路跳閘的首要原因，是各類外因之首[1-3]。隨著電網(wǎng)輸電規(guī)模不斷遞增，對(duì)線路走廊用地提出了更高的需求，為解決日益緊張的線路用地難題，同塔雙回甚至多回線路已廣泛運(yùn)用于輸電網(wǎng)絡(luò)中[4-6]。然而同塔多回線路平行傳輸線之間的耦合效應(yīng)較強(qiáng)，且雷擊時(shí)刻各相導(dǎo)線幾乎同時(shí)承受雷電過(guò)電壓作用，極容易產(chǎn)生多相甚至是多回同跳的嚴(yán)重事故，造成線路大量有功功率損失，給電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重沖擊[7-9]。

相關(guān)研究及應(yīng)用表明，工頻電壓對(duì)同塔多回線路雷擊閃絡(luò)特性具有較大影響，然而目前我國(guó)輸電線路雷擊防護(hù)計(jì)算與改造相關(guān)研究或是工程應(yīng)用里較少考慮工頻運(yùn)行電壓的影響，計(jì)算得到的耐雷水平與真實(shí)情況存在較大差異，難以解釋實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的異常雷擊閃絡(luò)跳閘情況。目前美、日等國(guó)在防雷計(jì)算里已將工頻電壓對(duì)雷擊閃絡(luò)特性的影響考慮進(jìn)去，我國(guó)規(guī)程卻未考慮此因素，存在不合理性。

分析工頻電壓對(duì)同塔多回輸電線路雷擊閃絡(luò)特性對(duì)于掌握雷擊過(guò)電壓分布特征、多相或多回同跳形成機(jī)理以及制定針對(duì)性的防范措施具有重要意義。本文以一條220 kV對(duì)稱同塔雙回輸電線路為研究對(duì)象，分析了雷擊過(guò)電壓分布、不同電源相角下雷擊閃絡(luò)次序，以期為220 kV同塔雙回線路防雷帶來(lái)一定的指導(dǎo)意義。

1 模型建立

1.1 桿塔模型

式（1）為輸電線路鐵塔主干位置的波阻抗求解方法。該式采用了對(duì)稱分布的多導(dǎo)體波阻抗大小的求解原理。

式中，rek為輸電桿塔主干部分的等值半徑，m；hk為輸電桿塔主干半徑，m。

上述式（1）對(duì)于計(jì)算圓柱狀鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)成的鐵塔具有較好的適用性，而對(duì)于典型的角鋼結(jié)構(gòu)，則需要將式中rTk替換為角鋼寬度的一半進(jìn)行計(jì)算。

已有研究者對(duì)桿塔多波阻抗計(jì)算方法進(jìn)行了分析，并對(duì)桿塔是否包含支架兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)與測(cè)量。研究結(jié)果表明，當(dāng)主干上增加支架后，波阻抗相比于之前降低了10%左右。因此模型分析中計(jì)及桿塔支架的影響，將支架并聯(lián)到主干部分，并將其波阻抗設(shè)置為主干部分的9倍，即：

根據(jù)上述多波阻抗計(jì)算原理，選用了220 kV KII-SZC2桿塔作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)圖及多波阻抗模型如下頁(yè)圖1所示。

1.2 雷電流模型

實(shí)測(cè)雷電流波形種類較多，防雷應(yīng)用中普遍采用典型的2.6/50 μs雷電流作為雷電流源，本文也采用此電流源作為激勵(lì)。

1.3 絕緣子閃絡(luò)模型

圖1 220 kVKII-SZC2桿塔結(jié)構(gòu)圖及多波阻抗模型（mm）

先導(dǎo)法考慮了長(zhǎng)空氣間隙放電過(guò)程，與實(shí)際雷擊絕緣子閃絡(luò)過(guò)程較為一致。本文采用先導(dǎo)法作為絕緣子閃絡(luò)的判別方法，其中先導(dǎo)發(fā)展速度如式（3）所示，該公式由CIGRE WG33.01所推薦，目前被廣泛采用。

式中：L為已發(fā)展的先導(dǎo)長(zhǎng)度，m；u（t）為絕緣子耐受的瞬時(shí)電壓值，kV；D為絕緣子高低壓端間隙長(zhǎng)度，m；E0為先導(dǎo)起始場(chǎng)強(qiáng)，kV/m；k為一經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，m2/（s·kV2）。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 雷擊過(guò)程各相絕緣子電壓分布特征

為簡(jiǎn)化分析，不考慮工頻電壓的影響，施加雷電流幅值為70 kA，接地電阻保持25 Ω不變，計(jì)算結(jié)果如圖2～圖5所示。

注：V:A1-#1回A相導(dǎo)線電壓；V:AT1-#1回A相絕緣子懸掛點(diǎn)所的在橫擔(dān)處電壓；V:A1-AT1-#1回A相絕緣子承擔(dān)電壓。其它相別定義與此類似。

圖2 橫擔(dān)電位圖

圖3 三相絕緣子電壓

圖4 A相絕緣子電壓對(duì)比圖

圖5 三相導(dǎo)線感應(yīng)電壓

從圖2—圖5可得到如下基本規(guī)律。

1）由于1號(hào)回與2號(hào)回線路完全對(duì)稱，因此相同相別下兩回導(dǎo)線電壓、橫擔(dān)電位、絕緣子承受電壓分別相等，波形特征保持完全一致，理論上雷擊作用時(shí)刻，相同相別應(yīng)同時(shí)閃絡(luò)。

2）沿塔頂向下，桿塔橫擔(dān)電位絕對(duì)值逐漸降低（圖 2），A、B、C三相橫擔(dān)電位絕對(duì)值依次為1.57、1.42、1.39 MV。這是因桿塔接地電阻反射波的抑制作用所致，越遠(yuǎn)離接地電阻，抑制效應(yīng)越不明顯，因此上相橫擔(dān)電位絕對(duì)值總是高于下相。

3）盡管上相橫擔(dān)電位高，但上相導(dǎo)線與避雷線距離小，強(qiáng)耦合作用會(huì)顯著削弱絕緣子端電壓，使得A、B、C三相絕緣子電壓呈升高趨勢(shì)。

2.2 不考慮工頻電壓下雷擊閃絡(luò)過(guò)程

不斷增大電流，不同雷電流作用下閃絡(luò)特性計(jì)算結(jié)果如圖6、下頁(yè)圖7所示。

逐漸增加雷電流幅值，首先C相閃絡(luò)，且兩回C相同閃。雷電流從75 kA增加1 kA后，造成雙回B相同閃，進(jìn)一步增加至80 kA后，所有相別均閃絡(luò)，這與2.1過(guò)電壓分布特性規(guī)律一致。可看出由于相間距離較近，雷電反擊時(shí)各相絕緣子電壓水平相近，因此極容易發(fā)生同跳事故。

圖6 不同幅值雷電流作用下絕緣子電流

2.3 工頻電壓時(shí)雷擊閃絡(luò)次序

工頻電壓瞬時(shí)值與相角有關(guān)，根據(jù)三相工頻電源時(shí)變規(guī)律，當(dāng)相角α依次取30°、90°、150°、210°、270°、330°時(shí)，不同相之間電壓差可達(dá)到最大值311.2 kV。不同相角下雷擊閃絡(luò)次序見(jiàn)圖8。

從圖8可看出，不同相角下雷擊閃絡(luò)次序存在顯著差異。由于工頻電壓在絕緣子兩端耐受總電壓中占據(jù)了顯著的比例，因此對(duì)雷擊閃絡(luò)次序影響較大，在瞬時(shí)工頻電壓影響下，任意一相絕緣子均有可能先發(fā)生閃絡(luò)。

圖7 不同幅值雷電流作用下絕緣子閃絡(luò)次序

3 結(jié)論

1）由于桿塔的對(duì)稱性，在不考慮工頻電壓作用下，左右兩回相同相別耐受電壓一致，總是同時(shí)閃絡(luò)。

2）雷擊作用時(shí)，橫擔(dān)電位從上往下依次降低，但A相導(dǎo)線與避雷線距離小，耦合作用較大，在導(dǎo)線上產(chǎn)生同極性感應(yīng)電壓，使得絕緣子耐受電壓降低，綜合因素使得A、B、C三相雷擊過(guò)電壓依次增加。因此不考慮工頻電壓影響下，C相最容易閃絡(luò)，B相次之，A相相對(duì)較難閃絡(luò)。

3）電源相角對(duì)不同雷電流下閃絡(luò)相別影響顯著，由于工頻電壓的疊加作用，任何相別均有可能最先發(fā)生閃絡(luò)。

圖8 不同相角下雷擊閃絡(luò)次序