污穢絕緣子串對超高壓輸電線路繞擊耐雷性能影響分析

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司運(yùn)維檢修部，合肥230000）

0 引言

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要保障。然而，隨著線路電壓等級的不斷提高，桿塔高度也不斷增加，暴露空間的擴(kuò)大增大了線路遭受雷擊的概率[1]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]表明，2011-2013年間國家電網(wǎng)公司輸電線路由雷擊引起的跳閘次數(shù)約占總跳閘次數(shù)的46.2%。超高壓輸電線的絕緣水平很高，雷電反擊引發(fā)閃絡(luò)的可能性不大，繞擊是引起線路跳閘的主要原因[3]。

為了有效提高線路的防雷水平，降低桿塔接地電阻[4]、敷設(shè)避雷線[5]、安裝線路避雷器[6，7]等一系列措施被采用。線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和仿真結(jié)果都表明這些措施都十分有效。但是由于線路絕緣子串處于戶外工作環(huán)境，受到雨、雪等導(dǎo)電塵埃和鹽分的污染，在表面形成了一層導(dǎo)電膜，大大降低了其絕緣水平。污穢絕緣子串的雷擊閃絡(luò)過程與清潔絕緣子串存在顯著差異[8]，缺乏對污穢絕緣子串狀態(tài)下保護(hù)措施有效性的分析。

筆者利用EMTP軟件[9]搭建500 kV同塔雙回輸電線路模型，分析線路發(fā)生雷擊繞擊時(shí)，清潔絕緣子串與污穢絕緣子串對線路閃絡(luò)的影響，同時(shí)比較絕緣子串不同污染程度下的繞擊耐雷水平。最后，討論改變桿塔接地電阻、改變線路絕緣閃絡(luò)電壓和安裝避雷器等因素對提高線路繞擊耐雷水平的效果，為線路的雷電防護(hù)提供相關(guān)參考。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

常用的雷電流模型有雙指數(shù)函數(shù)波形、Heidler函數(shù)波形、脈沖函數(shù)波形3種，Heidler函數(shù)更適合描述通道底部電流[10]，筆者利用Heidler函數(shù)模擬雷電流波形，具體表達(dá)式如下：

式中：I0為雷電流峰值；τ1和τ2分別為波頭、波尾時(shí)間常數(shù)；n為電流陡度因子，IEC推薦取10。雷電流波形取2.6/50 μs[11]，雷電通道等值波阻抗根據(jù)相關(guān)規(guī)范[10]選取。

1.2 線路及桿塔模型

在EMTP中搭建500 kV同塔雙回線路模型，線路全線敷設(shè)雙避雷線，檔距為500 m，相線型號為LGJ-630/55，避雷線型號LHAGJ-150/25[12]。為降低雷電流高頻成分對線路參數(shù)的影響，相線與避雷線均采用Jmarti模型來反映頻率與線路參數(shù)間關(guān)系及分布損耗特性[13]。

500 kV桿塔型號為S1型鐵塔，采用Hara提出的無損多阻抗桿塔模型，考慮雷電波在桿塔上的傳播過程，同時(shí)體現(xiàn)桿塔橫擔(dān)和支架線段等部位及不同高度處阻抗的變化，具體桿塔布置和相應(yīng)細(xì)化模型如圖1所示[9]。圖1中，Zt為主干波阻抗，ZL為支架波阻抗，ZA為橫擔(dān)波阻抗。

主干波阻抗Ztk通過下式計(jì)算：

實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，由于支架的存在使得波阻抗下降10%左右，支架波阻抗ZLk可以通過下式計(jì)算：

橫擔(dān)可以看作簡單的水平導(dǎo)體來計(jì)算其波阻抗，具體計(jì)算如下：

式中：hk為第k個(gè)橫擔(dān)高度；rAk為等效半徑，取橫擔(dān)與主干連接長度的1/4。

圖1 桿塔結(jié)構(gòu)布置與細(xì)化模型[9]Fig.1 Structure of tower and its circuit model

仿真中桿塔參數(shù)設(shè)置如下：h1=57 m、h2=55 m、h3=44 m、h4=33 m。

1.3 絕緣子串模型

絕緣子串閃絡(luò)的常見判斷方法有規(guī)程法[10]、相交法[14]和先導(dǎo)法[15]。規(guī)程法應(yīng)用于同桿多回線路判斷與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果差別較大，先導(dǎo)法考慮了空氣閃絡(luò)的整個(gè)物理過程，分析結(jié)果十分精確，但模型參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，因此本文線路絕緣閃絡(luò)判據(jù)采用精度較高，模型相對簡單的相交法。

圖2（a）給出了清潔絕緣子串等效電路模型[16]。壓控開關(guān)斷開時(shí)，絕緣子串處于正常狀態(tài)，壓控開關(guān)閉合時(shí)，絕緣子串閃絡(luò)。R表征局部放電電弧電阻，C為其對應(yīng)電容。26片XP-300絕緣子對應(yīng)的50%沖擊放電電壓約為2 690 kV，等效電容3.9 pF，等效電阻4 421 MΩ。

圖2（b）給出了污穢絕緣子串等效電路模型，非線性電阻表征絕緣子污穢表面。絕緣子串表面的污染程度影響其表面電導(dǎo)，污穢和潮濕程度越嚴(yán)重，表面電導(dǎo)越大，絕緣子串越容易沿污穢體表面放電。

圖2 絕緣子串模型Fig.2 Insulator string model

圖3給出了輕度污染與重度污染情況下，非線性電阻伏安特性曲線[17-18]。

圖3 污染絕緣子串伏安特性Fig.3 V-I characteristics of a lightly or polluted insulator

1.4 沖擊接地模型

當(dāng)雷電流幅值較大時(shí)，接地體周圍土壤會(huì)被擊穿導(dǎo)致土壤電離，即產(chǎn)生火花放電效應(yīng)[4]?；鸹ǚ烹娦?yīng)相當(dāng)于增加了接地體的尺寸，從而降低接地電阻。

仿真中接地電阻模型采用CIGRE大電流特性模型，沖擊接地電阻與電流關(guān)系如下[19]：

式中：I為流過接地體的雷電流；Ig為土壤臨界擊穿電流。R0為工頻接地電阻。

臨界土壤擊穿場強(qiáng)與土壤電阻率有關(guān)，具體計(jì)算如下：

式中，ρs為土壤電阻率。

Ig和R0通過下式計(jì)算：

式中，r為表面積相等的半球電極半徑。

1.5 避雷器模型

500 kV線路三相均安裝帶串聯(lián)間隙線路型金屬氧化物避雷器，型號為YH20CX-396/1050，避雷器額定電壓為396 kV，直流參考電壓U1mA不小于561 kV，8/20 μs 10 kA雷電流沖擊下殘壓為1 050 kV。

避雷器的暫態(tài)模型對于分析其能量吸收至關(guān)重要，EMTP中自帶的避雷器模型無法準(zhǔn)確表示帶串聯(lián)間隙避雷器，仿真中采用壓控開關(guān)與非線性電阻串聯(lián)模型來模擬，如圖3所示[20]。

圖4 避雷器模型Fig.4 Equivalent model of the line arrester

當(dāng)避雷器兩端電壓超過間隙擊穿電壓時(shí)，避雷器動(dòng)作，相當(dāng)于開關(guān)閉合。避雷器串聯(lián)放電間隙長度為1 400 mm，擊穿電壓取其50%雷電沖擊放電電壓1 760 kV。避雷器動(dòng)作后，兩端電壓與電流符合下式關(guān)系：

式中：i為流經(jīng)避雷器的電流；Ur為避雷器兩端電壓。k與α根據(jù)具體參數(shù)擬合而得。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 污穢絕緣子串影響

圖5給出了絕緣子清潔、輕度污染、重度污染情況下頂相絕緣子串過電壓波形，雷擊電流幅值20 kA，桿塔工頻接地電阻取4 Ω。

由圖5可以看出，雷電流幅值為20 kA時(shí)，清潔絕緣子串未發(fā)生閃絡(luò)，輕度和重度污染絕緣子串均發(fā)生了閃絡(luò)。輕度污染絕緣子串閃絡(luò)電壓為2060kV，重度污染絕緣子串閃絡(luò)電壓為1 630 kV。由此可見，絕緣子串污穢越嚴(yán)重，閃絡(luò)電壓降低越明顯。因此，污穢絕緣子串的存在降低了線路繞擊耐雷水平。

圖5 不同污染情況下絕緣子串電壓波形Fig.5 Voltage waveform of insulator string under different pollution conditions

由于500 kV線路工作電壓較高，必須考慮工頻電壓對線路繞擊耐雷水平的影響。在EMTP軟件中，將工作電壓相角中從0°依次增大到360°，步長為30°，記錄發(fā)生閃絡(luò)時(shí)對應(yīng)的電流值I1、I2、…、I12，則線路平均繞擊耐雷水平為

2.2 接地電阻影響

圖6給出了不同桿塔接地電阻情況下，線路繞擊耐雷水平變化。

圖6 繞擊耐雷水平隨接地電阻變化Fig.6 Lightning shielding failure withstand level vs grounding resistances

由圖6可以看出，無論絕緣子串清潔與否，線路繞擊耐雷水平均隨著桿塔接地電阻的增大而增加，但是增加幅度十分有限。清潔絕緣子串情況下，當(dāng)接地電阻從10 Ω增大至50 Ω時(shí)，繞擊耐雷水平僅增加了2.6 kA。

同時(shí)，絕緣子串清潔程度嚴(yán)重影響線路繞擊耐雷水平。絕緣子串污染程度越嚴(yán)重，線路耐雷水平下降越多。即使接地電阻降低至4 Ω，線路繞擊耐雷水平也僅為13 kA。

2.3 絕緣子片數(shù)量影響

圖7給出了不同絕緣子片數(shù)量下，線路繞擊耐雷水平變化，桿塔工頻接地電阻4 Ω。

圖7 繞擊耐雷水平隨絕緣子片數(shù)量變化Fig.7 Lightning shielding failure withstand level vs number of the insulators

從圖7可以看出，線路繞擊耐雷水平隨著絕緣子片數(shù)量的增加而提升。重度污染絕緣子串情況下，當(dāng)絕緣子片數(shù)量從26片增至30片時(shí)，繞擊耐雷水平提升了30.7%。通過增加絕緣子片數(shù)量來提升線路繞擊耐雷水平是有效的，但是絕緣子串污穢的存在仍然削弱了其保護(hù)效果。

2.4 避雷器防護(hù)

圖8給出了安裝避雷器對提升線路繞擊耐雷水平效果，桿塔工頻接地電阻4 Ω。

圖8 安裝避雷器后線路繞擊耐雷水平Fig.8 Lightning withstand level after installation of lightning arrester

從圖8可以看出，線路繞擊耐雷水平得到顯著提升，因?yàn)楸芾灼鞯臍垑阂话愕陀诮^緣子串閃絡(luò)電壓。避雷器安裝越密，線路繞擊耐雷水平提升越明顯。每基桿塔均安裝避雷器后，重度絕緣子串情況下耐雷水平也超過了100 kA。每兩基桿塔安裝一組避雷器后，重度絕緣子串情況下耐雷水平提升至51 kA。

根據(jù)電氣幾何模型（EGM）[21]理論，桿塔和避雷線對線路具有屏蔽保護(hù)作用，存在一個(gè)理論上的臨界電流幅值，只有當(dāng)雷電流幅值小于臨界電流時(shí)，線路才會(huì)發(fā)生繞擊，否則線路發(fā)生反擊。每基桿塔均安裝避雷器后，線路耐雷水平遠(yuǎn)大于繞擊臨界電流，每兩基桿塔安裝一組避雷器時(shí)，線路耐雷水平則僅略大于繞擊臨界電流。因此，即使安裝線路避雷器，也需要盡可能保持絕緣子串的清潔。

3 結(jié)論

通過在EMTP中建立500kV輸電線路模型，分析線路發(fā)生雷電繞擊情況下污穢絕緣子串對線路耐雷水平的影響，得到結(jié)論如下。

1）污穢絕緣子串沖擊放電電壓低于正常情況，導(dǎo)致線路繞擊耐雷水平減小，絕緣子串污染程度越嚴(yán)重，耐雷水平下降越明顯。

2）線路繞擊耐雷水平隨著桿塔接地電阻的增加而增大，但是這種影響不是十分明顯。

3）增加絕緣子片數(shù)量能夠提高線路繞擊耐雷水平，但是絕緣子串污穢的存在削弱了其提升保護(hù)效果。

4）安裝避雷器后能夠顯著提升線路繞擊耐雷性能。避雷器安裝較密時(shí)即使絕緣子串污穢嚴(yán)重也能取得較好防護(hù)效果。

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