影響電站避雷器放電電流特性因素分析

徐建鐵，郭 潔，徐 迪，魏 琪，劉 行

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

以典型的750 kV輸變電系統(tǒng)為例，利用EMTP計(jì)算程序建立了仿真計(jì)算模型，對(duì)電站避雷器配置、避雷器電氣性能參數(shù)、雷電侵入方式、雷電波形、雷擊位置[1-2]等多個(gè)可能影響避雷器放電電流波形特性的因素進(jìn)行了計(jì)算研究。

1 系統(tǒng)計(jì)算模型

1.1 系統(tǒng)模型參數(shù)

本文選用的750 kV變電站出線為同塔雙回線路，雙回線路長(zhǎng)92.303 km，線路換位位置分別在12、42、74、92 km處，導(dǎo)線平均弧垂19.28 m，避雷線平均弧垂13.6 m，桿塔間檔距為550 m，土壤電阻率600 Ω·m，系統(tǒng)電氣接線見圖1。雷電由不同路徑侵入電站B。

圖1 750 kV系統(tǒng)電氣接線圖Fig.1 Electrical wiring diagram of 750 kV power system

1.1.1 桿塔

選用750 kV輸電系統(tǒng)同塔雙回SZC2直線塔，由于這種桿塔塔身高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雷電波作用下波過程明顯，因此采用分布參數(shù)的多波阻抗模型[3-7]。

1.1.2 工頻運(yùn)行電壓

由于750 kV系統(tǒng)工頻運(yùn)行電壓幅值高，對(duì)雷擊時(shí)流過避雷器的最大電流幅值和吸收能量影響較大，因此計(jì)算模型考慮了工頻運(yùn)行電壓的影響[8-9]。

工頻運(yùn)行電壓相位按照線路絕緣最容易閃絡(luò)來選取，當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，雷擊點(diǎn)工頻運(yùn)行電壓相位處于與雷電反極性峰值；雷電繞擊時(shí)，雷擊點(diǎn)工頻運(yùn)行電壓相位處于與雷電同極性峰值。

1.1.3 避雷器模型

依據(jù)配置的750 kV避雷器特性參數(shù)，避雷器采用非線性電阻和并聯(lián)電容模型來模擬，集中等值電容C為43.54 pF，見圖2；避雷器本體伏安特性曲線見圖3。

圖2 避雷器模型Fig.2 The model of MOA

圖3 避雷器本體U-A特性曲線Fig.3 The U-A characteristic curve of MOA body

1.2 雷電流模型

研究表明，雷道波阻抗與主放電通道雷電流有關(guān)，且隨著雷電流峰值的增大而減小。雷電通道波阻抗Z0與雷電流幅值的關(guān)系曲線[10]見圖4。

圖4 雷電流源等值電路和雷電通道波阻抗Fig.4 Lightning current source equivalent circuit and lightning channel impedance

當(dāng)I＜10 kA時(shí)，Z0約為幾千歐；當(dāng)I在10～30 kA時(shí)，Z0為 2100～700 Ω；當(dāng)I在 30～100 kA 時(shí)，Z0為700～300 Ω。當(dāng)I＞100 kA時(shí)，Z0穩(wěn)定于300 Ω附近。

根據(jù)迄今為止國(guó)內(nèi)外雷電研究者多年觀測(cè)獲得的雷電波統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選定了5種有代表性的雷電侵入波波形，即1/20 μs、1/100 μs、2.6/50 μs、5/20 μs、5/100 μs。

依據(jù)GB 50064—2012，建議范圍Ⅱ架空線路大跨越檔在雷電過電壓下安全運(yùn)行年數(shù)不宜低于50年，計(jì)算獲得750 kV系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)雷暴日地區(qū)線路遭受50年一遇的雷電流峰值為294 kA[11]（大于線路反擊耐雷水平），對(duì)應(yīng)的雷電通道波阻抗為300 Ω；依據(jù)線路桿塔形狀和導(dǎo)線布置結(jié)構(gòu)，采用電氣幾何模型計(jì)算獲得的線路最大繞擊電流峰值為55 kA[12]，對(duì)應(yīng)的雷電通道波阻抗為586 Ω；以實(shí)際線路絕緣臨界閃絡(luò)為判據(jù)，計(jì)算獲得線路在5種典型雷電波形下繞擊耐雷水平和雷電通道波阻抗見表1。

2 影響避雷器放電電流特性的主要因素分析

實(shí)際750 kV系統(tǒng)中，線路側(cè)避雷器可選取兩種型號(hào)：Y20W-600/1380 和Y20W-648/1491；電站側(cè)避雷器型號(hào)為Y20W-600/1380。

表1 繞擊耐雷水平和雷電通道波阻抗Table 1 Lightning impulse withstand level and wave impedance

為了深入研究流過避雷器波形的影響因素，首先確定了電站避雷器可能的配置方式。

方式1：配置的線路側(cè)和電站側(cè)避雷器型號(hào)均為Y20W-600/1380；線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝位置分別相距5 m、10 m；桿塔沖擊接地電阻分別為7 Ω、10 Ω。

方式2：配置的電站側(cè)避雷器型號(hào)為Y20W-600/1380，配置的線路側(cè)避雷器型號(hào)為Y20W-648/1491；線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝位置分別相距5 m、10 m；桿塔沖擊接地電阻分別為7 Ω、10Ω。

對(duì)于750 kV超高壓系統(tǒng)，構(gòu)成威脅的雷電侵入方式主要有：雷擊塔頂反擊相導(dǎo)線和雷電繞擊相導(dǎo)線兩種。雷擊位置以雷擊電站近區(qū)更為苛刻。

2.1 雷電侵入波波形的影響

雷電侵入波波形對(duì)流過MOA的放電電流波形影響的仿真計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 不同雷電侵入波波形下流過MOA的放電電流波形Fig.5 Discharge current waveforms of MOA under different lightning intrusion wave

2.2 避雷器配置方式的影響

配置的避雷器電氣性能參數(shù)對(duì)流過避雷器的放電電流波形影響的仿真計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 不同避雷器電氣性能參數(shù)時(shí)流過MOA的放電電流波形Fig.6 Different arrester electrical performance parameters flows through the MOA discharge current waveform

2.3 雷擊點(diǎn)位置的影響

雷擊點(diǎn)位置對(duì)流過MOA的放電電流波形影響的仿真計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 不同雷擊點(diǎn)時(shí)流過MOA的放電電流波形Fig.7 Discharge current waveform of MOA at different lightning stroke points

2.4 線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距的影響

線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距對(duì)流過MOA的放電電流波形影響的仿真計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 不同避雷器間距時(shí)流過MOA的放電電流波形Fig.8 Discharge current waveforms of MOA at different arrester spacing

2.5 桿塔沖擊接地電阻的影響

桿塔沖擊接地電阻對(duì)流過MOA的放電電流波形影響的仿真計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 不同桿塔沖擊接地電阻時(shí)流過MOA的放電電流波形Fig.9 Different tower impulse grounding resistance flows through the MOA discharge current waveform

3 結(jié)論

通過以上仿真計(jì)算分析，可以得出影響MOA放電電流波形差異性的因素如下：

1）雷電侵入波波形：流過MOA電流的波頭時(shí)間隨著侵入波波頭的減小而變短；流過MOA電流的最大電流峰值隨著雷電侵入波頭的減小而增大。

2）避雷器配置方式：相同侵入波下，線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器參數(shù)配置相同時(shí)，流過MOA電流的波頭時(shí)間長(zhǎng)于兩臺(tái)避雷器參數(shù)配置不同時(shí)；流過MOA電流的最大電流峰值大于兩臺(tái)避雷器參數(shù)配置不同時(shí)。

3）雷擊點(diǎn)位置：流過MOA的雷電流波頭時(shí)間隨著落雷點(diǎn)距變電站距離的變近而變短和陡化；流過MOA電流的最大電流峰值也隨之增大。

4）線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距：在雷擊點(diǎn)位置、侵入波波形相同時(shí)，線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距越小，流過MOA電流的波頭時(shí)間越長(zhǎng)，流過MOA電流的最大電流峰值越?。粌膳_(tái)避雷器配置參數(shù)相同時(shí)，兩者布置間距越小，雷電負(fù)荷差異越小，電站側(cè)MOA波頭時(shí)間略長(zhǎng)、峰值略??；兩臺(tái)避雷器配置參數(shù)不同時(shí)，兩者布置間距越小，雷電負(fù)荷差異越大，電站側(cè)MOA波頭時(shí)間更長(zhǎng)、峰值更大。

5）桿塔沖擊接地電阻：當(dāng)雷擊塔頂反擊相導(dǎo)線時(shí)，桿塔沖擊接地電阻越小，流過MOA的電流波頭時(shí)間越長(zhǎng)，流過MOA的最大電流峰值也越小。雷電繞擊相導(dǎo)線導(dǎo)致線路絕緣閃絡(luò)時(shí)，桿塔沖擊接地電阻對(duì)流過MOA的放電電流波形的影響很小。